유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
640문제 · 31 / 32쪽
601.CLP-2 · 1.12절 · 1번대학 수준우리말 번역
적분
∫0bx2−11dx 이 이상적분이 되는 b 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
For which values of b is the integral
∫0bx2−11dx improper?
정답·풀이 보기
b=±∞ 이면 적분 구간의 한 끝이 실수가 아니므로 이 적분은 이상적분이다.
또한 적분 구간이 무한 불연속점 x=1 과 x=−1 중 어느 하나라도 포함하면 이 적분은 이상적분이다. 적분 구간의 한 끝이 0이므로, b≥1 이거나 b≤−1 이면 이상적분이다.
아래에 x2−11 의 그래프를 그려 두었다. 다른 쪽 적분 구간의 끝이 a=0 일 때, (−1,1) 에 속하는 b 의 값만 이상적분이 되지 않는 이유를 이 그래프로 더 분명히 알 수 있다.
원본 교재 풀이(영어)
If b=±∞, then our integral is improper because one limit is not a real number.
Furthermore, our integral will be improper if its domain of integration contains either of its infinite discontinuities, x=1 and x=−1. Since one limit of integration is 0, the integral is improper if b≥1 or if b≤−1.
Below, we've graphed x2−11 to make it clearer why values of b in (−1,1) are the only values that don't result in an improper integral when the other limit of integration is a=0.
The denominator is zero when x=1, but the numerator is not, so the integrand has a
singularity (infinite discontinuity) at x=1. Let's replace the limit x=1 with a variable that creeps toward 1.
∫01x5−1x4dx=t→1−lim∫0tx5−1x4dx
To evaluate this integral we use the substitution
u=x5, du=5x4dx. When x=0 we have u=0, and when x=t
we have u=t5, so
이 극한이 발산하므로 주어진 적분은 발산한다. (두 번째 적분도 비슷한 방법으로 발산함을 보일 수 있다. 둘 중 하나만 발산해도 원래의 적분이 발산한다고 결론짓기에 충분하다.)
원본 교재 풀이(영어)
The denominator of the integrand is zero when x=−1, but the numerator is not. So, the integrand has a singularity (infinite discontinuity) at x=−1. This is the only “source of impropriety" in this integral, so we only need to make one break in the domain of integration.
Since this limit diverges, the integral diverges. (A similar argument shows
that the second integral diverges. Either one of them diverging is enough to conclude that the
original integral diverges.)
극한이 존재하지 않으므로 이 적분은 발산한다. (여기서는 두 극한이 모두 존재하지 않지만, 둘 중 하나만 존재하지 않더라도 이 적분은 발산한다.)
원본 교재 풀이(영어)
There are two “sources of impropriety": the two (infinite) limits of integration. So, we break our integral into two pieces.
∫−∞∞cosxdxThese are easy enough to antdifferentiate.=∫−∞0cosxdx+∫0∞cosxdx=a→∞lim[∫−a0cosxdx]+b→∞lim[∫0bcosxdx]=a→∞lim[sin0−sin(−a)]+b→∞lim[sinb−sin0]=DNE
Since the limits don't exist, the integral diverges. (It happens that both limits don't exist; even if only one failed to exist, the integral would still diverge.)
직선 y=x211 의 x=a 부터 x=1 까지의 부분을 y축을 중심으로 회전시켜 부부젤라 모양의 키 큰 입체를 만든다. 여기서 a 는 0과 1 사이의 어떤 상수이다.
참 또는 거짓: 상수 M 이 아무리 크더라도, 부피가 M 보다 큰 입체를 만드는 a 의 값이 존재한다.
영어 원문 보기
We craft a tall, vuvuzela-shaped solid by rotating the line y=x211 from x=a to x=1 about the y-axis, where a is some constant between 0 and 1.
True or false: No matter how large a constant M is, there is some value of a that makes a solid with volume larger than M.
