수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중
+10점 · f(1)=ln21(1t)etlntdt+1ln3(t1)etlntdt\displaystyle f(1)=\int_{\ln2}^1(1-t)e^{-t}\ln t\,dt+\int_1^{\ln3}(t-1)e^{-t}\ln t\,dt를 기술하면

(3-1) f(1)=ln2ln31tetlntdt=ln21(1t)etlntdt+1ln3(t1)etlntdt\displaystyle f(1)=\int_{\ln2}^{\ln3}|1-t|e^{-t}\ln t\,dt=\int_{\ln2}^1(1-t)e^{-t}\ln t\,dt+\int_1^{\ln3}(t-1)e^{-t}\ln t\,dt이다. 한편

+30점 · (t1)etlntdt=tetlntet+C\displaystyle \int(t-1)e^{-t}\ln t\,dt=-te^{-t}\ln t-e^{-t}+C를 구하면 +20점 · 1ln3(t1)etlntdt=ln33ln(ln3)13+e1\displaystyle \int_1^{\ln3}(t-1)e^{-t}\ln t\,dt=-\frac{\ln3}{3}\ln(\ln3)-\frac13+e^{-1}를 계산하면

(t1)etdt=(t1)et+etdt=tet+C\displaystyle \int(t-1)e^{-t}dt=-(t-1)e^{-t}+\int e^{-t}dt=-te^{-t}+C이므로1ln3(t1)etlntdt=[tet×lnt]1ln3+1ln3etdt=[tet×lnt]1ln3+[et]1ln3=ln33ln(ln3)13+e1\displaystyle \begin{aligned}\int_1^{\ln3}(t-1)e^{-t}\ln t\,dt&=\Biggl[-te^{-t}\times\ln t\Biggr]_1^{\ln3}+\int_1^{\ln3}e^{-t}dt\\&=\Biggl[-te^{-t}\times\ln t\Biggr]_1^{\ln3}+\Biggl[-e^{-t}\Biggr]_1^{\ln3}=-\frac{\ln3}{3}\ln(\ln3)-\frac13+e^{-1}\end{aligned}

+20점 · 답을 구하면

ln21(1t)etlntdt=1ln2(t1)etlntdt=[tet×lnt]1ln2+1ln2etdt=[tet×lnt]1ln2+[et]1ln2=ln22ln(ln2)12+e1\displaystyle \begin{aligned}\int_{\ln2}^1(1-t)e^{-t}\ln t\,dt&=\int_1^{\ln2}(t-1)e^{-t}\ln t\,dt=\Biggl[-te^{-t}\times\ln t\Biggr]_1^{\ln2}+\int_1^{\ln2}e^{-t}dt\\&=\Biggl[-te^{-t}\times\ln t\Biggr]_1^{\ln2}+\Biggl[-e^{-t}\Biggr]_1^{\ln2}=-\frac{\ln2}{2}\ln(\ln2)-\frac12+e^{-1}\end{aligned}이다. 따라서f(1)=ln33ln(ln3)ln22ln(ln2)56+2e\displaystyle f(1)=-\frac{\ln3}{3}\ln(\ln3)-\frac{\ln2}{2}\ln(\ln2)-\frac56+\frac2e이다.

+30점 · lnxx1\displaystyle \ln x\le x-1를 보이면

(3-2) h(x)=lnxx+1\displaystyle h(x)=\ln x-x+1라 하면 h(x)=1x1=1xx\displaystyle h^{\prime}(x)=\frac1x-1=\frac{1-x}{x}이므로 x=1\displaystyle x=1에서 최솟값 h(1)=0\displaystyle h(1)=0을 가진다.Correction. h(x)=lnxx+1\displaystyle h(x)=\ln x-x+1x=1\displaystyle x=1에서 최솟값이 아니라 최댓값 0\displaystyle 0을 가진다. 그러나 원문 표기는 그대로 실었다.따라서 h(x)0\displaystyle h(x)\le0이므로 lnxx1\displaystyle \ln x\le x-1이다.

+20점 · ln2ln3etlntdtln2ln3et(t1)dt\displaystyle \int_{\ln2}^{\ln3}e^{-t}\ln t\,dt\le\int_{\ln2}^{\ln3}e^{-t}(t-1)dt를 기술하면 +30점 · g(ln3)<0\displaystyle g(\ln3)<0을 보이면

g(ln3)=ln2ln3etlntdtln2ln3et(t1)dt=[tet]ln2ln3=ln22ln33=3ln22ln36=16ln89<0\displaystyle \begin{aligned}g(\ln3)&=\int_{\ln2}^{\ln3}e^{-t}\ln t\,dt\le\int_{\ln2}^{\ln3}e^{-t}(t-1)dt=\Biggl[-te^{-t}\Biggr]_{\ln2}^{\ln3}\\&=\frac{\ln2}{2}-\frac{\ln3}{3}=\frac{3\ln2-2\ln3}{6}=\frac16\ln\frac89<0\end{aligned}이다.

