수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

문제 2-A 다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오.(25점)

(가) 함수 h(t)\displaystyle h(t)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때,ddx∫axh(t) dt=h(x)\displaystyle \frac d{dx}\int_a^x h(t)\,dt=h(x) (단, a<x<b\displaystyle a<x<b)[출처 : 미적분Ⅰ 「정적분」](나) 미분가능한 두 함수 h(x)\displaystyle h(x), k(x)\displaystyle k(x)에 대하여 h′(x)\displaystyle h^{\prime}(x), k′(x)\displaystyle k^{\prime}(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때,∫abh(x)k′(x) dx=[h(x)k(x)]ab−∫abh′(x)k(x) dx\displaystyle \int_a^b h(x)k^{\prime}(x)\,dx=\Biggl[h(x)k(x)\Biggr]_a^b-\int_a^b h^{\prime}(x)k(x)\,dx[출처 : 미적분Ⅱ 「여러 가지 적분법」]

함수 f(x)=∫0xe−t2 dt\displaystyle f(x)=\int_0^x e^{-t^2}\,dt에 대하여 다음 문항에 답하시오.

(1) 부분적분법을 이용하여 정적분 A(α)=∫0αf(x) dx\displaystyle A(\alpha)=\int_0^{\alpha}f(x)\,dx를 α\displaystyle \alpha와 f(α)\displaystyle f(\alpha)의 식으로 나타내시오.

(2) 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 역함수를 g(x)\displaystyle g(x)라 할 때, 정적분 B(α)=∫0f(α)g(x) dx\displaystyle B(\alpha)=\int_0^{f(\alpha)}g(x)\,dx를 α\displaystyle \alpha의 식으로 나타내시오.

(3) 극한값 lim⁡α→0A(α)B(α)\displaystyle \lim_{\alpha\to0}\frac{A(\alpha)}{B(\alpha)}를 구하시오.

문제 2-B 다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오.(25점)

미분가능한 두 함수 y=h(u)\displaystyle y=h(u), u=k(x)\displaystyle u=k(x)에 대하여 합성함수 y=h(k(x))\displaystyle y=h(k(x))는 미분가능하고, 그 도함수는dydx=dydu⋅dudx\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\cdot\frac{du}{dx} 또는 {h(k(x))}′=h′(k(x)) k′(x)\displaystyle \{h(k(x))\}^{\prime}=h^{\prime}(k(x))\,k^{\prime}(x)[출처 : 미적분Ⅱ 「여러 가지 미분법」]

함수 f(x)\displaystyle f(x)는 미분가능한 증가함수이고, f(0)=0\displaystyle f(0)=0, f(1)=2\displaystyle f(1)=2, ∫01{f(x)}2 dx=3\displaystyle \int_0^1\{f(x)\}^2\,dx=3이다.

미분가능한 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 음이 아닌 실수 α\displaystyle \alpha(α≥0\displaystyle \alpha\ge0)에 대하여 조건 (i), (ii)를 만족한다.

(i) x>0\displaystyle x>0일 때, g′(x)=2αf(x)f′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)=2\alpha f(x)f^{\prime}(x)

(ii) x≤0\displaystyle x\le0일 때, g(x)=−{f(−x)}2+(5−α3)\displaystyle g(x)=-\{f(-x)\}^2+(5-\alpha^3)

이때 다음 문항에 답하시오.

(1) 닫힌 구간 [−1,1]\displaystyle [-1,1]에서 부등식 g(x)≥0\displaystyle g(x)\ge0이 성립하도록 하는 음이 아닌 실수 α\displaystyle \alpha의 값의 범위를 구하시오.

(2) 문항 (1)에서 구한 α\displaystyle \alpha의 값의 범위에서, 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)와 x\displaystyle x축 및 x=−1\displaystyle x=-1, x=1\displaystyle x=1로 둘러싸인 도형의 넓이를 최대로 하는 α\displaystyle \alpha의 값을 구하시오.

해설강의 준비중
+10점 · 미분과 적분의 관계, 부분적분법과 치환적분법을 이용하여 정적분 A(α)\displaystyle A(\alpha)를 α\displaystyle \alpha와 f(α)\displaystyle f(\alpha)의 식으로 나타낼 수 있다.

