문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분 기법

적분 기법 전체 문제

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유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

12문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 5.7절 · 48번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 각 정적분의 값을 구하세요.

다음 그래프를 이용하여 ∫0x1−t2dt=12x1−x2+12sin⁡−1x{\int }_{0}^{x}\sqrt{1-{t}^{2}}dt=\frac{1}{2}x\sqrt{1-{x}^{2}}+\frac{1}{2}{\sin }^{-1}x 임을 증명하세요.

두 도형이 들어 있는 그림이다. 원에서 잘라 낸 부채꼴이 파란색으로 칠해져 위쪽에 있고, 그 아래에 갈색으로 칠해진 삼각형이 있다. 삼각형의 빗변은 부채꼴의 반지름 변 중 하나이며 길이가 1이다. 빨간 점선이 부채꼴의 일부와 삼각형으로 직사각형을 이루고 있으며, 삼각형의 빗변이 그 직사각형의 대각선이다. 원의 곡선은 방정식 sqrt(1-x^2)으로 나타낸다.

영어 원문 보기

In the following exercises, compute each definite integral.

Use the following graph to prove that ∫0x1−t2dt=12x1−x2+12sin⁡−1x.{\int }_{0}^{x}\sqrt{1-{t}^{2}}dt=\frac{1}{2}x\sqrt{1-{x}^{2}}+\frac{1}{2}{\sin }^{-1}x.

A diagram containing two shapes, a wedge from a circle shaded in blue on top of a triangle shaded in brown. The triangle’s hypotenuse is one of the radii edges of the wedge of the circle and is 1 unit long. There is a dotted red line forming a rectangle out of part of the wedge and the triangle, with the hypotenuse of the triangle as the diagonal of the rectangle. The curve of the circle is described by the equation sqrt(1-x^2).

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.7절 · 11번
# 역삼각함수가 나오는 적분증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.OpenStax 2권 · 3.2절 · 53번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서 아래 정보를 이용하세요. [a,b][a,b] 에서 두 함수 f 와 g 의 내적은 f(x)⋅g(x)=⟨f,g⟩=∫abf⋅gdxf(x)\cdot g(x)=\langle f,g\rangle ={\int }_{a}^{b}f\cdot gdx 로 정의한다. 서로 다른 두 함수 f 와 g 가 ⟨f,g⟩=0\langle f,g\rangle =0 이면 직교한다고 한다.

{sin⁡(2x),cos⁡(3x)}\{\sin (2x),\cos (3x)\} 가 구간 [−π,π][-\pi ,\pi ] 에서 직교함을 보이세요.

영어 원문 보기

For the following exercises, use this information: The inner product of two functions f and g over [a,b][a,b] is defined by f(x)⋅g(x)=⟨f,g⟩=∫abf⋅gdx.f(x)\cdot g(x)=\langle f,g\rangle ={\int }_{a}^{b}f\cdot gdx. Two distinct functions f and g are said to be orthogonal if ⟨f,g⟩=0.\langle f,g\rangle =0.

Show that {sin⁡(2x),cos⁡(3x)}\{\sin (2x),\cos (3x)\} are orthogonal over the interval [−π,π].[-\pi ,\pi ].

정답·풀이 보기

∫−ππsin⁡(2x)cos⁡(3x)dx=0{\int }_{-\pi }^{\pi }\sin (2x)\cos (3x)dx=0

원본 교재 풀이(영어)

∫−ππsin⁡(2x)cos⁡(3x)dx=0{\int }_{-\pi }^{\pi }\sin (2x)\cos (3x)dx=0

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.2절 · 51번
# 삼각함수의 적분증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.OpenStax 2권 · 3.3절 · 43번대학 수준우리말 번역

치환 x=sec⁡θx=\sec \theta 를 이용하여 적분 ∫dxxx2−1\int \frac{dx}{x\sqrt{{x}^{2}-1}} 의 값을 구하세요. 다음으로 치환 x=csc⁡θx=\csc \theta 를 이용하여 같은 적분의 값을 구하세요. 두 결과가 서로 같음을 보이세요.

영어 원문 보기

Evaluate the integral ∫dxxx2−1\int \frac{dx}{x\sqrt{{x}^{2}-1}} using the substitution x=sec⁡θ.x=\sec \theta . Next, evaluate the same integral using the substitution x=csc⁡θ.x=\csc \theta . Show that the results are equivalent.

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 6.4절 · 2번
# 삼각치환증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.OpenStax 2권 · 3.6절 · 18번대학 수준우리말 번역

∫01dx1+x2{\int }_{0}^{1}\frac{dx}{1+{x}^{2}} 의 값을 정확하게 구하고, 그 결과가 π/4\pi /4 임을 보이세요. 그런 다음, n=4n=4 개의 소구간으로 나누어 사다리꼴 공식을 사용하여 이 적분의 근삿값을 구하세요. 그 결과를 이용하여 π\pi 의 값을 어림하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫01dx1+x2{\int }_{0}^{1}\frac{dx}{1+{x}^{2}} exactly and show that the result is π/4.\pi /4. Then, find the approximate value of the integral using the trapezoidal rule with n=4n=4 subdivisions. Use the result to approximate the value of π.\pi .

