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.

2문제 · 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.

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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.

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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 · 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.

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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
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CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)