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1 미적분학의 기본정리

문서에서 미적분학 첫걸음 2022년판 (PDF 파일) (페이지 168-173)

열세 번째 이야기

 ≤   라고 하자. 그리고 가    ≤ 를 만족시킬 만큼 작은 양수라고 하자. 가 연속함수이 므로 닫힌구간    에서 는 최댓값과 최솟값을 가진다.    에서 의 최댓값을

라 하고,    에서 의 최솟값을 이라고 하자.

그러면 다음이 성립한다.

 ≤

    

  ≤



각 변을 로 나누면

 ≤ 

    

 

을 얻는다. 그런데 과

은    에서 각각 의 최솟값과 최댓값이므로, 

 ,

인 점 , 가 구간      에 존재한다. 즉

≤ 

    

 

≤ 

이다. 과 가 구간      에 속하는 점이므로,  →  일 때  → 이고  → 이다.

그런데 가 연속함수이므로 

→   이고 

→   이다. 그러므로 위 부등식에

 →  인 극한을 취하면

   ≤

lim

 →  

    

 

≤    … ㉠

가 성립한다.

같은 방법으로,    ≤ 일 때

   ≤

lim

 →  

    

 

≤    … ㉡

임을 보일 수 있다. 그러므로 ㉠과 ㉡을 결합하면 구간    의 임의의 점 에 대하여

′       를 얻는다.

이상을 정리하면 다음과 같다.

정리 1. 함수 가 길이가 양수인 닫힌구간  에서 연속이라고 하자. 만약

  

  

라고 하면,  의 임의의 점 에 대하여

′      이다.

함수 와

가 앞에서 정의한 것과 같은 함수라고 하자. 그리고  에서 의 한 역도함수를

라고 하자. 그러면  의 임의의 점 에 대하여

′       

′  

이므로

는 상수 차이이다. 즉 상수

가 존재하여  의 임의의 에 대하여

  

  

… ㉢

를 만족시킨다. 그런데

 

    

이므로 ㉢에   를 대입하면  

 



를 얻는다. 이 값을 ㉢에 대입하면

  

  

 … ㉣

이다. 한편

 

  

이므로 ㉣에   를 대입하면

   

 



이다. 여기서 적분변수 를 로 바꾸어도 같은 적분을 나타내므로, 다음 정리를 얻는다.

정리 2. 함수 가 길이가 양수인 닫힌구간  에서 연속이고,

가  에서 의 한 역도함 수라고 하자. 그러면

   

 



가 성립한다. 이 정리를 미적분학의 기본정리(fundamental theorem of calculus)라고 부른다.48)

미적분학의 기본정리에서

 

를 다음과 같이 나타내기도 한다.

    

 

… ㉤

또는

    

 

. … ㉥

㉤은

 의 항이 하나일 때 주로 사용하고, ㉥은

 의 항이 두 개 이상일 때 주로 사용한다.

48) 정리 1을 ‘제 1 기본정리’라고 부르고, 정리 2를 ‘제 2 기본정리’라고 부르기도 한다.

보기 1. 미적분학의 기본정리를 사용하여 다음 정적분을 구해 보자.

 

    ,

   

이라고 하면

′  이다. 그러므로

  

   

 

 

    .

보기 2. 미적분학의 기본정리를 사용하여 다음 정적분을 구해 보자.



   ,

   

이라고 하면

′  이다. 그러므로

 

   

 

 

    .

역도함수를 구하는 연산은 미분의 역연산이므로, 역도함수와 정적분은 본래 서로 무관한 개념이다. 역도 함수를 사용하여 정적분을 계산할 수 있다는 점은 대단히 놀라운 일이다.

참고 정리 2에서 의 역도함수

중 어느 것을 택하여도 같은 결과를 얻는다. 예컨대

이 의 또 다른 역도함수라고 하자. 그러면

  

  

인 상수

이 존재한다. 이때

   

 



 

 

 

.

이므로

대신

을 사용하여 계산한 결과 또한 유효하다. □

이번에는 도함수를 적분할 때의 공식을 살펴보자.

함수 가  에서 미분 가능하고  ′이  에서 적분 가능하다고 하자. 그리고

        ⋯        ⋯        .

인   개의 점 를 생각하자. 평균값 정리에 의하여   과  사이에 점 가 존재하여

 ′

 

   

 

  

을 만족시킨다. 우변의 분모는 와 같으므로, 위 식으로부터 다음 식을 얻는다.

 

  

  ′



이 등식의 양변을   일 때부터   일 때까지 더하면 다음 식을 얻는다.

     

  

 ′



여기서 에 의하여 쪼개진 소구간의 길이가 에 수렴하는 극한을 취하면 위 등식의 우변은  에서

 ′의 정적분이 된다.

이로써 다음 정리를 얻는다.

정리 3. 함수 가 길이가 양수인 닫힌구간  에서 미분 가능하고  ′이  에서 적분 가능 하다고 하자. 그러면

 ′         

가 성립한다. 이 공식을 순변화량 정리(the net change theorem)라고 부른다.

정리 2는 피적분함수 가 연속일 때만 쓸 수 있지만 정리 3은 피적분함수  ′이 연속이 아닐 때도 쓸 수 있다.

보기 3. 함수 를

   

sin 

 if  ≠ 

 if    이라고 정의하면

 ′   

 sin 

 cos 

 if  ≠ 

 if   

이다.  ′이  에서 연속은 아니지만 에서만 불연속이고  에서 유계이므로  ′은  에 서 적분 가능하다.

그러므로  에서  ′의 정적분은 다음과 같다.

 ′          sin .

참고 함수 가  에서 미분 가능하더라도 도함수  ′은  에서 적분 가능하지 않을 수 있다.

예컨대 구간   에서 함수 를

   

sin 

 if  ≠ 

 if    이라고 정의하면

 ′   

 sin 

  

 cos 

 if  ≠ 

 if   

이므로  ′은  근처에서 유계가 아니다. 그러므로  ′은   에서 적분 불가능하다.

따라서 정리 3에서  ′이 적분 가능하다는 조건은 완화될 수 없다. □

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