예제·유제 · Examples & Exercises
- 곡선 $y = e^{-x/2}$ ($x \geq 0$)의 밑넓이를 구하시오.
- 곡선 $\displaystyle y = \frac{\ln x}{x^2}$ ($x \geq 1$)의 밑넓이를 구하시오.
풀이.
(1) $\displaystyle\int_0^\infty e^{-x/2}\,dx = \lim_{b\to\infty}\int_0^b e^{-x/2}\,dx = \lim_{b\to\infty}\left[-2e^{-x/2}\right]_0^b = \lim_{b\to\infty}\left(2-2e^{-b/2}\right) = 2$이다.
(2) 부분적분법을 사용한다. $u=\ln x$, $dv=x^{-2}\,dx$라 하면 $du=dx/x$, $v=-1/x$이므로 $$\int \frac{\ln x}{x^2}\,dx = -\frac{\ln x}{x} + \int \frac{dx}{x^2} = -\frac{\ln x}{x} - \frac1x + C$$ 이다. 따라서 $$\int_1^\infty \frac{\ln x}{x^2}\,dx = \lim_{b\to\infty}\left[-\frac{\ln x}{x}-\frac1x\right]_1^b = \lim_{b\to\infty}\left(1-\frac{\ln b}{b}-\frac1b\right) = 1$$ 이다. (단, $\lim_{b\to\infty}\dfrac{\ln b}{b}=0$은 로피탈 정리로 확인된다.)
- Find the area under the curve $y = e^{-x/2}$ ($x \geq 0$).
- Find the area under the curve $\displaystyle y = \frac{\ln x}{x^2}$ ($x \geq 1$).
Solution.
(1) $\displaystyle\int_0^\infty e^{-x/2}\,dx = \lim_{b\to\infty}\int_0^b e^{-x/2}\,dx = \lim_{b\to\infty}\left[-2e^{-x/2}\right]_0^b = \lim_{b\to\infty}\left(2-2e^{-b/2}\right) = 2$.
(2) Use integration by parts with $u=\ln x$, $dv=x^{-2}\,dx$, so $du=dx/x$, $v=-1/x$: $$\int \frac{\ln x}{x^2}\,dx = -\frac{\ln x}{x} + \int \frac{dx}{x^2} = -\frac{\ln x}{x} - \frac1x + C.$$ Hence $$\int_1^\infty \frac{\ln x}{x^2}\,dx = \lim_{b\to\infty}\left[-\frac{\ln x}{x}-\frac1x\right]_1^b = \lim_{b\to\infty}\left(1-\frac{\ln b}{b}-\frac1b\right) = 1,$$ where $\lim_{b\to\infty}\dfrac{\ln b}{b}=0$ follows from L'Hôpital's Rule.
다음 이상적분이 수렴하는지 판정하고 수렴한다면 그 값을 구하시오.
- $\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty} \frac{dx}{1+x^2}$
- $\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{dx}{x^p}$ ($p$는 실수)
- $\displaystyle\int_{-\infty}^{2} \frac{2\,dx}{x^2+4}$
- $\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty} \frac{x\,dx}{(x^2+4)^{3/2}}$
풀이.
(1) $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty \frac{dx}{1+x^2}$는 $x=0$을 기준으로 나누어 각 반쪽이 수렴하는지 확인한다. $\displaystyle\int_0^\infty\frac{dx}{1+x^2}=\lim_{b\to\infty}[\arctan x]_0^b=\frac\pi2$, $\displaystyle\int_{-\infty}^0\frac{dx}{1+x^2}=\lim_{a\to-\infty}[\arctan x]_a^0=\frac\pi2$이므로 둘 다 수렴하고, 원래 적분은 수렴하며 그 값은 $\dfrac\pi2+\dfrac\pi2=\pi$이다.
(2) $p\neq1$일 때 $\displaystyle\int_1^b x^{-p}\,dx=\left[\frac{x^{1-p}}{1-p}\right]_1^b=\frac{b^{1-p}-1}{1-p}$이다. $p\gt1$이면 $1-p\lt0$이므로 $b^{1-p}\to0$ ($b\to\infty$)이고, 적분은 $\dfrac{1}{p-1}$로 수렴한다. $p\lt1$이면 $1-p\gt0$이므로 $b^{1-p}\to\infty$이고 발산한다. $p=1$이면 $\displaystyle\int_1^b\frac{dx}{x}=\ln b\to\infty$이므로 발산한다. 따라서 $p\gt1$일 때만 수렴하고 그 값은 $\dfrac{1}{p-1}$이다.
(3) $\displaystyle\int_{-\infty}^2\frac{2\,dx}{x^2+4}=\lim_{a\to-\infty}\left[\arctan\frac x2\right]_a^2=\arctan1-\lim_{a\to-\infty}\arctan\frac a2=\frac\pi4-\left(-\frac\pi2\right)=\frac{3\pi}4$이다.
(4) $x=0$을 기준으로 나눈다. $u=x^2+4$로 치환하면 $du=2x\,dx$이므로 $$\int\frac{x\,dx}{(x^2+4)^{3/2}}=\frac12\int u^{-3/2}\,du=-u^{-1/2}=-\frac1{\sqrt{x^2+4}}$$ 이다. $\displaystyle\int_0^\infty\frac{x\,dx}{(x^2+4)^{3/2}}=\lim_{b\to\infty}\left[-\frac1{\sqrt{x^2+4}}\right]_0^b=0-\left(-\frac12\right)=\frac12$이고, $\displaystyle\int_{-\infty}^0\frac{x\,dx}{(x^2+4)^{3/2}}=\lim_{a\to-\infty}\left[-\frac1{\sqrt{x^2+4}}\right]_a^0=-\frac12-0=-\frac12$이다. 두 반쪽이 각각 수렴하므로 원래 적분은 수렴하고, 그 값은 $\dfrac12+\left(-\dfrac12\right)=0$이다.
Determine whether each of the following improper integrals converges, and if it converges, find its value.
- $\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty} \frac{dx}{1+x^2}$
- $\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{dx}{x^p}$ ($p$ is a real number)
- $\displaystyle\int_{-\infty}^{2} \frac{2\,dx}{x^2+4}$
- $\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty} \frac{x\,dx}{(x^2+4)^{3/2}}$
Solution.
(1) Split $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty \frac{dx}{1+x^2}$ at $x=0$ and check that each half converges. $\displaystyle\int_0^\infty\frac{dx}{1+x^2}=\lim_{b\to\infty}[\arctan x]_0^b=\frac\pi2$ and $\displaystyle\int_{-\infty}^0\frac{dx}{1+x^2}=\lim_{a\to-\infty}[\arctan x]_a^0=\frac\pi2$, so both converge and the original integral converges to $\dfrac\pi2+\dfrac\pi2=\pi$.
