예제·유제 · Examples & Exercises
분할 $P = \{0, 1.2, 1.5, 2.3, 2.6, 3\}$의 소구간을 모두 찾고 $P$의 노름을 구하시오.
풀이. 분할 $P = \{0, 1.2, 1.5, 2.3, 2.6, 3\}$의 소구간은 $$[0, 1.2],\quad [1.2, 1.5],\quad [1.5, 2.3],\quad [2.3, 2.6],\quad [2.6, 3]$$ 의 다섯 개이다.
각 소구간의 길이는 다음과 같다. $$\Delta x_1 = 1.2,\quad \Delta x_2 = 0.3,\quad \Delta x_3 = 0.8,\quad \Delta x_4 = 0.3,\quad \Delta x_5 = 0.4$$
노름 $\| P \|$은 소구간 길이 중 최댓값이므로 $\| P \| = 1.2$이다.
Find all the subintervals of the partition $P = \{0, 1.2, 1.5, 2.3, 2.6, 3\}$ and find the norm of $P$.
Solution. The subintervals of the partition $P = \{0, 1.2, 1.5, 2.3, 2.6, 3\}$ are $$[0, 1.2],\quad [1.2, 1.5],\quad [1.5, 2.3],\quad [2.3, 2.6],\quad [2.6, 3],$$ five in total.
The lengths of the subintervals are $$\Delta x_1 = 1.2,\quad \Delta x_2 = 0.3,\quad \Delta x_3 = 0.8,\quad \Delta x_4 = 0.3,\quad \Delta x_5 = 0.4.$$
The norm $\| P \|$ is the maximum of these lengths, so $\| P \| = 1.2$.
닫힌 구간 $[a, b]$를 $n$등분한 분할 $P_n$을 구하시오. 이때 $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \| P_n \| = 0$임을 보이시오.
증명. $[a, b]$를 $n$등분한 분할은 $$P_n = \left\{ a,\ a+\frac{b-a}{n},\ a+\frac{2(b-a)}{n},\ \dots,\ a+\frac{k(b-a)}{n},\ \dots,\ b \right\}$$ 즉 분점을 $x_k = a + \dfrac{k(b-a)}{n}$ $(k=0,1,\dots,n)$로 두면 $P_n = \{x_0, x_1, \dots, x_n\}$이다.
각 소구간 $[x_{k-1}, x_k]$의 길이는 $$\Delta x_k = x_k - x_{k-1} = \frac{k(b-a)}{n} - \frac{(k-1)(b-a)}{n} = \frac{b-a}{n}$$ 로 모든 $k=1,\dots,n$에 대해 동일하므로, 노름은 $$\| P_n \| = \max_{1\le k\le n} \Delta x_k = \frac{b-a}{n}$$ 이다.
$b-a$는 고정된 상수이므로 $$\lim_{n\to\infty}\| P_n \| = \lim_{n\to\infty}\frac{b-a}{n} = 0$$ 이다.
Find the partition $P_n$ obtained by dividing the closed interval $[a, b]$ into $n$ equal subintervals. Show that $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \| P_n \| = 0$.
Proof. The partition obtained by dividing $[a,b]$ into $n$ equal subintervals is $$P_n = \left\{ a,\ a+\frac{b-a}{n},\ a+\frac{2(b-a)}{n},\ \dots,\ a+\frac{k(b-a)}{n},\ \dots,\ b \right\},$$ that is, if we set $x_k = a + \dfrac{k(b-a)}{n}$ for $k=0,1,\dots,n$, then $P_n = \{x_0, x_1, \dots, x_n\}$.
The length of each subinterval $[x_{k-1}, x_k]$ is $$\Delta x_k = x_k - x_{k-1} = \frac{k(b-a)}{n} - \frac{(k-1)(b-a)}{n} = \frac{b-a}{n},$$ which is the same for all $k=1,\dots,n$, so the norm is $$\| P_n \| = \max_{1\le k\le n} \Delta x_k = \frac{b-a}{n}.$$
Since $b-a$ is a fixed constant, $$\lim_{n\to\infty}\| P_n \| = \lim_{n\to\infty}\frac{b-a}{n} = 0.$$
다음을 정적분을 이용해 나타내시오.
