수리논술, 이게 다다.

약학부 2번

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문제

<다>두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)가 미분가능할 때, 함수 f(x)g(x)\displaystyle f(x)g(x)를 x\displaystyle x에 대하여 미분하면{f(x)g(x)}′=f′(x)g(x)+f(x)g′(x)\displaystyle \{f(x)g(x)\}^{\prime}=f^{\prime}(x)g(x)+f(x)g^{\prime}(x)이다.구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)의 도함수가 연속이면∫abf(x)g′(x) dx=[f(x)g(x)]ab−∫abf′(x)g(x) dx\displaystyle \int_a^bf(x)g^{\prime}(x)\,dx=\Biggl[f(x)g(x)\Biggr]_a^b-\int_a^bf^{\prime}(x)g(x)\,dx이다.

<라>닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속인 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 미분가능한 함수 x=g(t)\displaystyle x=g(t)의 도함수 g′(t)\displaystyle g^{\prime}(t)가 a=g(α)\displaystyle a=g(\alpha), b=g(β)\displaystyle b=g(\beta)일 때 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta를 포함하는 구간에서 연속이면∫abf(x) dx=∫αβf(g(t))g′(t) dt\displaystyle \int_a^bf(x)\,dx=\int_\alpha^\beta f(g(t))g^{\prime}(t)\,dt이다.

제시문 <다>와 <라>를 읽고 다음 문제에 답하시오.

수열 {an}\displaystyle \{a_n\}과 {pn}\displaystyle \{p_n\}은 다음과 같이 주어져 있다.an=∫01xn(1−x)n dx\displaystyle a_n=\int_0^1x^n(1-x)^n\,dx, pn=∫01(1−y2)n dy\displaystyle p_n=\int_0^1(1-y^2)^n\,dy

2-1. ∫01xn(1−x)n dx=bn∫01xn+1(1−x)n−1 dx\displaystyle \int_0^1x^n(1-x)^n\,dx=b_n\int_0^1x^{n+1}(1-x)^{n-1}\,dx를 만족시키는 bn\displaystyle b_n을 구하고 an=cnn!\displaystyle a_n=c_nn!을 만족시키는 cn\displaystyle c_n을 구하시오.

2-2. 치환적분법을 이용하여 an=dnpn\displaystyle a_n=d_np_n을 만족하는 dn\displaystyle d_n을 구하시오.

해설강의 준비중
1단계 · <2-1>에서 부분적분을 이용하여 bn\displaystyle b_n을 구할 수 있다.

■ 2-1.부분적분을 이용하면 자연수 n\displaystyle n에 대해서,∫01xn(1−x)n dx=[1n+1xn+1(1−x)n]01+nn+1∫01xn+1(1−x)n−1 dx=nn+1∫01xn+1(1−x)n−1 dx\displaystyle \begin{aligned}\int_0^1x^n(1-x)^n\,dx&=\Biggl[\frac1{n+1}x^{n+1}(1-x)^n\Biggr]_0^1+\frac n{n+1}\int_0^1x^{n+1}(1-x)^{n-1}\,dx\\&=\frac n{n+1}\int_0^1x^{n+1}(1-x)^{n-1}\,dx\end{aligned}이므로 bn=n/(n+1)\displaystyle b_n=n/(n+1)이다.

2단계 · <2-1>에서 n−1≥k\displaystyle n-1\ge k인 k\displaystyle k에 대해, ∫01xn+k(1−x)n−k dx=n−kn+k+1∫01xn+k+1(1−x)n−(k+1) dx\displaystyle \int_0^1x^{n+k}(1-x)^{n-k}\,dx=\frac{n-k}{n+k+1}\int_0^1x^{n+k+1}(1-x)^{n-(k+1)}\,dx의 관계를 보일 수 있다.

여기서, 우변의 nn+1\displaystyle \frac n{n+1}의 분모는 좌변의 피적분함수의 x\displaystyle x의 지수에 1\displaystyle 1을 더한 값이고 분자는 (1−x)\displaystyle (1-x)의 지수이다. 또한, 부분적분을 거듭할수록 x\displaystyle x의 지수는 1\displaystyle 1씩 증가하고 1−x\displaystyle 1-x의 지수는 1\displaystyle 1씩 감소한다. 즉, n−1≥k\displaystyle n-1\ge k인 k\displaystyle k에 대해,∫01xn+k(1−x)n−k dx=[1n+k+1xn+k+1(1−x)n−k]01+n−kn+k+1∫01xn+k+1(1−x)n−(k+1)=n−kn+k+1∫01xn+k+1(1−x)n−(k+1) dx\displaystyle \begin{aligned}\int_0^1x^{n+k}(1-x)^{n-k}\,dx&=\Biggl[\frac1{n+k+1}x^{n+k+1}(1-x)^{n-k}\Biggr]_0^1+\frac{n-k}{n+k+1}\int_0^1x^{n+k+1}(1-x)^{n-(k+1)}\\&=\frac{n-k}{n+k+1}\int_0^1x^{n+k+1}(1-x)^{n-(k+1)}\,dx\end{aligned}Correction. 부분적분을 일반화한 식의 첫째 줄에서 마지막 적분에 dx\displaystyle dx가 빠져 있다. 다음 줄에는 올바르게 적혀 있다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.가 성립한다.

