수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문항 1] 다음 제시문을 이용하여 아래 논제의 풀이 과정과 답을 논리적으로 서술하시오.

(가) 함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 도함수 f′(x)\displaystyle f^{\prime} ( x )가 미분가능하면 f′(x)\displaystyle f^{\prime} ( x )의 도함수lim⁡Δx→0f′(x+Δx)−f′(x)Δx\displaystyle \lim_{\Delta x \to 0} \frac{{f^{\prime} ( x + \Delta x ) - f^{\prime} ( x )}}{\Delta x}를 함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 이계도함수라고 하며, 이것을 f′′(x)\displaystyle f^{\prime \prime} ( x )로 나타낸다.

(나) 미분가능한 함수 g(t)\displaystyle g ( t )에 대하여 x=g(t)\displaystyle x = g ( t )로 놓으면∫f(x)dx=∫f(g(t))g′(t)dt\displaystyle \int f ( x ) d x = \int f ( g ( t ) ) g^{\prime} ( t ) d t이고, 이를 이용하면∫f′(x)f(x)dx=ln⁡∣f(x)∣+C\displaystyle \int\frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}dx=\ln|f(x)|+C (단, C\displaystyle C는 적분상수)가 성립한다.

실수 전체의 집합에서 이계도함수를 갖는 함수 f(x)\displaystyle f ( x )가f(x)=∫0x{f(t)}2+1dt\displaystyle f ( x ) = \int_{0}^{x} \sqrt{\left\{ f ( t ) \right\}^{2} + 1} d t를 만족할 때, 다음 물음에 답하시오.

[1-1] f(x)\displaystyle f ( x )와 f′′(x)\displaystyle f^{\prime \prime} ( x )의 관계식을 구하고, f(x)\displaystyle f ( x )를 구하시오. (20점)

[1-2] ∫01{f(x)f′(x)}2dx\displaystyle \int_{0}^{1} \left\{ \frac{{f ( x )}}{f^{\prime} ( x )} \right\}^{2} d x를 구하시오. (15점)

해설강의 준비중

논술 미분방정식

관련 개념강의 준비중
+20점 · 1-1

[1-1]

f′(x)={f(x)}2+1\displaystyle f^{\prime}(x)=\sqrt{\{f(x)\}^2+1}이고, {f′(x)}2={f(x)}2+1\displaystyle \{f^{\prime}(x)\}^2=\{f(x)\}^2+1이다. ({f(x)}2+1>0)\displaystyle (\{f(x)\}^2+1>0)f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)를 미분하면f′′(x)=2f(x)f′(x)2{f(x)}2+1=f(x){f(x)}2+1{f(x)}2+1=f(x)\displaystyle f^{\prime \prime} ( x ) = \frac{{2 f ( x ) f^{\prime} ( x )}}{2 \sqrt{\left\{ f ( x ) \right\}^{2} + 1}} = \frac{{f ( x ) \sqrt{\left\{ f ( x ) \right\}^{2} + 1}}}{\sqrt{\left\{ f ( x ) \right\}^{2} + 1}} = f ( x )

따라서 f′′(x)=f(x)\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=f(x)이다.이 식의 양변에 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)를 더하면f′′(x)+f′(x)=f(x)+f′(x)\displaystyle f^{\prime\prime}(x)+f^{\prime}(x)=f(x)+f^{\prime}(x)

이고 f(x)+f′(x)=f(x)+{f(x)}2+1>0\displaystyle f(x)+f^{\prime}(x)=f(x)+\sqrt{\{f(x)\}^2+1}>0이므로 양변을 f(x)+f′(x)\displaystyle f(x)+f^{\prime}(x)로 나누면f′(x)+f′′(x)f(x)+f′(x)=1\displaystyle \frac{f^{\prime}(x)+f^{\prime\prime}(x)}{f(x)+f^{\prime}(x)}=1

이다. 양변을 부정적분하면∫f′(x)+f′′(x)f(x)+f′(x)dx=∫1dx\displaystyle \int \frac{{f^{\prime} ( x ) + f^{\prime \prime} ( x )}}{f ( x ) + f^{\prime} ( x )} d x = \int 1 d x

따라서ln⁡{f(x)+f′(x)}=x+C\displaystyle \ln\{f(x)+f^{\prime}(x)\}=x+C (단, C\displaystyle C는 적분상수)이다. 여기서f(0)=∫00{f(t)}2+1dt=0,f′(0)={f(0)}2+1=1\displaystyle f(0)=\int_0^0\sqrt{\{f(t)\}^2+1}dt=0,\quad f^{\prime}(0)=\sqrt{\{f(0)\}^2+1}=1