- $\displaystyle\lim_{\| P \| \to 0} \sum_{k=1}^{n} c_k^2\,\Delta x_k$, $P$는 $[0, 2]$의 분할
- $\displaystyle\lim_{\| P \| \to 0} \sum_{k=1}^{n} (\tan c_k)\,\Delta x_k$, $P$는 $[0, \pi/4]$의 분할
풀이. (1) $P$가 $[0,2]$의 분할이고 $c_k \in [x_{k-1}, x_k]$이므로, $\displaystyle\sum_{k=1}^n c_k^2\,\Delta x_k$는 함수 $f(x)=x^2$의 $[0,2]$에서의 리만합이다. $f$는 $[0,2]$에서 연속이므로 리만적분가능하고, 정의에 따라 $$\lim_{\|P\|\to 0}\sum_{k=1}^n c_k^2\,\Delta x_k = \int_0^2 x^2\,dx$$ 이다.
(2) 같은 방식으로, $P$가 $[0,\pi/4]$의 분할이므로 $\displaystyle\sum_{k=1}^n(\tan c_k)\,\Delta x_k$는 함수 $g(x)=\tan x$의 $[0,\pi/4]$에서의 리만합이다. $g$는 $[0,\pi/4]$에서 연속이므로 $$\lim_{\|P\|\to 0}\sum_{k=1}^n(\tan c_k)\,\Delta x_k = \int_0^{\pi/4} \tan x\,dx$$ 이다.
Express the following using a definite integral.
- $\displaystyle\lim_{\| P \| \to 0} \sum_{k=1}^{n} c_k^2\,\Delta x_k$, where $P$ is a partition of $[0, 2]$
- $\displaystyle\lim_{\| P \| \to 0} \sum_{k=1}^{n} (\tan c_k)\,\Delta x_k$, where $P$ is a partition of $[0, \pi/4]$
Solution. (1) Since $P$ is a partition of $[0,2]$ and $c_k \in [x_{k-1}, x_k]$, the sum $\displaystyle\sum_{k=1}^n c_k^2\,\Delta x_k$ is a Riemann sum for $f(x)=x^2$ on $[0,2]$. As $f$ is continuous on $[0,2]$, it is Riemann integrable, and by definition $$\lim_{\|P\|\to 0}\sum_{k=1}^n c_k^2\,\Delta x_k = \int_0^2 x^2\,dx.$$
(2) Likewise, since $P$ is a partition of $[0,\pi/4]$, the sum $\displaystyle\sum_{k=1}^n(\tan c_k)\,\Delta x_k$ is a Riemann sum for $g(x)=\tan x$ on $[0,\pi/4]$. As $g$ is continuous on $[0,\pi/4]$, $$\lim_{\|P\|\to 0}\sum_{k=1}^n(\tan c_k)\,\Delta x_k = \int_0^{\pi/4} \tan x\,dx.$$
다음을 정적분을 이용해 나타내시오.
- $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \sum_{k=1}^{n} f\left(a + (2k-1)\frac{b-a}{2n}\right)\frac{1}{n}$ (단, $f$는 $[a, b]$에서 정의된 연속함수이다.)
- $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \sum_{k=1}^{n^2} \tan\left(\frac{k-1}{n^2} + \frac{1}{n^2+1}\right)\frac{2}{n^2}$
풀이. (1) $[a,b]$를 $n$등분하면 각 소구간의 길이는 $\Delta x = \dfrac{b-a}{n}$로 일정하고, $k$번째 소구간 $\left[a+(k-1)\dfrac{b-a}{n},\ a+k\dfrac{b-a}{n}\right]$의 중점은 $$a+(k-1)\frac{b-a}{n}+\frac{\Delta x}{2} = a+\frac{(2k-1)(b-a)}{2n}$$ 이므로, 주어진 극한의 표현 $a+(2k-1)\dfrac{b-a}{2n}$은 바로 이 중점이다.
따라서 $$\sum_{k=1}^n f\left(a+(2k-1)\frac{b-a}{2n}\right)\frac{1}{n} = \frac{1}{b-a}\sum_{k=1}^n f\left(a+(2k-1)\frac{b-a}{2n}\right)\cdot\frac{b-a}{n} = \frac{1}{b-a}\sum_{k=1}^n f(c_k)\,\Delta x_k$$ 이며, 이는 $f$의 중점 리만합에 $\dfrac{1}{b-a}$를 곱한 것이다. $f$가 $[a,b]$에서 연속이므로 $n\to\infty$일 때 소구간의 노름 $\Delta x = (b-a)/n \to 0$이고, 리만합은 $\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx$로 수렴한다. 그러므로 $$\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n f\left(a+(2k-1)\frac{b-a}{2n}\right)\frac{1}{n} = \frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx$$ 이다.
