문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분 기법

적분 기법 전체 문제

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640문제 · 31 / 32쪽

601.CLP-2 · 1.12절 · 1번대학 수준우리말 번역

적분 ∫0b1x2−1 dx\displaystyle\int_0^b \frac{1}{x^2-1}~\mathrm{d}x 이 이상적분이 되는 bb 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

For which values of bb is the integral ∫0b1x2−1 dx\displaystyle\int_0^b \frac{1}{x^2-1}~\mathrm{d}x improper?

정답·풀이 보기

b=±∞b= \pm \infty 이면 적분 구간의 한 끝이 실수가 아니므로 이 적분은 이상적분이다.

또한 적분 구간이 무한 불연속점 x=1x=1 과 x=−1x=-1 중 어느 하나라도 포함하면 이 적분은 이상적분이다. 적분 구간의 한 끝이 0이므로, b≥1b \geq 1 이거나 b≤−1b \leq -1 이면 이상적분이다.

아래에 1x2−1\frac{1}{x^2-1} 의 그래프를 그려 두었다. 다른 쪽 적분 구간의 끝이 a=0a=0 일 때, (−1,1)(-1,1) 에 속하는 bb 의 값만 이상적분이 되지 않는 이유를 이 그래프로 더 분명히 알 수 있다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

If b=±∞ b= \pm \infty, 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=1x=1 and x=−1x=-1. Since one limit of integration is 0, the integral is improper if b≥1b \geq 1 or if b≤−1b \leq -1.

Below, we've graphed 1x2−1\frac{1}{x^2-1} to make it clearer why values of bb in (−1,1)(-1,1) are the only values that don't result in an improper integral when the other limit of integration is a=0a=0.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.12절 · 7번
# 이상적분계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
602.CLP-2 · 1.12절 · 2번대학 수준우리말 번역

적분 ∫0b1x2+1 dx\displaystyle\int_0^b \frac{1}{x^2+1}~\mathrm{d}x 이 이상적분이 되는 bb 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

For which values of bb is the integral ∫0b1x2+1 dx\displaystyle\int_0^b \frac{1}{x^2+1}~\mathrm{d}x improper?

정답·풀이 보기

피적분함수가 모든 실수 xx 에서 연속이므로, 이상적분이 될 수 있는 경우는 b=±∞b = \pm\infty 로 놓는 것뿐이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since the integrand is continuous for all real xx, the only kind of impropriety available to us is to set b=±∞b = \pm\infty.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.12절 · 1번
# 이상적분계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
603.CLP-2 · 1.12절 · 6번대학 수준우리말 번역

적분 ∫01x4x5−1 dx\displaystyle\int_0^1\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x 의 값을 구하거나, 발산함을 보이세요.

영어 원문 보기

Evaluate the integral ∫01x4x5−1 dx\displaystyle\int_0^1\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x or state that it diverges.

정답·풀이 보기

x=1x=1 일 때 분모는 0이지만 분자는 0이 아니므로, 피적분함수는 x=1x=1 에서 특이점(무한 불연속)을 갖는다. 적분 구간의 끝 x=1x=1 을 1에 한없이 가까워지는 문자로 바꾸어 보자.

∫01x4x5−1 dx=lim⁡t→1−∫0tx4x5−1 dx\int_0^1\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x =\lim_{t\rightarrow 1^-}\int_0^t\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x

이 적분의 값을 구하기 위해 u=x5u=x^5, du=5x4dx\mathrm{d}u=5x^4\mathrm{d}x 로 치환한다. x=0x=0 일 때 u=0u=0 이고, x=tx=t 일 때 u=t5u=t^5 이므로

∫01x4x5−1 dx=lim⁡t→1−∫0tx4x5−1 dx=lim⁡t→1−∫u=0u=t515(u−1) du=lim⁡t→1−([15log⁡∣u−1∣]0t5)=lim⁡t→1−15log⁡∣t5−1∣=−∞\begin{aligned} \int_0^1\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x&=\lim_{t \to 1^-}\int_{0}^{t}\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x =\lim_{t \to 1^-}\int_{u=0}^{u=t^5}\frac{1}{5(u-1)}\,\mathrm{d}u\\ &=\lim_{t \to 1^-}\left( \left[\frac{1}{5}\log|u-1|\right]_0^{t^5}\right) =\lim_{t \to 1^-}\frac{1}{5}\log|t^5-1|=-\infty \end{aligned}

극한이 존재하지 않으므로 이 적분은 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)

The denominator is zero when x=1x=1, but the numerator is not, so the integrand has a singularity (infinite discontinuity) at x=1x=1. Let's replace the limit x=1x=1 with a variable that creeps toward 1.

