제곱근을 없애려면, 제곱근 안의 식과 같은 꼴의 삼각함수 항등식이 나오도록 치환을 선택해야 한다.
(a)
이 문제에는 삼각함수를 쓰지 않는 뚜렷한 치환이 없으므로, 분모의 제곱근을 없애기 위해 삼각치환을 사용한다. 제곱근 안은 함수 9x2−16 이고, 이는 (함수) − (상수) 꼴이다. 이 꼴은 삼각함수 항등식 sec2θ−1=tan2θ 와 맞는다. x 는 필요한 대로 정할 수 있지만, 상수 16 은 같은 방식으로 조절할 수 없다. 그래서 치환이 성립하도록 항등식을 다른 꼴로 바꾸어 양변에 16 을 곱하면 다음과 같다.
(b)
이 문제에는 삼각함수를 쓰지 않는 뚜렷한 치환이 없으므로, 분모의 제곱근을 없애기 위해 삼각치환을 사용한다. 제곱근 안은 함수 1−4x2 이고, 이는 (상수) − (함수) 꼴이다. 이 꼴은 삼각함수 항등식 1−sin2θ=cos2θ 와 맞는다. 우리가 원하는 것은 다음이 되게 하는 치환이다.
따라서 제곱근이 없어졌다. ∣cosθ∣ 에서 절댓값 기호는 필요하지 않은데, −21≤x≤21 일 때 θ=arcsin(2x) 는 −2π 와 2π 사이의 값이고, 그러한 θ 에 대해 cos(θ)≥0 이기 때문이다.
(c)
이 문제에는 삼각함수를 쓰지 않는 뚜렷한 치환이 없으므로, 분수 거듭제곱을 없애기 위해 삼각치환을 사용한다. (즉, 제곱근을 없애려는 것이다.) 거듭제곱의 밑은 함수 25+x2 이고, 이는 (상수) + (함수) 꼴이다. 이 꼴은 삼각함수 항등식 tan2θ+1=sec2θ 와 맞는다. x 는 필요한 대로 정할 수 있지만, 상수 25 는 같은 방식으로 조절할 수 없다. 그래서 치환이 성립하도록 항등식을 다른 꼴로 바꾸어 양변에 25 를 곱하면 다음과 같다.
따라서 제곱근이 없어졌다. ∣secθ∣ 에서 절댓값 기호는 필요하지 않은데, −∞<x<∞ 일 때 θ=arctan(x/5) 는 −2π 와 2π 사이의 값이고, 그러한 θ 에 대해 sec(θ)≥0 이기 때문이다.
원본 교재 풀이(영어)
In the text, there is a template for choosing an appropriate substitution, but for this problem we will explain the logic of the choices.
The trig identities that we can use are:
They have the following forms:1−sin2θ=cos2θconstant − functiontan2θ+1=sec2θfunction + constantsec2θ−1=tan2θfunction − constant
In order to cancel out the square root, we should choose a substitution that will match the argument under the square root with the trig identity of the corresponding form.
(a)
There's not an obvious non-trig substitution for evaluating this problem, so we want a trigonometric substitution to get rid of the square root in the denominator. Under the square root is the function 9x2−16, which has the form (function) − (constant). This form matches the trig identity sec2θ−1=tan2θ. We can set x to be whatever we need it to be, but we don't have the same control over the constant, 16. So, to make the substitution work, we use a different form of the trig identity: multiplying both sides by 16, we get
16sec2θ−16What we want is a substitution that gives us9x2−16So,9x2xUsing this substitution,9x2−16=16tan2θ=16sec2θ−16=16sec2θ=34secθ=16sec2θ−16=16tan2θ=4∣tanθ∣
So, we eliminated the square root.
(b)
There's not an obvious non-trig substitution for evaluating this problem, so we want a trigonometric substitution to get rid of the square root in the denominator. Under the square root is the function 1−4x2, which has the form (constant) − (function). This form matches the trig identity 1−sin2θ=cos2θ. What we want is a substitution that gives us
1−4x2So,4x2xUsing this substitution,1−4x2=1−sin2θ=sin2θ=21sinθ=1−sin2θ=cos2θ=∣cosθ∣
So, we eliminated the square root. We remark that the absolute value signs are not needed in ∣cosθ∣, because, for −21≤x≤21,
we have θ=arcsin(2x) between −2π and 2π,
and cos(θ)≥0 for those θ's.
