수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 2번

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문제

[문제 2] (95점)

다음을 모두 만족시키는 다항식 f(x)\displaystyle f ( x )를 구하여라.

(1) f(0)=0\displaystyle f ( 0 ) = 0

(2) 상수 0<a<1\displaystyle 0 < a < 1에 대하여 ∫1−a1+acos⁡a−cos⁡1cos⁡xsin⁡2x dx=2sin⁡f(a)\displaystyle \int_{1-a}^{1+a}\frac{\cos a-\cos1\cos x}{\sin^2x}\,dx=2\sin f(a)이다.

해설강의 준비중

∫1−a1+acos⁡a−cos⁡1cos⁡xsin⁡2x dx=cos⁡a∫1−a1+a1sin⁡2x dx−cos⁡1∫1−a1+acos⁡xsin⁡2x dx=cos⁡a[−cot⁡x]1−a1+a−cos⁡1[−1sin⁡x]1−a1+a=−cos⁡a{cot⁡(1+a)−cot⁡(1−a)}−cos⁡1{1sin⁡(1−a)−1sin⁡(1+a)}\displaystyle \begin{aligned}&\int_{1-a}^{1+a}\frac{\cos a-\cos1\cos x}{\sin^2x}\,dx\\&=\cos a\int_{1-a}^{1+a}\frac1{\sin^2x}\,dx-\cos1\int_{1-a}^{1+a}\frac{\cos x}{\sin^2x}\,dx\\&=\cos a\Biggl[-\cot x\Biggr]_{1-a}^{1+a}-\cos1\Biggl[-\frac1{\sin x}\Biggr]_{1-a}^{1+a}\\&= - \cos a \left\{ \cot ( 1 + a ) - \cot ( 1 - a ) \right\} - \cos 1 \left\{ \frac{1}{\sin ( 1 - a )} - \frac{1}{\sin ( 1 + a )} \right\}\end{aligned}이다. 삼각함수의 덧셈정리를 이용해 계산하면−cos⁡a{cot⁡(1+a)−cot⁡(1−a)}−cos⁡1{1sin⁡(1−a)−1sin⁡(1+a)}=−cos⁡a{cos⁡(1+a)sin⁡(1+a)−cos⁡(1−a)sin⁡(1−a)}−cos⁡1{1sin⁡(1−a)−1sin⁡(1+a)}=cos⁡1−cos⁡acos⁡(1+a)sin⁡(1+a)−cos⁡1−cos⁡acos⁡(1−a)sin⁡(1−a)=cos⁡1−cos⁡a(cos⁡1cos⁡a−sin⁡1sin⁡a)sin⁡(1+a)−cos⁡1−cos⁡a(cos⁡1cos⁡a+sin⁡1sin⁡a)sin⁡(1−a)=cos⁡1(1−cos⁡2a)+cos⁡asin⁡1sin⁡asin⁡(1+a)−cos⁡1(1−cos⁡2a)−cos⁡asin⁡1sin⁡asin⁡(1−a)=cos⁡1sin⁡2a+cos⁡asin⁡1sin⁡asin⁡(1+a)−cos⁡1sin⁡2a−cos⁡asin⁡1sin⁡asin⁡(1−a)=sin⁡a(cos⁡1sin⁡a+cos⁡asin⁡1)cos⁡1sin⁡a+cos⁡asin⁡1−sin⁡a(cos⁡1sin⁡a−cos⁡asin⁡1)sin⁡1cos⁡a−cos⁡1sin⁡a=2sin⁡a\displaystyle \begin{aligned}&- \cos a \left\{ \cot ( 1 + a ) - \cot ( 1 - a ) \right\} - \cos 1 \left\{ \frac{1}{\sin ( 1 - a )} - \frac{1}{\sin ( 1 + a )} \right\}\\&= - \cos a \left\{ \frac{{\cos ( 1 + a )}}{\sin ( 1 + a )} - \frac{{\cos ( 1 - a )}}{\sin ( 1 - a )} \right\} - \cos 1 \left\{ \frac{1}{\sin ( 1 - a )} - \frac{1}{\sin ( 1 + a )} \right\}\\&= \frac{{\cos 1 - \cos a \cos ( 1 + a )}}{\sin ( 1 + a )} - \frac{{\cos 1 - \cos a \cos ( 1 - a )}}{\sin ( 1 - a )}\\&= \frac{{\cos 1 - \cos a \left( \cos 1 \cos a - \sin 1 \sin a \right)}}{\sin ( 1 + a )} - \frac{{\cos 1 - \cos a \left( \cos 1 \cos a + \sin 1 \sin a \right)}}{\sin ( 1 - a )}\\&= \frac{{\cos 1 \left( 1 - \cos^{2} a \right) + \cos a \sin 1 \sin a}}{\sin ( 1 + a )} - \frac{{\cos 1 \left( 1 - \cos^{2} a \right) - \cos a \sin 1 \sin a}}{\sin ( 1 - a )}\\&= \frac{{\cos 1 \sin^{2} a + \cos a \sin 1 \sin a}}{\sin ( 1 + a )} - \frac{{\cos 1 \sin^{2} a - \cos a \sin 1 \sin a}}{\sin ( 1 - a )}\\&= \frac{{\sin a \left( \cos 1 \sin a + \cos a \sin 1 \right)}}{\cos 1 \sin a + \cos a \sin 1} - \frac{{\sin a \left( \cos 1 \sin a - \cos a \sin 1 \right)}}{\sin 1 \cos a - \cos 1 \sin a}\\&= 2 \sin a\end{aligned}이다. 즉∫1−a1+acos⁡a−cos⁡1cos⁡xsin⁡2x dx=2sin⁡a=2sin⁡f(a)\displaystyle \int_{1-a}^{1+a}\frac{\cos a-\cos1\cos x}{\sin^2x}\,dx=2\sin a=2\sin f(a)이고 f(x)\displaystyle f ( x )는 f(0)=0\displaystyle f ( 0 ) = 0인 다항식이므로 f(x)=x\displaystyle f ( x ) = x이다.

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