∫01x4x5−1 dx=lim⁡t→1−∫0tx4x5−1 dx\int_0^1\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x =\lim_{t\rightarrow 1^-}\int_0^t\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x

To evaluate this integral we use the substitution u=x5u=x^5, du=5x4dx\mathrm{d}u=5x^4\mathrm{d}x. When x=0x=0 we have u=0u=0, and when x=tx=t we have u=t5u=t^5, so

∫01x4x5−1 dx=lim⁡t→1−∫0tx4x5−1 dx=lim⁡t→1−∫u=0u=t515(u−1) du=lim⁡t→1−([15log⁡∣u−1∣]0t5)=lim⁡t→1−15log⁡∣t5−1∣=−∞\begin{aligned} \int_0^1\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x&=\lim_{t \to 1^-}\int_{0}^{t}\frac{x^4}{x^5-1}\,\mathrm{d}x =\lim_{t \to 1^-}\int_{u=0}^{u=t^5}\frac{1}{5(u-1)}\,\mathrm{d}u\\ &=\lim_{t \to 1^-}\left( \left[\frac{1}{5}\log|u-1|\right]_0^{t^5}\right) =\lim_{t \to 1^-}\frac{1}{5}\log|t^5-1|=-\infty \end{aligned}

The limit does not exist, so the integral diverges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.12절 · 25번
# 이상적분계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
604.CLP-2 · 1.12절 · 7번대학 수준우리말 번역

적분 ∫−221(x+1)4/3 dx\displaystyle\int_{-2}^2\frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x 이 수렴하는지 발산하는지 판단하세요. 수렴하면 그 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Determine whether the integral ∫−221(x+1)4/3 dx\displaystyle\int_{-2}^2\frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x is convergent or divergent. If it is convergent, find its value.

정답·풀이 보기

피적분함수의 분모는 x=−1x=-1 일 때 0이지만 분자는 0이 아니다. 따라서 피적분함수는 x=−1x=-1 에서 특이점(무한 불연속)을 가진다. 이것이 이 적분에서 유일한 “이상적분이 되는 원인”이므로, 적분 구간을 한 번만 나누면 된다.

∫−221(x+1)4/3 dx=lim⁡t→−1−∫−2t1(x+1)4/3 dx+lim⁡t→−1+∫t21(x+1)4/3 dx\int_{-2}^2\frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x =\lim_{t\rightarrow -1^-}\int_{-2}^t \frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x +\lim_{t\rightarrow -1^+}\int_t^2 \frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x

먼저 왼쪽 극한을 살펴보자.

lim⁡t→−1−∫−2t1(x+1)4/3 dx=lim⁡t→−1−([−3(x+1)1/3∣−2t)=lim⁡t→−1−(−3(t+1)1/3+3(−1)1/3)=∞\begin{aligned} \lim_{t \to -1^-}\int_{-2}^t \frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x &=\lim_{t \to -1^-}\left(\left[-\frac{3}{(x+1)^{1/3}}\right|_{-2}^t\right)\\ &=\lim_{t \to -1^-}\left(-\frac{3}{(t+1)^{1/3}}+\frac{3}{(-1)^{1/3}}\right)=\infty \end{aligned}

이 극한이 발산하므로 주어진 적분은 발산한다. (두 번째 적분도 비슷한 방법으로 발산함을 보일 수 있다. 둘 중 하나만 발산해도 원래의 적분이 발산한다고 결론짓기에 충분하다.)

원본 교재 풀이(영어)

The denominator of the integrand is zero when x=−1x=-1, but the numerator is not. So, the integrand has a singularity (infinite discontinuity) at x=−1x=-1. This is the only “source of impropriety" in this integral, so we only need to make one break in the domain of integration.