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.6절 · 9번
# 수치적분증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.OpenStax 2권 · 3.6절 · 24번대학 수준우리말 번역

정확한 값이 ∫01xe−xdx=1−2e{\int }_{0}^{1}x{e}^{-x}dx=1-\frac{2}{e}. 임을 보이세요. 16개의 소구간으로 나누어 중점법으로 이 적분을 어림할 때의 절대오차를 구하세요.

영어 원문 보기

Show that the exact value of ∫01xe−xdx=1−2e.{\int }_{0}^{1}x{e}^{-x}dx=1-\frac{2}{e}. Find the absolute error if you approximate the integral using the midpoint rule with 16 subdivisions.

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.6절 · 47번
# 수치적분증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.OpenStax 2권 · 3.7절 · 59번대학 수준우리말 번역

곡선의 길이 공식을 이용하여 원 x2+y2=1{x}^{2}+{y}^{2}=1 의 둘레가 2π2\pi 임을 보이세요.

영어 원문 보기

Use the formula for arc length to show that the circumference of the circle x2+y2=1{x}^{2}+{y}^{2}=1 is 2π.2\pi .

정답·풀이 보기

답은 풀이에 따라 다양하다.

원본 교재 풀이(영어)

Answers will vary.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.7절 · 11번
# 이상적분증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.OpenStax 2권 · 3.7절 · 60번대학 수준우리말 번역

음이 아닌 함수가 다음 정의를 만족하면 확률밀도함수이다: ∫−∞∞f(t)dt=1{\int }_{-\infty }^{\infty }f(t)dt=1. 확률변수 x 가 a 와 b 사이에 있을 확률은 P(a≤x≤b)=∫abf(t)dtP(a\le x\le b)={\int }_{a}^{b}f(t)dt 로 주어진다.

f(x)={0, x<0 일 때7e−7x, x≥0 일 때f(x)=\{\begin{array}{c}0\text{, }x<0 \text{ 일 때} \\ 7{e}^{-7x}\text{, }x\ge 0 \text{ 일 때}\end{array} 가 확률밀도함수임을 보이세요.

영어 원문 보기

A non-negative function is a probability density function if it satisfies the following definition: ∫−∞∞f(t)dt=1.{\int }_{-\infty }^{\infty }f(t)dt=1. The probability that a random variable x lies between a and b is given by P(a≤x≤b)=∫abf(t)dt.P(a\le x\le b)={\int }_{a}^{b}f(t)dt.

Show that f(x)={0ifx<07e−7xifx≥0f(x)=\{\begin{array}{c}0\text{if}x<0 \\ 7{e}^{-7x}\text{if}x\ge 0\end{array} is a probability density function.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.7절 · 59번
# 이상적분증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.OpenStax 2권 · 3장 복습 · 21번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서, Γ(a)=∫0∞e−yya−1dy\Gamma (a)={\int }_{0}^{\infty }{e}^{-y}{y}^{a-1}dy 로 주어진 감마 함수를 생각하세요.

Γ(a)=(a−1)Γ(a−1)\Gamma (a)=(a-1)\Gamma (a-1) 임을 보이세요.

영어 원문 보기

For the following exercises, consider the gamma function given by Γ(a)=∫0∞e−yya−1dy.\Gamma (a)={\int }_{0}^{\infty }{e}^{-y}{y}^{a-1}dy.

Show that Γ(a)=(a−1)Γ(a−1).\Gamma (a)=(a-1)\Gamma (a-1).

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.1절 · 53번
# 적분 전략 고르기증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.OpenStax 2권 · 3장 복습 · 22번대학 수준우리말 번역

aa 가 양의 정수라고 가정하고, 이를 확장하여 Γ(a)=(a−1)!\Gamma (a)=(a-1)! 임을 보이세요.

세계에서 가장 빠른 자동차인 부가티 베이론은 최고 속력 408 km/h 에 도달할 수 있습니다. 그래프는 이 자동차의 속도를 나타냅니다.

이 그림에는 제1사분면에 그래프가 있다. 그래프는 x가 약 03:00(분:초)인 곳까지 증가하다가 가파르게 떨어진다. 그래프의 최고 높이, 즉 급격히 떨어지기 시작하는 지점의 높이는 약 420 km/h이다.

영어 원문 보기

Extend to show that Γ(a)=(a−1)!,\Gamma (a)=(a-1)!, assuming aa is a positive integer.

The fastest car in the world, the Bugati Veyron, can reach a top speed of 408 km/h. The graph represents its velocity.

This figure has a graph in the first quadrant. It increases to where x is approximately 03:00 mm:ss and then drops off steep. The maximum height of the graph, here the drop occurs is approximately 420 km/h.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.5절 · 18번
# 적분 전략 고르기증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.CLP-2 · 1.9절 · 12번대학 수준우리말 번역

(a) ∫0π/4cos⁡4θ dθ=(8+3π)/32\displaystyle\int_0^{\pi/4}\cos^4\theta\ \mathrm{d}\theta=(8+3\pi)/32 임을 보이세요.

