수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] (50점) 다음 제시문을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

1. 어떤 명제가 참임을 증명할 때, 주어진 명제의 결론을 부정하여 가정 또는 이미 알려진 수학적 사실 등에 모순됨을 보여 원래의 명제가 참임을 증명하는 방법을 귀류법이라고 한다.

2. 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 어떤 열린구간에서 미분가능할 때① 그 구간의 모든 x\displaystyle x에 대하여 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 그 구간에서 증가한다.② 그 구간의 모든 x\displaystyle x에 대하여 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 그 구간에서 감소한다.

3. 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속인 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 미분가능한 함수 x=g(t)\displaystyle x=g(t)의 도함수 g′(t)\displaystyle g^{\prime}(t)가 a=g(α)\displaystyle a=g(\alpha), b=g(β)\displaystyle b=g(\beta)일 때, α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta를 포함하는 구간에서 연속이면∫abf(x) dx=∫αβf(g(t))g′(t)dt\displaystyle \int_{a}^{b} f(x)\,dx=\int_{\alpha}^{\beta} f(g(t))g^{\prime}(t)dt

4. 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속인 도함수를 갖는 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)에 대하여∫abf(x)g′(x)dx=[f(x)g(x)]ab−∫abf′(x)g(x)dx\displaystyle \int_{a}^{b} f(x)g^{\prime}(x)dx=\Biggl[f(x)g(x)\Biggr]_{a}^{b}-\int_{a}^{b} f^{\prime}(x)g(x)dx

[1] 다항함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음 조건을 모두 만족시킬 때, 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 구하시오. [6점]

(가) f(0)=1\displaystyle f(0)=1(나) 모든 실수 x\displaystyle x에서 f(3x)=f(x)+x3\displaystyle f(3x)=f(x)+x^{3}이다.

[2] 방정식 8x3−6x+1=0\displaystyle 8x^{3}-6x+1=0의 실근이 유리수가 아님을 증명하시오. [12점]

[3] 다음 물음에 답하시오.(1) 정적분 ∫011−x81+x2dx\displaystyle \int_{0}^{1}\frac{1-x^{8}}{1+x^{2}}dx를 구하시오. [6점](2) (1)에서 구한 값을 I\displaystyle I라고 할 때, 부등식 ∣I−∫0111+x2dx∣≤19\displaystyle \left|I-\int_{0}^{1}\frac{1}{1+x^{2}}dx\right|\le\frac{1}{9}이 성립함을 증명하시오. [8점]

[4] 함수 f(x)=ln⁡xx\displaystyle f(x)=\frac{\ln x}{x}에 대하여 다음 물음에 답하시오.(1) n≥3\displaystyle n\ge 3인 자연수 n\displaystyle n에 대하여 nn+1\displaystyle n^{n+1}과 (n+1)n\displaystyle (n+1)^{n}의 크기를 비교하시오. [8점](2) 함수 g(x)=f(x+1)x+1\displaystyle g(x)=\frac{f(x+1)}{x+1}일 때, 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=0\displaystyle x=0, x=e2−1\displaystyle x=e^{2}-1로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하시오. [10점]

+1점 · f(x)=amxm+am−1xm−1+⋯+a1x+a0 (m≥3)\displaystyle f(x)=a_{m}x^{m}+a_{m-1}x^{m-1}+\cdots+a_{1}x+a_{0}\ (m\ge 3)으로 나타내면

[1] f(x)=amxm+am−1xm−1+⋯+a1x+a0 (m≥3)\displaystyle f(x)=a_{m}x^{m}+a_{m-1}x^{m-1}+\cdots+a_{1}x+a_{0}\ (m\ge 3)으로 놓으면 조건 (나)에 의하여f(3x)−f(x)=(3m−1)amxm+⋯+(33−1)a3x3+⋯+(31−1)a1x=x3\displaystyle f(3x)-f(x)=\left(3^{m}-1\right)a_{m}x^{m}+\cdots+\left(3^{3}-1\right)a_{3}x^{3}+\cdots+\left(3^{1}-1\right)a_{1}x=x^{3}

