수학 개념 노트전체 과목

정적분으로 정의된 함수

STEP 1

개념 읽기

번호 순서대로 읽어요. 색 상자는 꼭 외울 것, 점선 상자는 이해만 하면 되는 예시예요.

이 개념에서 배울 것
우함수는 ∫−aaf(x) dx=2∫0af(x) dx\displaystyle\int_{-a}^{a} f(x)\,dx=2\int_{0}^{a} f(x)\,dx, 기함수는 ∫−aaf(x) dx=0\displaystyle\int_{-a}^{a} f(x)\,dx=0 이에요. 위끝이 xx 인 정적분 ∫axf(t) dt\displaystyle\int_{a}^{x} f(t)\,dt 는 xx 의 함수이고 ddx∫axf(t) dt=f(x)\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_{a}^{x} f(t)\,dt=f(x) 이므로, x=ax=a 를 넣거나 양변을 미분하여 f(x)f(x) 와 상수를 구하고 극값·극한을 계산해요.
  1. 1우함수·기함수의 정적분
  2. 2정적분으로 정의된 함수의 미분
  3. 3∫axf(t) dt=g(x)\displaystyle\int_{a}^{x} f(t)\,dt=g(x) 꼴에서 f(x)f(x) 와 aa 구하기
  4. 4정적분으로 정의된 함수의 극값
  5. 5정적분과 극한
  6. ✓한눈에 정리
정의 — 뜻, 외우기성질·공식 — 외우기주의 — 틀리기 쉬운 곳예 — 이해만점선 밑줄 다른 개념과 이어진 말 — 오른쪽 카드(휴대폰은 오른쪽 ‹ 탭)에서 청록 앞 개념 · 주황 뒤 개념형광 핵심 용어

