미분은 규칙만 따르면 언제나 계산되지만, 적분(원시함수 찾기)은 그렇지 않습니다. 이 장의 기법들은 미분 규칙을 거꾸로 읽어 얻은 것입니다. 치환적분은 연쇄법칙의, 부분적분은 곱의 미분법의 거꾸로입니다. 끝없는 구간의 적분(이상적분)은 확률과 물리에서 매우 자주 나옵니다.
9.1 치환적분
정리 9.1 (치환적분). u = g ( x ) u = g(x) u = g ( x ) 이면
∫ f ( g ( x ) ) g ′ ( x ) d x = ∫ f ( u ) d u , ∫ a b f ( g ( x ) ) g ′ ( x ) d x = ∫ g ( a ) g ( b ) f ( u ) d u . \int f(g(x))\,g'(x)\,dx = \int f(u)\,du, \qquad \int_a^b f(g(x))g'(x)\,dx = \int_{g(a)}^{g(b)} f(u)\,du. ∫ f ( g ( x )) g ′ ( x ) d x = ∫ f ( u ) d u , ∫ a b f ( g ( x )) g ′ ( x ) d x = ∫ g ( a ) g ( b ) f ( u ) d u .
증명. F ′ = f F' = f F ′ = f 이면 연쇄법칙으로 d d x F ( g ( x ) ) = f ( g ( x ) ) g ′ ( x ) \frac{d}{dx}F(g(x)) = f(g(x))g'(x) d x d F ( g ( x )) = f ( g ( x )) g ′ ( x ) 입니다. □
라이프니츠 기호로 d u = g ′ ( x ) d x du = g'(x)\,dx d u = g ′ ( x ) d x 라 쓰면 기계적으로 바꿀 수 있습니다. 정적분이면 끝도 함께 바꿉니다.
예제 9.2. ∫ 2 x cos ( x 2 ) d x \int 2x\cos(x^2)\,dx ∫ 2 x cos ( x 2 ) d x : u = x 2 u = x^2 u = x 2 , d u = 2 x d x du = 2x\,dx d u = 2 x d x 이므로 ∫ cos u d u = sin ( x 2 ) + C \int\cos u\,du = \sin(x^2) + C ∫ cos u d u = sin ( x 2 ) + C .
예제 9.3. ∫ 0 1 x e − x 2 d x \int_0^1 xe^{-x^2}\,dx ∫ 0 1 x e − x 2 d x : u = − x 2 u = -x^2 u = − x 2 , d u = − 2 x d x du = -2x\,dx d u = − 2 x d x , 끝은 0 → 0 0 \to 0 0 → 0 , 1 → − 1 1 \to -1 1 → − 1 이므로 − 1 2 ∫ 0 − 1 e u d u = 1 2 ( 1 − e − 1 ) -\frac12\int_0^{-1}e^u\,du = \frac12(1 - e^{-1}) − 2 1 ∫ 0 − 1 e u d u = 2 1 ( 1 − e − 1 ) .
예제 9.4. ∫ tan x d x = ∫ sin x cos x d x \int\tan x\,dx = \int\frac{\sin x}{\cos x}dx ∫ tan x d x = ∫ c o s x s i n x d x : u = cos x u = \cos x u = cos x 이므로 − ∫ d u u = − ln ∣ cos x ∣ + C -\int\frac{du}u = -\ln|\cos x| + C − ∫ u d u = − ln ∣ cos x ∣ + C .
어떤 부분의 도함수가 (상수배를 빼고) 함께 곱해져 있으면 그 부분을 u u u 로 둡니다.
9.2 부분적분
정리 9.5 (부분적분). ∫ u d v = u v − ∫ v d u \displaystyle\int u\,dv = uv - \int v\,du ∫ u d v = uv − ∫ v d u , 곧 ∫ f g ′ d x = f g − ∫ f ′ g d x \displaystyle\int f g' \,dx = fg - \int f' g\,dx ∫ f g ′ d x = f g − ∫ f ′ g d x .
증명. ( f g ) ′ = f ′ g + f g ′ (fg)' = f'g + fg' ( f g ) ′ = f ′ g + f g ′ 의 양변을 적분합니다. □
미분하면 간단해지는 것을 u u u , 적분하기 쉬운 것을 d v dv d v 로 둡니다. 흔히 “로그 > 역삼각 > 대수(다항) > 삼각 > 지수” 순서로 u u u 를 고릅니다.
예제 9.6. ∫ x e x d x \int xe^x\,dx ∫ x e x d x : u = x u = x u = x , d v = e x d x dv = e^x dx d v = e x d x 이면 x e x − ∫ e x d x = ( x − 1 ) e x + C xe^x - \int e^x dx = (x - 1)e^x + C x e x − ∫ e x d x = ( x − 1 ) e x + C .
