수리논술, 이게 다다.

약학과 1번

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문제

1. 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

<가> 양의 실수 a\displaystyle a에 대하여 a>1\displaystyle a>1이다.

<나> 자연수 n\displaystyle n에 대하여 ∫0axn(a−x)n dx=A\displaystyle \int_0^a x^n(a-x)^n\,dx=A이다.

<다> 곡선 y=ln⁡x\displaystyle y=\ln x, 직선 x=a\displaystyle x=a와 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 부분의 넓이가 B\displaystyle B일 때, (2n+1)!A=(n!)2a2n+1B\displaystyle (2n+1)!A=(n!)^2a^{2n+1}B이다. (단, n!=n×(n−1)×⋯×2×1\displaystyle n!=n\times(n-1)\times\cdots\times2\times1)

<라> f(x)\displaystyle f(x)는 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)와 f′′(x)\displaystyle f^{\prime\prime}(x)가 존재하는 함수이고, f′′(a)\displaystyle f^{\prime\prime}(a)는 0이 아니다.

1-1. 곡선 y=axsin⁡x  (0≤x≤π)\displaystyle y=a^x\sin x\;(0\le x\le\pi)와 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 부분의 넓이를 구하시오. [45점]

1-2. ∫−aaf′(x) dx=∫−aaf′′(x) dx=0\displaystyle \int_{-a}^a f^{\prime}(x)\,dx=\int_{-a}^a f^{\prime\prime}(x)\,dx=0이고 f′′(x)=f′′(−x)\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=f^{\prime\prime}(-x)일 때, f(x)\displaystyle f(x)는 a\displaystyle a와 −a\displaystyle -a에서 극값을 가짐을 보이시오. [45점]

해설강의 준비중
+20점 · ∫0axn(a−x)n dx\displaystyle \int_0^a x^n(a-x)^n\,dx의 적분값을 구함으로써 A를 알 수 있다.

1-1[1단계]∫0axn(a−x)n dx=1n+1[xn+1(a−x)n]0a+nn+1∫0axn+1(a−x)n−1 dx=nn+1n−1n+2∫0axn+2(a−x)n−2 dx=nn+1n−1n+2⋯22n−112n∫0ax2n dx\displaystyle \begin{aligned}&\int_0^a x^n(a-x)^n\,dx\\&=\frac1{n+1}\Biggl[x^{n+1}(a-x)^n\Biggr]_0^a+\frac n{n+1}\int_0^a x^{n+1}(a-x)^{n-1}\,dx\\&=\frac n{n+1}\frac{n-1}{n+2}\int_0^a x^{n+2}(a-x)^{n-2}\,dx\\&=\frac n{n+1}\frac{n-1}{n+2}\cdots\frac2{2n-1}\frac1{2n}\int_0^a x^{2n}\,dx\end{aligned}∫0ax2n dx=a2n+12n+1\displaystyle \int_0^a x^{2n}\,dx=\frac{a^{2n+1}}{2n+1}∴∫0axn(a−x)n dx=(n!)2(2n+1)!a2n+1=A\displaystyle \therefore\int_0^a x^n(a-x)^n\,dx=\frac{(n!)^2}{(2n+1)!}a^{2n+1}=A

+10점 · B\displaystyle B를 구하고, a=e\displaystyle a=e임을 구한다.

[2단계]B=∫1aln⁡x dx=[xln⁡x]1a−∫1a1 dx=aln⁡a−a+1\displaystyle B=\int_1^a\ln x\,dx=\Biggl[x\ln x\Biggr]_1^a-\int_1^a1\,dx=a\ln a-a+1(2n+1)!A=(n!)2a2n+1B⇒1=B⇒aln⁡a−a=0∴a=e\displaystyle \begin{aligned}&(2n+1)!A=(n!)^2a^{2n+1}B\\&\Rightarrow1=B\Rightarrow a\ln a-a=0\quad\therefore a=e\end{aligned}

+5점 · ∫0πaxsin⁡x dx\displaystyle \int_0^\pi a^x\sin x\,dx를 나타낸다.

닫힌 구간 [0,π]\displaystyle [0,\pi]에서 exsin⁡x≥0\displaystyle e^x\sin x\ge0이므로, 구하는 넓이는 ∫0πaxsin⁡x dx\displaystyle \int_0^\pi a^x\sin x\,dx이다.

+10점 · 부분적분을 이용하여 ∫0πexsin⁡x dx\displaystyle \int_0^\pi e^x\sin x\,dx의 값을 구한다.

∴∫0πexcos⁡x dx=[excos⁡x]0π+∫0πexsin⁡x dx=−eπ−1+∫0πexsin⁡x dx\displaystyle \therefore\int_0^\pi e^x\cos x\,dx=\Biggl[e^x\cos x\Biggr]_0^\pi+\int_0^\pi e^x\sin x\,dx=-e^\pi-1+\int_0^\pi e^x\sin x\,dx∴∫0πexsin⁡x dx=[exsin⁡x]0π−∫0πexcos⁡x dx\displaystyle \therefore\int_0^\pi e^x\sin x\,dx=\Biggl[e^x\sin x\Biggr]_0^\pi-\int_0^\pi e^x\cos x\,dx2∫0πexsin⁡x dx=eπ+1\displaystyle 2\int_0^\pi e^x\sin x\,dx=e^\pi+1∴넓이=∫0πexsin⁡x dx=eπ+12\displaystyle \therefore\text{넓이}=\int_0^\pi e^x\sin x\,dx=\frac{e^\pi+1}{2}

+10점 · f′(x)+f′(−x)=2f′(0)\displaystyle f^{\prime}(x)+f^{\prime}(-x)=2f^{\prime}(0)임을 도출한다.

