미분이 “순간의 변화율”이었다면, 적분은 “쌓인 양”입니다. 곡선 아래의 넓이, 속도로부터 이동 거리, 밀도로부터 질량은 모두 “작은 조각의 합의 극한”입니다. 이 장에서는 그 극한을 정의하고, 8장에서 그것이 미분의 거꾸로임을 봅니다.
7.1 넓이 문제
y=x2 아래, 0≤x≤1의 넓이를 구합니다. 구간을 n등분하고 각 조각 위에 직사각형을 세웁니다. 오른쪽 끝점의 높이를 쓰면 직사각형의 폭은 n1, 높이는 (nk)2이므로 넓이의 합은
Rn=k=1∑n(nk)2n1=n31k=1∑nk2=6n3n(n+1)(2n+1)→31.
합 공식은 이산수학 6강의 정리 6.3입니다. 직사각형을 잘게 할수록 넓이에 가까워지고, 극한이 넓이입니다.
7.2 시그마 기호
k=1∑nak=a1+a2+⋯+an. 선형성 ∑(cak+bk)=c∑ak+∑bk를 만족합니다.
정리 7.1 (합 공식).
k=1∑n1=n,k=1∑nk=2n(n+1),k=1∑nk2=6n(n+1)(2n+1),k=1∑nk3=(2n(n+1))2.
7.3 리만 합과 정적분
정의 7.2 (리만 합). [a,b]를 a=x0<x1<⋯<xn=b로 나누고 각 조각 [xk−1,xk]에서 점 xk∗를 고를 때
k=1∑nf(xk∗)Δxk(Δxk=xk−xk−1)
를 리만 합(Riemann sum)이라 합니다.
정의 7.3 (정적분). 조각의 최대 폭을 0으로 보낼 때 리만 합이 (점의 선택과 상관없이) 한 값으로 가면, 그 값을 f의 a에서 b까지의 정적분(definite integral)이라 하고
∫abf(x)dx
로 씁니다. 이때 f는 [a,b]에서 적분 가능(integrable)합니다.
기호 ∫는 합(Sum)의 S를 늘인 것이고, dx는 폭 Δx에서 왔습니다. f가 음수인 곳에서는 넓이를 빼므로, 정적분은 x축 위의 넓이에서 아래의 넓이를 뺀 부호 있는 넓이입니다.
분할 수 N을 바꾸면 직사각형 넓이의 합과 정적분과의 오차가 바뀝니다이 위젯은 JavaScript가 필요합니다
정리 7.4. [a,b]에서 연속인 함수는 적분 가능합니다. 유한 개의 점에서만 불연속이고 유계인 함수도 적분 가능합니다.
7.4 정적분의 성질
정리 7.5.
- ∫ab(cf+g)dx=c∫abfdx+∫abgdx
- ∫abfdx+∫bcfdx=∫acfdx
- ∫aafdx=0, ∫bafdx=−∫abfdx
- [a,b]에서 f≤g이면 ∫abfdx≤∫abgdx
- m≤f≤M이면 m(b−a)≤∫abfdx≤M(b−a)
모두 리만 합의 성질에서 극한으로 넘어온 것입니다.
정리 7.6 (적분의 평균값 정리). f가 [a,b]에서 연속이면 ∫abfdx=f(c)(b−a)인 c∈[a,b]가 있습니다. 값 b−a1∫abfdx를 f의 평균값(mean value)이라 합니다.
증명. 성질 5와 최대·최소 정리로 평균값은 최솟값과 최댓값 사이에 있고, 중간값 정리로 그 값을 f(c)로 갖는 c가 있습니다. □
7.5 정의로 계산하기
예제 7.7. ∫02(3x+1)dx. n등분, 오른쪽 끝점: Δx=2/n, xk=2k/n.
k=1∑n(n6k+1)n2=n212⋅2n(n+1)+2→6+2=8.
사다리꼴의 넓이 2(1+7)⋅2=8과 같습니다.
예제 7.8. 대칭성: f가 기함수이면 ∫−aafdx=0, 우함수이면 ∫−aafdx=2∫0afdx입니다. 예: ∫−11x3dx=0.
정의로 계산하는 것은 번거롭습니다. 8장의 기본정리는 이 극한을 도함수의 거꾸로(원시함수)로 단번에 구하게 해 줍니다.
쓰이는 곳. 연속 확률분포의 확률은 밀도함수의 정적분이고, 물리의 일·질량·전하량은 밀도를 적분한 것입니다. 리만 합은 컴퓨터가 적분을 근사하는 수치적분의 출발점입니다.
7.6 이 장의 요약
- 정적분 = 리만 합의 극한 = 부호 있는 넓이.
- 연속함수는 적분 가능합니다.
- 선형성, 구간 가법성, 대소 비교, 평균값 정리.
문제
7.1 [계산] · 확인 문제
k=1∑10(2k2−k)는?
정답
풀이
2⋅610⋅11⋅21−210⋅11=770−55=715입니다.
7.2 [계산] · 확인 문제
∫01x2dx의 오른쪽 끝점 리만 합 Rn을 n=4로 계산한 값은? (분수로 답할 수 있습니다)
정답
풀이
41(161+164+169+1616)=6430=3215입니다. 참값 31보다 큽니다(x2이 증가하므로 오른쪽 끝점이 높음).
7.3 [계산] · 확인 문제
넓이(기하)로 ∫−339−x2dx를 구합니다.
힌트 1
y=9−x2은 반지름 3인 반원입니다.
정답
풀이
반지름 3인 반원의 넓이 21π⋅9=29π입니다.
7.4 [계산]
∫−22(x3+3)dx는?
정답
풀이
x3은 기함수라 적분이 0이고, ∫−223dx=12입니다.
7.5 [계산]
∫04f(x)dx=10, ∫01f(x)dx=3일 때 ∫14f(x)dx는?
정답
풀이
구간 가법성으로 10−3=7입니다.
7.6 [증명]
정의(리만 합)로 ∫0bxdx=2b2임을 보입니다.
풀이
n등분, 오른쪽 끝점이면 Δx=b/n, xk=kb/n이므로 ∑k=1nnkb⋅nb=n2b2⋅2n(n+1)=2b2⋅nn+1→2b2입니다. 연속함수이므로 점의 선택과 상관없이 같은 값입니다.