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.

479문제 · 24 / 24쪽

461.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)
462.CLP-2 · 1.5절 · 16번우리말 번역

구간 0≤x≤40\le x\le 4 에서 곡선 y=x25−x2y = x \sqrt{25-x^2} 과 y=3xy=3x 사이의 전체 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the total area between the curves y=x25−x2y = x \sqrt{25-x^2} and y=3xy=3x, on the interval 0≤x≤40\le x\le 4.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

어느 구간에서 어느 곡선이 위쪽에 있는지 알아내야 한다. 이를 위해 h(x)=3x−x25−x2h(x) = 3x - x\sqrt{25-x^2} 로 놓는다. h(x)>0h(x) > 0 이면 y=3xy=3x 가 위쪽 곡선이고, h(x)<0h(x)<0 이면 y=x25−x2y=x\sqrt{25-x^2} 이 위쪽 곡선이다.

h(x)=3x−x25−x2=x[3−25−x2]우리는 [0,4] 에 속하는 x 의 값만 다루므로 x 는 음이 아니다. 그러면 h(x) 가 양수가 되는 경우는:3>25−x29>25−x2x2>16x>4\begin{aligned} h(x) &= 3x - x\sqrt{25-x^2} = x\left[3-\sqrt{25-x^2}\right] \\ \text{우리는 $[0,4]$ 에 속하는 $x$ 의 값만 다루므로 $x$ 는 음이 아니다. 그러면 $h(x)$ 가 양수가 되는 경우는:} \\ 3&> \sqrt{25-x^2}\\ 9&> 25-x^2\\ x^2 & > 16\\ x&> 4 \end{aligned}

즉, 구간 [0,4][0,4] 에서 h(x)h(x) 는 양수가 되는 일이 없다. 따라서 0≤x≤40\le x\le 4 인 모든 xx 에 대해 y=x25−x2y = x \sqrt{25-x^2} 이 y=3xy=3x 보다 위에 있다.

그러므로 구하는 넓이는 다음과 같다.

A=∫04[x25−x2−3x] dx=∫04x25−x2 dx−∫043x dx=A1−A2.\begin{aligned} A &= \int_0^4 \left[x \sqrt{25-x^2} - 3x\right]\,\mathrm{d}x \\ &= \int_0^4 x \sqrt{25-x^2}\,\mathrm{d}x - \int_0^4 3x\,\mathrm{d}x \\&= A_1 - A_2. \end{aligned}

A1A_1 을 계산하기 위해 치환 u(x)=25−x2u(x) = 25-x^2 을 사용한다. 이때 du=u′(x) dx=−2x dx\mathrm{d}u = u'(x)\,\mathrm{d}x= -2x\,\mathrm{d}x 이고, x=4x=4 일 때 u(4)=25−42=9u(4)=25-4^2=9, x=0x=0 일 때 u(0)=25−02=25u(0)=25-0^2=25 이다. 따라서

A1=∫x=0x=4x25−x2 dx=−12∫u=25u=9u du=[−13u3/2]259=125−273=983\begin{aligned} A_1 &= \int_{x=0}^{x=4} x \sqrt{25-x^2}\,\mathrm{d}x = -\frac{1}{2} \int_{u=25}^{u=9} \sqrt{u}\,\mathrm{d}u = \left[-\frac{1}{3} u^{3/2} \right]_{25}^{9} = \frac{125 - 27}{3} = \frac{98}{3} \end{aligned}

A2A_2 는 부정적분을 직접 이용한다.

A2=∫043x dx=[3x22]04=24A_2 = \int_0^4 3x\,\mathrm{d}x =\left[ \frac{3x^2}{2} \right]_0^4 = 24

따라서 전체 넓이는 다음과 같다.

A=983−24=263\begin{aligned} A = \frac{98}{3} - 24 = \frac{26}{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We need to figure out which curve is on top, when. To do this, set h(x)=3x−x25−x2h(x) = 3x - x\sqrt{25-x^2}. If h(x)>0h(x) > 0, then y=3xy=3x is the top curve; if h(x)<0h(x)<0, then y=x25−x2y=x\sqrt{25-x^2} is the top curve.

h(x)=3x−x25−x2=x[3−25−x2]We only care about values of x in [0,4], so x is nonnegative. Then h(x) is positive when:3>25−x29>25−x2x2>16x>4\begin{aligned} h(x) &= 3x - x\sqrt{25-x^2} = x\left[3-\sqrt{25-x^2}\right] \\ \text{We only care about values of $x$ in $[0,4]$, so $x$ is nonnegative. Then $h(x)$ is positive when:} \\ 3&> \sqrt{25-x^2}\\ 9&> 25-x^2\\ x^2 & > 16\\ x&> 4 \end{aligned}

That is, h(x)h(x) is never positive over the interval [0,4][0,4]. So, y=x25−x2y = x \sqrt{25-x^2} lies above y=3xy=3x for all 0≤x≤40\le x\le 4.

The area we need to calculate is therefore:

A=∫04[x25−x2−3x] dx=∫04x25−x2 dx−∫043x dx=A1−A2.\begin{aligned} A &= \int_0^4 \left[x \sqrt{25-x^2} - 3x\right]\,\mathrm{d}x \\ &= \int_0^4 x \sqrt{25-x^2}\,\mathrm{d}x - \int_0^4 3x\,\mathrm{d}x \\&= A_1 - A_2. \end{aligned}

To evaluate A1A_1, we use the substitution u(x)=25−x2u(x) = 25-x^2, for which du=u′(x) dx=−2x dx\mathrm{d}u = u'(x)\,\mathrm{d}x= -2x\,\mathrm{d}x; and u(4)=25−42=9u(4)=25-4^2=9 when x=4x=4, while u(0)=25−02=25u(0)=25-0^2=25 when x=0x=0. Therefore

A1=∫x=0x=4x25−x2 dx=−12∫u=25u=9u du=[−13u3/2]259=125−273=983\begin{aligned} A_1 &= \int_{x=0}^{x=4} x \sqrt{25-x^2}\,\mathrm{d}x = -\frac{1}{2} \int_{u=25}^{u=9} \sqrt{u}\,\mathrm{d}u = \left[-\frac{1}{3} u^{3/2} \right]_{25}^{9} = \frac{125 - 27}{3} = \frac{98}{3} \end{aligned}

For A2A_2 we use the antiderivative directly:

A2=∫043x dx=[3x22]04=24A_2 = \int_0^4 3x\,\mathrm{d}x =\left[ \frac{3x^2}{2} \right]_0^4 = 24

Therefore the total area is:

A=983−24=263\begin{aligned} A = \frac{98}{3} - 24 = \frac{26}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.5절 · 8번
# 넓이(여러 가지 함수)계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
463.CLP-2 · 1.7절 · 2번우리말 번역

부분적분을 이용하여 적분의 값을 구하려고 한다고 합시다. 피적분함수의 일부를 uu로, 나머지 일부를 dv\mathrm{d}v로 택합니다. uu로 택한 부분은 (미분된다, 부정적분된다). dv\mathrm{d}v로 택한 부분은 (미분된다, 부정적분된다).

영어 원문 보기

Suppose you want to evaluate an integral using integration by parts. You choose part of your integrand to be uu, and part to be dv\mathrm{d}v. The part chosen as uu will be: (differentiated, antidifferentiated). The part chosen as dv\mathrm{d}v will be: (differentiated, antidifferentiated).

정답·풀이 보기

공식 ∫udv=uv−∫vdu\int u \mathrm{d}v = uv - \int v \mathrm{d}u 를 기억하자. uu를 이용하여 du\mathrm{d}u를 만드므로, 즉 uu를 미분한다. dv\mathrm{d}v를 이용하여 vv를 만드므로, 즉 dv\mathrm{d}v를 부정적분한다.

원본 교재 풀이(영어)

Remember our rule: ∫udv=uv−∫vdu\int u \mathrm{d}v = uv - \int v \mathrm{d}u. So, we take uu and use it to make du\mathrm{d}u–that is, we differentiate it. We take dv\mathrm{d}v and use it to make vv–that is, we antidifferentiate it.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.7절 · 4번
# 부분적분법계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
464.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)
465.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
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
466.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)
467.CLP-2 · 1.7절 · 18번우리말 번역

∫4yarctan⁡(2y) dy\displaystyle\int 4y\arctan(2y) \,\mathrm{d}y 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫4yarctan⁡(2y) dy\displaystyle\int 4y\arctan(2y) \,\mathrm{d}y.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

u=arctan⁡(2y)u = \arctan(2y), dv=4y dy\mathrm{d}v = 4y \,\mathrm{d}y 로 놓고 부분적분을 한다. 그러면 v=2y2v=2y^2 이고 du=2 dy1+(2y)2\mathrm{d}u= \frac{2\, \mathrm{d}y}{1+(2y)^2} 이다:

∫4yarctan⁡(2y) dy=2y2arctan⁡(2y)⏟uv−∫4y2(2y)2+1 dy⏟vdu\begin{aligned} \int 4y\arctan(2y) \,\mathrm{d}y = \underbrace{2y^2\arctan(2y)}_{uv} - \int\underbrace{ \frac{4y^2}{(2y)^2+1} \,\mathrm{d}y}_{v\mathrm{d}u} \end{aligned}

피적분함수 4y2(2y)2+1\frac{4y^2}{(2y)^2+1} 는 유리함수이다. 따라서 남은 적분은 먼저 나눗셈을 한 다음 부분분수 방법으로 계산할 수 있다. 그러나 4y24y2+1=4y2+14y2+1−14y2+1\frac{4y^2}{4y^2+1} = \frac{4y^2+1}{4y^2+1} - \frac{1}{4y^2+1} 임을 알아차리는 것이 더 쉽다. 그러므로 다음을 얻는다:

∫4y24y2+1 dy=∫(1−14y2+1) dy=y−12arctan⁡(2y)+C\begin{aligned} \int \frac{4y^2}{4y^2+1} \,\mathrm{d}y = \int \left(1 - \frac{1}{4y^2+1}\right)\,\mathrm{d}y = y - \frac12\arctan(2y) + C \end{aligned}

따라서 최종 답은 다음과 같다.

∫4yarctan⁡(2y) dy=2y2arctan⁡(2y)−y+12arctan⁡(2y)+C\begin{aligned} \int 4y\arctan(2y) \,\mathrm{d}y = 2y^2\arctan(2y) - y + \frac{1}{2}\arctan(2y) + C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We integrate by parts, using u=arctan⁡(2y)u = \arctan(2y), dv=4y dy\mathrm{d}v = 4y \,\mathrm{d}y, so that v=2y2v=2y^2 and du=2 dy1+(2y)2\mathrm{d}u= \frac{2\, \mathrm{d}y}{1+(2y)^2}:

∫4yarctan⁡(2y) dy=2y2arctan⁡(2y)⏟uv−∫4y2(2y)2+1 dy⏟vdu\begin{aligned} \int 4y\arctan(2y) \,\mathrm{d}y = \underbrace{2y^2\arctan(2y)}_{uv} - \int\underbrace{ \frac{4y^2}{(2y)^2+1} \,\mathrm{d}y}_{v\mathrm{d}u} \end{aligned}

The integrand 4y2(2y)2+1\frac{4y^2}{(2y)^2+1} is a rational function. So the remaining integral can be evaluated using the method of partial fractions, starting with long division. But it is easier to just notice that 4y24y2+1=4y2+14y2+1−14y2+1\frac{4y^2}{4y^2+1} = \frac{4y^2+1}{4y^2+1} - \frac{1}{4y^2+1}. We therefore have:

∫4y24y2+1 dy=∫(1−14y2+1) dy=y−12arctan⁡(2y)+C\begin{aligned} \int \frac{4y^2}{4y^2+1} \,\mathrm{d}y = \int \left(1 - \frac{1}{4y^2+1}\right)\,\mathrm{d}y = y - \frac12\arctan(2y) + C \end{aligned}

The final answer is then

∫4yarctan⁡(2y) dy=2y2arctan⁡(2y)−y+12arctan⁡(2y)+C\begin{aligned} \int 4y\arctan(2y) \,\mathrm{d}y = 2y^2\arctan(2y) - y + \frac{1}{2}\arctan(2y) + C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.7절 · 16번
# 부분적분법계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
468.CLP-2 · 1.7절 · 23번우리말 번역

∫ecos⁡xsin⁡(2x)dx\displaystyle\int e^{\cos x}\sin(2x)\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫ecos⁡xsin⁡(2x)dx\displaystyle\int e^{\cos x}\sin(2x)\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

어디서부터 시작해야 할지 분명하지 않지만, 일반적으로 삼각함수의 인수가 같으면 편리하다. 그래서 항등식 sin⁡(2x)=2sin⁡xcos⁡x\sin(2x)=2\sin x \cos x 를 이용한다.

∫ecos⁡xsin⁡(2x)dx=2∫ecos⁡xcos⁡xsin⁡x dx이제 w=cos⁡x, dw=−sin⁡xdx 로 치환할 수 있다.=−2∫wewdw여기서부터 적분이 더 익숙해 보일 것이다. u=w, dv=ewdw, du=dw, v=ew 로 놓고 부분적분을 할 수 있다.=−2[wew⏟uv−∫ewdw⏟vdu]=2ew[1−w]+C=2ecos⁡x[1−cos⁡x]+C\begin{aligned} \int e^{\cos x}\sin(2x)\mathrm{d}x&=2\int e^{\cos x}\cos x \sin x\,\mathrm{d}x \\ \text{이제 $w=\cos x$, $\mathrm{d}w=-\sin x \mathrm{d}x$ 로 치환할 수 있다.} \\ &=-2\int we^w\mathrm{d}w \\ \text{여기서부터 적분이 더 익숙해 보일 것이다. $u=w$, $\mathrm{d}v = e^w\mathrm{d}w$, $\mathrm{d}u=\mathrm{d}w$, $v=e^w$ 로 놓고 부분적분을 할 수 있다.} \\ &=-2\left[\underbrace{we^w}_{uv} - \int \underbrace{e^w\mathrm{d}w}_{v\mathrm{d}u}\right]\\ &=2e^w\left[1-w\right]+C\\ &=2e^{\cos x}[1-\cos x]+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

It's not obvious where to start, but in general it's nice to have the arguments of our trig functions the same. So, we use the identity sin⁡(2x)=2sin⁡xcos⁡x\sin(2x)=2\sin x \cos x.

