문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

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유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

38문제 · 2 / 2쪽

21.CLP-2 · 1.4절 · 9번우리말 번역

∫x2(x3+1)101dx\displaystyle \int \frac{x^2}{{(x^3+1)}^{101}}\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫x2(x3+1)101dx\displaystyle \int \frac{x^2}{{(x^3+1)}^{101}}\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

u=x3+1 u=x^3+1 로 놓으면 du=3x2 dx \mathrm{d}u = 3x^2\,\mathrm{d}x 이므로

∫x2 dx(x3+1)101=∫du/3u101=13∫u−101 du=13⋅u−100−100=−13×100u100+C=−1300(x3+1)100+C\begin{aligned} \int \frac{ x^2\,\mathrm{d}x}{{( x^3+1)}^{101}} &= \int \frac{ \mathrm{d}u/3}{ u^{101}}\\ &=\frac{1}{3}\int u^{-101}\ \mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{3}\cdot\dfrac{u^{-100}}{-100}\\ &= -\frac{1}{3\times 100 u^{100}} + C\\ &=-\frac{1}{300{(x^3+1)}^{100}} + C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Setting u=x3+1 u=x^3+1, we have du=3x2 dx \mathrm{d}u = 3x^2\,\mathrm{d}x and so

∫x2 dx(x3+1)101=∫du/3u101=13∫u−101 du=13⋅u−100−100=−13×100u100+C=−1300(x3+1)100+C\begin{aligned} \int \frac{ x^2\,\mathrm{d}x}{{( x^3+1)}^{101}} &= \int \frac{ \mathrm{d}u/3}{ u^{101}}\\ &=\frac{1}{3}\int u^{-101}\ \mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{3}\cdot\dfrac{u^{-100}}{-100}\\ &= -\frac{1}{3\times 100 u^{100}} + C\\ &=-\frac{1}{300{(x^3+1)}^{100}} + C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.5절 · 2번
# 치환적분법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
22.CLP-2 · 1.4절 · 10번우리말 번역

∫ee4dxxlog⁡x\displaystyle \int_{e}^{e^4} \frac{\mathrm{d}x}{x\log x} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫ee4dxxlog⁡x\displaystyle \int_{e}^{e^4} \frac{\mathrm{d}x}{x\log x}.

정답·풀이 보기

u=log⁡x u=\log x 로 놓으면 du=1x dx \mathrm{d}u = \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x 이므로

∫ee4dxbluex⋅log⁡x=∫x=ex=e41log⁡x⋅1x dx=∫u=1u=41redu du,\int_{e}^{e^4} \frac{ \mathrm{d}x}{{blue}x\cdot \log x} = \int_{x=e}^{x=e^4} \frac1{ \log x} \cdot \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x = \int_{u=1}^{u=4} \frac{1}{{red}u}\, \mathrm{d}u,

이다. 이는 x=ex=e 일 때 u=log⁡(e)=1u=\log(e)=1 이고 x=e4x=e^4 일 때 u=log⁡(e4)=4u=\log(e^4)=4 이기 때문이다. 그러면 미적분의 기본정리 제2부에 의해

∫141u du=[log⁡∣u∣]14=log⁡4−log⁡1=log⁡4.\int_{1}^{4} \frac{1}{u}\, \mathrm{d}u = \Big[\log |u| \Big]_{1}^{4} = \log 4 - \log 1 = \log 4.

원본 교재 풀이(영어)

Setting u=log⁡x u=\log x, we have du=1x dx \mathrm{d}u = \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x and so

∫ee4dxbluex⋅log⁡x=∫x=ex=e41log⁡x⋅1x dx=∫u=1u=41redu du,\int_{e}^{e^4} \frac{ \mathrm{d}x}{{blue}x\cdot \log x} = \int_{x=e}^{x=e^4} \frac1{ \log x} \cdot \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x = \int_{u=1}^{u=4} \frac{1}{{red}u}\, \mathrm{d}u,

since u=log⁡(e)=1u=\log(e)=1 when x=ex=e and u=log⁡(e4)=4u=\log(e^4)=4 when x=e4x=e^4. Then, by the Fundamental Theorem of Calculus Part 2,

∫141u du=[log⁡∣u∣]14=log⁡4−log⁡1=log⁡4.\int_{1}^{4} \frac{1}{u}\, \mathrm{d}u = \Big[\log |u| \Big]_{1}^{4} = \log 4 - \log 1 = \log 4.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.4절 · 13번
# 치환적분법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
23.CLP-2 · 1.4절 · 11번우리말 번역

∫0π/2cos⁡x1+sin⁡x dx\displaystyle \int_{0}^{\pi/2} \frac{\cos x} {1+\sin x}\,\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫0π/2cos⁡x1+sin⁡x dx\displaystyle \int_{0}^{\pi/2} \frac{\cos x} {1+\sin x}\,\mathrm{d}x.

정답·풀이 보기

u=1+sin⁡x u=1+\sin x 로 놓으면 du=cos⁡x dx \mathrm{d}u = \cos x~\mathrm{d}x 이므로

∫0π/2cos⁡x1+sin⁡xdx=∫x=0x=π/211+sin⁡x cos⁡x dx=∫u=1u=2duredu\int_{0}^{\pi/2} \frac{ \cos x} { 1+\sin x} \mathrm{d}x = \int_{x=0}^{x=\pi/2} \frac{1}{ 1+\sin x}\, \cos x ~\mathrm{d}x = \int_{u=1}^{u=2} \frac{ \mathrm{d}u}{{red}u}

이다. 이는 x=0x=0 일 때 u=1+sin⁡0=1u=1+\sin 0=1 이고 x=π/2x=\pi/2 일 때 u=1+sin⁡(π/2)=2u=1+\sin(\pi/2)=2 이기 때문이다. 그러면 미적분의 기본정리 제2부에 의해

∫u=1u=2duu=[log⁡∣u∣]12=log⁡2\int_{u=1}^{u=2} \frac{\mathrm{d}u}{u} = \Big[\log|u| \Big]_{1}^{2} = \log 2

원본 교재 풀이(영어)

Setting u=1+sin⁡x u=1+\sin x, we have du=cos⁡x dx \mathrm{d}u = \cos x~\mathrm{d}x and so

∫0π/2cos⁡x1+sin⁡xdx=∫x=0x=π/211+sin⁡x cos⁡x dx=∫u=1u=2duredu\int_{0}^{\pi/2} \frac{ \cos x} { 1+\sin x} \mathrm{d}x = \int_{x=0}^{x=\pi/2} \frac{1}{ 1+\sin x}\, \cos x ~\mathrm{d}x = \int_{u=1}^{u=2} \frac{ \mathrm{d}u}{{red}u}

since u=1+sin⁡0=1u=1+\sin 0=1 when x=0x=0 and u=1+sin⁡(π/2)=2u=1+\sin(\pi/2)=2 when x=π/2x=\pi/2. Then, by the Fundamental Theorem of Calculus Part 2,

∫u=1u=2duu=[log⁡∣u∣]12=log⁡2\int_{u=1}^{u=2} \frac{\mathrm{d}u}{u} = \Big[\log|u| \Big]_{1}^{2} = \log 2

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.4절 · 10번
# 치환적분법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
24.CLP-2 · 1.4절 · 12번우리말 번역

∫0π/2cos⁡x⋅(1+sin⁡2x) dx\displaystyle \int_{0}^{\pi/2} \cos x \cdot (1+\sin^2 x)\,\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫0π/2cos⁡x⋅(1+sin⁡2x) dx\displaystyle \int_{0}^{\pi/2} \cos x \cdot (1+\sin^2 x)\,\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

u=sin⁡x u=\sin x 로 놓으면 du=cos⁡x dx \mathrm{d}u = \cos x~\mathrm{d}x 이므로

∫0π/2cos⁡x⋅(1+sin⁡2redx)dx=∫x=0x=π/2(1+sin⁡2x)⋅cos⁡x dx=∫u=0u=1(1+u2) du,\int_{0}^{\pi/2} \cos x \cdot (1+ \sin^2 {red}x) \mathrm{d}x = \int_{x=0}^{x=\pi/2} (1+ \sin^2 x)\cdot \cos x ~\mathrm{d}x = \int_{u=0}^{u=1} (1+ u^2) \, \mathrm{d}u,

이다. 이는 x=0x=0 일 때 u=sin⁡0=0u=\sin 0=0 이고 x=π/2x=\pi/2 일 때 u=sin⁡(π/2)=1u=\sin(\pi/2)=1 이기 때문이다. 그러면 미적분의 기본정리 제2부에 의해

∫01(1+u2) du=[u+u33]01=(1+13)−0=43.\int_{0}^{1} (1+u^2) \,\mathrm{d}u = \left[u+\frac{u^3}{3} \right]_{0}^{1} =\left(1+\frac{1}{3}\right) -0 = \frac{4}{3}.