1우함수·기함수의 정적분

정의우함수와 기함수
모든 실수 xx 에 대하여
f(−x)=f(x)f(-x)=f(x) 인 함수를
우함수 라 한다.
그래프는 yy 축에 대하여
대칭이다.
f(−x)=−f(x)f(-x)=-f(x) 인 함수를
기함수 라 한다.
그래프는 원점에 대하여 대칭이다.
성질∫−aa\displaystyle\int_{-a}^{a} 의 계산
연속함수 f(x)f(x) 에 대하여
f(−x)=f(x)f(-x)=f(x) 이면 ∫−aaf(x) dx=2∫0af(x) dx\int_{-a}^{a} f(x)\,dx=2\int_{0}^{a} f(x)\,dxf(−x)=−f(x)f(-x)=-f(x) 이면 ∫−aaf(x) dx=0\int_{-a}^{a} f(x)\,dx=0그림으로 보면, 우함수는 yy 축 왼쪽과 오른쪽이 같고, 기함수는 원점 대칭이라 두 쪽이 서로 지워진다.
다항함수에서 차수가 짝수인 항(x2x^2, x4x^4, 상수항)은 우함수이고, 차수가 홀수인 항(xx, x3x^3)은 기함수이다.
학생
아래끝과 위끝이 아무 수여도 이렇게 계산해요?
쌤
아니요. −a-a 와 aa 처럼 절댓값이 같고 부호가 반대일 때만 써요.
∫−12\displaystyle\int_{-1}^{2} 같은 꼴은 그대로 계산해요.
다항함수의 ∫−aa\displaystyle\int_{-a}^{a} 계산
  1. 1
    아래끝과 위끝이 −a-a, aa 로 절댓값이 같고 부호가 반대인지 확인해요.
  2. 2
    차수가 홀수인 항을 모두 지워요.
    기함수의 정적분은 00 이에요.
  3. 3
    남은 짝수 차수 항과 상수항을 2∫0a2\displaystyle\int_{0}^{a} 로 계산해요.
    아래끝이 00 이 되어 계산이 쉬워져요.
∫−11(x3+3x2+x+1) dx\displaystyle\int_{-1}^{1} (x^3+3x^2+x+1)\,dx
=2∫01(3x2+1) dx=2\int_{0}^{1} (3x^2+1)\,dx
↳x3x^3, xx 는 기함수라 지워요
=2[x3+x]01=2×2=4=2\Big[x^3+x\Big]_{0}^{1}=2\times2=4
바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
∫−22(x3+x) dx\displaystyle\int_{-2}^{2}(x^3+x)\,dx 의 값은?
홀수 차수 항까지 두 배 한 실수
✗ 틀린 풀이
∫−11(x3+3x2+x+1) dx=2∫01(x3+3x2+x+1) dx=112\displaystyle\int_{-1}^{1} (x^3+3x^2+x+1)\,dx=2\int_{0}^{1} (x^3+3x^2+x+1)\,dx=\dfrac{11}{2}
왜 틀렸나 ∫−aa\displaystyle\int_{-a}^{a} 에서 두 배가 되는 것은 짝수 차수 항뿐이고, 홀수 차수 항은 00 이 된다.
✓ 바른 풀이
∫−11(x3+3x2+x+1) dx=2∫01(3x2+1) dx=4\displaystyle\int_{-1}^{1} (x^3+3x^2+x+1)\,dx=2\int_{0}^{1} (3x^2+1)\,dx=4
계산: 2∫01(3x2+1) dx=2(1+1)=42\displaystyle\int_{0}^{1}(3x^2+1)\,dx=2(1+1)=4
y=x3+xy=x^3+x 의 그래프는 원점에 대하여 대칭이므로 ∫−11(x3+x) dx=0\displaystyle\int_{-1}^{1}(x^3+x)\,dx=0 이다.
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왜 그런가
∫−aaxn dx\displaystyle\int_{-a}^{a} x^n\,dx 직접 계산
∫−aaxn dx=[xn+1n+1]−aa\int_{-a}^{a} x^n\,dx=\Big[\dfrac{x^{n+1}}{n+1}\Big]_{-a}^{a}
↳부정적분에 위끝·아래끝 넣기
an+1n+1−(−a)n+1n+1=2an+1n+1\dfrac{a^{n+1}}{n+1}-\dfrac{(-a)^{n+1}}{n+1}=\dfrac{2a^{n+1}}{n+1}
↳nn 짝수: (−a)n+1=−an+1(-a)^{n+1}=-a^{n+1}
=2∫0axn dx=2\int_{0}^{a} x^n\,dx
an+1n+1−(−a)n+1n+1=0\dfrac{a^{n+1}}{n+1}-\dfrac{(-a)^{n+1}}{n+1}=0
↳nn 홀수: (−a)n+1=an+1(-a)^{n+1}=a^{n+1}

2정적분으로 정의된 함수의 미분

∫1xt2 dt=[13t3]1x=13x3−13\displaystyle\int_{1}^{x} t^2\,dt=\Big[\dfrac{1}{3}t^3\Big]_{1}^{x}=\dfrac{1}{3}x^3-\dfrac{1}{3} 처럼 위끝이 변수 xx 인 정적분은 xx 의 값에 따라 값이 정해지므로 xx 의 함수예요.
이때 tt 는 적분변수이고, 적분하는 동안 xx 는 상수처럼 다뤄요.

