미적분Ⅱ여러 가지 적분법수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

역함수 정적분

문제

함수 f(x)f ( x )는 실수 전체의 집합에서 연속인 이계도함수를 갖고, 실수 전체의 집합에서 정의된 함수 g(x)g ( x )g(x)=f(2x)sinπx+xg \left( x \right) = f' \left( 2 x \right) \sin \pi x + x 라 하자. 함수 g(x)g ( x )는 역함수 g1(x)g ^{- 1} ( x )를 갖고, 01g1(x)dx=201f(2x)sinπxdx+14\displaystyle \int _{0} ^{1} {} g ^{- 1} \left( x \right) dx = 2 \int _{0} ^{1} {} f' \left( 2 x \right) \sin \pi x dx + \frac{1}{4} 을 만족시킬 때, 02f(x)cosπ2xdx\displaystyle \int _{0} ^{2} {} f \left( x \right) \cos \frac{\pi}{2} x dx의 값은? [4점] 1π\displaystyle - \frac{1}{\pi}12π\displaystyle - \frac{1}{2 \pi}13π\displaystyle - \frac{1}{3 \pi}14π\displaystyle - \frac{1}{4 \pi}15π\displaystyle - \frac{1}{5 \pi}

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해설

g(0)=0g \left( 0 \right) = 0, g(1)=1g \left( 1 \right) = 1이므로 g1(0)=0g ^{- 1} \left( 0 \right) = 0, g1(1)=1g ^{- 1} \left( 1 \right) = 1이고 (g1)(x)=1g(g1(x))\displaystyle \left( g ^{- 1} \right)' \left( x \right) = \frac{1}{g' \left( g ^{- 1} \left( x \right) \right)}이므로 01g1(x)dx\displaystyle \int _{0} ^{1} {g ^{- 1} \left( x \right) dx}=[x×g1(x)]0101x×(g1)(x)dx\displaystyle = \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} x \times g ^{- 1} \left( x \right) \end{array} \right] _{0} ^{1} - \int _{0} ^{1} {x \times \left( g ^{- 1} \right)' \left( x \right) dx} =101xg(g1(x))dx\displaystyle = 1 - \int _{0} ^{1} {\frac{x}{g' \left( g ^{- 1} \left( x \right) \right)} dx} x=g(t)x = g \left( t \right)라 하면 dxdt=g(t)\displaystyle \frac{dx}{dt} = g' \left( t \right)이고, x=0x = 0일 때 t=0t = 0, x=1x = 1일 때 t=1t = 1이므로 01xg(g1(x))dx\displaystyle \int _{0} ^{1} {\frac{x}{g' \left( g ^{- 1} \left( x \right) \right)} dx}=01g(t)g(g1(g(t)))×g(t)dt\displaystyle = \int _{0} ^{1} {\frac{g \left( t \right)}{g' \left( g ^{- 1} \left( g \left( t \right) \right) \right)} \times g' \left( t \right) dt}=01g(t)dt\displaystyle = \int _{0} ^{1} {g \left( t \right) dt} 01g1(x)dx=101g(x)dx\displaystyle \int _{0} ^{1} {g ^{- 1} \left( x \right) dx} = 1 - \int _{0} ^{1} {g \left( x \right) dx} 01g1(x)dx=201f(2x)sinπxdx+14\displaystyle \int _{0} ^{1} {g ^{- 1} \left( x \right) dx} = 2 \int _{0} ^{1} {f' \left( 2 x \right) \sin \pi x dx} + \frac{1}{4}에서 101g(x)dx=201{g(x)x}dx+14\displaystyle 1 - \int _{0} ^{1} {g \left( x \right) dx} = 2 \int _{0} ^{1} {\left\{ g \left( x \right) - x \right\} dx} + \frac{1}{4} 01g(x)dx=14+2301xdx=712\displaystyle \int _{0} ^{1} {g \left( x \right) dx} = \frac{1}{4} + \frac{2}{3} \int _{0} ^{1} {x dx} = \frac{7}{12} 01{f(2x)sinπx+x}dx=712\displaystyle \int _{0} ^{1} {\left\{ f' \left( 2 x \right) \sin \pi x + x \right\} dx} = \frac{7}{12} 01xdx=12\displaystyle \int _{0} ^{1} {x dx} = \frac{1}{2}이므로 01f(2x)sinπxdx=112\displaystyle \int _{0} ^{1} {f' \left( 2 x \right) \sin \pi x dx} = \frac{1}{12} 01f(2x)sinπxdx\displaystyle \int _{0} ^{1} {f' \left( 2 x \right) \sin \pi x dx} =[12f(2x)sinπx]011201f(2x)×πcosπxdx\displaystyle = \left[ \frac{1}{2} f \left( 2 x \right) \sin \pi x \right] _{0} ^{1} - \frac{1}{2} \int _{0} ^{1} {f \left( 2 x \right) \times \pi \cos \pi x dx} =π201f(2x)cosπxdx\displaystyle = - \frac{\pi}{2} \int _{0} ^{1} {f \left( 2 x \right) \cos \pi x dx} 01f(2x)cosπxdx=16π\displaystyle \int _{0} ^{1} {f \left( 2 x \right) \cos \pi x dx} = - \frac{1}{6 \pi} 2x=s2 x = s라 하면 dsdx=2\displaystyle \frac{ds}{dx} = 2이고 x=0x = 0일 때 s=0s = 0, x=1x = 1일 때 s=2s = 2이므로 01f(2x)cosπxdx\displaystyle \int _{0} ^{1} {f \left( 2 x \right) \cos \pi x dx}=1202f(s)cosπ2sds\displaystyle = \frac{1}{2} \int _{0} ^{2} {f \left( s \right) \cos \frac{\pi}{2} s ds} 02f(x)cosπ2xdx=13π\displaystyle \therefore \int _{0} ^{2} {f \left( x \right) \cos \frac{\pi}{2} x dx} = - \frac{1}{3 \pi}

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