∫−221(x+1)4/3 dx=lim⁡t→−1−∫−2t1(x+1)4/3 dx+lim⁡t→−1+∫t21(x+1)4/3 dx\int_{-2}^2\frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x =\lim_{t\rightarrow -1^-}\int_{-2}^t \frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x +\lim_{t\rightarrow -1^+}\int_t^2 \frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x

Let's start by considering the left limit.

lim⁡t→−1−∫−2t1(x+1)4/3 dx=lim⁡t→−1−([−3(x+1)1/3∣−2t)=lim⁡t→−1−(−3(t+1)1/3+3(−1)1/3)=∞\begin{aligned} \lim_{t \to -1^-}\int_{-2}^t \frac{1}{(x+1)^{4/3}}\,\mathrm{d}x &=\lim_{t \to -1^-}\left(\left[-\frac{3}{(x+1)^{1/3}}\right|_{-2}^t\right)\\ &=\lim_{t \to -1^-}\left(-\frac{3}{(t+1)^{1/3}}+\frac{3}{(-1)^{1/3}}\right)=\infty \end{aligned}

Since this limit diverges, the integral diverges. (A similar argument shows that the second integral diverges. Either one of them diverging is enough to conclude that the original integral diverges.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.12절 · 6번
# 이상적분계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
605.CLP-2 · 1.12절 · 10번대학 수준우리말 번역

적분 ∫−∞∞cos⁡x dx\displaystyle\int_{-\infty}^\infty \cos x~\mathrm{d}x 은 수렴하는지 발산하는지 판단하세요. 수렴하면 그 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Does the integral ∫−∞∞cos⁡x dx\displaystyle\int_{-\infty}^\infty \cos x~\mathrm{d}x converge or diverge? If it converges, evaluate it.

정답·풀이 보기

“이상적분이 되는 원인”이 두 가지 있다. 바로 (무한대인) 두 적분 구간의 끝이다. 따라서 적분을 두 부분으로 나눈다.

∫−∞∞cos⁡x dx=∫−∞0cos⁡x dx+∫0∞cos⁡x dx=lim⁡a→∞[∫−a0cos⁡x dx]+lim⁡b→∞[∫0bcos⁡x dx]이 정도는 부정적분을 쉽게 구할 수 있다.=lim⁡a→∞[sin⁡0−sin⁡(−a)]+lim⁡b→∞[sin⁡b−sin⁡0]=존재하지 않는다\begin{aligned} \int_{-\infty}^\infty \cos x~\mathrm{d}x&=\int_{-\infty}^0 \cos x~\mathrm{d}x+\int_{0}^\infty \cos x~\mathrm{d}x\\ &=\lim_{a \to \infty }\left[\int_{-a}^0 \cos x~\mathrm{d}x\right]+ \lim_{b \to \infty }\left[\int_{0}^b \cos x~\mathrm{d}x\right] \\ \text{이 정도는 부정적분을 쉽게 구할 수 있다.} \\ &=\lim_{a \to \infty }\left[\sin 0 - \sin(- a) \right]+ \lim_{b \to \infty }\left[\sin b - \sin 0 \right]\\ &=\text{존재하지 않는다} \end{aligned}

극한이 존재하지 않으므로 이 적분은 발산한다. (여기서는 두 극한이 모두 존재하지 않지만, 둘 중 하나만 존재하지 않더라도 이 적분은 발산한다.)

원본 교재 풀이(영어)

There are two “sources of impropriety": the two (infinite) limits of integration. So, we break our integral into two pieces.