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정답·풀이 보기
입체의 부피를 구하기 위해, 입체를 얇은 원판 모양의 가로 단면으로 자른다. 높이 y 에서 원판의 반지름은 x=y1 이고 두께는 dy 이므로, 그 부피는 y2πdy 이다. 입체의 밑면은 높이 y=1 에 있고, 꼭대기는 높이 y=a1 에 있다. 따라서 입체 전체의 부피는 다음과 같다.
∫11/ay2πdy=[−yπ]11/a=π(1−a)
a 를 0에 점점 더 가깝게 하면 부피는 커져서 π 단위에 점점 가까워지지만, 결코 π 에 이르지는 못한다.
따라서 주어진 명제는 거짓이다. 예를 들어 M=4 로 두면, 어떤 a 를 택하더라도 이 입체의 부피는 M 보다 확실히 작다.
참고: 앞에서 ∫01x1dx 가 발산함을 보았다. a=0 으로 택했을 때 만들어질 입체를 생각하면, 그 부피는 겨우 π 세제곱 단위에 불과하지만, 그 실루엣(옆에서 본 모양)의 넓이는 무한하다.
원본 교재 풀이(영어)
To find the volume of the solid, we cut it into horizontal slices, which are thin circular disks. At height y, the disk has radius x=y1 and thickness dy, so its volume is y2πdy. The base of the solid is at height y=1, and its top is at height y=a1. So, the volume of the entire solid is:
∫11/ay2πdy=[−yπ]11/a=π(1−a)
If we imagine sliding a closer and closer to 0, the volume increases, getting closer and closer to π units, but never quite reaching it.
So, the statement is false. For example, if we set M=4, no matter which a we choose our solid has volume strictly less than M.
Remark: we've seen before that ∫01x1dx diverges. If we imagine the solid that would result from choosing a=0, it would have a scant volume of π cubic units, but a silhouette (side view) of infinite area.
Mn,t 를 n 개의 같은 길이의 부분구간으로 나눈 ∫0t1+xe−xdx 의 중점 규칙 근삿값이라 하자.
Mn,t 와 ∫0∞1+xe−xdx 의 차가 10−4 이하가 되도록 하는 t 의 값과 n 의 값을 구하세요.
중점 규칙을 n 개의 부분구간으로 사용할 때 생기는 오차 En 은 다음을 만족함을 기억하세요.
∣En∣≤24n2M(b−a)3
여기서 M 은 피적분함수의 이계도함수의 절댓값의 최댓값이고, a 와 b 는 적분 구간의 양 끝점이다.
영어 원문 보기
Let Mn,t be the Midpoint Rule approximation for
∫0t1+xe−xdx with n equal subintervals.
Find a value of t and a value of n such that Mn,t differs
from ∫0∞1+xe−xdx by at most 10−4.
Recall that the error En introduced when the Midpoint
Rule is used with n subintervals obeys
∣En∣≤24n2M(b−a)3
where M is the maximum absolute value of the second derivative of the
integrand and a and b are the end points of the interval of integration.
정답·풀이 보기
오차의 원인은 두 가지이다. 하나는 위끝이 무한대가 아니라 t 라는 것이고, 다른 하나는 유한한 개수 n 의 구간으로 근사한다는 것이다. 먼저 오차가 2110−4 이하가 되도록 하는 t 의 값을 찾는다. 즉 ∫t∞1+xe−xdx≤2110−4 이 되는 t 를 찾는다. 그 다음에 ∫0tx+1e−xdx 를 2110−4 이내로 근사하는 n 의 값을 찾는다. 그러면 전체 오차는 최대 2110−4+2110−4=10−4 이 되어 원하는 결과를 얻는다. (오차를 2110−4 과 2110−4 이 아닌 다른 방식으로 나눌 수도 있다. 이렇게 하면 가능한 여러 답 중 하나를 얻게 된다.)
∫t∞1+xe−xdx≤2110−4 이 되는 t 를 찾자.
