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.

166문제 · 9 / 9쪽

161.CLP-2 · 1.4절 · 14번우리말 번역

∫(x2−4)x4−x2 dx{\displaystyle \int \frac{(x^2-4)x}{\sqrt{4-x^2}}\,\mathrm{d}x} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫(x2−4)x4−x2 dx{\displaystyle \int \frac{(x^2-4)x}{\sqrt{4-x^2}}\,\mathrm{d}x}.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

치환 u=4−x2 u=4-x^2 을 사용한다. 이때 du=−2x dx \mathrm{d}u=-2x\,\mathrm{d}x 이다.

∫x2−44−x2 x dx=∫12⋅4−x24−x2(−2x) dx=12∫reduredu du=12∫u du=12u3/23/2+C=13(4−x2)3/2+C\begin{aligned} \int \frac{x^2-4}{\sqrt{4-x^2}}\,x\,\mathrm{d}x &=\int \frac{1}{2}\cdot\frac{ 4-x^2}{\sqrt{ 4-x^2}} ({-}2x)\,\mathrm{d}x \\ &=\frac{1}{2} \int \frac{{red}u}{\sqrt{{red}u}}\, \mathrm{d}u \\ &=\frac{1}{2}\int \sqrt{u}\,\mathrm{d}u \\ &=\frac{1}{2}\frac{u^{3/2}}{3/2}+C\\ &=\frac{1}{3}(4-x^2)^{3/2}+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We use the substitution u=4−x2 u=4-x^2, for which du=−2x dx \mathrm{d}u=-2x\,\mathrm{d}x :

∫x2−44−x2 x dx=∫12⋅4−x24−x2(−2x) dx=12∫reduredu du=12∫u du=12u3/23/2+C=13(4−x2)3/2+C\begin{aligned} \int \frac{x^2-4}{\sqrt{4-x^2}}\,x\,\mathrm{d}x &=\int \frac{1}{2}\cdot\frac{ 4-x^2}{\sqrt{ 4-x^2}} ({-}2x)\,\mathrm{d}x \\ &=\frac{1}{2} \int \frac{{red}u}{\sqrt{{red}u}}\, \mathrm{d}u \\ &=\frac{1}{2}\int \sqrt{u}\,\mathrm{d}u \\ &=\frac{1}{2}\frac{u^{3/2}}{3/2}+C\\ &=\frac{1}{3}(4-x^2)^{3/2}+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.4절 · 11번
# 치환적분법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
162.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)
163.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)
164.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
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
165.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
# 치환적분법계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
166.Active Calculus · 5.3절 · 14번우리말 번역

미시간주 매스랜드 마을의 가정용 전력 소비는 최근 몇 년 동안 일정한 경향을 보였습니다. 평균 사용량을 반영한 자료를 바탕으로, 전력 회사의 기술자들은 마을의 에너지 소비율을 다음 함수로 모델링했습니다.

r(t)=4+sin⁡(0.263t+4.7)+cos⁡(0.526t+9.4) .r(t) = 4 + \sin(0.263t + 4.7) + \cos(0.526t+9.4)\,.

여기서 tt 는 평일 자정 이후 흘러간 시간(시간 단위)이고, rr 은 시각 tt 에서의 소비율(메가와트 단위)입니다. 이 문제에서는 단위가 매우 중요합니다. 메가와트라는 단위 자체가 단위 시간당 에너지 소비량을 나타내는 비율임에 주의하세요. 메가와트시는 1메가와트의 전력이 1시간 동안 일정하게 유지될 때의 에너지 총량과 같습니다.

(a) 구간 [0,24]에서 r(t)r(t) 의 그래프를 각 부분의 이름을 정확히 표시하여 그리고, 그 의미를 설명하세요. 이것이 전력 소비의 타당한 모델인 이유는 무엇입니까? (b) 값을 계산하지 않고, ∫024r(t) dt\int_0^{24} r(t) \, dt 의 의미를 설명하세요. 답에 알맞은 단위를 포함하세요. (c) 매스랜드가 평일 하루에 소비하는 에너지의 정확한 양을 구하세요. (d) 임의의 24시간 동안 매스랜드의 평균 전력 소비율은 얼마입니까? 이 양의 단위는 무엇입니까?

영어 원문 보기

For the town of Mathland, MI, residential power consumption has shown certain trends over recent years. Based on data reflecting average usage, engineers at the power company have modeled the town's rate of energy consumption by the function

r(t)=4+sin⁡(0.263t+4.7)+cos⁡(0.526t+9.4) .r(t) = 4 + \sin(0.263t + 4.7) + \cos(0.526t+9.4)\,.

