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

역함수 정적분

문제

함수 f(x)=x1ex+1\displaystyle f \left( x \right) = x - \frac{1}{e ^{x} + 1}의 역함수 f1(x)f ^{- 1} \left( x \right)x>0x > 0에서 정의된 연속함수 g(x)g \left( x \right)가 모든 실수 xx에 대하여 1exf1(g(t))dt=(x1)ex+k(k\displaystyle \int _{1} ^{e ^{x}} f ^{- 1} \left( g \left( t \right) \right) dt = \left( x - 1 \right) e ^{x} + k \left( k \right.는 상수)\left. \right) 를 만족시킨다. 함수 g(x)g \left( x \right)의 역함수 g1(x)g ^{- 1} \left( x \right)에 대하여 f(0)f(k)(f1(x)+g1(x))dx\displaystyle \int _{f \left( 0 \right)} ^{f \left( k \right)} \left( f ^{- 1} \left( x \right) + g ^{- 1} \left( x \right) \right) dx의 값은? [4점] ee32e\displaystyle \frac{3}{2} e2e2 e52e\displaystyle \frac{5}{2} e3e3 e

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해설

1exf1(g(t))dt=(x1)ex+k\displaystyle \int _{1} ^{e ^{x}} f ^{- 1} \left( g \left( t \right) \right) dt = \left( x - 1 \right) e ^{x} + k \cdots\cdots ㉠ ㉠의 양변에 x=0x = 0을 대입하면 0=1+k0 = - 1 + k, k=1k = 1 ㉠의 양변을 xx에 대하여 미분하면 f1(g(ex))×ex=xexf ^{- 1} \left( g \left( e ^{x} \right) \right) \times e ^{x} = xe ^{x}이고 ex>0e ^{x} > 0이므로 f1(g(ex))=xf ^{- 1} \left( g \left( e ^{x} \right) \right) = x 그러므로 g(ex)=f(x)g \left( e ^{x} \right) = f \left( x \right) g1(f(x))=exg ^{- 1} \left( f \left( x \right) \right) = e ^{x} f1(x)=uf ^{- 1} \left( x \right) = u라 하면 x=f(u)x = f \left( u \right)이고 1=f(u)dudx\displaystyle 1 = f' \left( u \right) \frac{du}{dx} x=f(0)x = f \left( 0 \right)일 때 u=0u = 0, x=f(k)=f(1)x = f \left( k \right) = f \left( 1 \right)일 때 u=1u = 1 f(0)f(k)(f1(x)+g1(x))dx\displaystyle \int _{f \left( 0 \right)} ^{f \left( k \right)} \left( f ^{- 1} \left( x \right) + g ^{- 1} \left( x \right) \right) dx =01{u+g1(f(u))}f(u)du\displaystyle = \int _{0} ^{1} \left\{ u + g ^{- 1} \left( f \left( u \right) \right) \right\} f' \left( u \right) du =01(u+eu)f(u)du\displaystyle = \int _{0} ^{1} \left( u + e ^{u} \right) f' \left( u \right) du =[(u+eu)f(u)]0101(1+eu)f(u)du\displaystyle = \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \left( u + e ^{u} \right) f \left( u \right) \end{array} \right] _{0} ^{1} - \int _{0} ^{1} \left( 1 + e ^{u} \right) f \left( u \right) du =[(u+eu)f(u)]0101(1+eu)(u1eu+1)du\displaystyle = \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \left( u + e ^{u} \right) f \left( u \right) \end{array} \right] _{0} ^{1} - \int _{0} ^{1} \left( 1 + e ^{u} \right) \left( u - \frac{1}{e ^{u} + 1} \right) du ={(1+e)×(11e+1)1×(12)}01(u+ueu1)du\displaystyle = \left\{ \left( 1 + e \right) \times \left( 1 - \frac{1}{e + 1} \right) - 1 \times \left( - \frac{1}{2} \right) \right\} - \int _{0} ^{1} \left( u + ue ^{u} - 1 \right) du =(e+12)01(u1)du01ueudu\displaystyle = \left( e + \frac{1}{2} \right) - \int _{0} ^{1} \left( u - 1 \right) du - \int _{0} ^{1} ue ^{u} du =e+12[12u2u]01([ueu]0101eudu)\displaystyle = e + \frac{1}{2} - \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \frac{1}{2} u ^{2} - u \end{array} \right] _{0} ^{1} - \left( \begin{array}{l} \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} ue ^{u} \end{array} \right] _{0} ^{1} - \int _{0} ^{1} e ^{u} du \end{array} \right) =e+12(121){(e0)(e1)}\displaystyle = e + \frac{1}{2} - \left( \frac{1}{2} - 1 \right) - \left\{ \left( e - 0 \right) - \left( e - 1 \right) \right\} =e= e 따라서 f(0)f(k)(f1(x)+g1(x))dx=e\displaystyle \int _{f \left( 0 \right)} ^{f \left( k \right)} \left( f ^{- 1} \left( x \right) + g ^{- 1} \left( x \right) \right) dx = e

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