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 · 17번대학 수준우리말 번역

직선 y=1x12y = \dfrac{1}{x\vphantom{\frac{1}{2}}} 의 x=ax=a 부터 x=1x=1 까지의 부분을 yy축을 중심으로 회전시켜 부부젤라 모양의 키 큰 입체를 만든다. 여기서 aa 는 0과 1 사이의 어떤 상수이다.

그림

참 또는 거짓: 상수 MM 이 아무리 크더라도, 부피가 MM 보다 큰 입체를 만드는 aa 의 값이 존재한다.

영어 원문 보기

We craft a tall, vuvuzela-shaped solid by rotating the line y=1x12y = \dfrac{1}{x\vphantom{\frac{1}{2}}} from x=ax=a to x=1x=1 about the yy-axis, where aa is some constant between 0 and 1.

figure

True or false: No matter how large a constant MM is, there is some value of aa that makes a solid with volume larger than MM.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

입체의 부피를 구하기 위해, 입체를 얇은 원판 모양의 가로 단면으로 자른다. 높이 yy 에서 원판의 반지름은 x=1yx=\frac{1}{y} 이고 두께는 dy\mathrm{d}y 이므로, 그 부피는 πy2dy\frac{\pi}{y^2}\mathrm{d}y 이다. 입체의 밑면은 높이 y=1y=1 에 있고, 꼭대기는 높이 y=1ay=\frac{1}{a} 에 있다. 따라서 입체 전체의 부피는 다음과 같다.

∫11/aπy2dy=[−πy]11/a=π(1−a)\begin{aligned} \int_1^{1/a} \frac{\pi}{y^2}\mathrm{d}y = \left[-\frac{\pi}{y}\right]_1^{1/a} = \pi (1-a) \end{aligned}

aa 를 0에 점점 더 가깝게 하면 부피는 커져서 π\pi 단위에 점점 가까워지지만, 결코 π\pi 에 이르지는 못한다.

따라서 주어진 명제는 거짓이다. 예를 들어 M=4M=4 로 두면, 어떤 aa 를 택하더라도 이 입체의 부피는 MM 보다 확실히 작다.

참고: 앞에서 ∫011x dx\int_0^1 \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x 가 발산함을 보았다. a=0a=0 으로 택했을 때 만들어질 입체를 생각하면, 그 부피는 겨우 π\pi 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 yy, the disk has radius x=1yx=\frac{1}{y} and thickness dy\mathrm{d}y, so its volume is πy2dy\frac{\pi}{y^2}\mathrm{d}y. The base of the solid is at height y=1y=1, and its top is at height y=1ay=\frac{1}{a}. So, the volume of the entire solid is:

∫11/aπy2dy=[−πy]11/a=π(1−a)\begin{aligned} \int_1^{1/a} \frac{\pi}{y^2}\mathrm{d}y = \left[-\frac{\pi}{y}\right]_1^{1/a} = \pi (1-a) \end{aligned}

If we imagine sliding aa closer and closer to 0, the volume increases, getting closer and closer to π\pi units, but never quite reaching it.

So, the statement is false. For example, if we set M=4M=4, no matter which aa we choose our solid has volume strictly less than MM.

Remark: we've seen before that ∫011x dx\int_0^1 \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x diverges. If we imagine the solid that would result from choosing a=0a=0, it would have a scant volume of π\pi cubic units, but a silhouette (side view) of infinite area.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 6.5절 · 11번
# 이상적분개념 확인도전자동 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 · 25번대학 수준우리말 번역

Mn,tM_{n,t} 를 nn 개의 같은 길이의 부분구간으로 나눈 ∫0te−x1+x dx\displaystyle\int_0^t \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x 의 중점 규칙 근삿값이라 하자. Mn,tM_{n,t} 와 ∫0∞e−x1+x dx\int_0^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x 의 차가 10−410^{-4} 이하가 되도록 하는 tt 의 값과 nn 의 값을 구하세요. 중점 규칙을 nn 개의 부분구간으로 사용할 때 생기는 오차 EnE_n 은 다음을 만족함을 기억하세요.