원본 교재 풀이(영어)

Setting u=sin⁡x u=\sin x, we have du=cos⁡x dx \mathrm{d}u = \cos x~\mathrm{d}x and so

∫0π/2cos⁡x⋅(1+sin⁡2redx)dx=∫x=0x=π/2(1+sin⁡2x)⋅cos⁡x dx=∫u=0u=1(1+u2) du,\int_{0}^{\pi/2} \cos x \cdot (1+ \sin^2 {red}x) \mathrm{d}x = \int_{x=0}^{x=\pi/2} (1+ \sin^2 x)\cdot \cos x ~\mathrm{d}x = \int_{u=0}^{u=1} (1+ u^2) \, \mathrm{d}u,

since u=sin⁡0=0u=\sin 0=0 when x=0x=0 and u=sin⁡(π/2)=1u=\sin(\pi/2)=1 when x=π/2x=\pi/2. Then, by the Fundamental Theorem of Calculus Part 2,

∫01(1+u2) du=[u+u33]01=(1+13)−0=43.\int_{0}^{1} (1+u^2) \,\mathrm{d}u = \left[u+\frac{u^3}{3} \right]_{0}^{1} =\left(1+\frac{1}{3}\right) -0 = \frac{4}{3}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 5.3절 · 14번
# 치환적분법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
25.CLP-2 · 1.4절 · 13번우리말 번역

∫13(2x−1)ex2−x dx\displaystyle\int_1^3(2x-1)e^{x^2-x}\ \mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫13(2x−1)ex2−x dx\displaystyle\int_1^3(2x-1)e^{x^2-x}\ \mathrm{d}x.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

t=x2−x t=x^2-x, dt=(2x−1) dx \mathrm{d}t = (2x-1)\,\mathrm{d}x 로 치환하고, x=1x=1 일 때 t=0t=0 이고 x=3x=3 일 때 t=6t=6 임에 주목하면

∫13(2x−1)ex2−xdx=∫06eredt dt=[et]06=e6−1\begin{aligned} \int_1^3 (2x-1)e^{ x^2-x} \mathrm{d}x &= \int_0^6 e^{{red}t}\ \mathrm{d}t =\big[e^t\big]_0^6 =e^6-1 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Substituting t=x2−x t=x^2-x, dt=(2x−1) dx \mathrm{d}t = (2x-1)\,\mathrm{d}x and noting that t=0t=0 when x=1x=1 and t=6t=6 when x=3x=3,

∫13(2x−1)ex2−xdx=∫06eredt dt=[et]06=e6−1\begin{aligned} \int_1^3 (2x-1)e^{ x^2-x} \mathrm{d}x &= \int_0^6 e^{{red}t}\ \mathrm{d}t =\big[e^t\big]_0^6 =e^6-1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.4절 · 12번
# 치환적분법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
26.CLP-2 · 1.4절 · 14번우리말 번역

∫(x2−4)x4−x2 dx{\displaystyle \int \frac{(x^2-4)x}{\sqrt{4-x^2}}\,\mathrm{d}x} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫(x2−4)x4−x2 dx{\displaystyle \int \frac{(x^2-4)x}{\sqrt{4-x^2}}\,\mathrm{d}x}.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

치환 u=4−x2 u=4-x^2 을 사용한다. 이때 du=−2x dx \mathrm{d}u=-2x\,\mathrm{d}x 이다.

∫x2−44−x2 x dx=∫12⋅4−x24−x2(−2x) dx=12∫reduredu du=12∫u du=12u3/23/2+C=13(4−x2)3/2+C\begin{aligned} \int \frac{x^2-4}{\sqrt{4-x^2}}\,x\,\mathrm{d}x &=\int \frac{1}{2}\cdot\frac{ 4-x^2}{\sqrt{ 4-x^2}} ({-}2x)\,\mathrm{d}x \\ &=\frac{1}{2} \int \frac{{red}u}{\sqrt{{red}u}}\, \mathrm{d}u \\ &=\frac{1}{2}\int \sqrt{u}\,\mathrm{d}u \\ &=\frac{1}{2}\frac{u^{3/2}}{3/2}+C\\ &=\frac{1}{3}(4-x^2)^{3/2}+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We use the substitution u=4−x2 u=4-x^2, for which du=−2x dx \mathrm{d}u=-2x\,\mathrm{d}x :

∫x2−44−x2 x dx=∫12⋅4−x24−x2(−2x) dx=12∫reduredu du=12∫u du=12u3/23/2+C=13(4−x2)3/2+C\begin{aligned} \int \frac{x^2-4}{\sqrt{4-x^2}}\,x\,\mathrm{d}x &=\int \frac{1}{2}\cdot\frac{ 4-x^2}{\sqrt{ 4-x^2}} ({-}2x)\,\mathrm{d}x \\ &=\frac{1}{2} \int \frac{{red}u}{\sqrt{{red}u}}\, \mathrm{d}u \\ &=\frac{1}{2}\int \sqrt{u}\,\mathrm{d}u \\ &=\frac{1}{2}\frac{u^{3/2}}{3/2}+C\\ &=\frac{1}{3}(4-x^2)^{3/2}+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.4절 · 11번
# 치환적분법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
27.CLP-2 · 1.4절 · 15번우리말 번역

∫elog⁡x2xlog⁡x dx\displaystyle\int \dfrac{e^{\sqrt{\log x}}}{2x\sqrt{\log x}}\ \mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫elog⁡x2xlog⁡x dx\displaystyle\int \dfrac{e^{\sqrt{\log x}}}{2x\sqrt{\log x}}\ \mathrm{d}x .

정답·풀이 보기
  • 풀이 1: u=log⁡x u=\sqrt{\log x} 로 놓으면 du=12xlog⁡x dx \mathrm{d}u=\dfrac{1}{2x\sqrt{\log x}}\ \mathrm{d}x 이므로,

∫elog⁡x2xlog⁡x dx=∫eredu du=eu+C=elog⁡x+C\begin{aligned} \int \dfrac{e^{ \sqrt{\log x}}}{ 2x\sqrt{\log x}}\ \mathrm{d}x&=\int e^{{red}u}\ \mathrm{d}u=e^u+C=e^{\sqrt{\log x}}+C \end{aligned}

  • 풀이 2: 풀이 1에서는 꽤 영리한 치환을 택했다. 그보다 조금 덜 편리한 방법으로 풀 수도 있다. 예를 들어 u=log⁡x u=\log x, du=1x dx \mathrm{d}u=\dfrac{1}{x}\ \mathrm{d}x 로 놓는 것이 좋은 선택이라고 생각하는 것도 자연스럽다. 이 경우:

∫elog⁡x2xlog⁡x dx=∫eredu2reduduNow, we should be able to see that w=u, dw=12u du is a good choice:∫eu2u du=∫eorangew dw=eu+C=elog⁡x+C\begin{aligned} \int \dfrac{e^{\sqrt{ \log x}}}{2 x\sqrt{ \log x}}\ \mathrm{d}x&= \int \frac{e^{\sqrt{{red}u}}}{2\sqrt{{red}u}} \mathrm{d}u \\ \text{Now, we should be able to see that $ w=\sqrt{u}$, $ \mathrm{d}w = \dfrac{1}{2\sqrt{u}}\ \mathrm{d}u$ is a good choice:} \\ \int\frac{e^{ \sqrt{u}}}{ 2\sqrt{u}}\ \mathrm{d}u &=\int e^{{orange}w}\ \mathrm{d}w\\ &=e^{\sqrt{u}}+C\\ &=e^{\sqrt{\log x}}+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)
  • Solution 1: If we let u=log⁡x u=\sqrt{\log x}, then du=12xlog⁡x dx \mathrm{d}u=\dfrac{1}{2x\sqrt{\log x}}\ \mathrm{d}x, and:

