수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

【문항 2\displaystyle 2】다음 제시문을 이용하여 아래 논제의 풀이 과정과 답을 논리적으로 서술하시오.

(가) 함수 f(x)\displaystyle f ( x )가 어떤 구간에서 미분가능하고, 이 구간의 모든 x\displaystyle x에 대하여 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime} ( x ) > 0이면 f(x)\displaystyle f ( x )는 이 구간에서 증가한다.

(나) (합성함수의 미분법) 미분가능한 두 함수 y=f(z),z=g(x)\displaystyle y = f ( z ) , z = g ( x )에 대하여 합성함수 y=f(g(x))\displaystyle y = f ( g ( x ) )의 도함수는 dydx=dydz⋅dzdx\displaystyle \frac{{d y}}{d x} = \frac{{d y}}{d z} \cdot \frac{{d z}}{d x}또는 y′=f′(g(x))g′(x)\displaystyle y^{\prime} = f^{\prime} ( g ( x ) ) g^{\prime} ( x )이다.

(다) (치환적분법) 미분가능한 함수 g(y)\displaystyle g ( y )에 대하여 x=g(y)\displaystyle x = g ( y )로 놓으면 ∫f(x)dx=∫f(g(y))g′(y)dy\displaystyle \int f ( x ) d x = \int f ( g ( y ) ) g^{\prime} ( y ) d y이다.

구간 [12,1]\displaystyle \left[ \frac{{1}}{2} , 1 \right]에서 정의된 연속함수 f(x)=1−1−x2x\displaystyle f ( x ) = \frac{{1 - \sqrt{1 - x^{2}}}}{x}에 대하여 다음 논제에 답하시오.

2-1. 구간 [12,1]\displaystyle \left[ \frac{{1}}{2} , 1 \right]에서 함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 값의 범위와 역함수를 구하시오. [15\displaystyle 15점]

2-2. 논제 2-1 에서 구한 역함수와 제시문 (다)를 이용하여 ∫451f(x)dx\displaystyle \int_{\frac{{4}}{5}}^{1} f ( x ) d x의 값을 구하시오. [20\displaystyle 20점]

해설강의 준비중

2-1. f(12)=2−3,f(1)=1\displaystyle f \left( \frac{{1}}{2} \right) = 2 - \sqrt{3} , f ( 1 ) = 1이다. …①

+7점 · 미분을 이용하여 f(x)\displaystyle f ( x )가 증가함수임을 설명할 수 있다.

제시문 (나)에 의해 f(x)\displaystyle f ( x )의 도함수를 구하면f′(x)=−1x2−12⋅−2x31x2−1=1x2(11−x2−1)>0\displaystyle f^{\prime} ( x ) = - \frac{{1}}{x^{2}} - \frac{{1}}{2} \cdot \frac{{\frac{{- 2}}{x^{3}}}}{\sqrt{\frac{{1}}{x^{2}} - 1}} = \frac{{1}}{x^{2}} \left( \frac{{1}}{\sqrt{1 - x^{2}}} - 1 \right) > 0이다.제시문 (가)에 의해 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime} ( x ) > 0이므로 f(x)\displaystyle f ( x )는 증가함수이다. …②

+3점 · 함수의 값의 범위를 구할 수 있다.

그러므로 ①, ②에 의해 2−3≤f(x)≤1\displaystyle 2-\sqrt3\le f(x)\le1이다.

+5점 · f(x)\displaystyle f ( x )의 역함수를 구할 수 있다.

y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 역함수 x=g(y)\displaystyle x = g ( y )라 하고 구하면 y=1x−1x2−1\displaystyle y = \frac{{1}}{x} - \sqrt{\frac{{1}}{x^{2}} - 1}에서 x=2yy2+1\displaystyle x = \frac{{2 y}}{y^{2} + 1}.그러므로 g(y)=2yy2+1(2−3<y≤1)\displaystyle g ( y ) = \frac{{2 y}}{y^{2} + 1} ( 2 - \sqrt{3} < y \leq 1 )이다.

+13점 · 치환적분법을 이용하여 역함수의 적분 형태로 바꿀 수 있다.

2-2. 제시문 (다)의 치환적분을 사용하면x=g(y)=f−1(y)\displaystyle x = g ( y ) = f^{- 1} ( y )에 대하여 ∫f(x)dx=∫f(g(y))g′(y)dy=∫yg′(y)dy\displaystyle \int f ( x ) d x = \int f ( g ( y ) ) g^{\prime} ( y ) d y = \int y g^{\prime} ( y ) d y이다.정적분의 치환적분법을 사용하기 위하여 적분구간을 구하면f(1)=1,f(45)=12\displaystyle f(1)=1,\quad f\left(\frac45\right)=\frac12, 즉 1=g(1),45=g(12)\displaystyle 1=g(1),\quad\frac45=g\left(\frac12\right)이므로 [45,1]⇒[12,1]\displaystyle \left[\frac45,1\right]\Rightarrow\left[\frac12,1\right]이 된다.∫451f(x)dx=∫121yg′(y)dy=[yg(y)]121−∫121g(y)dy=g(1)−12g(12)−∫121g(y)dy\displaystyle \int_{\frac45}^1 f(x)dx=\int_{\frac12}^1 yg^{\prime}(y)dy=\Biggl[yg(y)\Biggr]_{\frac12}^1-\int_{\frac12}^1g(y)dy=g(1)-\frac12g\left(\frac12\right)-\int_{\frac12}^1g(y)dy ………①이다.

+7점 · 치환에 의해 바꾸어진 적분 형태에 역함수를 넣어 적분을 계산할 수 있다.

논제 2-1에서 구한 역함수를 ①식에 대입하여 계산하면∫451f(x)dx=1−12⋅45−∫1212yy2+1dy=35+ln⁡58\displaystyle \int_{\frac45}^1f(x)dx=1-\frac12\cdot\frac45-\int_{\frac12}^1\frac{2y}{y^2+1}dy=\frac35+\ln\frac58이다.

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