문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분 기법

적분 기법 전체 문제

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

536문제 · 27 / 27쪽

521.CLP-2 · 1.13절 · 25번대학 수준우리말 번역

다음 적분의 값을 구하세요. ∫3x2+4x+6(x+1)3 dx\displaystyle\int \frac{3x^2+4x+6}{(x+1)^3} \, \mathrm{d}x.

영어 원문 보기

Evaluate ∫3x2+4x+6(x+1)3 dx\displaystyle\int \frac{3x^2+4x+6}{(x+1)^3} \, \mathrm{d}x.

정답·풀이 보기

부분분수 분해를 이용하면 이 식을 다루기 쉬운 조각들로 나눌 수 있다. 분모에 일차식 인수가 중복되어 있으므로, 그 인수의 거듭제곱으로 상수를 나눈 꼴들의 합으로 분해할 수 있다.

3x2+4x+6(x+1)3=Ax+1+B(x+1)2+C(x+1)3=A(x+1)2+B(x+1)+C(x+1)3⇒    3x2+4x+6=A(x+1)2+B(x+1)+C=Ax2+(2A+B)x+(A+B+C)따라서 계수를 비교하면:A=3, 2A+B=4, 그리고 A+B+C=6A=3, B=−2, C=5그러므로:3x2+4x+6(x+1)3=3x+1+−2(x+1)2+5(x+1)3 이제 u=x+1, du=dx 로 치환하면 적분은 쉽다:∫3x2+4x+6(x+1)3dx=∫(3x+1+−2(x+1)2+5(x+1)3)dx=∫(3u−1−2u−2+5u−3)du=3log⁡∣u∣+2u−1−52u−2+C=3log⁡∣x+1∣+2x+1−52(x+1)2+C\begin{aligned} \frac{3x^2+4x+6}{(x+1)^3} &=\frac{A}{x+1}+\frac{B}{(x+1)^2}+\frac{C}{(x+1)^3}\\ &=\frac{A(x+1)^2+B(x+1)+C}{(x+1)^3}\\ \Rightarrow ~~~~ 3x^2+4x+6&=A(x+1)^2+B(x+1)+C\\ &=Ax^2+(2A+B)x+(A+B+C) \\ \text{따라서 계수를 비교하면:} \\ &A=3, ~2A+B=4,\text{ 그리고 } A+B+C=6\\ &A=3, ~B=-2,~C=5 \\ \text{그러므로:} \\ \frac{3x^2+4x+6}{(x+1)^3} &= \frac{ 3}{x+1}+\frac{ -2}{(x+1)^2}+\frac{ 5}{(x+1)^3} \\ \text{ 이제 $u=x+1$, $\mathrm{d}u=\mathrm{d}x$ 로 치환하면 적분은 쉽다:} \\ \int\frac{3x^2+4x+6}{(x+1)^3} \mathrm{d}x&= \int\left(\frac{3}{x+1}+\frac{-2}{(x+1)^2}+\frac{5}{(x+1)^3}\right)\mathrm{d}x\\ &=\int \left( 3u^{-1}-2u^{-2}+5u^{-3}\right)\mathrm{d}u\\ &=3\log|u|+2u^{-1}-\frac{5}{2} u^{-2}+C\\ &=3\log|x+1|+\frac{2}{x+1}-\frac{5}{2(x+1)^2}+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We can use partial fraction decomposition to break this into chunks that we can deal with. The denominator has a repeated linear factor, so it can be decomposed as the sum of constants divided by powers of that factor.

3x2+4x+6(x+1)3=Ax+1+B(x+1)2+C(x+1)3=A(x+1)2+B(x+1)+C(x+1)3⇒    3x2+4x+6=A(x+1)2+B(x+1)+C=Ax2+(2A+B)x+(A+B+C)So, by matching coefficients:A=3, 2A+B=4, and A+B+C=6A=3, B=−2, C=5Therefore:3x2+4x+6(x+1)3=3x+1+−2(x+1)2+5(x+1)3 Now, the integration is easy, with a substitution of u=x+1 and du=dx:∫3x2+4x+6(x+1)3dx=∫(3x+1+−2(x+1)2+5(x+1)3)dx=∫(3u−1−2u−2+5u−3)du=3log⁡∣u∣+2u−1−52u−2+C=3log⁡∣x+1∣+2x+1−52(x+1)2+C\begin{aligned} \frac{3x^2+4x+6}{(x+1)^3} &=\frac{A}{x+1}+\frac{B}{(x+1)^2}+\frac{C}{(x+1)^3}\\ &=\frac{A(x+1)^2+B(x+1)+C}{(x+1)^3}\\ \Rightarrow ~~~~ 3x^2+4x+6&=A(x+1)^2+B(x+1)+C\\ &=Ax^2+(2A+B)x+(A+B+C) \\ \text{So, by matching coefficients:} \\ &A=3, ~2A+B=4,\text{ and } A+B+C=6\\ &A=3, ~B=-2,~C=5 \\ \text{Therefore:} \\ \frac{3x^2+4x+6}{(x+1)^3} &= \frac{ 3}{x+1}+\frac{ -2}{(x+1)^2}+\frac{ 5}{(x+1)^3} \\ \text{ Now, the integration is easy, with a substitution of $u=x+1$ and $\mathrm{d}u=\mathrm{d}x$:} \\ \int\frac{3x^2+4x+6}{(x+1)^3} \mathrm{d}x&= \int\left(\frac{3}{x+1}+\frac{-2}{(x+1)^2}+\frac{5}{(x+1)^3}\right)\mathrm{d}x\\ &=\int \left( 3u^{-1}-2u^{-2}+5u^{-3}\right)\mathrm{d}u\\ &=3\log|u|+2u^{-1}-\frac{5}{2} u^{-2}+C\\ &=3\log|x+1|+\frac{2}{x+1}-\frac{5}{2(x+1)^2}+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 31번
# 적분 전략 고르기계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
522.CLP-2 · 1.13절 · 26번대학 수준우리말 번역

∫1x2+x+1 dx\displaystyle\int\frac{1}{x^2+x+1}\,\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫1x2+x+1 dx\displaystyle\int\frac{1}{x^2+x+1}\,\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

분모가 x2+1x^2+1 이라면 부정적분은 아크탄젠트가 될 것이다. 그러므로 완전제곱식을 이용하여, 어떤 uu 에 대해 분수가 1u2+1\dfrac{1}{u^2+1} 꼴이 되도록 하자. 이는 상수 아래에 있는 기약 이차식을 적분할 때 좋은 방법이다.

첫째: 완전제곱식을 만든다∫1x2+x+1dx=∫1x2+x+14+34dx=∫1(x+12)2+34dx둘째: 분모를 u2+1 꼴로 만든다. 이를 위해 상수를 조정해야 한다=∫(1(x+12)2+34)(4343)dx=43∫143⋅(x+12)2+1dx이제 분모의 앞부분을 다시 어떤 것의 제곱 꼴로 만들기 위해 살짝 고친다:=43∫1(23x+13)2+1dx이제 u=23x+13, du=23dx 로 놓으면 됨을 알 수 있다=43∫1u2+1⋅32du=23∫1u2+1du=23arctan⁡u+C=23arctan⁡(23x+13)+C\begin{aligned} \\ \text{첫째: 완전제곱식을 만든다} \\ \int\frac{1}{x^2+x+1}\mathrm{d}x&= \int\frac{1}{x^2+x+\frac{1}{4}+\frac{3}{4}}\mathrm{d}x = \int\frac{1}{\left(x+\frac{1}{2}\right)^2+\frac{3}{4}}\mathrm{d}x \\ \text{둘째: 분모를 $u^2+1$ 꼴로 만든다. 이를 위해 상수를 조정해야 한다} \\ &=\int\left(\frac{1}{\left(x+\frac{1}{2}\right)^2+\frac{3}{4}}\right)\left(\frac{\frac{4}{3}}{\frac{4}{3}}\right)\mathrm{d}x\\ &=\frac{4}{3}\int\frac{1}{\frac{4}{3}\cdot\left(x+\frac{1}{2}\right)^2+1}\mathrm{d}x \\ \text{이제 분모의 앞부분을 다시 어떤 것의 제곱 꼴로 만들기 위해 살짝 고친다:} \\ &=\frac{4}{3}\int\frac{1}{\left(\frac{2}{\sqrt{3}}x+\frac{1}{\sqrt{3}}\right)^2+1}\mathrm{d}x \\ \text{이제 $u=\dfrac{2}{\sqrt{3}}x+\dfrac{1}{\sqrt{3}}$, $\mathrm{d}u=\dfrac{2}{\sqrt3}\mathrm{d}x$ 로 놓으면 됨을 알 수 있다} \\ &=\frac{4}{3}\int\frac{1}{u^2+1}\cdot\frac{\sqrt{3}}{2}\mathrm{d}u =\frac{2}{\sqrt3}\int\frac{1}{u^2+1}\mathrm{d}u\\ &=\frac{2}{\sqrt3}\arctan u +C\\ &=\frac{2}{\sqrt3}\arctan\left(\frac{2}{\sqrt3}x+\frac{1}{\sqrt3}\right) +C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

If the denominator were x2+1x^2+1, the antiderivative would be arctangent. So, by completing the square, let's aim for the fraction to look like 1u2+1\dfrac{1}{u^2+1}, for some uu. This is a good strategy for integrating an irreducible quadratic under a constant.

First: complete the square∫1x2+x+1dx=∫1x2+x+14+34dx=∫1(x+12)2+34dxSecond: get the denominator in the form u2+1. To do this, we need to fix the constant=∫(1(x+12)2+34)(4343)dx=43∫143⋅(x+12)2+1dxNow a quick wiggle to make that first part of the denominator into something squared again:=43∫1(23x+13)2+1dxNow we see that u=23x+13, du=23dx will do the job=43∫1u2+1⋅32du=23∫1u2+1du=23arctan⁡u+C=23arctan⁡(23x+13)+C\begin{aligned} \\ \text{First: complete the square} \\ \int\frac{1}{x^2+x+1}\mathrm{d}x&= \int\frac{1}{x^2+x+\frac{1}{4}+\frac{3}{4}}\mathrm{d}x = \int\frac{1}{\left(x+\frac{1}{2}\right)^2+\frac{3}{4}}\mathrm{d}x \\ \text{Second: get the denominator in the form $u^2+1$. To do this, we need to fix the constant} \\ &=\int\left(\frac{1}{\left(x+\frac{1}{2}\right)^2+\frac{3}{4}}\right)\left(\frac{\frac{4}{3}}{\frac{4}{3}}\right)\mathrm{d}x\\ &=\frac{4}{3}\int\frac{1}{\frac{4}{3}\cdot\left(x+\frac{1}{2}\right)^2+1}\mathrm{d}x \\ \text{Now a quick wiggle to make that first part of the denominator into something squared again:} \\ &=\frac{4}{3}\int\frac{1}{\left(\frac{2}{\sqrt{3}}x+\frac{1}{\sqrt{3}}\right)^2+1}\mathrm{d}x \\ \text{Now we see that $u=\dfrac{2}{\sqrt{3}}x+\dfrac{1}{\sqrt{3}}$, $\mathrm{d}u=\dfrac{2}{\sqrt3}\mathrm{d}x$ will do the job} \\ &=\frac{4}{3}\int\frac{1}{u^2+1}\cdot\frac{\sqrt{3}}{2}\mathrm{d}u =\frac{2}{\sqrt3}\int\frac{1}{u^2+1}\mathrm{d}u\\ &=\frac{2}{\sqrt3}\arctan u +C\\ &=\frac{2}{\sqrt3}\arctan\left(\frac{2}{\sqrt3}x+\frac{1}{\sqrt3}\right) +C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 30번
# 적분 전략 고르기계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
523.CLP-2 · 1.13절 · 27번대학 수준우리말 번역

