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
∫2xlogxelogxdx 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Evaluate ∫2xlogxelogxdx .
정답·풀이 보기
풀이 1:u=logx 로 놓으면 du=2xlogx1dx 이므로,
∫2xlogxelogxdx=∫eredudu=eu+C=elogx+C
풀이 2: 풀이 1에서는 꽤 영리한 치환을 택했다. 그보다 조금 덜 편리한 방법으로 풀 수도 있다. 예를 들어 u=logx, du=x1dx 로 놓는 것이 좋은 선택이라고 생각하는 것도 자연스럽다. 이 경우:
∫2xlogxelogxdxNow, we should be able to see that w=u, dw=2u1du is a good choice:∫2ueudu=∫2redueredudu=∫eorangewdw=eu+C=elogx+C
원본 교재 풀이(영어)
Solution 1: If we let u=logx, then du=2xlogx1dx, and:
∫2xlogxelogxdx=∫eredudu=eu+C=elogx+C
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=logx, du=x1dx would be a good choice. In that case:
∫2xlogxelogxdxNow, we should be able to see that w=u, dw=2u1du is a good choice:∫2ueudu=∫2redueredudu=∫eorangewdw=eu+C=elogx+C
이 문제는 sin(x) 와 cos(x) 를 제외한 기본 삼각함수의 부정적분을 구하는 것을 중심으로 한다.
(a) 부정적분 ∫tan(x)dx 를 생각하세요. 피적분함수를 tan(x)=cos(x)sin(x) 로 고쳐 쓰고, 알맞은 함수와 그 도함수의 쌍을 찾아 u 로 치환하여 ∫tan(x)dx 의 값을 구하세요.
(b) 같은 방법으로 ∫cot(x)dx 의 값을 구하세요.
(c) 부정적분
∫sec(x)+tan(x)sec2(x)+sec(x)tan(x)dx 을 생각하세요. 치환 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 를 구하세요.
(f) (c)~(e)를 참고하여 ∫csc(x)dx 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
This problem centers on finding antiderivatives for the basic trigonometric functions other than sin(x) and cos(x).
(a) Consider the indefinite integral ∫tan(x)dx. By rewriting the integrand as tan(x)=cos(x)sin(x) and identifying an appropriate function-derivative pair, make a u-substitution and hence evaluate ∫tan(x)dx.
(b) In a similar way, evaluate ∫cot(x)dx.
(c) Consider the indefinite integral
∫sec(x)+tan(x)sec2(x)+sec(x)tan(x)dx. Evaluate this integral using the substitution 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.
(f) Using (c)-(e) as a guide, evaluate ∫csc(x)dx.
정답·풀이 보기
(a) u=cos(x) 로 놓으면 du=−sin(x)dx 이다. 이 변수 변환으로 적분을 다음과 같이 계산할 수 있는 꼴로 바꿀 수 있다.
∫tan(x)dx=∫cos(x)sin(x)dx=−∫u1du=−ln(∣u∣)+C=−ln(∣cos(x)∣+C=ln(∣cos(x)∣−1)+C=ln(∣sec(x)∣)+C. 결과를 간단히 하기 위해 로그의 성질 pln(z)=ln(zp) 과 cos(x)1=sec(x) 임을 이용했다.
(b) u=sin(x) 로 놓으면 du=cos(x)dx 이다. 이 변수 변환으로 적분을 다음과 같이 계산할 수 있는 꼴로 바꿀 수 있다.
∫cot(x)dx=∫sin(x)cos(x)dx=∫u1du=ln(∣u∣)+C=ln(∣sin(x)∣+C=−ln(∣sin(x)∣−1)+C=−ln(∣csc(x)∣)+C. 여기서는 결과를 간단히 하기 위해 ln(z)=(−1)(−1)ln(z)=(−1)ln(z−1) 임을 이용했다.
(c) u=sec(x)+tan(x) 로 놓으면 du=(sec(x)tan(x)+sec2(x))dx 이다. 이 변수 변환으로 피적분함수의 기본 구조가 단순해지며 다음과 같이 적분할 수 있다.
∫sec(x)+tan(x)sec2(x)+sec(x)tan(x)dx=∫u1du=ln(∣u∣)+C=ln(∣sec(x)+tan(x)∣)+C.