∫ecos⁡xsin⁡(2x)dx=2∫ecos⁡xcos⁡xsin⁡x dxNow we can use the substitution w=cos⁡x, dw=−sin⁡xdx.=−2∫wewdwFrom here the integral should look more familiar. We can use integration by parts with u=w, dv=ewdw, du=dw, and v=ew.=−2[wew⏟uv−∫ewdw⏟vdu]=2ew[1−w]+C=2ecos⁡x[1−cos⁡x]+C\begin{aligned} \int e^{\cos x}\sin(2x)\mathrm{d}x&=2\int e^{\cos x}\cos x \sin x\,\mathrm{d}x \\ \text{Now we can use the substitution $w=\cos x$, $\mathrm{d}w=-\sin x \mathrm{d}x$.} \\ &=-2\int we^w\mathrm{d}w \\ \text{From here the integral should look more familiar. We can use integration by parts with $u=w$, $\mathrm{d}v = e^w\mathrm{d}w$, $\mathrm{d}u=\mathrm{d}w$, and $v=e^w$.} \\ &=-2\left[\underbrace{we^w}_{uv} - \int \underbrace{e^w\mathrm{d}w}_{v\mathrm{d}u}\right]\\ &=2e^w\left[1-w\right]+C\\ &=2e^{\cos x}[1-\cos x]+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.7절 · 18번
# 부분적분법계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
469.CLP-2 · 1.7절 · 24번우리말 번역

∫xe−x(1−x)2dx\displaystyle\int \frac{x e^{-x}}{(1-x)^2}\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫xe−x(1−x)2dx\displaystyle\int \frac{x e^{-x}}{(1-x)^2}\mathrm{d}x.

정답·풀이 보기

피적분함수가 여러 함수의 곱으로 이루어져 있고, 뚜렷한 치환도 보이지 않는다. 그래서 부분적분을 생각한다. 1(1−x)2\frac{1}{(1-x)^2} 의 부정적분은 알고 있는데, ddx11−x=1(1−x)2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\frac{1}{1-x}=\frac{1}{(1-x)^2} 임을 알고 있기 때문이다. 그러므로 dv=dx(1−x)2\mathrm{d}v = \frac{\mathrm{d}x}{(1-x)^2} 과 u=xe−xu=xe^{-x} 로 놓아 보자. 그러면 v=11−xv=\frac{1}{1-x} 이고 du=(1−x)e−x dx\mathrm{d}u = (1-x)e^{-x}\,\mathrm{d}x 이다. 따라서 부분적분에 의해

∫xe−x⏟udx(1−x)2⏟dv=xe−x1−x⏟uv−∫11−x⏟v(1−x)e−x dx⏟du=xe−x1−x−∫e−x dx=xe−x1−x+e−x+C=e−x1−x+C\begin{aligned} \int\underbrace{xe^{-x}}_{u}\underbrace{ \frac{\mathrm{d}x}{(1-x)^2}}_{\mathrm{d}v} &= \underbrace{\frac{xe^{-x}}{1-x}}_{uv} -\int\underbrace{\frac{1}{1-x}}_{v}\underbrace{(1-x)e^{-x}\,\mathrm{d}x}_{\mathrm{d}u} \\ &=\frac{xe^{-x}}{1-x} -\int e^{-x}\,\mathrm{d}x \\ &=\frac{xe^{-x}}{1-x} + e^{-x} + C =\frac{e^{-x}}{1-x} + C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We've got an integrand that consists of several functions multiplied together, and no obvious substitution. So, we think about integration by parts. We know an antiderivative for 1(1−x)2\frac{1}{(1-x)^2}, because we know ddx11−x=1(1−x)2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\frac{1}{1-x}=\frac{1}{(1-x)^2}. So let's try dv=dx(1−x)2\mathrm{d}v = \frac{\mathrm{d}x}{(1-x)^2} and u=xe−xu=xe^{-x}. Then v=11−xv=\frac{1}{1-x} and du=(1−x)e−x dx\mathrm{d}u = (1-x)e^{-x}\,\mathrm{d}x. So, by integration by parts,

∫xe−x⏟udx(1−x)2⏟dv=xe−x1−x⏟uv−∫11−x⏟v(1−x)e−x dx⏟du=xe−x1−x−∫e−x dx=xe−x1−x+e−x+C=e−x1−x+C\begin{aligned} \int\underbrace{xe^{-x}}_{u}\underbrace{ \frac{\mathrm{d}x}{(1-x)^2}}_{\mathrm{d}v} &= \underbrace{\frac{xe^{-x}}{1-x}}_{uv} -\int\underbrace{\frac{1}{1-x}}_{v}\underbrace{(1-x)e^{-x}\,\mathrm{d}x}_{\mathrm{d}u} \\ &=\frac{xe^{-x}}{1-x} -\int e^{-x}\,\mathrm{d}x \\ &=\frac{xe^{-x}}{1-x} + e^{-x} + C =\frac{e^{-x}}{1-x} + C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.7절 · 12번
# 부분적분법계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
470.CLP-2 · 1.7절 · 25번우리말 번역

점화식.

(a) 다음 점화식을 유도하세요. ∫sin⁡n(x) dx=−sin⁡n−1(x)cos⁡(x)n+n−1n∫sin⁡n−2(x) dx.\int\sin^n(x)\,\mathrm{d}x=-\frac{\sin^{n-1}(x)\cos(x)}{n} +\frac{n-1}{n}\int\sin^{n-2}(x)\,\mathrm{d}x. (b) ∫0π/2sin⁡8(x) dx\displaystyle\int_0^{\pi/2}\sin^8(x)\,\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

A reduction formula.

(a) Derive the reduction formula ∫sin⁡n(x) dx=−sin⁡n−1(x)cos⁡(x)n+n−1n∫sin⁡n−2(x) dx.\int\sin^n(x)\,\mathrm{d}x=-\frac{\sin^{n-1}(x)\cos(x)}{n} +\frac{n-1}{n}\int\sin^{n-2}(x)\,\mathrm{d}x. (b) Calculate ∫0π/2sin⁡8(x) dx\displaystyle\int_0^{\pi/2}\sin^8(x)\,\mathrm{d}x.

정답·풀이 보기

(a) 피적분함수의 "부분"은 사인의 거듭제곱이다. 점화식의 우변을 보면, 정확히 같지는 않지만 sin⁡n−1x\sin^{n-1}x 의 도함수와 조금 비슷해 보인다. 그래서 u=sin⁡n−1xu=\sin^{n-1}x, dv=sin⁡x dx\mathrm{d}v=\sin x\,\mathrm{d}x 로 놓고 부분적분하면 du=(n−1)sin⁡n−2xcos⁡x\mathrm{d}u=(n-1)\sin^{n-2}x\cos x 이고 v=−cos⁡xv=-\cos x 이다.

∫sin⁡nx dx=−sin⁡n−1x cos⁡x⏟uv+(n−1)∫cos⁡2x sin⁡n−2x dx⏟−∫vdu항등식 sin⁡2x+cos⁡2x=1 을 이용하면,=−sin⁡n−1x cos⁡x+(n−1)∫(1−sin⁡2x)sin⁡n−2x dx=−sin⁡n−1x cos⁡x+(n−1)∫sin⁡n−2x dx−(n−1)∫sin⁡nx dx\begin{aligned} \int\sin^nx\,\mathrm{d}x &=\underbrace{-\sin^{n-1}x\ \cos x}_{uv}+\underbrace{(n-1)\int \cos^2x\ \sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x}_{-\int v\mathrm{d}u} \\ \text{항등식 $\sin^2 x + \cos^2 x =1 $ 을 이용하면,} \\ &=-\sin^{n-1}x\ \cos x+(n-1)\int (1-\sin^2 x)\sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x\\ &=-\sin^{n-1}x\ \cos x+(n-1)\int\sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x -(n-1)\int\sin^{n}x\ \mathrm{d}x \end{aligned}

우변의 마지막 항을 좌변으로 옮기면

n∫sin⁡nx dx=−sin⁡n−1x cos⁡x+(n−1)∫sin⁡n−2x dx\begin{aligned} n\int\sin^nx\,\mathrm{d}x &=-\sin^{n-1}x\ \cos x+(n-1)\int\sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x \end{aligned}

양변을 nn 으로 나누면 구하려던 점화식이 얻어진다.

(b) (a)의 점화식에 의해 n≥2n \ge 2 이면

∫0π/2sin⁡n(x) dx=n−1n∫0π/2sin⁡n−2(x) dx\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\sin^n(x)\,\mathrm{d}x= \frac{n-1}{n}\int_0^{\pi/2}\sin^{n-2}(x)\,\mathrm{d}x \end{aligned}

이다. 이는 sin⁡0=cos⁡π2=0\sin 0=\cos\frac{\pi}{2}=0 이기 때문이다. n=8,6,4,2n=8,6,4,2 에 대해 이 점화식을 적용하면:

∫0π/2sin⁡8(x) dx=78∫0π/2sin⁡6(x) dx=78⋅56∫0π/2sin⁡4(x) dx=78⋅56⋅34∫0π/2sin⁡2(x) dx=78⋅56⋅34⋅12∫0π/2 dx=78⋅56⋅34⋅12⋅π2=35256π\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\sin^8(x)\,\mathrm{d}x &=\frac{7}{8}\int_0^{\pi/2}\sin^6(x)\,\mathrm{d}x =\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\int_0^{\pi/2}\sin^4(x)\,\mathrm{d}x =\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\cdot\frac{3}{4}\int_0^{\pi/2}\sin^2(x)\,\mathrm{d}x \\ &=\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\cdot\frac{3}{4}\cdot\frac{1}{2}\int_0^{\pi/2}\,\mathrm{d}x =\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\cdot\frac{3}{4}\cdot\frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{2} =\frac{35}{256}\pi \end{aligned}

계산기를 사용하면 이 값은 약 0.42950.4295 임을 알 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The “parts" in the integrand are powers of sine. Looking at the right hand side of the reduction formula, we see that it looks a little like the derivative of sin⁡n−1x\sin^{n-1}x, although not exactly. So, let's integrate by parts with u=sin⁡n−1xu=\sin^{n-1}x and dv=sin⁡x dx\mathrm{d}v=\sin x\,\mathrm{d}x, so that du=(n−1)sin⁡n−2xcos⁡x\mathrm{d}u=(n-1)\sin^{n-2}x\cos x and v=−cos⁡xv=-\cos x.

∫sin⁡nx dx=−sin⁡n−1x cos⁡x⏟uv+(n−1)∫cos⁡2x sin⁡n−2x dx⏟−∫vduUsing the identity sin⁡2x+cos⁡2x=1,=−sin⁡n−1x cos⁡x+(n−1)∫(1−sin⁡2x)sin⁡n−2x dx=−sin⁡n−1x cos⁡x+(n−1)∫sin⁡n−2x dx−(n−1)∫sin⁡nx dx\begin{aligned} \int\sin^nx\,\mathrm{d}x &=\underbrace{-\sin^{n-1}x\ \cos x}_{uv}+\underbrace{(n-1)\int \cos^2x\ \sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x}_{-\int v\mathrm{d}u} \\ \text{Using the identity $\sin^2 x + \cos^2 x =1 $,} \\ &=-\sin^{n-1}x\ \cos x+(n-1)\int (1-\sin^2 x)\sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x\\ &=-\sin^{n-1}x\ \cos x+(n-1)\int\sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x -(n-1)\int\sin^{n}x\ \mathrm{d}x \end{aligned}

Moving the last term on the right hand side to the left hand side gives

n∫sin⁡nx dx=−sin⁡n−1x cos⁡x+(n−1)∫sin⁡n−2x dx\begin{aligned} n\int\sin^nx\,\mathrm{d}x &=-\sin^{n-1}x\ \cos x+(n-1)\int\sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x \end{aligned}

Dividing across by nn gives the desired reduction formula.

(b) By the reduction formula of part (a), if n≥2n \ge 2,

∫0π/2sin⁡n(x) dx=n−1n∫0π/2sin⁡n−2(x) dx\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\sin^n(x)\,\mathrm{d}x= \frac{n-1}{n}\int_0^{\pi/2}\sin^{n-2}(x)\,\mathrm{d}x \end{aligned}

since sin⁡0=cos⁡π2=0\sin 0=\cos\frac{\pi}{2}=0. Applying this reduction formula, with n=8,6,4,2n=8,6,4,2:

∫0π/2sin⁡8(x) dx=78∫0π/2sin⁡6(x) dx=78⋅56∫0π/2sin⁡4(x) dx=78⋅56⋅34∫0π/2sin⁡2(x) dx=78⋅56⋅34⋅12∫0π/2 dx=78⋅56⋅34⋅12⋅π2=35256π\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\sin^8(x)\,\mathrm{d}x &=\frac{7}{8}\int_0^{\pi/2}\sin^6(x)\,\mathrm{d}x =\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\int_0^{\pi/2}\sin^4(x)\,\mathrm{d}x =\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\cdot\frac{3}{4}\int_0^{\pi/2}\sin^2(x)\,\mathrm{d}x \\ &=\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\cdot\frac{3}{4}\cdot\frac{1}{2}\int_0^{\pi/2}\,\mathrm{d}x =\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\cdot\frac{3}{4}\cdot\frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{2} =\frac{35}{256}\pi \end{aligned}

Using a calculator, we see this is approximately 0.42950.4295.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.7절 · 24번
# 부분적분법계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
471.CLP-2 · 1.7절 · 28번우리말 번역

f(0)=1f(0) = 1, f(2)=3f(2) = 3, f′(2)=4f'(2) = 4 라 하자. ∫04f′′(x) dx{\displaystyle\int_0^4 f''\big(\sqrt{x}\big)\,\mathrm{d}x} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(0)=1f(0) = 1, f(2)=3f(2) = 3 and f′(2)=4f'(2) = 4. Calculate ∫04f′′(x) dx{\displaystyle\int_0^4 f''\big(\sqrt{x}\big)\,\mathrm{d}x}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

f′′f'' 의 인수에 있는 제곱근을 없애기 위해 변수변환(“치환”이라고도 한다) x=t2, dx=2t dtx=t^2,\ \mathrm{d}x=2t\,\mathrm{d}t 를 한다.