∫sin⁡xcos⁡xtan⁡x dx\displaystyle\int \sin x \cos x \tan x~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫sin⁡xcos⁡xtan⁡x dx\displaystyle\int \sin x \cos x \tan x~\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

tan⁡x=sin⁡xcos⁡x\tan x =\frac{\sin x}{\cos x} 이므로,

∫sin⁡xcos⁡xtan⁡x dx=∫sin⁡2x dx=∫12(1−cos⁡(2x)) dx=12(x−12sin⁡(2x))+C=12(x−sin⁡xcos⁡x)+C\begin{aligned} \int \sin x \cos x \tan x~\mathrm{d}x&=\int \sin^2 x~\mathrm{d}x = \int \frac{1}{2}\big(1-\cos(2x) \big)~\mathrm{d}x\\ &=\frac12\left(x - \frac{1}{2}\sin(2x) \right)+C \\&=\frac12\left(x -\sin x \cos x \right)+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Since tan⁡x=sin⁡xcos⁡x\tan x =\frac{\sin x}{\cos x},

∫sin⁡xcos⁡xtan⁡x dx=∫sin⁡2x dx=∫12(1−cos⁡(2x)) dx=12(x−12sin⁡(2x))+C=12(x−sin⁡xcos⁡x)+C\begin{aligned} \int \sin x \cos x \tan x~\mathrm{d}x&=\int \sin^2 x~\mathrm{d}x = \int \frac{1}{2}\big(1-\cos(2x) \big)~\mathrm{d}x\\ &=\frac12\left(x - \frac{1}{2}\sin(2x) \right)+C \\&=\frac12\left(x -\sin x \cos x \right)+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 37번
# 적분 전략 고르기계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
524.CLP-2 · 1.13절 · 30번대학 수준우리말 번역

∫0π/2cos⁡t+1 dt\displaystyle\int_0^{\pi/2}\sqrt{\cos t+1}\ \mathrm{d}t 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫0π/2cos⁡t+1 dt\displaystyle\int_0^{\pi/2}\sqrt{\cos t+1}\ \mathrm{d}t.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

제곱근이 없었으면 좋겠다. 다행히 코사인을 코사인의 제곱으로 바꾸는 방법이 있다. 바로 항등식 cos⁡(2x)=2cos⁡2x−1\cos(2x) = 2\cos^2x -1 이다. 2x=t2x=t 로 놓으면 cos⁡t=2cos⁡2(t/2)−1\cos t = 2\cos^2(t/2)-1 이다.

∫0π/2cos⁡t+1 dt=∫0π/22cos⁡2(t/2) dt=2∫0π/2∣cos⁡(t/2)∣ dt구간 [0,π2] 에서 cos⁡(t/2)>0 이므로 절댓값 기호를 없앨 수 있다.=2∫0π/2cos⁡(t/2) dt=2[2sin⁡(t2)]0π/2=22sin⁡(π4)=2\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\sqrt{\cos t+1}\ \mathrm{d}t&=\int_0^{\pi/2}\sqrt{2\cos^2 (t/2)}~\mathrm{d}t = \sqrt{2}\int_0^{\pi/2} |\cos (t/2)|~\mathrm{d}t \\ \text{구간 $[0,\frac{\pi}{2}]$ 에서 $\cos (t/2) >0$ 이므로 절댓값 기호를 없앨 수 있다.} \\ &= \sqrt{2}\int_0^{\pi/2} \cos (t/2)~\mathrm{d}t = \sqrt{2}\left[2\sin\left(\frac{t}{2}\right)\right]_0^{\pi/2}\\ &=2\sqrt{2}\sin\left(\frac{\pi}{4}\right) = {2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We would like to not have that square root there. Luckily, there's a way of turning cosine into cosine squared: the identity cos⁡(2x)=2cos⁡2x−1\cos(2x) = 2\cos^2x -1. If we take 2x=t2x=t, then cos⁡t=2cos⁡2(t/2)−1\cos t = 2\cos^2(t/2)-1.

∫0π/2cos⁡t+1 dt=∫0π/22cos⁡2(t/2) dt=2∫0π/2∣cos⁡(t/2)∣ dtOver the interval [0,π2], cos⁡(t/2)>0, so we can drop the absolute values.=2∫0π/2cos⁡(t/2) dt=2[2sin⁡(t2)]0π/2=22sin⁡(π4)=2\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\sqrt{\cos t+1}\ \mathrm{d}t&=\int_0^{\pi/2}\sqrt{2\cos^2 (t/2)}~\mathrm{d}t = \sqrt{2}\int_0^{\pi/2} |\cos (t/2)|~\mathrm{d}t \\ \text{Over the interval $[0,\frac{\pi}{2}]$, $\cos (t/2) >0$, so we can drop the absolute values.} \\ &= \sqrt{2}\int_0^{\pi/2} \cos (t/2)~\mathrm{d}t = \sqrt{2}\left[2\sin\left(\frac{t}{2}\right)\right]_0^{\pi/2}\\ &=2\sqrt{2}\sin\left(\frac{\pi}{4}\right) = {2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 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)
525.CLP-2 · 1.13절 · 31번대학 수준우리말 번역

∫1elog⁡xx dx\displaystyle\int_1^e \frac{\log\sqrt{x}}{{x}}\,\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫1elog⁡xx dx\displaystyle\int_1^e \frac{\log\sqrt{x}}{{x}}\,\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
  • 풀이 1: 로그의 성질에 의해 log⁡x=log⁡(x1/2)=12log⁡x\log\sqrt{x} = \log\left(x^{1/2}\right)=\frac{1}{2}\log x 이므로 다음과 같이 간단히 할 수 있다: ∫1elog⁡xxdx=∫1elog⁡x2xdx\int_1^e \frac{\log\sqrt{x}}{{x}}\mathrm{d}x =\int_1^e \frac{\log{x}}{{2x}}\mathrm{d}x

치환 u=log⁡xu=\log x, du=1xdx\mathrm{d}u=\frac{1}{x}\mathrm{d}x 를 사용한다:

∫1elog⁡x2xdx=12∫1elog⁡(x)⏟u⋅1x dx⏟du=12∫log⁡(1)log⁡(e)u du=12∫01u du=12[12u2]01=12[12−0]=14\begin{aligned} \int_1^e \frac{\log{x}}{{2x}}\mathrm{d}x&=\frac{1}{2}\int_1^e \underbrace{\log(x)}_{u}\cdot\underbrace{\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x}_{\mathrm{d}u}\\ &=\frac{1}{2}\int_{\log(1)}^{\log(e)}u\,\mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{2}\int_{0}^{1}u\,\mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{2}\left[ \frac{1}{2}u^2\right]_0^1\\ &=\frac{1}{2}\left[\frac{1}{2}-0\right]=\dfrac{1}{4} \end{aligned}

  • 풀이 2: 치환 u=log⁡xu=\log\sqrt{x} 를 사용한다. 그러면 dudx=1x⋅12x=12x\dfrac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}=\dfrac{1}{\sqrt{x}}\cdot\dfrac{1}{2\sqrt{x}}=\dfrac{1}{2x} 이므로 2du=1xdx2\mathrm{d}u=\dfrac{1}{x}\mathrm{d}x 이다. 이는 주어진 적분에 딱 맞는다!

∫1elog⁡xxdx=∫log⁡1log⁡eu⋅2du=[u2]01/2=(12)2−02=14\begin{aligned} \int_1^e\frac{\log\sqrt{x}}{x}\mathrm{d}x &= \int_{\log\sqrt{1}}^{\log\sqrt{e}}u\cdot 2\mathrm{d}u \\ &=\Big[u^2\Big]_{0}^{1/2}\\ &=\left(\frac{1}{2}\right)^2-0^2=\frac{1}{4} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)
  • Solution 1: Using logarithm rules, log⁡x=log⁡(x1/2)=12log⁡x\log\sqrt{x} = \log\left(x^{1/2}\right)=\frac{1}{2}\log x, so we can simplify: ∫1elog⁡xxdx=∫1elog⁡x2xdx\int_1^e \frac{\log\sqrt{x}}{{x}}\mathrm{d}x =\int_1^e \frac{\log{x}}{{2x}}\mathrm{d}x

We use the substitution u=log⁡xu=\log x, du=1xdx\mathrm{d}u=\frac{1}{x}\mathrm{d}x:

∫1elog⁡x2xdx=12∫1elog⁡(x)⏟u⋅1x dx⏟du=12∫log⁡(1)log⁡(e)u du=12∫01u du=12[12u2]01=12[12−0]=14\begin{aligned} \int_1^e \frac{\log{x}}{{2x}}\mathrm{d}x&=\frac{1}{2}\int_1^e \underbrace{\log(x)}_{u}\cdot\underbrace{\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x}_{\mathrm{d}u}\\ &=\frac{1}{2}\int_{\log(1)}^{\log(e)}u\,\mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{2}\int_{0}^{1}u\,\mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{2}\left[ \frac{1}{2}u^2\right]_0^1\\ &=\frac{1}{2}\left[\frac{1}{2}-0\right]=\dfrac{1}{4} \end{aligned}

  • Solution 2: We use the substitution u=log⁡xu=\log\sqrt{x}. Then dudx=1x⋅12x=12x\dfrac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}=\dfrac{1}{\sqrt{x}}\cdot\dfrac{1}{2\sqrt{x}}=\dfrac{1}{2x}, hence 2du=1xdx2\mathrm{d}u=\dfrac{1}{x}\mathrm{d}x. This fits our integral nicely!

∫1elog⁡xxdx=∫log⁡1log⁡eu⋅2du=[u2]01/2=(12)2−02=14\begin{aligned} \int_1^e\frac{\log\sqrt{x}}{x}\mathrm{d}x &= \int_{\log\sqrt{1}}^{\log\sqrt{e}}u\cdot 2\mathrm{d}u \\ &=\Big[u^2\Big]_{0}^{1/2}\\ &=\left(\frac{1}{2}\right)^2-0^2=\frac{1}{4} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 26번
# 적분 전략 고르기계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
526.CLP-2 · 1.13절 · 32번대학 수준우리말 번역

다음 값을 구하세요. ∫0.10.2tan⁡xlog⁡(cos⁡x) dx\displaystyle\int_{0.1}^{0.2} \frac{\tan x}{\log(\cos x)}\, \mathrm{d}x.

영어 원문 보기

Evaluate ∫0.10.2tan⁡xlog⁡(cos⁡x) dx\displaystyle\int_{0.1}^{0.2} \frac{\tan x}{\log(\cos x)}\, \mathrm{d}x.