예제 9.7. ∫ ln x d x \int\ln x\,dx ∫ ln x d x : u = ln x u = \ln x u = ln x , d v = d x dv = dx d v = d x 이면 x ln x − ∫ x ⋅ 1 x d x = x ln x − x + C x\ln x - \int x\cdot\frac1x dx = x\ln x - x + C x ln x − ∫ x ⋅ x 1 d x = x ln x − x + C .
예제 9.8 (되돌아오는 경우). I = ∫ e x sin x d x I = \int e^x\sin x\,dx I = ∫ e x sin x d x . 부분적분을 두 번 하면 I = − e x cos x + e x sin x − I I = -e^x\cos x + e^x\sin x - I I = − e x cos x + e x sin x − I 이므로 I = 1 2 e x ( sin x − cos x ) + C I = \frac12e^x(\sin x - \cos x) + C I = 2 1 e x ( sin x − cos x ) + C .
9.3 삼각함수의 적분
배각 공식 sin 2 x = 1 − cos 2 x 2 \sin^2 x = \frac{1 - \cos 2x}2 sin 2 x = 2 1 − c o s 2 x , cos 2 x = 1 + cos 2 x 2 \cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}2 cos 2 x = 2 1 + c o s 2 x 로 차수를 낮춥니다.
예제 9.9. ∫ 0 π sin 2 x d x = ∫ 0 π 1 − cos 2 x 2 d x = π 2 \int_0^\pi\sin^2 x\,dx = \int_0^\pi\frac{1 - \cos 2x}2dx = \frac\pi2 ∫ 0 π sin 2 x d x = ∫ 0 π 2 1 − c o s 2 x d x = 2 π .
sin \sin sin 이나 cos \cos cos 가운데 하나가 홀수 제곱이면 하나를 떼어 d u du d u 로 쓰고 나머지를 sin 2 + cos 2 = 1 \sin^2 + \cos^2 = 1 sin 2 + cos 2 = 1 로 바꿉니다: ∫ sin 3 x d x = ∫ ( 1 − cos 2 x ) sin x d x = − cos x + cos 3 x 3 + C \int\sin^3 x\,dx = \int(1 - \cos^2 x)\sin x\,dx = -\cos x + \frac{\cos^3 x}3 + C ∫ sin 3 x d x = ∫ ( 1 − cos 2 x ) sin x d x = − cos x + 3 c o s 3 x + C .
삼각치환. a 2 − x 2 \sqrt{a^2 - x^2} a 2 − x 2 가 있으면 x = a sin θ x = a\sin\theta x = a sin θ 로 두면 근호가 a cos θ a\cos\theta a cos θ 가 됩니다. 예: ∫ 0 1 1 − x 2 d x = ∫ 0 π / 2 cos 2 θ d θ = π 4 \int_0^1\sqrt{1 - x^2}\,dx = \int_0^{\pi/2}\cos^2\theta\,d\theta = \frac\pi4 ∫ 0 1 1 − x 2 d x = ∫ 0 π /2 cos 2 θ d θ = 4 π (사분원의 넓이).
9.4 부분분수
유리함수 p ( x ) q ( x ) \frac{p(x)}{q(x)} q ( x ) p ( x ) 는 분모를 인수분해해 간단한 분수의 합으로 쪼갭니다.
예제 9.10. 1 x 2 − 1 = 1 ( x − 1 ) ( x + 1 ) = A x − 1 + B x + 1 \displaystyle\frac{1}{x^2 - 1} = \frac{1}{(x - 1)(x + 1)} = \frac{A}{x - 1} + \frac{B}{x + 1} x 2 − 1 1 = ( x − 1 ) ( x + 1 ) 1 = x − 1 A + x + 1 B . 양변에 ( x − 1 ) ( x + 1 ) (x-1)(x+1) ( x − 1 ) ( x + 1 ) 을 곱해 1 = A ( x + 1 ) + B ( x − 1 ) 1 = A(x + 1) + B(x - 1) 1 = A ( x + 1 ) + B ( x − 1 ) , x = 1 x = 1 x = 1 을 넣으면 A = 1 2 A = \frac12 A = 2 1 , x = − 1 x = -1 x = − 1 이면 B = − 1 2 B = -\frac12 B = − 2 1 . 그러므로
∫ d x x 2 − 1 = 1 2 ln ∣ x − 1 x + 1 ∣ + C . \int\frac{dx}{x^2 - 1} = \frac12\ln\left|\frac{x - 1}{x + 1}\right| + C. ∫ x 2 − 1 d x = 2 1 ln x + 1 x − 1 + C .
분자의 차수가 분모 이상이면 먼저 나눗셈을 합니다.
9.5 이상적분
구간이 끝없거나 함수가 끝없이 커지는 경우의 적분은 극한으로 정의합니다.