성질정적분으로 정의된 함수의 미분
함수 f(t)f(t) 가 연속이고 aa 가 상수일 때 ddx∫axf(t) dt=f(x)\dfrac{d}{dx}\int_{a}^{x} f(t)\,dt=f(x)확인: 미적분의 기본정리로 계산해도 같다. f(t)f(t) 의 한 부정적분을 F(t)F(t) 라 하면
∫axf(t) dt=F(x)−F(a)\displaystyle\int_{a}^{x} f(t)\,dt=F(x)-F(a)
F(a)F(a) 는 상수이므로 미분하면
F′(x)=f(x)F'(x)=f(x)
ddx∫1x(t2−3t) dt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_{1}^{x} (t^2-3t)\,dt
ddx∫1x(t2−3t) dt=x2−3x\dfrac{d}{dx}\int_{1}^{x} (t^2-3t)\,dt=x^2-3x
↳tt 대신 xx 를 써요
∫1x(t2−3t) dt=13x3−32x2+76\int_{1}^{x} (t^2-3t)\,dt=\dfrac{1}{3}x^3-\dfrac{3}{2}x^2+\dfrac{7}{6}
↳확인: 직접 계산
(13x3−32x2+76)′=x2−3x\left(\dfrac{1}{3}x^3-\dfrac{3}{2}x^2+\dfrac{7}{6}\right)'=x^2-3x
↳미분하면 같아요
학생
아래끝 11 은 왜 결과에 안 나와요?
쌤
∫1xf(t) dt=F(x)−F(1)\displaystyle\int_{1}^{x} f(t)\,dt=F(x)-F(1) 에서 F(1)F(1) 은 상수라서 미분하면 00 이에요.
그래서 아래끝이 어떤 상수여도 결과는 f(x)f(x) 예요.
성질x=ax=a 를 넣으면 00
위끝과 아래끝이 같아지므로 ∫aaf(t) dt=0\int_{a}^{a} f(t)\,dt=0
바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
ddx∫2x(t3−t) dt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_{2}^{x} (t^3-t)\,dt 는?
아래끝의 값을 빼는 실수
✗ 틀린 풀이
ddx∫1x(t2−3t) dt=(x2−3x)−(1−3)=x2−3x+2\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_{1}^{x} (t^2-3t)\,dt=(x^2-3x)-(1-3)=x^2-3x+2
왜 틀렸나 위끝이 xx 인 정적분을 xx 에 대하여 미분하면 피적분함수에 xx 를 넣은 것만 남는다.
✓ 바른 풀이
ddx∫1x(t2−3t) dt=x2−3x\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_{1}^{x} (t^2-3t)\,dt=x^2-3x
아래끝 11 은 상수이므로 F(1)F(1) 은 미분하면 00 이 된다.
검산: ∫1x(t2−3t) dt=x33−3x22+76\displaystyle\int_{1}^{x}(t^2-3t)\,dt=\dfrac{x^3}{3}-\dfrac{3x^2}{2}+\dfrac{7}{6} 을 미분하면 x2−3xx^2-3x 이다.
공식위끝·아래끝에 따라 결과가 다르다
위끝이 xx
ddx∫axf(t) dt=f(x)\displaystyle \dfrac{d}{dx}\int_{a}^{x} f(t)\,dt=f(x)
xx 의 함수이다.
위끝·아래끝이 상수
∫01f(t) dt=k\displaystyle \int_{0}^{1} f(t)\,dt=k
하나의 수(상수)이므로 미분하면 00 이다.
예위끝·아래끝이 상수인 정적분이 들어 있는 경우
f(x)=x+2∫01f(t) dtf(x)=x+2\displaystyle\int_{0}^{1} f(t)\,dt 에서 ∫01f(t) dt\displaystyle\int_{0}^{1} f(t)\,dt 는 상수 이므로 kk 로 놓아요.
f(x)=x+2kf(x)=x+2k
k=∫01(t+2k) dt=12+2kk=\displaystyle\int_{0}^{1} (t+2k)\,dt=\dfrac{1}{2}+2k
따라서 k=−12k=-\dfrac{1}{2} 이고 f(x)=x−1f(x)=x-1

3∫axf(t) dt=g(x)\displaystyle\int_{a}^{x} f(t)\,dt=g(x) 꼴에서 f(x)f(x) 와 aa 구하기

∫axf(t) dt=g(x)\displaystyle\int_{a}^{x} f(t)\,dt=g(x) 꼴에서는 두 가지를 써요.
양변에 x=ax=a 를 넣으면 왼쪽이 00 이 되어 g(a)=0g(a)=0 이고, 양변을 미분하면 f(x)=g′(x)f(x)=g'(x) 가 나와요.