정답·풀이 보기

∫0.10.2tan⁡xlog⁡(cos⁡x)dx\int_{0.1}^{0.2} \frac{\tan x}{\log(\cos x)} \mathrm{d}x

이 문제는 어떻게 풀어야 할지 바로 떠오르지 않을 수 있다. 그러므로 이것은 통하지 않는 방법을 찾았다고 낙담해서는 안 되는 적분의 또 다른 예이다. 지금까지 우리에게 효과가 있었던 방법 하나는 분모를 uu로 놓는 치환을 쓰는 것이다. 이를 염두에 두고 분모의 도함수를 구해 보자. ddx{log⁡(cos⁡x)}=1cos⁡x⋅(−sin⁡x)=−sin⁡xcos⁡x=−tan⁡x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\log(\cos x)\right\}= \frac{1}{\cos x}\cdot (-\sin x) = \frac{-\sin x}{\cos x} = -\tan x

따라서 u=log⁡(cos⁡xu=\log(\cos x)로 놓으면 −du=tan⁡xdx-\mathrm{d}u=\tan x \mathrm{d}x 이므로 치환에 쓸 수 있다.

∫0.10.2tan⁡xlog⁡(cos⁡x)dx=∫log⁡(cos⁡(0.1))log⁡(cos⁡(0.2))−duu=[−log⁡∣u∣]log⁡(cos⁡(0.1))log⁡(cos⁡(0.2))=−log⁡∣log⁡(cos⁡0.2)∣+log⁡∣log⁡(cos⁡0.1)∣=log⁡∣log⁡(cos⁡(0.1))log⁡(cos⁡(0.2))∣=log⁡(log⁡(cos⁡(0.1))log⁡(cos⁡(0.2)))\begin{aligned} \int_{0.1}^{0.2} \frac{\tan x}{\log(\cos x)} \mathrm{d}x&= \int_{\log(\cos(0.1))}^{\log(\cos(0.2))} \frac{-\mathrm{d}u}{u}\\ &=\Big[-\log|u|\Big]_{\log(\cos(0.1))}^{\log(\cos(0.2))} \\ &= -\log|\log(\cos 0.2)|+\log|\log(\cos 0.1)|\\ &={\log\left|\frac{\log(\cos(0.1))}{\log(\cos(0.2))}\right|}\\&= \log\left(\frac{\log(\cos(0.1))}{\log(\cos(0.2))}\right) \end{aligned}

주목할 점: 피적분함수는 log⁡(cos⁡x)\log(\cos x) 가 존재하고 0이 아닐 때에만 정의된다. 예를 들어 x=0x=0 일 때는 log⁡cos⁡x=log⁡1=0\log\cos x = \log1=0 이 되어 0으로 나눌 수 없으므로 정의되지 않는다.

마지막 정리에서 0.10.1 과 0.20.2 는 0과 π/2\pi/2 사이에 있으므로 코사인 값은 양수이면서 1보다 작다. 따라서 log⁡(cos⁡0.1)\log(\cos 0.1) 과 log⁡(cos⁡0.2)\log(\cos 0.2) 는 모두 음수이고, 그 몫은 양수이므로 절댓값 기호를 없앨 수 있다.

밑 변환 공식을 쓰면 최종 답을 log⁡(log⁡cos⁡(0.2)cos⁡(0.1))\log\left(\log_{\cos (0.2)}\cos(0.1)\right) 로도 나타낼 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

∫0.10.2tan⁡xlog⁡(cos⁡x)dx\int_{0.1}^{0.2} \frac{\tan x}{\log(\cos x)} \mathrm{d}x

It might not be immediately obvious how to proceed on this one, so this is another example of an integral where you should not be discouraged by finding methods that don't work. One thing that's worked for us in the past is to use a uu-substitution with the denominator. With that in mind, let's find the derivative of the denominator. ddx{log⁡(cos⁡x)}=1cos⁡x⋅(−sin⁡x)=−sin⁡xcos⁡x=−tan⁡x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\log(\cos x)\right\}= \frac{1}{\cos x}\cdot (-\sin x) = \frac{-\sin x}{\cos x} = -\tan x

So, if we let u=log⁡(cos⁡xu=\log(\cos x), we see −du=tan⁡xdx-\mathrm{d}u=\tan x \mathrm{d}x, which will work for a substitution.

∫0.10.2tan⁡xlog⁡(cos⁡x)dx=∫log⁡(cos⁡(0.1))log⁡(cos⁡(0.2))−duu=[−log⁡∣u∣]log⁡(cos⁡(0.1))log⁡(cos⁡(0.2))=−log⁡∣log⁡(cos⁡0.2)∣+log⁡∣log⁡(cos⁡0.1)∣=log⁡∣log⁡(cos⁡(0.1))log⁡(cos⁡(0.2))∣=log⁡(log⁡(cos⁡(0.1))log⁡(cos⁡(0.2)))\begin{aligned} \int_{0.1}^{0.2} \frac{\tan x}{\log(\cos x)} \mathrm{d}x&= \int_{\log(\cos(0.1))}^{\log(\cos(0.2))} \frac{-\mathrm{d}u}{u}\\ &=\Big[-\log|u|\Big]_{\log(\cos(0.1))}^{\log(\cos(0.2))} \\ &= -\log|\log(\cos 0.2)|+\log|\log(\cos 0.1)|\\ &={\log\left|\frac{\log(\cos(0.1))}{\log(\cos(0.2))}\right|}\\&= \log\left(\frac{\log(\cos(0.1))}{\log(\cos(0.2))}\right) \end{aligned}

Things to notice: the integrand is only defined when log⁡(cos⁡x)\log(\cos x) exists AND is nonzero. So, for instance, it is not defined when x=0x=0, because then log⁡cos⁡x=log⁡1=0\log\cos x = \log1=0, and we can't divide by zero.

In the final simplification, since 0.10.1 and 0.20.2 are between 0 and π/2\pi/2, the cosine term is positive but less than one, so log⁡(cos⁡0.1)\log(\cos 0.1) and log⁡(cos⁡0.2)\log(\cos 0.2) are both negative; then their quotient is positive, so we can drop the absolute value signs.

Using the base change formula, we can also write the final answer as log⁡(log⁡cos⁡(0.2)cos⁡(0.1))\log\left(\log_{\cos (0.2)}\cos(0.1)\right).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 25번
# 적분 전략 고르기계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
527.CLP-2 · 1.13절 · 34번대학 수준우리말 번역

(근거를 들어) 값을 구하세요.

(a) ∫03(x+1)9−x2 dx\displaystyle\int_0^3(x+1)\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x (b) ∫4x+8(x−2)(x2+4) dx\displaystyle\int\frac{4x+8}{(x-2)(x^2+4)}\ \mathrm{d}x (c) ∫−∞+∞1ex+e−x dx\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} \frac{1}{e^x+e^{-x}}\ \mathrm{d}x

영어 원문 보기

Evaluate (with justification).

(a) ∫03(x+1)9−x2 dx\displaystyle\int_0^3(x+1)\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x (b) ∫4x+8(x−2)(x2+4) dx\displaystyle\int\frac{4x+8}{(x-2)(x^2+4)}\ \mathrm{d}x (c) ∫−∞+∞1ex+e−x dx\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} \frac{1}{e^x+e^{-x}}\ \mathrm{d}x

정답·풀이 보기

(a) 피적분함수를 전개하면 그중 한 부분은 매우 익숙한 원의 일부이다. 따라서 주어진 적분을 둘로 나눈다.

∫03(x+1)9−x2 dx=∫039−x2 dx+∫03x9−x2 dx\int_0^3(x+1)\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x = \int_0^3\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x +\int_0^3x\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x

첫째 항은 0≤x≤30\le x\le 3 에서 xx축의 위쪽, 곡선 y=9−x2y=\sqrt{9-x^2}, 즉 x2+y2=9x^2+y^2=9 의 아래쪽에 있는 부분의 넓이를 나타낸다. 이것은 반지름이 33 인 원의 사분원 하나의 넓이이다. 따라서

∫039−x2 dx=14(π⋅32)=94π\int_0^3\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x =\frac{1}{4}(\pi \cdot 3^2) = \frac{9}{4}\pi

둘째 항은 u=9−x2u=9-x^2, du=−2x dx\mathrm{d}u= -2x\,\mathrm{d}x 로 치환한다. u(0)=9u(0)=9 이고 u(3)=0u(3)=0 임에 주목한다. 따라서

∫03x9−x2 dx=∫90u du−2=−12[u3/23/2]90=−12[−273/2]=9\begin{aligned} \int_0^3x\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x = \int_9^0\sqrt{u} \ \frac{\mathrm{d}u}{-2} =-\frac{1}{2}\left[\frac{u^{3/2}}{3/2}\right]_9^0 =-\frac{1}{2}\left[-\frac{27}{3/2}\right] =9 \end{aligned}

모두 합하면

∫03(x+1)9−x2 dx=94π+9\int_0^3(x+1)\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x = \frac{9}{4}\pi + 9

이다.

(b) 피적분함수는 N(x)/D(x)N(x)/D(x) 꼴이며 D(x)D(x) 는 이미 인수분해되어 있고 N(x)N(x) 의 차수가 더 낮다. 곧바로 부분분수 분해를 찾는다.

4x+8(x−2)(x2+4)=Ax−2+Bx+Cx2+4.\frac{4x+8}{(x-2)(x^2+4)} = \frac{A}{x-2} + \frac{Bx+C}{x^2+4}.

양변에 분모를 곱하면

4x+8=A(x2+4)+(Bx+C)(x−2)(∗)\begin{aligned} 4x+8 &= A(x^2+4) + (Bx+C)(x-2) \tag{$*$} \end{aligned}

이다. x=2x=2 를 대입하면 다음을 얻는다.

8+8=A(4+4)+0  ⟹  16=8A  ⟹  A=2\begin{aligned} 8 +8 = A(4 + 4) + 0 \implies 16 =8A \implies A = 2 \end{aligned}

(∗)(*) 에 A=2A=2 를 대입하면

4x+8=A(x2+4)+(Bx+C)(x−2)  ⟹  −2x2+4x=(x−2)(Bx+C)  ⟹  (−2x)(x−2)=(Bx+C)(x−2)  ⟹  B=−2, C=0\begin{aligned} &&4x+8 &= A(x^2+4) + (Bx+C)(x-2) \\ &\implies & -2x^2+4 x &=(x-2)(Bx + C) \\ &\implies\qquad & (-2x)(x-2)&=(Bx + C)(x-2) \\ & \implies& B& =-2,~C=0 \end{aligned}

이다. 따라서 A=2A=2, B=−2B=-2, C=0C=0 임을 알았다. 그러므로

∫4x+8(x−2)(x2+4) dx=∫(red2x−2red−red2xx2+4) dx=2log⁡∣x−2∣−log⁡(x2+4)+C\begin{aligned} \int\frac{4x+8}{(x-2)(x^2+4)}\ \mathrm{d}x &= \int \bigg( \frac{{red}2}{x-2} {red}- \frac{{red}2x}{x^2+4} \bigg) \,\mathrm{d}x \\ &= 2 \log |x-2| - \log (x^2 + 4) + C \end{aligned}

이다. 여기서 둘째 적분은 부정적분을 짐작하는 것만으로 구했다. 다른 방법으로, u=x2+4u=x^2+4, du=2x dx\mathrm{d}u=2x\,\mathrm{d}x 로 치환할 수도 있다.

(c) 주어진 적분은 이상적분이지만, 그것은 적분의 위끝과 아래끝이 무한대이기 때문일 뿐이다. (피적분함수는 모든 실수에서 연속이다.) 따라서 극한을 두 번 취해야 한다. 그에 앞서 먼저 부정적분을 구하자. u=exu=e^x, du=ex dx\mathrm{d}u=e^x~\mathrm{d}x 로 치환하려 한다. 즉 1u du=dx\frac{1}{u}~\mathrm{d}u = \mathrm{d}x 이다.