∫elog⁡x2xlog⁡x dx=∫eredu du=eu+C=elog⁡x+C\begin{aligned} \int \dfrac{e^{ \sqrt{\log x}}}{ 2x\sqrt{\log x}}\ \mathrm{d}x&=\int e^{{red}u}\ \mathrm{d}u=e^u+C=e^{\sqrt{\log x}}+C \end{aligned}

  • Solution 2: In Solution 1, we made a pretty slick choice. We might have tried to work with something a little less convenient. For example, it's not unnatural to think that u=log⁡x u=\log x, du=1x dx \mathrm{d}u=\dfrac{1}{x}\ \mathrm{d}x would be a good choice. In that case:

∫elog⁡x2xlog⁡x dx=∫eredu2reduduNow, we should be able to see that w=u, dw=12u du is a good choice:∫eu2u du=∫eorangew dw=eu+C=elog⁡x+C\begin{aligned} \int \dfrac{e^{\sqrt{ \log x}}}{2 x\sqrt{ \log x}}\ \mathrm{d}x&= \int \frac{e^{\sqrt{{red}u}}}{2\sqrt{{red}u}} \mathrm{d}u \\ \text{Now, we should be able to see that $ w=\sqrt{u}$, $ \mathrm{d}w = \dfrac{1}{2\sqrt{u}}\ \mathrm{d}u$ is a good choice:} \\ \int\frac{e^{ \sqrt{u}}}{ 2\sqrt{u}}\ \mathrm{d}u &=\int e^{{orange}w}\ \mathrm{d}w\\ &=e^{\sqrt{u}}+C\\ &=e^{\sqrt{\log x}}+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.4절 · 14번
# 치환적분법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
28.CLP-2 · 1.5절 · 7번우리말 번역

f(x)=1(2x−4)2f (x) = \dfrac{1}{(2x-4)^2} 의 그래프와 xx축으로 유계인 영역 중 x=0x = 0 과 x=1x = 1 사이에 있는 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of the region bounded by the graph of f(x)=1(2x−4)2f (x) = \dfrac{1}{(2x-4)^2} and the xx–axis between x=0x = 0 and x=1x = 1.

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정답·풀이 보기

그림

곡선 y=1(2x−4)2y= \frac{1}{(2x-4)^2} 과 xx축 사이의 넓이에서 xx 가 a=0a=0 부터 b=1b=1 까지 움직일 때, 이 넓이는 바로 1(2x−4)2\frac{1}{(2x-4)^2} 의 00 에서 11 까지의 정적분과 같다.

Area=∫01dx(2x−4)2u=2x−4,du=2 dx=12∫−4−21u2du=12[−1u]u=−4u=−2=12[12−14]=18\begin{aligned} \text{Area}&=\int_0^1 \frac{\mathrm{d}x}{(2x-4)^2}&u=2x-4,\quad\mathrm{d}u=2\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{2}\int_{-4}^{-2}\frac{1}{u^2}\mathrm{d}u = \frac{1}{2}\left[\frac{-1}{u}\right]_{u=-4}^{u=-2}\\ &=\frac{1}{2}\Big[\frac{1}{2}-\frac{1}{4}\Big] =\frac{1}{8} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

figure

The area between the curve y=1(2x−4)2y= \frac{1}{(2x-4)^2} and the xx-axis, with xx running from a=0a=0 to b=1b=1, is exactly the definite integral of 1(2x−4)2\frac{1}{(2x-4)^2} with limits 00 and 11.

Area=∫01dx(2x−4)2u=2x−4,du=2 dx=12∫−4−21u2du=12[−1u]u=−4u=−2=12[12−14]=18\begin{aligned} \text{Area}&=\int_0^1 \frac{\mathrm{d}x}{(2x-4)^2}&u=2x-4,\quad\mathrm{d}u=2\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{2}\int_{-4}^{-2}\frac{1}{u^2}\mathrm{d}u = \frac{1}{2}\left[\frac{-1}{u}\right]_{u=-4}^{u=-2}\\ &=\frac{1}{2}\Big[\frac{1}{2}-\frac{1}{4}\Big] =\frac{1}{8} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.1절 · 7번
# 넓이(여러 가지 함수)그래프·표 해석보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
29.CLP-2 · 1.5절 · 8번우리말 번역

먼저 교점을 찾은 다음 적분하여, 두 곡선 y=xy=x 와 y=3x−x2y=3x-x^2 사이에 있는 유한한 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of the finite region between the curves y=xy=x and y=3x−x2y=3x-x^2, by first identifying the points of intersection and then integrating.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

두 곡선 y=f(x)=xy=f(x)=x 와 y=g(x)=3x−x2y=g(x)=3x-x^2 이 (x,y)(x,y) 에서 만난다면,

3x−x2=y=xx2−2x=0x(x−2)=0x=0또는x=2\begin{aligned} 3x-x^2&=y=x\\ x^2-2x&=0\\ x(x-2)&=0\\ x=0 \quad &\text{또는} \quad x=2 \end{aligned}

또한 g(x)−f(x)=2x−x2=x(2−x)g(x)-f(x) = 2x-x^2 = x(2-x) 는 모든 0≤x≤20\le x\le 2 에 대해 양수이다. 즉, 곡선 y=3x−x2y=3x-x^2 은 모든 0≤x≤20\le x\le 2 에 대해 직선 y=xy=x 보다 위쪽에 있다.

그림

따라서 다음 적분의 값을 구한다.

∫02[(3x−x2)−x] dx=∫02[2x−x2] dx=[x2−x33]02=[4−83]−0=43\begin{aligned} \int_0^2 \big[ (3x-x^2) - x \big] \,\mathrm{d}x = \int_0^2 [2x-x^2]\,\mathrm{d}x = \bigg[x^2 - \frac{x^3}{3}\bigg]^{2}_{0} = \bigg[ 4-\frac{8}{3} \bigg] -0 = \frac{4}{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

If the curves y=f(x)=xy=f(x)=x and y=g(x)=3x−x2y=g(x)=3x-x^2 intersect at (x,y)(x,y), then

3x−x2=y=xx2−2x=0x(x−2)=0x=0orx=2\begin{aligned} 3x-x^2&=y=x\\ x^2-2x&=0\\ x(x-2)&=0\\ x=0 \quad &\text{or} \quad x=2 \end{aligned}

Furthermore, g(x)−f(x)=2x−x2=x(2−x)g(x)-f(x) = 2x-x^2 = x(2-x) is positive for all 0≤x≤20\le x\le 2. That is, the curve y=3x−x2y=3x-x^2 lies above the line y=xy=x for all 0≤x≤20\le x\le 2.

figure

We therefore evaluate the integral:

∫02[(3x−x2)−x] dx=∫02[2x−x2] dx=[x2−x33]02=[4−83]−0=43\begin{aligned} \int_0^2 \big[ (3x-x^2) - x \big] \,\mathrm{d}x = \int_0^2 [2x-x^2]\,\mathrm{d}x = \bigg[x^2 - \frac{x^3}{3}\bigg]^{2}_{0} = \bigg[ 4-\frac{8}{3} \bigg] -0 = \frac{4}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.5절 · 17번
# 넓이(여러 가지 함수)활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
30.CLP-2 · 1.5절 · 11번우리말 번역

f(x)=x2x3+1f(x) = x^2\sqrt{x^3+1} 과 g(x)=3x2g(x) = 3x^2 의 그래프로 둘러싸인 유계인 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of the finite region that is bounded by the graphs of f(x)=x2x3+1f(x) = x^2\sqrt{x^3+1} and g(x)=3x2g(x) = 3x^2.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

계산을 위해서는 x2x3+1x^2\sqrt{x^3+1} 의 부정적분이 필요한데, 이는 치환 u=x3+1u=x^3+1, du=3x2 dx\mathrm{d}u = 3x^2\,\mathrm{d}x 를 이용하여 구할 수 있다:

∫x2x3+1 dx=∫u⋅13 du=13∫u1/2 du=13⋅u3/23/2+C=29(x3+1)3/2+C.\begin{aligned} \int x^2\sqrt{x^3+1} \, \mathrm{d}x = \int \sqrt u \cdot \frac13\,\mathrm{d}u = \frac13\int u^{1/2}\,\mathrm{d}u = \frac13\cdot \frac{u^{3/2}}{3/2}+C = \frac29(x^3+1)^{3/2} + C. \end{aligned}

두 함수 f(x)f(x) 와 g(x)g(x) 는 x=0x=0 에서 분명히 같다. x≠0x\ne0 이면, 두 함수는 다음과 같을 때 같아진다:

3x2=x2x3+13=x3+19=x3+18=x32=x.\begin{aligned} 3x^2 &= x^2\sqrt{x^3+1} \\ 3 &= \sqrt{x^3+1} \\ 9 &= x^3+1 \\ 8 &= x^3 \\ 2 &= x. \end{aligned}

구간 [0,2][0,2] 에서는 두 함수 중 g(x)=3x2g(x)=3x^2 이 더 크다. 이는 예를 들어 x=1x=1 을 대입해 보거나, xx 가 매우 작을 때 f(x)=x2x3+1≈x2f(x)=x^2\sqrt{x^3+1}\approx x^2 이고 g(x)=3x2g(x)=3x^2 임을 관찰하면 알 수 있다.