정의 9.11. ∫ a ∞ f d x = lim b → ∞ ∫ a b f d x \displaystyle\int_a^\infty f\,dx = \lim_{b\to\infty}\int_a^b f\,dx ∫ a ∞ f d x = b → ∞ lim ∫ a b f d x . 극한이 있으면 수렴 (convergence), 없으면 발산 (divergence)합니다. f f f 가 x = a x = a x = a 근처에서 끝없이 커지면 ∫ a b f d x = lim c → a + ∫ c b f d x \displaystyle\int_a^b f\,dx = \lim_{c\to a^+}\int_c^b f\,dx ∫ a b f d x = c → a + lim ∫ c b f d x 로 정의합니다.
정리 9.12 (p p p -적분). ∫ 1 ∞ d x x p \displaystyle\int_1^\infty\frac{dx}{x^p} ∫ 1 ∞ x p d x 는 p > 1 p > 1 p > 1 이면 1 p − 1 \frac{1}{p - 1} p − 1 1 로 수렴하고, p ≤ 1 p \le 1 p ≤ 1 이면 발산합니다. ∫ 0 1 d x x p \displaystyle\int_0^1\frac{dx}{x^p} ∫ 0 1 x p d x 는 p < 1 p < 1 p < 1 이면 1 1 − p \frac1{1-p} 1 − p 1 로 수렴하고 p ≥ 1 p \ge 1 p ≥ 1 이면 발산합니다.
증명 (p = 1 p = 1 p = 1 ). ∫ 1 b d x x = ln b → ∞ \int_1^b\frac{dx}x = \ln b \to \infty ∫ 1 b x d x = ln b → ∞ . □
예제 9.13. ∫ 0 ∞ e − x d x = lim b → ∞ ( 1 − e − b ) = 1 \int_0^\infty e^{-x}dx = \lim_{b\to\infty}(1 - e^{-b}) = 1 ∫ 0 ∞ e − x d x = lim b → ∞ ( 1 − e − b ) = 1 . 가우스 적분 ∫ − ∞ ∞ e − x 2 d x = π \int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}dx = \sqrt\pi ∫ − ∞ ∞ e − x 2 d x = π 는 원시함수를 초등함수로 쓸 수 없지만 값은 알려져 있습니다(이중적분과 극좌표를 써서 구합니다).
쓰이는 곳. 기댓값과 분산 계산(부분적분), 확률분포의 정규화 상수(이상적분, 가우스 적분), 물리의 퍼텐셜 계산이 이 장의 기법을 씁니다.
9.6 이 장의 요약
꼴
기법
f ( g ( x ) ) g ′ ( x ) f(g(x))g'(x) f ( g ( x )) g ′ ( x )
치환 u = g ( x ) u = g(x) u = g ( x )
다항 × 지수·삼각, 로그
부분적분
sin m cos n \sin^m\cos^n sin m cos n
배각 공식, 하나 떼어 치환
a 2 − x 2 \sqrt{a^2 - x^2} a 2 − x 2
x = a sin θ x = a\sin\theta x = a sin θ
유리함수
부분분수
문제
9.1 [계산] · 확인 문제
정적분을 계산합니다.
정적분
값
∫ 0 2 x ( x 2 + 1 ) 3 d x \int_0^2 x(x^2 + 1)^3\,dx ∫ 0 2 x ( x 2 + 1 ) 3 d x
[?]
∫ 0 1 x e x d x \int_0^1 xe^x\,dx ∫ 0 1 x e x d x
[?]
∫ 1 e ln x d x \int_1^e \ln x\,dx ∫ 1 e ln x d x
[?]
∫ 0 π / 2 sin 2 x d x \int_0^{\pi/2}\sin^2 x\,dx ∫ 0 π /2 sin 2 x d x
[?]
정답 풀이
u = x 2 + 1 u = x^2 + 1 u = x 2 + 1 : 1 2 ∫ 1 5 u 3 d u = 1 8 ( 625 − 1 ) = 78 \frac12\int_1^5u^3du = \frac18(625 - 1) = 78 2 1 ∫ 1 5 u 3 d u = 8 1 ( 625 − 1 ) = 78 .
[ ( x − 1 ) e x ] 0 1 = 0 − ( − 1 ) = 1 [(x - 1)e^x]_0^1 = 0 - (-1) = 1 [( x − 1 ) e x ] 0 1 = 0 − ( − 1 ) = 1 .
[ x ln x − x ] 1 e = 0 − ( − 1 ) = 1 [x\ln x - x]_1^e = 0 - (-1) = 1 [ x ln x − x ] 1 e = 0 − ( − 1 ) = 1 .