∫1ex+e−x dx=∫1u(u+1u) du=∫1u2+1=arctan⁡u+C=arctan⁡(ex)+C이제 적분의 위끝과 아래끝을 다룰 수 있다.∫−∞∞1ex+e−x dx=∫−∞01ex+e−x dx+∫0∞1ex+e−x dx=lim⁡a→−∞[∫a01ex+e−x dx]+lim⁡b→∞[∫0b1ex+e−x dx]=lim⁡a→−∞[arctan⁡(ex)]a0+lim⁡b→∞[arctan⁡(ex)]0b=lim⁡a→−∞[arctan⁡(e0)−arctan⁡(ea)]+lim⁡b→∞[arctan⁡(eb)−arctan⁡(e0)]=lim⁡a→−∞[−arctan⁡(ea)]+lim⁡b→∞[arctan⁡(eb)]=−arctan⁡(0)+π2=π2\begin{aligned} \int \frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x&=\int \frac{1}{u(u+\frac{1}{u})}~\mathrm{d}u = \int\frac{1}{u^2+1} = \arctan u+C \\&=\arctan(e^x)+C \\ \text{이제 적분의 위끝과 아래끝을 다룰 수 있다.} \\ \int _{ -\infty}^\infty\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x&= \int _{ -\infty}^0\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x+ \int _{ 0}^\infty\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x\\&= \lim_{a \to -\infty}\left[\int_{a}^0\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x\right]+ \lim_{b \to \infty}\left[\int_{ 0}^b\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x\right]\\&= \lim_{a \to -\infty}\big[\arctan(e^x)\big]_a^0+ \lim_{b \to \infty}\big[\arctan(e^x)\big]_0^b\\&= \lim_{a \to -\infty}\big[\arctan(e^0)-\arctan(e^a)\big]+ \lim_{b \to \infty}\big[\arctan(e^b)-\arctan(e^0)\big]\\&= \lim_{a \to -\infty}\big[-\arctan(e^a)\big]+ \lim_{b \to \infty}\big[\arctan(e^b)\big]\\ &=-\arctan(0)+\frac{\pi}{2} = \frac{\pi}{2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) If we expand the integrand, one part of it is quite familiar–a portion of a circle. So, we split the specified integral in two.

∫03(x+1)9−x2 dx=∫039−x2 dx+∫03x9−x2 dx\int_0^3(x+1)\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x = \int_0^3\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x +\int_0^3x\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x

The first piece represents the area above the xx–axis and below the curve y=9−x2y=\sqrt{9-x^2}, i.e. x2+y2=9x^2+y^2=9, with 0≤x≤30\le x\le 3. That's the area of one quadrant of a disk of radius 33. So

∫039−x2 dx=14(π⋅32)=94π\int_0^3\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x =\frac{1}{4}(\pi \cdot 3^2) = \frac{9}{4}\pi

For the second part, we substitute u=9−x2u=9-x^2, du=−2x dx\mathrm{d}u= -2x\,\mathrm{d}x. Note u(0)=9u(0)=9 and u(3)=0u(3)=0. So,

∫03x9−x2 dx=∫90u du−2=−12[u3/23/2]90=−12[−273/2]=9\begin{aligned} \int_0^3x\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x = \int_9^0\sqrt{u} \ \frac{\mathrm{d}u}{-2} =-\frac{1}{2}\left[\frac{u^{3/2}}{3/2}\right]_9^0 =-\frac{1}{2}\left[-\frac{27}{3/2}\right] =9 \end{aligned}

All together,

∫03(x+1)9−x2 dx=94π+9\int_0^3(x+1)\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x = \frac{9}{4}\pi + 9

(b) The integrand is of the form N(x)/D(x)N(x)/D(x) with D(x)D(x) already factored and N(x)N(x) of lower degree. We immediately look for a partial fractions decomposition:

4x+8(x−2)(x2+4)=Ax−2+Bx+Cx2+4.\frac{4x+8}{(x-2)(x^2+4)} = \frac{A}{x-2} + \frac{Bx+C}{x^2+4}.

Multiplying through by the denominator yields

4x+8=A(x2+4)+(Bx+C)(x−2)(∗)\begin{aligned} 4x+8 &= A(x^2+4) + (Bx+C)(x-2) \tag{$*$} \end{aligned}

Setting x=2x=2 we find:

8+8=A(4+4)+0  ⟹  16=8A  ⟹  A=2\begin{aligned} 8 +8 = A(4 + 4) + 0 \implies 16 =8A \implies A = 2 \end{aligned}

Substituting A=2A=2 in (∗)(*) gives

4x+8=A(x2+4)+(Bx+C)(x−2)  ⟹  −2x2+4x=(x−2)(Bx+C)  ⟹  (−2x)(x−2)=(Bx+C)(x−2)  ⟹  B=−2, C=0\begin{aligned} &&4x+8 &= A(x^2+4) + (Bx+C)(x-2) \\ &\implies & -2x^2+4 x &=(x-2)(Bx + C) \\ &\implies\qquad & (-2x)(x-2)&=(Bx + C)(x-2) \\ & \implies& B& =-2,~C=0 \end{aligned}

So we have found that A=2A=2, B=−2B=-2, and C=0C=0. Therefore

∫4x+8(x−2)(x2+4) dx=∫(red2x−2red−red2xx2+4) dx=2log⁡∣x−2∣−log⁡(x2+4)+C\begin{aligned} \int\frac{4x+8}{(x-2)(x^2+4)}\ \mathrm{d}x &= \int \bigg( \frac{{red}2}{x-2} {red}- \frac{{red}2x}{x^2+4} \bigg) \,\mathrm{d}x \\ &= 2 \log |x-2| - \log (x^2 + 4) + C \end{aligned}

Here the second integral was found just by guessing an antiderivative. Alternatively, one could use the substitution u=x2+4u=x^2+4, du=2x dx\mathrm{d}u=2x\,\mathrm{d}x.

(c) The given integral is improper, but only because of its infinite limits of integration. (The integrand is continuous for all real numbers.) So, we'll have to take two limits. Before we do that, though, let's find the antiderivative. We would like to use the substitution u=exu=e^x, du=ex dx\mathrm{d}u=e^x~\mathrm{d}x. That is, 1u du=dx\frac{1}{u}~\mathrm{d}u = \mathrm{d}x.

∫1ex+e−x dx=∫1u(u+1u) du=∫1u2+1=arctan⁡u+C=arctan⁡(ex)+CNow we can deal with the limits of integration.∫−∞∞1ex+e−x dx=∫−∞01ex+e−x dx+∫0∞1ex+e−x dx=lim⁡a→−∞[∫a01ex+e−x dx]+lim⁡b→∞[∫0b1ex+e−x dx]=lim⁡a→−∞[arctan⁡(ex)]a0+lim⁡b→∞[arctan⁡(ex)]0b=lim⁡a→−∞[arctan⁡(e0)−arctan⁡(ea)]+lim⁡b→∞[arctan⁡(eb)−arctan⁡(e0)]=lim⁡a→−∞[−arctan⁡(ea)]+lim⁡b→∞[arctan⁡(eb)]=−arctan⁡(0)+π2=π2\begin{aligned} \int \frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x&=\int \frac{1}{u(u+\frac{1}{u})}~\mathrm{d}u = \int\frac{1}{u^2+1} = \arctan u+C \\&=\arctan(e^x)+C \\ \text{Now we can deal with the limits of integration.} \\ \int _{ -\infty}^\infty\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x&= \int _{ -\infty}^0\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x+ \int _{ 0}^\infty\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x\\&= \lim_{a \to -\infty}\left[\int_{a}^0\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x\right]+ \lim_{b \to \infty}\left[\int_{ 0}^b\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x\right]\\&= \lim_{a \to -\infty}\big[\arctan(e^x)\big]_a^0+ \lim_{b \to \infty}\big[\arctan(e^x)\big]_0^b\\&= \lim_{a \to -\infty}\big[\arctan(e^0)-\arctan(e^a)\big]+ \lim_{b \to \infty}\big[\arctan(e^b)-\arctan(e^0)\big]\\&= \lim_{a \to -\infty}\big[-\arctan(e^a)\big]+ \lim_{b \to \infty}\big[\arctan(e^b)\big]\\ &=-\arctan(0)+\frac{\pi}{2} = \frac{\pi}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.5절 · 4번
# 적분 전략 고르기계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
528.CLP-2 · 1.13절 · 35번대학 수준우리말 번역

∫x1−x dx\displaystyle\int \sqrt{\frac{x}{1-x}}~\mathrm{d}x 를 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫x1−x dx\displaystyle\int \sqrt{\frac{x}{1-x}}~\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

어디서부터 시작해야 할지 바로 분명하지는 않지만, 특히 제곱근이 포함되어 있을 때는 분모를 uu-치환에 이용하는 것이 우리가 지금까지 본 일반적인 방법이다.

u=1−xu = \sqrt{1-x}, du=−121−xdx\mathrm{d}u = -\frac{1}{2\sqrt{1-x}}\mathrm{d}x 라 하자. 그러면 u2=1−xu^2=1-x 이므로 x=1−u2x = 1-u^2 이다.

∫x1−x dx=2∫x21−x dx=−2∫1−u2 du이제 익숙한 상황으로 돌아왔다. u=sin⁡θ, du=cos⁡θ dθ 로 놓자.=−2∫1−sin⁡2θcos⁡θ dθ=−2∫cos⁡2θ dθ=−∫(1+cos⁡(2θ)) dθ=−θ−12sin⁡(2θ)+C=−θ−sin⁡θcos⁡θ+C=−arcsin⁡u−u1−u2+C![그림](clp/tikz/a3eaf2cde9.png) =−arcsin⁡(1−x)−1−xx+C(∗)\begin{aligned} \int \sqrt{\frac{x}{1-x}}~\mathrm{d}x&=2\int \frac{\sqrt{x}}{2\sqrt{1-x}}~\mathrm{d}x =- 2\int\sqrt{1-u^2}~\mathrm{d}u \\ \text{이제 익숙한 상황으로 돌아왔다. $u=\sin \theta$, $\mathrm{d}u=\cos \theta~\mathrm{d}\theta$ 로 놓자.} \\ &=-2\int\sqrt{1-\sin^2 \theta }\cos\theta~\mathrm{d}\theta\\ &=-2\int\cos^2\theta~\mathrm{d}\theta\\ &=-\int \big(1+\cos(2\theta)\big)~\mathrm{d}\theta\\ &=-\theta - \frac{1}{2}\sin(2\theta)+C\\ &=-\theta - \sin\theta\cos\theta+C\\ &=-\arcsin u - u\sqrt{1-u^2}+C \tag{$*$}\\ \smash{ ![그림](clp/tikz/a3eaf2cde9.png) }\,&=-\arcsin (\sqrt{1-x})-\sqrt{1-x}\sqrt{x}+C \end{aligned}

(∗*)에서 θ\theta 를 uu 로 바꾸기 위해, 치환 u=sin⁡θu=\sin\theta 로부터 θ=arcsin⁡u\theta = \arcsin u 임을 알 수 있다. cos⁡θ\cos \theta 를 구하려면, 풀이 과정을 거꾸로 따라가 이미 1−u2\sqrt{1-u^2} 을 cos⁡θ\cos\theta 로 간단히 했음을 확인하거나, 한 각이 θ\theta 이고 sin⁡θ=u\sin \theta=u 인 직각삼각형을 그린 다음 피타고라스 정리를 이용하여 이 삼각형의 밑변의 길이와 cos⁡θ\cos\theta 를 구하면 된다.

