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.

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−x2 dx\displaystyle \int_{-1}^1 x^2\sqrt{1-x^2}\ dx

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.)

∫−11x21−x2 dx\displaystyle \int_{-1}^1 x^2\sqrt{1-x^2}\ dx

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

π/8\pi/8

원본 교재 풀이(영어)

π/8\pi/8

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.12절 · 17번
# 이상적분계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
82.CLP-2 · 1.12절 · 1번대학 수준우리말 번역

적분 ∫0b1x2−1 dx\displaystyle\int_0^b \frac{1}{x^2-1}~\mathrm{d}x 이 이상적분이 되는 bb 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

For which values of bb is the integral ∫0b1x2−1 dx\displaystyle\int_0^b \frac{1}{x^2-1}~\mathrm{d}x improper?

정답·풀이 보기

b=±∞b= \pm \infty 이면 적분 구간의 한 끝이 실수가 아니므로 이 적분은 이상적분이다.

또한 적분 구간이 무한 불연속점 x=1x=1 과 x=−1x=-1 중 어느 하나라도 포함하면 이 적분은 이상적분이다. 적분 구간의 한 끝이 0이므로, b≥1b \geq 1 이거나 b≤−1b \leq -1 이면 이상적분이다.

아래에 1x2−1\frac{1}{x^2-1} 의 그래프를 그려 두었다. 다른 쪽 적분 구간의 끝이 a=0a=0 일 때, (−1,1)(-1,1) 에 속하는 bb 의 값만 이상적분이 되지 않는 이유를 이 그래프로 더 분명히 알 수 있다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

If b=±∞ b= \pm \infty, 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=1x=1 and x=−1x=-1. Since one limit of integration is 0, the integral is improper if b≥1b \geq 1 or if b≤−1b \leq -1.

Below, we've graphed 1x2−1\frac{1}{x^2-1} to make it clearer why values of bb in (−1,1)(-1,1) are the only values that don't result in an improper integral when the other limit of integration is a=0a=0.

figure

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

적분 ∫0b1x2+1 dx\displaystyle\int_0^b \frac{1}{x^2+1}~\mathrm{d}x 이 이상적분이 되는 bb 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

For which values of bb is the integral ∫0b1x2+1 dx\displaystyle\int_0^b \frac{1}{x^2+1}~\mathrm{d}x improper?

정답·풀이 보기

피적분함수가 모든 실수 xx 에서 연속이므로, 이상적분이 될 수 있는 경우는 b=±∞b = \pm\infty 로 놓는 것뿐이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since the integrand is continuous for all real xx, the only kind of impropriety available to us is to set b=±∞b = \pm\infty.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.12절 · 1번
# 이상적분계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
84.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)
85.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)
86.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)
87.Active Calculus · 6.5절 · 11번대학 수준우리말 번역

다음 각 이상적분이 수렴하는지 발산하는지 근거와 함께 판단하세요.

(a) ∫e∞ln⁡(x)x dx\int_e^{\infty} \frac{\ln(x)}{x} \, dx (b) ∫e∞1xln⁡(x) dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx (c) ∫e∞1x(ln⁡(x))2 dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx (d) ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx, 단 pp 는 양의 실수이다. (e) ∫01ln⁡(x)x dx\int_0^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx (f) ∫01ln⁡(x) dx\int_0^1 \ln(x) \, dx

영어 원문 보기

Determine, with justification, whether each of the following improper integrals converges or diverges.