문제 2-A(1) 제시문에 주어진 식을 이용하면A(α)=∫0αf(x) dx=[xf(x)]0α−∫0αxf′(x) dx=αf(α)−∫0αxe−x2 dx\displaystyle A(\alpha)=\int_0^{\alpha}f(x)\,dx=\Biggl[xf(x)\Biggr]_0^{\alpha}-\int_0^{\alpha}xf^{\prime}(x)\,dx=\alpha f(\alpha)-\int_0^{\alpha}xe^{-x^2}\,dx를 얻는다. t=x2\displaystyle t=x^2로 놓으면 dtdx=2x\displaystyle \frac{dt}{dx}=2x가 된다. x=0\displaystyle x=0일 때 t=0\displaystyle t=0, x=α\displaystyle x=\alpha일 때 t=α2\displaystyle t=\alpha^2이므로∫0αxe−x2 dx=12∫0α2e−t dt=12[−e−t]0α2=12(1−e−α2)\displaystyle \int_0^{\alpha}xe^{-x^2}\,dx=\frac12\int_0^{\alpha^2}e^{-t}\,dt=\frac12\Biggl[-e^{-t}\Biggr]_0^{\alpha^2}=\frac12(1-e^{-\alpha^2})이다. 따라서 구하는 정적분은A(α)=∫0αf(x) dx=αf(α)−12(1−e−α2)\displaystyle A(\alpha)=\int_0^{\alpha}f(x)\,dx=\alpha f(\alpha)-\frac12(1-e^{-\alpha^2})이다.

+5점 · 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 역함수를 g(x)\displaystyle g(x)에 대한 정적분 B(α)\displaystyle B(\alpha)를 α\displaystyle \alpha의 식으로 나타낼 수 있다.

(2) 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 그 역함수 g(x)\displaystyle g(x)에 대하여 관계식∫0αf(x) dx+∫f(0)f(α)g(x) dx=αf(α)\displaystyle \int_0^{\alpha}f(x)\,dx+\int_{f(0)}^{f(\alpha)}g(x)\,dx=\alpha f(\alpha)이 성립하고, f(0)=0\displaystyle f(0)=0이므로,B(α)=αf(α)−∫0αf(x) dx=αf(α)−[αf(α)−12(1−e−α2)]=12(1−e−α2)\displaystyle \begin{aligned}B(\alpha)&=\alpha f(\alpha)-\int_0^{\alpha}f(x)\,dx\\&=\alpha f(\alpha)-\left[\alpha f(\alpha)-\frac12(1-e^{-\alpha^2})\right]=\frac12(1-e^{-\alpha^2})\end{aligned}이다(〈그림 2〉 참고).

함수와 역함수의 정적분 A와 B를 나타낸 그림 2
+10점 · 극한값 lim⁡α→0A(α)B(α)\displaystyle \lim_{\alpha\to0}\frac{A(\alpha)}{B(\alpha)}를 구할 수 있다.

(3) 문항 (1)과 문항 (2)의 결과를 이용하여 주어진 극한을 계산하면 다음과 같다.lim⁡α→0A(α)B(α)=lim⁡α→0αf(α)−12(1−e−α2)12(1−e−α2)=lim⁡α→0(2αf(α)1−e−α2−1)=2lim⁡α→0(f(α)α1−e−α2α2)−1\displaystyle \begin{aligned}\lim_{\alpha\to0}\frac{A(\alpha)}{B(\alpha)}&=\lim_{\alpha\to0}\frac{\alpha f(\alpha)-\frac12(1-e^{-\alpha^2})}{\frac12(1-e^{-\alpha^2})}=\lim_{\alpha\to0}\left(\frac{2\alpha f(\alpha)}{1-e^{-\alpha^2}}-1\right)\\&=2\lim_{\alpha\to0}\left(\frac{\frac{f(\alpha)}{\alpha}}{\frac{1-e^{-\alpha^2}}{\alpha^2}}\right)-1\end{aligned}위의 식에서 분자의 극한을 구하면lim⁡α→0f(α)α=lim⁡α→0f(α)−f(0)α−0=f′(0)=e−02=1\displaystyle \lim_{\alpha\to0}\frac{f(\alpha)}{\alpha}=\lim_{\alpha\to0}\frac{f(\alpha)-f(0)}{\alpha-0}=f^{\prime}(0)=e^{-0^2}=1이다. 분모의 극한을 구하기 위해 u(x)=e−x\displaystyle u(x)=e^{-x}로 놓으면lim⁡α→01−e−α2α2=lim⁡β→01−e−ββ=−lim⁡β→0u(β)−u(0)β−0=−u′(0)=1\displaystyle \lim_{\alpha\to0}\frac{1-e^{-\alpha^2}}{\alpha^2}=\lim_{\beta\to0}\frac{1-e^{-\beta}}{\beta}=-\lim_{\beta\to0}\frac{u(\beta)-u(0)}{\beta-0}=-u^{\prime}(0)=1이다. 따라서 lim⁡α→0A(α)B(α)=1\displaystyle \lim_{\alpha\to0}\frac{A(\alpha)}{B(\alpha)}=1이다.