두 가지 조건을 쓴다
  1. 1
    양변에 x=ax=a 를 넣어요.
    왼쪽은 ∫aaf(t) dt=0\displaystyle\int_{a}^{a} f(t)\,dt=0 이므로 g(a)=0g(a)=0 에서 aa 또는 상수를 구해요.
  2. 2
    양변을 xx 에 대하여 미분해요.
    왼쪽은 f(x)f(x) 이므로 f(x)=g′(x)f(x)=g'(x)
  3. 3
    구한 f(x)f(x), aa 를 넣어 처음 식이 성립하는지 검산해요.
∫axf(t) dt=x2−3x+2\displaystyle\int_{a}^{x} f(t)\,dt=x^2-3x+2
0=a2−3a+20=a^2-3a+2
↳x=ax=a 를 넣어요
(a−1)(a−2)=0, a=1 또는 a=2(a-1)(a-2)=0,\ a=1\ \text{또는}\ a=2
f(x)=2x−3f(x)=2x-3
↳양변을 xx 에 대하여 미분
학생
aa 가 두 개 나왔는데 둘 다 답이에요?
쌤
네. a=1a=1 이어도 a=2a=2 이어도 ∫ax(2t−3) dt=x2−3x+2\displaystyle\int_{a}^{x} (2t-3)\,dt=x^2-3x+2 가 성립해요.
두 값을 넣어 검산해 보면 모두 맞아요.
바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
∫1xf(t) dt=x2+kx\displaystyle\int_{1}^{x} f(t)\,dt=x^2+kx 일 때 상수 kk 의 값은?
x=ax=a 를 넣지 않은 실수
✗ 틀린 풀이
∫axf(t) dt=x2−3x+2\displaystyle\int_{a}^{x} f(t)\,dt=x^2-3x+2 에서 f(x)=2x−3f(x)=2x-3 이므로 aa 는 알 수 없다.
왜 틀렸나 위끝과 아래끝이 같으면 정적분은 00 이므로 x=ax=a 를 넣어 aa 에 대한 식을 얻는다.
✓ 바른 풀이
x=ax=a 를 넣으면 a2−3a+2=0a^2-3a+2=0 이므로 a=1a=1 또는 a=2a=2
확인: a=1a=1 이면 ∫1x(2t−3) dt=x2−3x+2\displaystyle\int_{1}^{x}(2t-3)\,dt=x^2-3x+2 로 맞는다. a=2a=2 도 같다.
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응용
∫1xf(t) dt=x3−2x2+k\displaystyle\int_{1}^{x} f(t)\,dt=x^3-2x^2+k
0=1−2+k, k=10=1-2+k,\ k=1
↳x=1x=1 을 넣어요
f(x)=3x2−4xf(x)=3x^2-4x
↳양변을 xx 에 대하여 미분

4정적분으로 정의된 함수의 극값

F(x)=∫axf(t) dtF(x)=\displaystyle\int_{a}^{x} f(t)\,dt 이면 F′(x)=f(x)F'(x)=f(x) 이에요.
따라서 F(x)F(x) 의 증가·감소와
극값은 피적분함수 f(x)f(x) 의 부호로 정해져요.
F(x)F(x) 를 다 계산하지 않아도 극값을 갖는 xx 를 찾을 수 있어요.