(b) ∫−11dx(x2+1)3\displaystyle\int_{-1}^1\frac{\mathrm{d}x}{{(x^2+1)}^3} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Show that ∫0π/4cos⁡4θ dθ=(8+3π)/32\displaystyle\int_0^{\pi/4}\cos^4\theta\ \mathrm{d}\theta=(8+3\pi)/32.

(b) Evaluate ∫−11dx(x2+1)3\displaystyle\int_{-1}^1\frac{\mathrm{d}x}{{(x^2+1)}^3}.

정답·풀이 보기

(a) 삼각함수 항등식 cos⁡2θ=2cos⁡2θ−1\cos2\theta=2\cos^2\theta-1 을 이용한다. 이로부터 다음을 얻는다.

cos⁡2θ=cos⁡2θ+12  ⟹  cos⁡4θ=14[cos⁡22θ+2cos⁡2θ+1]=14[cos⁡4θ+12+2cos⁡2θ+1]=cos⁡4θ8+cos⁡2θ2+38그러므로,∫0π/4cos⁡4θ dθ=∫0π/4(cos⁡4θ8+cos⁡2θ2+38) dθ=[sin⁡4θ32+sin⁡2θ4+38θ]0π/4=14+38⋅π4=8+3π32\begin{aligned} \cos^2\theta=\frac{\cos2\theta+1}{2} \implies \cos^4\theta &=\frac{1}{4}\big[\cos^22\theta+2\cos2\theta+1\big] =\frac{1}{4}\Big[\frac{\cos4\theta+1}{2}+2\cos2\theta+1\Big]\\ &=\frac{\cos4\theta}{8}+\frac{\cos2\theta}{2}+\frac{3}{8} \\ \text{그러므로,} \\ \int_0^{\pi/4}\cos^4\theta\ \mathrm{d}\theta &=\int_0^{\pi/4}\Big(\frac{\cos4\theta}{8}+\frac{\cos2\theta}{2}+\frac{3}{8}\Big) \ \mathrm{d}\theta \\ &=\left[\frac{\sin4\theta}{32}+\frac{\sin2\theta}{4}+\frac{3}{8}\theta\right]_0^{\pi/4}\\ &= \frac{1}{4}+\frac{3}{8}\cdot \frac{\pi}{4}\\ &=\frac{8+3\pi}{32} \end{aligned}

이므로 주어진 등식이 성립한다.

(b) 삼각 치환 x=tan⁡θx=\tan\theta, dx=sec⁡2θ dθ\mathrm{d}x=\sec^2\theta\ \mathrm{d}\theta 를 이용한다. θ=±π4\theta=\pm\frac{\pi}{4} 일 때 x=±1x=\pm 1 임에 주의한다. 또한 삼각함수 항등식 sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2\theta+\cos^2\theta=1 의 양변을 cos⁡2θ\cos^2\theta 로 나누면 삼각함수 항등식 tan⁡2θ+1=sec⁡2θ\tan^2\theta+1=\sec^2\theta 를 얻는다. 따라서

∫−11dx(x2+1)3=2∫01dx(x2+1)3(우함수인 피적분함수)=2∫0π/4sec⁡2θ dθ(tan⁡2θ+1)3=2∫0π/4sec⁡2θ dθ(sec⁡2θ)3=2∫0π/4cos⁡4θ dθ=8+3π16\begin{aligned} \int_{-1}^1\frac{\mathrm{d}x}{{(x^2+1)}^3} &=2\int_0^1\frac{\mathrm{d}x}{{(x^2+1)}^3}&\text{(우함수인 피적분함수)}\\ &=2\int_0^{\pi/4}\frac{\sec^2\theta\ \mathrm{d}\theta}{{(\tan^2\theta+1)}^3}\\ &=2\int_0^{\pi/4}\frac{\sec^2\theta\ \mathrm{d}\theta}{{(\sec^2\theta)}^3}\\ &=2\int_0^{\pi/4}\cos^4\theta\ \mathrm{d}\theta\\ &=\frac{8+3\pi}{16} \end{aligned}

이다. 이는 (a)에 의한 결과이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We'll use the trig identity cos⁡2θ=2cos⁡2θ−1\cos2\theta=2\cos^2\theta-1. It implies that

