수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] (105점)

함수 f(t)=etln⁡(e3t−2et+e−t)\displaystyle f(t)=e^{t}\ln\left(e^{3t}-2e^{t}+e^{-t}\right)의 정의역을 구하고, 정적분 ∫ln⁡2ln⁡3f(t) dt\displaystyle \int_{\ln2}^{\ln3}f(t)\,dt의 값을 구하여라.

해설강의 준비중
+30점 · 정의역을 구하면

t≠0\displaystyle t\ne0이면 e3t−2et+e−t=e−t(e4t−2e2t+1)=e−t(e2t−1)2>0\displaystyle e^{3t}-2e^{t}+e^{-t}=e^{-t}\left(e^{4t}-2e^{2t}+1\right)=e^{-t}\left(e^{2t}-1\right)^{2}>0이다. 따라서 함수 f(t)=etln⁡(e3t−2et+e−t)\displaystyle f(t)=e^{t}\ln\left(e^{3t}-2e^{t}+e^{-t}\right)의 정의역은 (−∞,0)∪(0,∞)\displaystyle (-\infty,0)\cup(0,\infty)이다.

+20점 · 치환적분을 적용하여 ∫ln⁡2ln⁡3f(t) dt=∫23ln⁡(x3−2x+x−1)dx\displaystyle \int_{\ln2}^{\ln3}f(t)\,dt=\int_{2}^{3}\ln\left(x^{3}-2x+x^{-1}\right)dx를 유도하면

x=et\displaystyle x=e^{t}으로 치환하면∫ln⁡2ln⁡3f(t) dt=∫ln⁡2ln⁡3etln⁡(e3t−2et+e−t)dt=∫23ln⁡(x3−2x+x−1)dx\displaystyle \int_{\ln2}^{\ln3}f(t)\,dt=\int_{\ln2}^{\ln3}e^{t}\ln\left(e^{3t}-2e^{t}+e^{-t}\right)dt=\int_{2}^{3}\ln\left(x^{3}-2x+x^{-1}\right)dx이다.

+30점 · 로그함수의 성질을 이용해서 주어진 식을 정리하면

ln⁡xy=ln⁡x+ln⁡y\displaystyle \ln xy=\ln x+\ln y을 이용하면∫23ln⁡(x3−2x+x−1)dx=∫23ln⁡{x−1(x4−2x2+1)}dx=∫23{ln⁡(x−1)+ln⁡(x4−2x2+1)}dx\displaystyle \begin{aligned} \int_{2}^{3}\ln\left(x^{3}-2x+x^{-1}\right)dx &=\int_{2}^{3}\ln\left\{x^{-1}\left(x^{4}-2x^{2}+1\right)\right\}dx \\ &=\int_{2}^{3}\left\{\ln\left(x^{-1}\right)+\ln\left(x^{4}-2x^{2}+1\right)\right\}dx \end{aligned}이다. ln⁡xa=aln⁡x\displaystyle \ln x^{a}=a\ln x과 부분적분을 이용하면∫23ln⁡(x−1)dx=−∫23ln⁡x dx=−[xln⁡x]23+∫231 dx=−3ln⁡3+2ln⁡2+1\displaystyle \int_{2}^{3}\ln\left(x^{-1}\right)dx=-\int_{2}^{3}\ln x\,dx=-\Biggl[x\ln x\Biggr]_{2}^{3}+\int_{2}^{3}1\,dx=-3\ln3+2\ln2+1∫23ln⁡(x4−2x2+1)dx=∫23ln⁡{(x−1)2(x+1)2}dx=2∫23ln⁡(x−1) dx+2∫23ln⁡(x+1) dx\displaystyle \begin{aligned} \int_{2}^{3}\ln\left(x^{4}-2x^{2}+1\right)dx &=\int_{2}^{3}\ln\left\{(x-1)^{2}(x+1)^{2}\right\}dx \\ &=2\int_{2}^{3}\ln(x-1)\,dx+2\int_{2}^{3}\ln(x+1)\,dx \end{aligned}을 얻는다.

+25점 · 부분적분을 이용해서 주어진 정적분의 값을 계산하면

부분적분을 이용하면∫23ln⁡(x−1) dx=[(x−1)ln⁡(x−1)]23−∫231 dx=2ln⁡2−1ln⁡1−1=2ln⁡2−1\displaystyle \int_{2}^{3}\ln(x-1)\,dx=\Biggl[(x-1)\ln(x-1)\Biggr]_{2}^{3}-\int_{2}^{3}1\,dx=2\ln2-1\ln1-1=2\ln2-1∫23ln⁡(x+1) dx=[(x+1)ln⁡(x+1)]23−∫231 dx=4ln⁡4−3ln⁡3−1=8ln⁡2−3ln⁡3−1\displaystyle \int_{2}^{3}\ln(x+1)\,dx=\Biggl[(x+1)\ln(x+1)\Biggr]_{2}^{3}-\int_{2}^{3}1\,dx=4\ln4-3\ln3-1=8\ln2-3\ln3-1이다. 정리하면∫23ln⁡(x3−2x+x−1)dx=∫23{ln⁡(x−1)+ln⁡(x4−2x2+1)}dx=−3ln⁡3+2ln⁡2+1+2(2ln⁡2−1)+2(8ln⁡2−3ln⁡3−1)=22ln⁡2−9ln⁡3−3\displaystyle \begin{aligned} \int_{2}^{3}\ln\left(x^{3}-2x+x^{-1}\right)dx &=\int_{2}^{3}\left\{\ln\left(x^{-1}\right)+\ln\left(x^{4}-2x^{2}+1\right)\right\}dx \\ &=-3\ln3+2\ln2+1+2(2\ln2-1)+2(8\ln2-3\ln3-1) \\ &=22\ln2-9\ln3-3 \end{aligned}를 얻는다.

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