수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 정의되는 함수 g(x)\displaystyle g(x)를f(x)=∫ln⁡2ln⁡3∣x−t∣e−tln⁡t dt\displaystyle f(x)=\int_{\ln2}^{\ln3}|x-t|e^{-t}\ln t\,dt, g(x)=∫ln⁡2xe−tln⁡t dt\displaystyle g(x)=\int_{\ln2}^xe^{-t}\ln t\,dt와 같이 정의하자.

(3-1) (80점) f(1)\displaystyle f(1)의 값을 구하시오.

(3-2) (80점) 양수 x\displaystyle x에 대하여 ln⁡x≤x−1\displaystyle \ln x\le x-1임과 g(ln⁡3)<0\displaystyle g(\ln3)<0을 보이시오.

(3-3) (80점) 구간 [ln⁡2,ln⁡3]\displaystyle [\ln2,\ln3]에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 최대로 만드는 x\displaystyle x의 값을 a\displaystyle a라고 할 때, g(a)g(ln⁡3)\displaystyle \frac{g(a)}{g(\ln3)}의 값을 구하시오.

해설강의 준비중
+10점 · f(1)=∫ln⁡21(1−t)e−tln⁡t dt+∫1ln⁡3(t−1)e−tln⁡t dt\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)=∫ln⁡2ln⁡3∣1−t∣e−tln⁡t dt=∫ln⁡21(1−t)e−tln⁡t dt+∫1ln⁡3(t−1)e−tln⁡t dt\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 · ∫(t−1)e−tln⁡t dt=−te−tln⁡t−e−t+C\displaystyle \int(t-1)e^{-t}\ln t\,dt=-te^{-t}\ln t-e^{-t}+C를 구하면
+20점 · ∫1ln⁡3(t−1)e−tln⁡t dt=−ln⁡33ln⁡(ln⁡3)−13+e−1\displaystyle \int_1^{\ln3}(t-1)e^{-t}\ln t\,dt=-\frac{\ln3}{3}\ln(\ln3)-\frac13+e^{-1}를 계산하면

∫(t−1)e−tdt=−(t−1)e−t+∫e−tdt=−te−t+C\displaystyle \int(t-1)e^{-t}dt=-(t-1)e^{-t}+\int e^{-t}dt=-te^{-t}+C이므로∫1ln⁡3(t−1)e−tln⁡t dt=[−te−t×ln⁡t]1ln⁡3+∫1ln⁡3e−tdt=[−te−t×ln⁡t]1ln⁡3+[−e−t]1ln⁡3=−ln⁡33ln⁡(ln⁡3)−13+e−1\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

∫ln⁡21(1−t)e−tln⁡t dt=∫1ln⁡2(t−1)e−tln⁡t dt=[−te−t×ln⁡t]1ln⁡2+∫1ln⁡2e−tdt=[−te−t×ln⁡t]1ln⁡2+[−e−t]1ln⁡2=−ln⁡22ln⁡(ln⁡2)−12+e−1\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)=−ln⁡33ln⁡(ln⁡3)−ln⁡22ln⁡(ln⁡2)−56+2e\displaystyle f(1)=-\frac{\ln3}{3}\ln(\ln3)-\frac{\ln2}{2}\ln(\ln2)-\frac56+\frac2e이다.

+30점 · ln⁡x≤x−1\displaystyle \ln x\le x-1를 보이면

(3-2) h(x)=ln⁡x−x+1\displaystyle h(x)=\ln x-x+1라 하면 h′(x)=1x−1=1−xx\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)=ln⁡x−x+1\displaystyle h(x)=\ln x-x+1은 x=1\displaystyle x=1에서 최솟값이 아니라 최댓값 0\displaystyle 0을 가진다. 그러나 원문 표기는 그대로 실었다.따라서 h(x)≤0\displaystyle h(x)\le0이므로 ln⁡x≤x−1\displaystyle \ln x\le x-1이다.

+20점 · ∫ln⁡2ln⁡3e−tln⁡t dt≤∫ln⁡2ln⁡3e−t(t−1)dt\displaystyle \int_{\ln2}^{\ln3}e^{-t}\ln t\,dt\le\int_{\ln2}^{\ln3}e^{-t}(t-1)dt를 기술하면
+30점 · g(ln⁡3)<0\displaystyle g(\ln3)<0을 보이면

g(ln⁡3)=∫ln⁡2ln⁡3e−tln⁡t dt≤∫ln⁡2ln⁡3e−t(t−1)dt=[−te−t]ln⁡2ln⁡3=ln⁡22−ln⁡33=3ln⁡2−2ln⁡36=16ln⁡89<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) ln⁡2≤x≤ln⁡3\displaystyle \ln2\le x\le\ln3일 때f(x)=∫ln⁡2x(x−t)e−tln⁡t dt+∫xln⁡3(t−x)e−tln⁡t dt=x∫ln⁡2xe−tln⁡t dt−∫ln⁡2xte−tln⁡t dt+x∫ln⁡3xe−tln⁡t dt−∫ln⁡3xte−tln⁡t dt\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(ln⁡2)=∫ln⁡2ln⁡3(t−ln⁡2)e−tln⁡t dt\displaystyle f(\ln2)=\int_{\ln2}^{\ln3}(t-\ln2)e^{-t}\ln t\,dt, f(ln⁡3)=∫ln⁡2ln⁡3(ln⁡3−t)e−tln⁡t dt\displaystyle f(\ln3)=\int_{\ln2}^{\ln3}(\ln3-t)e^{-t}\ln t\,dt이다.

+30점 · ln⁡2<x<ln⁡3\displaystyle \ln2<x<\ln3일 때 f′(x)=∫ln⁡2xe−tln⁡t dt+∫ln⁡3xe−tln⁡t dt\displaystyle f^{\prime}(x)=\int_{\ln2}^xe^{-t}\ln t\,dt+\int_{\ln3}^xe^{-t}\ln t\,dt임을 보이면

따라서 ln⁡2<x<ln⁡3\displaystyle \ln2<x<\ln3일 때f′(x)=∫ln⁡2xe−tln⁡t dt+xe−xln⁡x−xe−xln⁡x+∫ln⁡3xe−tln⁡t dt+xe−xln⁡x−xe−xln⁡x=∫ln⁡2xe−tln⁡t dt+∫ln⁡3xe−tln⁡t dt\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)=2e−xln⁡x\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)는 x<1\displaystyle x<1일 때 감소, x>1\displaystyle x>1일 때 증가한다. 한편f′(ln⁡2)=∫ln⁡3ln⁡2e−tln⁡t dt=−g(ln⁡3)>0\displaystyle f^{\prime}(\ln2)=\int_{\ln3}^{\ln2}e^{-t}\ln t\,dt=-g(\ln3)>0, f′(ln⁡3)=∫ln⁡2ln⁡3e−tln⁡t dt=g(ln⁡3)<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)는 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0을 만족하는 a∈[ln⁡2,ln⁡3]\displaystyle a\in[\ln2,\ln3]에 대하여, x<a\displaystyle x<a일 때 증가하고 x>a\displaystyle x>a일 때 감소하므로, 구간 [ln⁡2,ln⁡3]\displaystyle [\ln2,\ln3]에서 x=a\displaystyle x=a일 때 최대이다. 즉 구하는 a\displaystyle a는f′(a)=∫ln⁡2ae−tln⁡t dt−∫aln⁡3e−tln⁡t dt=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(ln⁡3)=∫ln⁡2ae−tln⁡t dt+∫aln⁡3e−tln⁡t dt=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(ln⁡3)=12\displaystyle \frac{g(a)}{g(\ln3)}=\frac12이다.

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