그림

따라서 구하는 넓이는 다음과 같다:

∫02(3x2−x2x3+1) dx=(x3−29(x3+1)3/2)∣02=(23−29(23+1)3/2)−(03−29(03+1)3/2)=(8−6)−(0−29)=209.\begin{aligned} \int_0^2 \big( 3x^2 - x^2\sqrt{x^3+1} \big) \, \mathrm{d}x &= \bigg( {x^3} - \frac29(x^3+1)^{3/2} \bigg) \bigg|_0^2 \\ &= \bigg( 2^3 - \frac2 9(2^3+1)^{3/2} \bigg) - \bigg( 0^3 - \frac29(0^3+1)^{3/2} \bigg) \\ &= \bigg( 8 - 6 \bigg) - \bigg( 0 - \frac 2 9 \bigg) =\frac{20}9. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

For our computation, we will need an antiderivative of x2x3+1x^2\sqrt{x^3+1}, which can be found using the substitution u=x3+1u=x^3+1, du=3x2 dx\mathrm{d}u = 3x^2\,\mathrm{d}x:

∫x2x3+1 dx=∫u⋅13 du=13∫u1/2 du=13⋅u3/23/2+C=29(x3+1)3/2+C.\begin{aligned} \int x^2\sqrt{x^3+1} \, \mathrm{d}x = \int \sqrt u \cdot \frac13\,\mathrm{d}u = \frac13\int u^{1/2}\,\mathrm{d}u = \frac13\cdot \frac{u^{3/2}}{3/2}+C = \frac29(x^3+1)^{3/2} + C. \end{aligned}

The two functions f(x)f(x) and g(x)g(x) are clearly equal at x=0x=0. If x≠0x\ne0, then the functions are equal when

3x2=x2x3+13=x3+19=x3+18=x32=x.\begin{aligned} 3x^2 &= x^2\sqrt{x^3+1} \\ 3 &= \sqrt{x^3+1} \\ 9 &= x^3+1 \\ 8 &= x^3 \\ 2 &= x. \end{aligned}

The function g(x)=3x2g(x)=3x^2 is the larger of the two on the interval [0,2][0,2], as can be seen by plugging in x=1x=1, say, or by observing that when xx is very small f(x)=x2x3+1≈x2f(x)=x^2\sqrt{x^3+1}\approx x^2 and g(x)=3x2g(x)=3x^2.

figure

The area in question is therefore:

∫02(3x2−x2x3+1) dx=(x3−29(x3+1)3/2)∣02=(23−29(23+1)3/2)−(03−29(03+1)3/2)=(8−6)−(0−29)=209.\begin{aligned} \int_0^2 \big( 3x^2 - x^2\sqrt{x^3+1} \big) \, \mathrm{d}x &= \bigg( {x^3} - \frac29(x^3+1)^{3/2} \bigg) \bigg|_0^2 \\ &= \bigg( 2^3 - \frac2 9(2^3+1)^{3/2} \bigg) - \bigg( 0^3 - \frac29(0^3+1)^{3/2} \bigg) \\ &= \bigg( 8 - 6 \bigg) - \bigg( 0 - \frac 2 9 \bigg) =\frac{20}9. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.5절 · 5번
# 넓이(여러 가지 함수)활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
31.CLP-2 · 1.5절 · 12번우리말 번역

yy축의 왼쪽이고 곡선 x=y2+yx=y^2+y 의 오른쪽에 있는 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area to the left of the yy–axis and to the right of the curve x=y2+yx=y^2+y.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

먼저 곡선 x=y2+y=y(y+1)x=y^2+y=y(y+1) 의 모양을 알아보자.

  • 곡선은 y=0y=0 일 때와 y=−1y=-1 일 때 yy축과 만난다.
  • 곡선의 xx값은 −1<y<0-1<y<0 일 때 음수이고, 그 밖에서는 양수이다.

이로부터 아래 그림을 얻는다. 우리는 y=−1y=-1 에서 y=0y=0 까지의 넓이를 구한다. 이 구간에서 y2+yy^2+y 가 음수이므로 (가로) 띠의 길이는 0−(y2+y)0-(y^2+y) 이다.

Area=∫−10(0−(y2+y)) dy=−[y33+y22]−10=−13+12=16![그림](clp/clp2−quiz2M1prob2.png)\begin{aligned} \text{Area}=\int_{-1}^0\big(0-(y^2+y)\big)\,\mathrm{d}y = -\bigg[\frac{y^3}{3}+\frac{y^2}{2}\bigg]_{-1}^0 =-\frac13+\frac12 =\frac{1}{6}\quad \smash{ ![그림](clp/clp2-quiz2M1prob2.png) } \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

First, let's figure out what our curve x=y2+y=y(y+1)x=y^2+y=y(y+1) looks like.

  • The curve intercepts the yy-axis when y=0y=0 and y=−1y=-1.
  • The xx-values of the curve are negative when −1<y<0-1<y<0, and positive elsewhere.

This leads to the figure below. We're evaluating the area from y=−1y=-1 to y=0y=0. Since y2+yy^2+y is negative there, the length of our (horizontal) slices are 0−(y2+y)0-(y^2+y).

Area=∫−10(0−(y2+y)) dy=−[y33+y22]−10=−13+12=16![figure](clp/clp2−quiz2M1prob2.png)\begin{aligned} \text{Area}=\int_{-1}^0\big(0-(y^2+y)\big)\,\mathrm{d}y = -\bigg[\frac{y^3}{3}+\frac{y^2}{2}\bigg]_{-1}^0 =-\frac13+\frac12 =\frac{1}{6}\quad \smash{ ![figure](clp/clp2-quiz2M1prob2.png) } \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.5절 · 4번
# 넓이(여러 가지 함수)계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
32.CLP-2 · 1.5절 · 13번우리말 번역

y=9−x2y=\sqrt{9-x^2} 의 아래쪽에 있고, y=∣x∣y=|x| 와 y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 의 위쪽에 모두 있는 유한한 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of the finite region below y=9−x2y=\sqrt{9-x^2} and above both y=∣x∣y=|x| and y=1−x2y=\sqrt{1-x^2}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

먼저 영역을 그려 보자. y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 과 y=9−x2y=\sqrt{9-x^2} 은 각각 원점을 중심으로 하고 반지름이 1, 3 인 원의 위쪽 절반임에 주의하자.

그림

이 영역은 두 사분원의 차이므로, 기하를 이용해 넓이를 구한다. Area=14(π⋅32)−14(π⋅12)=2π\text{Area}=\frac{1}{4}\left(\pi\cdot 3^2\right)-\frac{1}{4}\left(\pi\cdot 1^2\right)=2\pi

원본 교재 풀이(영어)

Let's begin by sketching our region. Note that y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} and y=9−x2y=\sqrt{9-x^2} are the top halves of circles centred at the origin with radii 1 and 3, respectively.

figure

Our region is the difference of two quarter-circles, so we find its area using geometry: Area=14(π⋅32)−14(π⋅12)=2π\text{Area}=\frac{1}{4}\left(\pi\cdot 3^2\right)-\frac{1}{4}\left(\pi\cdot 1^2\right)=2\pi

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.5절 · 3번
# 넓이(여러 가지 함수)활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
33.CLP-2 · 1.6절 · 9번우리말 번역

y=1/xy = 1/x 와 3x+3y=103x + 3y = 10 에 의해 유계인 유한한 영역을 xx축을 중심으로 회전시켜 생기는 입체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the volume of the solid generated by rotating the finite region bounded by y=1/xy = 1/x and 3x+3y=103x + 3y = 10 about the xx–axis.