∫−∞∞cos⁡x dx=∫−∞0cos⁡x dx+∫0∞cos⁡x dx=lim⁡a→∞[∫−a0cos⁡x dx]+lim⁡b→∞[∫0bcos⁡x dx]These are easy enough to antdifferentiate.=lim⁡a→∞[sin⁡0−sin⁡(−a)]+lim⁡b→∞[sin⁡b−sin⁡0]=DNE\begin{aligned} \int_{-\infty}^\infty \cos x~\mathrm{d}x&=\int_{-\infty}^0 \cos x~\mathrm{d}x+\int_{0}^\infty \cos x~\mathrm{d}x\\ &=\lim_{a \to \infty }\left[\int_{-a}^0 \cos x~\mathrm{d}x\right]+ \lim_{b \to \infty }\left[\int_{0}^b \cos x~\mathrm{d}x\right] \\ \text{These are easy enough to antdifferentiate.} \\ &=\lim_{a \to \infty }\left[\sin 0 - \sin(- a) \right]+ \lim_{b \to \infty }\left[\sin b - \sin 0 \right]\\ &=\text{DNE} \end{aligned}

Since the limits don't exist, the integral diverges. (It happens that both limits don't exist; even if only one failed to exist, the integral would still diverge.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.12절 · 17번
# 이상적분계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
606.CLP-2 · 1.12절 · 17번대학 수준우리말 번역

직선 y=1x12y = \dfrac{1}{x\vphantom{\frac{1}{2}}} 의 x=ax=a 부터 x=1x=1 까지의 부분을 yy축을 중심으로 회전시켜 부부젤라 모양의 키 큰 입체를 만든다. 여기서 aa 는 0과 1 사이의 어떤 상수이다.

그림

참 또는 거짓: 상수 MM 이 아무리 크더라도, 부피가 MM 보다 큰 입체를 만드는 aa 의 값이 존재한다.

영어 원문 보기

We craft a tall, vuvuzela-shaped solid by rotating the line y=1x12y = \dfrac{1}{x\vphantom{\frac{1}{2}}} from x=ax=a to x=1x=1 about the yy-axis, where aa is some constant between 0 and 1.

figure

True or false: No matter how large a constant MM is, there is some value of aa that makes a solid with volume larger than MM.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

입체의 부피를 구하기 위해, 입체를 얇은 원판 모양의 가로 단면으로 자른다. 높이 yy 에서 원판의 반지름은 x=1yx=\frac{1}{y} 이고 두께는 dy\mathrm{d}y 이므로, 그 부피는 πy2dy\frac{\pi}{y^2}\mathrm{d}y 이다. 입체의 밑면은 높이 y=1y=1 에 있고, 꼭대기는 높이 y=1ay=\frac{1}{a} 에 있다. 따라서 입체 전체의 부피는 다음과 같다.

∫11/aπy2dy=[−πy]11/a=π(1−a)\begin{aligned} \int_1^{1/a} \frac{\pi}{y^2}\mathrm{d}y = \left[-\frac{\pi}{y}\right]_1^{1/a} = \pi (1-a) \end{aligned}

aa 를 0에 점점 더 가깝게 하면 부피는 커져서 π\pi 단위에 점점 가까워지지만, 결코 π\pi 에 이르지는 못한다.

따라서 주어진 명제는 거짓이다. 예를 들어 M=4M=4 로 두면, 어떤 aa 를 택하더라도 이 입체의 부피는 MM 보다 확실히 작다.

참고: 앞에서 ∫011x dx\int_0^1 \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x 가 발산함을 보았다. a=0a=0 으로 택했을 때 만들어질 입체를 생각하면, 그 부피는 겨우 π\pi 세제곱 단위에 불과하지만, 그 실루엣(옆에서 본 모양)의 넓이는 무한하다.

원본 교재 풀이(영어)

To find the volume of the solid, we cut it into horizontal slices, which are thin circular disks. At height yy, the disk has radius x=1yx=\frac{1}{y} and thickness dy\mathrm{d}y, so its volume is πy2dy\frac{\pi}{y^2}\mathrm{d}y. The base of the solid is at height y=1y=1, and its top is at height y=1ay=\frac{1}{a}. So, the volume of the entire solid is:

∫11/aπy2dy=[−πy]11/a=π(1−a)\begin{aligned} \int_1^{1/a} \frac{\pi}{y^2}\mathrm{d}y = \left[-\frac{\pi}{y}\right]_1^{1/a} = \pi (1-a) \end{aligned}

If we imagine sliding aa closer and closer to 0, the volume increases, getting closer and closer to π\pi units, but never quite reaching it.