∣En∣≤M(b−a)324n2\begin{aligned} |E_n|\le \frac{M(b-a)^3}{24n^2} \end{aligned}

여기서 MM 은 피적분함수의 이계도함수의 절댓값의 최댓값이고, aa 와 bb 는 적분 구간의 양 끝점이다.

영어 원문 보기

Let Mn,tM_{n,t} be the Midpoint Rule approximation for ∫0te−x1+x dx\displaystyle\int_0^t \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x with nn equal subintervals. Find a value of tt and a value of nn such that Mn,tM_{n,t} differs from ∫0∞e−x1+x dx\int_0^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x by at most 10−410^{-4}. Recall that the error EnE_n introduced when the Midpoint Rule is used with nn subintervals obeys

∣En∣≤M(b−a)324n2\begin{aligned} |E_n|\le \frac{M(b-a)^3}{24n^2} \end{aligned}

where MM is the maximum absolute value of the second derivative of the integrand and aa and bb are the end points of the interval of integration.

정답·풀이 보기

오차의 원인은 두 가지이다. 하나는 위끝이 무한대가 아니라 tt 라는 것이고, 다른 하나는 유한한 개수 nn 의 구간으로 근사한다는 것이다. 먼저 오차가 1210−4\frac{1}{2}10^{-4} 이하가 되도록 하는 tt 의 값을 찾는다. 즉 ∫t∞e−x1+x dx≤1210−4\int_t^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}~\mathrm{d}x \leq \frac{1}{2}10^{-4} 이 되는 tt 를 찾는다. 그 다음에 ∫0te−xx+1 dx\int_0^t \frac{e^{-x}}{x+1}~\mathrm{d}x 를 1210−4\frac{1}{2}10^{-4} 이내로 근사하는 nn 의 값을 찾는다. 그러면 전체 오차는 최대 1210−4+1210−4=10−4\frac{1}{2}10^{-4} + \frac{1}{2}10^{-4} = 10^{-4} 이 되어 원하는 결과를 얻는다. (오차를 1210−4\frac{1}{2}10^{-4} 과 1210−4\frac{1}{2}10^{-4} 이 아닌 다른 방식으로 나눌 수도 있다. 이렇게 하면 가능한 여러 답 중 하나를 얻게 된다.)

∫t∞e−x1+x dx≤1210−4\int_t^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x\le\frac{1}{2} 10^{-4} 이 되는 tt 를 찾자. 모든 x≥0x\ge 0 에 대해 0<e−x1+x≤e−x0<\frac{e^{-x}}{1+x}\le e^{-x} 이므로

∫t∞e−x1+x dx≤∫t∞e−x dx=e−t≤(∗)1210−4여기서 (∗)는 다음이 성립하면 참이다: t≥−log⁡(1210−4)≈9.90\begin{aligned} \int_t^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x \le \int_t^\infty e^{-x}\ \mathrm{d}x =e^{-t}&\stackrel{(*)}{\le}\frac{1}{2} 10^{-4}\\ \text{여기서 ($*$)는 다음이 성립하면 참이다: }\quad t&\ge -\log\Big(\frac{1}{2} 10^{-4}\Big)\approx 9.90 \end{aligned}

예를 들어 t=10t=10 으로 택한다.

이제 ∫0te−xx+1 dx\displaystyle\int_0^t \frac{e^{-x}}{x+1}~\mathrm{d}x 를 근사하는 데 사용할 구간의 개수를 정하자. 이번에도 오차가 1210−4\frac{1}{2}10^{-4} 보다 작아야 한다. 오차의 한계를 구하려면 e−xx+1\frac{e^{-x}}{x+1} 의 이계도함수를 알아야 한다.