(2) $N=n^2$으로 두면 $n\to\infty$일 때 $N\to\infty$이다. $[0,1]$을 $N$등분한 분할의 $k$번째 소구간은 $\left[\dfrac{k-1}{N}, \dfrac{k}{N}\right]$이고 그 길이는 $\dfrac1N$이다. 표본점을 $$c_k = \frac{k-1}{N}+\frac{1}{N+1}$$ 로 두면, $0 \lt \dfrac{1}{N+1} \lt \dfrac1N$이므로 $$\frac{k-1}{N} \le c_k \lt \frac{k-1}{N}+\frac1N = \frac{k}{N}$$ 이 성립하여 $c_k$는 $k$번째 소구간에 속한다. 즉 주어진 합은 $$\sum_{k=1}^{n^2}\tan\left(\frac{k-1}{n^2}+\frac{1}{n^2+1}\right)\frac{2}{n^2} = 2\sum_{k=1}^{N}\tan(c_k)\cdot\frac1N$$ 이며, 이는 함수 $\tan x$의 $[0,1]$에서의 (표본점 $c_k$를 택한) 리만합의 두 배이다.
$\tan x$는 $[0,1]$에서 연속이고, $n\to\infty$에 따라 노름 $1/N=1/n^2 \to 0$이므로 이 리만합은 $\displaystyle\int_0^1 \tan x\,dx$로 수렴한다. 그러므로 $$\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n^2}\tan\left(\frac{k-1}{n^2}+\frac{1}{n^2+1}\right)\frac{2}{n^2} = 2\int_0^1 \tan x\,dx$$ 이다.
Express the following using a definite integral.
- $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \sum_{k=1}^{n} f\left(a + (2k-1)\frac{b-a}{2n}\right)\frac{1}{n}$ (where $f$ is a continuous function defined on $[a, b]$.)
- $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \sum_{k=1}^{n^2} \tan\left(\frac{k-1}{n^2} + \frac{1}{n^2+1}\right)\frac{2}{n^2}$
Solution. (1) Dividing $[a,b]$ into $n$ equal parts gives subintervals of constant length $\Delta x = \dfrac{b-a}{n}$, and the midpoint of the $k$th subinterval $\left[a+(k-1)\dfrac{b-a}{n},\ a+k\dfrac{b-a}{n}\right]$ is $$a+(k-1)\frac{b-a}{n}+\frac{\Delta x}{2} = a+\frac{(2k-1)(b-a)}{2n},$$ so the expression $a+(2k-1)\dfrac{b-a}{2n}$ in the given limit is exactly this midpoint.
Hence $$\sum_{k=1}^n f\left(a+(2k-1)\frac{b-a}{2n}\right)\frac{1}{n} = \frac{1}{b-a}\sum_{k=1}^n f\left(a+(2k-1)\frac{b-a}{2n}\right)\cdot\frac{b-a}{n} = \frac{1}{b-a}\sum_{k=1}^n f(c_k)\,\Delta x_k,$$ which is $\dfrac{1}{b-a}$ times the midpoint Riemann sum for $f$. Since $f$ is continuous on $[a,b]$, as $n\to\infty$ the norm $\Delta x = (b-a)/n \to 0$, and this Riemann sum converges to $\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx$. Therefore $$\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n f\left(a+(2k-1)\frac{b-a}{2n}\right)\frac{1}{n} = \frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx.$$
(2) Let $N=n^2$; as $n\to\infty$ we also have $N\to\infty$. Dividing $[0,1]$ into $N$ equal parts, the $k$th subinterval is $\left[\dfrac{k-1}{N}, \dfrac{k}{N}\right]$ with length $\dfrac1N$. Taking the sample point $$c_k = \frac{k-1}{N}+\frac{1}{N+1},$$ since $0 \lt \dfrac{1}{N+1} \lt \dfrac1N$ we have $$\frac{k-1}{N} \le c_k \lt \frac{k-1}{N}+\frac1N = \frac{k}{N},$$ so $c_k$ lies in the $k$th subinterval. Thus the given sum is $$\sum_{k=1}^{n^2}\tan\left(\frac{k-1}{n^2}+\frac{1}{n^2+1}\right)\frac{2}{n^2} = 2\sum_{k=1}^{N}\tan(c_k)\cdot\frac1N,$$ which is twice a Riemann sum for $\tan x$ on $[0,1]$ with sample points $c_k$.