+3점 · a3=126\displaystyle a_{3}=\frac{1}{26}, ak=0 (1≤k≤m, k≠3)\displaystyle a_{k}=0\ (1\le k\le m,\ k\neq 3)을 얻으면

항등식의 성질에 의하여 (33−1)a3=1\displaystyle \left(3^{3}-1\right)a_{3}=1, (3k−1)ak=0 (1≤k≤m, k≠3)\displaystyle \left(3^{k}-1\right)a_{k}=0\ (1\le k\le m,\ k\neq 3)이므로a3=126,ak=0 (1≤k≤m, k≠3)\displaystyle a_{3}=\frac{1}{26},\quad a_{k}=0\ (1\le k\le m,\ k\neq 3)그러므로 f(x)=126x3+a0\displaystyle f(x)=\frac{1}{26}x^{3}+a_{0}

+2점 · f(x)=126x3+1\displaystyle f(x)=\frac{1}{26}x^{3}+1을 얻으면

조건 (가)로부터 a0=f(0)=1\displaystyle a_{0}=f(0)=1이므로 f(x)=126x3+1\displaystyle f(x)=\frac{1}{26}x^{3}+1

+2점 · 귀류법을 이용하여 실근 x\displaystyle x가 유리수라고 가정하면

[2] 귀류법으로 방정식 8x3−6x+1=0\displaystyle 8x^{3}-6x+1=0의 실근 x\displaystyle x가 유리수가 아님을 증명하자.x\displaystyle x가 유리수라고 가정하면, x=ab (b≠0, a,b\displaystyle x=\frac{a}{b}\ (b\neq 0,\ a,b는 서로소인 정수)\displaystyle )로 쓸 수 있다.

+4점 · x=ab(b≠0, a,b\displaystyle x=\frac{a}{b}(b\neq 0,\ a,b는 서로소인 정수)로 놓고 b\displaystyle b는 짝수, a\displaystyle a는 홀수임을 얻으면

방정식에 대입하여 정리하면 b3=2(3ab2−4a3) ⋯⋯ ㉠\displaystyle b^{3}=2\left(3ab^{2}-4a^{3}\right)\ \cdots\cdots\ \text{㉠}b\displaystyle b는 짝수이므로 정수 k\displaystyle k에 대하여 b=2k\displaystyle b=2k이고, a\displaystyle a와 b\displaystyle b는 서로소이므로 a\displaystyle a는 홀수이다.

+4점 · b=2k\displaystyle b=2k로 놓고 a3=k2(3a−k)\displaystyle a^{3}=k^{2}(3a-k)가 짝수임을 얻으면

b=2k\displaystyle b=2k를 식 ㉠에 대입하면 a3=3ak2−k3=k2(3a−k) ⋯⋯ ㉡\displaystyle a^{3}=3ak^{2}-k^{3}=k^{2}(3a-k)\ \cdots\cdots\ \text{㉡}식 ㉡에서 k\displaystyle k가 홀수이면 3a−k\displaystyle 3a-k는 짝수이고 k\displaystyle k가 짝수이면 k2\displaystyle k^{2}이 짝수이므로 k2(3a−k)\displaystyle k^{2}(3a-k)는 짝수이다.

+2점 · a\displaystyle a가 짝수이고 a\displaystyle a는 홀수임에 모순이라고 표현하면

a3\displaystyle a^{3}은 짝수이므로 a\displaystyle a도 짝수이며, 이것은 a\displaystyle a가 홀수임에 모순이다.따라서 주어진 방정식의 실근은 유리수가 아니다.

