먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.
Active Calculus · 6.5절 · 11번대학 수준우리말 번역
다음 각 이상적분이 수렴하는지 발산하는지 근거와 함께 판단하세요.
(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.
한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 6.5절 · 12번우리말 번역
때로는 대응하는 정적분(보통의 정적분)의 극한을 쉽게 구할 수 없는 이상적분을 만날 수 있다. 예를 들어 ∫1∞1+x31dx 를 생각해 보자. 1+x31 의 부정적분을 구하기는 어렵지만(어쩌면 불가능하지만), 더 간단한 이상적분과 비교하여 이 이상적분이 수렴하는지 발산하는지는 여전히 판단할 수 있다. 모든 x>0 에 대해 1+x3>x3 이고, 따라서
1+x31<x31
임을 관찰하자.
그러므로 모든 b>1 에 대해
∫1b1+x31dx<∫1bx31dx
이다. 두 이상적분 ∫1∞1+x31dx 와 ∫1∞x31dx 를 생각하기 위해 b→∞ 로 보내면, 두 이상적분 중 더 큰 것이 수렴함을 알 수 있다. 그러므로 더 작은 것은 수렴하는 적분보다 아래에 있으므로, 더 작은 것도 수렴해야 한다. 특히 대응하는 정적분의 극한을 직접 구하지 않았더라도 ∫1∞1+x31dx 는 수렴해야 한다. 이어지는 문제에서 이 생각과 비슷한 생각을 이용한다.
(a) 모든 x≥1 에 대해 x2+x+1>x2 인 이유를 설명하고, 이로부터 ∫1∞x21dx 와 비교하여 ∫1∞x2+x+11dx 가 수렴함을 보이세요.
(b) 각 x>1 에 대해 ln(x)<x 임을 관찰하세요. 각 b>2 에 대해
∫2bx1dx<∫2bln(x)1dx
인 이유를 설명하세요. ∫2∞ln(x)1dx 가 반드시 발산하는 이유는 무엇인지 설명하세요.
(c) 모든 x>1 에 대해 x4x4+1>1 인 이유를 설명하세요. 그런 다음 이상적분
∫1∞x1⋅x4x4+1dx
이 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.
다 풀었으면 정답 확인
(a) x≥1 이므로 x+1≥1>0 이고, 이 부등식의 양변에 x2 을 더하면
x2+x+1>x2
이 모든 x≥1 에 대해 성립한다. 역수를 취하면(부등호의 방향이 바뀐다)
x2+x+11<x21
이므로 임의의 b>1 에 대해
∫1bx2+x+11dx<∫1bx21dx.b→∞ 일 때의 극한을 취하면
∫1∞x2+x+11dx<∫1∞x21dx,
이고, ∫1∞x21dx 가 수렴함을 알고 있으므로 ∫1∞x2+x+11dx 도 수렴한다고 결론짓는다.
(b) 각 x>1 에 대해 ln(x)<x 이므로, 모든 x>2 에 대해서도 ln(x)<x 이다. 역수를 취하면
x1<ln(x)1
이고, 따라서 각 b>2 에 대해
∫2bx1dx<∫2bln(x)1dx
이다. b→∞ 일 때의 극한을 취하면
∫2∞x1dx≤∫2∞ln(x)1dx
이고, ∫1∞x1dx 가 발산함을 알고 있으므로 ∫2∞ln(x)1dx 도 발산한다.
(c) 모든 x 에 대해 x4+1>x4 이므로, 모든 x>1 에 대해
x4x4+1>1
이고, 따라서 제곱근을 취하면 모든 x>1 에 대해
x4x4+1>1
이다. 1부터 b 까지 적분한 다음 b→∞ 로 보내면, 다음과 같이 말할 수 있다.
∫1∞x4x4+1dx≥∫1∞1dx
피적분함수가 0 으로 가까워지지 않으므로 ∫1∞1dx 가 발산함은 명백하다. 위의 마지막 부등식에 의해
∫1∞x1⋅x4x4+1dx
이 발산한다고 결론지을 수 있다.