(d) sec(x)+tan(x)sec2(x)+sec(x)tan(x) 의 분자에서 공통인수 sec(x) 를 묶어 내면
sec(x)(sec(x)+tan(x)) 로 고쳐 쓸 수 있다. 그러면 피적분함수는 다음과 같이 간단해진다.
sec(x)+tan(x)sec2(x)+sec(x)tan(x)=sec(x)+tan(x)sec(x)(sec(x)+tan(x))=sec(x).
(e) (c)와 (d)의 결과로부터 다음을 얻는다.
∫sec(x)dx=∫sec(x)+tan(x)sec2(x)+sec(x)tan(x)dx=ln(∣sec(x)+tan(x)∣)+C.
(f) (c)~(e)와 같은 방법으로 intcsc(x)dx 를 다음과 같이 구할 수 있다. 먼저 csc(x) 에 1=csc(x)+cot(x)csc(x)+cot(x) 을 곱하여 고쳐 쓰면
∫csc(x)dx=∫csc(x)+cot(x)csc(x)(csc(x)+cot(x))dx=∫csc(x)+cot(x)csc2(x)+csc(x)cot(x)dx 이다. 이제 위 식의 마지막 적분을 치환 u=csc(x)+cot(x) 로 계산한다. 그러면 du=−(csc(x)cot(x)+csc2(x))dx 이다. 이 변수 변환으로 적분을 다음과 같이 계산할 수 있는 꼴로 바꿀 수 있다.
∫csc(x)+cot(x)csc2(x)+csc(x)cot(x)dx=−∫u1dx=−ln(∣u∣)+C=−ln(∣csc(x)+cot(x)∣)+C. 지금까지 구한 등식들을 이어 보면 다음이 성립함을 보인 것이다.
∫csc(x)dx=−ln(∣csc(x)+cot(x)∣)+C.
원본 교재 풀이(영어)
(a) We let u=cos(x), so du=−sin(x)dx. This change of variable transforms the integral into one we can integrate as follows:
∫tan(x)dx=∫cos(x)sin(x)dx=−∫u1du=−ln(∣u∣)+C=−ln(∣cos(x)∣+C=ln(∣cos(x)∣−1)+C=ln(∣sec(x)∣)+C. Note that we used the property of the logarithm that pln(z)=ln(zp) as well as the fact that cos(x)1=sec(x) in order to simplify the result.
(b) We let u=sin(x), so du=cos(x)dx. This change of variable transforms the integral into one we can integrate as follows:
∫cot(x)dx=∫sin(x)cos(x)dx=∫u1du=ln(∣u∣)+C=ln(∣sin(x)∣+C=−ln(∣sin(x)∣−1)+C=−ln(∣csc(x)∣)+C. Note that here we used the fact that ln(z)=(−1)(−1)ln(z)=(−1)ln(z−1) in order to simplify the result.
(c) We let u=sec(x)+tan(x), so it follows that du=(sec(x)tan(x)+sec2(x))dx. This change of variable shows that the basic structure of the integrand is simple and can be integrated as follows:
∫sec(x)+tan(x)sec2(x)+sec(x)tan(x)dx=∫u1du=ln(∣u∣)+C=ln(∣sec(x)+tan(x)∣)+C.
(d) The numerator of sec(x)+tan(x)sec2(x)+sec(x)tan(x) can be rewritten by removing the common factor of sec(x) to obtain
sec(x)(sec(x)+tan(x)). The integrand can then be simplified to
sec(x)+tan(x)sec2(x)+sec(x)tan(x)=sec(x)+tan(x)sec(x)(sec(x)+tan(x))=sec(x).
(e) Using the results of (c) and (d), we see that
∫sec(x)dx=∫sec(x)+tan(x)sec2(x)+sec(x)tan(x)dx=ln(∣sec(x)+tan(x)∣)+C.
(f) Following (c)-(e) we can evaluate intcsc(x)dx as follows. First, rewrite csc(x) by multiplying by 1=csc(x)+cot(x)csc(x)+cot(x), so that
∫csc(x)dx=∫csc(x)+cot(x)csc(x)(csc(x)+cot(x))dx=∫csc(x)+cot(x)csc2(x)+csc(x)cot(x)dx. Now we evaluate the last integral in the preceding equation with the substitution u=csc(x)+cot(x). Then du=−(csc(x)cot(x)+csc2(x))dx. This change of variable transforms the integral so that we can integrate:
∫csc(x)+cot(x)csc2(x)+csc(x)cot(x)dx=−∫u1dx=−ln(∣u∣)+C=−ln(∣csc(x)+cot(x)∣)+C. Connecting the equalities we have established in our work, we have shown that
∫csc(x)dx=−ln(∣csc(x)+cot(x)∣)+C.
