문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

치환적분법

속함수를 t로 바꾸어 적분하고, 정적분에서는 적분 구간도 함께 바꾼다

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

144문제 · 8 / 8쪽

141.CLP-2 · 1.4절 · 15번우리말 번역

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

영어 원문 보기

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

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

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

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

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

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

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

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

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

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.4절 · 14번
# 치환적분법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
142.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)
143.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
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144.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
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