수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 A 3번

문제

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[문제 3]

(3-1)

60점 · 극한 limx1f(x)xex2x1\displaystyle \lim_{x\to1}\frac{f(x)-xe^{x^2}}{x-1}이 존재함을 이용하여 답 f(1)=e\displaystyle f(1)=e를 구하면

(1안) F(x)\displaystyle F(x)가 연속함수이므로 limx1F(x)=F(1)=a\displaystyle \lim_{x\to1}F(x)=F(1)=a이다. 즉 limx1f(x)xex2x1=a\displaystyle \lim_{x\to1}\frac{f(x)-xe^{x^2}}{x-1}=a인데 limx1(x1)=0\displaystyle \lim_{x\to1}(x-1)=0이므로 limx1(f(x)xex2)=0\displaystyle \lim_{x\to1}(f(x)-xe^{x^2})=0이다. f(x)\displaystyle f(x)가 연속함수이므로 f(1)=e\displaystyle f(1)=e이다.

(3-2) (1안)

f(x)=(x1)F(x)+xex2\displaystyle f(x)=(x-1)F(x)+xe^{x^2}이다.

+30점 · 미분계수의 정의를 이용하여 f(1)=limx1F(x)+limx1xex2ex1\displaystyle f\prime(1)=\lim_{x\to1}F(x)+\lim_{x\to1}\frac{xe^{x^2}-e}{x-1}를 얻으면 +30점 · 답 a+3e\displaystyle a+3e까지 올바르게 계산하면

f(1)=limx1f(x)f(1)x1=limx1(x1)F(x)+xex2ex1=limx1(x1)F(x)x1+limx1xex2ex1=limx1F(x)+limx1xex2ex1=a+3e\displaystyle \begin{aligned}f\prime(1)&=\lim_{x\to1}\frac{f(x)-f(1)}{x-1}=\lim_{x\to1}\frac{(x-1)F(x)+xe^{x^2}-e}{x-1}\\&=\lim_{x\to1}\frac{(x-1)F(x)}{x-1}+\lim_{x\to1}\frac{xe^{x^2}-e}{x-1}\\&=\lim_{x\to1}F(x)+\lim_{x\to1}\frac{xe^{x^2}-e}{x-1}=a+3e\end{aligned}

(참고) limx1xex2ex1\displaystyle \lim_{x\to1}\frac{xe^{x^2}-e}{x-1}의 계산 :h(x)=xex2\displaystyle h(x)=xe^{x^2}라 하면 limx1xex2ex1=limx1h(x)h(1)x1=h(1)\displaystyle \lim_{x\to1}\frac{xe^{x^2}-e}{x-1}=\lim_{x\to1}\frac{h(x)-h(1)}{x-1}=h\prime(1)이다.그런데 h(x)=ex2+2x2ex2\displaystyle h\prime(x)=e^{x^2}+2x^2e^{x^2}이므로 h(1)=3e\displaystyle h\prime(1)=3e이다.

(3-3)

+30점 · 미분계수의 정의를 이용하여 limx1(F(x)F(1)x1+F(x)+ex2+2x2ex23ex1)\displaystyle \lim_{x\to1}\left(\frac{F(x)-F(1)}{x-1}+F\prime(x)+\frac{e^{x^2}+2x^2e^{x^2}-3e}{x-1}\right)까지 얻으면

g(1)=limx1g(x)g(1)x1=limx1f(x)f(1)x1=limx1F(x)+(x1)F(x)+ex2+2x2ex2(a+3e)x1=limx1(F(x)F(1)x1+F(x)+ex2+2x2ex23ex1)\displaystyle \begin{aligned}g\prime(1)&=\lim_{x\to1}\frac{g(x)-g(1)}{x-1}=\lim_{x\to1}\frac{f\prime(x)-f\prime(1)}{x-1}\\&=\lim_{x\to1}\frac{F(x)+(x-1)F\prime(x)+e^{x^2}+2x^2e^{x^2}-(a+3e)}{x-1}\\&=\lim_{x\to1}\left(\frac{F(x)-F(1)}{x-1}+F\prime(x)+\frac{e^{x^2}+2x^2e^{x^2}-3e}{x-1}\right)\end{aligned}

+30점 · 최종적으로 답 6+10e\displaystyle 6+10e를 올바로 구하면

=F(1)+F(1)+10e=6+10e\displaystyle =F\prime(1)+F\prime(1)+10e=6+10e

(참고) limx1ex2+2x2ex23ex1\displaystyle \lim_{x\to1}\frac{e^{x^2}+2x^2e^{x^2}-3e}{x-1}의 계산 :h(x)=ex2+2x2ex2\displaystyle h(x)=e^{x^2}+2x^2e^{x^2}라 하면 limx1ex2+2x2ex23ex1=limx1h(x)h(1)x1=h(1)=10e\displaystyle \lim_{x\to1}\frac{e^{x^2}+2x^2e^{x^2}-3e}{x-1}=\lim_{x\to1}\frac{h(x)-h(1)}{x-1}=h\prime(1)=10e이다.

(3-4) 주어진 문제의 조건을 이용하면 01(x1)F(x)dx=01xF(1x)dx\displaystyle \int_0^1(x-1)F(x)\,dx=\int_0^1xF(1-x)\,dx가 된다.

+30점 · 01(x1)F(x)dx=0\displaystyle \int_0^1(x-1)F(x)\,dx=0을 보이면

u=1x\displaystyle u=1-x로 치환하면 01xF(1x)dx=10(1u)F(u)(du)=01(u1)F(u)du\displaystyle \int_0^1xF(1-x)\,dx=\int_1^0(1-u)F(u)(-du)=-\int_0^1(u-1)F(u)\,du를 얻는다. 따라서 01(x1)F(x)dx=0\displaystyle \int_0^1(x-1)F(x)\,dx=0이다.

+30점 · 답 12(e1)\displaystyle \frac12(e-1)을 구하면

그러므로01f(x)dx=01{(x1)F(x)+xex2}dx=01xex2dx=[12ex2]01=12(e1)\displaystyle \int_0^1f(x)\,dx=\int_0^1\{(x-1)F(x)+xe^{x^2}\}\,dx=\int_0^1xe^{x^2}\,dx=\Biggl[\frac12e^{x^2}\Biggr]_0^1=\frac12(e-1)이다.

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