(2) For $p\neq1$, $\displaystyle\int_1^b x^{-p}\,dx=\left[\frac{x^{1-p}}{1-p}\right]_1^b=\frac{b^{1-p}-1}{1-p}$. If $p\gt1$, then $1-p\lt0$, so $b^{1-p}\to0$ as $b\to\infty$, and the integral converges to $\dfrac{1}{p-1}$. If $p\lt1$, then $1-p\gt0$, so $b^{1-p}\to\infty$ and it diverges. If $p=1$, $\displaystyle\int_1^b\frac{dx}{x}=\ln b\to\infty$, so it diverges. Hence the integral converges only for $p\gt1$, with value $\dfrac1{p-1}$.
(3) $\displaystyle\int_{-\infty}^2\frac{2\,dx}{x^2+4}=\lim_{a\to-\infty}\left[\arctan\frac x2\right]_a^2=\arctan1-\lim_{a\to-\infty}\arctan\frac a2=\frac\pi4-\left(-\frac\pi2\right)=\frac{3\pi}4$.
(4) Split at $x=0$. Substituting $u=x^2+4$, $du=2x\,dx$, $$\int\frac{x\,dx}{(x^2+4)^{3/2}}=\frac12\int u^{-3/2}\,du=-u^{-1/2}=-\frac1{\sqrt{x^2+4}}.$$ Then $\displaystyle\int_0^\infty\frac{x\,dx}{(x^2+4)^{3/2}}=\lim_{b\to\infty}\left[-\frac1{\sqrt{x^2+4}}\right]_0^b=0-\left(-\frac12\right)=\frac12$ and $\displaystyle\int_{-\infty}^0\frac{x\,dx}{(x^2+4)^{3/2}}=\lim_{a\to-\infty}\left[-\frac1{\sqrt{x^2+4}}\right]_a^0=-\frac12-0=-\frac12$. Both halves converge, so the original integral converges, with value $\dfrac12+\left(-\dfrac12\right)=0$.
$\displaystyle\lim_{b\to\infty}\int_{-b}^{b} \frac{2x\,dx}{x^2+1} = 0$이지만 $\displaystyle\int_0^{\infty} \frac{2x\,dx}{x^2+1}$은 발산함을 설명하시오.
증명.
$b\gt0$에 대해 $$\int_{-b}^b \frac{2x\,dx}{x^2+1} = \left[\ln(x^2+1)\right]_{-b}^b = \ln(b^2+1)-\ln(b^2+1) = 0$$ 이므로 $\displaystyle\lim_{b\to\infty}\int_{-b}^b\frac{2x\,dx}{x^2+1}=0$이다. 이는 피적분함수가 기함수이기 때문에 대칭구간에서 항상 성립하는 등식으로, 이 극한을 코시 주값(Cauchy principal value)이라 부른다.
한편 $\displaystyle\int_0^\infty\frac{2x\,dx}{x^2+1}=\lim_{b\to\infty}\left[\ln(x^2+1)\right]_0^b=\lim_{b\to\infty}\ln(b^2+1)=\infty$이므로 발산한다.
이상적분 $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty f(x)\,dx$는 어느 한 점(여기서는 $x=0$)을 기준으로 나눈 두 반쪽 $\displaystyle\int_{-\infty}^0 f(x)\,dx$와 $\displaystyle\int_0^\infty f(x)\,dx$가 각각 독립적으로 수렴할 때에만 수렴하도록 정의된다. 그런데 $\displaystyle\int_0^\infty\frac{2x\,dx}{x^2+1}$이 발산하므로(같은 이유로 $\displaystyle\int_{-\infty}^0\frac{2x\,dx}{x^2+1}$도 발산한다), 정의에 따라 $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{2x\,dx}{x^2+1}$은 발산한다. 즉 대칭구간에서 취한 극한(코시 주값)이 존재하고 유한하다는 사실이 이상적분 자체의 수렴을 보장하지는 않는다.
Explain why $\displaystyle\lim_{b\to\infty}\int_{-b}^{b} \frac{2x\,dx}{x^2+1} = 0$, yet $\displaystyle\int_0^{\infty} \frac{2x\,dx}{x^2+1}$ diverges.
Proof.
For $b\gt0$, $$\int_{-b}^b \frac{2x\,dx}{x^2+1} = \left[\ln(x^2+1)\right]_{-b}^b = \ln(b^2+1)-\ln(b^2+1) = 0,$$ so $\displaystyle\lim_{b\to\infty}\int_{-b}^b\frac{2x\,dx}{x^2+1}=0$. This holds automatically on any symmetric interval because the integrand is an odd function; such a symmetric limit is called the Cauchy principal value.
On the other hand, $\displaystyle\int_0^\infty\frac{2x\,dx}{x^2+1}=\lim_{b\to\infty}\left[\ln(x^2+1)\right]_0^b=\lim_{b\to\infty}\ln(b^2+1)=\infty$, so it diverges.
The improper integral $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty f(x)\,dx$ is defined to converge only when the two halves obtained by splitting at some point (here $x=0$), $\displaystyle\int_{-\infty}^0 f(x)\,dx$ and $\displaystyle\int_0^\infty f(x)\,dx$, each converge independently. Since $\displaystyle\int_0^\infty\frac{2x\,dx}{x^2+1}$ diverges (and by the same reasoning so does $\displaystyle\int_{-\infty}^0\frac{2x\,dx}{x^2+1}$), the integral $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{2x\,dx}{x^2+1}$ diverges by definition. Thus the existence of a finite symmetric limit (the Cauchy principal value) does not guarantee convergence of the improper integral itself.
- $\displaystyle\int_3^{\infty} e^{-3x}\,dx$를 계산하시오.
- $\displaystyle\int_0^{\infty} e^{-x^2}\,dx$를 $\displaystyle\int_0^3 e^{-x^2}\,dx$로 근사하여 계산할 때 오차의 한계를 구하시오.
풀이.
(1) $\displaystyle\int_3^\infty e^{-3x}\,dx=\lim_{b\to\infty}\left[-\frac13e^{-3x}\right]_3^b=\lim_{b\to\infty}\left(-\frac13e^{-3b}+\frac13e^{-9}\right)=\frac{e^{-9}}3$이다.
(2) 오차는 $\displaystyle\int_0^\infty e^{-x^2}\,dx-\int_0^3e^{-x^2}\,dx=\int_3^\infty e^{-x^2}\,dx$이다. $x\geq3$에서 $x^2\geq3x$이므로 $e^{-x^2}\leq e^{-3x}$이고, 비교판정법과 (1)의 결과에 의해 $$\int_3^\infty e^{-x^2}\,dx\leq\int_3^\infty e^{-3x}\,dx=\frac{e^{-9}}3$$ 이다. 따라서 오차의 한계는 $\dfrac{e^{-9}}3$이다.
