미적분Ⅱ여러 가지 적분법수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

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문제

구간 [0,1][ 0 , 1 ]에서 정의된 연속함수 f(x)f ( x )에 대하여 함수 F(x)=0xf(t)dt\displaystyle F ( x ) = \int _{0} ^{x} f ( t ) dt (0x10 \leq x \leq 1) 은 다음 조건을 만족시킨다.

(가) F(x)=f(x)xF ( x ) = f ( x ) - x (나) 01F(x)dx=e52\displaystyle \int _{0} ^{1} F ( x ) dx = e - \frac{5}{2}

<보기>에서 옳은 것만을 있는 대로 고른 것은? [4점]

< 보 기 >
ㄱ. F(1)=eF ( 1 ) = e ㄴ. 01xF(x)dx=16\displaystyle \int _{0} ^{1} xF ( x ) dx = \frac{1}{6} ㄷ. 01{F(x)}2dx=12e22e+116\displaystyle \int _{0} ^{1} \left\{ F ( x ) \right\} ^{2} dx = \frac{1}{2} e ^{2} - 2 e + \frac{11}{6}

ㄱ, ㄴㄴ, ㄷㄱ, ㄴ, ㄷ

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해설

[출제의도] 정적분의 적분법을 이용하여 정적분의 값을 추론한다. ㄱ. (가)의 F(x)=f(x)xF ( x ) = f ( x ) - x를 (나)의 F(x)F ( x )에 대입하면 01F(x)dx\displaystyle \int _{0} ^{1} F ( x ) dx=01{f(x)x}dx\displaystyle = \int _{0} ^{1} \left\{ f ( x ) - x \right\} dx =01f(x)dx01xdx\displaystyle = \int _{0} ^{1} f ( x ) dx - \int _{0} ^{1} x dx =01f(x)dx12\displaystyle = \int _{0} ^{1} f ( x ) dx - \frac{1}{2} =F(1)12\displaystyle = F ( 1 ) - \frac{1}{2} 이므로 F(1)=e52+12\displaystyle F ( 1 ) = e - \frac{5}{2} + \frac{1}{2}=e2= e - 2 (거짓) ㄴ. (가)의 F(x)=f(x)xF ( x ) = f ( x ) - x01xF(x)dx\displaystyle \int _{0} ^{1} xF ( x ) dxF(x)F ( x )에 대입하면 01xF(x)dx\displaystyle \int _{0} ^{1} xF ( x ) dx=01x{f(x)x}dx\displaystyle = \int _{0} ^{1} x \left\{ f ( x ) - x \right\} dx =01{xf(x)x2}dx\displaystyle = \int _{0} ^{1} \left\{ xf ( x ) - x ^{2} \right\} dx =01xf(x)dx01x2dx\displaystyle = \int _{0} ^{1} xf ( x ) dx - \int _{0} ^{1} x ^{2} dx=[xF(x)]0101F(x)dx13\displaystyle = \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} xF ( x ) \end{array} \right] _{0} ^{1} - \int _{0} ^{1} F ( x ) dx - \frac{1}{3} =F(1)(e52)13\displaystyle = F ( 1 ) - \left( e - \frac{5}{2} \right) - \frac{1}{3} =e2e+5213\displaystyle = e - 2 - e + \frac{5}{2} - \frac{1}{3}=16\displaystyle = \frac{1}{6} (참) ㄷ. F(0)=00f(t)dt\displaystyle F \left( 0 \right) = \int _{0} ^{0} {f \left( t \right)} dt=0= 0이고, F(x)=0xf(t)dt\displaystyle F \left( x \right) = \int _{0} ^{x} {f \left( t \right)} dt의 양변을 xx에 대하여 미분하면 F(x)=f(x)F' \left( x \right) = f \left( x \right) (가)에 의해서 01{F(x)}2dx\displaystyle \int _{0} ^{1} \left\{ F ( x ) \right\} ^{2} dx=01F(x){f(x)x}dx\displaystyle = \int _{0} ^{1} F ( x ) \left\{ f ( x ) - x \right\} dx =01F(x)f(x)dx01xF(x)dx\displaystyle = \int _{0} ^{1} F ( x ) f ( x ) dx - \int _{0} ^{1} x F ( x ) dx=01F(x)F(x)dx01xF(x)dx\displaystyle = \int _{0} ^{1} F ( x ) F' ( x ) dx - \int _{0} ^{1} x F ( x ) dx ==[12{F(x)}2]0116\displaystyle \left[ \frac{1}{2} \left\{ F ( x ) \right\} ^{2} \right] _{0} ^{1} - \frac{1}{6} =12{F(1)}212{F(0)}216\displaystyle = \frac{1}{2} \left\{ F ( 1 ) \right\} ^{2} - \frac{1}{2} \left\{ F ( 0 ) \right\} ^{2} - \frac{1}{6} =12(e2)216\displaystyle = \frac{1}{2} ( e - 2 ) ^{2} - \frac{1}{6} =12e22e+116\displaystyle = \frac{1}{2} e ^{2} - 2 e + \frac{11}{6} (참) 따라서 옳은 것은 ㄴ, ㄷ이다. [다른 풀이] F(x)=0xf(t)dt\displaystyle F \left( x \right) = \int _{0} ^{x} {f \left( t \right)} dt의 양변을 xx에 대하여 미분하면 F(x)=f(x)F' \left( x \right) = f \left( x \right) 조건 (가)의 F(x)=f(x)xF \left( x \right) = f \left( x \right) - x의 양변을 xx에 대하여 두 번 미분하면 f(x)=f(x)f' ( x ) = f'' ( x ) f(x)f(x)=1\displaystyle \frac{f'' ( x )}{f' ( x )} = 1이므로 양변을 xx에 대하여 적분하면 lnf(x)=x+C1\ln | f' ( x ) | = x + C _{1}(단, C1C _{1}는 적분상수) f(x)=C2exf' ( x ) = C _{2} e ^{x}(단, C2C _{2}는 상수)이므로 양변을 xx에 대하여 적분하면 f(x)=C2ex+C3f ( x ) = C _{2} e ^{x} + C _{3}(단, C3C _{3}은 적분상수) 0=F(0)=f(0)00 = F ( 0 ) = f ( 0 ) - 0, f(0)=0f ( 0 ) = 0 f(x)=f(x)1f ( x ) = f' ( x ) - 1이므로 f(0)=1f' ( 0 ) = 1 f(x)=C2exf' ( x ) = C _{2} e ^{x}, f(x)=C2ex+C3f ( x ) = C _{2} e ^{x} + C _{3}x=0x = 0을 대입하면 f(0)=C2=1f' ( 0 ) = C _{2} = 1, f(0)=C2+C3=0f ( 0 ) = C _{2} + C _{3} = 0, C3=1C _{3} = \mathit{-} 1 f(x)=ex1f \left( x \right) = e ^{x} - 1 이를 조건 (가)에 대입하면 F(x)=exx1F \left( x \right) = e ^{x} - x - 1 01F(x)dx\displaystyle \int _{0} ^{1} {F \left( x \right)} dx=01(exx1)dx\displaystyle = \int _{0} ^{1} {\left( e ^{x} - x - 1 \right)} dx =[ex12x2x]01\displaystyle = \left[ e ^{x} - \frac{1}{2} x ^{2} - x \right] _{0} ^{1} =(e1)121\displaystyle = \left( e - 1 \right) - \frac{1}{2} - 1 =e52\displaystyle = e - \frac{5}{2} 이므로 함수 F(x)=exx1F \left( x \right) = e ^{x} - x - 1은 조건 (나)를 만족시킨다. ㄱ. F(1)=e111=e2F \left( 1 \right) = e ^{1} - 1 - 1 = e - 2 (거짓) ㄴ. 01xF(x)dx\displaystyle \int _{0} ^{1} {x F \left( x \right)} dx=01x(exx1)dx\displaystyle = \int _{0} ^{1} {x \left( e ^{x} - x - 1 \right)} dx =01xexdx01x2dx01xdx\displaystyle = \int _{0} ^{1} {x e ^{x}} dx - \int _{0} ^{1} {x ^{2}} dx - \int _{0} ^{1} {x} dx =[xex]0101exdx[13x3]01[12x2]01\displaystyle = \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} x e ^{x} \end{array} \right] _{0} ^{1} - \int _{0} ^{1} {e ^{x}} dx - \left[ \frac{1}{3} x ^{3} \right] _{0} ^{1} - \left[ \frac{1}{2} x ^{2} \right] _{0} ^{1} =[xex]01[ex]01[13x3]01[12x2]01\displaystyle = \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} x e ^{x} \end{array} \right] _{0} ^{1} - \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} e ^{x} \end{array} \right] _{0} ^{1} - \left[ \frac{1}{3} x ^{3} \right] _{0} ^{1} - \left[ \frac{1}{2} x ^{2} \right] _{0} ^{1} =e(e1)1312\displaystyle = e - \left( e - 1 \right) - \frac{1}{3} - \frac{1}{2}=16\displaystyle = \frac{1}{6} (참) ㄷ. 01{F(x)}2dx\displaystyle \int _{0} ^{1} {\left\{ F \left( x \right) \right\} ^{2}} dx=01(exx1)2dx\displaystyle = \int _{0} ^{1} {\left( e ^{x} - x - 1 \right) ^{2}} dx =01{e2x+x2+12xex+2x2ex}dx\displaystyle = \int _{0} ^{1} {\left\{ e ^{2 x} + x ^{2} + 1 - 2 x e ^{x} + 2 x - 2 e ^{x} \right\}} dx=01e2xdx+01x2dx+011dx\displaystyle = \int _{0} ^{1} {e ^{2 x}} dx + \int _{0} ^{1} {x ^{2}} dx + \int _{0} ^{1} {1} dx 201xexdx+012xdx201exdx\displaystyle - 2 \int _{0} ^{1} {x e ^{x}} dx + \int _{0} ^{1} {2 x} dx - 2 \int _{0} ^{1} {e ^{x}} dx=[e2x2]01+[13x3]01+[x]01\displaystyle = \left[ \frac{e ^{2 x}}{2} \right] _{0} ^{1} + \left[ \frac{1}{3} x ^{3} \right] _{0} ^{1} + \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} x \end{array} \right] _{0} ^{1}2[xex]01+2[ex]01+[x2]012[ex]01\displaystyle - 2 \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} x e ^{x} \end{array} \right] _{0} ^{1} + 2 \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} e ^{x} \end{array} \right] _{0} ^{1} + \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} x ^{2} \end{array} \right] _{0} ^{1} - 2 \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} e ^{x} \end{array} \right] _{0} ^{1}=12(e21)+13+12×1+12(e1)\displaystyle = \frac{1}{2} \left( e ^{2} - 1 \right) + \frac{1}{3} + 1 - 2 \times 1 + 1 - 2 \left( e - 1 \right)=12e22e+116\displaystyle = \frac{1}{2} e ^{2} - 2 e + \frac{11}{6} (참) 따라서 옳은 것은 ㄴ, ㄷ이다.

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