정답·풀이 보기

곡선 y=1/xy=1/x 와 3x+3y=103x+3y=10, 즉 y=103−xy =\frac{10}{3}-x 는 다음과 같을 때 만난다.

1x=103−x  ⟺  3=10x−3x2  ⟺  3x2−10x+3=0  ⟺  (3x−1)(x−3)=0  ⟺  x=3 , 13\begin{aligned} \frac{1}{x} = \frac{10}{3}-x &\iff 3 = 10x-3x^2 \iff 3x^2-10x+3=0 \\ &\iff(3x-1)(x-3)=0 \\ &\iff x=3\,,\,\frac{1}{3} \end{aligned}

그림

이 영역을 xx축을 중심으로 회전시키면, 위 그림의 수직 띠는 두께가 dx\mathrm{d}x 이고 바깥쪽 반지름이 T(x)=103−xT(x)=\frac{10}{3}-x, 안쪽 반지름이 B(x)=1xB(x)=\frac{1}{x} 인 와셔(워셔) 모양을 만든다. 이 와셔의 부피는

π(T(x)2−B(x)2) dx=π(1009−203x+x2−1x2) dx\pi\big(T(x)^2- B(x)^2\big)\,\mathrm{d}x = \pi\Big(\frac{100}{9}-\frac{20}{3}x+x^2-\frac{1}{x^2}\Big)\,\mathrm{d}x

이다. 따라서 입체의 부피는

π∫1/33(1009−203x+x2−1x2) dx=π[100x9−103x2+13x3+1x]1/33=π[383−51434]=π51281\begin{aligned} \pi\int_{1/3}^3\Big(\frac{100}{9}-\frac{20}{3}x+x^2-\frac{1}{x^2}\Big)\,\mathrm{d}x &=\pi\Big[\frac{100x}{9}-\frac{10}{3}x^2+\frac{1}{3}x^3 +\frac{1}{x}\Big]_{1/3}^3 \\ &=\pi\Big[\frac{38}{3}-\frac{514}{3^4}\Big] = \pi\frac{512}{81} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The curves y=1/xy=1/x and 3x+3y=103x+3y=10, i.e. y=103−xy =\frac{10}{3}-x intersect when

1x=103−x  ⟺  3=10x−3x2  ⟺  3x2−10x+3=0  ⟺  (3x−1)(x−3)=0  ⟺  x=3 , 13\begin{aligned} \frac{1}{x} = \frac{10}{3}-x &\iff 3 = 10x-3x^2 \iff 3x^2-10x+3=0 \\ &\iff(3x-1)(x-3)=0 \\ &\iff x=3\,,\,\frac{1}{3} \end{aligned}

enterline figure

When the region is rotated about the xx–axis, the vertical strip in the figure above sweeps out a washer with thickness dx\mathrm{d}x, outer radius T(x)=103−xT(x)=\frac{10}{3}-x and inner radius B(x)=1xB(x)=\frac{1}{x}. This washer has volume

π(T(x)2−B(x)2) dx=π(1009−203x+x2−1x2) dx\pi\big(T(x)^2- B(x)^2\big)\,\mathrm{d}x = \pi\Big(\frac{100}{9}-\frac{20}{3}x+x^2-\frac{1}{x^2}\Big)\,\mathrm{d}x

Hence the volume of the solid is

π∫1/33(1009−203x+x2−1x2) dx=π[100x9−103x2+13x3+1x]1/33=π[383−51434]=π51281\begin{aligned} \pi\int_{1/3}^3\Big(\frac{100}{9}-\frac{20}{3}x+x^2-\frac{1}{x^2}\Big)\,\mathrm{d}x &=\pi\Big[\frac{100x}{9}-\frac{10}{3}x^2+\frac{1}{3}x^3 +\frac{1}{x}\Big]_{1/3}^3 \\ &=\pi\Big[\frac{38}{3}-\frac{514}{3^4}\Big] = \pi\frac{512}{81} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 6.2절 · 8번
# 입체도형의 부피활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
34.CLP-2 · 1.6절 · 10번우리말 번역

RR 을 원 x2+(y−2)2=1x^2 + (y-2)^2=1 의 내부 영역이라 하자. SS 를 RR 을 xx축을 중심으로 회전시켜 얻은 입체라 하자.

(a) SS 의 부피를 나타내는 적분을 쓰세요. (b) (a)에서 쓴 적분의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let RR be the region inside the circle x2+(y−2)2=1x^2 + (y-2)^2=1. Let SS be the solid obtained by rotating RR about the xx-axis.

(a) Write down an integral representing the volume of SS. (b) Evaluate the integral you wrote down in part (a).

정답·풀이 보기

(a) 원의 위쪽 부분과 아래쪽 부분의 방정식은 각각 y=T(x)=2+1−x2y=T(x)=2+\sqrt{1-x^2} 와 y=B(x)=2−1−x2y=B(x) = 2-\sqrt{1-x^2} 이다.

그림

RR 을 xx축을 중심으로 회전시키면, 위 그림에서 RR 의 세로 띠는 두께가 dx\mathrm{d}x 이고 바깥쪽 반지름이 T(x)T(x), 안쪽 반지름이 B(x)B(x) 인 와셔(가운데가 뚫린 원판) 모양을 만든다. 이 와셔의 부피는

π(T(x)2−B(x)2) dx=π(T(x)+B(x))(T(x)−B(x)) dx=π×4×21−x2 dx\pi\big(T(x)^2- B(x)^2\big)\,\mathrm{d}x = \pi\big(T(x)+ B(x)\big)\big(T(x)- B(x)\big)\,\mathrm{d}x = \pi\times 4\times 2\sqrt{1-x^2}\,\mathrm{d}x

이다.

따라서 입체의 부피는

8π∫−111−x2 dx8\pi\int_{-1}^1\sqrt{1-x^2}\,\mathrm{d}x

이다.

(b) y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 은 x2+y2=1x^2+y^2=1, y≥0y\ge 0 과 같으므로, 이 적분은 원 x2+y2=1x^2+y^2=1 의 위쪽 반원의 넓이의 8π8\pi배이다. 따라서 적분의 값은 8π×12π12=4π28\pi\times \frac{1}{2}\pi 1^2 = 4\pi^2 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The top and the bottom of the circle have equations y=T(x)=2+1−x2y=T(x)=2+\sqrt{1-x^2} and y=B(x)=2−1−x2y=B(x) = 2-\sqrt{1-x^2}, respectively.

enterline figure

When RR is rotated about the xx–axis, the vertical strip of RR in the figure above sweeps out a washer with thickness dx\mathrm{d}x, outer radius T(x)T(x) and inner radius B(x)B(x). This washer has volume

π(T(x)2−B(x)2) dx=π(T(x)+B(x))(T(x)−B(x)) dx=π×4×21−x2 dx\pi\big(T(x)^2- B(x)^2\big)\,\mathrm{d}x = \pi\big(T(x)+ B(x)\big)\big(T(x)- B(x)\big)\,\mathrm{d}x = \pi\times 4\times 2\sqrt{1-x^2}\,\mathrm{d}x

Hence the volume of the solid is

8π∫−111−x2 dx8\pi\int_{-1}^1\sqrt{1-x^2}\,\mathrm{d}x

(b) Since y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} is equivalent to x2+y2=1x^2+y^2=1, y≥0y\ge 0, the integral is 8π8\pi times the area of the upper half of the circle x2+y2=1x^2+y^2=1 and hence is 8π×12π12=4π28\pi\times \frac{1}{2}\pi 1^2 = 4\pi^2.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.2절 · 14번
# 입체도형의 부피활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
35.CLP-2 · 1.6절 · 13번우리말 번역

곡선 y=cos⁡(x2)y = \cos(\frac x2) 와 y=x2−π2y = x^2 - \pi^2 으로 둘러싸인 유한한 영역을 직선 y=−π2y=-{\pi^2} 을 축으로 하여 회전시킨다. 수직 조각(원판 또는 와셔)을 이용하여 이때 생기는 회전체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

The finite region between the curves y=cos⁡(x2)y = \cos(\frac x2) and y=x2−π2y = x^2 - \pi^2 is rotated about the line y=−π2y=-{\pi^2}. Using vertical slices (disks and/or washers), find the volume of the resulting solid.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

다음은 곡선 y=cos⁡(x2)y = \cos(\frac x2) 와 y=x2−π2y = x^2 - \pi^2 의 그래프이다.