F(x)=∫axf(t) dtF(x)=\displaystyle\int_{a}^{x} f(t)\,dt 의 극값
  1. 1
    F′(x)=f(x)F'(x)=f(x) 로 도함수를 구해요.
  2. 2
    f(x)=0f(x)=0 인 xx 를 구하고, 그 좌우에서 f(x)f(x) 의 부호를 조사해요.
    부호가 ++ 에서 −- 로 바뀌면 극대, −- 에서 ++ 로 바뀌면 극소예요.
  3. 3
    극값은 그 xx 를 위끝에 넣은 정적분으로 계산해요.
F(x)=∫0x(t2−4t+3) dtF(x)=\displaystyle\int_{0}^{x} (t^2-4t+3)\,dt 의 증감표
xx⋯\cdots11⋯\cdots33⋯\cdots
F′(x)F'(x)++0−-0++
F(x)F(x)↗극대 43\frac{4}{3}↘극소 00↗
  • F′(x)F'(x)x2−4x+3=(x−1)(x−3)x^2-4x+3=(x-1)(x-3)
  • F(x)F(x)13x3−2x2+3x\dfrac{1}{3}x^3-2x^2+3x (극값 계산용)
극댓값 F(1)=13−2+3=43F(1)=\dfrac{1}{3}-2+3=\dfrac{4}{3}, 극솟값 F(3)=9−18+9=0F(3)=9-18+9=0
학생
극값을 구할 때도 F(x)F(x) 를 다 계산해야 해요?
쌤
극값을 갖는 xx 를 찾을 때는 f(x)f(x) 의 부호만 보면 돼요.
극값 자체는 그 xx 를 위끝에 넣은 정적분 F(1)F(1), F(3)F(3) 을 계산해서 구해요.
바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
F(x)=∫0x(t−2) dtF(x)=\displaystyle\int_{0}^{x} (t-2)\,dt 의 극솟값은?
극값 대신 피적분함수의 값을 답한 실수
✗ 틀린 풀이
x=1x=1 에서 극대이므로 극댓값은 f(1)=1−4+3=0f(1)=1-4+3=0
왜 틀렸나 극댓값은 F′(x)=f(x)=0F'(x)=f(x)=0 으로 찾은 x=1x=1 을 원래 함수 F(x)F(x) 에 넣어 구한 값이다.
✓ 바른 풀이
극댓값은 F(1)=∫01(t2−4t+3) dt=43F(1)=\displaystyle\int_{0}^{1} (t^2-4t+3)\,dt=\dfrac{4}{3}
계산: F(1)=[t33−2t2+3t]01=13−2+3=43F(1)=\Big[\dfrac{t^3}{3}-2t^2+3t\Big]_{0}^{1}=\dfrac{1}{3}-2+3=\dfrac{4}{3}

