2017 제78회 William Lowell Putnam 수학경시대회 A3

두 실수 $a<b$가 있다. 두 연속함수 $f:[a,b]\to(0,\infty)$가 $\int_a^b f(x)\,dx = \int_a^b g(x)\,dx$이지만, $f \neq g$이라고 한다. 각각의 양의 정수 $n$에 대하여 \[I_n = \int_a^b \frac{(f(x))^{n+1}}{(g(x))^n}\,dx\]이라고 정의하자. 이때 $I_1, I_2, I_3, \dots$는 증가수열이며 $\lim_{n \to \infty} I_n = \infty$임을 보여라.