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Summary

적분은 작은 양을 모아 전체를 구하는 방법이다

미분은 한 점에서의 순간적인 변화율을 묻는다. 위치 함수 s(t)를 미분하면 속도 v(t)가 나오고, 비용 함수 C(x)를 미분하면 한 단위를 더 만들 때 드는 한계비용이 나온다. 반대로 적분은 변화율이나 밀도처럼 '작은 조각에 대한 정보'가 주어졌을 때 그것을 모아 전체량을 구하는 방법이다.

예를 들어 자동차의 속도가 시간에 따라 v(t)라고 하자. 아주 짧은 시간 Δt 동안 속도가 거의 일정하다면 그동안의 위치 변화는 대략 v(t)Δt이다. 전체 시간을 잘게 나누고, 각 구간에서의 작은 위치 변화들을 더하면 전체 변위에 가까워진다. 만약 v(t)가 항상 0 이상인 속력이라면 이 값은 이동거리로도 볼 수 있고, 속도가 음수가 되는 구간이 있다면 실제 총 이동거리는 나중에 보듯이 |v(t)|를 적분해야 한다.

이 생각이 적분의 핵심이다.

작은 변화량을 만든다. 그것을 전부 더한다. 조각을 점점 더 작게 만든다. 그 극한을 전체량으로 본다.

따라서 적분은 단순히 미분의 반대 계산이 아니다. 넓이, 변위와 이동거리, 질량, 총비용, 누적 확률처럼 '쌓이는 양'을 계산하는 언어다.

적분과 누적의 수학AI 생성 이미지

리만합과 정적분의 정의

먼저 닫힌구간 [a,b]에서 함수 f(x)를 생각하자. 이 구간을 n개의 작은 구간으로 나눈다. 각 작은 구간의 폭을 Δx라고 하면, 구간을 똑같이 나눌 때

Δx = (b-a)/n

이다. 각 작은 구간에서 대표점 x_i를 하나 고르고, 직사각형의 높이를 f(x_i)로 잡는다. 그러면 작은 직사각형의 넓이는

f(x_i*)Δx

이고, 모든 직사각형의 넓이를 더하면

Σ_{i=1}^n f(x_i*)Δx

가 된다. 이것을 리만합이라고 한다. 리만합은 곡선 아래의 넓이를 직사각형 넓이의 합으로 근사한 것이다.

이제 구간을 점점 더 잘게 나누어 Δx가 0에 가까워지게 한다. 이때 리만합이 어떤 값으로 가까워지고, 대표점을 어떻게 잡아도 같은 값이 나온다면 그 값을 정적분이라고 부른다. 더 일반적으로는 작은 구간들의 가장 큰 폭이 0에 가까워질 때 같은 극한값을 가지는지를 본다고 생각하면 된다.

기호로는 다음처럼 쓴다.

∫_a^b f(x) dx

여기서 a는 아래끝, b는 위끝이다. f(x)는 더해지는 양의 밀도나 높이이고, dx는 x방향의 아주 작은 폭을 나타낸다. 엄밀히 말해 dx를 독립적인 작은 수처럼 다루면 안 되지만, 직관적으로는 '아주 작은 x의 변화량'이라고 이해하면 좋다.

함수 f(x)가 0 이상이면 정적분은 곡선 y=f(x), x축, 두 직선 x=a, x=b로 둘러싸인 넓이와 같다. 하지만 f(x)가 x축 아래에 있으면 그 부분은 음의 넓이로 계산된다. 그래서 정적분은 항상 보통 의미의 넓이가 아니라 부호가 있는 넓이다. 실제 기하학적 넓이를 구할 때 함수가 x축 아래로 내려간다면, 그 구간에서는 부호를 바꾸거나 |f(x)|를 적분해야 한다.

예를 들어 ∫_0^1 x^2 dx를 리만합으로 생각해 보자. [0,1]을 n등분하고 오른쪽 끝점을 대표점으로 잡으면 Δx=1/n, x_i=i/n이므로

Σ_{i=1}^n (i/n)^2(1/n) = (1/n^3)Σ_{i=1}^n i^2

이다. Σ_{i=1}^n i^2 = n(n+1)(2n+1)/6을 이용하면 이 값은

n(n+1)(2n+1)/(6n^3)

이고, n을 무한히 크게 보내면 1/3에 가까워진다. 따라서

∫_0^1 x^2 dx = 1/3

이다. 이 계산은 적분이 넓이 공식을 외우는 일이 아니라, 작은 직사각형들의 합에서 출발한다는 사실을 보여 준다.

