이 피적분함수는 두 함수의 곱이며, 뚜렷한 치환이 보이지 않는다. 그래서 한쪽을 ex, 다른 쪽을 x3 으로 하여 부분적분을 시도해 보자.
방법 1:방법 2:u=exdv=x3dxu=x3dv=exdxdu=exdxv=41x4du=3x2dxv=ex
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=x 로 놓아 du=dx 가 되었으므로, 피적분함수의 "x"가 사실상 사라졌다. 여기서는 u=x3 으로 놓으면 du=3x2dx 가 되어 차수가 낮아진다는 것을 알 수 있다. 매번 u 를 x 의 거듭제곱으로 정하여 부분적분을 반복하면, x3 의 3계 도함수는 상수이므로 몇 번 반복한 뒤에는 x 의 거듭제곱이 사라질 것이다.
참고: 엄밀하게 부정적분을 구하려면 처음 부분적분을 할 때 곧바로 +C 를 더해야 한다. 그러나 부분적분을 사용할 때에는 보통 마지막에 적분을 계산하게 되고, 그 시점에 +C 를 더한다. +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 ex and one part x3.
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=x, and then du=dx, so the “x" in the integrand effectively went away. Here, we see that choosing u=x3 will lead to du=3x2dx, which has a lower power. If we repeatedly perform integration by parts, choosing u to be the power of x each time, then after a few iterations it should go away, because the third derivative of x3 is a constant.
So, we start with Option 2: u=x3, dv=exdx, du=3x2dx, and v=ex.
∫x3exdxNow, 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.Continuing, 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.=ux3vex−∫vex⋅du3x2dx=x3ex−3∫ex⋅x2dx=x3ex−3[uvx2ex−∫vex⋅du2xdx]=x3ex−3x2ex+6∫xexdx=x3ex−3x2ex+6[uvxex−∫vexdudx]=x3ex−3x2ex+6xex−6ex+C=ex(x3−3x2+6x−6)+C
Let's check that this makes sense: the derivative of ex(x3−3x2+6x−6)+C should be x3ex. We differentiate using the product rule.
Remark: In order to be technically correct in our antidifferentiation, we should add the +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 at that point. Since the +C comes up eventually, it is common practice to not clutter our calculations with it until the end.
피적분함수는 두 함수의 곱이고 뚜렷한 치환도 보이지 않으므로, 부분적분으로 무엇을 할 수 있는지 살펴보자.
방법 1:방법 2:u=x2dv=sinxdxu=sinxdv=x2dxdu=2xdxv=−cosxdu=cosxdxv=31x3
어느 방법도 곧바로 적분할 수 있는 식을 주지는 않지만, 방법 1은 x2 항을 x 의 더 낮은 거듭제곱으로 바꾼다. 부분적분을 반복해서 적용하면 이 거듭제곱을 0까지 낮출 수 있다. 그러므로 u=x2, dv=sinxdx 로 놓고 시작하면 du=2xdx, v=−cosx 이다.
Neither option gives us something immediately integrable, but Option 1 replaces our x2 term with a lower power of x. If we repeatedly apply integration by parts, we can reduce this power to zero. So, we start by choosing u=x2 and dv=sinxdx, so du=2xdx and v=−cosx.
∫x2sinxdxUsing integration by parts again, we want to be differentiating (not antidifferentiating) x, so we choose u=x, dv=cosxdx, and then du=dx (x went away!), v=sinx.=uv−x2cosx+−vdu∫2xcosxdx=−x2cosx+2∫xcosxdx=−x2cosx+2[uvxsinx−∫vdusinxdx]=−x2cosx+2xsinx+2cosx+C=(2−x2)cosx+2xsinx+C
망치를 든 사람에게는 모든 것이 못으로 보인다는 점을 다시 한번 상기시켜 준다. 이 문제의 적분은 치환을 이용해 푸는 대표적인 예이다. “안쪽 함수” x2+1 이 있고, 그 도함수가 피적분함수의 나머지 부분에 곱해져 나타난다. u=x2+1 로 놓으면 du=2xdx 이므로
∫2xex2+1dx=∫eudu=eu+C=ex2+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+1, whose derivative shows up multiplied to the rest of the integrand. We take u=x2+1, then du=2xdx, so
∫2xex2+1dx=∫eudu=eu+C=ex2+1+C