- Compute $\displaystyle\int_3^{\infty} e^{-3x}\,dx$.
- Find the error bound when $\displaystyle\int_0^{\infty} e^{-x^2}\,dx$ is approximated by $\displaystyle\int_0^3 e^{-x^2}\,dx$.
Solution.
(1) $\displaystyle\int_3^\infty e^{-3x}\,dx=\lim_{b\to\infty}\left[-\frac13e^{-3x}\right]_3^b=\lim_{b\to\infty}\left(-\frac13e^{-3b}+\frac13e^{-9}\right)=\frac{e^{-9}}3$.
(2) The error is $\displaystyle\int_0^\infty e^{-x^2}\,dx-\int_0^3e^{-x^2}\,dx=\int_3^\infty e^{-x^2}\,dx$. Since $x^2\geq3x$ for $x\geq3$, we have $e^{-x^2}\leq e^{-3x}$, so by the Comparison Test and part (1), $$\int_3^\infty e^{-x^2}\,dx\leq\int_3^\infty e^{-3x}\,dx=\frac{e^{-9}}3.$$ Hence the error bound is $\dfrac{e^{-9}}3$.
$\displaystyle\int_1^{\infty}\left(\frac{ax}{x^2+1} - \frac{1}{2x}\right)dx$가 수렴하도록 하는 $a$의 값을 구하시오.
풀이. $x$가 클 때 $\dfrac{ax}{x^2+1}\sim\dfrac ax$이므로, 피적분함수는 $$\frac{ax}{x^2+1}-\frac1{2x}=\frac{2ax^2-(x^2+1)}{2x(x^2+1)}=\frac{(2a-1)x^2-1}{2x(x^2+1)}$$ 로 쓸 수 있고, $x\to\infty$일 때 이는 $\dfrac{2a-1}{2x}$에 극한비교된다. $a\neq\dfrac12$이면 $2a-1\neq0$이고 $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dx}{2x}$는 발산하므로, 극한비교판정법에 의해 주어진 적분도 발산한다. 따라서 수렴하려면 $a=\dfrac12$이어야 한다.
$a=\dfrac12$일 때, $$\int_1^\infty\left(\frac x{2(x^2+1)}-\frac1{2x}\right)dx=\lim_{b\to\infty}\left[\frac14\ln(x^2+1)-\frac12\ln x\right]_1^b=\lim_{b\to\infty}\left(\frac14\ln\frac{b^2+1}{b^2}-\frac14\ln2\right)$$ 이다. $b\to\infty$일 때 $\dfrac{b^2+1}{b^2}\to1$이므로 $\ln\dfrac{b^2+1}{b^2}\to0$이고, 따라서 적분값은 $-\dfrac{\ln2}4$로 수렴한다.
Find the value of $a$ for which $\displaystyle\int_1^{\infty}\left(\frac{ax}{x^2+1} - \frac{1}{2x}\right)dx$ converges.
Solution. For large $x$, $\dfrac{ax}{x^2+1}\sim\dfrac ax$, so the integrand can be written as $$\frac{ax}{x^2+1}-\frac1{2x}=\frac{2ax^2-(x^2+1)}{2x(x^2+1)}=\frac{(2a-1)x^2-1}{2x(x^2+1)},$$ which is asymptotically comparable to $\dfrac{2a-1}{2x}$ as $x\to\infty$. If $a\neq\dfrac12$, then $2a-1\neq0$, and since $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dx}{2x}$ diverges, the Limit Comparison Test shows the given integral also diverges. Hence convergence requires $a=\dfrac12$.
When $a=\dfrac12$, $$\int_1^\infty\left(\frac x{2(x^2+1)}-\frac1{2x}\right)dx=\lim_{b\to\infty}\left[\frac14\ln(x^2+1)-\frac12\ln x\right]_1^b=\lim_{b\to\infty}\left(\frac14\ln\frac{b^2+1}{b^2}-\frac14\ln2\right).$$ As $b\to\infty$, $\dfrac{b^2+1}{b^2}\to1$, so $\ln\dfrac{b^2+1}{b^2}\to0$, and the integral converges to $-\dfrac{\ln2}4$.
곡선 $\displaystyle y = \frac{1}{\sqrt{x}}$ ($0 \lt x \leq 1$)의 밑넓이를 구하시오.
풀이. $\displaystyle\int_0^1\frac{dx}{\sqrt x}=\lim_{a\to0^+}\int_a^1 x^{-1/2}\,dx=\lim_{a\to0^+}\left[2\sqrt x\right]_a^1=\lim_{a\to0^+}\left(2-2\sqrt a\right)=2$이다.
Find the area under the curve $\displaystyle y = \frac{1}{\sqrt{x}}$ ($0 \lt x \leq 1$).
Solution. $\displaystyle\int_0^1\frac{dx}{\sqrt x}=\lim_{a\to0^+}\int_a^1 x^{-1/2}\,dx=\lim_{a\to0^+}\left[2\sqrt x\right]_a^1=\lim_{a\to0^+}\left(2-2\sqrt a\right)=2$.
다음 이상적분이 수렴하는지 판정하고 수렴한다면 그 값을 구하시오.
- $\displaystyle\int_0^1 \frac{1}{1-x}\,dx$
- $\displaystyle\int_0^3 \frac{dx}{(x-1)^{2/3}}$
- $\displaystyle\int_0^{\infty} \frac{dx}{(1+x)\sqrt{x}}$
- $\displaystyle\int_0^1 \frac{4r\,dr}{\sqrt{1-r^4}}$
풀이.
(1) $\displaystyle\int_0^1\frac{dx}{1-x}=\lim_{b\to1^-}\left[-\ln(1-x)\right]_0^b=\lim_{b\to1^-}\left(-\ln(1-b)\right)=\infty$이므로 발산한다.
(2) $x=1$에서 특이점을 가지므로 $\displaystyle\int_0^1$과 $\displaystyle\int_1^3$으로 나눈다. $\displaystyle\int(x-1)^{-2/3}\,dx=3(x-1)^{1/3}$이므로, $$\int_0^1(x-1)^{-2/3}\,dx=\lim_{a\to1^-}\left[3(x-1)^{1/3}\right]_0^a=0-3(-1)=3,$$ $$\int_1^3(x-1)^{-2/3}\,dx=\lim_{a\to1^+}\left[3(x-1)^{1/3}\right]_a^3=3\sqrt[3]2-0=3\sqrt[3]2$$ 이다. 두 반쪽이 모두 수렴하므로 원래 적분은 수렴하고, 값은 $3+3\sqrt[3]2=3(1+\sqrt[3]2)$이다.