1-2[1단계]주어진 조건 f′′(x)=f′′(−x)\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=f^{\prime\prime}(-x)로부터 f′(x)=f′(0)+∫0xf′′(t) dt  ⋯  (1)\displaystyle f^{\prime}(x)=f^{\prime}(0)+\int_0^x f^{\prime\prime}(t)\,dt\;\cdots\;(1)−x\displaystyle -x를 대입하여 f′(−x)=f′(0)+∫0−xf′′(t) dt\displaystyle f^{\prime}(-x)=f^{\prime}(0)+\int_0^{-x}f^{\prime\prime}(t)\,dtf′′(x)=f′′(−x)\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=f^{\prime\prime}(-x)임을 알고 있으므로 t=−s\displaystyle t=-s로 치환하면f′(−x)=f′(0)+∫0xf′′(−s)(−ds)=f′(0)−∫0xf′′(−s) ds=f′(0)−∫0xf′′(t) dt\displaystyle f^{\prime}(-x)=f^{\prime}(0)+\int_0^x f^{\prime\prime}(-s)(-ds)=f^{\prime}(0)-\int_0^x f^{\prime\prime}(-s)\,ds=f^{\prime}(0)-\int_0^x f^{\prime\prime}(t)\,dt즉, f′(−x)=f′(0)−∫0xf′′(t) dt  ⋯  (2)\displaystyle f^{\prime}(-x)=f^{\prime}(0)-\int_0^x f^{\prime\prime}(t)\,dt\;\cdots\;(2)f′(x)+f′(−x)=2f′(0)\displaystyle f^{\prime}(x)+f^{\prime}(-x)=2f^{\prime}(0)∴f′(x)=2f′(0)−f′(−x)\displaystyle \therefore f^{\prime}(x)=2f^{\prime}(0)-f^{\prime}(-x)f′(0)=0\displaystyle f^{\prime}(0)=0인 경우 f′(−x)=−f′(x)\displaystyle f^{\prime}(-x)=-f^{\prime}(x)이다.

+15점 · f′(0)=0\displaystyle f^{\prime}(0)=0임을 보인다.

[2단계]∫−aaf′(−x) dx=∫a−af′(t)(−dt)=∫−aaf′(t) dt=∫−aaf′(x) dx\displaystyle \int_{-a}^a f^{\prime}(-x)\,dx=\int_a^{-a}f^{\prime}(t)(-dt)=\int_{-a}^a f^{\prime}(t)\,dt=\int_{-a}^a f^{\prime}(x)\,dx2∫−aaf′(x) dx=∫−aaf′(x) dx+∫−aaf′(−x) dx=∫−aa(f′(x)+f′(−x)) dx=∫−aa2f′(0) dx\displaystyle \begin{aligned}2\int_{-a}^a f^{\prime}(x)\,dx&=\int_{-a}^a f^{\prime}(x)\,dx+\int_{-a}^a f^{\prime}(-x)\,dx=\int_{-a}^a(f^{\prime}(x)+f^{\prime}(-x))\,dx\\&=\int_{-a}^a2f^{\prime}(0)\,dx\end{aligned}[2f′(0)x]−aa=2f′(0)a−2f′(0)(−a)=4af′(0)  ⋯  (3)\displaystyle \Biggl[2f^{\prime}(0)x\Biggr]_{-a}^a=2f^{\prime}(0)a-2f^{\prime}(0)(-a)=4af^{\prime}(0)\;\cdots\;(3)∫−aaf′(x) dx=2af′(0)\displaystyle \int_{-a}^a f^{\prime}(x)\,dx=2af^{\prime}(0)∴\displaystyle \therefore 조건에서 f′(0)=0  ⋯  (4)\displaystyle f^{\prime}(0)=0\;\cdots\;(4)

+10점 · f′(a)=f′(−a)\displaystyle f^{\prime}(a)=f^{\prime}(-a)임을 보인다.
+5점 · f′(a)=f′(−a)=f′(0)\displaystyle f^{\prime}(a)=f^{\prime}(-a)=f^{\prime}(0)임을 보인다.

0=∫−aaf′′(x) dx=2∫0af′′(x) dx=2[f′(x)]0a=2f′(a)−2f′(0)\displaystyle 0=\int_{-a}^a f^{\prime\prime}(x)\,dx=2\int_0^a f^{\prime\prime}(x)\,dx=2\Biggl[f^{\prime}(x)\Biggr]_0^a=2f^{\prime}(a)-2f^{\prime}(0)∴f′(a)=f′(0)\displaystyle \therefore f^{\prime}(a)=f^{\prime}(0)f′(−a)=f′(a)=f′(0)\displaystyle f^{\prime}(-a)=f^{\prime}(a)=f^{\prime}(0)이고,(4)에서 ∫−aaf′(x) dx=0\displaystyle \int_{-a}^a f^{\prime}(x)\,dx=0∫−aaf′(x) dx=2f′(0)=0∴f′(0)=0∴f′(a)=0,  f′(−a)=0\displaystyle \begin{gathered}\int_{-a}^a f^{\prime}(x)\,dx=2f^{\prime}(0)=0\\\therefore f^{\prime}(0)=0\\\therefore f^{\prime}(a)=0,\;f^{\prime}(-a)=0\end{gathered}Correction. 이 줄의 2f′(0)\displaystyle 2f^{\prime}(0)에는 계수 a\displaystyle a가 빠져 있다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+5점 · 함수 f\displaystyle f가 a\displaystyle a와 −a\displaystyle -a에서 극값을 가짐을 보인다.

이고, f′′(a)≠0\displaystyle f^{\prime\prime}(a)\ne0이므로∴f(x)\displaystyle \therefore f(x)는 a\displaystyle a, −a\displaystyle -a에서 극값을 갖는다.

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