수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 구간 [−1,1]\displaystyle [-1,1]에서 정의되는 연속함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음 조건을 만족시킨다.

(가) 모든 x∈(−1,1)\displaystyle x\in(-1,1)에 대하여 f(x)>0\displaystyle f(x)>0

(나) f(0)=∫−11f(x)dx\displaystyle f(0)=\int_{-1}^1f(x)dx

실수 x∈[−1,1]\displaystyle x\in[-1,1]와 t>0\displaystyle t>0에 대하여 g(x)=∫−1x(x−y)f(y)dy+t∫x1(y−x)f(y)dy\displaystyle g(x)=\int_{-1}^x(x-y)f(y)dy+t\int_x^1(y-x)f(y)dy라고 정의할 때, g(x)\displaystyle g(x)가 최소가 되도록 하는 x∈(−1,1)\displaystyle x\in(-1,1)의 값을 h(t)\displaystyle h(t)라고 하자.

(3-1) (80점) 1f(0)∫−1h(t)f(x)dx\displaystyle \frac1{f(0)}\int_{-1}^{h(t)}f(x)dx를 t\displaystyle t의 식으로 나타내시오.

(3-2) (80점) h(t)\displaystyle h(t)가 t>0\displaystyle t>0에서 미분가능하고 h(1)=0\displaystyle h(1)=0일 때 h′(1)\displaystyle h'(1)의 값을 구하시오.

(3-3) (80점) f(x)\displaystyle f(x)가f(x)={1+x(−1≤x≤0)1−x(0<x≤1)\displaystyle f(x)=\begin{cases}1+x&(-1\le x\le0)\\1-x&(0<x\le1)\end{cases}로 주어질 때, h(t)\displaystyle h(t)를 구하시오.

해설강의 준비중
+30점 · g′(x)\displaystyle g'(x)의 식을 구하면

(3-1) 함수 g(x)\displaystyle g(x)를 다시 쓰면g(x)=x∫−1xf(y)dy−∫−1xyf(y)dy+t(∫x1yf(y)dy−x∫x1f(y)dy)\displaystyle g(x)=x\int_{-1}^xf(y)dy-\int_{-1}^xyf(y)dy+t\left(\int_x^1yf(y)dy-x\int_x^1f(y)dy\right)이다. 따라서 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 (−1,1)\displaystyle (-1,1)에서 미분가능하며g′(x)=∫−1xf(y)dy+xf(x)−xf(x)+t(−xf(x)−∫x1f(y)dy+xf(x))=∫−1xf(y)dy−t∫x1f(y)dy=∫−1xf(y)dy−t(∫−11f(y)dy−∫−1xf(y)dy)=(1+t)(∫−1xf(y)dy−t1+t∫−11f(y)dy)\displaystyle \begin{aligned}g'(x)&=\int_{-1}^xf(y)dy+xf(x)-xf(x)+t\left(-xf(x)-\int_x^1f(y)dy+xf(x)\right)\\&=\int_{-1}^xf(y)dy-t\int_x^1f(y)dy\\&=\int_{-1}^xf(y)dy-t\left(\int_{-1}^1f(y)dy-\int_{-1}^xf(y)dy\right)\\&=(1+t)\left(\int_{-1}^xf(y)dy-\frac t{1+t}\int_{-1}^1f(y)dy\right)\end{aligned}

+30점 · g(x)\displaystyle g(x)는 g′(a)=0\displaystyle g'(a)=0을 만족하는 점 x=a\displaystyle x=a에서 최솟값을 가짐을 설명하면