∫04f′′(x) dx=2∫02tf′′(t) dt\begin{aligned} \int_0^4 f''\big(\sqrt{x}\big)\,\mathrm{d}x &= 2\int_0^2 tf''(t)\,\mathrm{d}t \end{aligned}

다음으로 f′′f'' 을 f′f' 으로 바꾸기 위해 u=tu=t, dv=f′′(t) dt\mathrm{d}v=f''(t)\,\mathrm{d}t, v=f′(t)v=f'(t) 로 놓고 부분적분한다.

∫04f′′(x) dx=2{[tf′(t)⏟uv]02−∫02 ⁣ ⁣ ⁣f′(t) dt⏟vdu}=2[tf′(t)−f(t)]02=2[2f′(2)−f(2)+f(0)]=2[2×4−3+1]=12\begin{aligned} \int_0^4 f''\big(\sqrt{x}\big)\,\mathrm{d}x &= 2\bigg\{\Big[\underbrace{tf'(t)}_{uv}\Big]_0^2-\int_0^2\!\!\!\underbrace{ f'(t)\,\mathrm{d}t}_{v\mathrm{d}u}\bigg\} \\ &=2\Big[tf'(t)-f(t)\Big]_0^2 \\ &=2\big[2f'(2)-f(2)+f(0)\big]=2\big[2\times 4-3+1\big]\\ &=12 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

To get rid of the square root in the argument of f′′f'', we make the change of variables (also called “substitution") x=t2, dx=2t dtx=t^2,\ \mathrm{d}x=2t\,\mathrm{d}t.

∫04f′′(x) dx=2∫02tf′′(t) dt\begin{aligned} \int_0^4 f''\big(\sqrt{x}\big)\,\mathrm{d}x &= 2\int_0^2 tf''(t)\,\mathrm{d}t \end{aligned}

Then, to convert f′′f'' into f′f', we integrate by parts with u=tu=t, dv=f′′(t) dt\mathrm{d}v=f''(t)\,\mathrm{d}t, v=f′(t)v=f'(t) .

∫04f′′(x) dx=2{[tf′(t)⏟uv]02−∫02 ⁣ ⁣ ⁣f′(t) dt⏟vdu}=2[tf′(t)−f(t)]02=2[2f′(2)−f(2)+f(0)]=2[2×4−3+1]=12\begin{aligned} \int_0^4 f''\big(\sqrt{x}\big)\,\mathrm{d}x &= 2\bigg\{\Big[\underbrace{tf'(t)}_{uv}\Big]_0^2-\int_0^2\!\!\!\underbrace{ f'(t)\,\mathrm{d}t}_{v\mathrm{d}u}\bigg\} \\ &=2\Big[tf'(t)-f(t)\Big]_0^2 \\ &=2\big[2f'(2)-f(2)+f(0)\big]=2\big[2\times 4-3+1\big]\\ &=12 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.7절 · 23번
# 부분적분법계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
472.Active Calculus · 4.2절 · 9번우리말 번역

SS 를 다음과 같은 합이라고 하자.

S=((1.4)2+1)⋅0.4+((1.8)2+1)⋅0.4+((2.2)2+1)⋅0.4+((2.6)2+1)⋅0.4+((3.0)2+1)⋅0.4 .S = ((1.4)^2 + 1) \cdot 0.4 + ((1.8)^2 + 1) \cdot 0.4 + ((2.2)^2 + 1) \cdot 0.4 + ((2.6)^2 + 1) \cdot 0.4 +((3.0)^2 + 1) \cdot 0.4\,.

(a) SS 가 오른쪽 리만 합이라고 가정하세요. SS 가 어떤 함수 ff 와 어떤 구간 [a,b][a,b] 에 대한 이 함수의 리만 합인지 구하고, 그 이유를 설명하세요. (b) SS 가 왼쪽 리만 합이라면 (a)의 답은 어떻게 달라지는지 설명하세요. 중점 리만 합이라면 어떻게 달라지는지 설명하세요. (c) SS 가 정말로 오른쪽 리만 합이라고 하세요. SS 는 어떤 기하학적 양을 근사하는지 구하세요. (d) 시그마 기호를 사용하여, 같은 함수에 대한 오른쪽 리만 합이면서 SS 보다 부분구간의 개수가 두 배인 새로운 합 RR 을 나타내세요.

영어 원문 보기

Let SS be the sum given by

S=((1.4)2+1)⋅0.4+((1.8)2+1)⋅0.4+((2.2)2+1)⋅0.4+((2.6)2+1)⋅0.4+((3.0)2+1)⋅0.4 .S = ((1.4)^2 + 1) \cdot 0.4 + ((1.8)^2 + 1) \cdot 0.4 + ((2.2)^2 + 1) \cdot 0.4 + ((2.6)^2 + 1) \cdot 0.4 +((3.0)^2 + 1) \cdot 0.4\,.

(a) Assume that SS is a right Riemann sum. For what function ff and what interval [a,b][a,b] is SS this function's Riemann sum? Why? (b) How does your answer to (a) change if SS is a left Riemann sum? a middle Riemann sum? (c) Suppose that SS really is a right Riemann sum. What is geometric quantity does SS approximate? (d) Use sigma notation to write a new sum RR that is the right Riemann sum for the same function, but that uses twice as many subintervals as SS.

정답·풀이 보기

(a) 함수는 x1=1.4x_1 = 1.4, x2=1.8x_2 = 1.8, x3=2.2x_3 = 2.2, x4=2.6x_4 = 2.6, x5=3.0x_5 = 3.0 에서 계산되고 있다. 따라서 이것이 오른쪽 리만 합이므로 부분구간은 55개이고 △x=0.4\triangle x = 0.4 이며 x0=1.0x_0 = 1.0 이다. 이 규칙으로부터 함수는 구간 [1,3][1,3] 에서 f(x)=x2+1f(x) = x^2 + 1 이어야 함을 알 수 있다. (b) 대신 SS 가 왼쪽 리만 합이라면 xix_i 들이 왼쪽으로 이동하여 x0=1.4x_0 = 1.4, x1=1.8x_1 = 1.8, …\ldots, x5=3.4x_5 = 3.4 가 된다. 이 경우 함수는 같지만 구간은 [1.4,3.4][1.4, 3.4] 이다. SS 가 중점 리만 합이라면, 예를 들어 1.41.4 는 길이가 △x=0.4\triangle x = 0.4 인 구간의 중점이므로 x0=1.2x_0 = 1.2, x1=1.6x_1 = 1.6 이다. 이 규칙을 계속 적용하면 함수 f(x)=x2+1f(x) = x^2 + 1 을 구간 [1.2,3.2][1.2, 3.2] 에서 생각하게 된다. (c) SS 는 [1,3][1,3] 에서 f(x)=x2+1f(x) = x^2 + 1 의 그래프 아래쪽에 놓인 넓이를 근사한 값이다. (d) 부분구간을 두 배로 하려면 △x=0.2\triangle x = 0.2 로 바꾸므로 x1=1.2x_1 = 1.2, x2=1.4x_2 = 1.4, …이고, 일반적인 오른쪽 끝점은 xi=1+0.2⋅ix_i = 1 + 0.2 \cdot i 이다. 또한 n=10n = 10 이므로 R10=∑i=110((1+0.2i)2+1)⋅0.2 .R_{10} = \sum_{i=1}^{10} \left( (1+0.2i)^2 + 1 \right) \cdot 0.2\,.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The function is being evaluated at x1=1.4x_1 = 1.4, x2=1.8x_2 = 1.8, x3=2.2x_3 = 2.2, x4=2.6x_4 = 2.6, and x5=3.0x_5 = 3.0. Thus, since we know this is a right Riemann sum, we are using 55 subintervals with △x=0.4\triangle x = 0.4, and x0=1.0x_0 = 1.0. From the pattern, we observe that the function must be f(x)=x2+1f(x) = x^2 + 1 on the interval [1,3][1,3]. (b) If SS is a left Riemann sum instead, then the xix_i's shift left: x0=1.4x_0 = 1.4, x1=1.8x_1 = 1.8, …\ldots, x5=3.4x_5 = 3.4. In this setting, the function is identical, but we are considering it on the interval [1.4,3.4][1.4, 3.4]. If SS is a middle Riemann sum, then (for example) 1.41.4 is the midpoint of an interval △x=0.4\triangle x = 0.4 units long, so x0=1.2x_0 = 1.2 and x1=1.6x_1 = 1.6. Continuing that trend, we'd be considering the function f(x)=x2+1f(x) = x^2 + 1 on the interval [1.2,3.2][1.2, 3.2]. (c) SS is an approximation of the area that lies under f(x)=x2+1f(x) = x^2 + 1 on [1,3][1,3]. (d) To use twice as many subintervals, we move to △x=0.2\triangle x = 0.2 and thus x1=1.2x_1 = 1.2, x2=1.4x_2 = 1.4, and so on, with the general right endpoint being given by xi=1+0.2⋅ix_i = 1 + 0.2 \cdot i. We'll also have n=10n = 10, so R10=∑i=110((1+0.2i)2+1)⋅0.2 .R_{10} = \sum_{i=1}^{10} \left( (1+0.2i)^2 + 1 \right) \cdot 0.2\,.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 4.2절 · 8번
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
473.Active Calculus · 5.3절 · 11번우리말 번역

이 문제는 sin⁡(x)\sin(x) 와 cos⁡(x)\cos(x) 를 제외한 기본 삼각함수의 부정적분을 구하는 것을 중심으로 한다.

(a) 부정적분 ∫tan⁡(x) dx\int \tan(x) \, dx 를 생각하세요. 피적분함수를 tan⁡(x)=sin⁡(x)cos⁡(x)\tan(x) = \frac{\sin(x)}{\cos(x)} 로 고쳐 쓰고, 알맞은 함수와 그 도함수의 쌍을 찾아 uu 로 치환하여 ∫tan⁡(x) dx\int \tan(x) \, dx 의 값을 구하세요. (b) 같은 방법으로 ∫cot⁡(x) dx\int \cot(x) \, dx 의 값을 구하세요. (c) 부정적분 ∫sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x) dx \int \frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} \, dx\, 을 생각하세요. 치환 u=sec⁡(x)+tan⁡(x)u = \sec(x) + \tan(x) 를 이용하여 이 적분의 값을 구하세요. (d) (c)의 피적분함수의 분자를 인수분해하여 간단히 하세요. 피적분함수를 훨씬 더 간단하게 나타내는 방법은 무엇인가요? (e) (c)와 (d)의 결과를 합하여 ∫sec⁡(x) dx\int \sec(x) \, dx 를 구하세요. (f) (c)~(e)를 참고하여 ∫csc⁡(x) dx\int \csc(x) \, dx 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

This problem centers on finding antiderivatives for the basic trigonometric functions other than sin⁡(x)\sin(x) and cos⁡(x)\cos(x).

(a) Consider the indefinite integral ∫tan⁡(x) dx\int \tan(x) \, dx. By rewriting the integrand as tan⁡(x)=sin⁡(x)cos⁡(x)\tan(x) = \frac{\sin(x)}{\cos(x)} and identifying an appropriate function-derivative pair, make a uu-substitution and hence evaluate ∫tan⁡(x) dx\int \tan(x) \, dx. (b) In a similar way, evaluate ∫cot⁡(x) dx\int \cot(x) \, dx. (c) Consider the indefinite integral ∫sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x) dx .\int \frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} \, dx\,. Evaluate this integral using the substitution u=sec⁡(x)+tan⁡(x)u = \sec(x) + \tan(x). (d) Simplify the integrand in (c) by factoring the numerator. What is a far simpler way to write the integrand? (e) Combine your work in (c) and (d) to determine ∫sec⁡(x) dx\int \sec(x) \, dx. (f) Using (c)-(e) as a guide, evaluate ∫csc⁡(x) dx\int \csc(x) \, dx.