(a) ∫e∞ln⁡(x)x dx\int_e^{\infty} \frac{\ln(x)}{x} \, dx (b) ∫e∞1xln⁡(x) dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx (c) ∫e∞1x(ln⁡(x))2 dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx (d) ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx, where pp is a positive real number (e) ∫01ln⁡(x)x dx\int_0^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx (f) ∫01ln⁡(x) dx\int_0^1 \ln(x) \, dx

정답·풀이 보기

(a) 이상적분을 극한으로 나타내고, 치환 u=ln⁡(x)u = \ln(x), du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx 를 이용하여 정적분을 계산한 다음 극한을 취한다. ∫e∞ln⁡(x)x dx=lim⁡b→∞∫ebln⁡(x)x dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)u du=lim⁡b→∞(u22)∣1ln⁡(b)=lim⁡b→∞((ln⁡(b))22−12)=∞ .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{\ln(x)}{x} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{\ln(x)}{x} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} u \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \frac{u^2}{2} \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \frac{(\ln(b))^2}{2} - \frac{1}{2} \right) \\ &= \infty\end{aligned}\,. 따라서 이상적분 ∫e∞ln⁡(x)x dx\int_e^{\infty} \frac{\ln(x)}{x} \, dx 는 발산한다. (b) 이상적분을 극한으로 나타내고, 치환 u=ln⁡(x)u = \ln(x), du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx 를 이용하여 정적분을 다시 계산한 다음 극한을 취한다. ∫e∞1xln⁡(x) dx=lim⁡b→∞∫eb1xln⁡(x) dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)1u du=lim⁡b→∞(ln⁡(∣u∣))∣1ln⁡(b)=lim⁡b→∞(ln⁡(∣ln⁡(b)∣)−ln⁡(1))=∞ .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} \frac{1}{u} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \ln(|u|) \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \ln(|\ln(b)|) - \ln(1) \right) \\ &= \infty\end{aligned}\,. 따라서 이상적분 ∫e∞1xln⁡(x) dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx 는 발산한다. (c) 이번에도 이상적분을 극한으로 나타내고, 치환 u=ln⁡(x)u = \ln(x), du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx 를 이용하여 정적분을 계산한 다음 극한을 취한다. ∫e∞1x(ln⁡(x))2 dx=lim⁡b→∞∫eb1x(ln⁡(x))2 dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)1u2 du=lim⁡b→∞(−u−1)∣1ln⁡(b)=lim⁡b→∞(−1ln⁡(b)−(−1))=1 .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} \frac{1}{u^2} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( -u^{-1} \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( -\frac{1}{\ln(b)} - (-1) \right) \\ &= 1\end{aligned}\,. 따라서 이상적분 ∫e∞1x(ln⁡(x))2 dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx 는 11 로 수렴한다. (d) 이번에도 이상적분을 극한으로 나타내고, 치환 u=ln⁡(x)u = \ln(x), du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx 를 이용하여 정적분을 다시 나타낸다. p=1p=1 이면 (b)에 의해 이 적분은 발산한다. p≠1p \neq 1 이면 다음과 같다. ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx=lim⁡b→∞∫eb1x(ln⁡(x))p dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)1up du=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)u−p du=lim⁡b→∞(u−p+1−p+1)∣1ln⁡(b)=11−plim⁡b→∞((ln⁡(b))1−p−1)=1 .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} \frac{1}{u^p} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} u^{-p} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \frac{u^{-p+1}}{-p+1} \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \frac{1}{1-p} \lim_{b \to \infty} \left( (\ln(b))^{1-p} - 1 \right) \\ &= 1\end{aligned}\,. p<1p < 1 이면 1−p>01-p > 0 이고 11−plim⁡b→∞((ln⁡(b))1−p−1)=(11−p)∞=∞ .\frac{1}{1-p} \lim_{b \to \infty} \left( (\ln(b))^{1-p} - 1 \right) = \left(\frac{1}{1-p}\right)\infty = \infty\,. 