수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

문제 4 다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오. (25점)

함수 f(x)\displaystyle f(x)가 임의의 세 실수 a,b,c\displaystyle a,b,c를 포함하는 닫힌구간에서 연속일 때,∫acf(x) dx+∫cbf(x) dx=∫abf(x) dx\displaystyle \int_a^cf(x)\,dx+\int_c^bf(x)\,dx=\int_a^bf(x)\,dx【출처: 수학Ⅱ「정적분」】

두 사건 A,B\displaystyle A,B가 동시에 일어나지 않을 때, 사건 A\displaystyle A와 사건 B\displaystyle B가 일어나는 경우의 수가 각각 m,n\displaystyle m,n이면, 사건 A\displaystyle A 또는 사건 B\displaystyle B가 일어나는 경우의 수는 m+n\displaystyle m+n【출처: 수학「경우의 수」】

양의 정수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 ∫−11∣ax+b∣ dx=10\displaystyle \int_{-1}^1|ax+b|\,dx=10을 만족시키는 순서쌍 (a,b)\displaystyle (a,b)의 개수를 구하시오.

해설강의 준비중
+10점 · a≤b\displaystyle a\le b인 경우 정적분을 계산하면, b=5\displaystyle b=5를 얻는다. 이 경우 a\displaystyle a가 양의 정수이므로 (a,b)\displaystyle (a,b)의 순서쌍은 (1,5)\displaystyle (1,5), (2,5)\displaystyle (2,5), (3,5)\displaystyle (3,5), (4,5)\displaystyle (4,5), (5,5)\displaystyle (5,5)의 다섯 가지이다.

f(x)=ax+b\displaystyle f(x)=ax+b라 할 때, f(1)=a+b>0\displaystyle f(1)=a+b>0이다. 따라서 f(−1)=−a+b\displaystyle f(-1)=-a+b의 부호에 따라 경우를 나누어 적분을 계산한다. 먼저 f(−1)=−a+b≥0\displaystyle f(-1)=-a+b\ge0인 경우, 즉, a≤b\displaystyle a\le b인 경우, 구간 [−1,1]\displaystyle [-1,1]에서 f(x)≥0\displaystyle f(x)\ge0이다. 이때10=∫−11∣ax+b∣ dx=∫−11(ax+b) dx=2b\displaystyle 10=\int_{-1}^1|ax+b|\,dx=\int_{-1}^1(ax+b)\,dx=2b따라서 b=5\displaystyle b=5이다. 조건 a≤b\displaystyle a\le b인 양의 정수의 순서쌍 (a,b)\displaystyle (a,b)를 모두 구하면 (1,5)\displaystyle (1,5), (2,5)\displaystyle (2,5), (3,5)\displaystyle (3,5), (4,5)\displaystyle (4,5), (5,5)\displaystyle (5,5)의 다섯 가지를 얻는다.

+15점 · a>b\displaystyle a>b인 경우 정적분을 계산하면, 방정식 10=b2a+a\displaystyle 10=\frac{b^2}a+a을 얻는다. a,b\displaystyle a,b가 양의 정수이므로 방정식을 만족시키는 (a,b)\displaystyle (a,b)의 순서쌍을 구하면 (8,4)\displaystyle (8,4), (9,3)\displaystyle (9,3)의 두 가지이다.

한편 f(−1)=−a+b<0\displaystyle f(-1)=-a+b<0인 경우, 즉, a>b\displaystyle a>b인 경우 f(x)=ax+b\displaystyle f(x)=ax+b의 x\displaystyle x절편 −ba (∈(−1,0))\displaystyle -\frac ba\ (\in(-1,0))에서 f(x)\displaystyle f(x)의 부호가 바뀐다. 그러므로10=∫−11∣ax+b∣ dx=∫−1−ba(−ax−b) dx+∫−ba1(ax+b) dx=[−a2x2−bx]−1−ba+[a2x2+bx]−ba1=b2a+a\displaystyle \begin{aligned}10&=\int_{-1}^1|ax+b|\,dx=\int_{-1}^{-\frac ba}(-ax-b)\,dx+\int_{-\frac ba}^1(ax+b)\,dx\\&=\Biggl[-\frac a2x^2-bx\Biggr]_{-1}^{-\frac ba}+\Biggl[\frac a2x^2+bx\Biggr]_{-\frac ba}^1=\frac{b^2}a+a\end{aligned}⇒b2=10a−a2=a(10−a)\displaystyle \Rightarrow\quad b^2=10a-a^2=a(10-a)따라서 a≤9\displaystyle a\le9이고, a(10−a)\displaystyle a(10-a)는 어떤 양의 정수의 제곱과 같아야 한다. 이를 만족시키는 순서쌍 (a,b)\displaystyle (a,b)를 모두 구하면 (1,3)\displaystyle (1,3), (2,4)\displaystyle (2,4), (5,5)\displaystyle (5,5), (8,4)\displaystyle (8,4), (9,3)\displaystyle (9,3)이다. 이 중에서 a>b\displaystyle a>b인 경우는 (8,4)\displaystyle (8,4), (9,3)\displaystyle (9,3)의 두 가지이다.그러므로 전체 경우의 수는 5+2=7\displaystyle 5+2=7가지이다.

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