f(x)=e−x1+x  ⟹  f′(x)=−e−x1+x−e−x(1+x)2  ⟹  f′′(x)=e−x1+x+2e−x(1+x)2+2e−x(1+x)3\begin{aligned} f(x)=\frac{e^{-x}}{1+x} \implies f'(x)=-\frac{e^{-x}}{1+x}-\frac{e^{-x}}{(1+x)^2} \implies f''(x)&=\frac{e^{-x}}{1+x}+2\frac{e^{-x}}{(1+x)^2} +2\frac{e^{-x}}{(1+x)^3} \end{aligned}

f′′(x)f''(x) 는 양수이고 xx 가 증가하면 감소하므로

∣f′′(x)∣≤f′′(0)=5  ⟹  ∣En∣≤5(10−0)324n2=500024n2=6253n2\begin{aligned} |f''(x)|\le f''(0) = 5 \implies |E_n|\le\frac{5(10-0)^3}{24n^2}=\frac{5000}{24n^2} =\frac{625}{3n^2} \end{aligned}

이고, 다음이 성립하면 ∣En∣≤1210−4|E_n|\le \frac{1}{2} 10^{-4} 이다.

6253n2≤1210−4  ⟺  n2≥1250×1043  ⟺  n≥1.25×1073≈2041.2\begin{aligned} &&\frac{625}{3n^2}&\le \frac{1}{2} 10^{-4}\\ &\iff\qquad & n^2&\ge \frac{1250\times 10^4}{3}\\ &\iff\quad &n&\ge \sqrt{\frac{1.25\times 10^7}{3}} \approx 2041.2 \end{aligned}

따라서 t=10t=10, n=2042n= 2042 로 하면 된다. 이 밖에도 옳은 답이 많이 있다.

원본 교재 풀이(영어)

There are two sources of error: the upper bound is tt, rather than infinity, and we're using an approximation with some finite number of intervals, nn. Our plan is to first find a value of tt that introduces an error of no more than 1210−4\frac{1}{2}10^{-4}. That is, we'll find a value of tt such that ∫t∞e−x1+x dx≤1210−4\int_t^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}~\mathrm{d}x \leq \frac{1}{2}10^{-4}. After that, we'll find a value of nn that approximates ∫0te−xx+1 dx\int_0^t \frac{e^{-x}}{x+1}~\mathrm{d}x to within 1210−4\frac{1}{2}10^{-4}. Then, all together, our error will be at most 1210−4+1210−4=10−4\frac{1}{2}10^{-4} + \frac{1}{2}10^{-4} = 10^{-4}, as desired. (Note we could have broken up the error in another way—it didn't have to be 1210−4\frac{1}{2}10^{-4} and 1210−4\frac{1}{2}10^{-4}. This will give us one of many possible answers.)

Let's find a tt such that ∫t∞e−x1+x dx≤1210−4\int_t^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x\le\frac{1}{2} 10^{-4}. For all x≥0x\ge 0, 0<e−x1+x≤e−x0<\frac{e^{-x}}{1+x}\le e^{-x}, so

∫t∞e−x1+x dx≤∫t∞e−x dx=e−t≤(∗)1210−4where (∗) is true if t≥−log⁡(1210−4)≈9.90\begin{aligned} \int_t^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x \le \int_t^\infty e^{-x}\ \mathrm{d}x =e^{-t}&\stackrel{(*)}{\le}\frac{1}{2} 10^{-4}\\ \text{where ($*$) is true if }\quad t&\ge -\log\Big(\frac{1}{2} 10^{-4}\Big)\approx 9.90 \end{aligned}

Choose, for example, t=10t=10.

Now it's time to decide how many intervals we're going to use to approximate ∫0te−xx+1 dx\displaystyle\int_0^t \frac{e^{-x}}{x+1}~\mathrm{d}x. Again, we want our error to be less than 1210−4\frac{1}{2}10^{-4}. To bound our error, we need to know the second derivative of e−xx+1\frac{e^{-x}}{x+1}.

f(x)=e−x1+x  ⟹  f′(x)=−e−x1+x−e−x(1+x)2  ⟹  f′′(x)=e−x1+x+2e−x(1+x)2+2e−x(1+x)3\begin{aligned} f(x)=\frac{e^{-x}}{1+x} \implies f'(x)=-\frac{e^{-x}}{1+x}-\frac{e^{-x}}{(1+x)^2} \implies f''(x)&=\frac{e^{-x}}{1+x}+2\frac{e^{-x}}{(1+x)^2} +2\frac{e^{-x}}{(1+x)^3} \end{aligned}