모든 x≥0 에 대해
0<1+xe−x≤e−x 이므로
There are two sources of error: the upper bound is t, rather than infinity, and we're using an approximation with some finite number of intervals, n. Our plan is to first find a value of t that introduces an error of no more than 2110−4. That is, we'll find a value of t such that ∫t∞1+xe−xdx≤2110−4. After that, we'll find a value of n that approximates ∫0tx+1e−xdx to within 2110−4. Then, all together, our error will be at most 2110−4+2110−4=10−4, as desired. (Note we could have broken up the error in another way—it didn't have to be 2110−4 and 2110−4. This will give us one of many possible answers.)
Let's find a t such that
∫t∞1+xe−xdx≤2110−4.
For all x≥0,
0<1+xe−x≤e−x, so
∫t∞1+xe−xdx≤∫t∞e−xdx=e−twhere (∗) is true if t≤(∗)2110−4≥−log(2110−4)≈9.90
Choose, for example, t=10.
Now it's time to decide how many intervals we're going to use to approximate ∫0tx+1e−xdx. Again, we want our error to be less than 2110−4. To bound our error, we need to know the second derivative of x+1e−x.
True or false:
There is some real number x, with x≥1, such that ∫0xet1dt=1.
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정답·풀이 보기
F(x)=∫0xet1dt 라 하자.
F(x)=∫0xet1dt=[−et1]0x=e01−ex1<e01=1
따라서 주어진 명제는 거짓이다. F(x)=1 인 x 는 존재하지 않는다. 모든 실수 x 에 대해 F(x)<e01=1 이다.
여기서 x→∞lim∫0xet1dt=1 임에 주목하자. 즉 x 가 커질수록 F(x) 와 1 의 차는 한없이 작아진다. 그러나 F(x) 가 정확히 1 과 같아지는 실수 x 의 값은 없다.
원본 교재 풀이(영어)
Define F(x)=∫0xet1dt.
F(x)=∫0xet1dt=[−et1]0x=e01−ex1<e01=1
So, the statement is false: there is no x such that F(x)=1. For every real x, F(x)<e01=1.
We note here that x→∞lim∫0xet1dt=1. So, as x grows larger, the gap between F(x) and 1 grows infintesimally small. But there is no real value of x where F(x) is exactly equal to 1.
First, we note the integral is improper. So, we'll need to replace the top bound with a variable, and take a limit. Second, we're going to have to antidifferentiate. The integrand is the product of an exponential function, e−x, with a polynomial function, x−1, so we use integration by parts with u=x−1, dv=e−xdu, du=dx, and v=−e−x.
We see that we have two functions multiplied, but they don't simplify nicely with each other. However, if we differentiate logarithm, and integrate x2, we'll get a polynomial. So, let's use integration by parts.
u=logxdv=x2dxdu=(1/x)dxv=x3/3
First, let's antidifferentiate. We'll deal with the limits of integration later.
∫x2logxdx We use the Fundamental Theorem of Calculus Part 2 to evaluate the definite integral.∫12x3logxdx=u(logx)v(x3/3))−∫v(x3/3)du(1/x)dx=31x3logx−31∫x2dx=31x3logx−31⋅31x3+C=31x3logx−91x3+C=[31x3logx−91x3]12=[3123log2−9123]−[3113log1−9113]=38log2−98−0+91=38log2−97
분모의 도함수가 분자에 나타나고 상수배만큼만 다르므로 치환을 한다. 구체적으로
u=x2−3, du=2xdx 로 치환한다.
그러면 다음을 얻는다.
∫x2−3xdx=∫udu/2=21log∣u∣+C=21logx2−3+C
원본 교재 풀이(영어)
The derivative of the denominator shows up in the numerator, only differing by a constant, so we perform a substitution. Specifically,
substitute u=x2−3, du=2xdx.
This gives
(c)
피적분함수는 서로 다른 종류의 두 함수의 곱이며, 뚜렷한 치환이나 간단히 하는 방법이 없다. logx 를 미분하면 피적분함수의 나머지 부분의 다항식 꼴과 더 잘 맞는다.