cos⁡2θ=cos⁡2θ+12  ⟹  cos⁡4θ=14[cos⁡22θ+2cos⁡2θ+1]=14[cos⁡4θ+12+2cos⁡2θ+1]=cos⁡4θ8+cos⁡2θ2+38So,∫0π/4cos⁡4θ dθ=∫0π/4(cos⁡4θ8+cos⁡2θ2+38) dθ=[sin⁡4θ32+sin⁡2θ4+38θ]0π/4=14+38⋅π4=8+3π32\begin{aligned} \cos^2\theta=\frac{\cos2\theta+1}{2} \implies \cos^4\theta &=\frac{1}{4}\big[\cos^22\theta+2\cos2\theta+1\big] =\frac{1}{4}\Big[\frac{\cos4\theta+1}{2}+2\cos2\theta+1\Big]\\ &=\frac{\cos4\theta}{8}+\frac{\cos2\theta}{2}+\frac{3}{8} \\ \text{So,} \\ \int_0^{\pi/4}\cos^4\theta\ \mathrm{d}\theta &=\int_0^{\pi/4}\Big(\frac{\cos4\theta}{8}+\frac{\cos2\theta}{2}+\frac{3}{8}\Big) \ \mathrm{d}\theta \\ &=\left[\frac{\sin4\theta}{32}+\frac{\sin2\theta}{4}+\frac{3}{8}\theta\right]_0^{\pi/4}\\ &= \frac{1}{4}+\frac{3}{8}\cdot \frac{\pi}{4}\\ &=\frac{8+3\pi}{32} \end{aligned}

as required.

(b) We'll use the trig substitution x=tan⁡θx=\tan\theta, dx=sec⁡2θ dθ\mathrm{d}x=\sec^2\theta\ \mathrm{d}\theta. Note that when θ=±π4\theta=\pm\frac{\pi}{4}, we have x=±1x=\pm 1. Also note that dividing the trig identity sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2\theta+\cos^2\theta=1 by cos⁡2θ\cos^2\theta gives the trig identity tan⁡2θ+1=sec⁡2θ\tan^2\theta+1=\sec^2\theta. So

∫−11dx(x2+1)3=2∫01dx(x2+1)3(even integrand)=2∫0π/4sec⁡2θ dθ(tan⁡2θ+1)3=2∫0π/4sec⁡2θ dθ(sec⁡2θ)3=2∫0π/4cos⁡4θ dθ=8+3π16\begin{aligned} \int_{-1}^1\frac{\mathrm{d}x}{{(x^2+1)}^3} &=2\int_0^1\frac{\mathrm{d}x}{{(x^2+1)}^3}&\text{(even integrand)}\\ &=2\int_0^{\pi/4}\frac{\sec^2\theta\ \mathrm{d}\theta}{{(\tan^2\theta+1)}^3}\\ &=2\int_0^{\pi/4}\frac{\sec^2\theta\ \mathrm{d}\theta}{{(\sec^2\theta)}^3}\\ &=2\int_0^{\pi/4}\cos^4\theta\ \mathrm{d}\theta\\ &=\frac{8+3\pi}{16} \end{aligned}

by part (a).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.9절 · 13번
# 삼각치환증명·논술보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
11.CLP-2 · 1.11절 · 31번대학 수준우리말 번역

f(x)f(x) 를 f′′(x)=x2x+1f''(x) = \dfrac{x^2}{x+1} 을 만족하는 함수라고 하세요. (예를 들어 f(x)=16x3−12x2+(1+x)log⁡∣x+1∣f(x)=\frac{1}{6}x^3-\frac{1}{2}x^2+(1+x)\log|x+1| 이면 되지만, 이 문제에서는 f(x)f(x) 가 무엇인지 알 필요가 없습니다.)

(a) xx 가 구간 [0,1][0,1] 에 있을 때마다 ∣f′′(x)∣≤1|f''(x)| \leq 1 임을 보이세요. (b) 구간 [0,1][0,1] 에서 ∣f′′(x)∣|f''(x)| 의 최댓값을 구하세요. (c) M=1M=1 이라고 가정할 때, ∫01f(x) dx\displaystyle\int_{0}^{1}f(x)~\mathrm{d}x 를 오차 10−510^{-5} 이내로 어림하려면 구간을 몇 개 사용해야 하는지 구하세요. (d) (b)에서 구한 MM 의 값을 사용할 때, ∫01f(x) dx\displaystyle\int_0^1 f(x)~\mathrm{d}x 를 오차 10−510^{-5} 이내로 어림하려면 구간을 몇 개 사용해야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)f(x) be a function (For example, f(x)=16x3−12x2+(1+x)log⁡∣x+1∣f(x)=\frac{1}{6}x^3-\frac{1}{2}x^2+(1+x)\log|x+1| will do, but you don't need to know what f(x)f(x) is for this problem.) with f′′(x)=x2x+1f''(x) = \dfrac{x^2}{x+1}.

(a) Show that ∣f′′(x)∣≤1|f''(x)| \leq 1 whenever xx is in the interval [0,1][0,1]. (b) Find the maximum value of ∣f′′(x)∣|f''(x)| over the interval [0,1][0,1]. (c) Assuming M=1M=1, how many intervals should you use to approximate ∫01f(x) dx\displaystyle\int_{0}^{1}f(x)~\mathrm{d}x to within 10−510^{-5}? (d) Using the value of MM you found in (b), how many intervals should you use to approximate ∫01f(x) dx\displaystyle\int_0^1 f(x)~\mathrm{d}x to within 10−510^{-5}?

