수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

약학과 1번

문제

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

1-1[1단계]0axn(ax)ndx=1n+1[xn+1(ax)n]0a+nn+10axn+1(ax)n1dx=nn+1n1n+20axn+2(ax)n2dx=nn+1n1n+222n112n0ax2ndx\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}0ax2ndx=a2n+12n+1\displaystyle \int_0^a x^{2n}\,dx=\frac{a^{2n+1}}{2n+1}0axn(ax)ndx=(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

+5점 · 0πaxsinxdx\displaystyle \int_0^\pi a^x\sin x\,dx를 나타낸다. +10점 · B\displaystyle B를 구하고, a=e\displaystyle a=e임을 구한다. +10점 · 부분적분을 이용하여 0πexsinxdx\displaystyle \int_0^\pi e^x\sin x\,dx의 값을 구한다.

[2단계]B=1alnxdx=[xlnx]1a1a1dx=alnaa+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+1B1=Balnaa=0a=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}닫힌 구간 [0,π]\displaystyle [0,\pi]에서 exsinx0\displaystyle e^x\sin x\ge0이므로, 구하는 넓이는 0πaxsinxdx\displaystyle \int_0^\pi a^x\sin x\,dx이다.0πexcosxdx=[excosx]0π+0πexsinxdx=eπ1+0πexsinxdx\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\,dx0πexsinxdx=[exsinx]0π0πexcosxdx\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\,dx20πexsinxdx=eπ+1\displaystyle 2\int_0^\pi e^x\sin x\,dx=e^\pi+1넓이=0πexsinxdx=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)+0xf(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. +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. +5점 · 함수 f\displaystyle fa\displaystyle aa\displaystyle -a에서 극값을 가짐을 보인다.

[2단계]aaf(x)dx=aaf(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)\,dx2aaf(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)a2f(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)0=aaf(x)dx=20af(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=0aaf(x)dx=2f(0)=0f(0)=0f(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.이고, f(a)0\displaystyle f^{\prime\prime}(a)\ne0이므로f(x)\displaystyle \therefore f(x)a\displaystyle a, a\displaystyle -a에서 극값을 갖는다.

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