부정적분과 정적분은 다르다

적분을 배울 때 가장 헷갈리는 부분은 부정적분과 정적분의 차이다.

정적분은 구간이 정해져 있다. ∫_a^b f(x) dx처럼 아래끝과 위끝이 있고, 계산 결과는 하나의 수다. 예를 들어 ∫_1^3 2x dx는 어떤 숫자다.

반면 부정적분은 구간이 없다. ∫ f(x) dx처럼 쓰며, f(x)를 도함수로 가지는 모든 함수를 찾는 문제다. 즉 부정적분은 역미분이다.

F'(x)=f(x)일 때 F(x)를 f(x)의 원시함수 또는 역도함수라고 한다. 이때

∫ f(x) dx = F(x)+C

라고 쓴다. 여기서 C는 적분상수다.

왜 C가 필요한가? 상수는 미분하면 0이 되기 때문이다. 예를 들어

(x^2)' = 2x

이고,

(x^2+5)' = 2x, (x^2-100)' = 2x

이다. 따라서 2x의 원시함수는 x^2 하나만이 아니라 x^2+C 전체다.

정리하면 다음과 같다.

  • 부정적분 ∫ f(x) dx는 원시함수들의 모임이다.

  • 정적분 ∫_a^b f(x) dx는 하나의 수다.

  • 부정적분에는 적분상수 C가 붙는다.

  • 정적분에는 적분상수 C가 최종 결과에 남지 않는다.

예를 들어

∫ 2x dx = x^2+C

이지만,

∫_1^3 2x dx = 3^2-1^2 = 8

이다.

미적분학의 기본정리

정적분은 리만합으로 정의되고, 부정적분은 역미분으로 정의된다. 처음에는 이 둘이 서로 다른 개념처럼 보인다. 그런데 놀랍게도 두 개념은 하나의 정리로 연결된다. 이것이 미적분학의 기본정리다.

먼저 누적함수를 생각하자.

A(x)=∫_a^x f(t) dt

이 함수는 a부터 x까지 f(t)를 누적한 값이다. 여기서 t는 적분을 위한 임시 변수다. 위끝 x가 변하면 누적된 양도 변하므로 A는 x의 함수가 된다.

f가 연속이면

A'(x)=f(x)

가 성립한다. 즉 누적량의 변화율은 바로 그 순간의 밀도 또는 높이와 같다.

직관은 간단하다. x를 아주 조금 h만큼 늘리면 새로 추가되는 누적량은 대략 f(x)h이다. 따라서

A(x+h)-A(x) ≈ f(x)h

이고, 양변을 h로 나누면 평균변화율은 f(x)에 가까워진다. h를 0에 가깝게 보내면 A'(x)=f(x)가 된다.

이제 F'(x)=f(x)인 원시함수 F를 하나 알고 있다고 하자. 그러면 미적분학의 기본정리에 의해

∫_a^b f(x) dx = F(b)-F(a)

이다.

이 공식은 적분 계산을 강력하게 만든다. 리만합의 극한을 매번 직접 계산하지 않고도, 원시함수를 찾으면 정적분을 계산할 수 있기 때문이다.

예를 들어

∫_0^2 3x^2 dx

를 계산하자. 3x^2의 원시함수는 x^3이다. 따라서

∫_0^2 3x^2 dx = 2^3-0^3 = 8

이다. 만약 3x^2가 시간 t에서의 속도라면, 0초부터 2초까지의 변위가 8이라는 뜻이다.

기본 적분 공식은 미분 공식의 반대다

부정적분을 계산할 때는 미분 공식을 거꾸로 사용한다. 가장 기본적인 공식은 거듭제곱 함수의 적분이다.

n≠-1일 때

∫ x^n dx = x^{n+1}/(n+1)+C

이다. 이유는 x^{n+1}/(n+1)을 미분하면 x^n이 되기 때문이다.