(3) $u=\sqrt x$로 치환하면 $x=u^2$, $dx=2u\,du$이고, $$\frac{dx}{(1+x)\sqrt x}=\frac{2u\,du}{(1+u^2)u}=\frac{2\,du}{1+u^2}$$ 이다. $x:0\to\infty$일 때 $u:0\to\infty$이므로 $$\int_0^\infty\frac{dx}{(1+x)\sqrt x}=\int_0^\infty\frac{2\,du}{1+u^2}=2\left[\arctan u\right]_0^\infty=2\cdot\frac\pi2=\pi$$ 이다.
(4) $u=r^2$으로 치환하면 $du=2r\,dr$이고, $$\frac{4r\,dr}{\sqrt{1-r^4}}=\frac{2\,du}{\sqrt{1-u^2}}$$ 이다. $r:0\to1$일 때 $u:0\to1$이므로 $$\int_0^1\frac{4r\,dr}{\sqrt{1-r^4}}=\int_0^1\frac{2\,du}{\sqrt{1-u^2}}=2\left[\arcsin u\right]_0^1=2\cdot\frac\pi2=\pi$$ 이다.
Determine whether each of the following improper integrals converges, and if it converges, find its value.
- $\displaystyle\int_0^1 \frac{1}{1-x}\,dx$
- $\displaystyle\int_0^3 \frac{dx}{(x-1)^{2/3}}$
- $\displaystyle\int_0^{\infty} \frac{dx}{(1+x)\sqrt{x}}$
- $\displaystyle\int_0^1 \frac{4r\,dr}{\sqrt{1-r^4}}$
Solution.
(1) $\displaystyle\int_0^1\frac{dx}{1-x}=\lim_{b\to1^-}\left[-\ln(1-x)\right]_0^b=\lim_{b\to1^-}\left(-\ln(1-b)\right)=\infty$, so it diverges.
(2) The integrand has a singularity at $x=1$, so split into $\displaystyle\int_0^1$ and $\displaystyle\int_1^3$. Since $\displaystyle\int(x-1)^{-2/3}\,dx=3(x-1)^{1/3}$, $$\int_0^1(x-1)^{-2/3}\,dx=\lim_{a\to1^-}\left[3(x-1)^{1/3}\right]_0^a=0-3(-1)=3,$$ $$\int_1^3(x-1)^{-2/3}\,dx=\lim_{a\to1^+}\left[3(x-1)^{1/3}\right]_a^3=3\sqrt[3]2-0=3\sqrt[3]2.$$ Both halves converge, so the original integral converges to $3+3\sqrt[3]2=3(1+\sqrt[3]2)$.
(3) Substituting $u=\sqrt x$, so $x=u^2$, $dx=2u\,du$, $$\frac{dx}{(1+x)\sqrt x}=\frac{2u\,du}{(1+u^2)u}=\frac{2\,du}{1+u^2}.$$ As $x$ ranges over $0\to\infty$, $u$ ranges over $0\to\infty$, so $$\int_0^\infty\frac{dx}{(1+x)\sqrt x}=\int_0^\infty\frac{2\,du}{1+u^2}=2\left[\arctan u\right]_0^\infty=2\cdot\frac\pi2=\pi.$$
(4) Substituting $u=r^2$, $du=2r\,dr$, $$\frac{4r\,dr}{\sqrt{1-r^4}}=\frac{2\,du}{\sqrt{1-u^2}}.$$ As $r$ ranges over $0\to1$, $u$ ranges over $0\to1$, so $$\int_0^1\frac{4r\,dr}{\sqrt{1-r^4}}=\int_0^1\frac{2\,du}{\sqrt{1-u^2}}=2\left[\arcsin u\right]_0^1=2\cdot\frac\pi2=\pi.$$
다음 이상적분이 수렴하도록 하는 $p$의 범위를 구하시오.
- $\displaystyle\int_1^2 \frac{dx}{x(\ln x)^p}$
- $\displaystyle\int_2^{\infty} \frac{dx}{x(\ln x)^p}$
풀이.
(1) $u=\ln x$로 치환하면 $du=dx/x$이고, $x:1\to2$일 때 $u:0\to\ln2$이므로 $$\int_1^2\frac{dx}{x(\ln x)^p}=\int_0^{\ln2}u^{-p}\,du$$ 이다. 이는 $u=0$에서 특이점을 갖는 $p$-적분이며, $\displaystyle\int_0^a u^{-p}\,du$ ($a\gt0$)는 $p\lt1$일 때만 수렴한다. 따라서 원래 적분이 수렴하도록 하는 $p$의 범위는 $p\lt1$이다.
(2) 마찬가지로 $u=\ln x$로 치환하면, $x:2\to\infty$일 때 $u:\ln2\to\infty$이므로 $$\int_2^\infty\frac{dx}{x(\ln x)^p}=\int_{\ln2}^\infty u^{-p}\,du$$ 이다. $\ln2\gt0$이므로 우변은 무한구간 $p$-적분이고, $p\gt1$일 때만 수렴한다. 따라서 원래 적분이 수렴하도록 하는 $p$의 범위는 $p\gt1$이다.
Find the range of $p$ for which each of the following improper integrals converges.
- $\displaystyle\int_1^2 \frac{dx}{x(\ln x)^p}$
- $\displaystyle\int_2^{\infty} \frac{dx}{x(\ln x)^p}$
Solution.
(1) Substituting $u=\ln x$, $du=dx/x$; as $x$ ranges over $1\to2$, $u$ ranges over $0\to\ln2$, so $$\int_1^2\frac{dx}{x(\ln x)^p}=\int_0^{\ln2}u^{-p}\,du.$$ This is a $p$-integral with a singularity at $u=0$, and $\displaystyle\int_0^a u^{-p}\,du$ ($a\gt0$) converges only when $p\lt1$. Hence the original integral converges for $p\lt1$.
(2) Similarly, substituting $u=\ln x$, as $x$ ranges over $2\to\infty$, $u$ ranges over $\ln2\to\infty$, so $$\int_2^\infty\frac{dx}{x(\ln x)^p}=\int_{\ln2}^\infty u^{-p}\,du.$$ Since $\ln2\gt0$, the right-hand side is a $p$-integral over an infinite interval, which converges only when $p\gt1$. Hence the original integral converges for $p\gt1$.
다음 이상적분이 수렴하는지 판정하시오.