따라서 u(x)=logx, dv=x3dx 로 놓고 부분적분하면
du=x1dx 이고 v=x4/4 이다.
(a) Although a quadratic under a square root often suggests trigonometric substitution, in this case we have an easier substitution.
Specifically, let y=9+x2. Then dy=2xdx,xdx=2dy,y(0)=9, and y(4)=25.
(b)
The power of cosine is odd, so we can reserve one cosine for the differential and change the rest to sines.
Substituting y=sinx,dy=cosx, dx,y(0)=0,y(π/2)=1,cos2x=1−y2:
(c)
The integrand is the product of two different kinds of functions, with no obvious substitution or simplification. If we differentiate logx, it will match better with the polynomial nature of the rest of the integrand.
So, integrate by parts with u(x)=logx and dv=x3dx, then
du=x1dx and v=x4/4.
(b) 이 문제는 무엇을 해야 할지 바로 떠오르지는 않지만, u=logx, dv=dx 로 놓고 부분적분을 이용하여 ∫logxdx 를 구했던 것을 떠올리자. 비슷한 방법이 여기서도 통하기를 기대해 보자.
u=log(1+x2), dv=dx 로 놓고 부분적분을 하면
du=1+x22xdx, v=x 이다.
(a)
∫039−x2dx is the area of the portion of the
disk x2+y2≤9 that lies in the first quadrant. It is
41π33=49π. Alternatively,
you could also evaluate this integral using the substitution
x=3siny, dx=3cosydy.
(b) It's not immediately obvious what to do with this one, but remember we found ∫logxdx using integration by parts with u=logx and dv=dx. Let's hope a similar trick works here.
Integrate by parts, using u=log(1+x2) and dv=dx, so that
du=1+x22xdx, v=x.
(a) It doesn't matter to us right now that the arguments of sine and cosine are 2x rather than x. This is still the integral of powers of products of sines and cosines. Since cosine has an odd power, we
make the substitution u=sin(2x), du=2cos(2x)dx.
∫(x−1)(x2+1)dxTo antidifferentiate the second piece, we split it into two integrals: one that can be handled with the substitution u=x2+1, and another that looks like the derivative of arctangent.=∫[x−11/2−x2+121(x+1)]dx=∫(x−11/2−x2+1x/2−x2+11/2)dx=∫(x−11/2−41⋅x2+12x−x2+11/2)dx=21log∣x−1∣−41log(x2+1)−21arctanx+C
(d)
We know the derivative of arctangent, and it would integrate nicely if multiplied to the antiderivative of x. So, we
integrate by parts with u=arctanx and dv=xdx so that
du=1+x21dx and v=21x2. Then
(b) The denominator is an irreducible quadratic, so partial fractions can't get us any further. To integrate a function whose denominator is quadratic, we split the numerator up so that one piece can be evaluated with a u-substitution, and the other piece looks like arctangent.
(a)
If the integrand had x's instead of ex's it would be a rational function,
ripe for the application of partial fractions. So let's start by making the
substitution u=ex, du=exdx:
∫(ex+1)(ex−3)exdx=∫(u+1)(u−3)du
Now, we follow the partial fractions protocol, starting with expressing
(u+1)(u−3)1=u+1A+u−3B
To find A and B, the sneaky way, we cross multiply by the denominator
1=A(u−3)+B(u+1)
and find A and B by evaluating at u=−1 and u=3, respectively.
Hmmm. The numerator is x2−4x+4=(x−2)2. So let's make the integral look somewhat simpler by substituting u=x−2, du=dx.
When x=2 we have u=0, and when x=4 we have u=2, so:
∫x=2x=412+4x−x2x2−4x+4dx=∫u=0u=216−u2u2du
This is perfect for the trig substitution u=4sinθ,
du=4cos(θ)dθ. When u=0 we have 4sinθ=0
and hence θ=0. When u=2 we have 4sinθ=2
and hence θ=6π. So