3단계 · <2-1>에서 부분적분을 반복하여 cn\displaystyle c_n을 구할 수 있다.

우변 피적분함수의 1−x\displaystyle 1-x의 지수가 0\displaystyle 0이 될 때까지 부분적분을 반복하면an=∫01xn(1−x)n dx=nn+1n−1n+2⋯12n∫01x2n(1−x)0 dx=n!(2n+1)(2n)⋯(n+1)\displaystyle a_n=\int_0^1x^n(1-x)^n\,dx=\frac n{n+1}\frac{n-1}{n+2}\cdots\frac1{2n}\int_0^1x^{2n}(1-x)^0\,dx=\frac{n!}{(2n+1)(2n)\cdots(n+1)}가 된다. 즉,an=n!(2n+1)(2n)⋯(n+1)=n!n!(2n+1)!\displaystyle a_n=\frac{n!}{(2n+1)(2n)\cdots(n+1)}=\frac{n!n!}{(2n+1)!}이므로 cn=1(2n+1)⋯(n+1)=n!(2n+1)!\displaystyle c_n=\frac1{(2n+1)\cdots(n+1)}=\frac{n!}{(2n+1)!}이다.

4단계 · <2-2>에서 x=1+y2\displaystyle x=\frac{1+y}{2} 또는 y=2x−1\displaystyle y=2x-1의 형태로 치환할 수 있다.

■ 2-2.xn(1−x)n\displaystyle x^n(1-x)^n의 꼴이 (1−y2)n=(1+y)(1−y)n\displaystyle (1-y^2)^n=(1+y)(1-y)^n의 꼴로 표시되기 위해서는 x=1+y2\displaystyle x=\frac{1+y}{2} 또는 y=2x−1\displaystyle y=2x-1의 형태로 치환해야 한다. 이때 y\displaystyle y에 대한 적분구간은 [−1,1]\displaystyle [-1,1]이 된다.Correction. 첫 번째 인수 (1+y)\displaystyle (1+y)는 (1+y)n\displaystyle (1+y)^n의 오기이다. 올바른 식은 다음과 같으며, 이어지는 적분식에는 지수가 올바르게 적혀 있다.(1−y2)n=(1+y)n(1−y)n\displaystyle (1-y^2)^n=(1+y)^n(1-y)^n 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

5단계 · <2-2>에서 치환적분을 통해 an=122n+1∫−11(1−y2)n dy\displaystyle a_n=\frac1{2^{2n+1}}\int_{-1}^1(1-y^2)^n\,dy임을 보일 수 있다.

그러므로an=∫−11(1+y2)n(1−y2)n12 dy=122n+1∫−11(1−y2)n dy\displaystyle a_n=\int_{-1}^1\left(\frac{1+y}{2}\right)^n\left(\frac{1-y}{2}\right)^n\frac12\,dy=\frac1{2^{2n+1}}\int_{-1}^1(1-y^2)^n\,dy이다.

6단계 · <2-2>에서 (1−y2)n\displaystyle (1-y^2)^n이 우함수임을 이용하여 dn\displaystyle d_n을 구할 수 있다.

한편, (1−y2)n\displaystyle (1-y^2)^n은 우함수이므로an=122n+1∫−11(1−y2)n dy=122n∫01(1−y2)n dy\displaystyle a_n=\frac1{2^{2n+1}}\int_{-1}^1(1-y^2)^n\,dy=\frac1{2^{2n}}\int_0^1(1-y^2)^n\,dy가 되며 dn=122n\displaystyle d_n=\frac1{2^{2n}}이다.

등급기준
1등급위의 6가지 기준을 모두 충족시키고 논리 전개가 완벽한 경우
2등급위의 6가지 기준을 모두 충족하나 논리 전개나 표현력이 다소 떨어지는 경우
3등급위의 6가지 기준 중 5가지 요건을 만족하는 경우
4등급위의 6가지 기준 중 ③과 ⑥ 요건을 충족시키고 나머지 요건 중 2가지를 만족시키는 경우
5등급위의 6가지 기준 중 4가지 요건을 만족하는 경우(4등급 기준 제외)
6등급위의 6가지 기준 중 3가지 요건을 만족하는 경우
7등급위의 6가지 기준 중 2가지 요건을 만족하는 경우
8등급위의 6가지 기준 중 1가지 요건을 만족하는 경우
9등급위의 6가지 기준을 전혀 충족시키지 못한 경우

각 세부 문제별로 다음과 같은 기준을 만족시켜야 한다.

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