원본 교재 풀이(영어)

It's not immediately clear where to start, but a common method we've seen is to use the denominator in a uu-substitution, especially when square roots are involved.

Let u=1−xu = \sqrt{1-x}, du=−121−xdx\mathrm{d}u = -\frac{1}{2\sqrt{1-x}}\mathrm{d}x. Then u2=1−xu^2=1-x, so x=1−u2x = 1-u^2.

∫x1−x dx=2∫x21−x dx=−2∫1−u2 duNow we’re back in familiar territory. Let u=sin⁡θ, du=cos⁡θ dθ.=−2∫1−sin⁡2θcos⁡θ dθ=−2∫cos⁡2θ dθ=−∫(1+cos⁡(2θ)) dθ=−θ−12sin⁡(2θ)+C=−θ−sin⁡θcos⁡θ+C=−arcsin⁡u−u1−u2+C![figure](clp/tikz/a3eaf2cde9.png) =−arcsin⁡(1−x)−1−xx+C(∗)\begin{aligned} \int \sqrt{\frac{x}{1-x}}~\mathrm{d}x&=2\int \frac{\sqrt{x}}{2\sqrt{1-x}}~\mathrm{d}x =- 2\int\sqrt{1-u^2}~\mathrm{d}u \\ \text{Now we're back in familiar territory. Let $u=\sin \theta$, $\mathrm{d}u=\cos \theta~\mathrm{d}\theta$.} \\ &=-2\int\sqrt{1-\sin^2 \theta }\cos\theta~\mathrm{d}\theta\\ &=-2\int\cos^2\theta~\mathrm{d}\theta\\ &=-\int \big(1+\cos(2\theta)\big)~\mathrm{d}\theta\\ &=-\theta - \frac{1}{2}\sin(2\theta)+C\\ &=-\theta - \sin\theta\cos\theta+C\\ &=-\arcsin u - u\sqrt{1-u^2}+C \tag{$*$}\\ \smash{ ![figure](clp/tikz/a3eaf2cde9.png) }\,&=-\arcsin (\sqrt{1-x})-\sqrt{1-x}\sqrt{x}+C \end{aligned}

In (∗*), to convert from θ\theta to uu, our substitution u=sin⁡θu=\sin\theta tells us θ=arcsin⁡u\theta = \arcsin u. To find cos⁡θ\cos \theta, we can either trace our work backwards to see that we already simplified 1−u2\sqrt{1-u^2} into cos⁡θ\cos\theta, or we can draw a right triangle with angle θ\theta and sin⁡θ=u\sin \theta=u, then use the Pythagorean theorem to find the length of the adjacent side of the triangle and cos⁡θ\cos\theta.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.5절 · 2번
# 적분 전략 고르기계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
529.CLP-2 · 1.13절 · 36번대학 수준우리말 번역

∫01e2xeex dx\displaystyle\int_0^1e^{2x}e^{e^x}\,\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫01e2xeex dx\displaystyle\int_0^1e^{2x}e^{e^x}\,\mathrm{d}x.

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치환 u=exu=e^x 을 사용하자. 이것이 좋은 선택이라고 생각할 만한 이유가 몇 가지 있다. 이것은 “안쪽 함수”이다. f(x)=exf(x)=e^x 라 하면 f(ex)=eexf(e^x)=e^{e^x} 이고, 이는 피적분함수의 일부이기 때문이다. 또 e2x=ex⋅exe^{2x}=e^x\cdot e^x 이므로, 그 도함수 exe^x 가 피적분함수의 나머지 부분에 곱해져 있다.

u=exu=e^x 라 하면 du=exdx\mathrm{d}u = e^x\mathrm{d}x 이다. x=0x=0 일 때 u=1u=1 이고, x=1x=1 일 때 u=eu=e 이다.

∫01e2xeexdx=∫01exeexexdx=∫1eueu du이제 더 익숙한 꼴이다. dv=eu du, v=eu 으로 놓고 부분적분을 사용한다. 마침 치환에서 도입한 “u"를 부분적분의 “u"로 그대로 쓰면 되므로, 변수의 이름을 바꿀 필요가 없다.=[ueu]1e−∫1eeu du=e⋅ee−e−ee+e=ee(e−1)\begin{aligned} \displaystyle\int_0^1e^{2x}e^{e^x}\mathrm{d}x &= \int_0^1e^{x}e^{e^x}e^x\mathrm{d}x =\int_1^e ue^u~\mathrm{d}u \\ \text{이제 더 익숙한 꼴이다. $\mathrm{d}v = e^u~\mathrm{d}u$, $v=e^u$ 으로 놓고 부분적분을 사용한다. 마침 치환에서 도입한 ``$u$"를 부분적분의 ``$u$"로 그대로 쓰면 되므로, 변수의 이름을 바꿀 필요가 없다.} \\ &=\big[ue^u\big]_1^e - \int_1^e e^u~\mathrm{d}u\\ &=e\cdot e^e-e-e^e+e=e^e(e-1) \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Let's use the substitution u=exu=e^x. There are a few reasons to think this is a good choice. It's an “inside function," in that if we let f(x)=exf(x)=e^x, then f(ex)=eexf(e^x)=e^{e^x}, which is a piece of our integrand. Also its derivative, exe^x, is multiplied by the rest of the integrand, since e2x=ex⋅exe^{2x}=e^x\cdot e^x .

Let u=exu=e^x, du=exdx\mathrm{d}u = e^x\mathrm{d}x. When x=0x=0, u=1u=1, and when x=1x=1, u=eu=e.

∫01e2xeexdx=∫01exeexexdx=∫1eueu duThis is more familiar. We use integration by parts with dv=eu du, v=eu. Conveniently, the “u" we brought in with the substitution is what we want to use for the “u" in integration by parts, so we don’t have to change the names of our variables.=[ueu]1e−∫1eeu du=e⋅ee−e−ee+e=ee(e−1)\begin{aligned} \displaystyle\int_0^1e^{2x}e^{e^x}\mathrm{d}x &= \int_0^1e^{x}e^{e^x}e^x\mathrm{d}x =\int_1^e ue^u~\mathrm{d}u \\ \text{This is more familiar. We use integration by parts with $\mathrm{d}v = e^u~\mathrm{d}u$, $v=e^u$. Conveniently, the ``$u$" we brought in with the substitution is what we want to use for the ``$u$" in integration by parts, so we don't have to change the names of our variables.} \\ &=\big[ue^u\big]_1^e - \int_1^e e^u~\mathrm{d}u\\ &=e\cdot e^e-e-e^e+e=e^e(e-1) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 4번
# 적분 전략 고르기계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
530.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
# 적분 전략 고르기계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
531.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)
532.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)
533.Active Calculus · 5.5절 · 6번대학 수준우리말 번역

유리함수를 포함한 다음 각 적분에 대해, (1) CAS를 사용하여 피적분함수의 부분분수 분해를 구하세요. (2) 기술의 도움 없이 (1)에서 얻은 함수의 적분을 계산하세요. (3) CAS를 사용하여 원래의 적분을 계산하고, (2)의 결과와 비교하여 확인하세요.

(a) ∫x3+x+1x4−1 dx\int \frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} \, dx (b) ∫x5+x2+3x3−6x2+11x−6 dx\int \frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} \, dx (c) ∫x2−x−1(x−3)3 dx\int \frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} \, dx

영어 원문 보기

For each of the following integrals involving rational functions, (1) use a CAS to find the partial fraction decomposition of the integrand; (2) evaluate the integral of the resulting function without the assistance of technology; (3) use a CAS to evaluate the original integral to test and compare your result in (2).

(a) ∫x3+x+1x4−1 dx\int \frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} \, dx (b) ∫x5+x2+3x3−6x2+11x−6 dx\int \frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} \, dx (c) ∫x2−x−1(x−3)3 dx\int \frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} \, dx

