수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 2번

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문제

다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오. (20점)

함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 미분가능한 함수 x=g(t)\displaystyle x=g(t)에 대하여 a=g(α)\displaystyle a=g(\alpha), b=g(β)\displaystyle b=g(\beta)일 때 도함수 g′(t)\displaystyle g^{\prime}(t)가 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)dt[출처 : 미적분 「여러 가지 적분법」]

0≤x≤2\displaystyle 0\le x\le2에서 정의된 증가함수 f(x)\displaystyle f(x)는 2보다 큰 실수 a\displaystyle a에 대하여 다음 조건을 모두 만족한다.

(i) f(x)\displaystyle f(x)는 닫힌구간 [0,2]\displaystyle [0,2]에서 연속이고 열린구간 (0,2)\displaystyle (0,2)에서 미분가능하다.(ii) f(0)=0\displaystyle f(0)=0(iii) 닫힌구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에 속하는 모든 x\displaystyle x에 대하여f(1+x)+af(1−x)=3\displaystyle f(1+x)+af(1-x)=3 (단, a>2\displaystyle a>2)(iv) ∫02f(x)dx=2\displaystyle \int_0^2f(x)dx=2

함수 f(x)\displaystyle f(x)의 역함수를 g(x)\displaystyle g(x)라고 할 때, 정적분 ∫0f(1)g(x)dx\displaystyle \int_0^{f(1)}g(x)dx가 최대가 되는 실수 a\displaystyle a의 값을 구하시오.

해설강의 준비중
+20점 · 주어진 조건으로부터 문제가 원하는 정적분을 올바른 함수로 표현하고 이로부터 최대·최소를 정확하게 계산할 수 있다.

조건 (ii)에 의해 f(0)=0\displaystyle f(0)=0이므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 역함수 g(x)\displaystyle g(x)는 관계식∫01f(x)dx+∫0f(1)g(x)dx=1×f(1)\displaystyle \int_0^1f(x)dx+\int_0^{f(1)}g(x)dx=1\times f(1)을 만족한다.

함수와 역함수의 정적분을 나타낸 영역

조건 (iii)에 x=0\displaystyle x=0을 대입하면 f(1)+af(1)=(a+1)f(1)=3\displaystyle f(1)+af(1)=(a+1)f(1)=3이므로 f(1)=3a+1\displaystyle f(1)=\frac3{a+1}이다.조건 (iii), (iv)와 치환적분법을 이용하면3=∫013dx=∫01(f(1+x)+af(1−x))dx=∫12f(x)dx+a∫01f(x)dx=2−∫01f(x)dx+a∫01f(x)dx\displaystyle \begin{aligned}3&=\int_0^13dx=\int_0^1(f(1+x)+af(1-x))dx\\&=\int_1^2f(x)dx+a\int_0^1f(x)dx\\&=2-\int_0^1f(x)dx+a\int_0^1f(x)dx\end{aligned}이므로 ∫01f(x)dx=1a−1\displaystyle \int_0^1f(x)dx=\frac1{a-1}이다.따라서 정적분 ∫0f(1)g(x)dx\displaystyle \int_0^{f(1)}g(x)dx는 실수 a\displaystyle a에 대한 함수 h(a)\displaystyle h(a)로 다음과 같이 쓸 수 있다.h(a)=∫0f(1)g(x)dx=f(1)−∫01f(x)dx=3a+1−1a−1=2a−4a2−1\displaystyle h(a)=\int_0^{f(1)}g(x)dx=f(1)-\int_0^1f(x)dx=\frac3{a+1}-\frac1{a-1}=\frac{2a-4}{a^2-1} (단, a>2\displaystyle a>2)도함수 h′(a)=2(a2−1)−2a(2a−4)(a2−1)2=−2a2+8a−2(a2−1)2\displaystyle h^{\prime}(a)=\frac{2(a^2-1)-2a(2a-4)}{(a^2-1)^2}=\frac{-2a^2+8a-2}{(a^2-1)^2}는 a=2±3\displaystyle a=2\pm\sqrt3에서 0이므로 h(a)\displaystyle h(a)의 증가와 감소를 다음과 같은 표로 나타낼 수 있다.

aa2⋯2+32+\sqrt3⋯
h′(a)h^{\prime}(a) +0−
h(a)h(a) ↗2−32-\sqrt3↘

그러므로 함수 h(a)\displaystyle h(a)는 구간 (2,∞)\displaystyle (2,\infty)에서 a=2+3\displaystyle a=2+\sqrt3일 때 최댓값 2−3\displaystyle 2-\sqrt3을 갖는다.

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