이 경우 이상적분 ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx 는 발산한다. p>1p > 1 이면 1−p<01-p < 0 이고 11−plim⁡b→∞((ln⁡(b))1−p−1)=11−plim⁡b→∞(1(ln⁡(b))p−1−1)=(11−p)(0−1)=1p−1\frac{1}{1-p}\lim_{b \to \infty} \left( (\ln(b))^{1-p} - 1 \right) = \frac{1}{1-p}\lim_{b \to \infty} \left( \frac{1}{(\ln(b))^{p-1}} - 1 \right) = \left(\frac{1}{1-p}\right)(0-1) = \frac{1}{p-1} 이 경우 이상적분 ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx 는 1p−1\frac{1}{p-1} 로 수렴한다. 따라서 이상적분 ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx 는 p≤1p \leq 1 이면 발산하고, p>1p > 1 이면 1p−1\frac{1}{p-1} 로 수렴한다. (e) 이 적분은 피적분함수가 x=0x = 0 에서 정의되지 않으므로 이상적분이다. 따라서 이상적분을 극한으로 나타내고, 치환 u=ln⁡(x)u = \ln(x), du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx 를 이용하여 정적분을 계산한 다음 극한을 취한다. ∫01ln⁡(x)x dx=lim⁡a→0+∫a1ln⁡(x)x dx=lim⁡a→0+∫ln⁡(a)0u du=lim⁡a→0+(u22)∣ln⁡(a)0=lim⁡a→0+(−(ln⁡(a))22)=−∞ .\begin{aligned}\int_0^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx &= \lim_{a \to 0^+} \int_a^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx \\ &= \lim_{a \to 0^+} \int_{\ln(a)}^{0} u \, du \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( \frac{u^2}{2} \right)\biggm|_{\ln(a)}^{0} \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -\frac{(\ln(a))^2}{2} \right) \\ &= -\infty\end{aligned}\,. 따라서 이상적분 ∫01ln⁡(x)x dx\int_0^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx 는 발산한다. (f) 이 적분은 피적분함수가 x=0x=0 에서 정의되지 않으므로 이상적분이다. 따라서 이상적분을 극한으로 나타낸 다음, u=ln⁡(x)u = \ln(x), du=1x dxdu = \frac{1}{x} \, dx, dv=dxdv = dx, v=xv = x 로 두고 부분적분을 이용하여 정적분을 계산한 후 극한을 취한다. ∫01ln⁡(x) dx=lim⁡a→0+∫a1ln⁡(x) dx=lim⁡a→0+(xln⁡(x)∣a1−∫a1 dx)=lim⁡a→0+(−aln⁡(a)−x∣ln⁡(a)0)=lim⁡a→0+(−aln⁡(a)−(1−a))=lim⁡a→0+(−aln⁡(a))−1 .\begin{aligned}\int_0^1 \ln(x) \, dx &= \lim_{a \to 0^+} \int_a^1 \ln(x) \, dx \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( x\ln(x)\biggm|_a^1 - \int_{a}^{1} \ dx \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) - x\biggm|_{\ln(a)}^{0} \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) - (1-a) \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) - 1\end{aligned}\,. 극한 lim⁡a→0+(−aln⁡(a))\lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) 은 0×∞0 \times \infty 꼴로 부정형이므로, 로피탈의 정리를 적용할 수 있는 꼴로 고쳐 써야 한다. 이제 lim⁡a→0+(−aln⁡(a))=lim⁡a→0+(−ln⁡(a)1a) ,\lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) = \lim_{a \to 0^+} \left( \frac{-\ln(a)}{\frac{1}{a}} \right)\,, 이고, 이 뒤의 극한은 ∞∞\frac{\infty}{\infty} 꼴이다. 로피탈의 정리를 적용하면 lim⁡a→0+(−ln⁡(a)1a)=lim⁡a→0+(−1a−1a2)=lim⁡a→0+a=0\begin{aligned}\lim_{a \to 0^+} \left( \frac{-\ln(a)}{\frac{1}{a}} \right) &= \lim_{a \to 0^+} \left( \frac{-\frac{1}{a}}{-\frac{1}{a^2}} \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} a \\ &= 0\end{aligned} 앞에서 얻은 등식 ∫01ln⁡(x) dx=lim⁡a→0+(−aln⁡(a))−1 ,\int_0^1 \ln(x) \, dx = \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) - 1\,, 으로 돌아가면, 방금 구한 극한에 의해 이상적분 ∫01ln⁡(x) dx\int_0^1 \ln(x) \, dx 는 −1-1 로 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We write the improper integral as a limit and use the substitution u=ln⁡(x)u = \ln(x) and du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx to evaluate the definite integral, then take the limit: ∫e∞ln⁡(x)x dx=lim⁡b→∞∫ebln⁡(x)x dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)u du=lim⁡b→∞(u22)∣1ln⁡(b)=lim⁡b→∞((ln⁡(b))22−12)=∞ .