이므로 ln⁡{f(0)+f′(0)}=ln⁡1=C=0\displaystyle \ln\{f(0)+f^{\prime}(0)\}=\ln1=C=0이 성립한다. 그러므로ln⁡{f(x)+f′(x)}=x\displaystyle \ln\{f(x)+f^{\prime}(x)\}=x

이다. 따라서 f(x)+f′(x)=ex\displaystyle f(x)+f^{\prime}(x)=e^x이다.한편 f′(x)={f(x)}2+1\displaystyle f^{\prime}(x)=\sqrt{\{f(x)\}^2+1}이므로 위 식에 대입하면f(x)+{f(x)}2+1=ex\displaystyle f(x)+\sqrt{\{f(x)\}^2+1}=e^x{f(x)}2+1=ex−f(x)\displaystyle \sqrt{\{f(x)\}^2+1}=e^x-f(x)

이다. 양변을 제곱하면{f(x)}2+1=e2x−2exf(x)+{f(x)}2\displaystyle \{f(x)\}^2+1=e^{2x}-2e^xf(x)+\{f(x)\}^2∴f(x)=e2x−12ex=ex−e−x2\displaystyle \therefore f(x)=\frac{e^{2x}-1}{2e^x}=\frac{e^x-e^{-x}}2

+15점 · 1-2

[1-2]

f′(x)=ex+e−x2\displaystyle f^{\prime} ( x ) = \frac{{e^{x} + e^{- x}}}{2}이므로 f(x)f′(x)=ex−e−xex+e−x\displaystyle \frac{{f ( x )}}{f^{\prime} ( x )} = \frac{{e^{x} - e^{- x}}}{e^{x} + e^{- x}}이다.

∫01{f(x)f′(x)}2dx=∫01(ex−e−xex+e−x)2dx=∫01(ex+e−x)2−4(ex+e−x)2dx=∫01{1−4(ex+e−x)2}dx=1−∫014(ex+e−x)2dx\displaystyle \int_{0}^{1} \left\{ \frac{{f ( x )}}{f^{\prime} ( x )} \right\}^{2} d x = \int_{0}^{1} \left( \frac{{e^{x} - e^{- x}}}{e^{x} + e^{- x}} \right)^{2} d x = \int_{0}^{1} \frac{{\left( e^{x} + e^{- x} \right)^{2} - 4}}{\left( e^{x} + e^{- x} \right)^{2}} d x= \int_{0}^{1} \left\{ 1 - \frac{{4}}{\left( e^{x} + e^{- x} \right)^{2}} \right\} d x = 1 - \int_{0}^{1} \frac{{4}}{\left( e^{x} + e^{- x} \right)^{2}} d x이다. 여기서

∫014(ex+e−x)2dx=∫014(ex+1ex)2dx=∫014(e2x+1ex)2dx=∫014e2x(e2x+1)2dx\displaystyle \int_{0}^{1} \frac{{4}}{\left( e^{x} + e^{- x} \right)^{2}} d x = \int_{0}^{1} \frac{{4}}{\left( e^{x} + \frac{{1}}{e^{x}} \right)^{2}} d x = \int_{0}^{1} \frac{{4}}{\left( \frac{{e^{2 x} + 1}}{e^{x}} \right)^{2}} d x = \int_{0}^{1} \frac{{4 e^{2 x}}}{\left( e^{2 x} + 1 \right)^{2}} d x

이다. t=e2x+1\displaystyle t = e^{2 x} + 1로 놓으면 dtdx=2e2x\displaystyle \frac{{d t}}{d x} = 2 e^{2 x},,x=0\displaystyle x = 0일 때 t=2\displaystyle t = 2이고 x=1\displaystyle x = 1일 때 t=e2+1\displaystyle t = e^{2} + 1이므로∫014e2x(e2x+1)2dx=∫2e2+12t2dt=2[−1t]2e2+1=−2e2+1+1\displaystyle \int_{0}^{1} \frac{{4 e^{2 x}}}{\left( e^{2 x} + 1 \right)^{2}} d x = \int_{2}^{e^{2} + 1} \frac{{2}}{t^{2}} d t = 2 \Biggl[ - \frac{{1}}{t} \Biggr]_{2}^{e^{2} + 1} = - \frac{{2}}{e^{2} + 1} + 1

이다. 따라서∴∫01(ex−e−xex+e−x)2dx=1−∫014(ex+e−x)2dx=1−(−2e2+1+1)=2e2+1\displaystyle \therefore \int_{0}^{1} \left( \frac{{e^{x} - e^{- x}}}{e^{x} + e^{- x}} \right)^{2} d x = 1 - \int_{0}^{1} \frac{{4}}{\left( e^{x} + e^{- x} \right)^{2}} d x = 1 - \left( - \frac{{2}}{e^{2} + 1} + 1 \right) = \frac{{2}}{e^{2} + 1}

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