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적분 기법 전체 문제

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23문제 · 2 / 2쪽

21.CLP-2 · 1.13절 · 37번대학 수준우리말 번역

∫xex(x+1)2 dx\displaystyle\int\frac{xe^x}{(x+1)^2}~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫xex(x+1)2 dx\displaystyle\int\frac{xe^x}{(x+1)^2}~\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

처음에는 치환 u=x+1u=x+1 이 괜찮아 보이지만, 쉽게 적분할 수 있는 꼴이 되지는 않는다. 적분하려는 함수가 유리함수가 아니므로 부분분수 분해는 쓸 수 없다. 삼각치환 계열의 문제로도 보이지 않는다. 그러므로 부분적분을 생각해 보자. 피적분함수를 두 부분으로 나누는 방법은 여러 가지가 있다. 예를 들어 (x(x+1)2)(ex)\Big(\frac{x}{(x+1)^2}\Big)\Big(e^x\Big) 으로 볼 수도 있고, (xx+1)(exx+1)\Big(\frac{x}{x+1}\Big)\Big(\frac{e^x}{x+1}\Big) 으로 볼 수도 있다. 몇 차례 시행착오를 거쳐 u=xexu=xe^x, dv=(x+1)−2 dx\mathrm{d}v=(x+1)^{-2}~\mathrm{d}x 로 정한다. 그러면 du=ex(x+1)\mathrm{d}u=e^x(x+1) 이고 v=−1x+1v=\frac{-1}{x+1} 이다.

∫xex(x+1)2 dx=−xexx+1+∫ex(x+1)x+1dx=−xexx+1+∫exdx=−xexx+1+ex+C=exx+1+C\begin{aligned} \int\frac{xe^x}{(x+1)^2}~\mathrm{d}x&=-\frac{xe^x}{x+1} +\int \frac{e^x(x+1)}{x+1}\mathrm{d}x \\&=-\frac{xe^x}{x+1} +\int e^x\mathrm{d}x\\ &=-\frac{xe^x}{x+1}+e^x+C \\&= \frac{e^x}{x+1}+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The substitution u=x+1u=x+1 looks promising at first, but doesn't result in something easily integrable. We can't use partial fractions because our integration isn't rational. This doesn't look like something from the trig-substitution family. So, let's think about integration by parts. There's a lot of different ways we could break up the integrand into two parts. For example, we could view it as (x(x+1)2)(ex)\Big(\frac{x}{(x+1)^2}\Big)\Big(e^x\Big), or we could view it as (xx+1)(exx+1)\Big(\frac{x}{x+1}\Big)\Big(\frac{e^x}{x+1}\Big). After some trial and error, we settle on u=xexu=xe^x and dv=(x+1)−2 dx\mathrm{d}v=(x+1)^{-2}~\mathrm{d}x. Then du=ex(x+1)\mathrm{d}u=e^x(x+1) and v=−1x+1v=\frac{-1}{x+1}.

∫xex(x+1)2 dx=−xexx+1+∫ex(x+1)x+1dx=−xexx+1+∫exdx=−xexx+1+ex+C=exx+1+C\begin{aligned} \int\frac{xe^x}{(x+1)^2}~\mathrm{d}x&=-\frac{xe^x}{x+1} +\int \frac{e^x(x+1)}{x+1}\mathrm{d}x \\&=-\frac{xe^x}{x+1} +\int e^x\mathrm{d}x\\ &=-\frac{xe^x}{x+1}+e^x+C \\&= \frac{e^x}{x+1}+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 7번
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CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
22.CLP-2 · 1.13절 · 38번대학 수준우리말 번역

∫xsin⁡xcos⁡2x dx\displaystyle\int \frac{x\sin x}{\cos^2 x}\,\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

∫sec⁡xdx=log⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C\int \sec x\mathrm{d}x = \log|\sec x+\tan x| +C 임을 이용해도 됩니다.

영어 원문 보기

Evaluate ∫xsin⁡xcos⁡2x dx\displaystyle\int \frac{x\sin x}{\cos^2 x}\,\mathrm{d}x.

You may use that ∫sec⁡xdx=log⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C\int \sec x\mathrm{d}x = \log|\sec x+\tan x| +C.