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{\ln(x)}{x} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{\ln(x)}{x} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} u \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \frac{u^2}{2} \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \frac{(\ln(b))^2}{2} - \frac{1}{2} \right) \\ &= \infty\end{aligned}\,. So the improper integral ∫e∞ln⁡(x)x dx\int_e^{\infty} \frac{\ln(x)}{x} \, dx diverges. (b) We write the improper integral as a limit and use the substitution u=ln⁡(x)u = \ln(x) and du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx to revaluate the definite integral, then take the limit:. ∫e∞1xln⁡(x) dx=lim⁡b→∞∫eb1xln⁡(x) dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)1u du=lim⁡b→∞(ln⁡(∣u∣))∣1ln⁡(b)=lim⁡b→∞(ln⁡(∣ln⁡(b)∣)−ln⁡(1))=∞ .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} \frac{1}{u} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \ln(|u|) \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \ln(|\ln(b)|) - \ln(1) \right) \\ &= \infty\end{aligned}\,. So the improper integral ∫e∞1xln⁡(x) dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx diverges. (c) We again write the improper integral as a limit and use the substitution u=ln⁡(x)u = \ln(x) and du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx to evaluate the definite integral, then take the limit: ∫e∞1x(ln⁡(x))2 dx=lim⁡b→∞∫eb1x(ln⁡(x))2 dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)1u2 du=lim⁡b→∞(−u−1)∣1ln⁡(b)=lim⁡b→∞(−1ln⁡(b)−(−1))=1 .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} \frac{1}{u^2} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( -u^{-1} \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( -\frac{1}{\ln(b)} - (-1) \right) \\ &= 1\end{aligned}\,. So the improper integral ∫e∞1x(ln⁡(x))2 dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx converges to 11. (d) We again write the improper integral as a limit and use the substitution u=ln⁡(x)u = \ln(x) and du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx to rewrite the definite integral. If p=1p=1, then the integral diverges by part (b). If p≠1p \neq 1, we have ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx=lim⁡b→∞∫eb1x(ln⁡(x))p dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)1up du=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)u−p du=lim⁡b→∞(u−p+1−p+1)∣1ln⁡(b)=11−plim⁡b→∞((ln⁡(b))1−p−1)=1 .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} \frac{1}{u^p} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} u^{-p} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \frac{u^{-p+1}}{-p+1} \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \frac{1}{1-p} \lim_{b \to \infty} \left( (\ln(b))^{1-p} - 1 \right) \\ &= 1\end{aligned}\,. If p<1p < 1, then 1−p>01-p > 0 and 11−plim⁡b→∞((ln⁡(b))1−p−1)=(11−p)∞=∞ .