(c)
There's not an obvious non-trig substitution for evaluating this problem, so we want a trigonometric substitution to get rid of the fractional power. (That is, we want to eliminate the square root.) The function under the power is 25+x2, which has the form (constant) + (function). This form matches the trig identity tan2θ+1=sec2θ. We can set x to be whatever we need it to be, but we don't have the same control over the constant, 25. So, to make the substitution work, we use a different form of the trig identity: multiplying both sides by 25, we get
25tan2θ+25What we want is a substitution that gives us25+x2So,x2xUsing this substitution,(25+x2)−5/2=25sec2θ=25tan2θ+25=25tan2θ=5tanθ=(25+25tan2θ)−5/2=(25sec2θ)−5/2=(5∣secθ∣)−5
So, we eliminated the square root. We remark that the absolute value signs are not needed in ∣secθ∣, because, for −∞<x<∞,
we have θ=arctan(x/5) between −2π and 2π,
and sec(θ)≥0 for those θ's.
(a) sinθ=201 이면 cosθ 의 값은 얼마인가요?
(b) tanθ=7 이면 cscθ 의 값은 얼마인가요?
(c) secθ=2x−1 이면 tanθ 의 값은 얼마인가요?
영어 원문 보기
In each part of this question, assume θ is an angle in the interval [0,π/2].
(a) If sinθ=201, what is cosθ ?
(b) If tanθ=7, what is cscθ ?
(c) If secθ=2x−1, what is tanθ ?
답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
정답·풀이 보기
(a) sinθ=201 이고 θ 가 0과 π/2 사이에 있으면, 각 θ 를 가지고 반대쪽 변의 길이가 1, 빗변의 길이가 20인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 밑변의 길이는 202−12=399 이다. 따라서 cosθ=hypadj=20399 이다.
여기서 간단히 “타당성” 검사를 해 볼 수 있다. 201 은 0에 꽤 가까우므로 θ 도 0에 꽤 가까울 것이고, 따라서 cosθ 는 1에 꽤 가까워야 한다. 실제로 그렇다. 20399≈20400=2020=1 이다.
다른 방법으로, 항등식을 이용하여 이 문제를 풀 수도 있다.
sin2θ+cos2θ(201)2+cos2θcosθSince 0≤θ≤2π, cosθ≥0, socosθ=1=1=±1−4001=±20399=20399
(b) tanθ=7 이고 θ 가 0과 π/2 사이에 있으면, 각 θ 를 가지고 반대쪽 변의 길이가 7, 밑변의 길이가 1인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 빗변의 길이는 72+12=50=52 이다. 따라서 cscθ=opphyp=752 이다.
이번에도 간단히 타당성을 검사해 볼 수 있다. 7은 1보다 훨씬 크므로, 우리가 생각하는 삼각형은 위의 표준적인 그림의 삼각형과는 별로 닮지 않았다. 밑변이 짧고 높이가 꽤 높은 삼각형이다. 따라서 반대쪽 변과 빗변의 길이는 꽤 비슷하다. 실제로 752≈7.071 이므로 이 크기는 타당해 보인다.
(c) secθ=2x−1 이고 θ 가 0과 π/2 사이에 있으면, 각 θ 를 가지고 빗변의 길이가 x−1, 밑변의 길이가 2인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 반대쪽 변의 길이는 x−12−22=x−1−4=x−5 이다. 따라서 tanθ=adjopp=2x−5 이다.
항등식을 이용하여 이 문제를 풀 수도 있다. secθ 가 존재하므로 θ=2π 임에 주의한다.
(a) If sinθ=201 and θ is between 0 and π/2, then we can draw a right triangle with angle θ that has opposite side length 1, and hypotenuse length 20. By the Pythagorean Theorem, the adjacent side has length 202−12=399. So, cosθ=hypadj=20399.