- $\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{\sin^2 x}{x^2}\,dx$
- $\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{1}{\sqrt{x^2-0.1}}\,dx$
- $\displaystyle\int_0^{\pi/2} \frac{\cos x}{\sqrt{x}}\,dx$
- $\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{dx}{1+x^2}$
- $\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{1-e^{-x}}{x}\,dx$
풀이.
(1) 모든 $x$에 대해 $0\leq\sin^2x\leq1$이므로 $\displaystyle0\leq\frac{\sin^2x}{x^2}\leq\frac1{x^2}$ ($x\geq1$)이다. $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dx}{x^2}$는 $p$-적분($p=2\gt1$)으로 수렴하므로, 비교판정법에 의해 $\displaystyle\int_1^\infty\frac{\sin^2x}{x^2}\,dx$는 수렴한다.
(2) $x\to\infty$일 때 $\dfrac1{\sqrt{x^2-0.1}}\sim\dfrac1x$이다. $\displaystyle\lim_{x\to\infty}\frac{1/\sqrt{x^2-0.1}}{1/x}=\lim_{x\to\infty}\frac x{\sqrt{x^2-0.1}}=1$이고, $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dx}x$는 발산하므로, 극한비교판정법에 의해 $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dx}{\sqrt{x^2-0.1}}$은 발산한다.
(3) $x=0$에서 특이점을 갖는다. $[0,\pi/2]$에서 $\cos x\geq0$이고 $0\leq\cos x\leq1$이므로 $0\leq\dfrac{\cos x}{\sqrt x}\leq\dfrac1{\sqrt x}$ ($0\lt x\leq\pi/2$)이다. $\displaystyle\int_0^{\pi/2}\frac{dx}{\sqrt x}$는 $p$-적분($p=1/2\lt1$)으로 수렴하므로, 비교판정법에 의해 $\displaystyle\int_0^{\pi/2}\frac{\cos x}{\sqrt x}\,dx$는 수렴한다.
(4) $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dx}{1+x^2}=\lim_{b\to\infty}[\arctan x]_1^b=\frac\pi2-\frac\pi4=\frac\pi4$로 직접 계산되어 수렴한다.
(5) $x\to\infty$일 때 $1-e^{-x}\to1$이므로 $\dfrac{1-e^{-x}}x\sim\dfrac1x$이다. $\displaystyle\lim_{x\to\infty}\frac{(1-e^{-x})/x}{1/x}=\lim_{x\to\infty}(1-e^{-x})=1$이고, $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dx}x$는 발산하므로, 극한비교판정법에 의해 $\displaystyle\int_1^\infty\frac{1-e^{-x}}x\,dx$는 발산한다.
Determine whether each of the following improper integrals converges.
- $\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{\sin^2 x}{x^2}\,dx$
- $\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{1}{\sqrt{x^2-0.1}}\,dx$
- $\displaystyle\int_0^{\pi/2} \frac{\cos x}{\sqrt{x}}\,dx$
- $\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{dx}{1+x^2}$
- $\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{1-e^{-x}}{x}\,dx$
Solution.
(1) For all $x$, $0\leq\sin^2x\leq1$, so $\displaystyle0\leq\frac{\sin^2x}{x^2}\leq\frac1{x^2}$ for $x\geq1$. Since $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dx}{x^2}$ is a convergent $p$-integral ($p=2\gt1$), the Comparison Test shows $\displaystyle\int_1^\infty\frac{\sin^2x}{x^2}\,dx$ converges.
(2) As $x\to\infty$, $\dfrac1{\sqrt{x^2-0.1}}\sim\dfrac1x$. Since $\displaystyle\lim_{x\to\infty}\frac{1/\sqrt{x^2-0.1}}{1/x}=\lim_{x\to\infty}\frac x{\sqrt{x^2-0.1}}=1$ and $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dx}x$ diverges, the Limit Comparison Test shows $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dx}{\sqrt{x^2-0.1}}$ diverges.
(3) The integrand has a singularity at $x=0$. On $[0,\pi/2]$, $\cos x\geq0$ and $0\leq\cos x\leq1$, so $0\leq\dfrac{\cos x}{\sqrt x}\leq\dfrac1{\sqrt x}$ for $0\lt x\leq\pi/2$. Since $\displaystyle\int_0^{\pi/2}\frac{dx}{\sqrt x}$ is a convergent $p$-integral ($p=1/2\lt1$), the Comparison Test shows $\displaystyle\int_0^{\pi/2}\frac{\cos x}{\sqrt x}\,dx$ converges.
(4) Directly, $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dx}{1+x^2}=\lim_{b\to\infty}[\arctan x]_1^b=\frac\pi2-\frac\pi4=\frac\pi4$, so it converges.
(5) As $x\to\infty$, $1-e^{-x}\to1$, so $\dfrac{1-e^{-x}}x\sim\dfrac1x$. Since $\displaystyle\lim_{x\to\infty}\frac{(1-e^{-x})/x}{1/x}=\lim_{x\to\infty}(1-e^{-x})=1$ and $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dx}x$ diverges, the Limit Comparison Test shows $\displaystyle\int_1^\infty\frac{1-e^{-x}}x\,dx$ diverges.
다음 이상적분이 수렴하는지 판정하시오.
- $\displaystyle\int_{1/2}^2 \frac{dx}{x\ln x}$
- $\displaystyle\int_0^{\pi/2} \tan\theta\,d\theta$
- $\displaystyle\int_4^{\infty} \frac{2\,dt}{t^{3/2}-1}$
- $\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{1}{e^x - 2^x}\,dx$
풀이.
(1) 피적분함수는 $x=1$에서 특이점을 갖는다($\ln1=0$). $\displaystyle\lim_{x\to1}\frac{1/(x\ln x)}{1/(x-1)}=\lim_{x\to1}\frac{x-1}{x\ln x}$인데, 로피탈 정리에 의해 $\displaystyle=\lim_{x\to1}\frac1{\ln x+1}=1$이다. $\displaystyle\int_{1/2}^1\frac{dx}{x-1}$과 $\displaystyle\int_1^2\frac{dx}{x-1}$은 모두 $x=1$ 근방에서 발산하므로($u=x-1$로 놓으면 $\int u^{-1}du$ 꼴), 극한비교판정법에 의해 $\displaystyle\int_{1/2}^1\frac{dx}{x\ln x}$와 $\displaystyle\int_1^2\frac{dx}{x\ln x}$도 각각 발산한다. 따라서 $\displaystyle\int_{1/2}^2\frac{dx}{x\ln x}$는 발산한다.
