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.

102문제 · 6 / 6쪽

101.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)
102.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}\,.

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