We can do a quick “reasonableness" check here: 201 is pretty close to 0, so we might expect θ to be pretty close to 0, and so cosθ should be pretty close to 1. Indeed it is: 20399≈20400=2020=1.
Alternately, we can solve this problem using identities.
sin2θ+cos2θ(201)2+cos2θcosθSince 0≤θ≤2π, cosθ≥0, socosθ=1=1=±1−4001=±20399=20399
(b) If tanθ=7 and θ is between 0 and π/2, then we can draw a right triangle with angle θ that has opposite side length 7 and adjacent side length 1. By the Pythagorean Theorem, the hypotenuse has length 72+12=50=52. So, cscθ=opphyp=752.
Again, we can do a quick reasonableness check. Since 7 is much larger than 1, the triangle we're thinking of doesn't look much like the triangle in our standardized picture above: it's really quite tall, with a small base. So, the opposite side and hypotenuse are pretty close in length. Indeed, 752≈7.071, so this dimension seems reasonable.
(c) If secθ=2x−1 and θ is between 0 and π/2, then we can draw a right triangle with angle θ that has hypotenuse length x−1 and adjacent side length 2. By the Pythagorean Theorem, the opposite side has length x−12−22=x−1−4=x−5. So, tanθ=adjopp=2x−5.
We can also solve this using identities. Note that since secθ exists, θ=2π.
(a) θ=arccos(2x) 라 하자. 즉 cos(θ)=2x 이고 0≤θ≤π 이다. 그러면 각 θ 를 가지고, 이웃변의 부호 있는 길이가 x 이고(θ>2π 이면 x 는 음수임에 주의한다) 빗변의 길이가 2 인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 이 삼각형의 반대변의 길이는 4−x2 이다.
따라서
sin(arccos(2x))=sinθ=hypopp=24−x2
(b) θ=arctan(31) 라 하자. 즉 tan(θ)=31 이고 −2π≤θ≤2π 이다.
풀이 1: 그러면 θ=6π 이므로 sinθ=21 이다.
풀이 2: 그러면 각 θ 를 가지고, 반대변의 길이가 1 이고 이웃변의 길이가 3 인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 이 삼각형의 빗변의 길이는 32+12=2 이다.
따라서
sin(arctan(31))=sinθ=hypopp=21
(c) θ=arcsin(x) 라 하자. 즉 sin(θ)=x 이고 −2π≤θ≤2π 이다. 그러면 각 θ 를 가지고, 반대변의 길이가 x 이고 빗변의 길이가 1 인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 이 삼각형의 이웃변의 길이는 1−x 이다.
따라서
sec(arcsin(x))=secθ=adjhyp=1−x1
원본 교재 풀이(영어)
(a) Let θ=arccos(2x). That is, cos(θ)=2x, and 0≤θ≤π. Then we can draw the corresponding right triangle with angle θ with adjacent side of signed length x (we note that if θ>2π, then x is negative) and hypotenuse of length 2. By the Pythagorean Theorem, the opposite side of the triangle has length 4−x2.
So,
sin(arccos(2x))=sinθ=hypopp=24−x2
(b) Let θ=arctan(31). That is, tan(θ)=31, and −2π≤θ≤2π.
Solution 1: Then θ=6π, so sinθ=21.
Solution 2: Then we can draw the corresponding right triangle with angle θ with opposite side of length 1 and adjacent side of length 3. By the Pythagorean Theorem, the hypotenuse of the triangle has length 32+12=2.
So,
sin(arctan(31))=sinθ=hypopp=21
(c) Let θ=arcsin(x). That is, sin(θ)=x, and −2π≤θ≤2π. Then we can draw the corresponding right triangle with angle θ with opposite side of length x and hypotenuse of length 1. By the Pythagorean Theorem, the adjacent side of the triangle has length 1−x.
분모에 중복된 일차인수 (ax+b)n 이 있고 분자의 차수가 분모의 차수보다 (엄밀히) 작은 유리함수가 있다고 하자. 부분분수분해에서 다음 항들
ax+bA1+(ax+b)2A2+(ax+b)3A3+⋯+(ax+b)nAn(1)
을 하나의 항
(ax+b)nB1+B2x+B3x2+⋯+Bnxn−1(2)
으로 바꾸어도 여전히 해를 구할 수 있음이 보장된다.