정답·풀이 보기

(a) 0≤x≤10 \leq x \leq1 일 때 x2≤1x^2 \leq 1 이고 x+1≥1x+1 \geq 1 이므로 ∣f′′(x)∣=x2∣x+1∣≤11=1|f''(x)| = \dfrac{x^2}{|x+1|}\leq \dfrac{1}{1}=1 이다. (b) 닫힌구간에서 함수의 최댓값을 구하려면, 구간의 양 끝점과 구간 안의 임계점에서 함수의 값을 조사한다. 임계점은 함수의 도함수가 0이거나 존재하지 않는 점이다.

최대화하려는 함수는 ∣f′′(x)∣=x2∣x+1∣=x2x+1=f′′(x)|f''(x)| = \frac{x^2}{|x+1|} = \frac{x^2}{x+1}=f''(x) 이다 (구간에 음이 아닌 수만 있기 때문이다). 따라서 임계점은 f′′′(x)=0f'''(x) = 0 이거나 존재하지 않을 때 나타난다. 몫의 미분법을 이용하여 f′′′(x)f'''(x) 를 구한다.

f′′′(x)=(x+1)(2x)−x2(x+1)2=x2+2x(x+1)20=x(x+2)x+10=x또는x=−1또는x=−2\begin{aligned} f'''(x)&=\frac{(x+1)(2x)-x^2}{(x+1)^2}=\frac{x^2+2x}{(x+1)^2}\\ 0&=\frac{x(x+2)}{x+1}\\ 0&=x \quad\text{또는}\quad x=-1\quad\text{또는}\quad x=-2 \end{aligned}

[0,1][0,1] 에 있는 임계점은 x=0x=0 뿐이다. 따라서 [0,1][0,1] 에서 f′′(x)f''(x) 의 극값은 양 끝점에서 나타난다. 실제로 [0,1][0,1] 에 속하는 모든 xx 에 대해 f′′′(x)≥0f'''(x) \geq 0 이므로 f′′(x)f''(x) 는 이 구간에서 증가하고, 따라서 최댓값은 x=1x=1 에서 나타난다. 즉, ∣f′′(x)∣≤f′′(1)=12|f''(x)|\leq f''(1)=\frac{1}{2} (c) 중점법을 사용할 때 절대 오차는 최대 M(b−a)324n2\dfrac{M(b-a)^3}{24n^2} 이다. M=1M=1 을 사용하여 이 값이 10−510^{-5} 이하가 되게 하려면, 다음 계산으로 알맞은 nn 의 값을 구한다.

M(b−a)324n2≤10−5124n2≤10−5(b−a=1, M=1)10524≤n2n≥65\begin{aligned} \dfrac{M(b-a)^3}{24n^2}&\leq 10^{-5}\\ \dfrac{1}{24n^2}&\leq 10^{-5}&(b-a=1,\,M=1)\\ \frac{10^5}{24} & \leq n^2\\ n & \geq 65 \end{aligned} (d) 중점법을 사용할 때 절대 오차는 최대 M(b−a)324n2\dfrac{M(b-a)^3}{24n^2} 이다. M=12M=\frac{1}{2} 을 사용하여 이 값이 10−510^{-5} 이하가 되게 하려면, 다음 계산으로 알맞은 nn 의 값을 구한다.

M(b−a)324n2≤10−5148n2≤10−5(b−a=1, M=12)10548≤n2n≥46\begin{aligned} \dfrac{M(b-a)^3}{24n^2}&\leq 10^{-5}\\ \dfrac{1}{48n^2}&\leq 10^{-5}&(b-a=1,\,M=\frac{1}{2})\\ \frac{10^5}{48} & \leq n^2\\ n & \geq 46 \end{aligned}

참고: 이러한 계산을 얼마나 정확하게 할지는 상황에 따라 크게 달라진다. 예를 들어 MM 을 손으로 구하고, 이를 이용해 nn 을 손으로 구한 다음, 근삿값을 계산하도록 컴퓨터를 프로그래밍한다고 하자. 이처럼 간단한 적분에서는 구간 65개와 46개의 계산 시간 차이가 아주 작을 것이다. 따라서 (b)에서 추가로 하는 수고로 얻는 이점은 많지 않다. 그러나 처음의 대충 구한 MM 으로 n=1000000n=1000000 정도가 나왔다면, 계산 시간을 줄이기 위해 MM 을 개선하는 데 시간을 들일 만하다. 또한 근삿값을 손으로 구한다면 46개의 항을 더하는 것과 65개의 항을 더하는 것의 차이는 상당할 것이므로, 가능한 한 가장 정확한 MM 을 구하는 수고를 미리 들이는 것이 좋을 것이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) When 0≤x≤10 \leq x \leq1, then x2≤1x^2 \leq 1 and x+1≥1x+1 \geq 1, so ∣f′′(x)∣=x2∣x+1∣≤11=1|f''(x)| = \dfrac{x^2}{|x+1|}\leq \dfrac{1}{1}=1. (b) To find the maximum value of a function over a closed interval, we test the function's values at the endpoints of the interval and at its critical points inside the interval. The critical points are where the function's derivative is zero or does not exist.