+1점 · 1−x81+x2=1−x2+x4−x6\displaystyle \frac{1-x^{8}}{1+x^{2}}=1-x^{2}+x^{4}-x^{6}을 얻으면

[3] (1) 1−x8=(1+x2)(1−x2+x4−x6)\displaystyle 1-x^{8}=\left(1+x^{2}\right)\left(1-x^{2}+x^{4}-x^{6}\right)이므로

+3점 · ∫01(1−x2+x4−x6)dx=[x−x33+x55−x77]01\displaystyle \int_{0}^{1}\left(1-x^{2}+x^{4}-x^{6}\right)dx=\Biggl[x-\frac{x^{3}}{3}+\frac{x^{5}}{5}-\frac{x^{7}}{7}\Biggr]_{0}^{1}을 얻으면

∫011−x81+x2dx=∫01(1−x2+x4−x6)dx=[x−x33+x55−x77]01\displaystyle \int_{0}^{1}\frac{1-x^{8}}{1+x^{2}}dx=\int_{0}^{1}\left(1-x^{2}+x^{4}-x^{6}\right)dx=\Biggl[x-\frac{x^{3}}{3}+\frac{x^{5}}{5}-\frac{x^{7}}{7}\Biggr]_{0}^{1}

+2점 · 정적분 ∫011−x81+x2dx=76105\displaystyle \int_{0}^{1}\frac{1-x^{8}}{1+x^{2}}dx=\frac{76}{105}을 얻으면

=1−13+15−17=76105\displaystyle =1-\frac{1}{3}+\frac{1}{5}-\frac{1}{7}=\frac{76}{105}

+5점 · 치환적분법으로 ∫0111+x2dx=∫0π4sec⁡2θsec⁡2θdθ\displaystyle \int_{0}^{1}\frac{1}{1+x^{2}}dx=\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}\frac{\sec^{2}\theta}{\sec^{2}\theta}d\theta를 얻으면

(2) 정적분 ∫0111+x2dx\displaystyle \int_{0}^{1}\frac{1}{1+x^{2}}dx를 구하기 위하여 x=tan⁡θ(−π2<θ<π2)\displaystyle x=\tan\theta\left(-\frac{\pi}{2}<\theta<\frac{\pi}{2}\right)로 놓으면dxdθ=sec⁡2θ\displaystyle \frac{dx}{d\theta}=\sec^{2}\theta이고, x=0\displaystyle x=0일 때 θ=0\displaystyle \theta=0, x=1\displaystyle x=1일 때 θ=π4\displaystyle \theta=\frac{\pi}{4}이므로

+1점 · 정적분 ∫0111+x2dx=π4\displaystyle \int_{0}^{1}\frac{1}{1+x^{2}}dx=\frac{\pi}{4}를 얻으면

∫0111+x2dx=∫0π4sec⁡2θsec⁡2θdθ=π4\displaystyle \int_{0}^{1}\frac{1}{1+x^{2}}dx=\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}\frac{\sec^{2}\theta}{\sec^{2}\theta}d\theta=\frac{\pi}{4}

+2점 · 부등식 ∣I−∫0111+x2dx∣≤19\displaystyle \left|I-\int_{0}^{1}\frac{1}{1+x^{2}}dx\right|\le\frac{1}{9}을 증명하면

따라서 ∣I−∫0111+x2dx∣=∣76105−π4∣≤19\displaystyle \left|I-\int_{0}^{1}\frac{1}{1+x^{2}}dx\right|=\left|\frac{76}{105}-\frac{\pi}{4}\right|\le\frac{1}{9}

+5점 · x>e\displaystyle x>e이면 f(x)=ln⁡xx\displaystyle f(x)=\frac{\ln x}{x}는 감소함수임을 얻으면

[4] (1) nn+1\displaystyle n^{n+1}과 (n+1)n\displaystyle (n+1)^{n}의 자연로그를 n(n+1)\displaystyle n(n+1)로 각각 나누면 ln⁡nn\displaystyle \frac{\ln n}{n}과 ln⁡(n+1)n+1\displaystyle \frac{\ln(n+1)}{n+1}이다.f(x)=ln⁡xx\displaystyle f(x)=\frac{\ln x}{x}를 미분하면 f′(x)=1−ln⁡xx2\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{1-\ln x}{x^{2}}이므로 f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0이면 x=e\displaystyle x=e이다.x>e\displaystyle x>e이면 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이므로 f(x)\displaystyle f(x)는 감소함수이다.