Since $\tan x$ is continuous on $[0,1]$ and the norm $1/N = 1/n^2 \to 0$ as $n\to\infty$, this Riemann sum converges to $\displaystyle\int_0^1 \tan x\,dx$. Therefore $$\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n^2}\tan\left(\frac{k-1}{n^2}+\frac{1}{n^2+1}\right)\frac{2}{n^2} = 2\int_0^1 \tan x\,dx.$$
함수 $f(x) = \begin{cases} 1 & (x\text{는 유리수}) \\ 0 & (x\text{는 무리수}) \end{cases}$는 $[0, 1]$에서 리만적분가능하지 않음을 보이시오.
증명. $[0,1]$의 임의의 분할 $P=\{x_0, x_1, \dots, x_n\}$을 생각하자. 각 소구간 $[x_{k-1}, x_k]$는 길이가 양수이므로, 유리수의 조밀성에 의해 이 안에는 유리수가 존재하고 무리수의 조밀성에 의해 무리수도 존재한다.
따라서 각 소구간에서 $$M_k = \sup_{x\in[x_{k-1},x_k]} f(x) = 1, \qquad m_k = \inf_{x\in[x_{k-1},x_k]} f(x) = 0$$ 이다 (소구간 안의 유리수에서 $f=1$, 무리수에서 $f=0$이기 때문이다).
그러므로 $P$에 대한 상합과 하합은 각각 $$U(P,f) = \sum_{k=1}^n M_k\,\Delta x_k = \sum_{k=1}^n 1\cdot\Delta x_k = 1, \qquad L(P,f) = \sum_{k=1}^n m_k\,\Delta x_k = \sum_{k=1}^n 0\cdot\Delta x_k = 0$$ 이다. 이는 분할 $P$의 선택에 무관하게 성립하므로, 상적분과 하적분은 $$\overline{\int_0^1} f = \inf_P U(P,f) = 1, \qquad \underline{\int_0^1} f = \sup_P L(P,f) = 0$$ 이다.
상적분과 하적분이 서로 다르므로 ($1 \neq 0$), $f$는 $[0,1]$에서 리만적분가능하지 않다.
Show that the function $f(x) = \begin{cases} 1 & (x\text{ is rational}) \\ 0 & (x\text{ is irrational}) \end{cases}$ is not Riemann integrable on $[0, 1]$.
Proof. Consider an arbitrary partition $P=\{x_0, x_1, \dots, x_n\}$ of $[0,1]$. Each subinterval $[x_{k-1}, x_k]$ has positive length, so by the density of the rationals it contains a rational number, and by the density of the irrationals it also contains an irrational number.
Hence, on each subinterval, $$M_k = \sup_{x\in[x_{k-1},x_k]} f(x) = 1, \qquad m_k = \inf_{x\in[x_{k-1},x_k]} f(x) = 0,$$ since $f=1$ at the rational points and $f=0$ at the irrational points of the subinterval.
Therefore the upper sum and lower sum of $P$ are $$U(P,f) = \sum_{k=1}^n M_k\,\Delta x_k = \sum_{k=1}^n 1\cdot\Delta x_k = 1, \qquad L(P,f) = \sum_{k=1}^n m_k\,\Delta x_k = \sum_{k=1}^n 0\cdot\Delta x_k = 0.$$ This holds regardless of the choice of $P$, so the upper and lower integrals are $$\overline{\int_0^1} f = \inf_P U(P,f) = 1, \qquad \underline{\int_0^1} f = \sup_P L(P,f) = 0.$$
Since the upper and lower integrals differ ($1 \neq 0$), $f$ is not Riemann integrable on $[0,1]$.
$\displaystyle\int_0^{\pi/2} \sin x\,dx = 1$임을 $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \sum_{k=1}^{n} \sin\left(\frac{\pi k}{2n}\right)\frac{\pi}{2n}$을 직접 계산하여 증명하시오.
증명. $h=\dfrac{\pi}{2n}$로 두면, $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n \sin\left(\frac{\pi k}{2n}\right)\frac{\pi}{2n} = \lim_{n\to\infty} h\sum_{k=1}^n \sin(kh)$이다.