The function we're trying to maximize is ∣f′′(x)∣=x2∣x+1∣=x2x+1=f′′(x)|f''(x)| = \frac{x^2}{|x+1|} = \frac{x^2}{x+1}=f''(x) (since our interval only contains nonnegative numbers). So, the critical points occur when f′′′(x)=0f'''(x) = 0 or does not exist. We find f′′′(x)f'''(x) Using the quotient rule.

f′′′(x)=(x+1)(2x)−x2(x+1)2=x2+2x(x+1)20=x(x+2)x+10=xorx=−1orx=−2\begin{aligned} f'''(x)&=\frac{(x+1)(2x)-x^2}{(x+1)^2}=\frac{x^2+2x}{(x+1)^2}\\ 0&=\frac{x(x+2)}{x+1}\\ 0&=x \quad\text{or}\quad x=-1\quad\text{or}\quad x=-2 \end{aligned}

The only critical point in [0,1][0,1] is x=0x=0. So, the extrema of f′′(x)f''(x) over [0,1][0,1] will occur at its endpoints. Indeed, since f′′′(x)≥0f'''(x) \geq 0 for all xx in [0,1][0,1], f′′(x)f''(x) is increasing over this interval, so its maximum occurs at x=1x=1. That is, ∣f′′(x)∣≤f′′(1)=12|f''(x)|\leq f''(1)=\frac{1}{2} (c) The absolute error using the midpoint rule is at most M(b−a)324n2\dfrac{M(b-a)^3}{24n^2}. Using M=1M=1, if we want this to be no more than 10−510^{-5}, we find an acceptable value of nn with the following calculation:

M(b−a)324n2≤10−5124n2≤10−5(b−a=1, M=1)10524≤n2n≥65\begin{aligned} \dfrac{M(b-a)^3}{24n^2}&\leq 10^{-5}\\ \dfrac{1}{24n^2}&\leq 10^{-5}&(b-a=1,\,M=1)\\ \frac{10^5}{24} & \leq n^2\\ n & \geq 65 \end{aligned} (d) The absolute error using the midpoint rule is at most M(b−a)324n2\dfrac{M(b-a)^3}{24n^2}. Using M=12M=\frac{1}{2}, if we want this to be no more than 10−510^{-5}, we find an acceptable value of nn with the following calculation:

M(b−a)324n2≤10−5148n2≤10−5(b−a=1, M=12)10548≤n2n≥46\begin{aligned} \dfrac{M(b-a)^3}{24n^2}&\leq 10^{-5}\\ \dfrac{1}{48n^2}&\leq 10^{-5}&(b-a=1,\,M=\frac{1}{2})\\ \frac{10^5}{48} & \leq n^2\\ n & \geq 46 \end{aligned}

Remark: how accurate you want to be in these calculations depends a lot on your circumstances. Imagine, for instance, that you were finding MM by hand, using this to find nn by hand, then programming a computer to evaluate the approximation. For a simple integral like this, the difference between computing time for 65 intervals versus 46 is likely to be miniscule. So, there's not much to be gained by the extra work in (b). However, if your original sloppy MM gave you something like n=1000000n=1000000, you might want to put some time into improving it, to shorten computation time. Moreover, if you were finding the approximation by hand, the difference between adding 46 terms and adding 65 terms would be considerable, and you would probably want to put in the effort up front to find the most accurate MM possible.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.11절 · 32번
# 수치적분증명·논술도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
12.Active Calculus · 6.5절 · 12번대학 수준우리말 번역

때로는 대응하는 정적분(보통의 정적분)의 극한을 쉽게 구할 수 없는 이상적분을 만날 수 있다. 예를 들어 ∫1∞11+x3 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{1+x^3} \, dx 를 생각해 보자. 11+x3\frac{1}{1+x^3} 의 부정적분을 구하기는 어렵지만(어쩌면 불가능하지만), 더 간단한 이상적분과 비교하여 이 이상적분이 수렴하는지 발산하는지는 여전히 판단할 수 있다. 모든 x>0x > 0 에 대해 1+x3>x31 + x^3 > x^3 이고, 따라서

11+x3<1x3 \frac{1}{1+x^3} < \frac{1}{x^3}\,

임을 관찰하자.

그러므로 모든 b>1b > 1 에 대해

∫1b11+x3 dx<∫1b1x3 dx\int_1^b \frac{1}{1+x^3} \, dx < \int_1^b \frac{1}{x^3} \, dx

이다. 두 이상적분 ∫1∞11+x3 dx\int_1^\infty \frac{1}{1+x^3} \, dx 와 ∫1∞1x3 dx\int_1^\infty \frac{1}{x^3} \, dx 를 생각하기 위해 b→∞b \to \infty 로 보내면, 두 이상적분 중 더 큰 것이 수렴함을 알 수 있다. 그러므로 더 작은 것은 수렴하는 적분보다 아래에 있으므로, 더 작은 것도 수렴해야 한다. 특히 대응하는 정적분의 극한을 직접 구하지 않았더라도 ∫1∞11+x3 dx\int_1^\infty \frac{1}{1+x^3} \, dx 는 수렴해야 한다. 이어지는 문제에서 이 생각과 비슷한 생각을 이용한다.