Here, tt measures time in hours after midnight on a typical weekday, and rr is the rate of consumption in megawatts at time tt. Units are critical throughout this problem; note that the unit megawatt is itself a rate, which measures energy consumption per unit time. A megawatt-hour is the total amount of energy that is equivalent to a constant stream of 1 megawatt of power being sustained for 1 hour.

(a) Sketch a carefully labeled graph of r(t)r(t) on the interval [0,24] and explain its meaning. Why is this a reasonable model of power consumption? (b) Without calculating its value, explain the meaning of ∫024r(t) dt\int_0^{24} r(t) \, dt. Include appropriate units on your answer. (c) Determine the exact amount of energy Mathland consumes in a typical day. (d) What is Mathland's average rate of power consumption in a given 24-hour period? What are the units on this quantity?

정답·풀이 보기

(a) 다음 그래프에서, 이 모델은 주기적이며 2424시간마다 반복되는 것으로 보이고, 소비율이 사람들이 집에서 가장 활발하게 활동하는 시간대인 오전 77시 무렵과 오후 55시 무렵에 최대가 되는 것으로 보이므로 타당함을 알 수 있다. 구간 -2 < t < 26 에서 r(t) = 4 + sin(0.263t + 4.7) + cos(0.526t+9.4) 의 그래프이다. 함수는 t = 0 과 t = 24 에서 서로 같은 최솟값을 갖고, t ≈ 7 과 t ≈ 17 에서 서로 같은 최댓값을 갖는다. (b) ∫024r(t) dt\int_0^{24} r(t) \, dt 의 의미는 2424시간 동안 소비된 전력의 총량이며, 단위는 메가와트시이다. 이는 r(t)r(t) 의 단위가 메가와트이고 △t\triangle t 의 단위가 시간이므로, 정적분에 대응하는 리만 합에서 r(t)⋅△tr(t) \cdot \triangle t 꼴의 항이 “메가와트시”의 단위를 갖기 때문이다. 또한 전력 소비율을 적분하면 소비된 전력의 총 변화량을 얻는다. (c) 평일 하루에 매스랜드는 ∫024r(t) dt\int_0^{24} r(t) \, dt 메가와트시의 전력을 소비하므로, 다음 적분의 값을 구해야 한다. ∫024r(t) dt=∫024[4+sin⁡(0.263t+4.7)+cos⁡(0.526t+9.4)] dt .\int_0^{24} r(t) \, dt = \int_0^{24} \left[ 4 + \sin(0.263t + 4.7) + \cos(0.526t+9.4) \right] \, dt\,. 이를 위해 u=0.263t+4.7u = 0.263t + 4.7 (du=0.263 dtdu = 0.263 \, dt 이므로)과 w=0.526t+9.4w = 0.526t + 9.4 (dw=0.526 dtdw = 0.526 \, dt 이므로)로 치환하여 두 삼각함수 식의 부정적분을 구하면 다음과 같다. ∫sin⁡(0.263t+4.7) dt=10.263∫sin⁡(u) du=−10.263cos⁡(u)=−10.263cos⁡(0.263t+4.7)\int \sin(0.263t + 4.7) \, dt = \frac{1}{0.263} \int \sin(u) \, du = -\frac{1}{0.263} \cos(u) = -\frac{1}{0.263} \cos(0.263t + 4.7) 그리고 ∫cos⁡(0.526t+9.4) dt=10.526∫cos⁡(w) dw=10.526sin⁡(w)=10.526sin⁡(0.526t+9.4) .\int \cos(0.526t + 9.4) \, dt = \frac{1}{0.526} \int \cos(w) \, dw = \frac{1}{0.526} \sin(w) = \frac{1}{0.526} \sin(0.526t + 9.4)\,. 이를 모두 합하고 미적분의 기본정리를 이용하면 다음을 얻는다. ∫024r(t) dt=4t−10.263cos⁡(0.263t+4.7)+10.526sin⁡(0.526t+9.4)∣024=[4⋅24−10.263cos⁡(0.263⋅24+4.7)+10.526sin⁡(0.526⋅24+9.4)]−[−10.263cos⁡(4.7)+10.526sin⁡(9.4)]≈95.7809\begin{aligned}\int_0^{24} r(t) \, dt &= \left. 4t -\frac{1}{0.263} \cos(0.263t + 4.7) + \frac{1}{0.526} \sin(0.526t + 9.4) \right|_0^{24} \\ &= \left[ 4 \cdot 24 -\frac{1}{0.263} \cos(0.263 \cdot 24 + 4.7) + \frac{1}{0.526} \sin(0.526 \cdot 24 + 9.4) \right] - \left[ -\frac{1}{0.263} \cos(4.7) + \frac{1}{0.526} \sin(9.4) \right] \\ &\approx 95.7809\end{aligned} 메가와트시의 전력이 2424시간 동안 사용된다. (d) 구간 [0,24][0,24] 에서 비율 함수 rr 의 평균값은 다음과 같다. rAVG⁡[0,24]=124−0∫024r(t) dt .\displaystyle r_{\operatorname{AVG} [0,24]} = \frac{1}{24-0} \int_{0}^{24} r(t) \, dt\,. 