수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 2번

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문제

[문제 2] (95점)

함수 f(x)=−x3−x+3\displaystyle f(x)=-x^{3}-x+3의 역함수 g(x)\displaystyle g(x)에 대하여 연속함수 h(x)\displaystyle h(x)가 다음 조건을 모두 만족시킨다.

(1) h(x)={3x(0≤x<1)4g′(x)+4(1≤x<3)\displaystyle h(x)=\begin{cases}3x & (0\le x<1) \\ 4g^{\prime}(x)+4 & (1\le x<3)\end{cases}(2) 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 h(x+3)=h(x)\displaystyle h(x+3)=h(x)이다.

정적분 ∫06xh(x)dx\displaystyle \int_{0}^{6}xh(x)dx의 값을 구하여라.

해설강의 준비중
+30점 · 주어진 함수의 성질을 이용해서 적분 구간을 적절히 나누어 정적분을 간단하게 정리한다.

주어진 정적분을 조건 (2)를 이용해서 정리하면∫06xh(x)dx=∫03xh(x)dx+∫36xh(x)dx=∫03xh(x)dx+∫03(x+3)h(x)dx=2∫03xh(x)dx+3∫03h(x)dx\displaystyle \begin{aligned} \int_{0}^{6}xh(x)dx &=\int_{0}^{3}xh(x)dx+\int_{3}^{6}xh(x)dx=\int_{0}^{3}xh(x)dx+\int_{0}^{3}(x+3)h(x)dx \\ &=2\int_{0}^{3}xh(x)dx+3\int_{0}^{3}h(x)dx \end{aligned}이다.

+65점 · 역함수의 성질과 여러 가지 적분법을 활용하여 정적분을 정확하게 계산할 수 있다.

f(1)=1\displaystyle f(1)=1이므로 g(1)=1\displaystyle g(1)=1이고 f(0)=3\displaystyle f(0)=3이므로 g(3)=0\displaystyle g(3)=0이다. 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 서로 역함수 관계이므로∫13g(x)dx=∫01f(x)dx−1=54\displaystyle \int_{1}^{3}g(x)dx=\int_{0}^{1}f(x)dx-1=\frac{5}{4}이고∫13xg′(x)dx=[xg(x)]13−∫13g(x)dx=−94\displaystyle \int_{1}^{3}xg^{\prime}(x)dx=\Biggl[xg(x)\Biggr]_{1}^{3}-\int_{1}^{3}g(x)dx=-\frac{9}{4}이다. 따라서∫03xh(x)dx=∫013x2dx+∫13x{4g′(x)+4}dx=8\displaystyle \int_{0}^{3}xh(x)dx=\int_{0}^{1}3x^{2}dx+\int_{1}^{3}x\{4g^{\prime}(x)+4\}dx=8이고∫03h(x)dx=∫013xdx+∫13{4g′(x)+4}dx=32+4{g(3)−g(1)}+8=112\displaystyle \int_{0}^{3}h(x)dx=\int_{0}^{1}3xdx+\int_{1}^{3}\{4g^{\prime}(x)+4\}dx=\frac{3}{2}+4\{g(3)-g(1)\}+8=\frac{11}{2}이다. 구하는 정적분의 값은∫06xh(x)dx=2⋅8+3⋅112=652\displaystyle \int_{0}^{6}xh(x)dx=2\cdot8+3\cdot\frac{11}{2}=\frac{65}{2}이다.

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