(a) 모든 x≥1x \ge 1 에 대해 x2+x+1>x2x^2 + x + 1 > x^2 인 이유를 설명하고, 이로부터 ∫1∞1x2 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2} \, dx 와 비교하여 ∫1∞1x2+x+1 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2 + x + 1} \, dx 가 수렴함을 보이세요. (b) 각 x>1x > 1 에 대해 ln⁡(x)<x\ln(x) < x 임을 관찰하세요. 각 b>2b > 2 에 대해 ∫2b1x dx<∫2b1ln⁡(x) dx\int_2^b \frac{1}{x} \, dx < \int_2^b \frac{1}{\ln(x)} \,dx 인 이유를 설명하세요. ∫2∞1ln⁡(x) dx\int_2^\infty \frac{1}{\ln(x)} \, dx 가 반드시 발산하는 이유는 무엇인지 설명하세요. (c) 모든 x>1x > 1 에 대해 x4+1x4>1\sqrt{\frac{x^4+1}{x^4}} > 1 인 이유를 설명하세요. 그런 다음 이상적분 ∫1∞1x⋅x4+1x4 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x} \cdot \sqrt{\frac{x^4+1}{x^4}} \, dx 이 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.

영어 원문 보기

Sometimes we may encounter an improper integral for which we cannot easily evaluate the limit of the corresponding proper integrals. For instance, consider ∫1∞11+x3 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{1+x^3} \, dx. While it is hard (or perhaps impossible) to find an antiderivative for 11+x3\frac{1}{1+x^3}, we can still determine whether or not the improper integral converges or diverges by comparison to a simpler one. Observe that for all x>0x > 0, 1+x3>x31 + x^3 > x^3, and therefore

11+x3<1x3 .\frac{1}{1+x^3} < \frac{1}{x^3}\,.

It therefore follows that

∫1b11+x3 dx<∫1b1x3 dx\int_1^b \frac{1}{1+x^3} \, dx < \int_1^b \frac{1}{x^3} \, dx

for every b>1b > 1. If we let b→∞b \to \infty so as to consider the two improper integrals ∫1∞11+x3 dx\int_1^\infty \frac{1}{1+x^3} \, dx and ∫1∞1x3 dx\int_1^\infty \frac{1}{x^3} \, dx, we know that the larger of the two improper integrals converges. And thus, since the smaller one lies below a convergent integral, it follows that the smaller one must converge, too. In particular, ∫1∞11+x3 dx\int_1^\infty \frac{1}{1+x^3} \, dx must converge, even though we never explicitly evaluated the corresponding limit of proper integrals. We use this idea and similar ones in the exercises that follow.

(a) Explain why x2+x+1>x2x^2 + x + 1 > x^2 for all x≥1x \ge 1, and hence show that ∫1∞1x2+x+1 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2 + x + 1} \, dx converges by comparison to ∫1∞1x2 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2} \, dx. (b) Observe that for each x>1x > 1, ln⁡(x)<x\ln(x) < x. Explain why ∫2b1x dx<∫2b1ln⁡(x) dx\int_2^b \frac{1}{x} \, dx < \int_2^b \frac{1}{\ln(x)} \,dx for each b>2b > 2. Why must it be true that ∫2∞1ln⁡(x) dx\int_2^\infty \frac{1}{\ln(x)} \, dx diverges? (c) Explain why x4+1x4>1\sqrt{\frac{x^4+1}{x^4}} > 1 for all x>1x > 1. Then, determine whether or not the improper integral ∫1∞1x⋅x4+1x4 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x} \cdot \sqrt{\frac{x^4+1}{x^4}} \, dx converges or diverges.

