문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

부분적분법

∫f g' = f g − ∫f' g 를 써서 곱의 꼴 함수를 적분한다

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

4문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 2권 · 3.1절 · 37번우리말 풀이

다음 적분을 가장 간단한 방법으로 구하세요. 모든 문제에 부분적분이 필요한 것은 아니에요.

∫xcosh⁡x dx\int x\cosh x\,dx

영어 원문 보기

Find the integral by using the simplest method. Not all problems require integration by parts.

∫xcosh⁡x dx\int x\cosh x\,dx

풀이 보기

곱의 꼴에서 미분하면 간단해지는 쪽(xx)을 uu 로 잡고 부분적분을 떠올려요.

  1. 1

    xx 와 cosh⁡x\cosh x 가 곱해져 있고 치환으로는 풀리지 않아요. 그래서 부분적분 ∫u dv=uv−∫v du\int u\,dv=uv-\int v\,du 를 써요. xx 는 미분하면 11 이 되어 간단해지니까 u=xu=x, dv=cosh⁡x dxdv=\cosh x\,dx 로 잡아요.

  2. 2

    공식에 넣을 dudu 와 vv 를 구해요. du=dxdu=dx 이고, sinh⁡x\sinh x 를 미분하면 cosh⁡x\cosh x 이므로 v=sinh⁡xv=\sinh x 예요.

  3. 3

    공식에 대입해요. ∫xcosh⁡x dx=xsinh⁡x−∫sinh⁡x dx\int x\cosh x\,dx=x\sinh x-\int \sinh x\,dx

  4. 4

    남은 적분은 쉬워요. cosh⁡x\cosh x 를 미분하면 sinh⁡x\sinh x 이므로 ∫sinh⁡x dx=cosh⁡x\int\sinh x\,dx=\cosh x 예요. 따라서 ∫xcosh⁡x dx=xsinh⁡x−cosh⁡x+C\int x\cosh x\,dx=x\sinh x-\cosh x+C

  5. 5

    검산으로 미분해 봐요. (xsinh⁡x−cosh⁡x)′=sinh⁡x+xcosh⁡x−sinh⁡x=xcosh⁡x(x\sinh x-\cosh x)'=\sinh x+x\cosh x-\sinh x=x\cosh x 로 처음 식이 나와요.

답

xsinh⁡x−cosh⁡x+Cx\sinh x-\cosh x+C

자주 하는 실수

u=cosh⁡xu=\cosh x, dv=x dxdv=x\,dx 로 거꾸로 잡으면 x2x^2 이 나와 적분이 더 어려워져요.

원본 교재 풀이(영어)

−cosh⁡x+xsinh⁡x+C-\cosh x+x\sinh x+C

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.1절 · 5번
# 부분적분법계산보통
2.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)
3.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)
4.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)