\frac{1}{1-p} \lim_{b \to \infty} \left( (\ln(b))^{1-p} - 1 \right) = \left(\frac{1}{1-p}\right)\infty = \infty\,. In this case the improper integral ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx diverges. If p>1p > 1, then 1−p<01-p < 0 and 11−plim⁡b→∞((ln⁡(b))1−p−1)=11−plim⁡b→∞(1(ln⁡(b))p−1−1)=(11−p)(0−1)=1p−1\frac{1}{1-p}\lim_{b \to \infty} \left( (\ln(b))^{1-p} - 1 \right) = \frac{1}{1-p}\lim_{b \to \infty} \left( \frac{1}{(\ln(b))^{p-1}} - 1 \right) = \left(\frac{1}{1-p}\right)(0-1) = \frac{1}{p-1} In this case the improper integral ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx converges to 1p−1\frac{1}{p-1}. Thus, the improper integral ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx diverges if p≤1p \leq 1 and converges to 1p−1\frac{1}{p-1} if p>1p > 1. (e) This integral is improper since the integrand is undefined at x=0x = 0. So we write the improper integral as a limit, use the substitution u=ln⁡(x)u = \ln(x) and du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx to evaluate the definite integral, then take the limit: ∫01ln⁡(x)x dx=lim⁡a→0+∫a1ln⁡(x)x dx=lim⁡a→0+∫ln⁡(a)0u du=lim⁡a→0+(u22)∣ln⁡(a)0=lim⁡a→0+(−(ln⁡(a))22)=−∞ .\begin{aligned}\int_0^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx &= \lim_{a \to 0^+} \int_a^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx \\ &= \lim_{a \to 0^+} \int_{\ln(a)}^{0} u \, du \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( \frac{u^2}{2} \right)\biggm|_{\ln(a)}^{0} \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -\frac{(\ln(a))^2}{2} \right) \\ &= -\infty\end{aligned}\,. So the improper integral ∫01ln⁡(x)x dx\int_0^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx diverges. (f) This integral is improper since the integrand is undefined at x=0x=0. So we write the improper integral as a limit, then use parts with u=ln⁡(x)u = \ln(x), du=1x dxdu = \frac{1}{x} \, dx, dv=dxdv = dx, and v=xv = x to evaluate the definite integral, then take the limit: ∫01ln⁡(x) dx=lim⁡a→0+∫a1ln⁡(x) dx=lim⁡a→0+(xln⁡(x)∣a1−∫a1 dx)=lim⁡a→0+(−aln⁡(a)−x∣ln⁡(a)0)=lim⁡a→0+(−aln⁡(a)−(1−a))=lim⁡a→0+(−aln⁡(a))−1 .\begin{aligned}\int_0^1 \ln(x) \, dx &= \lim_{a \to 0^+} \int_a^1 \ln(x) \, dx \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( x\ln(x)\biggm|_a^1 - \int_{a}^{1} \ dx \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) - x\biggm|_{\ln(a)}^{0} \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) - (1-a) \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) - 1\end{aligned}\,. The limit lim⁡a→0+(−aln⁡(a))\lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) has the form 0×∞0 \times \infty, which is indeterminate, so we need to rewrite it in a form in which we can apply L'Hopital's Rule. Now, lim⁡a→0+(−aln⁡(a))=lim⁡a→0+(−ln⁡(a)1a) ,\lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) = \lim_{a \to 0^+} \left( \frac{-\ln(a)}{\frac{1}{a}} \right)\,, and this latter limit is of the form ∞∞\frac{\infty}{\infty}. Applying L'Hopital's Rule gives us lim⁡a→0+(−ln⁡(a)1a)=lim⁡a→0+(−1a−1a2)=lim⁡a→0+a=0\begin{aligned}\lim_{a \to 0^+} \left( \frac{-\ln(a)}{\frac{1}{a}} \right) &= \lim_{a \to 0^+} \left( \frac{-\frac{1}{a}}{-\frac{1}{a^2}} \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} a \\ &= 0\end{aligned} Returning to our earlier established equality that ∫01ln⁡(x) dx=lim⁡a→0+(−aln⁡(a))−1 ,\int_0^1 \ln(x) \, dx = \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) - 1\,, this most recent limit shows that the improper integral ∫01ln⁡(x) dx\int_0^1 \ln(x) \, dx converges to −1-1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 6.5절 · 12번
# 이상적분계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)