정답·풀이 보기

u=xu=x 로 놓고 부분적분을 하면 좋겠다. 그러면 ∫v du\int v~\mathrm{d}u 를 적분하게 되는데 du=dx\mathrm{d}u = \mathrm{d}x 이기 때문이다. 즉 xx 가 사라지고 삼각함수만 있는 적분이 남는다. u=xu=x 로 놓으면 dv=sin⁡xcos⁡2x\mathrm{d}v = \frac{\sin x}{\cos^2 x} 이다. vv 를 구해야 한다.

v=∫sin⁡xcos⁡2x dx=∫tan⁡xsec⁡x dx=sec⁡x이제 부분적분을 이용한다.∫xsin⁡xcos⁡2xdx=xsec⁡x−∫sec⁡x dx=xsec⁡x−log⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C\begin{aligned} v&=\int \frac{\sin x}{\cos^2 x}~\mathrm{d}x = \int \tan x \sec x~\mathrm{d}x = \sec x \\ \text{이제 부분적분을 이용한다.} \\ \int \frac{x\sin x}{\cos^2 x}\mathrm{d}x&=x\sec x - \int \sec x ~\mathrm{d}x= x\sec x - \log|\sec x + \tan x|+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

It would be nice to use integration by parts with u=xu=x, because then we would integrate ∫v du\int v~\mathrm{d}u, and du=dx\mathrm{d}u = \mathrm{d}x. That is, the xx would go away, and we'd be left with a pure trig integral. If we use u=xu=x, then dv=sin⁡xcos⁡2x\mathrm{d}v = \frac{\sin x}{\cos^2 x}. We need to find vv:

v=∫sin⁡xcos⁡2x dx=∫tan⁡xsec⁡x dx=sec⁡xNow we use integration by parts.∫xsin⁡xcos⁡2xdx=xsec⁡x−∫sec⁡x dx=xsec⁡x−log⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C\begin{aligned} v&=\int \frac{\sin x}{\cos^2 x}~\mathrm{d}x = \int \tan x \sec x~\mathrm{d}x = \sec x \\ \text{Now we use integration by parts.} \\ \int \frac{x\sin x}{\cos^2 x}\mathrm{d}x&=x\sec x - \int \sec x ~\mathrm{d}x= x\sec x - \log|\sec x + \tan x|+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 8번
# 적분 전략 고르기계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
23.CLP-2 · 1.13절 · 39번대학 수준우리말 번역

aa 와 nn 이 상수일 때, ∫x(x+a)n dx\displaystyle\int x(x+a)^n~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫x(x+a)n dx\displaystyle\int x(x+a)^n~\mathrm{d}x, where aa and nn are constants.

정답·풀이 보기

모르는 지수 때문에 겁이 난다면, 더 쉬운 경우에는 이것이 어떤 모양인지 생각해 보자. nn 이 0 이상의 정수이면 피적분함수는 다항식이다. 그리 무섭지 않다. 다만 전개하기가 조금 복잡하다. (매우 편리한 이항정리를 이용하여 전개할 수 있다.) 더 쉬운 방법을 생각해 보자.

이항식 x+ax+a 대신 문자 xx 만 nn 제곱되어 있다면 더 좋을 것이다. 그러므로 치환 u=x+au=x+a, du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x 를 이용하자. 이때 x=u−ax=u-a 임에 주의한다.

∫x(x+a)n dx=∫(u−a)un dx=∫(un+1−aun) du이제 n≠−1 이고 n≠−2 이면 거듭제곱 법칙을 그대로 쓸 수 있다:=u(n+2)n+2−aun+1n+1+C=(x+a)(n+2)n+2−a(x+a)n+1n+1+Cn=−1 이면∫x(x+a)n dx=∫(un+1−aun) du=∫(1−au) du=u−alog⁡∣u∣+C=(x+a)−alog⁡∣x+a∣+Cn=−2 이면∫x(x+a)n dx=∫(un+1−aun) du=∫(1u−au−2) du=log⁡∣u∣+au+C=log⁡∣x+a∣+ax+a+C종합하면,∫x(x+a)n dx={(x+a)(n+2)n+2−a(x+a)n+1n+1+C 조건: n≠−1,−2(x+a)−alog⁡∣a+x∣+C 조건: n=−1log⁡∣x+a∣+ax+a+C 조건: n=−2\begin{aligned} \int x(x+a)^n~\mathrm{d}x&=\int (u-a)u^n~\mathrm{d}x = \int \big(u^{n+1}-au^n\big)~\mathrm{d}u \\ \text{이제 $n\neq -1$ 이고 $n \neq -2$ 이면 거듭제곱 법칙을 그대로 쓸 수 있다:} \\ &=\frac{u^{(n+2)}}{n+2}-a\frac{u^{n+1}}{n+1}+C\\ &=\frac{(x+a)^{(n+2)}}{n+2}-a\frac{(x+a)^{n+1}}{n+1}+C \\ \text{$n=-1$ 이면} \\ \int x(x+a)^n~\mathrm{d}x&=\int \big(u^{n+1}-au^n\big)~\mathrm{d}u =\int \left(1 - \frac{a}{u}\right)~\mathrm{d}u \\&= u - a\log|u|+C = (x+a)-a\log|x+a|+C \\ \text{$n=-2$ 이면} \\ \int x(x+a)^n~\mathrm{d}x&=\int \big(u^{n+1}-au^n\big)~\mathrm{d}u=\int\left( \frac{1}{u} - au^{-2}\right)~\mathrm{d}u \\& = \log|u| + \frac{a}{u}+C= \log|x+a| + \frac{a}{x+a}+C \\ \text{종합하면,} \\ \int x(x+a)^n~\mathrm{d}x&=\begin{cases} \frac{(x+a)^{(n+2)}}{n+2}-a\frac{(x+a)^{n+1}}{n+1}+C&\text{ 조건: } n \neq -1,-2\\ (x+a)-a\log|a+x|+C & \text{ 조건: } n=-1\\ \log|x+a| +\frac{a}{x+a}+C& \text{ 조건: } n=-2 \end{cases} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