(2) $\tan\theta$는 $\theta=\pi/2$에서 특이점을 갖는다. $\theta\to(\pi/2)^-$일 때 $\varepsilon=\pi/2-\theta\to0^+$라 하면 $\tan\theta=\cot\varepsilon=\dfrac{\cos\varepsilon}{\sin\varepsilon}$이고, $$\lim_{\theta\to(\pi/2)^-}\frac{\tan\theta}{1/(\pi/2-\theta)}=\lim_{\varepsilon\to0^+}\varepsilon\cdot\frac{\cos\varepsilon}{\sin\varepsilon}=\lim_{\varepsilon\to0^+}\cos\varepsilon\cdot\frac\varepsilon{\sin\varepsilon}=1$$ 이다. $\displaystyle\int_0^{\pi/2}\frac{d\theta}{\pi/2-\theta}$는 $\theta=\pi/2$ 근방에서 발산하므로, 극한비교판정법에 의해 $\displaystyle\int_0^{\pi/2}\tan\theta\,d\theta$도 발산한다.
(3) $t\to\infty$일 때 $t^{3/2}-1\sim t^{3/2}$이므로 $\dfrac2{t^{3/2}-1}\sim\dfrac2{t^{3/2}}$이다. $\displaystyle\lim_{t\to\infty}\frac{2/(t^{3/2}-1)}{2/t^{3/2}}=\lim_{t\to\infty}\frac{t^{3/2}}{t^{3/2}-1}=1$이고, $\displaystyle\int_4^\infty\frac{2\,dt}{t^{3/2}}$는 $p$-적분($p=3/2\gt1$)으로 수렴하므로, 극한비교판정법에 의해 $\displaystyle\int_4^\infty\frac{2\,dt}{t^{3/2}-1}$은 수렴한다.
(4) $e\gt2$이므로 $x\gt0$에서 $(e/2)^x\gt1$, 즉 $e^x\gt2^x$이고, $x\geq1$에서 $e^x-2^x\gt0$이므로 피적분함수는 특이점이 없다. $x\to\infty$일 때 $$\lim_{x\to\infty}\frac{1/(e^x-2^x)}{e^{-x}}=\lim_{x\to\infty}\frac{e^x}{e^x-2^x}=\lim_{x\to\infty}\frac1{1-(2/e)^x}=1$$ 이다(단, $2/e\lt1$이므로 $(2/e)^x\to0$). $\displaystyle\int_1^\infty e^{-x}\,dx$는 수렴하므로, 극한비교판정법에 의해 $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dx}{e^x-2^x}$는 수렴한다.
Determine whether each of the following improper integrals converges.
- $\displaystyle\int_{1/2}^2 \frac{dx}{x\ln x}$
- $\displaystyle\int_0^{\pi/2} \tan\theta\,d\theta$
- $\displaystyle\int_4^{\infty} \frac{2\,dt}{t^{3/2}-1}$
- $\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{1}{e^x - 2^x}\,dx$
Solution.
(1) The integrand has a singularity at $x=1$ (since $\ln1=0$). Since $\displaystyle\lim_{x\to1}\frac{1/(x\ln x)}{1/(x-1)}=\lim_{x\to1}\frac{x-1}{x\ln x}$, and by L'Hôpital's Rule this equals $\displaystyle\lim_{x\to1}\frac1{\ln x+1}=1$. Both $\displaystyle\int_{1/2}^1\frac{dx}{x-1}$ and $\displaystyle\int_1^2\frac{dx}{x-1}$ diverge near $x=1$ (substituting $u=x-1$ gives $\int u^{-1}\,du$), so by the Limit Comparison Test, $\displaystyle\int_{1/2}^1\frac{dx}{x\ln x}$ and $\displaystyle\int_1^2\frac{dx}{x\ln x}$ each diverge as well. Hence $\displaystyle\int_{1/2}^2\frac{dx}{x\ln x}$ diverges.
(2) $\tan\theta$ has a singularity at $\theta=\pi/2$. Writing $\varepsilon=\pi/2-\theta\to0^+$ as $\theta\to(\pi/2)^-$, we have $\tan\theta=\cot\varepsilon=\dfrac{\cos\varepsilon}{\sin\varepsilon}$, so $$\lim_{\theta\to(\pi/2)^-}\frac{\tan\theta}{1/(\pi/2-\theta)}=\lim_{\varepsilon\to0^+}\varepsilon\cdot\frac{\cos\varepsilon}{\sin\varepsilon}=\lim_{\varepsilon\to0^+}\cos\varepsilon\cdot\frac\varepsilon{\sin\varepsilon}=1.$$ Since $\displaystyle\int_0^{\pi/2}\frac{d\theta}{\pi/2-\theta}$ diverges near $\theta=\pi/2$, the Limit Comparison Test shows $\displaystyle\int_0^{\pi/2}\tan\theta\,d\theta$ diverges as well.
(3) As $t\to\infty$, $t^{3/2}-1\sim t^{3/2}$, so $\dfrac2{t^{3/2}-1}\sim\dfrac2{t^{3/2}}$. Since $\displaystyle\lim_{t\to\infty}\frac{2/(t^{3/2}-1)}{2/t^{3/2}}=\lim_{t\to\infty}\frac{t^{3/2}}{t^{3/2}-1}=1$ and $\displaystyle\int_4^\infty\frac{2\,dt}{t^{3/2}}$ is a convergent $p$-integral ($p=3/2\gt1$), the Limit Comparison Test shows $\displaystyle\int_4^\infty\frac{2\,dt}{t^{3/2}-1}$ converges.
(4) Since $e\gt2$, $(e/2)^x\gt1$ for $x\gt0$, i.e., $e^x\gt2^x$, so $e^x-2^x\gt0$ for $x\geq1$ and the integrand has no singularity. As $x\to\infty$, $$\lim_{x\to\infty}\frac{1/(e^x-2^x)}{e^{-x}}=\lim_{x\to\infty}\frac{e^x}{e^x-2^x}=\lim_{x\to\infty}\frac1{1-(2/e)^x}=1$$ (since $2/e\lt1$, $(2/e)^x\to0$). Since $\displaystyle\int_1^\infty e^{-x}\,dx$ converges, the Limit Comparison Test shows $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dx}{e^x-2^x}$ converges.
다음 이상적분이 수렴하는지 판정하시오.
- $\displaystyle\int_0^{\infty} \frac{\sin t}{t}\,dt$
- $\displaystyle\int_0^{\infty} e^{-t^2}\,dt$
풀이.
