x>0을 고정합니다. t∈(0,1]에서 tx의 부정적분은 x+1tx+1이고, x+1>0이므로 t→0+에서 tx+1→0입니다. 따라서 F(x)=∫01txdt=[x+1tx+1]01=x+11입니다. 이를 x로 미분하면 F′(x)=−(x+1)21입니다.
이제 적분기호 아래에서 미분합니다. t∈(0,1]에서 ∂x∂tx=txlnt입니다 (tx=exlnt를 미분). t=0에서는 피적분함수를 0으로 정의합니다 — x>0일 때 limt→0+txlnt=0이기 때문입니다.
∫01txlntdt를 치환 u=−(x+1)lnt로 계산합니다. t∈(0,1]일 때 u∈[0,∞)이고, t=e−u/(x+1), dt=−x+11e−u/(x+1)du입니다. 따라서 txlntdt=(x+1)2ue−udu이고, ∫01txlntdt=−(x+1)21∫0∞ue−udu입니다. 부분적분으로 ∫0∞ue−udu=[−ue−u]0∞+∫0∞e−udu=0+1=1이므로, 적분기호 아래 미분한 값은 −(x+1)21 — 직접 미분한 F′(x)와 정확히 일치합니다.
수치로 확인합니다: x=1에서 해석값은 F(1)=21, F′(1)=−41입니다. 씬에서 n=200으로 심슨 공식을 돌리면 ∫01tdt=0.5가 정확히 나오고, ∫01tlntdt는 −41과의 오차가 2×10−6 이내입니다 — 세 추정값이 한 점으로 모입니다.
f(t,x)=tx, ∂x∂f(t,x)=txlnt (t∈[0,1], t=0에서는 값을 0으로 정의)라 하세요. 0<δ<A에 대해 f와 ∂x∂f가 직사각형 [δ,A]×[0,1] 위에서 연속임을 보이고, 이를 이용해 모든 x>0에서 F′(x)=∫01txlntdt임을 엄밀히 증명하세요.
f,fx continuous on [δ,A]×[0,1]⇒dxd∫01fdt=∫01fxdt
∣txlnt∣≤tδ∣lnt∣t→0+0(x≥δ>0)
x=2, n=200: ∫01t2lntdt의 수치값과 −91의 오차가 10−8 이내 — [1,4]×[0,1] 위의 연속성이 보장하는 일치입니다.증명 보기
먼저 연속성을 확인합니다. t>0에서는 tx=exlnt가 (t,x)의 연속함수이므로 f와 fx 모두 연속입니다. t=0에서는 값을 0으로 정의했는데, x≥δ>0일 때 ∣txlnt∣=tx∣lnt∣≤tδ∣lnt∣이고 tδ∣lnt∣→0 (t→0+)이므로, t=0에서의 극한도 0 — 그것도 x∈[δ,A]에 대해 균등하게 성립합니다. 따라서 f와 fx는 컴팩트 직사각형 [δ,A]×[0,1] 위에서 연속입니다.
이제 정리를 증명합니다: f, fx가 [a,b]×[c,d] 위에서 연속이면 F(x)=∫cdf(t,x)dt는 미분가능하고 F′(x0)=∫cdfx(t,x0)dt입니다. 차분몫을 쓰면 hF(x0+h)−F(x0)=∫cdhf(t,x0+h)−f(t,x0)dt입니다. x에 대한 평균값 정리로, 각 t마다 hf(t,x0+h)−f(t,x0)=fx(t,ξh,t)인 ξh,t (x0과 x0+h 사이)가 있습니다. fx가 컴팩트 직사각형 위에서 균등연속이므로 h→0일 때 fx(t,ξh,t)→fx(t,x0)이 t에 대해 균등하게 성립합니다. 따라서 hF(x0+h)−F(x0)−∫cdfx(t,x0)dt≤(d−c)supt∣fx(t,ξh,t)−fx(t,x0)∣→0 — 적분과 극한의 교환이 정당화됩니다.