여기서 n=-1인 경우는 따로 다루어야 한다. x^{-1}=1/x이고, ln|x|를 미분하면 1/x가 되므로

∫ 1/x dx = ln|x|+C

이다.

또 적분은 합과 상수배에 대해 자연스럽게 분배된다. 즉

∫ (af(x)+bg(x)) dx = a∫ f(x) dx + b∫ g(x) dx

처럼 계산할 수 있다. 여기서 a, b는 상수다.

예를 들어

∫ x^4 dx = x^5/5+C

이고,

∫ (3x^2-4x+1) dx = x^3-2x^2+x+C

이다. 각 항을 따로 적분한 뒤 마지막에 적분상수 C를 하나 붙이면 된다.

자주 쓰는 공식도 몇 가지 기억해 두면 좋다.

∫ e^x dx = e^x+C

∫ cos x dx = sin x+C

∫ sin x dx = -cos x+C

이 공식들도 모두 미분해서 확인할 수 있다. 예를 들어 -cos x를 미분하면 sin x가 된다.

다만 모든 적분이 공식 하나로 바로 풀리지는 않는다. 함수가 합성되어 있거나 곱으로 묶여 있으면 적절한 변형이 필요하다. 대표적인 방법이 치환적분과 부분적분이다.

치환적분: 합성함수를 되돌리는 방법

치환적분은 합성함수의 미분법을 거꾸로 사용하는 방법이다.

합성함수 f(g(x))를 미분하면 바깥 함수의 미분과 안쪽 함수의 미분이 함께 나온다. 즉

d/dx F(g(x)) = F'(g(x))g'(x)

이다. 여기서 F'=f라면

∫ f(g(x))g'(x) dx = F(g(x))+C

가 된다.

이때 u=g(x)로 놓으면 du=g'(x)dx라고 생각할 수 있다. 그러면 복잡한 x식의 적분이 u에 대한 더 단순한 적분으로 바뀐다.

예를 들어

∫ 2x e^{x^2} dx

를 보자. x^2의 미분이 2x이므로 u=x^2로 놓으면 du=2x dx이다. 따라서

∫ 2x e^{x^2} dx = ∫ e^u du = e^u+C = e^{x^2}+C

이다.

정적분에서도 치환적분을 쓸 수 있다. 이때는 구간도 함께 바꾸어야 한다. 예를 들어

∫_0^1 2x e^{x^2} dx

에서 u=x^2이면 x=0일 때 u=0, x=1일 때 u=1이다. 따라서

∫_0^1 2x e^{x^2} dx = ∫_0^1 e^u du = e-1

이다.

치환적분을 떠올릴 기준은 간단하다. 식 안에 어떤 덩어리 g(x)가 있고, 그 미분 g'(x)가 함께 보이거나 상수배 정도로 숨어 있으면 치환을 시도한다.

부분적분: 곱의 미분법을 되돌리는 방법

부분적분은 곱의 미분법을 거꾸로 사용하는 방법이다. 곱의 미분법은

(uv)' = u'v+uv'

이다. 양변을 정리하면

uv' = (uv)'-u'v

이고, 적분하면

∫ u v' dx = uv - ∫ u'v dx

를 얻는다. 보통 v' dx를 dv라고 써서

∫ u dv = uv - ∫ v du

라고 표현한다.

부분적분은 두 함수의 곱을 적분할 때 유용하다. 특히 한 함수는 미분하면 단순해지고, 다른 함수는 적분하기 쉬울 때 사용한다.

예를 들어

∫ x e^x dx

를 계산하자. x는 미분하면 1로 단순해지고, e^x는 적분해도 e^x 그대로다. 따라서 u=x, dv=e^x dx로 놓는다. 그러면 du=dx, v=e^x이므로

∫ x e^x dx = x e^x - ∫ e^x dx = x e^x-e^x+C

이다.

정적분에서도 마찬가지로

∫_a^b u v' dx = [uv]_a^b - ∫_a^b u'v dx

를 사용한다. 여기서 [uv]_a^b는 uv에 b를 넣은 값에서 a를 넣은 값을 뺀다는 뜻이다.