1 2 [ x − sin 2 x 2 ] 0 π / 2 = π 4 \frac12\left[x - \frac{\sin 2x}2\right]_0^{\pi/2} = \frac\pi4 2 1 [ x − 2 s i n 2 x ] 0 π /2 = 4 π .
9.2 [계산] · 확인 문제
∫ 2 3 d x x 2 − 1 \int_2^3\dfrac{dx}{x^2 - 1} ∫ 2 3 x 2 − 1 d x 을 소수로 구합니다. (넷째 자리까지)
정답 풀이 예제 9.10으로 1 2 [ ln x − 1 x + 1 ] 2 3 = 1 2 ( ln 1 2 − ln 1 3 ) = 1 2 ln 3 2 ≈ 0.2027 \frac12\left[\ln\frac{x-1}{x+1}\right]_2^3 = \frac12\left(\ln\frac12 - \ln\frac13\right) = \frac12\ln\frac32 \approx 0.2027 2 1 [ ln x + 1 x − 1 ] 2 3 = 2 1 ( ln 2 1 − ln 3 1 ) = 2 1 ln 2 3 ≈ 0.2027 입니다.
9.3 [계산] · 확인 문제
∫ 1 ∞ d x x 3 \int_1^\infty\dfrac{dx}{x^3} ∫ 1 ∞ x 3 d x 은?
정답 풀이 p = 3 > 1 p = 3 > 1 p = 3 > 1 이므로 1 3 − 1 = 1 2 \frac{1}{3 - 1} = \frac12 3 − 1 1 = 2 1 입니다.
9.4 [계산]
∫ 0 ∞ x e − x d x \int_0^\infty xe^{-x}\,dx ∫ 0 ∞ x e − x d x 는?
정답 풀이 부분적분으로 ∫ 0 b x e − x d x = [ − ( x + 1 ) e − x ] 0 b = 1 − ( b + 1 ) e − b → 1 \int_0^b xe^{-x}dx = [-(x + 1)e^{-x}]_0^b = 1 - (b + 1)e^{-b} \to 1 ∫ 0 b x e − x d x = [ − ( x + 1 ) e − x ] 0 b = 1 − ( b + 1 ) e − b → 1 입니다.
9.5 [개념]
수렴하는 이상적분을 모두 고릅니다.
∫ 1 ∞ d x x \int_1^\infty\frac{dx}{\sqrt x} ∫ 1 ∞ x d x
∫ 0 1 d x x \int_0^1\frac{dx}{\sqrt x} ∫ 0 1 x d x
∫ 1 ∞ d x x 2 \int_1^\infty\frac{dx}{x^2} ∫ 1 ∞ x 2 d x
∫ 0 1 d x x \int_0^1\frac{dx}{x} ∫ 0 1 x d x
정답 풀이 정리 9.12 : 1번은 p = 1 / 2 ≤ 1 p = 1/2 \le 1 p = 1/2 ≤ 1 이라 발산, 2번은 p = 1 / 2 < 1 p = 1/2 < 1 p = 1/2 < 1 이라 수렴(값 2), 3번은 p = 2 > 1 p = 2 > 1 p = 2 > 1 이라 수렴(값 1), 4번은 p = 1 p = 1 p = 1 이라 발산.
9.6 [증명]
부분적분으로 I n = ∫ 0 π / 2 sin n x d x I_n = \int_0^{\pi/2}\sin^n x\,dx I n = ∫ 0 π /2 sin n x d x 가 I n = n − 1 n I n − 2 I_n = \frac{n-1}{n}I_{n-2} I n = n n − 1 I n − 2 (n ≥ 2 n \ge 2 n ≥ 2 )를 만족함을 보입니다.
풀이 u = sin n − 1 x u = \sin^{n-1}x u = sin n − 1 x , d v = sin x d x dv = \sin x\,dx d v = sin x d x 로 두면 I n = [ − sin n − 1 x cos x ] 0 π / 2 + ( n − 1 ) ∫ 0 π / 2 sin n − 2 x cos 2 x d x I_n = [-\sin^{n-1}x\cos x]_0^{\pi/2} + (n - 1)\int_0^{\pi/2}\sin^{n-2}x\cos^2 x\,dx I n = [ − sin n − 1 x cos x ] 0 π /2 + ( n − 1 ) ∫ 0 π /2 sin n − 2 x cos 2 x d x . 경계항은 0이고 cos 2 = 1 − sin 2 \cos^2 = 1 - \sin^2 cos 2 = 1 − sin 2 이므로 I n = ( n − 1 ) ( I n − 2 − I n ) I_n = (n - 1)(I_{n-2} - I_n) I n = ( n − 1 ) ( I n − 2 − I n ) , 곧 n I n = ( n − 1 ) I n − 2 nI_n = (n - 1)I_{n-2} n I n = ( n − 1 ) I n − 2 입니다.