유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
87문제 · 5 / 5쪽
81.APEX · 6.8절 · 32번대학 수준우리말 번역
연습문제 27–32에서, 알맞은 삼각함수 치환을 이용하고 또한 적분 구간을 바꾸어 정적분의 값을 구하세요. (참고: 각 정적분에 대응하는 부정적분은 이 연습문제 앞부분에 이미 나왔습니다.)
∫−11x21−x2dx
영어 원문 보기
In Exercises 27–32, evaluate the definite integrals by making the proper trigonometric substitution and changing the bounds of integration. (Note: each of the corresponding indefinite integrals has appeared previously in this Exercise set.)
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.)
(a) ∫e∞xln(x)dx
(b) ∫e∞xln(x)1dx
(c) ∫e∞x(ln(x))21dx
(d) ∫e∞x(ln(x))p1dx, 단 p 는 양의 실수이다.
(e) ∫01xln(x)dx
(f) ∫01ln(x)dx
영어 원문 보기
Determine, with justification, whether each of the following improper integrals converges or diverges.
(a) ∫e∞xln(x)dx
(b) ∫e∞xln(x)1dx
(c) ∫e∞x(ln(x))21dx
(d) ∫e∞x(ln(x))p1dx, where p is a positive real number
(e) ∫01xln(x)dx
(f) ∫01ln(x)dx
정답·풀이 보기
(a) 이상적분을 극한으로 나타내고, 치환 u=ln(x), du=x1dx 를 이용하여 정적분을 계산한 다음 극한을 취한다.
∫e∞xln(x)dx=b→∞lim∫ebxln(x)dx=b→∞lim∫1ln(b)udu=b→∞lim(2u2)1ln(b)=b→∞lim(2(ln(b))2−21)=∞. 따라서 이상적분 ∫e∞xln(x)dx 는 발산한다.
(b) 이상적분을 극한으로 나타내고, 치환 u=ln(x), du=x1dx 를 이용하여 정적분을 다시 계산한 다음 극한을 취한다.
∫e∞xln(x)1dx=b→∞lim∫ebxln(x)1dx=b→∞lim∫1ln(b)u1du=b→∞lim(ln(∣u∣))1ln(b)=b→∞lim(ln(∣ln(b)∣)−ln(1))=∞. 따라서 이상적분 ∫e∞xln(x)1dx 는 발산한다.
(c) 이번에도 이상적분을 극한으로 나타내고, 치환 u=ln(x), du=x1dx 를 이용하여 정적분을 계산한 다음 극한을 취한다.
∫e∞x(ln(x))21dx=b→∞lim∫ebx(ln(x))21dx=b→∞lim∫1ln(b)u21du=b→∞lim(−u−1)1ln(b)=b→∞lim(−ln(b)1−(−1))=1. 따라서 이상적분 ∫e∞x(ln(x))21dx 는 1 로 수렴한다.
(d) 이번에도 이상적분을 극한으로 나타내고, 치환 u=ln(x), du=x1dx 를 이용하여 정적분을 다시 나타낸다. p=1 이면 (b)에 의해 이 적분은 발산한다. p=1 이면 다음과 같다.
∫e∞x(ln(x))p1dx=b→∞lim∫ebx(ln(x))p1dx=b→∞lim∫1ln(b)up1du=b→∞lim∫1ln(b)u−pdu=b→∞lim(−p+1u−p+1)1ln(b)=1−p1b→∞lim((ln(b))1−p−1)=1.p<1 이면 1−p>0 이고
1−p1b→∞lim((ln(b))1−p−1)=(1−p1)∞=∞. 이 경우 이상적분 ∫e∞x(ln(x))p1dx 는 발산한다.
p>1 이면 1−p<0 이고
1−p1b→∞lim((ln(b))1−p−1)=1−p1b→∞lim((ln(b))p−11−1)=(1−p1)(0−1)=p−11
이 경우 이상적분 ∫e∞x(ln(x))p1dx 는 p−11 로 수렴한다.
따라서 이상적분 ∫e∞x(ln(x))p1dx 는 p≤1 이면 발산하고, p>1 이면 p−11 로 수렴한다.
(e) 이 적분은 피적분함수가 x=0 에서 정의되지 않으므로 이상적분이다. 따라서 이상적분을 극한으로 나타내고, 치환 u=ln(x), du=x1dx 를 이용하여 정적분을 계산한 다음 극한을 취한다.
∫01xln(x)dx=a→0+lim∫a1xln(x)dx=a→0+lim∫ln(a)0udu=a→0+lim(2u2)ln(a)0=a→0+lim(−2(ln(a))2)=−∞. 따라서 이상적분 ∫01xln(x)dx 는 발산한다.
(f) 이 적분은 피적분함수가 x=0 에서 정의되지 않으므로 이상적분이다. 따라서 이상적분을 극한으로 나타낸 다음, u=ln(x), du=x1dx, dv=dx, v=x 로 두고 부분적분을 이용하여 정적분을 계산한 후 극한을 취한다.