5정적분과 극한

성질정적분으로 나타낸 극한
f(x)f(x) 가 연속이고 F′(x)=f(x)F'(x)=f(x) 일 때 lim⁡x→a1x−a∫axf(t) dt=f(a)\lim_{x\to a}\dfrac{1}{x-a}\int_{a}^{x} f(t)\,dt=f(a) lim⁡h→01h∫aa+hf(t) dt=f(a)\lim_{h\to 0}\dfrac{1}{h}\int_{a}^{a+h} f(t)\,dt=f(a)이유: 첫 번째 식의 왼쪽은
lim⁡x→aF(x)−F(a)x−a\displaystyle\lim_{x\to a}\dfrac{F(x)-F(a)}{x-a}
이것은
미분계수 F′(a)F'(a) 이고 F′(a)=f(a)F'(a)=f(a) 이다.
두 번째 식도 lim⁡h→0F(a+h)−F(a)h=F′(a)\displaystyle\lim_{h\to 0}\dfrac{F(a+h)-F(a)}{h}=F'(a) 이다.
예lim⁡x→11x−1∫1x(t3+2t) dt\displaystyle\lim_{x\to 1}\dfrac{1}{x-1}\int_{1}^{x} (t^3+2t)\,dt
f(t)=t3+2tf(t)=t^3+2t 라 하면 극한값은 f(1)f(1) 이에요.
f(1)=1+2=3f(1)=1+2=3
학생
lim⁡h→01h∫aa+2hf(t) dt\displaystyle\lim_{h\to0}\dfrac{1}{h}\int_{a}^{a+2h} f(t)\,dt 처럼 위끝이 a+2ha+2h 이면요?
쌤
분모를 2h2h 로 맞추면 돼요.
1h=2×12h\dfrac{1}{h}=2\times\dfrac{1}{2h} 이므로 극한값은 2f(a)2f(a) 예요.
바로 확인방금 배운 것, 10초 문제
lim⁡x→21x−2∫2x(t2+1) dt\displaystyle\lim_{x\to2}\dfrac{1}{x-2}\int_{2}^{x} (t^2+1)\,dt 의 값은?
00 이라고 답한 실수
✗ 틀린 풀이
h→0h\to 0 이면 위끝과 아래끝이 같아지므로 극한값은 00
왜 틀렸나 분자와 분모가 함께 00 으로 가는 00\dfrac{0}{0} 꼴이므로 미분계수의 정의로 바꾸어 계산한다.
✓ 바른 풀이
lim⁡h→01h∫11+h(t3+2t) dt=f(1)=3\displaystyle\lim_{h\to 0}\dfrac{1}{h}\int_{1}^{1+h} (t^3+2t)\,dt=f(1)=3
F(x)=∫1xf(t) dtF(x)=\displaystyle\int_{1}^{x}f(t)\,dt 로 놓으면 주어진 식은 F(1+h)−F(1)h\dfrac{F(1+h)-F(1)}{h} 이다.
따라서 극한값은 F′(1)=f(1)=1+2=3F'(1)=f(1)=1+2=3 이다.
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응용
lim⁡h→01h∫11+2h(t3+2t) dt\displaystyle\lim_{h\to 0}\dfrac{1}{h}\int_{1}^{1+2h} (t^3+2t)\,dt
lim⁡h→0F(1+2h)−F(1)h\lim_{h\to 0}\dfrac{F(1+2h)-F(1)}{h}
↳F′(t)=t3+2tF'(t)=t^3+2t
=lim⁡h→0F(1+2h)−F(1)2h×2=\lim_{h\to 0}\dfrac{F(1+2h)-F(1)}{2h}\times2
↳분모를 2h2h 로 맞추기
=2F′(1)=2f(1)=6=2F'(1)=2f(1)=6
한눈에 정리
이것만은 꼭 기억하세요. 읽은 내용을 떠올리며 하나씩 확인해 보세요.
  1. 1f(−x)=f(x)f(-x)=f(x) 이면 ∫−aaf(x) dx=2∫0af(x) dx\displaystyle\int_{-a}^{a} f(x)\,dx=2\int_{0}^{a} f(x)\,dx, f(−x)=−f(x)f(-x)=-f(x) 이면 ∫−aaf(x) dx=0\displaystyle\int_{-a}^{a} f(x)\,dx=0
  2. 2ddx∫axf(t) dt=f(x)\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_{a}^{x} f(t)\,dt=f(x) (단, aa 는 상수)
  3. 3∫axf(t) dt=g(x)\displaystyle\int_{a}^{x} f(t)\,dt=g(x) 이면 x=ax=a 를 넣어 g(a)=0g(a)=0, 양변을 미분하여 f(x)=g′(x)f(x)=g'(x)
  4. 4lim⁡x→a1x−a∫axf(t) dt=f(a)\displaystyle\lim_{x\to a}\dfrac{1}{x-a}\int_{a}^{x} f(t)\,dt=f(a), lim⁡h→01h∫aa+hf(t) dt=f(a)\displaystyle\lim_{h\to 0}\dfrac{1}{h}\int_{a}^{a+h} f(t)\,dt=f(a)
✗ 자주 하는 실수
  • ddx∫axf(t) dt\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_{a}^{x} f(t)\,dt 를 f(x)−f(a)f(x)-f(a) 로 계산하거나, 미분만 하고 x=ax=a 를 넣어 상수 aa 를 구하는 단계를 빠뜨려요.
  • ∫−aa\displaystyle\int_{-a}^{a} 를 계산할 때 홀수 차수 항까지 2∫0a2\displaystyle\int_{0}^{a} 로 바꿔요.
  • 정적분으로 정의된 함수의 극값을 구할 때 F(c)F(c) 대신 피적분함수의 값 f(c)=0f(c)=0 을 답해요.
STEP 2

예제로 익히기

풀이를 보기 전에 먼저 직접 풀어 보고, 한 단계씩 펼쳐 확인하세요.

  1. 예제 1
    정적분 ∫−11(4x3+3x2−2x+5) dx\displaystyle\int_{-1}^{1} (4x^3+3x^2-2x+5)\,dx 의 값을 구하시오.
  2. 예제 2
    함수 f(x)f(x) 와 상수 aa 에 대하여 ∫axf(t) dt=x2+x−2\displaystyle\int_{a}^{x} f(t)\,dt=x^2+x-2 일 때, f(x)f(x) 와 aa 의 값을 모두 구하시오.
  3. 예제 3
    함수 F(x)=∫0x(t2−2t−3) dtF(x)=\displaystyle\int_{0}^{x} (t^2-2t-3)\,dt 의 극댓값과 극솟값을 구하시오.

다음 공부

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