(a) 얼핏 보면 피적분함수에 x 가 서로 다른 곳에 들어 있어서 이 피적분함수는 치환에 적합하지 않아 보일 수 있습니다. 그럼에도 합성함수 x−1 을 길잡이로 삼아 u=x−1 로 놓으세요. x 와 dx 를 각각 u 에 관한 식으로 나타내세요.
(b) 주어진 x 에 관한 적분을 u 에 관한 새로운 적분으로 바꾸세요.
(c) u=u1/2 임에 주목하고, 이제 곱셈을 전개하여 u 에 관한 피적분함수를 다시 쓸 수 있음을 이용하여 (b)의 적분을 계산하세요.
(d) 두 적분 ∫x2x−1dx 와 ∫xx2−1dx 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−1dx.
(a) At first glance, this integrand may not seem suited to substitution due to the presence of x in separate locations in the integrand. Nonetheless, using the composite function x−1 as a guide, let u=x−1. Determine expressions for both x and dx in terms of u.
(b) Convert the given integral in x to a new integral in u.
(c) Evaluate the integral in (b) by noting that u=u1/2 and observing that it is now possible to rewrite the integrand in u by expanding through multiplication.
(d) Evaluate each of the integrals ∫x2x−1dx and ∫xx2−1dx. 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−1 로 놓으면 x=u+1 이고 따라서 dx=du 이다.
(b) (a)의 변수변환을 이용하면
∫xx−1dx=∫(u+1)udu.
(c) u=u1/2 임을 이용하여 전개하면 적분을 다음과 같이 계산할 수 있다.
∫xx−1dx=∫(u+1)u1/2du=∫(u3/2+u1/2)du=52u5/2+32u3/2+C=52(x−1)5/2+32(x−1)3/2+C.
(d) 먼저 ∫x2x−1dx 에서 u=x−1 로 놓으면 x=u+1 이고 dx=du 이다. 이후의 과정은 (b)에서 한 것과 매우 비슷하다.
∫x2x−1dx=∫(u+1)2u1/2du=∫(u2+2u+1)u1/2du=∫(u5/2+2u3/2+u1/2)du=72u7/2+54u5/2+32u3/2+C=72(x−1)7/2+54(x−1)5/2+32(x−1)3/2+C.∫xx2−1dx 는 겉보기에는 매우 비슷해 보이지만 상황이 전혀 다르다. u=x2−1 로 놓으면 du=2xdx 이므로, 함수와 그 도함수의 쌍이 나타나는 표준적인 꼴이 된다. xdx=21du 임에 주목하면
∫xx2−1dx=∫u⋅21du=21⋅32u3/2+C=31u3/2+C=31(x2−1)3/2+C.
제곱근 안에 (x−a) 가 있고 제곱근 밖에 다항식이 있는 경우에는, 치환 u=x−a 를 이용하여 근호의 모양을 x−a 에서 u 로 바꿈으로써 피적분함수를 적분할 수 있는 식으로 바꿀 수 있다. 그다음 식을 전개하면 본질적으로 u 의 (분수) 거듭제곱들의 합인 식을 적분하게 된다. 반면 제곱근 안에 1 보다 높은 차수의 다항식(예: x2−1)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−1, we find that x=u+1 and thus dx=du.
(b) Using the change of variables in (a),
∫xx−1dx=∫(u+1)udu.
(c) Using the fact that u=u1/2 and distributing, we can evaluate the integral as follows:
∫xx−1dx=∫(u+1)u1/2du=∫(u3/2+u1/2)du=52u5/2+32u3/2+C=52(x−1)5/2+32(x−1)3/2+C.
(d) First, for ∫x2x−1dx, we let u=x−1 so that x=u+1 and dx=du. From there, our work is very similar to what we did in (b):
∫x2x−1dx=∫(u+1)2u1/2du=∫(u2+2u+1)u1/2du=∫(u5/2+2u3/2+u1/2)du=72u7/2+54u5/2+32u3/2+C=72(x−1)7/2+54(x−1)5/2+32(x−1)3/2+C.