If the unknown exponent gives you the jitters, think about what this looks like in easier cases. If nn is a whole number, the integrand is a polynomial. Not so scary, right? However, it's a little complicated to expand. (You can do it using the very handy binomial theorem.) Let's think of an easier way.

If we had simply the variable xx raised to the power nn, rather than the binomial x+ax+a, that might be nicer. So, let's use the substitution u=x+au=x+a, du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x. Note x=u−ax=u-a.

∫x(x+a)n dx=∫(u−a)un dx=∫(un+1−aun) duNow, if n≠−1 and n≠−2, we can just use the power rule:=u(n+2)n+2−aun+1n+1+C=(x+a)(n+2)n+2−a(x+a)n+1n+1+CIf n=−1, then∫x(x+a)n dx=∫(un+1−aun) du=∫(1−au) du=u−alog⁡∣u∣+C=(x+a)−alog⁡∣x+a∣+CIf n=−2, then∫x(x+a)n dx=∫(un+1−aun) du=∫(1u−au−2) du=log⁡∣u∣+au+C=log⁡∣x+a∣+ax+a+CAll together,∫x(x+a)n dx={(x+a)(n+2)n+2−a(x+a)n+1n+1+C if n≠−1,−2(x+a)−alog⁡∣a+x∣+C if n=−1log⁡∣x+a∣+ax+a+C if n=−2\begin{aligned} \int x(x+a)^n~\mathrm{d}x&=\int (u-a)u^n~\mathrm{d}x = \int \big(u^{n+1}-au^n\big)~\mathrm{d}u \\ \text{Now, if $n\neq -1$ and $n \neq -2$, we can just use the power rule:} \\ &=\frac{u^{(n+2)}}{n+2}-a\frac{u^{n+1}}{n+1}+C\\ &=\frac{(x+a)^{(n+2)}}{n+2}-a\frac{(x+a)^{n+1}}{n+1}+C \\ \text{If $n=-1$, then} \\ \int x(x+a)^n~\mathrm{d}x&=\int \big(u^{n+1}-au^n\big)~\mathrm{d}u =\int \left(1 - \frac{a}{u}\right)~\mathrm{d}u \\&= u - a\log|u|+C = (x+a)-a\log|x+a|+C \\ \text{If $n=-2$, then} \\ \int x(x+a)^n~\mathrm{d}x&=\int \big(u^{n+1}-au^n\big)~\mathrm{d}u=\int\left( \frac{1}{u} - au^{-2}\right)~\mathrm{d}u \\& = \log|u| + \frac{a}{u}+C= \log|x+a| + \frac{a}{x+a}+C \\ \text{All together,} \\ \int x(x+a)^n~\mathrm{d}x&=\begin{cases} \frac{(x+a)^{(n+2)}}{n+2}-a\frac{(x+a)^{n+1}}{n+1}+C&\text{ if } n \neq -1,-2\\ (x+a)-a\log|a+x|+C & \text{ if } n=-1\\ \log|x+a| +\frac{a}{x+a}+C& \text{ if } n=-2 \end{cases} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.5절 · 6번
# 적분 전략 고르기계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)