임의의 x0>0에 대해 δ=x0/2, A=2x0으로 두면 x0은 [δ,A]의 내점입니다. 1단계의 연속성과 2단계의 정리로부터 F′(x0)=∫01tx0lntdt이고, 문제 1의 직접 계산으로 이 값은 −(x0+1)21입니다. 즉 씬에서 세 추정값이 모이는 것은 우연이 아니라, 컴팩트 직사각형 위의 균등연속성이 강제하는 필연입니다.
수치로 확인합니다: x=2에서 해석값은 F(2)=31, F′(2)=−91입니다. n=200일 때 ∫01t2lntdt의 심슨 근사 오차는 10−8 이내입니다. t=0 근처에서 lnt가 발산해도 t2이 눌러주어(t2∣lnt∣→0) 적분이 멀쩡히 수렴하는 모습이 수치에도 드러납니다.
φ(u)=30u2(1−u)2 (0<u<1), 그 외에서는 0이라 하고, f(x,t)=φ(t/x) (x>0, 0<t<x), 그 외에서는 0이라 하세요 (x,t∈[0,1]). F(x)=∫01f(x,t)dt라 할 때, (가) 0<x<1에서 F(x)=x이므로 0에서의 우미분계수는 1임, (나) 모든 t∈[0,1]에 대해 ∂x∂f(0,t)=0이므로 ∫01∂x∂f(0,t)dt=0임, (다) 따라서 적분기호 아래 미분 공식이 x=0에서 성립하지 않음을 보이세요. (라) 가정이 어디서 깨지는지도 밝히세요.
F(x)=x(0<x<1),F+′(0)=1=0=∫01fx(0,t)dt
f(x,x/2)=815→0=f(0,0),fx(x,x/4)=−32x45→−∞
이 문제는 씬의 tx가 아닌 "혹" 반례에 대한 것입니다 — 프리셋은 씬 기본값 x=1, n=200.증명 보기
먼저 ∫01φ=1임을 확인합니다: ∫0130u2(1−u)2du=30∫01(u2−2u3+u4)du=30(31−21+51)=30⋅301=1입니다. 이제 0<x<1일 때 F(x)=∫01f(x,t)dt=∫0x30(t/x)2(1−t/x)2dt입니다 (0<t<x에서만 0이 아니므로). 치환 u=t/x로 F(x)=x∫0130u2(1−u)2du=x⋅1=x입니다. F(0)=0이므로 0에서의 우미분계수는 limh→0+hF(h)−F(0)=limh→0+hh=1입니다.
다음으로 ∂x∂f(0,t)=0임을 보입니다. t>0을 고정하면, 0<h<t일 때 t<h가 거짓이므로 f(h,t)=0입니다 (f가 0이 아닌 조건은 0<t<h). 따라서 차분몫 hf(h,t)−f(0,t)=0이 h<t인 모든 h에 대해 성립하고, 극한은 0입니다. t=0에서도 f(h,0)=0이므로 차분몫은 0입니다. 즉 모든 t∈[0,1]에 대해 ∂x∂f(0,t)=0이고, ∫01∂x∂f(0,t)dt=0=1 — 우미분계수와 다릅니다. 적분기호 아래 미분 공식이 x=0에서 깨집니다.
깨진 가정을 찾습니다. 직선 t=x/2 위에서 f(x,x/2)=30(21)2(21)2=815=1.875로 x와 무관한 상수이므로, (x,x/2)→(0,0)인데도 f→1.875=0=f(0,0) — f 자체가 (0,0)에서 불연속입니다. 편도함수는 더 심합니다: u=t/x라 두면 ∂x∂f=−x60u2(1−u)(1−2u) (0<t<x)이고, 직선 t=x/4 (u=1/4) 위에서 ∂x∂f=−32x45→−∞ (x→0+). 즉 fx는 (0,0)의 모든 근처에서 무계(unbounded)이므로 균등연속일 수 없고, 문제 2의 증명에서 "차분몫이 균등하게 수렴한다"는 핵심 단계가 무너집니다. 연속성 가정이 없으면 적분과 극한의 교환은 보장되지 않습니다 — 이것이 반례의 교훈입니다.