미적분Ⅱ여러 가지 적분법수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

적분 함수방정식

문제

실수 전체의 집합에서 미분가능한 두 함수 f(x)f ( x ), g(x)g ( x )가 모든 실수 xx에 대하여 다음 조건을 만족시킨다.

(가) g(x+1)g(x)=π(e+1)exsin(πx)g \left( x + 1 \right) - g ( x ) = \mathit{-} \pi \left( e + 1 \right) e ^{x} \sin \left( \pi x \right) (나) g(x+1)=0x{f(t+1)etf(t)et+g(t)}dt\displaystyle g ( x + 1 ) = \int _{0} ^{x} {\left\{ f \left( t + 1 \right) e ^{t} - f ( t ) e ^{t} + g ( t ) \right\}} dt

01f(x)dx=109e+4\displaystyle \int _{0} ^{1} {f ( x )} dx = \frac{10}{9} e + 4일 때, 110f(x)dx\displaystyle \int _{1} ^{10} {f ( x )} dx의 값을 구하시오. [4점]

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26

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해설

[출제의도] 치환적분법과 부분적분법을 이용하여 정적분에 대한 문제를 해결한다. (나)에서 x=0x = 0일 때 g(1)=0g ( 1 ) = 0 g(x+1)=0x{f(t+1)etf(t)et+g(t)}dt\displaystyle g ( x + 1 ) = \mathit{\int} _{0} ^{x} {\left\{ f ( t + 1 ) e ^{t} - f ( t ) e ^{t} + g \left( t \right) \right\}} dt의 양변을 xx에 대하여 미분하여 정리하면 f(x+1)f(x)={g(x+1)g(x)}ex\mathrm{f} ( x + 1 ) - f ( x ) = \left\{ g' \left( x + 1 \right) - g \left( x \right) \right\} e ^{- x} 임의의 실수 tt에 대하여 0t{f(x+1)f(x)}dx\displaystyle \int _{0} ^{t} {\left\{ f \left( x + 1 \right) - f \left( x \right) \right\}} dx=0t{g(x+1)g(x)}exdx\displaystyle = \int _{0} ^{t} {\left\{ g' \left( x + 1 \right) - g \left( x \right) \right\} e ^{- x} dx} (좌변)=0tf(x+1)dx0tf(x)dx\displaystyle = \int _{0} ^{t} {f ( x + 1 ) dx} - \int _{0} ^{t} {f ( x ) dx} =1t+1f(x)dx0tf(x)dx\displaystyle = \int _{1} ^{t + 1} {f ( x ) dx} - \int _{0} ^{t} {f ( x ) dx}=tt+1f(x)dx01f(x)dx\displaystyle = \int _{t} ^{t + 1} {f ( x ) dx} - \int _{0} ^{1} {f ( x ) dx} …… ㉠ (우변)=0t{g(x+1)g(x)}exdx\displaystyle = \int _{0} ^{t} {\left\{ g' ( x + 1 ) - g ( x ) \right\} e ^{- x}} dx =0tg(x+1)exdx0tg(x)exdx\displaystyle = \int _{0} ^{t} {g' ( x + 1 ) e ^{- x}} dx - \int _{0} ^{t} {g ( x ) e ^{- x}} dx 0tg(x+1)exdx\displaystyle \int _{0} ^{t} {g' ( x + 1 ) e ^{- x} dx}에서 0tg(x+1)exdx\displaystyle \int _{0} ^{t} {g' ( x + 1 ) e ^{- x} dx}=[g(x+1)ex]0t+0tg(x+1)exdx\displaystyle = \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} g \left( x + 1 \right) e ^{- x} \end{array} \right] _{0} ^{t} + \int _{0} ^{t} {g ( x + 1 ) e ^{- x} dx} (우변)=[g(x+1)ex]0t+0t{g(x+1)g(x)}exdx\displaystyle = \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} g \left( x + 1 \right) e ^{- x} \end{array} \right] _{0} ^{t} + \int _{0} ^{t} {\left\{ g ( x + 1 ) - g \left( x \right) \right\} e ^{- x} dx} =g(t+1)etg(1)0tπ(e+1)sin(πx)dx\displaystyle = g \left( t + 1 \right) e ^{- t} - g \left( 1 \right) - \int _{0} ^{t} {\pi \left( e + 1 \right) \sin \left( \pi x \right) dx} =g(t+1)et+[(e+1)cos(πx)]0t\displaystyle = g \left( t + 1 \right) e ^{- t} + \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \left( e + 1 \right) \cos \left( \pi x \right) \end{array} \right] _{0} ^{t} =g(t+1)et+(e+1)cos(πt)(e+1)= g \left( t + 1 \right) e ^{- t} + \left( e + 1 \right) \cos \left( \pi t \right) - \left( e + 1 \right) …… ㉡ ㉠, ㉡에서 tt+1f(x)dx\displaystyle \int _{t} ^{t + 1} {f \left( x \right) dx}=01f(x)dx+g(t+1)et+(e+1)cos(πt)(e+1)\displaystyle = \int _{0} ^{1} {f \left( x \right)} dx + g \left( t + 1 \right) e ^{- t} + \left( e + 1 \right) \cos \left( \pi t \right) - \left( e + 1 \right) g(x+1)=g(x)π(e+1)sin(πx)exg \left( x + 1 \right) = g \left( x \right) - \pi \left( e + 1 \right) \sin \left( \pi x \right) e ^{x}에서 g(0)=g(1)=g(2)==g(9)=0g \left( 0 \right) = g \left( 1 \right) = g \left( 2 \right) = \cdots = g \left( 9 \right) = 0 110f(x)dx\displaystyle \int _{1} ^{10} {f \left( x \right)} dx=n=19nn+1f(x)dx\displaystyle = \sum\limits _{n = 1} ^{9} \int _{n} ^{n + 1} {f \left( x \right)} dx =n=19{01f(x)dx+g(n+1)en+(e+1)cos(πn)(e+1)}\displaystyle = \sum\limits _{n = 1} ^{9} \left\{ \int _{0} ^{1} {f \left( x \right)} dx + g \left( n + 1 \right) e ^{- n} + \left( e + 1 \right) \cos \left( \pi n \right) - \left( e + 1 \right) \right\} =901f(x)dx+0+(e+1)n=19{cos(πn)1}\displaystyle = 9 \int _{0} ^{1} {f \left( x \right)} dx + 0 + \left( e + 1 \right) \sum\limits _{n = 1} ^{9} \left\{ \cos \left( \pi n \right) - 1 \right\} =9(109e+4)+(e+1)×(10)\displaystyle = 9 \left( \frac{10}{9} e + 4 \right) + \left( e + 1 \right) \times \left( - 10 \right)=26= 26

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