힌트의 항등식에 $m=n$을 대입하면 $$\sum_{k=1}^n \sin(kh) = \frac{\cos(h/2)-\cos\left((n+\frac12)h\right)}{2\sin(h/2)}$$ 이다. 이때 $h/2=\dfrac{\pi}{4n}$이고 $$\left(n+\frac12\right)h = \left(n+\frac12\right)\frac{\pi}{2n} = \frac{\pi}{2}+\frac{\pi}{4n}$$ 이므로 $$\cos\left(\left(n+\frac12\right)h\right) = \cos\left(\frac{\pi}{2}+\frac{\pi}{4n}\right) = -\sin\left(\frac{\pi}{4n}\right)$$ 이다. 따라서 $$\sum_{k=1}^n \sin(kh) = \frac{\cos(\pi/4n)+\sin(\pi/4n)}{2\sin(\pi/4n)}$$ 이다.
그러므로 구하는 합은 $$h\sum_{k=1}^n \sin(kh) = \frac{\pi}{2n}\cdot\frac{\cos(\pi/4n)+\sin(\pi/4n)}{2\sin(\pi/4n)} = \frac{\pi/4n}{\sin(\pi/4n)}\left[\cos\left(\frac{\pi}{4n}\right)+\sin\left(\frac{\pi}{4n}\right)\right]$$ 이다.
$n\to\infty$이면 $\dfrac{\pi}{4n}\to 0$이고, $\displaystyle\lim_{t\to 0}\frac{t}{\sin t}=1$이므로 $$\lim_{n\to\infty}\frac{\pi/4n}{\sin(\pi/4n)} = 1$$ 이며, $\cos$과 $\sin$의 연속성에 의해 $$\lim_{n\to\infty}\left[\cos\left(\frac{\pi}{4n}\right)+\sin\left(\frac{\pi}{4n}\right)\right] = \cos 0+\sin 0 = 1$$ 이다. 따라서 $$\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n \sin\left(\frac{\pi k}{2n}\right)\frac{\pi}{2n} = 1\cdot 1 = 1$$ 이다.
한편 이 합은 $\sin x$의 $[0,\pi/2]$에서의 (우끝점을 표본점으로 택한) 리만합이므로 $\displaystyle\int_0^{\pi/2}\sin x\,dx$로 수렴한다. 두 계산을 종합하면 $$\int_0^{\pi/2}\sin x\,dx = 1$$ 이다.
Prove that $\displaystyle\int_0^{\pi/2} \sin x\,dx = 1$ by directly computing $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \sum_{k=1}^{n} \sin\left(\frac{\pi k}{2n}\right)\frac{\pi}{2n}$.
Proof. Let $h=\dfrac{\pi}{2n}$; then $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n \sin\left(\frac{\pi k}{2n}\right)\frac{\pi}{2n} = \lim_{n\to\infty} h\sum_{k=1}^n \sin(kh)$.
Substituting $m=n$ into the identity from the hint, $$\sum_{k=1}^n \sin(kh) = \frac{\cos(h/2)-\cos\left((n+\frac12)h\right)}{2\sin(h/2)}.$$ Here $h/2=\dfrac{\pi}{4n}$ and $$\left(n+\frac12\right)h = \left(n+\frac12\right)\frac{\pi}{2n} = \frac{\pi}{2}+\frac{\pi}{4n},$$ so $$\cos\left(\left(n+\frac12\right)h\right) = \cos\left(\frac{\pi}{2}+\frac{\pi}{4n}\right) = -\sin\left(\frac{\pi}{4n}\right).$$ Hence $$\sum_{k=1}^n \sin(kh) = \frac{\cos(\pi/4n)+\sin(\pi/4n)}{2\sin(\pi/4n)}.$$
Therefore the sum in question is $$h\sum_{k=1}^n \sin(kh) = \frac{\pi}{2n}\cdot\frac{\cos(\pi/4n)+\sin(\pi/4n)}{2\sin(\pi/4n)} = \frac{\pi/4n}{\sin(\pi/4n)}\left[\cos\left(\frac{\pi}{4n}\right)+\sin\left(\frac{\pi}{4n}\right)\right].$$
As $n\to\infty$, $\dfrac{\pi}{4n}\to 0$, and since $\displaystyle\lim_{t\to 0}\frac{t}{\sin t}=1$, $$\lim_{n\to\infty}\frac{\pi/4n}{\sin(\pi/4n)} = 1,$$ while continuity of $\cos$ and $\sin$ gives $$\lim_{n\to\infty}\left[\cos\left(\frac{\pi}{4n}\right)+\sin\left(\frac{\pi}{4n}\right)\right] = \cos 0+\sin 0 = 1.$$ Therefore $$\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n \sin\left(\frac{\pi k}{2n}\right)\frac{\pi}{2n} = 1\cdot 1 = 1.$$
On the other hand, this sum is a Riemann sum for $\sin x$ on $[0,\pi/2]$ with right endpoints as sample points, so it converges to $\displaystyle\int_0^{\pi/2}\sin x\,dx$. Combining the two computations, $$\int_0^{\pi/2}\sin x\,dx = 1.$$
다음 함수의 주어진 구간에서의 평균값을 구하시오.