정답·풀이 보기

(a) u=cos⁡(x)u = \cos(x) 로 놓으면 du=−sin⁡(x) dxdu = -\sin(x) \ dx 이다. 이 변수 변환으로 적분을 다음과 같이 계산할 수 있는 꼴로 바꿀 수 있다. ∫tan⁡(x) dx=∫sin⁡(x)cos⁡(x) dx=−∫1u du=−ln⁡(∣u∣)+C=−ln⁡(∣cos⁡(x)∣+C=ln⁡(∣cos⁡(x)∣−1)+C=ln⁡(∣sec⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \tan(x) \, dx &= \int \frac{\sin(x)}{\cos(x)} \ dx \\ &= -\int \frac{1}{u} \ du \\ &= -\ln(|u|) + C \\ &= -\ln(|\cos(x)| + C \\ &= \ln\left(|\cos(x)|^{-1}\right) + C \\ &= \ln\left(|\sec(x)|\right) + C\end{aligned}\,. 결과를 간단히 하기 위해 로그의 성질 pln⁡(z)=ln⁡(zp)p \ln (z) = \ln(z^p) 과 1cos⁡(x)=sec⁡(x)\frac{1}{\cos(x)} = \sec(x) 임을 이용했다. (b) u=sin⁡(x)u = \sin(x) 로 놓으면 du=cos⁡(x) dxdu = \cos(x) \ dx 이다. 이 변수 변환으로 적분을 다음과 같이 계산할 수 있는 꼴로 바꿀 수 있다. ∫cot⁡(x) dx=∫cos⁡(x)sin⁡(x) dx=∫1u du=ln⁡(∣u∣)+C=ln⁡(∣sin⁡(x)∣+C=−ln⁡(∣sin⁡(x)∣−1)+C=−ln⁡(∣csc⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \cot(x) \, dx &= \int \frac{\cos(x)}{\sin(x)} \ dx \\ &= \int \frac{1}{u} \ du \\ &= \ln(|u|) + C \\ &= \ln(|\sin(x)| + C \\ &= -\ln\left(|\sin(x)|^{-1}\right) + C \\ &= -\ln\left(|\csc(x)|\right) + C\end{aligned}\,. 여기서는 결과를 간단히 하기 위해 ln⁡(z)=(−1)(−1)ln⁡(z)=(−1)ln⁡(z−1)\ln(z) = (-1)(-1)\ln(z) = (-1) \ln(z^{-1}) 임을 이용했다. (c) u=sec⁡(x)+tan⁡(x)u = \sec(x) + \tan(x) 로 놓으면 du=(sec⁡(x)tan⁡(x)+sec⁡2(x)) dxdu = \left(\sec(x)\tan(x)+\sec^2(x)\right) \ dx 이다. 이 변수 변환으로 피적분함수의 기본 구조가 단순해지며 다음과 같이 적분할 수 있다. ∫sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x) dx=∫1u du=ln⁡(∣u∣)+C=ln⁡(∣sec⁡(x)+tan⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} \, dx &= \int \frac{1}{u} \ du \\ &= \ln(|u|) + C \\ &= \ln\left(|\sec(x) + \tan(x)|\right) + C\end{aligned}\,. (d) sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x)\frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} 의 분자에서 공통인수 sec⁡(x)\sec(x) 를 묶어 내면 sec⁡(x)(sec⁡(x)+tan⁡(x))\sec(x)\left(\sec(x) + \tan(x)\right) 로 고쳐 쓸 수 있다. 그러면 피적분함수는 다음과 같이 간단해진다. sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x)=sec⁡(x)(sec⁡(x)+tan⁡(x))sec⁡(x)+tan⁡(x)=sec⁡(x) .\frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} = \frac{\sec(x)\left(\sec(x) + \tan(x)\right)}{\sec(x) + \tan(x)} = \sec(x)\,. (e) (c)와 (d)의 결과로부터 다음을 얻는다. ∫sec⁡(x) dx=∫sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x) dx=ln⁡(∣sec⁡(x)+tan⁡(x)∣)+C .\int \sec(x) \, dx = \int \frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} \, dx = \ln\left(|\sec(x) + \tan(x)|\right) + C\,. (f) (c)~(e)와 같은 방법으로 intcsc⁡(x) dxint \csc(x) \, dx 를 다음과 같이 구할 수 있다. 먼저 csc⁡(x)\csc(x) 에 1=csc⁡(x)+cot⁡(x)csc⁡(x)+cot⁡(x)1 = \frac{\csc(x) + \cot(x)}{\csc(x) + \cot(x)} 을 곱하여 고쳐 쓰면 ∫csc⁡(x) dx=∫csc⁡(x)(csc⁡(x)+cot⁡(x))csc⁡(x)+cot⁡(x) dx=∫csc⁡2(x)+csc⁡(x)cot⁡(x)csc⁡(x)+cot⁡(x) dx \int \csc(x) \, dx = \int \frac{\csc(x)\left(\csc(x) + \cot(x)\right)}{\csc(x) + \cot(x)} \, dx = \int \frac{\csc^2(x) + \csc(x) \cot(x)}{\csc(x) + \cot(x)} \, dx\, 이다. 이제 위 식의 마지막 적분을 치환 u=csc⁡(x)+cot⁡(x)u = \csc(x) + \cot(x) 로 계산한다. 그러면 du=−(csc⁡(x)cot⁡(x)+csc⁡2(x)) dxdu = -\left(\csc(x)\cot(x)+\csc^2(x)\right) \ dx 이다. 이 변수 변환으로 적분을 다음과 같이 계산할 수 있는 꼴로 바꿀 수 있다. ∫csc⁡2(x)+csc⁡(x)cot⁡(x)csc⁡(x)+cot⁡(x) dx=−∫1u dx=−ln⁡(∣u∣)+C=−ln⁡(∣csc⁡(x)+cot⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \frac{\csc^2(x) + \csc(x) \cot(x)}{\csc(x) + \cot(x)} \, dx &= - \int \frac{1}{u} \ dx \\ &= -\ln(|u|) + C \\ &= -\ln\left(|\csc(x) + \cot(x)|\right) + C\end{aligned}\,. 지금까지 구한 등식들을 이어 보면 다음이 성립함을 보인 것이다. ∫csc⁡(x) dx=−ln⁡(∣csc⁡(x)+cot⁡(x)∣)+C .\int \csc(x) \, dx = -\ln\left(|\csc(x) + \cot(x)|\right) + C\,.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We let u=cos⁡(x)u = \cos(x), so du=−sin⁡(x) dxdu = -\sin(x) \ dx. This change of variable transforms the integral into one we can integrate as follows: ∫tan⁡(x) dx=∫sin⁡(x)cos⁡(x) dx=−∫1u du=−ln⁡(∣u∣)+C=−ln⁡(∣cos⁡(x)∣+C=ln⁡(∣cos⁡(x)∣−1)+C=ln⁡(∣sec⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \tan(x) \, dx &= \int \frac{\sin(x)}{\cos(x)} \ dx \\ &= -\int \frac{1}{u} \ du \\ &= -\ln(|u|) + C \\ &= -\ln(|\cos(x)| + C \\ &= \ln\left(|\cos(x)|^{-1}\right) + C \\ &= \ln\left(|\sec(x)|\right) + C\end{aligned}\,. Note that we used the property of the logarithm that pln⁡(z)=ln⁡(zp)p \ln (z) = \ln(z^p) as well as the fact that 1cos⁡(x)=sec⁡(x)\frac{1}{\cos(x)} = \sec(x) in order to simplify the result. (b) We let u=sin⁡(x)u = \sin(x), so du=cos⁡(x) dxdu = \cos(x) \ dx. This change of variable transforms the integral into one we can integrate as follows: ∫cot⁡(x) dx=∫cos⁡(x)sin⁡(x) dx=∫1u du=ln⁡(∣u∣)+C=ln⁡(∣sin⁡(x)∣+C=−ln⁡(∣sin⁡(x)∣−1)+C=−ln⁡(∣csc⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \cot(x) \, dx &= \int \frac{\cos(x)}{\sin(x)} \ dx \\ &= \int \frac{1}{u} \ du \\ &= \ln(|u|) + C \\ &= \ln(|\sin(x)| + C \\ &= -\ln\left(|\sin(x)|^{-1}\right) + C \\ &= -\ln\left(|\csc(x)|\right) + C\end{aligned}\,. Note that here we used the fact that ln⁡(z)=(−1)(−1)ln⁡(z)=(−1)ln⁡(z−1)\ln(z) = (-1)(-1)\ln(z) = (-1) \ln(z^{-1}) in order to simplify the result. (c) We let u=sec⁡(x)+tan⁡(x)u = \sec(x) + \tan(x), so it follows that du=(sec⁡(x)tan⁡(x)+sec⁡2(x)) dxdu = \left(\sec(x)\tan(x)+\sec^2(x)\right) \ dx. This change of variable shows that the basic structure of the integrand is simple and can be integrated as follows: ∫sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x) dx=∫1u du=ln⁡(∣u∣)+C=ln⁡(∣sec⁡(x)+tan⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} \, dx &= \int \frac{1}{u} \ du \\ &= \ln(|u|) + C \\ &= \ln\left(|\sec(x) + \tan(x)|\right) + C\end{aligned}\,. (d) The numerator of sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x)\frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} can be rewritten by removing the common factor of sec⁡(x)\sec(x) to obtain sec⁡(x)(sec⁡(x)+tan⁡(x)) .\sec(x)\left(\sec(x) + \tan(x)\right)\,. The integrand can then be simplified to sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x)=sec⁡(x)(sec⁡(x)+tan⁡(x))sec⁡(x)+tan⁡(x)=sec⁡(x) .\frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} = \frac{\sec(x)\left(\sec(x) + \tan(x)\right)}{\sec(x) + \tan(x)} = \sec(x)\,. (e) Using the results of (c) and (d), we see that ∫sec⁡(x) dx=∫sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x) dx=ln⁡(∣sec⁡(x)+tan⁡(x)∣)+C .\int \sec(x) \, dx = \int \frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} \, dx = \ln\left(|\sec(x) + \tan(x)|\right) + C\,. (f) Following (c)-(e) we can evaluate intcsc⁡(x) dxint \csc(x) \, dx as follows. First, rewrite csc⁡(x)\csc(x) by multiplying by 1=csc⁡(x)+cot⁡(x)csc⁡(x)+cot⁡(x)1 = \frac{\csc(x) + \cot(x)}{\csc(x) + \cot(x)}, so that ∫csc⁡(x) dx=∫csc⁡(x)(csc⁡(x)+cot⁡(x))csc⁡(x)+cot⁡(x) dx=∫csc⁡2(x)+csc⁡(x)cot⁡(x)csc⁡(x)+cot⁡(x) dx .\int \csc(x) \, dx = \int \frac{\csc(x)\left(\csc(x) + \cot(x)\right)}{\csc(x) + \cot(x)} \, dx = \int \frac{\csc^2(x) + \csc(x) \cot(x)}{\csc(x) + \cot(x)} \, dx\,. Now we evaluate the last integral in the preceding equation with the substitution u=csc⁡(x)+cot⁡(x)u = \csc(x) + \cot(x). Then du=−(csc⁡(x)cot⁡(x)+csc⁡2(x)) dxdu = -\left(\csc(x)\cot(x)+\csc^2(x)\right) \ dx. This change of variable transforms the integral so that we can integrate: ∫csc⁡2(x)+csc⁡(x)cot⁡(x)csc⁡(x)+cot⁡(x) dx=−∫1u dx=−ln⁡(∣u∣)+C=−ln⁡(∣csc⁡(x)+cot⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \frac{\csc^2(x) + \csc(x) \cot(x)}{\csc(x) + \cot(x)} \, dx &= - \int \frac{1}{u} \ dx \\ &= -\ln(|u|) + C \\ &= -\ln\left(|\csc(x) + \cot(x)|\right) + C\end{aligned}\,. Connecting the equalities we have established in our work, we have shown that ∫csc⁡(x) dx=−ln⁡(∣csc⁡(x)+cot⁡(x)∣)+C .\int \csc(x) \, dx = -\ln\left(|\csc(x) + \cot(x)|\right) + C\,.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.5절 · 18번
# 치환적분법계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
474.Active Calculus · 5.3절 · 12번우리말 번역

부정적분 ∫xx−1 dx\int x \sqrt{x-1} \, dx 를 생각하세요.

(a) 얼핏 보면 피적분함수에 xx 가 서로 다른 곳에 들어 있어서 이 피적분함수는 치환에 적합하지 않아 보일 수 있습니다. 그럼에도 합성함수 x−1\sqrt{x-1} 을 길잡이로 삼아 u=x−1u = x-1 로 놓으세요. xx 와 dxdx 를 각각 uu 에 관한 식으로 나타내세요. (b) 주어진 xx 에 관한 적분을 uu 에 관한 새로운 적분으로 바꾸세요. (c) u=u1/2\sqrt{u} = u^{1/2} 임에 주목하고, 이제 곱셈을 전개하여 uu 에 관한 피적분함수를 다시 쓸 수 있음을 이용하여 (b)의 적분을 계산하세요. (d) 두 적분 ∫x2x−1 dx\int x^2 \sqrt{x-1} \, dx 와 ∫xx2−1 dx\int x \sqrt{x^2 - 1} \, dx 를 각각 계산하세요. 이 문제의 세 부정적분 사이의 공통점과, 각각에서 치환과 식의 대수적 변형이 하는 역할을 한 문단으로 쓰세요.

영어 원문 보기

Consider the indefinite integral ∫xx−1 dx\int x \sqrt{x-1} \, dx.

(a) At first glance, this integrand may not seem suited to substitution due to the presence of xx in separate locations in the integrand. Nonetheless, using the composite function x−1\sqrt{x-1} as a guide, let u=x−1u = x-1. Determine expressions for both xx and dxdx in terms of uu. (b) Convert the given integral in xx to a new integral in uu. (c) Evaluate the integral in (b) by noting that u=u1/2\sqrt{u} = u^{1/2} and observing that it is now possible to rewrite the integrand in uu by expanding through multiplication. (d) Evaluate each of the integrals ∫x2x−1 dx\int x^2 \sqrt{x-1} \, dx and ∫xx2−1 dx\int x \sqrt{x^2 - 1} \, dx. Write a paragraph to discuss the similarities among the three indefinite integrals in this problem and the role of substitution and algebraic rearrangement in each.

