수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 1번

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문제

다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오. (25점)

두 함수 y=f(u)\displaystyle y=f(u), u=g(x)\displaystyle u=g(x)가 미분가능할 때, 합성함수 y=f(g(x))\displaystyle y=f(g(x))도 미분가능하며 그 도함수는dydx=dydu×dudx\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\times\frac{du}{dx} 또는 y′=f′(g(x))g′(x)\displaystyle y^{\prime}=f^{\prime}(g(x))g^{\prime}(x)[출처 : 미적분 「합성함수의 미분법」]

구간 [0,∞)\displaystyle [0,\infty)에서 연속이고 구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 미분가능한 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)는 다음 조건을 모두 만족시킨다.

(i) g(1)=1\displaystyle g(1)=1이고 모든 x≥0\displaystyle x\ge0에 대하여 g(2x)=3g(x)\displaystyle g(2x)=3g(x)이다.(ii) 모든 x≥0\displaystyle x\ge0에 대하여 f(g(x))=x\displaystyle f(g(x))=x이다.

이때 다음 문항에 답하시오.

(1) f′(3)×g′(1)\displaystyle f^{\prime}(3)\times g^{\prime}(1)의 값을 구하시오.

(2) ∫12g(x) dx=A\displaystyle \int_1^2g(x)\,dx=A일 때 ∫01g(x) dx\displaystyle \int_0^1g(x)\,dx의 값을 A\displaystyle A에 대한 식으로 나타내시오.

해설강의 준비중
+10점 · 합성함수의 미분법을 이용하여 주어진 조건으로부터 두 미분계수의 곱을 계산할 수 있다.

(1) 모든 x≥0\displaystyle x\ge0에 대하여 g(2x)=3g(x)\displaystyle g(2x)=3g(x)이므로 x=1\displaystyle x=1일 때g(2)=3g(1)=3\displaystyle g(2)=3g(1)=3합성함수의 미분법의 결과 f′(g(x))g′(x)=1\displaystyle f^{\prime}(g(x))g^{\prime}(x)=1로부터 f′(3)\displaystyle f^{\prime}(3)의 값을 구하면f′(g(2))g′(2)=f′(3)g′(2)=1,f′(3)=1g′(2)\displaystyle f^{\prime}(g(2))g^{\prime}(2)=f^{\prime}(3)g^{\prime}(2)=1,\quad f^{\prime}(3)=\frac1{g^{\prime}(2)}g(x)=13g(2x)\displaystyle g(x)=\frac13g(2x)의 양변을 x\displaystyle x에 대하여 미분하여, g′(1)\displaystyle g^{\prime}(1)의 값을 구하면g′(x)=23g′(2x),g′(1)=23g′(2)\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac23g^{\prime}(2x),\quad g^{\prime}(1)=\frac23g^{\prime}(2)따라서f′(3)×g′(1)=1g′(2)×23g′(2)=23\displaystyle f^{\prime}(3)\times g^{\prime}(1)=\frac1{g^{\prime}(2)}\times\frac23g^{\prime}(2)=\frac23이다.

+15점 · 치환적분법을 이용하여 주어진 정적분의 값과 다른 정적분의 값의 관계를 찾을 수 있다.

(2) B=∫01g(x) dx\displaystyle B=\int_0^1g(x)\,dx라고 하자. ∫01g(x) dx=∫0113g(2x) dx\displaystyle \int_0^1g(x)\,dx=\int_0^1\frac13g(2x)\,dx에서 2x=t\displaystyle 2x=t로 놓으면 x=0\displaystyle x=0일 때 t=0\displaystyle t=0, x=1\displaystyle x=1일 때 t=2\displaystyle t=2, dxdt=12\displaystyle \frac{dx}{dt}=\frac12이므로B=∫0213g(t)12 dt=16∫02g(t) dt=16∫01g(t) dt+16∫12g(t) dt=16B+16A\displaystyle \begin{aligned}B&=\int_0^2\frac13g(t)\frac12\,dt=\frac16\int_0^2g(t)\,dt\\&=\frac16\int_0^1g(t)\,dt+\frac16\int_1^2g(t)\,dt\\&=\frac16B+\frac16A\end{aligned}따라서 구하는 정적분의 값은∫01g(x) dx=B=15A\displaystyle \int_0^1g(x)\,dx=B=\frac15A이다.

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