부분분수분해에서 (2)의 단일 항 대신 (1)의 합을 사용하는 이유는 무엇인지 설명하세요.
영어 원문 보기
Here is a fact:
Suppose we have a rational function with a repeated linear factor (ax+b)n in the denominator, and the degree of the numerator is strictly less than the degree of the denominator. In the partial fraction decomposition, we can replace the terms
ax+bA1+(ax+b)2A2+(ax+b)3A3+⋯+(ax+b)nAn(1)
with the single term
(ax+b)nB1+B2x+B3x2+⋯+Bnxn−1(2)
and still be guaranteed to find a solution.
Why do we use the sum in (1), rather than the single term in (2), in partial fraction decomposition?
정답·풀이 보기
부분분수분해의 목표는 피적분함수를 적분하기 쉬운 꼴로 쓰는 것이다. (1)의 부정적분은 치환 u=(ax+b) 로 쉽게 구할 수 있다. 반면 (2)의 부정적분은 어떻게 구해야 할지 분명하지 않다.
원본 교재 풀이(영어)
The goal of partial fraction decomposition is to write our integrand in a form that is easy to integrate. The antiderivative of (1) can be easily determined with the substitution u=(ax+b). It's less clear how to find the antiderivative of (2).
어떤 물체의 부피를 1.5m3 로 어림했는데, 정확한 부피는 1.387m3 이다. 이 어림값의 상대오차, 절대오차, 백분율 오차를 구하세요.
영어 원문 보기
Suppose we approximate an object to have volume 1.5m3, when its exact volume is 1.387m3. Give the relative error, absolute error, and percent error of our approximation.
정답·풀이 보기
절대오차는 두 값의 차이다:
∣1.387−1.5∣=0.113
상대오차는 절대오차를 정확한 값으로 나눈 것이다:
1.3870.113≈0.08147
백분율 오차는 상대오차의 100배이다:
≈8.147%
원본 교재 풀이(영어)
The absolute error is the difference between the two values:
∣1.387−1.5∣=0.113
The relative error is the absolute error divided by the exact value:
1.3870.113≈0.08147
The percent error is 100 times the relative error:
≈8.147%
어머니의 나이는 100세 미만이고, 나의 나이는 200세 미만이라고 하자. (이 이야기는 어딘가로 이어진다.) 누가 더 나이가 많은지 말하세요.
영어 원문 보기
Suppose my mother is under 100 years old, and I am under 200 years old. (We're going somewhere with this.) Who is older?
정답·풀이 보기
어떤 합리적인 가정을 하더라도(내가 어머니보다 나이가 많은 상황을 만들어 내려다 들킨 사람은 최고 보안 등급의 대학원으로 보내질 것이다.) 어머니가 나보다 나이가 많다.
원본 교재 풀이(영어)
Under any reasonable assumptions (Anyone caught trying to come up with a scenario in which I am older than my mother will be sent to maximum security grad school.), my mother is older than I am.
For which values of b is the integral
∫0bx2−11dx improper?
정답·풀이 보기
b=±∞ 이면 적분 구간의 한 끝이 실수가 아니므로 이 적분은 이상적분이다.
또한 적분 구간이 무한 불연속점 x=1 과 x=−1 중 어느 하나라도 포함하면 이 적분은 이상적분이다. 적분 구간의 한 끝이 0이므로, b≥1 이거나 b≤−1 이면 이상적분이다.
아래에 x2−11 의 그래프를 그려 두었다. 다른 쪽 적분 구간의 끝이 a=0 일 때, (−1,1) 에 속하는 b 의 값만 이상적분이 되지 않는 이유를 이 그래프로 더 분명히 알 수 있다.
원본 교재 풀이(영어)
If b=±∞, then our integral is improper because one limit is not a real number.
Furthermore, our integral will be improper if its domain of integration contains either of its infinite discontinuities, x=1 and x=−1. Since one limit of integration is 0, the integral is improper if b≥1 or if b≤−1.
Below, we've graphed x2−11 to make it clearer why values of b in (−1,1) are the only values that don't result in an improper integral when the other limit of integration is a=0.