+1점 · n≥3>e\displaystyle n\ge 3>e이면 ln⁡nn>ln⁡(n+1)n+1\displaystyle \frac{\ln n}{n}>\frac{\ln(n+1)}{n+1}을 얻으면

따라서 n≥3>e\displaystyle n\ge 3>e이면 ln⁡nn>ln⁡(n+1)n+1\displaystyle \frac{\ln n}{n}>\frac{\ln(n+1)}{n+1}이고,

+2점 · nn+1>(n+1)n\displaystyle n^{n+1}>(n+1)^{n}을 얻으면

n1n>(n+1)1n+1\displaystyle n^{\frac{1}{n}}>(n+1)^{\frac{1}{n+1}}이므로 nn+1>(n+1)n\displaystyle n^{n+1}>(n+1)^{n}

+3점 · 도형의 넓이를 ∫0e2−1∣g(x)∣dx=∫0e2−1ln⁡(x+1)(x+1)2dx\displaystyle \int_{0}^{e^{2}-1}\left|g(x)\right|dx=\int_{0}^{e^{2}-1}\frac{\ln(x+1)}{(x+1)^{2}}dx로 표현하면

(2) g(x)=f(x+1)x+1=ln⁡(x+1)(x+1)2\displaystyle g(x)=\frac{f(x+1)}{x+1}=\frac{\ln(x+1)}{(x+1)^{2}}이므로 x≥0\displaystyle x\ge 0에서 g(x)≥0\displaystyle g(x)\ge 0도형의 넓이 S\displaystyle S는S=∫0e2−1∣g(x)∣dx=∫0e2−1ln⁡(x+1)(x+1)2dx\displaystyle S=\int_{0}^{e^{2}-1}\left|g(x)\right|dx=\int_{0}^{e^{2}-1}\frac{\ln(x+1)}{(x+1)^{2}}dx

+3점 · 치환적분법으로 ∫0e2−1ln⁡(x+1)(x+1)2dx=∫02te−tdt\displaystyle \int_{0}^{e^{2}-1}\frac{\ln(x+1)}{(x+1)^{2}}dx=\int_{0}^{2} te^{-t}dt를 얻으면

t=ln⁡(x+1)\displaystyle t=\ln(x+1)로 놓으면 dt=1x+1dx\displaystyle dt=\frac{1}{x+1}dx이고 x=0\displaystyle x=0일 때 t=0\displaystyle t=0, x=e2−1\displaystyle x=e^{2}-1일 때 t=2\displaystyle t=2이므로∫0e2−1ln⁡(x+1)(x+1)2dx=∫02te−tdt\displaystyle \int_{0}^{e^{2}-1}\frac{\ln(x+1)}{(x+1)^{2}}dx=\int_{0}^{2} te^{-t}dt

+2점 · 부분적분법으로 ∫02te−tdt=[−te−t−e−t]02\displaystyle \int_{0}^{2} te^{-t}dt=\Biggl[-te^{-t}-e^{-t}\Biggr]_{0}^{2}를 얻으면

∫02te−tdt=[−te−t]02−∫02(−e−t)dt=[−te−t−e−t]02=1−3e2\displaystyle \int_{0}^{2} te^{-t}dt=\Biggl[-te^{-t}\Biggr]_{0}^{2}-\int_{0}^{2}\left(-e^{-t}\right)dt=\Biggl[-te^{-t}-e^{-t}\Biggr]_{0}^{2}=1-\frac{3}{e^{2}}

+2점 · 도형의 넓이 1−3e2\displaystyle 1-\frac{3}{e^{2}}을 얻으면

따라서 도형의 넓이 S\displaystyle S는 S=1−3e2\displaystyle S=1-\frac{3}{e^{2}}

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