+15점 · 합성함수의 미분법과 함수의 연속성을 이용하여 g(x)\displaystyle g(x)를 찾고, 문제의 조건을 만족하는 음이 아닌 실수 α\displaystyle \alpha의 값의 범위를 구할 수 있다.

문제 2-B(1) 제시문의 내용을 이용하면, 조건 (i)에 의하여 x>0\displaystyle x>0일 때g′(x)=2αf(x)f′(x)=ddx[α{f(x)}2]\displaystyle g^{\prime}(x)=2\alpha f(x)f^{\prime}(x)=\frac d{dx}\left[\alpha\{f(x)\}^2\right]이므로g(x)=α{f(x)}2+C\displaystyle g(x)=\alpha\{f(x)\}^2+C (x>0)\displaystyle (x>0)가 성립한다. 한편 미분가능한 함수는 연속이므로, 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 g(x)\displaystyle g(x)의 x=0\displaystyle x=0에서의 연속성과 조건 (ii)를 이용하면5−α3=g(0)=lim⁡x→0+g(x)=lim⁡x→0+α{f(x)}2+C=α{f(0)}2+C=C\displaystyle 5-\alpha^3=g(0)=\lim_{x\to0^+}g(x)=\lim_{x\to0^+}\alpha\{f(x)\}^2+C=\alpha\{f(0)\}^2+C=C를 얻는다. 따라서g(x)={α{f(x)}2+(5−α3)(x>0)−{f(−x)}2+(5−α3)(x≤0)⋯⋯⋯①\displaystyle g(x)=\begin{cases}\alpha\{f(x)\}^2+(5-\alpha^3)&(x>0)\\-\{f(-x)\}^2+(5-\alpha^3)&(x\le0)\end{cases}\quad\cdots\cdots\cdots\quad①이다.여기서 α≥0\displaystyle \alpha\ge0이고 f(x)\displaystyle f(x)가 증가함수이므로, 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 α{f(x)}2\displaystyle \alpha\{f(x)\}^2와 g(x)\displaystyle g(x)는 모두 증가함수이거나 상수함수이다. 구간 [−1,0]\displaystyle [-1,0]에서는 {f(−x)}2\displaystyle \{f(-x)\}^2가 감소함수이므로 −{f(−x)}2\displaystyle -\{f(-x)\}^2와 g(x)\displaystyle g(x)가 모두 증가함수이다. 그러므로 구간 [−1,1]\displaystyle [-1,1]에서 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 x=−1\displaystyle x=-1일 때 최소가 되고g(x)≥g(−1)=−{f(1)}2+5−α3=1−α3\displaystyle g(x)\ge g(-1)=-\{f(1)\}^2+5-\alpha^3=1-\alpha^3 (−1≤x≤1)\displaystyle (-1\le x\le1)이다. 따라서 구간 [−1,1]\displaystyle [-1,1]에서 부등식 g(x)≥0\displaystyle g(x)\ge0가 성립하는 α\displaystyle \alpha의 값의 범위는 0≤α≤1\displaystyle 0\le\alpha\le1이다.

+10점 · 미분법을 활용하여, 도형의 넓이를 최대로 하는 α\displaystyle \alpha의 값을 구할 수 있다.

(2) 식 ①과 치환적분법을 이용하면, 구하는 도형의 넓이 S(α)\displaystyle S(\alpha)는 다음과 같다.S(α)=∫−11∣g(x)∣ dx=∫−10(−{f(−x)}2+(5−α3)) dx+∫01(α{f(x)}2+(5−α3)) dx=(α−1)∫01{f(x)}2 dx+10−2α3=−2α3+3α+7\displaystyle \begin{aligned}S(\alpha)&=\int_{-1}^1|g(x)|\,dx=\int_{-1}^0\left(-\{f(-x)\}^2+(5-\alpha^3)\right)\,dx+\int_0^1\left(\alpha\{f(x)\}^2+(5-\alpha^3)\right)\,dx\\&=(\alpha-1)\int_0^1\{f(x)\}^2\,dx+10-2\alpha^3=-2\alpha^3+3\alpha+7\end{aligned}S(α)\displaystyle S(\alpha)의 도함수 S′(α)=−6α2+3\displaystyle S^{\prime}(\alpha)=-6\alpha^2+3을 이용하여 함수 S(α)\displaystyle S(\alpha)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

α\alpha0⋯12\frac1{\sqrt2}⋯1
S′(α)S^{\prime}(\alpha)3+0−−3
S(α)S(\alpha)7↗7+27+\sqrt2↘8

따라서 0≤α≤1\displaystyle 0\le\alpha\le1에 대하여 S(α)\displaystyle S(\alpha)는 α=12\displaystyle \alpha=\frac1{\sqrt2}에서 최댓값을 갖는다.

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