정답·풀이 보기

(a) x≥1x \ge 1 이므로 x+1≥1>0x + 1 \ge 1 > 0 이고, 이 부등식의 양변에 x2x^2 을 더하면 x2+x+1>x2x^2 + x + 1 > x^2 이 모든 x≥1x \ge 1 에 대해 성립한다. 역수를 취하면(부등호의 방향이 바뀐다) 1x2+x+1<1x2\frac{1}{x^2 + x + 1} < \frac{1}{x^2} 이므로 임의의 b>1b > 1 에 대해 ∫1b1x2+x+1 dx<∫1b1x2 dx .\int_1^b \frac{1}{x^2 + x + 1} \, dx < \int_1^b \frac{1}{x^2} \, dx\,. b→∞b \to \infty 일 때의 극한을 취하면 ∫1∞1x2+x+1 dx<∫1∞1x2 dx ,\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2 + x + 1} \, dx < \int_1^{\infty} \frac{1}{x^2} \, dx\,, 이고, ∫1∞1x2 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2} \, dx 가 수렴함을 알고 있으므로 ∫1∞1x2+x+1 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2 + x + 1} \, dx 도 수렴한다고 결론짓는다. (b) 각 x>1x > 1 에 대해 ln⁡(x)<x\ln(x) < x 이므로, 모든 x>2x > 2 에 대해서도 ln⁡(x)<x\ln(x) < x 이다. 역수를 취하면 1x<1ln⁡(x)\frac{1}{x} < \frac{1}{\ln(x)} 이고, 따라서 각 b>2b > 2 에 대해 ∫2b1x dx<∫2b1ln⁡(x) dx\int_2^b \frac{1}{x} \, dx < \int_2^b \frac{1}{\ln(x)} \,dx 이다. b→∞b \to \infty 일 때의 극한을 취하면 ∫2∞1x dx≤∫2∞1ln⁡(x) dx\int_2^{\infty} \frac{1}{x} \, dx \le \int_2^{\infty} \frac{1}{\ln(x)} \,dx 이고, ∫1∞1x dx\int_1^\infty \frac{1}{x} \, dx 가 발산함을 알고 있으므로 ∫2∞1ln⁡(x) dx\int_2^\infty \frac{1}{\ln(x)} \, dx 도 발산한다. (c) 모든 xx 에 대해 x4+1>x4x^4+1 > x^4 이므로, 모든 x>1x > 1 에 대해 x4+1x4>1\frac{x^4+1}{x^4} > 1 이고, 따라서 제곱근을 취하면 모든 x>1x > 1 에 대해 x4+1x4>1\sqrt{\frac{x^4+1}{x^4}} > 1 이다. 1부터 bb 까지 적분한 다음 b→∞b \to \infty 로 보내면, 다음과 같이 말할 수 있다. ∫1∞x4+1x4 dx≥∫1∞1 dx\int_1^{\infty} \sqrt{\frac{x^4+1}{x^4}} \, dx \ge \int_1^{\infty} 1 \, dx 피적분함수가 00 으로 가까워지지 않으므로 ∫1∞1 dx\int_1^{\infty} 1 \, dx 가 발산함은 명백하다. 위의 마지막 부등식에 의해 ∫1∞1x⋅x4+1x4 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x} \cdot \sqrt{\frac{x^4+1}{x^4}} \, dx 이 발산한다고 결론지을 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since x≥1x \ge 1, it follows that x+1≥1>0x + 1 \ge 1 > 0, so adding x2x^2 to both sides of this inequality shows that x2+x+1>x2x^2 + x + 1 > x^2 for all x≥1x \ge 1. Taking reciprocals (which reverses the inequality), 1x2+x+1<1x2\frac{1}{x^2 + x + 1} < \frac{1}{x^2} and thus for any b>1b > 1, ∫1b1x2+x+1 dx<∫1b1x2 dx .\int_1^b \frac{1}{x^2 + x + 1} \, dx < \int_1^b \frac{1}{x^2} \, dx\,. Taking the limit as b→∞b \to \infty, it follows that ∫1∞1x2+x+1 dx<∫1∞1x2 dx ,\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2 + x + 1} \, dx < \int_1^{\infty} \frac{1}{x^2} \, dx\,, and since we know that ∫1∞1x2 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2} \, dx converges, we conclude that ∫1∞1x2+x+1 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2 + x + 1} \, dx also converges. (b) Since for each x>1x > 1, ln⁡(x)<x\ln(x) < x, it also holds that ln⁡(x)<x\ln(x) < x for all x>2x > 2. Taking reciprocals, 1x<1ln⁡(x)\frac{1}{x} < \frac{1}{\ln(x)} and thus ∫2b1x dx<∫2b1ln⁡(x) dx\int_2^b \frac{1}{x} \, dx < \int_2^b \frac{1}{\ln(x)} \,dx for each b>2b > 2. Taking the limit as b→∞b \to \infty, we have ∫2∞1x dx≤∫2∞1ln⁡(x) dx\int_2^{\infty} \frac{1}{x} \, dx \le \int_2^{\infty} \frac{1}{\ln(x)} \,dx and since we know that ∫1∞1x dx\int_1^\infty \frac{1}{x} \, dx diverges, it follows that ∫2∞1ln⁡(x) dx\int_2^\infty \frac{1}{\ln(x)} \, dx also diverges. (c) Since x4+1>x4x^4+1 > x^4 for all xx, it follows that x4+1x4>1\frac{x^4+1}{x^4} > 1 for all x>1x > 1, and thus taking square roots, x4+1x4>1\sqrt{\frac{x^4+1}{x^4}} > 1 for all x>1x > 1. Integrating from 11 to bb and then letting b→∞b \to \infty, we can next say that ∫1∞x4+1x4 dx≥∫1∞1 dx\int_1^{\infty} \sqrt{\frac{x^4+1}{x^4}} \, dx \ge \int_1^{\infty} 1 \, dx It is obvious that ∫1∞1 dx\int_1^{\infty} 1 \, dx diverges since the integrand does not tend to 00. By the last inequality above, we can conclude that ∫1∞1x⋅x4+1x4 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x} \cdot \sqrt{\frac{x^4+1}{x^4}} \, dx diverges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.7절 · 15번
# 이상적분증명·논술자동 분류
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