- $f(x) = x^2 - 1$, $[0, \sqrt{3}]$
- $g(x) = 3x^2 - 3$, $[0, 1]$
풀이. (1) $f(x)=x^2-1$의 $[0,\sqrt3]$에서의 평균값은 $$\operatorname{av}(f) = \frac{1}{\sqrt3-0}\int_0^{\sqrt3}(x^2-1)\,dx = \frac{1}{\sqrt3}\left[\frac{x^3}{3}-x\right]_0^{\sqrt3}$$ 이다. $(\sqrt3)^3 = 3\sqrt3$이므로 $$\left[\frac{x^3}{3}-x\right]_0^{\sqrt3} = \frac{3\sqrt3}{3}-\sqrt3 = \sqrt3-\sqrt3 = 0$$ 이고, 따라서 $\operatorname{av}(f) = \dfrac{1}{\sqrt3}\cdot 0 = 0$이다.
(2) $g(x)=3x^2-3$의 $[0,1]$에서의 평균값은 $$\operatorname{av}(g) = \frac{1}{1-0}\int_0^1(3x^2-3)\,dx = \left[x^3-3x\right]_0^1 = (1-3)-0 = -2$$ 이다.
Find the average value of the following functions on the given interval.
- $f(x) = x^2 - 1$, on $[0, \sqrt{3}]$
- $g(x) = 3x^2 - 3$, on $[0, 1]$
Solution. (1) The average value of $f(x)=x^2-1$ on $[0,\sqrt3]$ is $$\operatorname{av}(f) = \frac{1}{\sqrt3-0}\int_0^{\sqrt3}(x^2-1)\,dx = \frac{1}{\sqrt3}\left[\frac{x^3}{3}-x\right]_0^{\sqrt3}.$$ Since $(\sqrt3)^3 = 3\sqrt3$, $$\left[\frac{x^3}{3}-x\right]_0^{\sqrt3} = \frac{3\sqrt3}{3}-\sqrt3 = \sqrt3-\sqrt3 = 0,$$ so $\operatorname{av}(f) = \dfrac{1}{\sqrt3}\cdot 0 = 0$.
(2) The average value of $g(x)=3x^2-3$ on $[0,1]$ is $$\operatorname{av}(g) = \frac{1}{1-0}\int_0^1(3x^2-3)\,dx = \left[x^3-3x\right]_0^1 = (1-3)-0 = -2.$$
$f, g : [a, b] \to \mathbb{R}$가 리만적분가능할 때 다음을 보이시오.
- $\displaystyle\int_a^b \operatorname{av}(f)\,dx = \int_a^b f(x)\,dx$
- $\operatorname{av}(f+g) = \operatorname{av}(f) + \operatorname{av}(g)$
- $\operatorname{av}(kf) = k\operatorname{av}(f)$ ($k$는 상수)
- $[a, b]$에서 $f(x) \leq g(x)$이면 $\operatorname{av}(f) \leq \operatorname{av}(g)$
증명. 함수의 평균값은 $\operatorname{av}(f) = \dfrac{1}{b-a}\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx$로 정의되며, $\operatorname{av}(f)$는 $x$에 무관한 상수이다.
(1) $\operatorname{av}(f)$가 상수이므로 $$\int_a^b \operatorname{av}(f)\,dx = \operatorname{av}(f)\cdot(b-a) = \frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx\cdot(b-a) = \int_a^b f(x)\,dx$$ 이다.
