성균관대 2011학년도 모의 자연계열 3번 · mathesis.kr/archive/skku/2011mo/jayeon_3
문제
3. 다음 <제시문 3-1>에서 <제시문 3-2>를 읽고 [문제 3-i]과 [문제 3-ii]에 답하시오.
<제시문 3-1> 폐구간 에서 정의된 함수 의 구간위의 정적분 는 좌표평면에서 와 축, 와 로 둘러싸인 영역의 부호를 가진 넓이로 해석될 수 있다.
<제시문 3-2> 함수 가 <그림 1>과 같이 에서 연속이고 증가하는 일대일 대응이라고 하자. 만약, 이고 에서 의 역함수 가 모든 에 대하여 존재한다면, <그림 1>과 <제시문 3-1>로부터 모든 양수 에 대하여 다음의 부등식이 성립함을 알 수 있다.

[문제 3-i] 가 1보다 큰 양수이고, 가 을 만족하는 양수일 때, <제시문 3-2>의 식 (1)을 이용하여 모든 양수 에 대하여 다음 부등식이 성립함을 논증하시오.(필요한 경우, 인 실수일 때, 임을 이용하시오.)
[문제 3-ii] <제시문 3-2>의 식 (1)에서 등호가 성립할 때, 와 의 관계를 <그림 1>로부터 유추하고 또한 이로부터 [문제 3-i]의 부등식에서 등호가 성립할 조건, 즉, 가 성립할 조건을 추론하시오.
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(3-i) 라는 항을 만들기 위해서는 을 적분하여야 한다. 인 경우 은 구간 에서 로 가는 일대일대응이 된다. 와 를 바꾸는 과정, 즉, 에 관하여 대칭이동을 함으로써 역함수를 구할 수 있다. 주어진 함수의 역함수는 , 즉, 가 된다.
<제시문 3-2>에 주어진 식 (1) 을 적용하고자 한다. , 라 두면, 가 되고,가 성립한다. 문제에서 는 을 만족하므로, 이고 따라서, 가 성립한다.
그러므로, 이 경우 식 (1)의 우변은 가 되고 따라서, 가 성립한다.
(3-ii) 직사각형의 넓이와 적분 영역의 넓이가 같아지려면 <그림 1>로부터 등식이 성립할 때, 와 가 같아야 함을 알 수 있다. 즉, 식 (1)의 등호가 성립할 조건은 이다. 마찬가지로, [문제 3-i]에 주어진 부등식의 등호가 성립할 조건은 , 즉 이다.
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