부분적분을 쓸지 치환적분을 쓸지 헷갈릴 수 있다. 안쪽 함수와 그 미분이 함께 보이면 치환적분을 먼저 생각한다. 두 함수의 곱이고, 한쪽을 미분하면 단순해지는 구조라면 부분적분을 생각한다.

적분식을 세우는 법

적분 문제에서 가장 중요한 단계는 계산보다 식을 세우는 일이다. 적분식은 다음 질문에서 출발한다.

무엇을 아주 작은 조각으로 나눌 것인가?

각 조각의 양은 대략 무엇인가?

그 조각들을 어떤 범위에서 더할 것인가?

넓이

곡선 y=f(x)가 x축 위에 있으면 [a,b]에서의 넓이는

∫_a^b f(x) dx

이다. 두 곡선 y=f(x), y=g(x) 사이의 넓이는 위에 있는 함수에서 아래에 있는 함수를 뺀 뒤 적분한다.

∫_a^b (위쪽 함수 - 아래쪽 함수) dx

예를 들어 y=2x와 y=x^2 사이의 넓이를 0≤x≤2에서 구하자. 이 구간에서는 2x가 x^2보다 위에 있다. 따라서 넓이는

∫_0^2 (2x-x^2) dx = [x^2-x^3/3]_0^2 = 4/3

이다. 만약 중간에 위아래가 바뀐다면 교점을 기준으로 구간을 나누어 적분해야 한다.

이동거리와 변위

속도 v(t)를 적분하면 변위가 나온다.

변위 = ∫_a^b v(t) dt

여기서 변위는 방향을 포함한다. 속도가 음수인 구간은 반대 방향으로 이동한 것으로 계산된다.

반면 실제로 움직인 총 이동거리는 속도의 절댓값을 적분해야 한다.

총 이동거리 = ∫_a^b |v(t)| dt

따라서 속도가 중간에 부호를 바꾸면, 부호가 바뀌는 시점을 기준으로 구간을 나누어 계산하는 것이 안전하다. 예를 들어 어떤 구간에서는 앞으로 가고, 다른 구간에서는 뒤로 갔다면 변위는 서로 상쇄될 수 있지만, 총 이동거리는 상쇄되지 않는다.

총량

밀도나 비율이 주어졌을 때 전체량은 적분으로 구한다. 길이 방향의 선밀도 λ(x)가 주어지면 막대의 질량은

∫_a^b λ(x) dx

이다. 시간 t에서 물이 들어오는 비율이 r(t)라면 전체 유입량은

∫_a^b r(t) dt

이다. 한계비용 C'(x)가 주어졌을 때 생산량이 a에서 b로 늘어날 때의 비용 증가는

∫_a^b C'(x) dx

이다.

이때 단위를 확인하면 적분식이 맞는지 판단하는 데 도움이 된다. 예를 들어 속도의 단위가 m/s이고 dt의 단위가 s이면, 곱 v(t)dt의 단위는 m가 된다. 작은 거리 또는 작은 변위들을 더했으니 결과가 길이 단위로 나오는 것이다. 마찬가지로 밀도의 단위가 kg/m이고 dx의 단위가 m이면, λ(x)dx의 단위는 kg가 되어 질량을 나타낸다.

적분을 이해하는 핵심

적분은 세 가지 얼굴을 가진다.

첫째, 정적분은 리만합의 극한이다. 작은 직사각형 또는 작은 조각의 합으로 전체량을 정의한다.

둘째, 부정적분은 역미분이다. 어떤 함수를 미분했을 때 주어진 함수가 되는 원시함수를 찾는다.

셋째, 미적분학의 기본정리는 이 둘을 연결한다. 누적량을 미분하면 원래의 밀도가 나오고, 원시함수를 알면 정적분을 계산할 수 있다.

따라서 적분을 공부할 때는 공식 암기에서 멈추면 안 된다. 이 적분이 무엇을 누적하는지, 작은 조각 하나가 어떤 의미인지, 구간의 끝점이 왜 그렇게 정해지는지를 함께 보아야 한다. 그러면 적분은 넓이 공식이 아니라 변화와 전체량을 연결하는 수학의 언어가 된다.

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대학교 수학: 정의에서 응용까지

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