따라서 (c)의 계산에 의해 다음을 얻는다. rAVG⁡[0,24]≈124⋅95.7809=3.99087\displaystyle r_{\operatorname{AVG} [0,24]} \approx \frac{1}{24} \cdot 95.7809 = 3.99087 이 값의 단위는 메가와트이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) In the following plot, we see that the model is reasonable because it appears to be periodic and repeats every 2424 hours, as well as that the rate of consumption seems to peak at the times of day where people are most active in their homes: around 77 a.m. and around 55 p.m. A plot of r(t) = 4 + sin(0.263t + 4.7) + cos(0.526t+9.4) on the interval -2 lt t lt 26. The function has equal global minimums at t = 0 and t = 24, equal global maxnimums at t approx 7 and t approx 17 (b) The meaning of ∫024r(t) dt\int_0^{24} r(t) \, dt is the total power consumed in 2424 hours, measured in megawatt-hours. This is because r(t)r(t) is measured in megawatts and △t\triangle t in hours, and thus in the Riemann sum that corresponds to the definite integral, the terms in the sum of the form r(t)⋅△tr(t) \cdot \triangle t have units “megawatt-hours”. Moreover, by integrating the rate of power consumption we get the total change in power consumed. (c) In a typical day, we know that Mathland consumes ∫024r(t) dt\int_0^{24} r(t) \, dt megawatt-hours of power, and thus we seek to evaluate the integral ∫024r(t) dt=∫024[4+sin⁡(0.263t+4.7)+cos⁡(0.526t+9.4)] dt .\int_0^{24} r(t) \, dt = \int_0^{24} \left[ 4 + \sin(0.263t + 4.7) + \cos(0.526t+9.4) \right] \, dt\,. To do so, we use the subtitutions u=0.263t+4.7u = 0.263t + 4.7 (so du=0.263 dtdu = 0.263 \, dt) and w=0.526t+9.4w = 0.526t + 9.4 (so dw=0.526 dtdw = 0.526 \, dt) to help us antidifferentiate the two trigonometric expressions, and thus we find that ∫sin⁡(0.263t+4.7) dt=10.263∫sin⁡(u) du=−10.263cos⁡(u)=−10.263cos⁡(0.263t+4.7)\int \sin(0.263t + 4.7) \, dt = \frac{1}{0.263} \int \sin(u) \, du = -\frac{1}{0.263} \cos(u) = -\frac{1}{0.263} \cos(0.263t + 4.7) and ∫cos⁡(0.526t+9.4) dt=10.526∫cos⁡(w) dw=10.526sin⁡(w)=10.526sin⁡(0.526t+9.4) .\int \cos(0.526t + 9.4) \, dt = \frac{1}{0.526} \int \cos(w) \, dw = \frac{1}{0.526} \sin(w) = \frac{1}{0.526} \sin(0.526t + 9.4)\,. Putting this all together and using the Fundamental Theorem of Calculus, we have ∫024r(t) dt=4t−10.263cos⁡(0.263t+4.7)+10.526sin⁡(0.526t+9.4)∣024=[4⋅24−10.263cos⁡(0.263⋅24+4.7)+10.526sin⁡(0.526⋅24+9.4)]−[−10.263cos⁡(4.7)+10.526sin⁡(9.4)]≈95.7809\begin{aligned}\int_0^{24} r(t) \, dt &= \left. 4t -\frac{1}{0.263} \cos(0.263t + 4.7) + \frac{1}{0.526} \sin(0.526t + 9.4) \right|_0^{24} \\ &= \left[ 4 \cdot 24 -\frac{1}{0.263} \cos(0.263 \cdot 24 + 4.7) + \frac{1}{0.526} \sin(0.526 \cdot 24 + 9.4) \right] - \left[ -\frac{1}{0.263} \cos(4.7) + \frac{1}{0.526} \sin(9.4) \right] \\ &\approx 95.7809\end{aligned} megawatt-hours of power used in 2424 hours. (d) We know that the average value of the rate function rr on [0,24][0,24] is rAVG⁡[0,24]=124−0∫024r(t) dt .\displaystyle r_{\operatorname{AVG} [0,24]} = \frac{1}{24-0} \int_{0}^{24} r(t) \, dt\,. Thus, by our work in (c), we have that rAVG⁡[0,24]≈124⋅95.7809=3.99087\displaystyle r_{\operatorname{AVG} [0,24]} \approx \frac{1}{24} \cdot 95.7809 = 3.99087 which is measured in megawatts.

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