정답·풀이 보기

(a) u=x−1u = x-1 로 놓으면 x=u+1x = u+1 이고 따라서 dx=dudx = du 이다. (b) (a)의 변수변환을 이용하면 ∫xx−1 dx=∫(u+1)u du .\int x \sqrt{x-1} \, dx = \int (u+1) \sqrt{u} \, du\,. (c) u=u1/2\sqrt{u} = u^{1/2} 임을 이용하여 전개하면 적분을 다음과 같이 계산할 수 있다. ∫xx−1 dx=∫(u+1)u1/2 du=∫(u3/2+u1/2) du=25u5/2+23u3/2+C=25(x−1)5/2+23(x−1)3/2+C .\begin{aligned}\int x \sqrt{x-1} \, dx &= \int (u+1) u^{1/2} \, du \\ &= \int \left(u^{3/2} + u^{1/2} \right) \, du \\ &= \frac{2}{5} u^{5/2} + \frac{2}{3} u^{3/2} + C \\ &= \frac{2}{5} (x-1)^{5/2} + \frac{2}{3} (x-1)^{3/2} + C\end{aligned}\,. (d) 먼저 ∫x2x−1 dx\int x^2 \sqrt{x-1} \, dx 에서 u=x−1u = x-1 로 놓으면 x=u+1x = u+1 이고 dx=dudx = du 이다. 이후의 과정은 (b)에서 한 것과 매우 비슷하다. ∫x2x−1 dx=∫(u+1)2u1/2 du=∫(u2+2u+1)u1/2 du=∫(u5/2+2u3/2+u1/2) du=27u7/2+45u5/2+23u3/2+C=27(x−1)7/2+45(x−1)5/2+23(x−1)3/2+C .\begin{aligned}\int x^2 \sqrt{x-1} \, dx &= \int (u+1)^2 u^{1/2} \, du \\ &= \int \left(u^2 + 2u + 1 \right) u^{1/2} \, du \\ &= \int \left(u^{5/2} + 2u^{3/2} + u^{1/2} \right) \, du \\ &= \frac{2}{7} u^{7/2} + \frac{4}{5} u^{5/2} + \frac{2}{3} u^{3/2} + C \\ &= \frac{2}{7} (x-1)^{7/2} + \frac{4}{5} (x-1)^{5/2} + \frac{2}{3} (x-1)^{3/2} + C\end{aligned}\,. ∫xx2−1 dx\int x \sqrt{x^2 - 1} \, dx 는 겉보기에는 매우 비슷해 보이지만 상황이 전혀 다르다. u=x2−1u = x^2 - 1 로 놓으면 du=2x dxdu = 2x \, dx 이므로, 함수와 그 도함수의 쌍이 나타나는 표준적인 꼴이 된다. x dx=12 dux \, dx = \frac{1}{2} \, du 임에 주목하면 ∫xx2−1 dx=∫u⋅12 du=12⋅23u3/2+C=13u3/2+C=13(x2−1)3/2+C .\begin{aligned}\int x \sqrt{x^2 - 1} \, dx &= \int \sqrt{u} \cdot \frac{1}{2} \, du \\ &= \frac{1}{2} \cdot \frac{2}{3}u^{3/2} + C \\ &= \frac{1}{3} u^{3/2} + C \\ &= \frac{1}{3} (x^2-1)^{3/2} + C\end{aligned}\,. 제곱근 안에 (x−a)(x-a) 가 있고 제곱근 밖에 다항식이 있는 경우에는, 치환 u=x−au = x-a 를 이용하여 근호의 모양을 x−a\sqrt{x-a} 에서 u\sqrt{u} 로 바꿈으로써 피적분함수를 적분할 수 있는 식으로 바꿀 수 있다. 그다음 식을 전개하면 본질적으로 uu 의 (분수) 거듭제곱들의 합인 식을 적분하게 된다. 반면 제곱근 안에 11 보다 높은 차수의 다항식(예: x2−1x^2 - 1)이 있는 경우에는, 마지막 예에서처럼 그 다항식의 도함수(상수배는 무관)가 제곱근 밖에 있어야 적분할 수 있으므로, 그러한 행운이 따라 주어야 할 가능성이 크다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Letting u=x−1u = x-1, we find that x=u+1x = u+1 and thus dx=dudx = du. (b) Using the change of variables in (a), ∫xx−1 dx=∫(u+1)u du .\int x \sqrt{x-1} \, dx = \int (u+1) \sqrt{u} \, du\,. (c) Using the fact that u=u1/2\sqrt{u} = u^{1/2} and distributing, we can evaluate the integral as follows: ∫xx−1 dx=∫(u+1)u1/2 du=∫(u3/2+u1/2) du=25u5/2+23u3/2+C=25(x−1)5/2+23(x−1)3/2+C .\begin{aligned}\int x \sqrt{x-1} \, dx &= \int (u+1) u^{1/2} \, du \\ &= \int \left(u^{3/2} + u^{1/2} \right) \, du \\ &= \frac{2}{5} u^{5/2} + \frac{2}{3} u^{3/2} + C \\ &= \frac{2}{5} (x-1)^{5/2} + \frac{2}{3} (x-1)^{3/2} + C\end{aligned}\,. (d) First, for ∫x2x−1 dx\int x^2 \sqrt{x-1} \, dx, we let u=x−1u = x-1 so that x=u+1x = u+1 and dx=dudx = du. From there, our work is very similar to what we did in (b): ∫x2x−1 dx=∫(u+1)2u1/2 du=∫(u2+2u+1)u1/2 du=∫(u5/2+2u3/2+u1/2) du=27u7/2+45u5/2+23u3/2+C=27(x−1)7/2+45(x−1)5/2+23(x−1)3/2+C .\begin{aligned}\int x^2 \sqrt{x-1} \, dx &= \int (u+1)^2 u^{1/2} \, du \\ &= \int \left(u^2 + 2u + 1 \right) u^{1/2} \, du \\ &= \int \left(u^{5/2} + 2u^{3/2} + u^{1/2} \right) \, du \\ &= \frac{2}{7} u^{7/2} + \frac{4}{5} u^{5/2} + \frac{2}{3} u^{3/2} + C \\ &= \frac{2}{7} (x-1)^{7/2} + \frac{4}{5} (x-1)^{5/2} + \frac{2}{3} (x-1)^{3/2} + C\end{aligned}\,. For ∫xx2−1 dx\int x \sqrt{x^2 - 1} \, dx, despite the fact that the integral looks remarkably similar, the situation is quite different. We observe that with u=x2−1u = x^2 - 1, it follows du=2x dxdu = 2x \, dx, so we have a standard function-derivative pair. Noting that x dx=12 dux \, dx = \frac{1}{2} \, du, it follows that ∫xx2−1 dx=∫u⋅12 du=12⋅23u3/2+C=13u3/2+C=13(x2−1)3/2+C .\begin{aligned}\int x \sqrt{x^2 - 1} \, dx &= \int \sqrt{u} \cdot \frac{1}{2} \, du \\ &= \frac{1}{2} \cdot \frac{2}{3}u^{3/2} + C \\ &= \frac{1}{3} u^{3/2} + C \\ &= \frac{1}{3} (x^2-1)^{3/2} + C\end{aligned}\,. In the situation where we have (x−a)(x-a) under a square root and a polynomial outside the square root, the substitution u=x−au = x-a will allow us to convert the integrand into an expression we can integrate by changing the form of the radical from x−a\sqrt{x-a} to u\sqrt{u}. From there we are able to distribute and integrate an expression that is essentially a sum of (fractional) powers of uu. In the situation where a polynomial of degree higher than 11 (such as x2−1x^2 - 1) is under the radical, we likely have to be fortunate enough to have the derivative of said polynomial (up to a constant) outside the radical in order to be able to integrate, as we were in the last example.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 5.3절 · 13번
# 치환적분법계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
475.Active Calculus · 5.3절 · 13번우리말 번역

부정적분 ∫sin⁡3(x) dx\int \sin^3(x) \, dx 를 생각하세요.

(a) 치환 u=sin⁡(x)u = \sin(x) 가 주어진 적분의 값을 구하는 데 도움이 되지 않는 이유를 설명하세요. (b) 기본 삼각함수 항등식 sin⁡2(x)+cos⁡2(x)=1\sin^2(x) + \cos^2(x) = 1 을 떠올려 보세요. sin⁡3(x)=sin⁡(x)⋅sin⁡2(x)\sin^3(x) = \sin(x) \cdot \sin^2(x) 임을 관찰하여, 기본 삼각함수 항등식을 이용해 피적분함수를 sin⁡(x)\sin(x) 와 또 다른 함수의 곱으로 다시 쓰세요. (c) 치환 u=cos⁡(x)u = \cos(x) 가 (b)의 적분의 값을 구하는 데 이제 가능한 방법이 되는 이유를 설명하세요. (d) (a)~(c)의 풀이 과정을 이용하여 부정적분 ∫sin⁡3(x) dx\int \sin^3(x) \, dx 의 값을 구하세요. (e) 비슷한 방법을 이용하여 ∫cos⁡3(x) dx\int \cos^3(x) \, dx 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the indefinite integral ∫sin⁡3(x) dx\int \sin^3(x) \, dx.

(a) Explain why the substitution u=sin⁡(x)u = \sin(x) will not work to help evaluate the given integral. (b) Recall the Fundamental Trigonometric Identity, which states that sin⁡2(x)+cos⁡2(x)=1\sin^2(x) + \cos^2(x) = 1. By observing that sin⁡3(x)=sin⁡(x)⋅sin⁡2(x)\sin^3(x) = \sin(x) \cdot \sin^2(x), use the Fundamental Trigonometric Identity to rewrite the integrand as the product of sin⁡(x)\sin(x) with another function. (c) Explain why the substitution u=cos⁡(x)u = \cos(x) now provides a possible way to evaluate the integral in (b). (d) Use your work in (a)-(c) to evaluate the indefinite integral ∫sin⁡3(x) dx\int \sin^3(x) \, dx. (e) Use a similar approach to evaluate ∫cos⁡3(x) dx\int \cos^3(x) \, dx.

정답·풀이 보기

(a) u=sin⁡(x)u = \sin(x) 라 하면 du=cos⁡(x) dxdu = \cos(x) \, dx 이다. 피적분함수에 코사인 함수가 없으므로, 적분을 값을 구할 수 있는 꼴로 바꾸는 데 필요한 함수와 그 도함수의 쌍이 존재하지 않는다. (b) 기본 삼각함수 항등식에서 sin⁡2(x)=1−cos⁡2(x)\sin^2(x) = 1-\cos^2(x) 이므로 sin⁡3(x)=sin⁡(x)⋅sin⁡2(x)=sin⁡(x)(1−cos⁡2(x)) .\sin^3(x) = \sin(x) \cdot \sin^2(x) = \sin(x) (1-\cos^2(x))\,. (c) (b)에서 ∫sin⁡3(x) dx=∫sin⁡(x)(1−cos⁡2(x)) dx\int \sin^3(x) \, dx = \int \sin(x) (1-\cos^2(x)) \, dx 이고, 이 적분에는 u=cos⁡(x)u = \cos(x), du=−sin⁡(x) dxdu = -\sin(x) \, dx 에 대응하는 함수와 그 도함수의 쌍이 있다. (d) 이 치환을 이용하여 얻은 적분의 값을 구하면 ∫sin⁡3(x) dx=∫sin⁡(x)(1−cos⁡2(x)) dx=∫(−1)(1−u2) du=∫(u2−1) du=13u3−u+C=13cos⁡3(x)−cos⁡(x)+C .\begin{aligned}\int \sin^3(x) \, dx &= \int \sin(x) (1-\cos^2(x)) \, dx \\ &= \int (-1)(1-u^2) \, du \\ &= \int (u^2-1) \, du \\ &= \frac{1}{3}u^3 - u + C \\ &= \frac{1}{3}\cos^3(x) - \cos(x) + C\end{aligned}\,. (e) cos⁡3(x)=cos⁡(x)⋅cos⁡2(x)=cos⁡(x)(1−sin⁡2(x))\cos^3(x) = \cos(x) \cdot \cos^2(x) = \cos(x) (1-\sin^2(x)) 이므로, u=sin⁡(x)u = \sin(x), 즉 du=cos⁡(x) dxdu = \cos(x) \, dx 로 놓으면 ∫cos⁡3(x) dx=∫cos⁡(x)(1−sin⁡2(x)) dx=∫(1−u2) du=u−13u3+C=sin⁡(x)−13sin⁡3(x)+C .\begin{aligned}\int \cos^3(x) \, dx &= \int \cos(x) (1-\sin^2(x)) \, dx \\ &= \int (1-u^2) \, du \\ &= u - \frac{1}{3}u^3 + C \\ &= \sin(x) - \frac{1}{3}\sin^3(x) + C\end{aligned}\,.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If we let u=sin⁡(x)u = \sin(x), then du=cos⁡(x) dxdu = \cos(x) \, dx. Since there is no cosine function present in the integrand, we don't have the needed function-derivative pair present in order to transform the integral into one we can evaluate. (b) Using the Fundamental Trigonometric Identity, we observe that sin⁡2(x)=1−cos⁡2(x)\sin^2(x) = 1-\cos^2(x), and thus sin⁡3(x)=sin⁡(x)⋅sin⁡2(x)=sin⁡(x)(1−cos⁡2(x)) .\sin^3(x) = \sin(x) \cdot \sin^2(x) = \sin(x) (1-\cos^2(x))\,. (c) By our work in (b), we see that ∫sin⁡3(x) dx=∫sin⁡(x)(1−cos⁡2(x)) dx\int \sin^3(x) \, dx = \int \sin(x) (1-\cos^2(x)) \, dx, and in this integral we have the function-derivative pair that corresponds to u=cos⁡(x)u = \cos(x) and du=−sin⁡(x) dxdu = -\sin(x) \, dx. (d) Using this substitution and evaluating the resulting integral, ∫sin⁡3(x) dx=∫sin⁡(x)(1−cos⁡2(x)) dx=∫(−1)(1−u2) du=∫(u2−1) du=13u3−u+C=13cos⁡3(x)−cos⁡(x)+C .\begin{aligned}\int \sin^3(x) \, dx &= \int \sin(x) (1-\cos^2(x)) \, dx \\ &= \int (-1)(1-u^2) \, du \\ &= \int (u^2-1) \, du \\ &= \frac{1}{3}u^3 - u + C \\ &= \frac{1}{3}\cos^3(x) - \cos(x) + C\end{aligned}\,. (e) Here we observe that cos⁡3(x)=cos⁡(x)⋅cos⁡2(x)=cos⁡(x)(1−sin⁡2(x))\cos^3(x) = \cos(x) \cdot \cos^2(x) = \cos(x) (1-\sin^2(x)), so letting u=sin⁡(x)u = \sin(x) and thus du=cos⁡(x) dxdu = \cos(x) \, dx, we have ∫cos⁡3(x) dx=∫cos⁡(x)(1−sin⁡2(x)) dx=∫(1−u2) du=u−13u3+C=sin⁡(x)−13sin⁡3(x)+C .\begin{aligned}\int \cos^3(x) \, dx &= \int \cos(x) (1-\sin^2(x)) \, dx \\ &= \int (1-u^2) \, du \\ &= u - \frac{1}{3}u^3 + C \\ &= \sin(x) - \frac{1}{3}\sin^3(x) + C\end{aligned}\,.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 5.3절 · 11번
# 치환적분법계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
476.Active Calculus · 5.4절 · 13번우리말 번역

f(t)=te−2tf(t) = te^{-2t} 이고 F(x)=∫0xf(t) dtF(x) = \int_0^x f(t) \, dt 라 하자.