(2) 적분의 선형성에 의해 $$\operatorname{av}(f+g) = \frac{1}{b-a}\int_a^b (f+g)(x)\,dx = \frac{1}{b-a}\left[\int_a^b f(x)\,dx+\int_a^b g(x)\,dx\right] = \operatorname{av}(f)+\operatorname{av}(g)$$ 이다.
(3) $k$가 상수이므로 적분의 선형성에 의해 $$\operatorname{av}(kf) = \frac{1}{b-a}\int_a^b kf(x)\,dx = \frac{k}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx = k\operatorname{av}(f)$$ 이다.
(4) $[a,b]$에서 $f(x)\le g(x)$이면 적분의 단조성에 의해 $\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx \le \int_a^b g(x)\,dx$이다. $b-a \gt 0$이므로 양변을 $b-a$로 나누면 $$\operatorname{av}(f) = \frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx \le \frac{1}{b-a}\int_a^b g(x)\,dx = \operatorname{av}(g)$$ 이다.
Suppose $f, g : [a, b] \to \mathbb{R}$ are Riemann integrable. Show the following.
- $\displaystyle\int_a^b \operatorname{av}(f)\,dx = \int_a^b f(x)\,dx$
- $\operatorname{av}(f+g) = \operatorname{av}(f) + \operatorname{av}(g)$
- $\operatorname{av}(kf) = k\operatorname{av}(f)$ (where $k$ is a constant)
- If $f(x) \leq g(x)$ on $[a, b]$, then $\operatorname{av}(f) \leq \operatorname{av}(g)$
Proof. The average value of a function is defined by $\operatorname{av}(f) = \dfrac{1}{b-a}\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx$, and $\operatorname{av}(f)$ is a constant not depending on $x$.
(1) Since $\operatorname{av}(f)$ is constant, $$\int_a^b \operatorname{av}(f)\,dx = \operatorname{av}(f)\cdot(b-a) = \frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx\cdot(b-a) = \int_a^b f(x)\,dx.$$
(2) By linearity of the integral, $$\operatorname{av}(f+g) = \frac{1}{b-a}\int_a^b (f+g)(x)\,dx = \frac{1}{b-a}\left[\int_a^b f(x)\,dx+\int_a^b g(x)\,dx\right] = \operatorname{av}(f)+\operatorname{av}(g).$$
(3) Since $k$ is a constant, linearity of the integral gives $$\operatorname{av}(kf) = \frac{1}{b-a}\int_a^b kf(x)\,dx = \frac{k}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx = k\operatorname{av}(f).$$
(4) If $f(x)\le g(x)$ on $[a,b]$, then monotonicity of the integral gives $\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx \le \int_a^b g(x)\,dx$. Since $b-a \gt 0$, dividing both sides by $b-a$ gives $$\operatorname{av}(f) = \frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx \le \frac{1}{b-a}\int_a^b g(x)\,dx = \operatorname{av}(g).$$
문제 · Problems
$f$가 $[a, b]$에서 정의된 증가하는 연속함수라고 하자.
- $f$의 분할 $P$에 대한 상합을 $U$, 하합을 $L$이라 할 때, $U - L \leq |f(b) - f(a)|\,\| P \|$임을 보이시오.
- $\displaystyle\lim_{\| P \| \to 0}(U - L) = 0$임을 설명하시오.
Suppose $f$ is an increasing continuous function defined on $[a, b]$.
- Let $U$ and $L$ denote the upper sum and lower sum of $f$ with respect to a partition $P$, respectively. Show that $U - L \leq |f(b) - f(a)|\,\| P \|$.
- Explain why $\displaystyle\lim_{\| P \| \to 0}(U - L) = 0$.
$f : [a, b] \to \mathbb{R}$가 $[a, b]$에서 균등연속(uniformly continuous)이라는 것은 임의의 $\epsilon \gt 0$에 대해 $\delta \gt 0$가 있어 $x_1, x_2 \in [a, b]$이고 $|x_1 - x_2| \lt \delta$이면 $|f(x_1) - f(x_2)| \lt \epsilon$이 성립하는 것이다.
닫힌구간에서 정의된 연속함수는 균등연속임을 알고 있다 가정할 때, $f$의 분할 $P$에 대한 상합을 $U$, 하합을 $L$이라 하면 $\displaystyle\lim_{\| P \| \to 0}(U - L) = 0$임을 보이시오.