(1) $t\to0^+$일 때 $\dfrac{\sin t}t\to1$이므로 $t=0$은 실제로는 특이점이 아니며(제거가능한 불연속), $\displaystyle\int_0^1\frac{\sin t}t\,dt$는 보통의 정적분으로 유한하다. 문제는 $t\to\infty$쪽이다. 부분적분법을 적용하면, $u=1/t$, $dv=\sin t\,dt$일 때 $du=-t^{-2}\,dt$, $v=-\cos t$이므로 $$\int_1^b\frac{\sin t}t\,dt=\left[-\frac{\cos t}t\right]_1^b-\int_1^b\frac{\cos t}{t^2}\,dt=\cos1-\frac{\cos b}b-\int_1^b\frac{\cos t}{t^2}\,dt$$ 이다. $b\to\infty$일 때 $\left|\dfrac{\cos b}b\right|\leq\dfrac1b\to0$이고, $\left|\dfrac{\cos t}{t^2}\right|\leq\dfrac1{t^2}$이며 $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dt}{t^2}$가 수렴하므로 비교판정법에 의해 $\displaystyle\int_1^\infty\frac{\cos t}{t^2}\,dt$도 (절대)수렴한다. 따라서 위 등식의 우변이 $b\to\infty$일 때 극한을 가지므로 $\displaystyle\int_1^\infty\frac{\sin t}t\,dt$는 수렴하고, 이를 $[0,1]$ 위의 정적분과 합하면 $\displaystyle\int_0^\infty\frac{\sin t}t\,dt$는 수렴한다. (단, $\displaystyle\int_1^\infty\left|\frac{\sin t}t\right|dt$는 발산함이 알려져 있으므로 이 수렴은 절대수렴이 아닌 조건수렴이다.)
(2) $t\geq1$에서 $t^2\geq t$이므로 $e^{-t^2}\leq e^{-t}$이고, $\displaystyle\int_1^\infty e^{-t}\,dt$는 수렴하므로 비교판정법에 의해 $\displaystyle\int_1^\infty e^{-t^2}\,dt$는 수렴한다. $\displaystyle\int_0^1 e^{-t^2}\,dt$는 유한한 정적분이므로, 이를 합한 $\displaystyle\int_0^\infty e^{-t^2}\,dt$는 수렴한다.
Determine whether each of the following improper integrals converges.
- $\displaystyle\int_0^{\infty} \frac{\sin t}{t}\,dt$
- $\displaystyle\int_0^{\infty} e^{-t^2}\,dt$
Solution.
(1) As $t\to0^+$, $\dfrac{\sin t}t\to1$, so $t=0$ is not actually a singularity (a removable discontinuity), and $\displaystyle\int_0^1\frac{\sin t}t\,dt$ is an ordinary, finite definite integral. The issue is at $t\to\infty$. Integrating by parts with $u=1/t$, $dv=\sin t\,dt$, so $du=-t^{-2}\,dt$, $v=-\cos t$, $$\int_1^b\frac{\sin t}t\,dt=\left[-\frac{\cos t}t\right]_1^b-\int_1^b\frac{\cos t}{t^2}\,dt=\cos1-\frac{\cos b}b-\int_1^b\frac{\cos t}{t^2}\,dt.$$ As $b\to\infty$, $\left|\dfrac{\cos b}b\right|\leq\dfrac1b\to0$, and $\left|\dfrac{\cos t}{t^2}\right|\leq\dfrac1{t^2}$ with $\displaystyle\int_1^\infty\frac{dt}{t^2}$ convergent, so by the Comparison Test, $\displaystyle\int_1^\infty\frac{\cos t}{t^2}\,dt$ converges (absolutely) as well. Hence the right-hand side has a limit as $b\to\infty$, so $\displaystyle\int_1^\infty\frac{\sin t}t\,dt$ converges, and combined with the definite integral on $[0,1]$, $\displaystyle\int_0^\infty\frac{\sin t}t\,dt$ converges. (Since $\displaystyle\int_1^\infty\left|\frac{\sin t}t\right|dt$ is known to diverge, this convergence is conditional, not absolute.)
(2) Since $t^2\geq t$ for $t\geq1$, $e^{-t^2}\leq e^{-t}$, and $\displaystyle\int_1^\infty e^{-t}\,dt$ converges, so by the Comparison Test, $\displaystyle\int_1^\infty e^{-t^2}\,dt$ converges. Since $\displaystyle\int_0^1 e^{-t^2}\,dt$ is a finite definite integral, combining gives that $\displaystyle\int_0^\infty e^{-t^2}\,dt$ converges.
문제 · Problems
곡선 $C: \displaystyle y = \frac{1}{x}$ ($x \geq 1$)에 대해 다음 물음에 답하시오.
- 곡선 $C$ 아래 밑넓이는 무한대로 발산함을 보이시오.
- 곡선 $C$를 $x$축을 중심으로 회전시켰을 때 회전면의 넓이는 무한대로 발산함을 보이시오.
- 곡선 $C$ 아래 영역을 $x$축을 중심으로 회전시켰을 때 회전체의 부피는 수렴함을 보이시오.
For the curve $C: \displaystyle y = \frac{1}{x}$ ($x \geq 1$), answer the following.
- Show that the area under the curve $C$ diverges to infinity.
- Show that when $C$ is revolved about the $x$-axis, the area of the resulting surface of revolution diverges to infinity.
- Show that when the region under $C$ is revolved about the $x$-axis, the volume of the resulting solid of revolution converges.
함수 $\displaystyle \Gamma(x) = \int_0^{\infty} t^{x-1}e^{-t}\,dt$ ($x \gt 0$)를 감마함수(Gamma function)라 한다.
- $n$이 0 이상의 정수일 때 $\Gamma(n+1) = n!$임을 보이시오. (Hint. 수학적 귀납법을 이용할 것)
- 스털링 공식(Stirling's formula)에 의하면 극한 $$\lim_{x\to\infty} \frac{\Gamma(x)}{\left(\dfrac{x}{e}\right)^x \sqrt{\dfrac{2\pi}{x}}} = 1$$ 이 성립함이 알려져 있다. 즉, $x\to\infty$일 때 $\Gamma(x) \approx \left(\dfrac{x}{e}\right)^x \sqrt{\dfrac{2\pi}{x}}$가 성립한다. 이때 자연수 $n$에 대해 $n\to\infty$일 때 다음 근사들이 성립함을 보이시오. $$n! \approx \left(\frac{n}{e}\right)^n \sqrt{2n\pi}, \qquad \sqrt[n]{n!} \approx \frac{n}{e}$$ (Hint. $\displaystyle\lim_{n\to\infty} n^{1/n} = 1$이 성립함을 보이시오)
The function $\displaystyle \Gamma(x) = \int_0^{\infty} t^{x-1}e^{-t}\,dt$ ($x \gt 0$) is called the Gamma function.
- Show that $\Gamma(n+1) = n!$ when $n$ is a nonnegative integer. (Hint. Use mathematical induction.)
