문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분 기법

이상적분

무한 구간이나 함숫값이 무한대가 되는 점이 있는 적분의 수렴·발산을 판정한다

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

3문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 1.12절 · 6번대학 수준우리말 번역

적분 ∫01x4x5−1 dx\displaystyle\int_0^1\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x 의 값을 구하거나, 발산함을 보이세요.

영어 원문 보기

Evaluate the integral ∫01x4x5−1 dx\displaystyle\int_0^1\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x or state that it diverges.

정답·풀이 보기

x=1x=1 일 때 분모는 0이지만 분자는 0이 아니므로, 피적분함수는 x=1x=1 에서 특이점(무한 불연속)을 갖는다. 적분 구간의 끝 x=1x=1 을 1에 한없이 가까워지는 문자로 바꾸어 보자.

∫01x4x5−1 dx=lim⁡t→1−∫0tx4x5−1 dx\int_0^1\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x =\lim_{t\rightarrow 1^-}\int_0^t\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x

이 적분의 값을 구하기 위해 u=x5u=x^5, du=5x4dx\mathrm{d}u=5x^4\mathrm{d}x 로 치환한다. x=0x=0 일 때 u=0u=0 이고, x=tx=t 일 때 u=t5u=t^5 이므로

∫01x4x5−1 dx=lim⁡t→1−∫0tx4x5−1 dx=lim⁡t→1−∫u=0u=t515(u−1) du=lim⁡t→1−([15log⁡∣u−1∣]0t5)=lim⁡t→1−15log⁡∣t5−1∣=−∞\begin{aligned} \int_0^1\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x&=\lim_{t \to 1^-}\int_{0}^{t}\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x =\lim_{t \to 1^-}\int_{u=0}^{u=t^5}\frac{1}{5(u-1)}\,\mathrm{d}u\\ &=\lim_{t \to 1^-}\left( \left[\frac{1}{5}\log|u-1|\right]_0^{t^5}\right) =\lim_{t \to 1^-}\frac{1}{5}\log|t^5-1|=-\infty \end{aligned}

극한이 존재하지 않으므로 이 적분은 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)

The denominator is zero when x=1x=1, but the numerator is not, so the integrand has a singularity (infinite discontinuity) at x=1x=1. Let's replace the limit x=1x=1 with a variable that creeps toward 1.

∫01x4x5−1 dx=lim⁡t→1−∫0tx4x5−1 dx\int_0^1\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x =\lim_{t\rightarrow 1^-}\int_0^t\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x

To evaluate this integral we use the substitution u=x5u=x^5, du=5x4dx\mathrm{d}u=5x^4\mathrm{d}x. When x=0x=0 we have u=0u=0, and when x=tx=t we have u=t5u=t^5, so

∫01x4x5−1 dx=lim⁡t→1−∫0tx4x5−1 dx=lim⁡t→1−∫u=0u=t515(u−1) du=lim⁡t→1−([15log⁡∣u−1∣]0t5)=lim⁡t→1−15log⁡∣t5−1∣=−∞\begin{aligned} \int_0^1\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x&=\lim_{t \to 1^-}\int_{0}^{t}\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x =\lim_{t \to 1^-}\int_{u=0}^{u=t^5}\frac{1}{5(u-1)}\,\mathrm{d}u\\ &=\lim_{t \to 1^-}\left( \left[\frac{1}{5}\log|u-1|\right]_0^{t^5}\right) =\lim_{t \to 1^-}\frac{1}{5}\log|t^5-1|=-\infty \end{aligned}

The limit does not exist, so the integral diverges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.12절 · 25번
# 이상적분계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-2 · 1.12절 · 7번대학 수준우리말 번역

적분 ∫−221(x+1)4/3 dx\displaystyle\int_{-2}^2\frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x 이 수렴하는지 발산하는지 판단하세요. 수렴하면 그 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Determine whether the integral ∫−221(x+1)4/3 dx\displaystyle\int_{-2}^2\frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x is convergent or divergent. If it is convergent, find its value.

정답·풀이 보기

피적분함수의 분모는 x=−1x=-1 일 때 0이지만 분자는 0이 아니다. 따라서 피적분함수는 x=−1x=-1 에서 특이점(무한 불연속)을 가진다. 이것이 이 적분에서 유일한 “이상적분이 되는 원인”이므로, 적분 구간을 한 번만 나누면 된다.