이다. F(x)=∫−1xf(y)dy\displaystyle F(x)=\int_{-1}^xf(y)dy라고 정의하면, F(−1)=0\displaystyle F(-1)=0, F(1)=∫−11f(y)dy=f(0)\displaystyle F(1)=\int_{-1}^1f(y)dy=f(0)이고 F(x)\displaystyle F(x)는 증가함수이므로 g′(x)=(1+t)(F(x)−t1+tf(0))\displaystyle g'(x)=(1+t)(F(x)-\frac t{1+t}f(0))도 증가함수이다. 또한 t>0\displaystyle t>0이므로 0<t1+tf(0)<f(0)\displaystyle 0<\frac t{1+t}f(0)<f(0)이다. 그러므로 F(a)=t1+tf(0)\displaystyle F(a)=\frac t{1+t}f(0)을 만족시키는 a∈(−1,1)\displaystyle a\in(-1,1)가 유일하게 존재하며 x<a\displaystyle x<a이면 g′(x)<0\displaystyle g'(x)<0이고 x>a\displaystyle x>a이면 g′(x)>0\displaystyle g'(x)>0이다. 따라서 g(x)\displaystyle g(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 최솟값을 가지며 g′(a)=0\displaystyle g'(a)=0이다.

+20점 · 1f(0)∫−1h(t)f(x)dx=t1+t\displaystyle \frac1{f(0)}\int_{-1}^{h(t)}f(x)dx=\frac t{1+t}를 구하면

즉 F(h(t))=∫−1h(t)f(x)dx=t1+tf(0)\displaystyle F(h(t))=\int_{-1}^{h(t)}f(x)dx=\frac t{1+t}f(0)이 성립하므로, 1f(0)∫−1h(t)f(x)dx=t1+t\displaystyle \frac1{f(0)}\int_{-1}^{h(t)}f(x)dx=\frac t{1+t}이다.

+40점 · 1f(0)h′(t)f(h(t))=1(1+t)2\displaystyle \frac1{f(0)}h'(t)f(h(t))=\frac1{(1+t)^2}을 구하면

(3-2) (3-1)에서 1f(0)∫−1h(t)f(x)dx=t1+t\displaystyle \frac1{f(0)}\int_{-1}^{h(t)}f(x)dx=\frac t{1+t}가 성립한다. 이 식의 양변을 t\displaystyle t에 대하여 미분하면1f(0)h′(t)f(h(t))=1(1+t)2\displaystyle \frac1{f(0)}h'(t)f(h(t))=\frac1{(1+t)^2}

+40점 · h′(1)=14\displaystyle h'(1)=\frac14을 구하면

이다. 이 식에 t=1\displaystyle t=1을 대입하고 h(1)=0\displaystyle h(1)=0임을 이용하면 h′(1)=14\displaystyle h'(1)=\frac14이다.

+30점 · p(x)=1f(0)∫−1xf(y)dy\displaystyle p(x)=\frac1{f(0)}\int_{-1}^xf(y)dy를 구하면

(3-3) x∈[−1,1]\displaystyle x\in[-1,1]에서 정의되는 함수 p(x)\displaystyle p(x)를 p(x)=1f(0)∫−1xf(y)dy\displaystyle p(x)=\frac1{f(0)}\int_{-1}^xf(y)dy로 정의하면p(x)={(1+x)22(−1≤x≤0)1−(1−x)22(0<x≤1)\displaystyle p(x)=\begin{cases}\frac{(1+x)^2}2&(-1\le x\le0)\\1-\frac{(1-x)^2}2&(0<x\le1)\end{cases}이다. 따라서 p(x)\displaystyle p(x)는 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 역함수가 존재하며 그 역함수를 p−1(x)\displaystyle p^{-1}(x)라고 할 때h(t)=p−1(t1+t)\displaystyle h(t)=p^{-1}(\frac t{1+t})이다. 한편

+30점 · p−1(x)\displaystyle p^{-1}(x)를 구하면

p−1(x)={−1+2x(0≤x≤12)1−2(1−x)(12<x≤1)\displaystyle p^{-1}(x)=\begin{cases}-1+\sqrt{2x}&(0\le x\le\frac12)\\1-\sqrt{2(1-x)}&(\frac12<x\le1)\end{cases}

+20점 · h(t)\displaystyle h(t)를 구하면

이다. 따라서h(t)={−1+2t1+t(0<t≤1)1−21+t(t>1)\displaystyle h(t)=\begin{cases}-1+\sqrt{\frac{2t}{1+t}}&(0<t\le1)\\1-\sqrt{\frac2{1+t}}&(t>1)\end{cases}이다.

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