(3-3) ln2xln3\displaystyle \ln2\le x\le\ln3일 때f(x)=ln2x(xt)etlntdt+xln3(tx)etlntdt=xln2xetlntdtln2xtetlntdt+xln3xetlntdtln3xtetlntdt\displaystyle \begin{aligned}f(x)&=\int_{\ln2}^x(x-t)e^{-t}\ln t\,dt+\int_x^{\ln3}(t-x)e^{-t}\ln t\,dt\\&=x\int_{\ln2}^xe^{-t}\ln t\,dt-\int_{\ln2}^xte^{-t}\ln t\,dt+x\int_{\ln3}^xe^{-t}\ln t\,dt-\int_{\ln3}^xte^{-t}\ln t\,dt\end{aligned}이므로 f(ln2)=ln2ln3(tln2)etlntdt\displaystyle f(\ln2)=\int_{\ln2}^{\ln3}(t-\ln2)e^{-t}\ln t\,dt, f(ln3)=ln2ln3(ln3t)etlntdt\displaystyle f(\ln3)=\int_{\ln2}^{\ln3}(\ln3-t)e^{-t}\ln t\,dt이다.

+30점 · ln2<x<ln3\displaystyle \ln2<x<\ln3일 때 f(x)=ln2xetlntdt+ln3xetlntdt\displaystyle f^{\prime}(x)=\int_{\ln2}^xe^{-t}\ln t\,dt+\int_{\ln3}^xe^{-t}\ln t\,dt임을 보이면

따라서 ln2<x<ln3\displaystyle \ln2<x<\ln3일 때f(x)=ln2xetlntdt+xexlnxxexlnx+ln3xetlntdt+xexlnxxexlnx=ln2xetlntdt+ln3xetlntdt\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(x)&=\int_{\ln2}^xe^{-t}\ln t\,dt+xe^{-x}\ln x-xe^{-x}\ln x+\int_{\ln3}^xe^{-t}\ln t\,dt+xe^{-x}\ln x-xe^{-x}\ln x\\&=\int_{\ln2}^xe^{-t}\ln t\,dt+\int_{\ln3}^xe^{-t}\ln t\,dt\end{aligned}이다.

+30점 · f(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0임을 보이면

f(x)=2exlnx\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=2e^{-x}\ln x이므로 x<1\displaystyle x<1일 때 f(x)<0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)<0이고 x>1\displaystyle x>1일 때 f(x)>0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)>0이므로 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)x<1\displaystyle x<1일 때 감소, x>1\displaystyle x>1일 때 증가한다. 한편f(ln2)=ln3ln2etlntdt=g(ln3)>0\displaystyle f^{\prime}(\ln2)=\int_{\ln3}^{\ln2}e^{-t}\ln t\,dt=-g(\ln3)>0, f(ln3)=ln2ln3etlntdt=g(ln3)<0\displaystyle f^{\prime}(\ln3)=\int_{\ln2}^{\ln3}e^{-t}\ln t\,dt=g(\ln3)<0이므로 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 아래와 같은 그래프 개형을 가진다.

함수 f의 도함수의 부호와 극솟값

즉 함수 f(x)\displaystyle f(x)f(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0을 만족하는 a[ln2,ln3]\displaystyle a\in[\ln2,\ln3]에 대하여, x<a\displaystyle x<a일 때 증가하고 x>a\displaystyle x>a일 때 감소하므로, 구간 [ln2,ln3]\displaystyle [\ln2,\ln3]에서 x=a\displaystyle x=a일 때 최대이다. 즉 구하는 a\displaystyle af(a)=ln2aetlntdtaln3etlntdt=0\displaystyle f^{\prime}(a)=\int_{\ln2}^ae^{-t}\ln t\,dt-\int_a^{\ln3}e^{-t}\ln t\,dt=0을 만족한다.

+20점 · 답을 구하면

한편 g(ln3)=ln2aetlntdt+aln3etlntdt=2g(a)\displaystyle g(\ln3)=\int_{\ln2}^ae^{-t}\ln t\,dt+\int_a^{\ln3}e^{-t}\ln t\,dt=2g(a)이므로, g(a)g(ln3)=12\displaystyle \frac{g(a)}{g(\ln3)}=\frac12이다.

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