Since f′′(x)f''(x) is positive, and decreases as xx increases,

∣f′′(x)∣≤f′′(0)=5  ⟹  ∣En∣≤5(10−0)324n2=500024n2=6253n2\begin{aligned} |f''(x)|\le f''(0) = 5 \implies |E_n|\le\frac{5(10-0)^3}{24n^2}=\frac{5000}{24n^2} =\frac{625}{3n^2} \end{aligned}

and ∣En∣≤1210−4|E_n|\le \frac{1}{2} 10^{-4} if

6253n2≤1210−4  ⟺  n2≥1250×1043  ⟺  n≥1.25×1073≈2041.2\begin{aligned} &&\frac{625}{3n^2}&\le \frac{1}{2} 10^{-4}\\ &\iff\qquad & n^2&\ge \frac{1250\times 10^4}{3}\\ &\iff\quad &n&\ge \sqrt{\frac{1.25\times 10^7}{3}} \approx 2041.2 \end{aligned}

So t=10t=10 and n=2042n= 2042 will do the job. There are many other correct answers.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.12절 · 27번
# 이상적분활용도전자동 분류
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3.CLP-2 · 1.12절 · 27번대학 수준우리말 번역

참 또는 거짓: x≥1x \geq 1 인 어떤 실수 xx 가 존재하여 ∫0x1et dt=1\displaystyle\int_0^x \frac{1}{e^t}~\mathrm{d}t = 1 이다.

영어 원문 보기

True or false: There is some real number xx, with x≥1x \geq 1, such that ∫0x1et dt=1\displaystyle\int_0^x \frac{1}{e^t}~\mathrm{d}t = 1.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

F(x)=∫0x1etdtF(x)= \int_0^x \frac{1}{e^{t}}\mathrm{d}t 라 하자.

F(x)=∫0x1etdt=[−1et]0x=1e0−1ex<1e0=1\begin{aligned} F(x)=\int_0^x \frac{1}{e^{t}}\mathrm{d}t&=\left[-\frac{1}{e^{t}}\right]_0^x = \frac{1}{e^0}-\frac{1}{e^{x}}<\frac{1}{e^0}=1 \end{aligned}

따라서 주어진 명제는 거짓이다. F(x)=1F(x)=1 인 xx 는 존재하지 않는다. 모든 실수 xx 에 대해 F(x)<1e0=1F(x) < \frac{1}{e^0}=1 이다.

여기서 lim⁡x→∞∫0x1etdt=1\displaystyle\lim_{x \to \infty} \int_0^x\frac{1}{e^{t}}\mathrm{d}t=1 임에 주목하자. 즉 xx 가 커질수록 F(x)F(x) 와 1 의 차는 한없이 작아진다. 그러나 F(x)F(x) 가 정확히 1 과 같아지는 실수 xx 의 값은 없다.

원본 교재 풀이(영어)

Define F(x)=∫0x1etdtF(x)= \int_0^x \frac{1}{e^{t}}\mathrm{d}t.

F(x)=∫0x1etdt=[−1et]0x=1e0−1ex<1e0=1\begin{aligned} F(x)=\int_0^x \frac{1}{e^{t}}\mathrm{d}t&=\left[-\frac{1}{e^{t}}\right]_0^x = \frac{1}{e^0}-\frac{1}{e^{x}}<\frac{1}{e^0}=1 \end{aligned}

So, the statement is false: there is no xx such that F(x)=1F(x)=1. For every real xx, F(x)<1e0=1F(x) < \frac{1}{e^0}=1.

We note here that lim⁡x→∞∫0x1etdt=1\displaystyle\lim_{x \to \infty} \int_0^x\frac{1}{e^{t}}\mathrm{d}t=1. So, as xx grows larger, the gap between F(x)F(x) and 1 grows infintesimally small. But there is no real value of xx where F(x)F(x) is exactly equal to 1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.7절 · 29번
# 이상적분개념 확인도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)