- Stirling's formula states that the limit $$\lim_{x\to\infty} \frac{\Gamma(x)}{\left(\dfrac{x}{e}\right)^x \sqrt{\dfrac{2\pi}{x}}} = 1$$ is known to hold. That is, as $x\to\infty$, $\Gamma(x) \approx \left(\dfrac{x}{e}\right)^x \sqrt{\dfrac{2\pi}{x}}$ holds. Show that, for a natural number $n$, the following approximations hold as $n\to\infty$. $$n! \approx \left(\frac{n}{e}\right)^n \sqrt{2n\pi}, \qquad \sqrt[n]{n!} \approx \frac{n}{e}$$ (Hint. Show that $\displaystyle\lim_{n\to\infty} n^{1/n} = 1$.)
옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?
ㄱ. 특이적분(이상적분, improper integral) $\displaystyle\int_0^1 \ln x\,dx$가 수렴한다.
ㄴ. 닫힌구간 $[0, 1]$에서 정의된 함수 $f(x) = \begin{cases} 1 & (x \in [0,1] \cap \mathbb{Q}) \\ 0 & (x \in [0,1] - \mathbb{Q}) \end{cases}$는 $[0,1]$에서 리만(Riemann)적분가능하다.
ㄷ. $[0,1]$에서 적분가능한 함수 $f$에 대하여 $\displaystyle F(x) = \int_0^x f(y)\,dy$로 정의된 함수 $F$는 열린구간 $(0,1)$에서 미분가능하다.
① ㄱ ② ㄴ ③ ㄷ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ
Choose all correct statements from <List>.
ㄱ. The improper integral $\displaystyle\int_0^1 \ln x\,dx$ converges.
ㄴ. The function $f(x) = \begin{cases} 1 & (x \in [0,1] \cap \mathbb{Q}) \\ 0 & (x \in [0,1] - \mathbb{Q}) \end{cases}$ defined on the closed interval $[0, 1]$ is Riemann integrable on $[0,1]$.
ㄷ. For a function $f$ integrable on $[0,1]$, the function $F$ defined by $\displaystyle F(x) = \int_0^x f(y)\,dy$ is differentiable on the open interval $(0,1)$.
① ㄱ ② ㄴ ③ ㄷ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ
수렴하는 이상적분(특이적분, improper integral)만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?
ㄱ. $\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{x+1}{x\sqrt{x^4+1}}\,dx$
ㄴ. $\displaystyle\int_2^{\infty} \frac{1}{\ln x}\,dx$
ㄷ. $\displaystyle\int_0^{\pi/2} \frac{1}{\cos x + \sqrt{1-\sin x}}\,dx$
① ㄱ ② ㄴ ③ ㄷ ④ ㄱ, ㄴ ⑤ ㄱ, ㄷ
Choose all improper integrals that converge from <List>.
ㄱ. $\displaystyle\int_1^{\infty} \frac{x+1}{x\sqrt{x^4+1}}\,dx$
ㄴ. $\displaystyle\int_2^{\infty} \frac{1}{\ln x}\,dx$
ㄷ. $\displaystyle\int_0^{\pi/2} \frac{1}{\cos x + \sqrt{1-\sin x}}\,dx$
① ㄱ ② ㄴ ③ ㄷ ④ ㄱ, ㄴ ⑤ ㄱ, ㄷ
이차함수 $\displaystyle f(x) = \frac{1}{2}(x-10)^2$과 양의 정수 $n$에 대하여 $a_n$을 특이적분(이상적분, improper integral) $\displaystyle\int_1^{\infty} (f(n))^t\,dt$의 수렴 또는 발산에 따라 다음과 같이 정의하자.
$$a_n = \begin{cases} \displaystyle\int_1^{\infty} (f(n))^t\,dt & \left(\displaystyle\int_1^{\infty} (f(n))^t\,dt\text{가 수렴}\right) \\[2mm] 0 & \left(\displaystyle\int_1^{\infty} (f(n))^t\,dt\text{가 발산}\right) \end{cases}$$
$\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$의 값을 구하시오.
Let $\displaystyle f(x) = \frac{1}{2}(x-10)^2$ be a quadratic function, and for a positive integer $n$, define $a_n$ according to whether the improper integral $\displaystyle\int_1^{\infty} (f(n))^t\,dt$ converges or diverges, as follows.
$$a_n = \begin{cases} \displaystyle\int_1^{\infty} (f(n))^t\,dt & \left(\displaystyle\int_1^{\infty} (f(n))^t\,dt\text{ converges}\right) \\[2mm] 0 & \left(\displaystyle\int_1^{\infty} (f(n))^t\,dt\text{ diverges}\right) \end{cases}$$
Find the value of $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$.
자연수 $n$에 대하여 함수 $f_n : [0, \infty) \to \mathbb{R}$를 $\displaystyle f_n(x) = \max\left\{0,\ \frac{1}{n}\left(1 - \frac{1}{n}|x-2n|\right)\right\}$으로 정의할 때, $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\int_0^{\infty} f_n(x)\,dx + \int_0^{\infty}\left(\lim_{n\to\infty} f_n(x)\right)dx$의 값을 구하시오. (단, $\max\{a, b\}$는 $a$와 $b$ 중 작지 않은 수이다.)
For a natural number $n$, define the function $f_n : [0, \infty) \to \mathbb{R}$ by $\displaystyle f_n(x) = \max\left\{0,\ \frac{1}{n}\left(1 - \frac{1}{n}|x-2n|\right)\right\}$. Find the value of $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\int_0^{\infty} f_n(x)\,dx + \int_0^{\infty}\left(\lim_{n\to\infty} f_n(x)\right)dx$. (Here, $\max\{a, b\}$ denotes the number that is not less than $a$ and $b$.)
구간 $\left(\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{3\pi}{2}\right)$에서 정의된 함수 $f(x) = \tan x$의 역함수를 $g : \mathbb{R} \to \left(\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{3\pi}{2}\right)$라 하자. $\displaystyle\lim_{n\to\infty} n\left(g\left(1 + \frac{3}{n}\right) - g(1)\right)$의 값을 풀이 과정과 함께 쓰시오. 또한 $\displaystyle\int_0^{\infty} \frac{g(x)}{1+x^2}\,dx$의 값을 풀이 과정과 함께 쓰시오.
Let $g : \mathbb{R} \to \left(\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{3\pi}{2}\right)$ be the inverse function of $f(x) = \tan x$ defined on the interval $\left(\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{3\pi}{2}\right)$. Write the value of $\displaystyle\lim_{n\to\infty} n\left(g\left(1 + \frac{3}{n}\right) - g(1)\right)$ together with the solution process. Also write the value of $\displaystyle\int_0^{\infty} \frac{g(x)}{1+x^2}\,dx$ together with the solution process.