∫01ln(x)dx=a→0+lim∫a1ln(x)dx=a→0+lim(xln(x)a1−∫a1dx)=a→0+lim(−aln(a)−xln(a)0)=a→0+lim(−aln(a)−(1−a))=a→0+lim(−aln(a))−1. 극한 lima→0+(−aln(a)) 은 0×∞ 꼴로 부정형이므로, 로피탈의 정리를 적용할 수 있는 꼴로 고쳐 써야 한다. 이제
a→0+lim(−aln(a))=a→0+lim(a1−ln(a)), 이고, 이 뒤의 극한은 ∞∞ 꼴이다. 로피탈의 정리를 적용하면
a→0+lim(a1−ln(a))=a→0+lim(−a21−a1)=a→0+lima=0
앞에서 얻은 등식
∫01ln(x)dx=a→0+lim(−aln(a))−1, 으로 돌아가면, 방금 구한 극한에 의해 이상적분 ∫01ln(x)dx 는 −1 로 수렴한다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) We write the improper integral as a limit and use the substitution u=ln(x) and du=x1dx to evaluate the definite integral, then take the limit:
∫e∞xln(x)dx=b→∞lim∫ebxln(x)dx=b→∞lim∫1ln(b)udu=b→∞lim(2u2)1ln(b)=b→∞lim(2(ln(b))2−21)=∞. So the improper integral ∫e∞xln(x)dx diverges.
(b) We write the improper integral as a limit and use the substitution u=ln(x) and du=x1dx to revaluate the definite integral, then take the limit:.
∫e∞xln(x)1dx=b→∞lim∫ebxln(x)1dx=b→∞lim∫1ln(b)u1du=b→∞lim(ln(∣u∣))1ln(b)=b→∞lim(ln(∣ln(b)∣)−ln(1))=∞. So the improper integral ∫e∞xln(x)1dx diverges.
(c) We again write the improper integral as a limit and use the substitution u=ln(x) and du=x1dx to evaluate the definite integral, then take the limit:
∫e∞x(ln(x))21dx=b→∞lim∫ebx(ln(x))21dx=b→∞lim∫1ln(b)u21du=b→∞lim(−u−1)1ln(b)=b→∞lim(−ln(b)1−(−1))=1. So the improper integral ∫e∞x(ln(x))21dx converges to 1.
(d) We again write the improper integral as a limit and use the substitution u=ln(x) and du=x1dx to rewrite the definite integral. If p=1, then the integral diverges by part (b). If p=1, we have
∫e∞x(ln(x))p1dx=b→∞lim∫ebx(ln(x))p1dx=b→∞lim∫1ln(b)up1du=b→∞lim∫1ln(b)u−pdu=b→∞lim(−p+1u−p+1)1ln(b)=1−p1b→∞lim((ln(b))1−p−1)=1.
If p<1, then 1−p>0 and
1−p1b→∞lim((ln(b))1−p−1)=(1−p1)∞=∞. In this case the improper integral ∫e∞x(ln(x))p1dx diverges.
If p>1, then 1−p<0 and
1−p1b→∞lim((ln(b))1−p−1)=1−p1b→∞lim((ln(b))p−11−1)=(1−p1)(0−1)=p−11
In this case the improper integral ∫e∞x(ln(x))p1dx converges to p−11.
Thus, the improper integral ∫e∞x(ln(x))p1dx diverges if p≤1 and converges to p−11 if p>1.
(e) This integral is improper since the integrand is undefined at x=0. So we write the improper integral as a limit, use the substitution u=ln(x) and du=x1dx to evaluate the definite integral, then take the limit:
∫01xln(x)dx=a→0+lim∫a1xln(x)dx=a→0+lim∫ln(a)0udu=a→0+lim(2u2)ln(a)0=a→0+lim(−2(ln(a))2)=−∞. So the improper integral ∫01xln(x)dx diverges.
(f) This integral is improper since the integrand is undefined at x=0. So we write the improper integral as a limit, then use parts with u=ln(x), du=x1dx, dv=dx, and v=x to evaluate the definite integral, then take the limit:
∫01ln(x)dx=a→0+lim∫a1ln(x)dx=a→0+lim(xln(x)a1−∫a1dx)=a→0+lim(−aln(a)−xln(a)0)=a→0+lim(−aln(a)−(1−a))=a→0+lim(−aln(a))−1. The limit lima→0+(−aln(a)) has the form 0×∞, which is indeterminate, so we need to rewrite it in a form in which we can apply L'Hopital's Rule. Now,
a→0+lim(−aln(a))=a→0+lim(a1−ln(a)), and this latter limit is of the form ∞∞. Applying L'Hopital's Rule gives us
a→0+lim(a1−ln(a))=a→0+lim(−a21−a1)=a→0+lima=0
Returning to our earlier established equality that
∫01ln(x)dx=a→0+lim(−aln(a))−1, this most recent limit shows that the improper integral ∫01ln(x)dx converges to −1.