For ∫xx2−1dx, despite the fact that the integral looks remarkably similar, the situation is quite different. We observe that with u=x2−1, it follows du=2xdx, so we have a standard function-derivative pair. Noting that xdx=21du, it follows that
∫xx2−1dx=∫u⋅21du=21⋅32u3/2+C=31u3/2+C=31(x2−1)3/2+C.
In the situation where we have (x−a) under a square root and a polynomial outside the square root, the substitution u=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 to u. From there we are able to distribute and integrate an expression that is essentially a sum of (fractional) powers of u. In the situation where a polynomial of degree higher than 1 (such as x2−1) 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.
(a) 치환 u=sin(x) 가 주어진 적분의 값을 구하는 데 도움이 되지 않는 이유를 설명하세요.
(b) 기본 삼각함수 항등식 sin2(x)+cos2(x)=1 을 떠올려 보세요. sin3(x)=sin(x)⋅sin2(x) 임을 관찰하여, 기본 삼각함수 항등식을 이용해 피적분함수를 sin(x) 와 또 다른 함수의 곱으로 다시 쓰세요.
(c) 치환 u=cos(x) 가 (b)의 적분의 값을 구하는 데 이제 가능한 방법이 되는 이유를 설명하세요.
(d) (a)~(c)의 풀이 과정을 이용하여 부정적분 ∫sin3(x)dx 의 값을 구하세요.
(e) 비슷한 방법을 이용하여 ∫cos3(x)dx 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Consider the indefinite integral ∫sin3(x)dx.
(a) Explain why the substitution u=sin(x) will not work to help evaluate the given integral.
(b) Recall the Fundamental Trigonometric Identity, which states that sin2(x)+cos2(x)=1. By observing that sin3(x)=sin(x)⋅sin2(x), use the Fundamental Trigonometric Identity to rewrite the integrand as the product of sin(x) with another function.
(c) Explain why the substitution 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 ∫sin3(x)dx.
(e) Use a similar approach to evaluate ∫cos3(x)dx.
정답·풀이 보기
(a) u=sin(x) 라 하면 du=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 sin2(x)=1−cos2(x) 이므로
sin3(x)=sin(x)⋅sin2(x)=sin(x)(1−cos2(x)).
(c) (b)에서 ∫sin3(x)dx=∫sin(x)(1−cos2(x))dx 이고, 이 적분에는 u=cos(x), du=−sin(x)dx 에 대응하는 함수와 그 도함수의 쌍이 있다.
(d) 이 치환을 이용하여 얻은 적분의 값을 구하면
∫sin3(x)dx=∫sin(x)(1−cos2(x))dx=∫(−1)(1−u2)du=∫(u2−1)du=31u3−u+C=31cos3(x)−cos(x)+C.
(e) cos3(x)=cos(x)⋅cos2(x)=cos(x)(1−sin2(x)) 이므로, u=sin(x), 즉 du=cos(x)dx 로 놓으면
∫cos3(x)dx=∫cos(x)(1−sin2(x))dx=∫(1−u2)du=u−31u3+C=sin(x)−31sin3(x)+C.
원본 교재 풀이(영어)
(a) If we let u=sin(x), then du=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 sin2(x)=1−cos2(x), and thus
sin3(x)=sin(x)⋅sin2(x)=sin(x)(1−cos2(x)).
(c) By our work in (b), we see that ∫sin3(x)dx=∫sin(x)(1−cos2(x))dx, and in this integral we have the function-derivative pair that corresponds to u=cos(x) and du=−sin(x)dx.
(d) Using this substitution and evaluating the resulting integral,
∫sin3(x)dx=∫sin(x)(1−cos2(x))dx=∫(−1)(1−u2)du=∫(u2−1)du=31u3−u+C=31cos3(x)−cos(x)+C.
(e) Here we observe that cos3(x)=cos(x)⋅cos2(x)=cos(x)(1−sin2(x)), so letting u=sin(x) and thus du=cos(x)dx, we have
∫cos3(x)dx=∫cos(x)(1−sin2(x))dx=∫(1−u2)du=u−31u3+C=sin(x)−31sin3(x)+C.