그림

살펴보면 두 곡선은 x=±πx = \pm {\pi} 에서 만나며, 이때 cos⁡(x2)\cos(\frac x2) 와 x2−π2x^2 - \pi^2 은 모두 값이 0이다. 문제에서 지정한 대로 수직 와셔를 사용한다.

  • 위 그림과 같이 주어진 영역을 너비가 dx\mathrm{d}x 인 얇은 수직 띠로 자른다.

  • 직선 y=−π2y=-\pi^2 을 축으로 회전시키면, 각 띠는 얇은 와셔를 만든다.

  • 이 와셔의 안쪽 반지름은 rin=(x2−π2)−(−π2)=x2r_{in}= (x^2 - {\pi^2} ) - ( {-} {\pi^2} )=x^2 이고 바깥쪽 반지름은 rout=cos⁡(x2)−(−π2)=cos⁡(x2)+π2r_{out}=\cos(\frac x2) - ( {-} {\pi^2}) =\cos(\frac x2) +\pi^2 이며,

  • 두께는 dx\mathrm{d}x 이고, 따라서

  • 부피는 π(rout2−rin2)dx=π((cos⁡(x2)+π2)2−(x2)2)dx\pi(r_{out}^2 - r_{in}^2)\mathrm{d}x = \pi\big( {(\cos(\frac x2) +\pi^2)}^2 - {(x^2)}^2\big)\mathrm{d}x 이다.

  • 가장 왼쪽 띠는 x=−πx=-\pi 에 있고 가장 오른쪽 띠는 x=πx=\pi 에 있으므로,

전체 부피는 다음과 같다.

π∫−ππ(cos⁡2(x2)+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dx=π∫−ππ(1+cos⁡(x)2+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dx피적분함수가 우함수이므로,=2π∫0π(1+cos⁡(x)2+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dx=2π[12x+12sin⁡(x)+4π2sin⁡(x2)+π4x−15x5]0π=2π[π2+0+4π2+π5−π55]=π2+8π3+8π65\begin{aligned} &\pi \int_{-\pi}^{\pi} \left( \cos^2 (\tfrac x2) +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ & = \pi \int_{-\pi}^{\pi} \left(\frac{1+\cos(x)}{2} +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ \text{피적분함수가 우함수이므로,} \\ & = 2\pi \int_0^{\pi} \left(\frac{1+\cos(x)}{2} +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ & = {2\pi \left[ \frac{1}{2}x + \frac{1}{2}\sin(x) + 4{\pi^2}\sin (\tfrac x2) +{\pi^4} x -\frac{1}{5}x^5 \right]} _0^\pi\\ & = 2\pi \left[\frac{\pi}{2} + 0 + 4{\pi^2} +{\pi^5} - \frac{\pi^5}{5} \right] \\ & = {\pi^2} + 8\pi^3 + \frac{8\pi^6}{5} \end{aligned}

피적분함수가 우함수이고 적분 구간 [−π,π][-\pi, \pi] 가 대칭이라는 사실을 이용했지만, 직접 계산할 수도 있다.

원본 교재 풀이(영어)

Here is a sketch of the curves y=cos⁡(x2)y = \cos(\frac x2) and y=x2−π2y = x^2 - \pi^2.

figure

By inspection, the curves meet at x=±πx = \pm {\pi} where both cos⁡(x2)\cos(\frac x2) and x2−π2x^2 - \pi^2 take the value zero. We'll use vertical washers as specified in the question.

  • We cut the specified region into thin vertical strips of width dx\mathrm{d}x as in the figure above.

  • When we rotate about the line y=−π2y=-\pi^2, each strip sweeps out a thin washer

  • whose inner radius is rin=(x2−π2)−(−π2)=x2r_{in}= (x^2 - {\pi^2} ) - ( {-} {\pi^2} )=x^2 and outer radius is rout=cos⁡(x2)−(−π2)=cos⁡(x2)+π2r_{out}=\cos(\frac x2) - ( {-} {\pi^2}) =\cos(\frac x2) +\pi^2 , and

  • whose thickness is dx\mathrm{d}x and hence

  • whose volume π(rout2−rin2)dx=π((cos⁡(x2)+π2)2−(x2)2)dx\pi(r_{out}^2 - r_{in}^2)\mathrm{d}x = \pi\big( {(\cos(\frac x2) +\pi^2)}^2 - {(x^2)}^2\big)\mathrm{d}x.

  • As our leftmost strip is at x=−πx=-\pi and our rightmost strip is at x=πx=\pi,

the total volume is

π∫−ππ(cos⁡2(x2)+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dx=π∫−ππ(1+cos⁡(x)2+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dxBecause the integrand is even,=2π∫0π(1+cos⁡(x)2+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dx=2π[12x+12sin⁡(x)+4π2sin⁡(x2)+π4x−15x5]0π=2π[π2+0+4π2+π5−π55]=π2+8π3+8π65\begin{aligned} &\pi \int_{-\pi}^{\pi} \left( \cos^2 (\tfrac x2) +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ & = \pi \int_{-\pi}^{\pi} \left(\frac{1+\cos(x)}{2} +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ \text{Because the integrand is even,} \\ & = 2\pi \int_0^{\pi} \left(\frac{1+\cos(x)}{2} +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ & = {2\pi \left[ \frac{1}{2}x + \frac{1}{2}\sin(x) + 4{\pi^2}\sin (\tfrac x2) +{\pi^4} x -\frac{1}{5}x^5 \right]} _0^\pi\\ & = 2\pi \left[\frac{\pi}{2} + 0 + 4{\pi^2} +{\pi^5} - \frac{\pi^5}{5} \right] \\ & = {\pi^2} + 8\pi^3 + \frac{8\pi^6}{5} \end{aligned}

We used the fact that the integrand is an even function and the interval of integration [−π,π][-\pi, \pi] is symmetric, but one can also compute directly.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.6절 · 10번
# 입체도형의 부피활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
36.CLP-2 · 1.7절 · 10번우리말 번역

∫x3exdx\displaystyle\int x^3 e^x \mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫x3exdx\displaystyle\int x^3 e^x \mathrm{d}x.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

이 피적분함수는 두 함수의 곱이며, 뚜렷한 치환이 보이지 않는다. 그래서 한쪽을 exe^x, 다른 쪽을 x3x^3 으로 하여 부분적분을 시도해 보자.

방법 1:u=exdu=ex dx dv=x3 dxv=14x4방법 2:u=x3du=3x2 dx dv=ex dxv=ex\begin{array}{c | l | l |} &&\\ \text{방법 1:\quad}& u=e^x &\mathrm{d}u=e^x ~\mathrm{d}x\\[10pt] ~& \mathrm{d}v=x^3~\mathrm{d}x&v=\frac{1}{4}x^4\\[10pt] &&\\ \text{방법 2:\quad}& u=x^3&\mathrm{d}u=3x^2~\mathrm{d}x\\[10pt] ~& \mathrm{d}v=e^x~ \mathrm{d}x&v=e^x\\[10pt] \end{array}

얼핏 보면, 빨간색 함수끼리 곱한 것과 파란색 함수끼리 곱한 것은 처음 적분과 거의 비슷한 피적분함수가 되며, 어느 것도 원시함수가 뚜렷하게 보이지 않는다. 앞선 문제들에서는 u=xu=x 로 놓아 du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x 가 되었으므로, 피적분함수의 "xx"가 사실상 사라졌다. 여기서는 u=x3u=x^3 으로 놓으면 du=3x2dx\mathrm{d}u=3x^2\mathrm{d}x 가 되어 차수가 낮아진다는 것을 알 수 있다. 매번 uu 를 xx 의 거듭제곱으로 정하여 부분적분을 반복하면, x3x^3 의 3계 도함수는 상수이므로 몇 번 반복한 뒤에는 xx 의 거듭제곱이 사라질 것이다.

