[출제의도] 정적분의 적분법을 이용하여 정적분의 값을 추론한다.
ㄱ. (가)의 F(x)=f(x)−x를 (나)의 F(x)에 대입하면
∫01F(x)dx=∫01{f(x)−x}dx
=∫01f(x)dx−∫01xdx
=∫01f(x)dx−21
=F(1)−21
이므로 F(1)=e−25+21=e−2 (거짓)
ㄴ. (가)의 F(x)=f(x)−x를 ∫01xF(x)dx의 F(x)에 대입하면
∫01xF(x)dx=∫01x{f(x)−x}dx
=∫01{xf(x)−x2}dx
=∫01xf(x)dx−∫01x2dx=[xF(x)]01−∫01F(x)dx−31
=F(1)−(e−25)−31
=e−2−e+25−31=61 (참)
ㄷ. F(0)=∫00f(t)dt=0이고, F(x)=∫0xf(t)dt의 양변을 x에 대하여 미분하면 F′(x)=f(x)
(가)에 의해서
∫01{F(x)}2dx=∫01F(x){f(x)−x}dx
=∫01F(x)f(x)dx−∫01xF(x)dx=∫01F(x)F′(x)dx−∫01xF(x)dx
=[21{F(x)}2]01−61
=21{F(1)}2−21{F(0)}2−61
=21(e−2)2−61
=21e2−2e+611 (참)
따라서 옳은 것은 ㄴ, ㄷ이다.
[다른 풀이]
F(x)=∫0xf(t)dt의 양변을 x에 대하여 미분하면
F′(x)=f(x)
조건 (가)의 F(x)=f(x)−x의 양변을 x에 대하여 두 번 미분하면 f′(x)=f′′(x)
f′(x)f′′(x)=1이므로 양변을 x에 대하여 적분하면
ln∣f′(x)∣=x+C1(단, C1는 적분상수)
f′(x)=C2ex(단, C2는 상수)이므로 양변을 x에 대하여 적분하면 f(x)=C2ex+C3(단, C3은 적분상수)
0=F(0)=f(0)−0, f(0)=0
f(x)=f′(x)−1이므로 f′(0)=1
f′(x)=C2ex, f(x)=C2ex+C3에 x=0을 대입하면
f′(0)=C2=1, f(0)=C2+C3=0, C3=−1
f(x)=ex−1
이를 조건 (가)에 대입하면
F(x)=ex−x−1
∫01F(x)dx=∫01(ex−x−1)dx
=[ex−21x2−x]01
=(e−1)−21−1
=e−25
이므로 함수 F(x)=ex−x−1은 조건 (나)를 만족시킨다.
ㄱ. F(1)=e1−1−1=e−2 (거짓)
ㄴ. ∫01xF(x)dx=∫01x(ex−x−1)dx
=∫01xexdx−∫01x2dx−∫01xdx
=[xex]01−∫01exdx−[31x3]01−[21x2]01
=[xex]01−[ex]01−[31x3]01−[21x2]01
=e−(e−1)−31−21=61 (참)
ㄷ. ∫01{F(x)}2dx=∫01(ex−x−1)2dx
=∫01{e2x+x2+1−2xex+2x−2ex}dx=∫01e2xdx+∫01x2dx+∫011dx −2∫01xexdx+∫012xdx−2∫01exdx=[2e2x]01+[31x3]01+[x]01−2[xex]01+2[ex]01+[x2]01−2[ex]01=21(e2−1)+31+1−2×1+1−2(e−1)=21e2−2e+611 (참)
따라서 옳은 것은 ㄴ, ㄷ이다.