(a) F′(x)F'(x) 를 구하세요. (b) 미적분의 기본정리 제1부를 이용하여 적분을 포함하지 않는 FF 의 식을 구하세요. (c) x>0x > 0 에서 FF 는 증가함수인가요, 감소함수인가요? 그 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Let f(t)=te−2tf(t) = te^{-2t} and F(x)=∫0xf(t) dtF(x) = \int_0^x f(t) \, dt.

(a) Determine F′(x)F'(x). (b) Use the First FTC to find a formula for FF that does not involve an integral. (c) Is FF an increasing or decreasing function for x>0x > 0? Why?

정답·풀이 보기

(a) 미적분의 기본정리 제2부에 의해 F′(x)=f(x)=xe−2xF'(x) = f(x) = xe^{-2x} 이다. (b) F(x)=∫0xte−2t dtF(x) = \int_0^x te^{-2t} \, dt 의 적분을 미적분의 기본정리 제1부로 계산하기 위해 부분적분을 이용한다. u=t, du=dtdv=e−2t dt, v=−12e−2t ,\begin{aligned}u &= t, \ du = dt \\ dv &= e^{-2t} \, dt, \ v = -\frac{1}{2}e^{-2t}\end{aligned}\,, 로 놓으면 ∫te−2t dt=−12te−2t−∫(−12e−2t) dt=−12te−2t−14e−2t \int te^{-2t} \, dt = -\frac{1}{2}te^{-2t} - \int \left( -\frac{1}{2}e^{-2t} \right) \, dt = -\frac{1}{2}te^{-2t} - \frac{1}{4}e^{-2t}\, 이다. 따라서 F(x)=∫0xte−2t dt=−12te−2t−14e−2t∣0x=−12xe−2x−14e−2x−(0−14e0)=−12xe−2x−14e−2x+14\begin{aligned}F(x) &= \int_0^x te^{-2t} \, dt \\ &= \left. -\frac{1}{2}te^{-2t} - \frac{1}{4}e^{-2t} \right|_{0}^{x} \\ &= -\frac{1}{2}xe^{-2x} - \frac{1}{4}e^{-2x} - \left( 0 - \frac{1}{4}e^{0} \right) \\ &= -\frac{1}{2}xe^{-2x} - \frac{1}{4}e^{-2x} + \frac{1}{4}\end{aligned} (c) x>0x > 0 일 때, ee 의 거듭제곱은 항상 양수이므로 F′(x)=f(x)=xe−2x>0F'(x) = f(x) = xe^{-2x} > 0 임을 알 수 있다. 따라서 F′(x)>0F'(x) > 0 이므로 FF 는 모든 x>0x > 0 에서 증가한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) By the Second Fundamental Theorem of Calculus, F′(x)=f(x)=xe−2xF'(x) = f(x) = xe^{-2x}. (b) To use the First Fundamental Theorem of Calculus to evaluate the integral in F(x)=∫0xte−2t dtF(x) = \int_0^x te^{-2t} \, dt, we use integration by parts. Letting u=t, du=dtdv=e−2t dt, v=−12e−2t ,\begin{aligned}u &= t, \ du = dt \\ dv &= e^{-2t} \, dt, \ v = -\frac{1}{2}e^{-2t}\end{aligned}\,, it follows that ∫te−2t dt=−12te−2t−∫(−12e−2t) dt=−12te−2t−14e−2t .\int te^{-2t} \, dt = -\frac{1}{2}te^{-2t} - \int \left( -\frac{1}{2}e^{-2t} \right) \, dt = -\frac{1}{2}te^{-2t} - \frac{1}{4}e^{-2t}\,. Thus, F(x)=∫0xte−2t dt=−12te−2t−14e−2t∣0x=−12xe−2x−14e−2x−(0−14e0)=−12xe−2x−14e−2x+14\begin{aligned}F(x) &= \int_0^x te^{-2t} \, dt \\ &= \left. -\frac{1}{2}te^{-2t} - \frac{1}{4}e^{-2t} \right|_{0}^{x} \\ &= -\frac{1}{2}xe^{-2x} - \frac{1}{4}e^{-2x} - \left( 0 - \frac{1}{4}e^{0} \right) \\ &= -\frac{1}{2}xe^{-2x} - \frac{1}{4}e^{-2x} + \frac{1}{4}\end{aligned} (c) For x>0x > 0, we observe that F′(x)=f(x)=xe−2x>0F'(x) = f(x) = xe^{-2x} > 0 since ee to any power is positive. Thus, because F′(x)>0F'(x) > 0, it follows that FF is increasing for all x>0x > 0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.7절 · 28번
# 부분적분법계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
477.Active Calculus · 5.4절 · 14번우리말 번역

∫e2xcos⁡(ex) dx\int e^{2x} \cos(e^x) \, dx 로 주어진 부정적분을 생각하세요.

(a) e2x=ex⋅exe^{2x} = e^x \cdot e^x 임에 주목하여, 치환 z=exz = e^{x} 을 이용해 변수 zz 에 대한, 원래 적분과 같은 새로운 적분을 구하세요. (b) (a)에서 구한 적분의 값을 적절한 방법으로 구하세요. (c) ∫e2xcos⁡(e2x) dx\int e^{2x} \cos(e^{2x}) \, dx 의 값을 구하는 문제는 (a)의 적분의 값을 구하는 문제와 어떻게 다른가요? 이 적분의 값을 구하세요. (d) 이 문제에서 앞서 사용한 방법을 염두에 두고, 다음 적분들의 값도 각각 구하세요:

  • ∫e2xsin⁡(ex) dx\int e^{2x} \sin(e^x) \, dx
  • ∫e3xsin⁡(e3x) dx\int e^{3x} \sin(e^{3x}) \, dx
  • ∫xex2cos⁡(ex2)sin⁡(ex2) dx\int xe^{x^2} \cos(e^{x^2}) \sin(e^{x^2}) \, dx
영어 원문 보기

Consider the indefinite integral given by ∫e2xcos⁡(ex) dx\int e^{2x} \cos(e^x) \, dx.

(a) Noting that e2x=ex⋅exe^{2x} = e^x \cdot e^x, use the substitution z=exz = e^{x} to determine a new, equivalent integral in the variable zz. (b) Evaluate the integral you found in (a) using an appropriate technique. (c) How is the problem of evaluating ∫e2xcos⁡(e2x) dx\int e^{2x} \cos(e^{2x}) \, dx different from evaluating the integral in (a)? Do so. (d) Evaluate each of the following integrals as well, keeping in mind the approach(es) used earlier in this problem:

  • ∫e2xsin⁡(ex) dx\int e^{2x} \sin(e^x) \, dx
  • ∫e3xsin⁡(e3x) dx\int e^{3x} \sin(e^{3x}) \, dx
  • ∫xex2cos⁡(ex2)sin⁡(ex2) dx\int xe^{x^2} \cos(e^{x^2}) \sin(e^{x^2}) \, dx
정답·풀이 보기

(a) 먼저 다음과 같이 쓴다. ∫e2xcos⁡(ex) dx=∫ex⋅excos⁡(ex) dx .\int e^{2x} \cos(e^x) \, dx = \int e^x \cdot e^x \cos(e^x) \, dx\,. z=exz = e^x 으로 놓으면 dz=ex dxdz = e^x \, dx 이므로 ∫e2xcos⁡(ex) dx=∫zcos⁡(z) dz .\int e^{2x} \cos(e^x) \, dx = \int z \cos(z) \, dz\,. (b) 적분 ∫zcos⁡(z) dz\int z \cos(z) \, dz 는 u=zu = z, dv=cos⁡(z) dzdv = \cos(z) \, dz 로 놓고 일반적인 방법으로 부분적분하여 구할 수 있다. 이렇게 하면 ∫zcos⁡(z) dz=zsin⁡(z)−∫sin⁡(z) dz=zsin⁡(z)+cos⁡(z)+C .\int z \cos(z) \, dz = z \sin(z) - \int \sin(z) \, dz = z \sin(z) + \cos(z) + C\,. 처음에 zz 로 치환했던 것을 이용하여 원래의 xx 에 대한 적분으로 돌아가면 다음을 얻는다. ∫e2xcos⁡(ex) dx=exsin⁡(ex)+cos⁡(ex)+C .\int e^{2x} \cos(e^x) \, dx = e^x \sin(e^x) + \cos(e^x) + C\,. (c) 적분 ∫e2xcos⁡(e2x) dx\int e^{2x} \cos(e^{2x}) \, dx 에는 (상수배를 제외하면) 함수와 그 도함수의 쌍이 이미 들어 있다. u=e2xu = e^{2x} 으로 놓으면 du=2e2x dxdu = 2e^{2x} \, dx 이므로 이 치환을 이용하여 적분을 계산할 수 있다. 즉, ∫e2xcos⁡(e2x) dx=∫cos⁡(u)⋅12 du=12sin⁡(u)+C=12sin⁡(e2x)+C\begin{aligned}\int e^{2x} \cos(e^{2x}) \, dx &= \int \cos(u) \cdot \frac{1}{2} \, du \\ &= \frac{1}{2} \sin(u) + C \\ &= \frac{1}{2} \sin(e^{2x}) + C\end{aligned} (d) - 첫 번째 적분 ∫e2xsin⁡(ex) dx\int e^{2x} \sin(e^x) \, dx 에서는 exe^x 이 합성함수의 안쪽 함수이므로 z=exz = e^x 으로 놓는다. 그러면 dz=ex dxdz = e^x \, dx 이고, e2x=ex⋅exe^{2x} = e^x \cdot e^x 으로 쓴다. 따라서 ∫e2xsin⁡(ex) dx=∫ex⋅exsin⁡(ex) dx=∫zsin⁡(z) dz .\int e^{2x} \sin(e^x) \, dx = \int e^x \cdot e^x \sin(e^x) \, dx = \int z \sin(z) \, dz\,. u=zu = z, dv=sin⁡(z) dzdv = \sin(z) \, dz 로 놓고 일반적인 방법으로 부분적분하면 ∫zsin⁡(z) dz=sin⁡(z)−zcos⁡(z)+C\int z \sin(z) \, dz = \sin(z) - z\cos(z) + C 를 얻는다. zz 를 다시 xx 로 되돌리면 다음을 얻는다. ∫e2xsin⁡(ex) dx=sin⁡(ex)−zcos⁡(ex)+C .\int e^{2x} \sin(e^x) \, dx = \sin(e^x) - z\cos(e^x) + C\,.