∫−221(x+1)4/3 dx=lim⁡t→−1−∫−2t1(x+1)4/3 dx+lim⁡t→−1+∫t21(x+1)4/3 dx\int_{-2}^2\frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x =\lim_{t\rightarrow -1^-}\int_{-2}^t \frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x +\lim_{t\rightarrow -1^+}\int_t^2 \frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x

먼저 왼쪽 극한을 살펴보자.

lim⁡t→−1−∫−2t1(x+1)4/3 dx=lim⁡t→−1−([−3(x+1)1/3∣−2t)=lim⁡t→−1−(−3(t+1)1/3+3(−1)1/3)=∞\begin{aligned} \lim_{t \to -1^-}\int_{-2}^t \frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x &=\lim_{t \to -1^-}\left(\left[-\frac{3}{(x+1)^{1/3}}\right|_{-2}^t\right)\\ &=\lim_{t \to -1^-}\left(-\frac{3}{(t+1)^{1/3}}+\frac{3}{(-1)^{1/3}}\right)=\infty \end{aligned}

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=−1x=-1, but the numerator is not. So, the integrand has a singularity (infinite discontinuity) at x=−1x=-1. This is the only “source of impropriety" in this integral, so we only need to make one break in the domain of integration.

∫−221(x+1)4/3 dx=lim⁡t→−1−∫−2t1(x+1)4/3 dx+lim⁡t→−1+∫t21(x+1)4/3 dx\int_{-2}^2\frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x =\lim_{t\rightarrow -1^-}\int_{-2}^t \frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x +\lim_{t\rightarrow -1^+}\int_t^2 \frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x

Let's start by considering the left limit.

lim⁡t→−1−∫−2t1(x+1)4/3 dx=lim⁡t→−1−([−3(x+1)1/3∣−2t)=lim⁡t→−1−(−3(t+1)1/3+3(−1)1/3)=∞\begin{aligned} \lim_{t \to -1^-}\int_{-2}^t \frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x &=\lim_{t \to -1^-}\left(\left[-\frac{3}{(x+1)^{1/3}}\right|_{-2}^t\right)\\ &=\lim_{t \to -1^-}\left(-\frac{3}{(t+1)^{1/3}}+\frac{3}{(-1)^{1/3}}\right)=\infty \end{aligned}

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.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.12절 · 6번
# 이상적분계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-2 · 1.12절 · 10번대학 수준우리말 번역

적분 ∫−∞∞cos⁡x dx\displaystyle\int_{-\infty}^\infty \cos x~\mathrm{d}x 은 수렴하는지 발산하는지 판단하세요. 수렴하면 그 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Does the integral ∫−∞∞cos⁡x dx\displaystyle\int_{-\infty}^\infty \cos x~\mathrm{d}x converge or diverge? If it converges, evaluate it.

정답·풀이 보기

“이상적분이 되는 원인”이 두 가지 있다. 바로 (무한대인) 두 적분 구간의 끝이다. 따라서 적분을 두 부분으로 나눈다.

∫−∞∞cos⁡x dx=∫−∞0cos⁡x dx+∫0∞cos⁡x dx=lim⁡a→∞[∫−a0cos⁡x dx]+lim⁡b→∞[∫0bcos⁡x dx]이 정도는 부정적분을 쉽게 구할 수 있다.=lim⁡a→∞[sin⁡0−sin⁡(−a)]+lim⁡b→∞[sin⁡b−sin⁡0]=존재하지 않는다\begin{aligned} \int_{-\infty}^\infty \cos x~\mathrm{d}x&=\int_{-\infty}^0 \cos x~\mathrm{d}x+\int_{0}^\infty \cos x~\mathrm{d}x\\ &=\lim_{a \to \infty }\left[\int_{-a}^0 \cos x~\mathrm{d}x\right]+ \lim_{b \to \infty }\left[\int_{0}^b \cos x~\mathrm{d}x\right] \\ \text{이 정도는 부정적분을 쉽게 구할 수 있다.} \\ &=\lim_{a \to \infty }\left[\sin 0 - \sin(- a) \right]+ \lim_{b \to \infty }\left[\sin b - \sin 0 \right]\\ &=\text{존재하지 않는다} \end{aligned}

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.

∫−∞∞cos⁡x dx=∫−∞0cos⁡x dx+∫0∞cos⁡x dx=lim⁡a→∞[∫−a0cos⁡x dx]+lim⁡b→∞[∫0bcos⁡x dx]These are easy enough to antdifferentiate.=lim⁡a→∞[sin⁡0−sin⁡(−a)]+lim⁡b→∞[sin⁡b−sin⁡0]=DNE\begin{aligned} \int_{-\infty}^\infty \cos x~\mathrm{d}x&=\int_{-\infty}^0 \cos x~\mathrm{d}x+\int_{0}^\infty \cos x~\mathrm{d}x\\ &=\lim_{a \to \infty }\left[\int_{-a}^0 \cos x~\mathrm{d}x\right]+ \lim_{b \to \infty }\left[\int_{0}^b \cos x~\mathrm{d}x\right] \\ \text{These are easy enough to antdifferentiate.} \\ &=\lim_{a \to \infty }\left[\sin 0 - \sin(- a) \right]+ \lim_{b \to \infty }\left[\sin b - \sin 0 \right]\\ &=\text{DNE} \end{aligned}

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.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.12절 · 17번
# 이상적분계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)