A function $f : [a, b] \to \mathbb{R}$ is said to be uniformly continuous on $[a, b]$ if, for every $\epsilon \gt 0$, there exists $\delta \gt 0$ such that $x_1, x_2 \in [a, b]$ and $|x_1 - x_2| \lt \delta$ imply $|f(x_1) - f(x_2)| \lt \epsilon$.
Assuming that a continuous function defined on a closed interval is uniformly continuous, let $U$ and $L$ denote the upper sum and lower sum of $f$ with respect to a partition $P$, respectively. Show that $\displaystyle\lim_{\| P \| \to 0}(U - L) = 0$.
$f$가 $[a, b]$에서 연속이고 $[a, b]$에서 정의된 연속함수 $F$는 $(a, b)$에서 $F' = f$를 만족한다고 하자. 이때 $\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a)$임을 다음 과정을 거쳐 증명하시오.
- $[a, b]$의 분할 $P = \{x_0, \cdots, x_n\}$에 대해 $\displaystyle F(b) - F(a) = \sum_{i=1}^{n} [F(x_i) - F(x_{i-1})]$임을 보이시오.
- 평균값 정리를 이용해 우변이 리만합 형태가 됨을 보이시오. 이를 이용해 증명을 마무리하시오.
Suppose $f$ is continuous on $[a, b]$, and $F$ is a continuous function defined on $[a, b]$ satisfying $F' = f$ on $(a, b)$. Prove that $\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a)$ through the following steps.
- For a partition $P = \{x_0, \cdots, x_n\}$ of $[a, b]$, show that $\displaystyle F(b) - F(a) = \sum_{i=1}^{n} [F(x_i) - F(x_{i-1})]$.
- Using the Mean Value Theorem, show that the right-hand side takes the form of a Riemann sum. Use this to complete the proof.
$f$가 연속함수일 때, $\displaystyle I = \int_0^a \frac{f(x)}{f(x) + f(a-x)}\,dx$의 값을 구하시오.
Suppose $f$ is a continuous function. Find the value of $\displaystyle I = \int_0^a \frac{f(x)}{f(x) + f(a-x)}\,dx$.
$\displaystyle y = \frac{1}{a}\int_0^x f(t)\sin a(x-t)\,dt$는 아래 미분방정식의 해가 됨을 보이시오.
$$\frac{d^2 y}{dx^2} + a^2 y = f(x), \quad y'(0) = 0, \quad y(0) = 0$$
Show that $\displaystyle y = \frac{1}{a}\int_0^x f(t)\sin a(x-t)\,dt$ is a solution of the differential equation below.
$$\frac{d^2 y}{dx^2} + a^2 y = f(x), \quad y'(0) = 0, \quad y(0) = 0$$
$\displaystyle x = \int_0^y \frac{1}{\sqrt{1 + 4t^2}}\,dt$라 할 때, $\dfrac{d^2 y}{dx^2} = ky$를 만족하는 상수 $k$가 존재함을 보이고 $k$를 구하시오.
Let $\displaystyle x = \int_0^y \frac{1}{\sqrt{1 + 4t^2}}\,dt$. Show that there exists a constant $k$ satisfying $\dfrac{d^2 y}{dx^2} = ky$, and find $k$.
$\displaystyle\int_0^x \left(\int_0^u f(t)\,dt\right)du = \int_0^x f(u)(x-u)\,du$임을 보이시오.
Show that $\displaystyle\int_0^x \left(\int_0^u f(t)\,dt\right)du = \int_0^x f(u)(x-u)\,du$.
다음 관계식 $\displaystyle\int_1^{x^2} (x^2 - t)f(t)\,dt = \frac{1}{2}x^6 + ax^4 + x^2 + a + 1$을 만족하는 다항함수(polynomial function) $f(x)$와 상수 $a$를 구하시오.
Find the polynomial function $f(x)$ and the constant $a$ satisfying the relation $\displaystyle\int_1^{x^2} (x^2 - t)f(t)\,dt = \frac{1}{2}x^6 + ax^4 + x^2 + a + 1$.
$\displaystyle\lim_{n \to \infty}\int_0^1 n^2 x e^{-2nx}\,dx$의 값을 구하시오.
Find the value of $\displaystyle\lim_{n \to \infty}\int_0^1 n^2 x e^{-2nx}\,dx$.