  • 적분 ∫e3xsin⁡(e3x) dx\int e^{3x} \sin(e^{3x}) \, dx 는 u=e3xu = e^{3x} 과 du=3e3xdu = 3e^{3x} 이 함수와 도함수의 쌍을 이루므로 uu-치환으로 계산할 수 있다. 따라서 ∫e3xsin⁡(e3x) dx=∫sin⁡(u)⋅13 du=−13cos⁡(u)+C=−13cos⁡(e3x)+C .\int e^{3x} \sin(e^{3x}) \, dx = \int \sin(u) \cdot \frac{1}{3} \, du = -\frac{1}{3} \cos(u) + C = -\frac{1}{3} \cos(e^{3x}) + C\,.
  • 마지막 적분 ∫xex2cos⁡(ex2)sin⁡(ex2) dx\int xe^{x^2} \cos(e^{x^2}) \sin(e^{x^2}) \, dx 에서는 먼저 합성함수의 미분법에 의해 ddx[ex2]=2xex2\frac{d}{dx}\left[e^{x^2}\right] = 2xe^{x^2} 임을 알 수 있고, 이는 함수와 도함수의 쌍이 있음을 보여 준다. 치환 z=ex2z = e^{x^2} 을 이용하면 dz=2xex2 dxdz = 2xe^{x^2} \, dx 이므로 ∫xex2cos⁡(ex2)sin⁡(ex2) dx=∫cos⁡(z)sin⁡(z)⋅12 dz .\int xe^{x^2} \cos(e^{x^2}) \sin(e^{x^2}) \, dx = \int \cos(z) \sin(z) \cdot \frac{1}{2} \, dz\,. zz 에 대한 이 새로운 적분은 u=sin⁡(z)u = \sin(z), du=cos⁡(z) dzdu = \cos(z) \, dz 로 하는 uu-치환을 비롯하여 여러 가지 방법으로 계산할 수 있다. 이렇게 하면 ∫cos⁡(z)sin⁡(z)⋅12 dz=12∫u du=12⋅12u2+C=14sin⁡2(z)+C .\int \cos(z) \sin(z) \cdot \frac{1}{2} \, dz = \frac{1}{2} \int u \, du = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2} u^2 + C = \frac{1}{4} \sin^2(z) + C\,. 원래의 xx 에 대한 적분과 앞의 계산으로 돌아가 거꾸로 치환하면 다음을 얻는다. ∫xex2cos⁡(ex2)sin⁡(ex2) dx=14sin⁡2(ex2)+C .\int xe^{x^2} \cos(e^{x^2}) \sin(e^{x^2}) \, dx = \frac{1}{4} \sin^2(e^{x^2}) + C\,.
원본 교재 풀이(영어)

(a) We first write ∫e2xcos⁡(ex) dx=∫ex⋅excos⁡(ex) dx .\int e^{2x} \cos(e^x) \, dx = \int e^x \cdot e^x \cos(e^x) \, dx\,. Letting z=exz = e^x, we have dz=ex dxdz = e^x \, dx, and thus ∫e2xcos⁡(ex) dx=∫zcos⁡(z) dz .\int e^{2x} \cos(e^x) \, dx = \int z \cos(z) \, dz\,. (b) We can evaluate the integral ∫zcos⁡(z) dz\int z \cos(z) \, dz using integration by parts in the standard way with u=zu = z and dv=cos⁡(z) dzdv = \cos(z) \, dz. Doing so, ∫zcos⁡(z) dz=zsin⁡(z)−∫sin⁡(z) dz=zsin⁡(z)+cos⁡(z)+C .\int z \cos(z) \, dz = z \sin(z) - \int \sin(z) \, dz = z \sin(z) + \cos(z) + C\,. Returning to the original integral in xx and using the substitution we first used with zz, we have shown that ∫e2xcos⁡(ex) dx=exsin⁡(ex)+cos⁡(ex)+C .\int e^{2x} \cos(e^x) \, dx = e^x \sin(e^x) + \cos(e^x) + C\,. (c) For the integral ∫e2xcos⁡(e2x) dx\int e^{2x} \cos(e^{2x}) \, dx, we actually have a function-derivative pair (up to a constant multiple) already present: letting u=e2xu = e^{2x}, du=2e2x dxdu = 2e^{2x} \, dx, and thus we can evaluate the integral using this substitution. In particular, ∫e2xcos⁡(e2x) dx=∫cos⁡(u)⋅12 du=12sin⁡(u)+C=12sin⁡(e2x)+C\begin{aligned}\int e^{2x} \cos(e^{2x}) \, dx &= \int \cos(u) \cdot \frac{1}{2} \, du \\ &= \frac{1}{2} \sin(u) + C \\ &= \frac{1}{2} \sin(e^{2x}) + C\end{aligned} (d) - For the first integral, ∫e2xsin⁡(ex) dx\int e^{2x} \sin(e^x) \, dx, since exe^x is the inside function in the composition, we let z=exz = e^x, so dz=ex dxdz = e^x \, dx, and write e2x=ex⋅exe^{2x} = e^x \cdot e^x. Hence, ∫e2xsin⁡(ex) dx=∫ex⋅exsin⁡(ex) dx=∫zsin⁡(z) dz .\int e^{2x} \sin(e^x) \, dx = \int e^x \cdot e^x \sin(e^x) \, dx = \int z \sin(z) \, dz\,. Using the standard integration by parts with u=zu = z and dv=sin⁡(z) dzdv = \sin(z) \, dz, we find ∫zsin⁡(z) dz=sin⁡(z)−zcos⁡(z)+C .\int z \sin(z) \, dz = \sin(z) - z\cos(z) + C\,. Re-substituting from zz back to xx, we've found that ∫e2xsin⁡(ex) dx=sin⁡(ex)−zcos⁡(ex)+C .\int e^{2x} \sin(e^x) \, dx = \sin(e^x) - z\cos(e^x) + C\,.

  • The integral ∫e3xsin⁡(e3x) dx\int e^{3x} \sin(e^{3x}) \, dx can be evaluated using a uu-substitution since u=e3xu = e^{3x} is present to form a function-derivative pair with du=3e3xdu = 3e^{3x}. It follows that ∫e3xsin⁡(e3x) dx=∫sin⁡(u)⋅13 du=−13cos⁡(u)+C=−13cos⁡(e3x)+C .\int e^{3x} \sin(e^{3x}) \, dx = \int \sin(u) \cdot \frac{1}{3} \, du = -\frac{1}{3} \cos(u) + C = -\frac{1}{3} \cos(e^{3x}) + C\,.
  • For the final integral, ∫xex2cos⁡(ex2)sin⁡(ex2) dx\int xe^{x^2} \cos(e^{x^2}) \sin(e^{x^2}) \, dx, we first observe by the chain rule that ddx[ex2]=2xex2\frac{d}{dx}\left[e^{x^2}\right] = 2xe^{x^2}, which shows that we have a function-derivative pair present. Using the substitution z=ex2z = e^{x^2}, it follows dz=2xex2 dxdz = 2xe^{x^2} \, dx, and therefore ∫xex2cos⁡(ex2)sin⁡(ex2) dx=∫cos⁡(z)sin⁡(z)⋅12 dz .\int xe^{x^2} \cos(e^{x^2}) \sin(e^{x^2}) \, dx = \int \cos(z) \sin(z) \cdot \frac{1}{2} \, dz\,. The new integral in zz can be evaluated using several different approaches, including uu-substitution with u=sin⁡(z)u = \sin(z), du=cos⁡(z) dzdu = \cos(z) \, dz. Doing so, ∫cos⁡(z)sin⁡(z)⋅12 dz=12∫u du=12⋅12u2+C=14sin⁡2(z)+C .\int \cos(z) \sin(z) \cdot \frac{1}{2} \, dz = \frac{1}{2} \int u \, du = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2} u^2 + C = \frac{1}{4} \sin^2(z) + C\,. Returning to the original integral in xx and our earlier work, substituting backward we find that ∫xex2cos⁡(ex2)sin⁡(ex2) dx=14sin⁡2(ex2)+C .\int xe^{x^2} \cos(e^{x^2}) \sin(e^{x^2}) \, dx = \frac{1}{4} \sin^2(e^{x^2}) + C\,.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.7절 · 16번
# 부분적분법계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
478.Active Calculus · 5.4절 · 15번우리말 번역

다음 각 부정적분에 대하여, 적분값을 구할 때 uu-치환을 쓸지, 부분적분을 쓸지, 둘 다 쓰지 않을지*, 아니면 둘 다 쓸지 판단하세요. 각 경우에 판단한 이유를 한 문장으로 설명하고, 사용한 치환이 있으면 그것도 밝히세요. (즉, 어떤 문제에서 u=e3xu = e^{3x} 로 놓기로 했다면, 그렇게 놓았다는 것과 du=3e3x dxdu = 3e^{3x} \, dx 임을 함께 써야 합니다.) 마지막으로, 선택한 방법으로 각 적분의 값을 구하세요. (* 다음 문제 중 하나는 초등함수로 나타낸 부정적분을 갖지 않으므로 실제로 적분값을 구할 필요가 없습니다. 이 문제는 주어진 선택지 중 "둘 다 쓰지 않는다"를 고르는 것에 해당합니다.)

(a) ∫x2cos⁡(x3) dx\displaystyle \int x^2 \cos(x^3) \, dx (b) ∫x5cos⁡(x3) dx\displaystyle \int x^5 \cos(x^3) \, dx (힌트: x5=x2⋅x3x^5 = x^2 \cdot x^3) (c) ∫xln⁡(x2) dx\displaystyle \int x\ln(x^2) \, dx (d) ∫sin⁡(x4) dx\displaystyle \int \sin(x^4) \, dx (e) ∫x3sin⁡(x4) dx\displaystyle \int x^3 \sin(x^4) \, dx (f) ∫x7sin⁡(x4) dx\displaystyle \int x^7 \sin(x^4) \, dx

영어 원문 보기

For each of the following indefinite integrals, determine whether you would use uu-substitution, integration by parts, neither*, or both to evaluate the integral. In each case, write one sentence to explain your reasoning, and include a statement of any substitutions used. (That is, if you decide in a problem to let u=e3xu = e^{3x}, you should state that, as well as that du=3e3x dxdu = 3e^{3x} \, dx.) Finally, use your chosen approach to evaluate each integral. (* one of the following problems does not have an elementary antiderivative and you are not expected to actually evaluate this integral; this will correspond with a choice of “neither” among those given.)

(a) ∫x2cos⁡(x3) dx\displaystyle \int x^2 \cos(x^3) \, dx (b) ∫x5cos⁡(x3) dx\displaystyle \int x^5 \cos(x^3) \, dx (Hint: x5=x2⋅x3x^5 = x^2 \cdot x^3) (c) ∫xln⁡(x2) dx\displaystyle \int x\ln(x^2) \, dx (d) ∫sin⁡(x4) dx\displaystyle \int \sin(x^4) \, dx (e) ∫x3sin⁡(x4) dx\displaystyle \int x^3 \sin(x^4) \, dx (f) ∫x7sin⁡(x4) dx\displaystyle \int x^7 \sin(x^4) \, dx