그러므로 방법 2인 u=x3u=x^3, dv=exdx\mathrm{d}v=e^x\mathrm{d}x, du=3x2dx\mathrm{d}u=3x^2\mathrm{d}x, v=exv = e^x 으로 시작한다.

∫x3exdx=x3⏟uex⏟v−∫ex⏟v⋅3x2dx⏟du=x3ex−3∫ex⋅x2dx이제 u=x2, dv=exdx 로 놓으면 du=2xdx, v=ex 이다. 부분적분은 실제 적분 부분에만 적용하며, 나머지 함수는 그대로 둔다.=x3ex−3[x2ex⏟uv−∫ex⏟v⋅2xdx⏟du]=x3ex−3x2ex+6∫xexdx계속해서 u=x, dv=exdx 로 놓으면 du=dx, v=ex 이다. 이 단계에서 피적분함수의 다항식 부분이 드디어 사라진다.=x3ex−3x2ex+6[xex⏟uv−∫ex⏟vdx⏟du]=x3ex−3x2ex+6xex−6ex+C=ex(x3−3x2+6x−6)+C\begin{aligned} \int x^3 e^x \mathrm{d}x&= \underbrace{x^3}_{u}\underbrace{e^x}_{v} - \int \underbrace{e^x}_v \cdot\underbrace{ 3x^2 \mathrm{d}x}_{\mathrm{d}u}\\ &= {x^3}{e^x} -3 \int {e^x} \cdot x^2 \mathrm{d}x \\ \text{이제 $u=x^2$, $\mathrm{d}v=e^x\mathrm{d}x$ 로 놓으면 $\mathrm{d}u=2x\mathrm{d}x$, $v=e^x$ 이다. 부분적분은 실제 적분 부분에만 적용하며, 나머지 함수는 그대로 둔다.} \\ &=x^3e^x -3 \left[\underbrace{x^2e^x}_{uv} - \int \underbrace{e^x}_{v} \cdot \underbrace{2x\mathrm{d}x}_{\mathrm{d}u}\right] \\ &=x^3e^x - 3x^2e^x + 6\int x e^x\mathrm{d}x \\ \text{계속해서 $u=x$, $\mathrm{d}v=e^x\mathrm{d}x$ 로 놓으면 $\mathrm{d}u=\mathrm{d}x$, $v=e^x$ 이다. 이 단계에서 피적분함수의 다항식 부분이 드디어 사라진다.} \\ &=x^3e^x - 3x^2e^x + 6\left[\underbrace{xe^x}_{uv} - \int \underbrace{ e^x}_v \underbrace{\mathrm{d}x}_{\mathrm{d}u}\right]\\ &=x^3e^x-3x^2e^x+6xe^x - 6e^x+C \\ &=e^x\left(x^3-3x^2+6x - 6\right)+C \end{aligned}

이 결과가 타당한지 확인해 보자. ex(x3−3x2+6x−6)+Ce^x\left(x^3-3x^2+6x - 6\right)+C 의 도함수는 x3exx^3e^x 이어야 한다. 곱의 미분법을 이용하여 미분한다.

ddx{ex(x3−3x2+6x−6)+C}=ex(x3−3x2+6x−6)+ex(3x2−6x+6)=ex(x3−3x2+3x2+6x−6x−6+6)=x3ex\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{e^x\left(x^3-3x^2+6x - 6\right)+C\right\} &=e^x\left(x^3-3x^2+6x - 6\right)+e^x\left(3x^2-6x+6\right)\\ &=e^x\left(x^3-3x^2+3x^2+6x-6x-6+6\right)=x^3e^x \end{aligned}

참고: 엄밀하게 부정적분을 구하려면 처음 부분적분을 할 때 곧바로 +C+C 를 더해야 한다. 그러나 부분적분을 사용할 때에는 보통 마지막에 적분을 계산하게 되고, 그 시점에 +C+C 를 더한다. +C+C 는 결국 나타나므로, 마지막까지 계산 과정에 이를 쓰지 않아 식이 복잡해지지 않게 하는 것이 일반적인 관행이다.

원본 교재 풀이(영어)

This integrand is the product of two functions, with no obvious substitution. So, let's try integration by parts, with one part exe^x and one part x3x^3.

Option 1:u=exdu=ex dx dv=x3 dxv=14x4Option 2:u=x3du=3x2 dx dv=ex dxv=ex\begin{array}{c | l | l |} &&\\ \text{Option 1:\quad}& u=e^x &\mathrm{d}u=e^x ~\mathrm{d}x\\[10pt] ~& \mathrm{d}v=x^3~\mathrm{d}x&v=\frac{1}{4}x^4\\[10pt] &&\\ \text{Option 2:\quad}& u=x^3&\mathrm{d}u=3x^2~\mathrm{d}x\\[10pt] ~& \mathrm{d}v=e^x~ \mathrm{d}x&v=e^x\\[10pt] \end{array}

At first glance, multiplying the red functions and multiplying the blue functions give largely equivalent integrands to what we started with–none of them with obvious antiderivatives. In previous questions, we were able to choose u=xu=x, and then du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x, so the “xx" in the integrand effectively went away. Here, we see that choosing u=x3u=x^3 will lead to du=3x2dx\mathrm{d}u=3x^2\mathrm{d}x, which has a lower power. If we repeatedly perform integration by parts, choosing uu to be the power of xx each time, then after a few iterations it should go away, because the third derivative of x3x^3 is a constant.

So, we start with Option 2: u=x3u=x^3, dv=exdx\mathrm{d}v=e^x\mathrm{d}x, du=3x2dx\mathrm{d}u=3x^2\mathrm{d}x, and v=exv = e^x.

∫x3exdx=x3⏟uex⏟v−∫ex⏟v⋅3x2dx⏟du=x3ex−3∫ex⋅x2dxNow, we take u=x2 and dv=exdx, so du=2xdx and v=ex. We’re only using integration by parts on the actual integral–the rest of the function stays the way it is.=x3ex−3[x2ex⏟uv−∫ex⏟v⋅2xdx⏟du]=x3ex−3x2ex+6∫xexdxContinuing, we take u=x and dv=exdx, so du=dx and v=ex. This is the step where the polynomial part of the integrand finally disappears.=x3ex−3x2ex+6[xex⏟uv−∫ex⏟vdx⏟du]=x3ex−3x2ex+6xex−6ex+C=ex(x3−3x2+6x−6)+C\begin{aligned} \int x^3 e^x \mathrm{d}x&= \underbrace{x^3}_{u}\underbrace{e^x}_{v} - \int \underbrace{e^x}_v \cdot\underbrace{ 3x^2 \mathrm{d}x}_{\mathrm{d}u}\\ &= {x^3}{e^x} -3 \int {e^x} \cdot x^2 \mathrm{d}x \\ \text{Now, we take $u=x^2$ and $\mathrm{d}v=e^x\mathrm{d}x$, so $\mathrm{d}u=2x\mathrm{d}x$ and $v=e^x$. We're only using integration by parts on the actual integral--the rest of the function stays the way it is.} \\ &=x^3e^x -3 \left[\underbrace{x^2e^x}_{uv} - \int \underbrace{e^x}_{v} \cdot \underbrace{2x\mathrm{d}x}_{\mathrm{d}u}\right] \\ &=x^3e^x - 3x^2e^x + 6\int x e^x\mathrm{d}x \\ \text{Continuing, we take $u=x$ and $\mathrm{d}v=e^x\mathrm{d}x$, so $\mathrm{d}u=\mathrm{d}x$ and $v=e^x$. This is the step where the polynomial part of the integrand finally disappears.} \\ &=x^3e^x - 3x^2e^x + 6\left[\underbrace{xe^x}_{uv} - \int \underbrace{ e^x}_v \underbrace{\mathrm{d}x}_{\mathrm{d}u}\right]\\ &=x^3e^x-3x^2e^x+6xe^x - 6e^x+C \\ &=e^x\left(x^3-3x^2+6x - 6\right)+C \end{aligned}

Let's check that this makes sense: the derivative of ex(x3−3x2+6x−6)+Ce^x\left(x^3-3x^2+6x - 6\right)+C should be x3exx^3e^x. We differentiate using the product rule.

ddx{ex(x3−3x2+6x−6)+C}=ex(x3−3x2+6x−6)+ex(3x2−6x+6)=ex(x3−3x2+3x2+6x−6x−6+6)=x3ex\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{e^x\left(x^3-3x^2+6x - 6\right)+C\right\} &=e^x\left(x^3-3x^2+6x - 6\right)+e^x\left(3x^2-6x+6\right)\\ &=e^x\left(x^3-3x^2+3x^2+6x-6x-6+6\right)=x^3e^x \end{aligned}

Remark: In order to be technically correct in our antidifferentiation, we should add the +C+C as soon as we do the first integration by parts. However, when we are using integration by parts, we usually end up evaluating an integral at the end, and we add the +C+C at that point. Since the +C+C comes up eventually, it is common practice to not clutter our calculations with it until the end.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 6.2절 · 4번
# 부분적분법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
37.CLP-2 · 1.7절 · 12번우리말 번역

∫x2sin⁡x dx\displaystyle\int x^2\sin x~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫x2sin⁡x dx\displaystyle\int x^2\sin x~\mathrm{d}x .

