문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분 기법

이상적분

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∞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 문제Active Calculus · 6.5절 · 12번우리말 번역

때로는 대응하는 정적분(보통의 정적분)의 극한을 쉽게 구할 수 없는 이상적분을 만날 수 있다. 예를 들어 ∫1∞11+x3 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{1+x^3} \, dx 를 생각해 보자. 11+x3\frac{1}{1+x^3} 의 부정적분을 구하기는 어렵지만(어쩌면 불가능하지만), 더 간단한 이상적분과 비교하여 이 이상적분이 수렴하는지 발산하는지는 여전히 판단할 수 있다. 모든 x>0x > 0 에 대해 1+x3>x31 + x^3 > x^3 이고, 따라서

11+x3<1x3 \frac{1}{1+x^3} < \frac{1}{x^3}\,

임을 관찰하자.

그러므로 모든 b>1b > 1 에 대해

∫1b11+x3 dx<∫1b1x3 dx\int_1^b \frac{1}{1+x^3} \, dx < \int_1^b \frac{1}{x^3} \, dx

이다. 두 이상적분 ∫1∞11+x3 dx\int_1^\infty \frac{1}{1+x^3} \, dx 와 ∫1∞1x3 dx\int_1^\infty \frac{1}{x^3} \, dx 를 생각하기 위해 b→∞b \to \infty 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∞11+x3 dx\int_1^\infty \frac{1}{1+x^3} \, dx 는 수렴해야 한다. 이어지는 문제에서 이 생각과 비슷한 생각을 이용한다.

(a) 모든 x≥1x \ge 1 에 대해 x2+x+1>x2x^2 + x + 1 > x^2 인 이유를 설명하고, 이로부터 ∫1∞1x2 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2} \, dx 와 비교하여 ∫1∞1x2+x+1 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2 + x + 1} \, dx 가 수렴함을 보이세요. (b) 각 x>1x > 1 에 대해 ln⁡(x)<x\ln(x) < x 임을 관찰하세요. 각 b>2b > 2 에 대해 ∫2b1x dx<∫2b1ln⁡(x) dx\int_2^b \frac{1}{x} \, dx < \int_2^b \frac{1}{\ln(x)} \,dx 인 이유를 설명하세요. ∫2∞1ln⁡(x) dx\int_2^\infty \frac{1}{\ln(x)} \, dx 가 반드시 발산하는 이유는 무엇인지 설명하세요. (c) 모든 x>1x > 1 에 대해 x4+1x4>1\sqrt{\frac{x^4+1}{x^4}} > 1 인 이유를 설명하세요. 그런 다음 이상적분 ∫1∞1x⋅x4+1x4 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x} \cdot \sqrt{\frac{x^4+1}{x^4}} \, dx 이 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.

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(a) x≥1x \ge 1 이므로 x+1≥1>0x + 1 \ge 1 > 0 이고, 이 부등식의 양변에 x2x^2 을 더하면 x2+x+1>x2x^2 + x + 1 > x^2 이 모든 x≥1x \ge 1 에 대해 성립한다. 역수를 취하면(부등호의 방향이 바뀐다) 1x2+x+1<1x2\frac{1}{x^2 + x + 1} < \frac{1}{x^2} 이므로 임의의 b>1b > 1 에 대해 ∫1b1x2+x+1 dx<∫1b1x2 dx .\int_1^b \frac{1}{x^2 + x + 1} \, dx < \int_1^b \frac{1}{x^2} \, dx\,. b→∞b \to \infty 일 때의 극한을 취하면 ∫1∞1x2+x+1 dx<∫1∞1x2 dx ,\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2 + x + 1} \, dx < \int_1^{\infty} \frac{1}{x^2} \, dx\,, 이고, ∫1∞1x2 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2} \, dx 가 수렴함을 알고 있으므로 ∫1∞1x2+x+1 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x^2 + x + 1} \, dx 도 수렴한다고 결론짓는다. (b) 각 x>1x > 1 에 대해 ln⁡(x)<x\ln(x) < x 이므로, 모든 x>2x > 2 에 대해서도 ln⁡(x)<x\ln(x) < x 이다. 역수를 취하면 1x<1ln⁡(x)\frac{1}{x} < \frac{1}{\ln(x)} 이고, 따라서 각 b>2b > 2 에 대해 ∫2b1x dx<∫2b1ln⁡(x) dx\int_2^b \frac{1}{x} \, dx < \int_2^b \frac{1}{\ln(x)} \,dx 이다. b→∞b \to \infty 일 때의 극한을 취하면 ∫2∞1x dx≤∫2∞1ln⁡(x) dx\int_2^{\infty} \frac{1}{x} \, dx \le \int_2^{\infty} \frac{1}{\ln(x)} \,dx 이고, ∫1∞1x dx\int_1^\infty \frac{1}{x} \, dx 가 발산함을 알고 있으므로 ∫2∞1ln⁡(x) dx\int_2^\infty \frac{1}{\ln(x)} \, dx 도 발산한다. (c) 모든 xx 에 대해 x4+1>x4x^4+1 > x^4 이므로, 모든 x>1x > 1 에 대해 x4+1x4>1\frac{x^4+1}{x^4} > 1 이고, 따라서 제곱근을 취하면 모든 x>1x > 1 에 대해 x4+1x4>1\sqrt{\frac{x^4+1}{x^4}} > 1 이다. 1부터 bb 까지 적분한 다음 b→∞b \to \infty 로 보내면, 다음과 같이 말할 수 있다. ∫1∞x4+1x4 dx≥∫1∞1 dx\int_1^{\infty} \sqrt{\frac{x^4+1}{x^4}} \, dx \ge \int_1^{\infty} 1 \, dx 피적분함수가 00 으로 가까워지지 않으므로 ∫1∞1 dx\int_1^{\infty} 1 \, dx 가 발산함은 명백하다. 위의 마지막 부등식에 의해 ∫1∞1x⋅x4+1x4 dx\int_1^{\infty} \frac{1}{x} \cdot \sqrt{\frac{x^4+1}{x^4}} \, dx 이 발산한다고 결론지을 수 있다.

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