정답·풀이 보기

(a) u=x3u = x^3 으로 uu-치환을 사용한다. 피적분함수가 x3x^3 을 가장 안쪽 함수로 하는 합성함수를 포함하고, du=3x2 dxdu = 3x^2 \, dx 에 피적분함수에도 있는 인수 x2x^2 이 들어 있기 때문이다. 이렇게 치환하면 x2 dx=13 dux^2 \ dx = \frac{1}{3} \ du 이므로 적분은 다음과 같이 계산할 수 있다. ∫x2cos⁡(x3) dx=13∫cos⁡(u) du=13sin⁡(u)+C=13sin⁡(x3)+C .\begin{aligned}\int x^2 \cos(x^3) \ dx &= \frac{1}{3} \int \cos(u) \ du \\ &= \frac{1}{3} \sin(u) + C \\ &= \frac{1}{3} \sin(x^3) + C\end{aligned}\,. (b) 피적분함수에 합성함수가 있으므로 z=x3/z = x^3/ 으로 치환해 볼 수 있다. 이때 dz=3x2 dxdz = 3x^2 \, dx 이다. 이 치환을 하려면 피적분함수를 다음과 같이 고쳐 써야 한다. x5cos⁡(x3)=x3[x2cos⁡(x3)]x^5 \cos(x^3) = x^3 \left[x^2 \cos(x^3) \right] 그리고 x3=zx^3 = z 임에 주목한다. 그러면 ∫x5cos⁡(x3) dx=13∫zcos⁡(z) dz .\int x^5 \cos(x^3) \ dx = \frac{1}{3} \int z \cos(z) \ dz\,. 이 마지막 적분에 다음과 같이 놓고 부분적분을 시도해 볼 수 있다. u=z, du=dzdv=cos⁡(z) dz, v=sin⁡(z)\begin{aligned}u &= z, \ du = dz \\ dv & = \cos(z) \, dz, \ v = \sin(z)\end{aligned} 그러면 ∫x5cos⁡(x3) dx=13∫zcos⁡(z) dz=13(zsin⁡(z)−∫sin⁡(z) dz)=13(zsin⁡(z)+cos⁡(z))+C=13(x3sin⁡(x3)+cos⁡(x3))+C .\begin{aligned}\int x^5 \cos(x^3) \ dx &= \frac{1}{3} \int z \cos(z) \ dz \\ &= \frac{1}{3} \left(z\sin(z) - \int \sin(z) \ dz \right) \\ &= \frac{1}{3} \left(z\sin(z) + \cos(z) \right) + C \\ &= \frac{1}{3} \left(x^3\sin(x^3) + \cos(x^3) \right) + C\end{aligned}\,. (c) 로그함수는 미분하면 유리함수로 바뀌므로, u=ln⁡(x2)=2ln⁡(x)u = \ln(x^2) = 2\ln(x) 로 놓고 부분적분을 하면 나오는 적분의 값을 구하기가 더 쉬워진다. 그래서 다음과 같이 놓는다. u=ln⁡(x2), du=2x dxdv=x dx, v=x22\begin{aligned}u &= \ln(x^2), \ du = \frac{2}{x} \ dx \\ dv & = x \ dx , \ v = \frac{x^2}{2}\end{aligned} 그러면 부분적분에 의해 ∫xln(x2) dx=x22ln⁡(x2)−∫(2x)(x22) dx=x22ln⁡(x2)−∫x dx=x22ln⁡(x2)−x22+C .\begin{aligned}\int x ln(x^2) \ dx &= \frac{x^2}{2} \ln(x^2) - \int \left(\frac{2}{x}\right) \left(\frac{x^2}{2}\right) \ dx \\ &= \frac{x^2}{2} \ln(x^2) - \int x \ dx \\ &= \frac{x^2}{2} \ln(x^2) - \frac{x^2}{2} + C\end{aligned}\,. (d) u=x4u = x^4 으로 치환해 볼 수 있지만, 그러면 du=4x3 dxdu = 4x^3 \ dx 인데 피적분함수에는 x3x^3 인수가 없어서 이 치환을 완성할 수 없다. 부분적분을 시도하면 선택할 수 있는 것은 u=sin(x4)u = sin(x^4) 로 놓는 것뿐인데, 이때 du=4x3cos⁡(x4)du = 4x^3 \cos(x^4) 이 되어 적분이 더 복잡해질 뿐이다. 이것은 우리가 가진 도구로는 값을 구할 수 없는 적분이다. (e) u=x4u = x^4 으로 uu-치환을 시도한다. 피적분함수가 x4x^4 을 가장 안쪽 함수로 하는 합성함수를 포함하고, du=4x3 dxdu = 4x^3 \, dx 에 피적분함수에도 있는 인수 x3x^3 이 들어 있기 때문이다. 이렇게 치환하면 x3 dx=14 dux^3 \ dx = \frac{1}{4} \ du 이므로 적분은 다음과 같이 계산할 수 있다. ∫x3sin⁡(x4) dx=14∫sin⁡(u) du=−14cos⁡(u)+C=−14cos⁡(x4)+C .\begin{aligned}\int x^3 \sin(x^4) \ dx &= \frac{1}{4} \int \sin(u) \ du \\ &= -\frac{1}{4} \cos(u) + C \\ &= -\frac{1}{4} \cos(x^4) + C\end{aligned}\,. (f) 부분적분을 사용한다. 다음에 주목한다. ∫x7sin⁡(x4) dx=∫x4[x3sin⁡(x4)] dx\int x^7 \sin(x^4) \ dx = \int x^4 \left[x^3 \sin(x^4)\right] \ dx 미분할 수 있는 인수(x3x^3)와 ((e)에서 했던 것처럼) 적분할 수 있는 인수(x3sin⁡(x4)x^3 \sin(x^4))가 있다. 그래서 다음과 같이 놓는다. u=x3, du=3x2 dxdv=x3sin⁡(x4) dx, v=−14cos⁡(x4)\begin{aligned}u &= x^3, \ du = 3x^2 \ dx \\ dv & = x^3 \sin(x^4) \ dx , \ v = -\frac{1}{4} \cos(x^4)\end{aligned} 이제 부분적분 공식에 의해 ∫x7sin⁡(x4) dx=−14x4cos⁡(x4)+∫x3cos⁡(x4) dx .\int x^7 \sin(x^4) \ dx = -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \int x^3 \cos(x^4) \ dx\,. 이 마지막 적분은 본질적으로 dvdv 에서 vv 를 구하는 것과 같으므로, z=x4z = x^4, dz=4x3 dxdz = 4x^3 \ dx 로 치환한다. 마지막 적분에서 변수를 바꾸면 ∫x7sin⁡(x4) dx=−14x4cos⁡(x4)+∫x3cos⁡(x4) dx=−14x4cos⁡(x4)+14∫cos⁡(z) dz=−14x4cos⁡(x4)+14sin⁡(z)+C=−14x4cos⁡(x4)+14sin⁡(x4)+C .\begin{aligned}\int x^7 \sin(x^4) \ dx &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \int x^3 \cos(x^4) \ dx \\ &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \frac{1}{4} \int \cos(z) \ dz \\ &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \frac{1}{4} \sin(z) + C \\ &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \frac{1}{4} \sin(x^4) + C\end{aligned}\,.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We will use a uu-substitution with u=x3u = x^3 because the integrand involves a composite function with x3x^3 as the innermost function and because du=3x2 dxdu = 3x^2 \, dx involves the factor x2x^2 which is also present in the integrand. When we make this substitution we will have x2 dx=13 dux^2 \ dx = \frac{1}{3} \ du and the integral can be evaluated as follows: ∫x2cos⁡(x3) dx=13∫cos⁡(u) du=13sin⁡(u)+C=13sin⁡(x3)+C .\begin{aligned}\int x^2 \cos(x^3) \ dx &= \frac{1}{3} \int \cos(u) \ du \\ &= \frac{1}{3} \sin(u) + C \\ &= \frac{1}{3} \sin(x^3) + C\end{aligned}\,. (b) We might try substituting z=x3/z = x^3/, since there is a composite function in the integrand. In this case we have dz=3x2 dxdz = 3x^2 \, dx. To make this substitution we need to rewrite the integrand as x5cos⁡(x3)=x3[x2cos⁡(x3)]x^5 \cos(x^3) = x^3 \left[x^2 \cos(x^3) \right] and notice that x3=zx^3 = z. Then ∫x5cos⁡(x3) dx=13∫zcos⁡(z) dz .\int x^5 \cos(x^3) \ dx = \frac{1}{3} \int z \cos(z) \ dz\,. We can then try integration by parts on this last integral with u=z, du=dzdv=cos⁡(z) dz, v=sin⁡(z)\begin{aligned}u &= z, \ du = dz \\ dv & = \cos(z) \, dz, \ v = \sin(z)\end{aligned} We then have ∫x5cos⁡(x3) dx=13∫zcos⁡(z) dz=13(zsin⁡(z)−∫sin⁡(z) dz)=13(zsin⁡(z)+cos⁡(z))+C=13(x3sin⁡(x3)+cos⁡(x3))+C .\begin{aligned}\int x^5 \cos(x^3) \ dx &= \frac{1}{3} \int z \cos(z) \ dz \\ &= \frac{1}{3} \left(z\sin(z) - \int \sin(z) \ dz \right) \\ &= \frac{1}{3} \left(z\sin(z) + \cos(z) \right) + C \\ &= \frac{1}{3} \left(x^3\sin(x^3) + \cos(x^3) \right) + C\end{aligned}\,. (c) Since the logarithm function changes to a rational function when we differentiate it, using integration by parts with u=ln⁡(x2)=2ln⁡(x)u = \ln(x^2) = 2\ln(x) will make the resulting integral easier to evaluate. So we let u=ln⁡(x2), du=2x dxdv=x dx, v=x22\begin{aligned}u &= \ln(x^2), \ du = \frac{2}{x} \ dx \\ dv & = x \ dx , \ v = \frac{x^2}{2}\end{aligned} and then integration by parts yields ∫xln(x2) dx=x22ln⁡(x2)−∫(2x)(x22) dx=x22ln⁡(x2)−∫x dx=x22ln⁡(x2)−x22+C .\begin{aligned}\int x ln(x^2) \ dx &= \frac{x^2}{2} \ln(x^2) - \int \left(\frac{2}{x}\right) \left(\frac{x^2}{2}\right) \ dx \\ &= \frac{x^2}{2} \ln(x^2) - \int x \ dx \\ &= \frac{x^2}{2} \ln(x^2) - \frac{x^2}{2} + C\end{aligned}\,. (d) We might try a substitution with u=x4u = x^4, but then du=4x3 dxdu = 4x^3 \ dx and there is no factor of x3x^3 in the integrand to allow us to complete this substitution. If we attempt to integrate by parts, then only option is to let u=sin(x4)u = sin(x^4) which makes du=4x3cos⁡(x4)du = 4x^3 \cos(x^4) and we only make the integral more complicated. This is one integral we cannot evaluate with the tools we have. (e) We will try a uu-substitution with u=x4u = x^4, because the integrand involves a composite function with x4x^4 as the innermost function and because du=4x3 dxdu = 4x^3 \, dx involves the factor x3x^3 which is also present in the integrand. When we make this substitution we have x3 dx=14 dux^3 \ dx = \frac{1}{4} \ du and the integral can be evaluated as follows: ∫x3sin⁡(x4) dx=14∫sin⁡(u) du=−14cos⁡(u)+C=−14cos⁡(x4)+C .\begin{aligned}\int x^3 \sin(x^4) \ dx &= \frac{1}{4} \int \sin(u) \ du \\ &= -\frac{1}{4} \cos(u) + C \\ &= -\frac{1}{4} \cos(x^4) + C\end{aligned}\,. (f) We will use integration by parts. Notice that ∫x7sin⁡(x4) dx=∫x4[x3sin⁡(x4)] dx\int x^7 \sin(x^4) \ dx = \int x^4 \left[x^3 \sin(x^4)\right] \ dx and we have a factor we can differentiate (x3x^3) and one we can integrate (x3sin⁡(x4)x^3 \sin(x^4)) (as we did in part (e)). So we let u=x3, du=3x2 dxdv=x3sin⁡(x4) dx, v=−14cos⁡(x4)\begin{aligned}u &= x^3, \ du = 3x^2 \ dx \\ dv & = x^3 \sin(x^4) \ dx , \ v = -\frac{1}{4} \cos(x^4)\end{aligned} Integration by parts formula now gives ∫x7sin⁡(x4) dx=−14x4cos⁡(x4)+∫x3cos⁡(x4) dx .\int x^7 \sin(x^4) \ dx = -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \int x^3 \cos(x^4) \ dx\,. This last integral is essentially the same as obtaining vv from dvdv, so we will make the substitution z=x4z = x^4 with dz=4x3 dxdz = 4x^3 \ dx. Changing variables in the last integral gives us ∫x7sin⁡(x4) dx=−14x4cos⁡(x4)+∫x3cos⁡(x4) dx=−14x4cos⁡(x4)+14∫cos⁡(z) dz=−14x4cos⁡(x4)+14sin⁡(z)+C=−14x4cos⁡(x4)+14sin⁡(x4)+C .\begin{aligned}\int x^7 \sin(x^4) \ dx &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \int x^3 \cos(x^4) \ dx \\ &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \frac{1}{4} \int \cos(z) \ dz \\ &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \frac{1}{4} \sin(z) + C \\ &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \frac{1}{4} \sin(x^4) + C\end{aligned}\,.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 5.4절 · 13번
# 부분적분법계산자동 분류
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479.Active Calculus · 6.1절 · 11번우리말 번역

f(x)=1−x2f(x) = 1-x^2, g(x)=ax2−ag(x) = ax^2 - a 라 하자. 여기서 aa 는 알려지지 않은 양의 실수이다. 두 곡선 ff 와 gg 사이의 넓이가 2가 되는 aa 의 값을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=1−x2f(x) = 1-x^2 and g(x)=ax2−ag(x) = ax^2 - a, where aa is an unknown positive real number. For what value(s) of aa is the area between the curves ff and gg equal to 2?

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정답·풀이 보기

이 두 이차함수는 모두 점 (−1,0)(-1,0) 과 (1,0)(1,0) 을 지나므로, 모든 양수 aa 에 대해 이 두 점이 두 그래프의 교점이다. 또한 −1<x<1-1 < x < 1 에서 1−x2>ax2−a1 - x^2 > ax^2 - a 이므로, 두 곡선 사이의 넓이는 다음과 같다.

A=∫−11(1−x2−(ax2−a)) dx=∫−11((1+a)−(1+a)x2) dx .A = \int_{-1}^{1} \left( 1 - x^2 - (ax^2 - a) \right) \, dx = \int_{-1}^{1} \left( (1+a) - (1+a)x^2 \right) \, dx\,. 적분을 계산하면

A=∫−11(1+a−(1+a)x2) dx=(1+a)x−1+a3x3∣−11=(1+a)(1)−1+a3(1)3−((1+a)(−1)−1+a3(−1)3)=2(1+a)−2(1+a)3=4(1+a)3 .\begin{aligned}A &= \int_{-1}^{1} \left( 1 + a - (1+a)x^2 \right) \, dx \\ &= \left. (1+a)x - \frac{1+a}{3}x^3 \right|_{-1}^{1} \\ &= (1+a)(1) - \frac{1+a}{3}(1)^3 - \left( (1+a)(-1) - \frac{1+a}{3}(-1)^3 \right) \\ &= 2(1+a) - \frac{2(1+a)}{3} \\ &= \frac{4(1+a)}{3}\end{aligned}\,. A=2A = 2 가 되는 aa 의 값을 구해야 하므로 다음 방정식을 푼다.

2=4(1+a)3 ,2 = \frac{4(1+a)}{3}\,, 이로부터 a=12a = \frac{1}{2} 이다. 따라서 아래 그림에서 두 곡선 사이의 넓이는 정확히 A=2A = 2 이다.

a = 1/2 일 때 함수 f(x) = 1-x 2 와 g(x) = ax 2 - a 의 그래프. 이 두 포물선은 (-1,0) 과 (1,0) 에서 만나며, 두 포물선이 둘러싼 유한한 영역에서 f 는 위쪽 함수이고 g 는 아래

원본 교재 풀이(영어)

Both of these quadratic functions pass through the points (−1,0)(-1,0) and (1,0)(1,0), and thus these are the two intersection points for all positive values of aa. In addition, since 1−x2>ax2−a1 - x^2 > ax^2 - a on −1<x<1-1 < x < 1, it follows that the area between the curves is given by

A=∫−11(1−x2−(ax2−a)) dx=∫−11((1+a)−(1+a)x2) dx .A = \int_{-1}^{1} \left( 1 - x^2 - (ax^2 - a) \right) \, dx = \int_{-1}^{1} \left( (1+a) - (1+a)x^2 \right) \, dx\,. Evaluating the integral, we find that

A=∫−11(1+a−(1+a)x2) dx=(1+a)x−1+a3x3∣−11=(1+a)(1)−1+a3(1)3−((1+a)(−1)−1+a3(−1)3)=2(1+a)−2(1+a)3=4(1+a)3 .\begin{aligned}A &= \int_{-1}^{1} \left( 1 + a - (1+a)x^2 \right) \, dx \\ &= \left. (1+a)x - \frac{1+a}{3}x^3 \right|_{-1}^{1} \\ &= (1+a)(1) - \frac{1+a}{3}(1)^3 - \left( (1+a)(-1) - \frac{1+a}{3}(-1)^3 \right) \\ &= 2(1+a) - \frac{2(1+a)}{3} \\ &= \frac{4(1+a)}{3}\end{aligned}\,. We want to know for which value(s) of aa it follows that A=2A = 2. Thus, we solve

2=4(1+a)3 ,2 = \frac{4(1+a)}{3}\,, from which it follows that a=12a = \frac{1}{2}. Hence, in the figure below, the area between the two curves is exactly A=2A = 2.

A plot of the functions f(x) = 1-x 2 and g(x) = ax 2 - a, with a = frac 1 2 . These two parabolas intersect at (-1,0) and (1,0); on the finite region they bound, f is the top function and g is the bot

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