정답·풀이 보기

(a) 울프럼알파로 구하면 x3+x+1x4−1=−12(x2+1)+14(x+1)+34(x−1) .\frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} = -\frac{1}{2(x^2+1)} + \frac{1}{4(x+1)} + \frac{3}{4(x-1)}\,. 이다. 그러면 기본적인 부정적분을 이용하여 ∫x3+x+1x4−1 dx=∫−12(x2+1)+14(x+1)+34(x−1) dx=∫−12(x2+1) dx+∫14(x+1) dx+int34(x−1) dx=−12arctan⁡(x)+14ln⁡∣x+1∣+34ln⁡∣x−1∣+C\begin{aligned}\int \frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} \, dx &= \int -\frac{1}{2(x^2+1)} + \frac{1}{4(x+1)} + \frac{3}{4(x-1)} \ dx \\ &= \int -\frac{1}{2(x^2+1)} \ dx + \int \frac{1}{4(x+1)} \ dx + int \frac{3}{4(x-1)} \ dx \\ &= -\frac{1}{2} \arctan(x) + \frac{1}{4} \ln|x+1| + \frac{3}{4} \ln|x-1| + C\end{aligned} 울프럼알파에 x3+x+1x4−1\frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} 의 적분을 직접 구하게 하면 ∫x3+x+1x4−1 dx=14(3log⁡(1−x)+log⁡(x+1)−2arctan⁡x)+C .\int \frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} \, dx = \frac{1}{4} \left( 3\log(1-x) + \log(x+1) - 2\arctan{x} \right) + C\,. 이다. 14\frac{1}{4} 을 분배하여 정리하고, 울프럼알파는 로그가 포함된 적분에서 절댓값을 쓰지 않으며 ∣x−1∣=∣1−x∣|x-1| = |1-x| 임에 주목하면, 두 결과가 같음을 알 수 있다. (b) 울프럼알파로 구하면 x5+x2+3x3−6x2+11x−6=x2+6x+25+2552(x−3)−39x−2+52(x−1) .\frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} = x^2 + 6x + 25 + \frac{255}{2(x-3)} - \frac{39}{x-2} + \frac{5}{2(x-1)}\,. 이다. 그러면 기본적인 부정적분을 이용하여 ∫x5+x2+3x3−6x2+11x−6 dx=∫x2+6x+25+2552(x−3)−39x−2+52(x−1) dx=∫x2 dx+∫6x dx+∫25 dx+∫2552(x−3) dx−∫39x−2 dx+∫52(x−1) dx=x33+3x2+25x+2552ln⁡∣x−3∣−39ln⁡∣x−2∣+52ln⁡∣x−1∣+C .\begin{aligned}\int \frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} \, dx &= \int x^2 + 6x + 25 + \frac{255}{2(x-3)} - \frac{39}{x-2} + \frac{5}{2(x-1)} \ dx \\ &= \int x^2 \ dx + \int 6x \ dx + \int 25 \ dx + \int \frac{255}{2(x-3)} \ dx - \int \frac{39}{x-2} \ dx + \int \frac{5}{2(x-1)} \ dx \\ &= \frac{x^3}{3} + 3x^2 + 25x + \frac{255}{2} \ln|x-3| - 39 \ln|x-2| + \frac{5}{2} \ln|x-1| + C\end{aligned}\,. 울프럼알파에 x5+x2+3x3−6x2+11x−6\frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} 의 적분을 직접 구하게 하면 (a)에서 언급한 점을 제외하고 같은 결과가 나온다. (c) 울프럼알파로 구하면 x2−x−1(x−3)3=1x−3+5(x−3)2+5(x−3)3 .\frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} = \frac{1}{x-3} + \frac{5}{(x-3)^2} + \frac{5}{(x-3)^3}\,. 이다. 그러면 기본적인 부정적분을 이용하여 ∫x2−x−1(x−3)3 dx=∫1x−3+5(x−3)2+5(x−3)3 dx=∫1x−3 dx+∫5(x−3)2 dx+∫5(x−3)3 dx=ln⁡∣x−3∣+∫5(x−3)−2 dx+∫5(x−3)−3 dx=ln⁡∣x−3∣−5x−3−52(x−3)2+C .\begin{aligned}\int \frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} \, dx &= \int \frac{1}{x-3} + \frac{5}{(x-3)^2} + \frac{5}{(x-3)^3} \ dx \\ &= \int \frac{1}{x-3} \ dx + \int \frac{5}{(x-3)^2} \ dx + \int \frac{5}{(x-3)^3} \ dx \\ &= \ln|x-3| + \int 5(x-3)^{-2} \ dx + \int 5(x-3)^{-3} \ dx \\ &= \ln|x-3| - \frac{5}{x-3} - \frac{5}{2(x-3)^2} + C\end{aligned}\,. 울프럼알파에 x2−x−1(x−3)3\frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} 의 적분을 직접 구하게 하면 ∫x2−x−1(x−3)3 dx=log⁡(x−3)−5(2x−5)2(x−3)2+C .\int \frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} \, dx = \log(x-3) - \frac{5(2x-5)}{2(x-3)^2} + C\,. 이다. 로그 부분은 같고, −5x−3−52(x−3)2=−5[2(x−3)+1]2(x−3)2=−5(2x−5)2(x−3)2 ,-\frac{5}{x-3} - \frac{5}{2(x-3)^2} = -\frac{5[2(x-3) + 1]}{2(x-3)^2} = -\frac{5(2x-5)}{2(x-3)^2}\,, 이므로 나머지 부분도 일치함을 알 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) WolframAlpha shows that x3+x+1x4−1=−12(x2+1)+14(x+1)+34(x−1) .\frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} = -\frac{1}{2(x^2+1)} + \frac{1}{4(x+1)} + \frac{3}{4(x-1)}\,. Then, using standard antiderivatives, ∫x3+x+1x4−1 dx=∫−12(x2+1)+14(x+1)+34(x−1) dx=∫−12(x2+1) dx+∫14(x+1) dx+int34(x−1) dx=−12arctan⁡(x)+14ln⁡∣x+1∣+34ln⁡∣x−1∣+C\begin{aligned}\int \frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} \, dx &= \int -\frac{1}{2(x^2+1)} + \frac{1}{4(x+1)} + \frac{3}{4(x-1)} \ dx \\ &= \int -\frac{1}{2(x^2+1)} \ dx + \int \frac{1}{4(x+1)} \ dx + int \frac{3}{4(x-1)} \ dx \\ &= -\frac{1}{2} \arctan(x) + \frac{1}{4} \ln|x+1| + \frac{3}{4} \ln|x-1| + C\end{aligned} Directly asking WolframAlpha to integrate x3+x+1x4−1\frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} yields ∫x3+x+1x4−1 dx=14(3log⁡(1−x)+log⁡(x+1)−2arctan⁡x)+C .\int \frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} \, dx = \frac{1}{4} \left( 3\log(1-x) + \log(x+1) - 2\arctan{x} \right) + C\,. By rearranging, distributing the 14\frac{1}{4}, and noticing that WolframAlpha does not use absolute value with integrals involving the logarithm (as well as that ∣x−1∣=∣1−x∣|x-1| = |1-x|), we see that these two results are the same. (b) WolframAlpha shows that x5+x2+3x3−6x2+11x−6=x2+6x+25+2552(x−3)−39x−2+52(x−1) .\frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} = x^2 + 6x + 25 + \frac{255}{2(x-3)} - \frac{39}{x-2} + \frac{5}{2(x-1)}\,. Then, using standard antiderivatives, ∫x5+x2+3x3−6x2+11x−6 dx=∫x2+6x+25+2552(x−3)−39x−2+52(x−1) dx=∫x2 dx+∫6x dx+∫25 dx+∫2552(x−3) dx−∫39x−2 dx+∫52(x−1) dx=x33+3x2+25x+2552ln⁡∣x−3∣−39ln⁡∣x−2∣+52ln⁡∣x−1∣+C .\begin{aligned}\int \frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} \, dx &= \int x^2 + 6x + 25 + \frac{255}{2(x-3)} - \frac{39}{x-2} + \frac{5}{2(x-1)} \ dx \\ &= \int x^2 \ dx + \int 6x \ dx + \int 25 \ dx + \int \frac{255}{2(x-3)} \ dx - \int \frac{39}{x-2} \ dx + \int \frac{5}{2(x-1)} \ dx \\ &= \frac{x^3}{3} + 3x^2 + 25x + \frac{255}{2} \ln|x-3| - 39 \ln|x-2| + \frac{5}{2} \ln|x-1| + C\end{aligned}\,. Directly asking WolframAlpha to integrate x5+x2+3x3−6x2+11x−6\frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} yields the same result with the caveats mentioned in part (a). (c) WolframAlpha shows that x2−x−1(x−3)3=1x−3+5(x−3)2+5(x−3)3 .\frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} = \frac{1}{x-3} + \frac{5}{(x-3)^2} + \frac{5}{(x-3)^3}\,. Then, using standard antiderivatives, ∫x2−x−1(x−3)3 dx=∫1x−3+5(x−3)2+5(x−3)3 dx=∫1x−3 dx+∫5(x−3)2 dx+∫5(x−3)3 dx=ln⁡∣x−3∣+∫5(x−3)−2 dx+∫5(x−3)−3 dx=ln⁡∣x−3∣−5x−3−52(x−3)2+C .\begin{aligned}\int \frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} \, dx &= \int \frac{1}{x-3} + \frac{5}{(x-3)^2} + \frac{5}{(x-3)^3} \ dx \\ &= \int \frac{1}{x-3} \ dx + \int \frac{5}{(x-3)^2} \ dx + \int \frac{5}{(x-3)^3} \ dx \\ &= \ln|x-3| + \int 5(x-3)^{-2} \ dx + \int 5(x-3)^{-3} \ dx \\ &= \ln|x-3| - \frac{5}{x-3} - \frac{5}{2(x-3)^2} + C\end{aligned}\,. Directly asking WolframAlpha to integrate x2−x−1(x−3)3\frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} yields ∫x2−x−1(x−3)3 dx=log⁡(x−3)−5(2x−5)2(x−3)2+C .\int \frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} \, dx = \log(x-3) - \frac{5(2x-5)}{2(x-3)^2} + C\,. The logarithm part is the same, and since −5x−3−52(x−3)2=−5[2(x−3)+1]2(x−3)2=−5(2x−5)2(x−3)2 ,-\frac{5}{x-3} - \frac{5}{2(x-3)^2} = -\frac{5[2(x-3) + 1]}{2(x-3)^2} = -\frac{5(2x-5)}{2(x-3)^2}\,, we see that the rest of the result matches as well.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3장 복습 · 20번
# 적분 전략 고르기계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
534.Active Calculus · 5.6절 · 5번대학 수준우리말 번역

정적분 ∫01xtan⁡(x) dx\int_0^1 x \tan(x) \, dx 를 생각하세요.

(a) 이 적분을 uu-치환이나 부분적분으로는 정확하게 계산할 수 없는 이유를 설명하세요. (b) 적절한 부분구간을 사용하여 L4L_4, R4R_4, M4M_4, T4T_4, S8S_8 을 계산하세요. (c) (b)의 근삿값 중 ∫01xtan⁡(x) dx\int_0^1 x \tan(x) \, dx 의 참값보다 큰 값은 어느 것입니까? 작은 값은 어느 것입니까? 그 이유는 무엇인지 설명하세요.

영어 원문 보기

Consider the definite integral ∫01xtan⁡(x) dx\int_0^1 x \tan(x) \, dx.

(a) Explain why this integral cannot be evaluated exactly by using either uu-substitution or by integrating by parts. (b) Using appropriate subintervals, compute L4L_4, R4R_4, M4M_4, T4T_4, and S8S_8. (c) Which of the approximations in (b) is an over-estimate to the true value of ∫01xtan⁡(x) dx\int_0^1 x \tan(x) \, dx? Which is an under-estimate? How do you know?

정답·풀이 보기

(a) 함수와 그 도함수의 쌍이 없으므로(합성함수조차 없으므로) uu-치환을 사용할 수 없다. 부분적분이 되지 않음을 보이는 것은 더 복잡하지만, 결국 다음 사실로 귀결된다. 자연스러운 선택인 u=xu = x, dv=tan⁡(x) dxdv = \tan(x) \, dx 를 쓰면 적분 ∫ln⁡(sec⁡(x)) dx\int \ln(\sec(x)) \, dx 를 계산해야 하는데, 이 적분은 초등함수로 나타낼 수 있는 원시함수를 갖지 않는 것으로 보인다. 대신 u=tan⁡(x)u = \tan(x), dv=x dxdv = x \, dx 로 놓으면 적분 ∫x2⋅sec⁡2(x) dx\int x^2 \cdot \sec^2(x) \, dx 를 계산해야 하는데, 이는 처음 적분보다 더 복잡하고 다시 부분적분을 시도하면 처음 상태로 되돌아가는 것처럼 보인다. (b) 계산 도구를 사용하여 다음 근삿값을 구한다. 값은 소수 55 째 자리까지 정확하게 나타낸 것이다.

  • L4=0.25892L_4 = 0.25892
  • R4=0.64827R_4 = 0.64827
  • M4=0.41550M_4 = 0.41550
  • T4=L4+R42=0.45360T_4 = \frac{L_4 + R_4}{2} = 0.45360
  • S8=2M4+T43=0.42820S_8 = \frac{2M_4 + T_4}{3} = 0.42820 (c) 이 근삿값들이나 f(x)=xtan⁡(x)f(x) = x\tan(x) 의 그래프로부터, 이 구간에서 ff 는 항상 증가하고 아래로 볼록임을 알 수 있다. 따라서 L4L_4 와 M4M_4 는 참값보다 작은 값이고, R4R_4 와 M4M_4 는 참값보다 큰 값이다.
원본 교재 풀이(영어)

(a) We can't use uu-substitution since there's not a function-derivative pair present (nor even a composite function). To show that integration by parts doesn't work is more complicated, but comes down to the fact that if we use the natural choice of u=xu = x and dv=tan⁡(x) dxdv = \tan(x) \, dx, to do so requires us to evaluate the integral ∫ln⁡(sec⁡(x)) dx\int \ln(\sec(x)) \, dx, which appears not to have an elementary antiderivative. If we try instead u=tan⁡(x)u = \tan(x) and dv=x dxdv = x \, dx, then we have to evaluate the integral ∫x2⋅sec⁡2(x) dx\int x^2 \cdot \sec^2(x) \, dx which is more complicated than the integral we started with and would seem to send us back where we started if we attempt integration by parts. (b) We use computational technology to generate the following estimates, which are reported to 55 decimal places of accuracy:

  • L4=0.25892L_4 = 0.25892
  • R4=0.64827R_4 = 0.64827
  • M4=0.41550M_4 = 0.41550
  • T4=L4+R42=0.45360T_4 = \frac{L_4 + R_4}{2} = 0.45360
  • S8=2M4+T43=0.42820S_8 = \frac{2M_4 + T_4}{3} = 0.42820 (c) From the values of these estimates or from the graph of f(x)=xtan⁡(x)f(x) = x\tan(x), we can observe that ff is always increasing and concave up on the interval. Thus, L4L_4 and M4M_4 are underestimates while R4R_4 and M4M_4 are overestimates.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.11절 · 31번
# 수치적분계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
535.Active Calculus · 5.6절 · 6번대학 수준우리말 번역

알려지지 않은 함수 f(x)f(x) 에 대해 다음 정보가 주어져 있다.