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

피적분함수는 두 함수의 곱이고 뚜렷한 치환도 보이지 않으므로, 부분적분으로 무엇을 할 수 있는지 살펴보자.

방법 1:u=x2du=2x dx dv=sin⁡x dxv=−cos⁡x방법 2:u=sin⁡xdu=cos⁡x dx dv=x2 dxv=13x3\begin{array}{c | l | l |} &&\\ \text{방법 1:\quad}& u=x^2 &\mathrm{d}u=2x ~\mathrm{d}x\\[10pt] ~& \mathrm{d}v=\sin x~\mathrm{d}x&v=-\cos x\\[10pt] &&\\ \text{방법 2:\quad}& u=\sin x&\mathrm{d}u=\cos x~\mathrm{d}x\\[10pt] ~& \mathrm{d}v=x^2~ \mathrm{d}x&v=\frac{1}{3}x^3\\[10pt] \end{array}

어느 방법도 곧바로 적분할 수 있는 식을 주지는 않지만, 방법 1은 x2x^2 항을 xx 의 더 낮은 거듭제곱으로 바꾼다. 부분적분을 반복해서 적용하면 이 거듭제곱을 0까지 낮출 수 있다. 그러므로 u=x2u=x^2, dv=sin⁡xdx\mathrm{d}v=\sin x\mathrm{d}x 로 놓고 시작하면 du=2xdx\mathrm{d}u=2x\mathrm{d}x, v=−cos⁡xv=-\cos x 이다.

∫x2sin⁡x dx=−x2cos⁡x⏟uv+∫2xcos⁡xdx⏟−vdu=−x2cos⁡x+2∫xcos⁡xdx부분적분을 다시 쓸 때에는 x 를 (부정적분하지 않고) 미분하고 싶으므로 u=x, dv=cos⁡xdx 로 놓으면 du=dx (x 가 사라졌다!), v=sin⁡x 이다.=−x2cos⁡x+2[xsin⁡x⏟uv−∫sin⁡xdx⏟vdu]=−x2cos⁡x+2xsin⁡x+2cos⁡x+C=(2−x2)cos⁡x+2xsin⁡x+C\begin{aligned} \int x^2\sin x~\mathrm{d}x &=\underbrace{ -x^2\cos x}_{uv} +\underbrace{ \int 2x\cos x \mathrm{d}x}_{-v\mathrm{d}u}\\ &=-x^2\cos x + 2 \int x \cos x \mathrm{d}x \\ \text{부분적분을 다시 쓸 때에는 $x$ 를 (부정적분하지 않고) 미분하고 싶으므로 $u=x$, $\mathrm{d}v=\cos x \mathrm{d}x$ 로 놓으면 $\mathrm{d}u=\mathrm{d}x$ ($x$ 가 사라졌다!), $v=\sin x$ 이다.} \\ &=-x^2\cos x + 2\left[\underbrace{x\sin x}_{uv}-\int \underbrace{\sin x \mathrm{d}x}_{v\mathrm{d}u} \right] \\&=-x^2\cos x + 2x\sin x+2\cos x +C\\ &=(2-x^2)\cos x + 2x\sin x +C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The integrand is the product of two functions, without an obvious substitution, so let's see what integration by parts can do for us.

Option 1:u=x2du=2x dx dv=sin⁡x dxv=−cos⁡xOption 2:u=sin⁡xdu=cos⁡x dx dv=x2 dxv=13x3\begin{array}{c | l | l |} &&\\ \text{Option 1:\quad}& u=x^2 &\mathrm{d}u=2x ~\mathrm{d}x\\[10pt] ~& \mathrm{d}v=\sin x~\mathrm{d}x&v=-\cos x\\[10pt] &&\\ \text{Option 2:\quad}& u=\sin x&\mathrm{d}u=\cos x~\mathrm{d}x\\[10pt] ~& \mathrm{d}v=x^2~ \mathrm{d}x&v=\frac{1}{3}x^3\\[10pt] \end{array}

Neither option gives us something immediately integrable, but Option 1 replaces our x2x^2 term with a lower power of xx. If we repeatedly apply integration by parts, we can reduce this power to zero. So, we start by choosing u=x2u=x^2 and dv=sin⁡xdx\mathrm{d}v=\sin x\mathrm{d}x, so du=2xdx\mathrm{d}u=2x\mathrm{d}x and v=−cos⁡xv=-\cos x.

∫x2sin⁡x dx=−x2cos⁡x⏟uv+∫2xcos⁡xdx⏟−vdu=−x2cos⁡x+2∫xcos⁡xdxUsing integration by parts again, we want to be differentiating (not antidifferentiating) x, so we choose u=x, dv=cos⁡xdx, and then du=dx (x went away!), v=sin⁡x.=−x2cos⁡x+2[xsin⁡x⏟uv−∫sin⁡xdx⏟vdu]=−x2cos⁡x+2xsin⁡x+2cos⁡x+C=(2−x2)cos⁡x+2xsin⁡x+C\begin{aligned} \int x^2\sin x~\mathrm{d}x &=\underbrace{ -x^2\cos x}_{uv} +\underbrace{ \int 2x\cos x \mathrm{d}x}_{-v\mathrm{d}u}\\ &=-x^2\cos x + 2 \int x \cos x \mathrm{d}x \\ \text{Using integration by parts again, we want to be differentiating (not antidifferentiating) $x$, so we choose $u=x$, $\mathrm{d}v=\cos x \mathrm{d}x$, and then $\mathrm{d}u=\mathrm{d}x$ ($x$ went away!), $v=\sin x$.} \\ &=-x^2\cos x + 2\left[\underbrace{x\sin x}_{uv}-\int \underbrace{\sin x \mathrm{d}x}_{v\mathrm{d}u} \right] \\&=-x^2\cos x + 2x\sin x+2\cos x +C\\ &=(2-x^2)\cos x + 2x\sin x +C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.7절 · 10번
# 부분적분법계산보통자동 분류
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38.CLP-2 · 1.7절 · 16번우리말 번역

∫2xex2+1dx\displaystyle\int 2xe^{x^2+1}\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫2xex2+1dx\displaystyle\int 2xe^{x^2+1}\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

망치를 든 사람에게는 모든 것이 못으로 보인다는 점을 다시 한번 상기시켜 준다. 이 문제의 적분은 치환을 이용해 푸는 대표적인 예이다. “안쪽 함수” x2+1x^2+1 이 있고, 그 도함수가 피적분함수의 나머지 부분에 곱해져 나타난다. u=x2+1u=x^2+1 로 놓으면 du=2xdx\mathrm{d}u=2x\mathrm{d}x 이므로 ∫2xex2+1dx=∫eudu=eu+C=ex2+1+C\int 2xe^{x^2+1}\mathrm{d}x = \int e^u\mathrm{d}u=e^u+C = e^{x^2+1}+C

원본 교재 풀이(영어)

This is your friendly reminder that to a person with a hammer, everything looks like a nail. The integral in the problem is a classic example of an integral to solve using substitution. We have an “inside function," x2+1x^2+1, whose derivative shows up multiplied to the rest of the integrand. We take u=x2+1u=x^2+1, then du=2xdx\mathrm{d}u=2x\mathrm{d}x, so ∫2xex2+1dx=∫eudu=eu+C=ex2+1+C\int 2xe^{x^2+1}\mathrm{d}x = \int e^u\mathrm{d}u=e^u+C = e^{x^2+1}+C

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.7절 · 27번
# 부분적분법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)