수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

<가>두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때,(1) f(x)≥0\displaystyle f(x)\ge0이면, ∫abf(x) dx≥0\displaystyle \int_a^b f(x)\,dx\ge0(2) f(x)≤g(x)\displaystyle f(x)\le g(x)이면, ∫abf(x) dx≤∫abg(x) dx\displaystyle \int_a^b f(x)\,dx\le\int_a^b g(x)\,dx

<나>a>0\displaystyle a>0, b>0\displaystyle b>0이면, a+b2≥ab\displaystyle \frac{a+b}{2}\ge\sqrt{ab}

제시문을 읽고 다음 문제에 답하시오.

1-1. 부등식∫π2πx2sin⁡(1x) dx≤3π28\displaystyle \int_{\frac\pi2}^{\pi}x^2\sin\left(\frac1x\right)\,dx\le\frac{3\pi^2}{8}이 성립함을 증명하시오.

1-2. 부등식∫12x3x6+x3+1 dx≤13\displaystyle \int_1^2\frac{x^3}{x^6+x^3+1}\,dx\le\frac13이 성립함을 증명하시오.

해설강의 준비중
1단계 · <1-1>에서 sin⁡x≤x\displaystyle \sin x\le x임을 보인다.

■ 1-1f(x)=x−sin⁡x\displaystyle f(x)=x-\sin x라 하면, f(0)=0\displaystyle f(0)=0이고 f′(x)=1−cos⁡x≥0\displaystyle f^{\prime}(x)=1-\cos x\ge0이므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 값은 x>0\displaystyle x>0에서 항상 양수이다. 즉,sin⁡x≤x\displaystyle \sin x\le x, x≥0\displaystyle x\ge0이다.

2단계 · <1-1>에서 x2sin⁡(1x)≤x\displaystyle x^2\sin\left(\frac1x\right)\le x 인 부등식을 도출한다.

따라서 π2≤x≤π\displaystyle \frac\pi2\le x\le\pi에서 sin⁡(1x)≤1x\displaystyle \sin\left(\frac1x\right)\le\frac1x이므로x2sin⁡(1x)≤x2x=x\displaystyle x^2\sin\left(\frac1x\right)\le\frac{x^2}{x}=x이다.

3단계 · <1-1>에서 정적분의 크기 관계를 이용하여 부등식을 보인다.

따라서 제시문 <가>에 의해∫π2πx2sin⁡(1x) dx≤∫π2πx dx\displaystyle \int_{\frac\pi2}^{\pi}x^2\sin\left(\frac1x\right)\,dx\le\int_{\frac\pi2}^{\pi}x\,dx이다. 그런데∫π2πx dx=[12x2]π2π=3π28\displaystyle \int_{\frac\pi2}^{\pi}x\,dx=\Biggl[\frac12x^2\Biggr]_{\frac\pi2}^{\pi}=\frac{3\pi^2}{8}이므로∫π2πx2sin⁡(1x) dx≤3π28\displaystyle \int_{\frac\pi2}^{\pi}x^2\sin\left(\frac1x\right)\,dx\le\frac{3\pi^2}{8}이다.

4단계 · <1-2>에서 절대부등식을 적용할 수 있는 유리함수로 바꾼다.

■ 1-21≤x≤2\displaystyle 1\le x\le2일 때 x3x6+x3+1=1x6+x3+1x3=1x3+1x3+1\displaystyle \frac{x^3}{x^6+x^3+1}=\frac1{\frac{x^6+x^3+1}{x^3}}=\frac1{x^3+\frac1{x^3}+1}이므로 제시문 <나>에 의해

5단계 · <1-2>에서 절대부등식을 이용하여 1(x3+1x3)+1≤13\displaystyle \frac1{\left(x^3+\frac1{x^3}\right)+1}\le\frac13인 부등식을 도출한다.

1(x3+1x3)+1≤12+1=13\displaystyle \frac1{\left(x^3+\frac1{x^3}\right)+1}\le\frac1{2+1}=\frac13이다.

6단계 · <1-2>에서 정적분의 크기 관계를 이용하여 부등식을 보인다.

따라서 제시문 <가>에 의해∫12x3x6+x3+1 dx≤∫1213 dx=13\displaystyle \int_1^2\frac{x^3}{x^6+x^3+1}\,dx\le\int_1^2\frac13\,dx=\frac13이다.

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 ②과 ⑤ 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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