  • ff 는 [3,6][3,6] 에서 연속이다.
  • ff 는 [3,6][3,6] 에서 항상 증가하거나 항상 감소한다.
  • ff 는 구간 [3,6][3,6] 전체에서 오목성이 같다.
  • ∫36f(x) dx\int_3^6 f(x) \, dx 의 근삿값으로 L4=7.23L_4 = 7.23, R4=6.75R_4 = 6.75, M4=7.05M_4 = 7.05 이다.

(a) ff 는 [3,6][3,6] 에서 증가하나요, 감소하나요? 어떤 자료로 알 수 있는지 설명하세요. (b) ff 는 [3,6][3,6] 에서 아래로 볼록한가요, 위로 볼록한가요? 그 이유를 설명하세요. (c) 주어진 정보를 바탕으로 ∫36f(x) dx\int_3^6 f(x) \, dx 에 대한 가능한 한 가장 좋은 추정값을 구하세요.

영어 원문 보기

For an unknown function f(x)f(x), the following information is known.

  • ff is continuous on [3,6][3,6];
  • ff is either always increasing or always decreasing on [3,6][3,6];
  • ff has the same concavity throughout the interval [3,6][3,6];
  • As approximations to ∫36f(x) dx\int_3^6 f(x) \, dx, L4=7.23L_4 = 7.23, R4=6.75R_4 = 6.75, and M4=7.05M_4 = 7.05.

(a) Is ff increasing or decreasing on [3,6][3,6]? What data tells you? (b) Is ff concave up or concave down on [3,6][3,6]? Why? (c) Determine the best possible estimate you can for ∫36f(x) dx\int_3^6 f(x) \, dx, based on the given information.

정답·풀이 보기

(a) L4=7.23>6.75=R4L_4 = 7.23 > 6.75 = R_4 이고 함수가 항상 증가하거나 항상 감소한다는 것을 알고 있으므로, 왼쪽 끝점 방법의 값이 오른쪽 끝점 방법의 값보다 크려면 ff 는 항상 감소해야 한다. (b) 주어진 자료로부터 다음을 알 수 있다. T4=L4+R42=7.23+6.752=6.99 .T_4 = \frac{L_4 + R_4}{2} = \frac{7.23 + 6.75}{2} = 6.99\,. M4=7.05M_4 = 7.05 이므로 R4<T4<M4<L4 .R_4 < T_4 < M_4 < L_4\,. 특히 이 함수는 구간에서 항상 감소할 뿐만 아니라 위로 볼록하다는 것도 알 수 있다. 오목성이 일정하므로, 사다리꼴 공식이 참값보다 작게 추정하면 중점 공식은 참값보다 크게 추정한다(또는 그 반대이다). T4<M4T_4 < M_4 이므로 T4<∫36f(x) dx<M4T_4 < \int_3^6 f(x) \, dx < M_4 이고, ff 는 이 구간에서 위로 볼록해야 한다. (c) 정적분에 대한 가장 좋은 추정값을 구하기 위해 심프슨 공식을 사용한다. 즉, ∫36f(x) dx≈S8=2M4+T43=2⋅7.05+6.993=7.03 .\begin{aligned}\int_3^6 f(x) \, dx &\approx S_8 \\ &= \frac{2M_4 + T_4}{3} \\ &= \frac{2 \cdot 7.05 + 6.99}{3} \\ &=7.03\end{aligned}\,.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Because L4=7.23>6.75=R4L_4 = 7.23 > 6.75 = R_4 and we know the function is always increasing or always decreasing, for the left endpoint rule to give a value greater than the right endpoint rule, ff must be always decreasing. (b) From the given data, we know that T4=L4+R42=7.23+6.752=6.99 .T_4 = \frac{L_4 + R_4}{2} = \frac{7.23 + 6.75}{2} = 6.99\,. Since M4=7.05M_4 = 7.05, it follows that R4<T4<M4<L4 .R_4 < T_4 < M_4 < L_4\,. In particular, we know that the function is not only always decreasing on the interval, but it also concave down. Because the concavity is constant, it follows that if the trapezoid rule under-estimates the true value, then the midpoint rule must over-estimate the true value (or vice-versa). Since T4<M4T_4 < M_4, this means that T4<∫36f(x) dx<M4T_4 < \int_3^6 f(x) \, dx < M_4 and that ff must be concave down on the interval. (c) We use Simpson's Rule to determine the best possible estimate for the definite integral. That is, ∫36f(x) dx≈S8=2M4+T43=2⋅7.05+6.993=7.03 .\begin{aligned}\int_3^6 f(x) \, dx &\approx S_8 \\ &= \frac{2M_4 + T_4}{3} \\ &= \frac{2 \cdot 7.05 + 6.99}{3} \\ &=7.03\end{aligned}\,.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 5.6절 · 7번
# 수치적분계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
536.Active Calculus · 6.5절 · 11번대학 수준우리말 번역

다음 각 이상적분이 수렴하는지 발산하는지 근거와 함께 판단하세요.

(a) ∫e∞ln⁡(x)x dx\int_e^{\infty} \frac{\ln(x)}{x} \, dx (b) ∫e∞1xln⁡(x) dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx (c) ∫e∞1x(ln⁡(x))2 dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx (d) ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx, 단 pp 는 양의 실수이다. (e) ∫01ln⁡(x)x dx\int_0^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx (f) ∫01ln⁡(x) dx\int_0^1 \ln(x) \, dx

영어 원문 보기

Determine, with justification, whether each of the following improper integrals converges or diverges.

(a) ∫e∞ln⁡(x)x dx\int_e^{\infty} \frac{\ln(x)}{x} \, dx (b) ∫e∞1xln⁡(x) dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx (c) ∫e∞1x(ln⁡(x))2 dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx (d) ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx, where pp is a positive real number (e) ∫01ln⁡(x)x dx\int_0^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx (f) ∫01ln⁡(x) dx\int_0^1 \ln(x) \, dx

정답·풀이 보기

(a) 이상적분을 극한으로 나타내고, 치환 u=ln⁡(x)u = \ln(x), du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx 를 이용하여 정적분을 계산한 다음 극한을 취한다. ∫e∞ln⁡(x)x dx=lim⁡b→∞∫ebln⁡(x)x dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)u du=lim⁡b→∞(u22)∣1ln⁡(b)=lim⁡b→∞((ln⁡(b))22−12)=∞ .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{\ln(x)}{x} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{\ln(x)}{x} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} u \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \frac{u^2}{2} \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \frac{(\ln(b))^2}{2} - \frac{1}{2} \right) \\ &= \infty\end{aligned}\,. 따라서 이상적분 ∫e∞ln⁡(x)x dx\int_e^{\infty} \frac{\ln(x)}{x} \, dx 는 발산한다. (b) 이상적분을 극한으로 나타내고, 치환 u=ln⁡(x)u = \ln(x), du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx 를 이용하여 정적분을 다시 계산한 다음 극한을 취한다. ∫e∞1xln⁡(x) dx=lim⁡b→∞∫eb1xln⁡(x) dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)1u du=lim⁡b→∞(ln⁡(∣u∣))∣1ln⁡(b)=lim⁡b→∞(ln⁡(∣ln⁡(b)∣)−ln⁡(1))=∞ .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} \frac{1}{u} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \ln(|u|) \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \ln(|\ln(b)|) - \ln(1) \right) \\ &= \infty\end{aligned}\,. 따라서 이상적분 ∫e∞1xln⁡(x) dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx 는 발산한다. (c) 이번에도 이상적분을 극한으로 나타내고, 치환 u=ln⁡(x)u = \ln(x), du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx 를 이용하여 정적분을 계산한 다음 극한을 취한다. ∫e∞1x(ln⁡(x))2 dx=lim⁡b→∞∫eb1x(ln⁡(x))2 dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)1u2 du=lim⁡b→∞(−u−1)∣1ln⁡(b)=lim⁡b→∞(−1ln⁡(b)−(−1))=1 .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} \frac{1}{u^2} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( -u^{-1} \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( -\frac{1}{\ln(b)} - (-1) \right) \\ &= 1\end{aligned}\,. 따라서 이상적분 ∫e∞1x(ln⁡(x))2 dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx 는 11 로 수렴한다. (d) 이번에도 이상적분을 극한으로 나타내고, 치환 u=ln⁡(x)u = \ln(x), du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx 를 이용하여 정적분을 다시 나타낸다. p=1p=1 이면 (b)에 의해 이 적분은 발산한다. p≠1p \neq 1 이면 다음과 같다. ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx=lim⁡b→∞∫eb1x(ln⁡(x))p dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)1up du=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)u−p du=lim⁡b→∞(u−p+1−p+1)∣1ln⁡(b)=11−plim⁡b→∞((ln⁡(b))1−p−1)=1 .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} \frac{1}{u^p} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} u^{-p} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \frac{u^{-p+1}}{-p+1} \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \frac{1}{1-p} \lim_{b \to \infty} \left( (\ln(b))^{1-p} - 1 \right) \\ &= 1\end{aligned}\,. p<1p < 1 이면 1−p>01-p > 0 이고 11−plim⁡b→∞((ln⁡(b))1−p−1)=(11−p)∞=∞ .\frac{1}{1-p} \lim_{b \to \infty} \left( (\ln(b))^{1-p} - 1 \right) = \left(\frac{1}{1-p}\right)\infty = \infty\,. 이 경우 이상적분 ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx 는 발산한다. p>1p > 1 이면 1−p<01-p < 0 이고 11−plim⁡b→∞((ln⁡(b))1−p−1)=11−plim⁡b→∞(1(ln⁡(b))p−1−1)=(11−p)(0−1)=1p−1\frac{1}{1-p}\lim_{b \to \infty} \left( (\ln(b))^{1-p} - 1 \right) = \frac{1}{1-p}\lim_{b \to \infty} \left( \frac{1}{(\ln(b))^{p-1}} - 1 \right) = \left(\frac{1}{1-p}\right)(0-1) = \frac{1}{p-1} 이 경우 이상적분 ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx 는 1p−1\frac{1}{p-1} 로 수렴한다. 따라서 이상적분 ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx 는 p≤1p \leq 1 이면 발산하고, p>1p > 1 이면 1p−1\frac{1}{p-1} 로 수렴한다. (e) 이 적분은 피적분함수가 x=0x = 0 에서 정의되지 않으므로 이상적분이다. 따라서 이상적분을 극한으로 나타내고, 치환 u=ln⁡(x)u = \ln(x), du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx 를 이용하여 정적분을 계산한 다음 극한을 취한다. ∫01ln⁡(x)x dx=lim⁡a→0+∫a1ln⁡(x)x dx=lim⁡a→0+∫ln⁡(a)0u du=lim⁡a→0+(u22)∣ln⁡(a)0=lim⁡a→0+(−(ln⁡(a))22)=−∞ .\begin{aligned}\int_0^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx &= \lim_{a \to 0^+} \int_a^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx \\ &= \lim_{a \to 0^+} \int_{\ln(a)}^{0} u \, du \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( \frac{u^2}{2} \right)\biggm|_{\ln(a)}^{0} \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -\frac{(\ln(a))^2}{2} \right) \\ &= -\infty\end{aligned}\,. 따라서 이상적분 ∫01ln⁡(x)x dx\int_0^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx 는 발산한다. (f) 이 적분은 피적분함수가 x=0x=0 에서 정의되지 않으므로 이상적분이다. 따라서 이상적분을 극한으로 나타낸 다음, u=ln⁡(x)u = \ln(x), du=1x dxdu = \frac{1}{x} \, dx, dv=dxdv = dx, v=xv = x 로 두고 부분적분을 이용하여 정적분을 계산한 후 극한을 취한다. ∫01ln⁡(x) dx=lim⁡a→0+∫a1ln⁡(x) dx=lim⁡a→0+(xln⁡(x)∣a1−∫a1 dx)=lim⁡a→0+(−aln⁡(a)−x∣ln⁡(a)0)=lim⁡a→0+(−aln⁡(a)−(1−a))=lim⁡a→0+(−aln⁡(a))−1 .\begin{aligned}\int_0^1 \ln(x) \, dx &= \lim_{a \to 0^+} \int_a^1 \ln(x) \, dx \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( x\ln(x)\biggm|_a^1 - \int_{a}^{1} \ dx \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) - x\biggm|_{\ln(a)}^{0} \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) - (1-a) \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) - 1\end{aligned}\,. 극한 lim⁡a→0+(−aln⁡(a))\lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) 은 0×∞0 \times \infty 꼴로 부정형이므로, 로피탈의 정리를 적용할 수 있는 꼴로 고쳐 써야 한다. 이제 lim⁡a→0+(−aln⁡(a))=lim⁡a→0+(−ln⁡(a)1a) ,\lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) = \lim_{a \to 0^+} \left( \frac{-\ln(a)}{\frac{1}{a}} \right)\,, 이고, 이 뒤의 극한은 ∞∞\frac{\infty}{\infty} 꼴이다. 로피탈의 정리를 적용하면 lim⁡a→0+(−ln⁡(a)1a)=lim⁡a→0+(−1a−1a2)=lim⁡a→0+a=0\begin{aligned}\lim_{a \to 0^+} \left( \frac{-\ln(a)}{\frac{1}{a}} \right) &= \lim_{a \to 0^+} \left( \frac{-\frac{1}{a}}{-\frac{1}{a^2}} \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} a \\ &= 0\end{aligned} 앞에서 얻은 등식 ∫01ln⁡(x) dx=lim⁡a→0+(−aln⁡(a))−1 ,\int_0^1 \ln(x) \, dx = \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) - 1\,, 으로 돌아가면, 방금 구한 극한에 의해 이상적분 ∫01ln⁡(x) dx\int_0^1 \ln(x) \, dx 는 −1-1 로 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We write the improper integral as a limit and use the substitution u=ln⁡(x)u = \ln(x) and du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx to evaluate the definite integral, then take the limit: ∫e∞ln⁡(x)x dx=lim⁡b→∞∫ebln⁡(x)x dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)u du=lim⁡b→∞(u22)∣1ln⁡(b)=lim⁡b→∞((ln⁡(b))22−12)=∞ .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{\ln(x)}{x} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{\ln(x)}{x} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} u \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \frac{u^2}{2} \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \frac{(\ln(b))^2}{2} - \frac{1}{2} \right) \\ &= \infty\end{aligned}\,. So the improper integral ∫e∞ln⁡(x)x dx\int_e^{\infty} \frac{\ln(x)}{x} \, dx diverges. (b) We write the improper integral as a limit and use the substitution u=ln⁡(x)u = \ln(x) and du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx to revaluate the definite integral, then take the limit:. ∫e∞1xln⁡(x) dx=lim⁡b→∞∫eb1xln⁡(x) dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)1u du=lim⁡b→∞(ln⁡(∣u∣))∣1ln⁡(b)=lim⁡b→∞(ln⁡(∣ln⁡(b)∣)−ln⁡(1))=∞ .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} \frac{1}{u} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \ln(|u|) \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \ln(|\ln(b)|) - \ln(1) \right) \\ &= \infty\end{aligned}\,. So the improper integral ∫e∞1xln⁡(x) dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x\ln(x)} \, dx diverges. (c) We again write the improper integral as a limit and use the substitution u=ln⁡(x)u = \ln(x) and du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx to evaluate the definite integral, then take the limit: ∫e∞1x(ln⁡(x))2 dx=lim⁡b→∞∫eb1x(ln⁡(x))2 dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)1u2 du=lim⁡b→∞(−u−1)∣1ln⁡(b)=lim⁡b→∞(−1ln⁡(b)−(−1))=1 .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} \frac{1}{u^2} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( -u^{-1} \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( -\frac{1}{\ln(b)} - (-1) \right) \\ &= 1\end{aligned}\,. So the improper integral ∫e∞1x(ln⁡(x))2 dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^2} \, dx converges to 11. (d) We again write the improper integral as a limit and use the substitution u=ln⁡(x)u = \ln(x) and du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx to rewrite the definite integral. If p=1p=1, then the integral diverges by part (b). If p≠1p \neq 1, we have ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx=lim⁡b→∞∫eb1x(ln⁡(x))p dx=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)1up du=lim⁡b→∞∫1ln⁡(b)u−p du=lim⁡b→∞(u−p+1−p+1)∣1ln⁡(b)=11−plim⁡b→∞((ln⁡(b))1−p−1)=1 .\begin{aligned}\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx &= \lim_{b \to \infty} \int_e^{b} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} \frac{1}{u^p} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \int_1^{\ln(b)} u^{-p} \, du \\ &= \lim_{b \to \infty} \left( \frac{u^{-p+1}}{-p+1} \right)\biggm|_1^{\ln(b)} \\ &= \frac{1}{1-p} \lim_{b \to \infty} \left( (\ln(b))^{1-p} - 1 \right) \\ &= 1\end{aligned}\,. If p<1p < 1, then 1−p>01-p > 0 and 11−plim⁡b→∞((ln⁡(b))1−p−1)=(11−p)∞=∞ .\frac{1}{1-p} \lim_{b \to \infty} \left( (\ln(b))^{1-p} - 1 \right) = \left(\frac{1}{1-p}\right)\infty = \infty\,. In this case the improper integral ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx diverges. If p>1p > 1, then 1−p<01-p < 0 and 11−plim⁡b→∞((ln⁡(b))1−p−1)=11−plim⁡b→∞(1(ln⁡(b))p−1−1)=(11−p)(0−1)=1p−1\frac{1}{1-p}\lim_{b \to \infty} \left( (\ln(b))^{1-p} - 1 \right) = \frac{1}{1-p}\lim_{b \to \infty} \left( \frac{1}{(\ln(b))^{p-1}} - 1 \right) = \left(\frac{1}{1-p}\right)(0-1) = \frac{1}{p-1} In this case the improper integral ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx converges to 1p−1\frac{1}{p-1}. Thus, the improper integral ∫e∞1x(ln⁡(x))p dx\int_e^{\infty} \frac{1}{x(\ln(x))^p} \, dx diverges if p≤1p \leq 1 and converges to 1p−1\frac{1}{p-1} if p>1p > 1. (e) This integral is improper since the integrand is undefined at x=0x = 0. So we write the improper integral as a limit, use the substitution u=ln⁡(x)u = \ln(x) and du=1x dxdu = \frac{1}{x} \ dx to evaluate the definite integral, then take the limit: ∫01ln⁡(x)x dx=lim⁡a→0+∫a1ln⁡(x)x dx=lim⁡a→0+∫ln⁡(a)0u du=lim⁡a→0+(u22)∣ln⁡(a)0=lim⁡a→0+(−(ln⁡(a))22)=−∞ .\begin{aligned}\int_0^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx &= \lim_{a \to 0^+} \int_a^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx \\ &= \lim_{a \to 0^+} \int_{\ln(a)}^{0} u \, du \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( \frac{u^2}{2} \right)\biggm|_{\ln(a)}^{0} \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -\frac{(\ln(a))^2}{2} \right) \\ &= -\infty\end{aligned}\,. So the improper integral ∫01ln⁡(x)x dx\int_0^1 \frac{\ln(x)}{x} \, dx diverges. (f) This integral is improper since the integrand is undefined at x=0x=0. So we write the improper integral as a limit, then use parts with u=ln⁡(x)u = \ln(x), du=1x dxdu = \frac{1}{x} \, dx, dv=dxdv = dx, and v=xv = x to evaluate the definite integral, then take the limit: ∫01ln⁡(x) dx=lim⁡a→0+∫a1ln⁡(x) dx=lim⁡a→0+(xln⁡(x)∣a1−∫a1 dx)=lim⁡a→0+(−aln⁡(a)−x∣ln⁡(a)0)=lim⁡a→0+(−aln⁡(a)−(1−a))=lim⁡a→0+(−aln⁡(a))−1 .\begin{aligned}\int_0^1 \ln(x) \, dx &= \lim_{a \to 0^+} \int_a^1 \ln(x) \, dx \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( x\ln(x)\biggm|_a^1 - \int_{a}^{1} \ dx \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) - x\biggm|_{\ln(a)}^{0} \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) - (1-a) \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) - 1\end{aligned}\,. The limit lim⁡a→0+(−aln⁡(a))\lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) has the form 0×∞0 \times \infty, which is indeterminate, so we need to rewrite it in a form in which we can apply L'Hopital's Rule. Now, lim⁡a→0+(−aln⁡(a))=lim⁡a→0+(−ln⁡(a)1a) ,\lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) = \lim_{a \to 0^+} \left( \frac{-\ln(a)}{\frac{1}{a}} \right)\,, and this latter limit is of the form ∞∞\frac{\infty}{\infty}. Applying L'Hopital's Rule gives us lim⁡a→0+(−ln⁡(a)1a)=lim⁡a→0+(−1a−1a2)=lim⁡a→0+a=0\begin{aligned}\lim_{a \to 0^+} \left( \frac{-\ln(a)}{\frac{1}{a}} \right) &= \lim_{a \to 0^+} \left( \frac{-\frac{1}{a}}{-\frac{1}{a^2}} \right) \\ &= \lim_{a \to 0^+} a \\ &= 0\end{aligned} Returning to our earlier established equality that ∫01ln⁡(x) dx=lim⁡a→0+(−aln⁡(a))−1 ,\int_0^1 \ln(x) \, dx = \lim_{a \to 0^+} \left( -a\ln(a) \right) - 1\,, this most recent limit shows that the improper integral ∫01ln⁡(x) dx\int_0^1 \ln(x) \, dx converges to −1-1.

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