So, the statement is false. For example, if we set M=4M=4, no matter which aa we choose our solid has volume strictly less than MM.

Remark: we've seen before that ∫011x dx\int_0^1 \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x diverges. If we imagine the solid that would result from choosing a=0a=0, it would have a scant volume of π\pi cubic units, but a silhouette (side view) of infinite area.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 6.5절 · 11번
# 이상적분개념 확인도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
607.CLP-2 · 1.12절 · 25번대학 수준우리말 번역

Mn,tM_{n,t} 를 nn 개의 같은 길이의 부분구간으로 나눈 ∫0te−x1+x dx\displaystyle\int_0^t \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x 의 중점 규칙 근삿값이라 하자. Mn,tM_{n,t} 와 ∫0∞e−x1+x dx\int_0^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x 의 차가 10−410^{-4} 이하가 되도록 하는 tt 의 값과 nn 의 값을 구하세요. 중점 규칙을 nn 개의 부분구간으로 사용할 때 생기는 오차 EnE_n 은 다음을 만족함을 기억하세요.

∣En∣≤M(b−a)324n2\begin{aligned} |E_n|\le \frac{M(b-a)^3}{24n^2} \end{aligned}

여기서 MM 은 피적분함수의 이계도함수의 절댓값의 최댓값이고, aa 와 bb 는 적분 구간의 양 끝점이다.

영어 원문 보기

Let Mn,tM_{n,t} be the Midpoint Rule approximation for ∫0te−x1+x dx\displaystyle\int_0^t \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x with nn equal subintervals. Find a value of tt and a value of nn such that Mn,tM_{n,t} differs from ∫0∞e−x1+x dx\int_0^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x by at most 10−410^{-4}. Recall that the error EnE_n introduced when the Midpoint Rule is used with nn subintervals obeys

∣En∣≤M(b−a)324n2\begin{aligned} |E_n|\le \frac{M(b-a)^3}{24n^2} \end{aligned}

where MM is the maximum absolute value of the second derivative of the integrand and aa and bb are the end points of the interval of integration.

정답·풀이 보기

오차의 원인은 두 가지이다. 하나는 위끝이 무한대가 아니라 tt 라는 것이고, 다른 하나는 유한한 개수 nn 의 구간으로 근사한다는 것이다. 먼저 오차가 1210−4\frac{1}{2}10^{-4} 이하가 되도록 하는 tt 의 값을 찾는다. 즉 ∫t∞e−x1+x dx≤1210−4\int_t^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}~\mathrm{d}x \leq \frac{1}{2}10^{-4} 이 되는 tt 를 찾는다. 그 다음에 ∫0te−xx+1 dx\int_0^t \frac{e^{-x}}{x+1}~\mathrm{d}x 를 1210−4\frac{1}{2}10^{-4} 이내로 근사하는 nn 의 값을 찾는다. 그러면 전체 오차는 최대 1210−4+1210−4=10−4\frac{1}{2}10^{-4} + \frac{1}{2}10^{-4} = 10^{-4} 이 되어 원하는 결과를 얻는다. (오차를 1210−4\frac{1}{2}10^{-4} 과 1210−4\frac{1}{2}10^{-4} 이 아닌 다른 방식으로 나눌 수도 있다. 이렇게 하면 가능한 여러 답 중 하나를 얻게 된다.)

∫t∞e−x1+x dx≤1210−4\int_t^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x\le\frac{1}{2} 10^{-4} 이 되는 tt 를 찾자. 모든 x≥0x\ge 0 에 대해 0<e−x1+x≤e−x0<\frac{e^{-x}}{1+x}\le e^{-x} 이므로

∫t∞e−x1+x dx≤∫t∞e−x dx=e−t≤(∗)1210−4여기서 (∗)는 다음이 성립하면 참이다: t≥−log⁡(1210−4)≈9.90\begin{aligned} \int_t^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x \le \int_t^\infty e^{-x}\ \mathrm{d}x =e^{-t}&\stackrel{(*)}{\le}\frac{1}{2} 10^{-4}\\ \text{여기서 ($*$)는 다음이 성립하면 참이다: }\quad t&\ge -\log\Big(\frac{1}{2} 10^{-4}\Big)\approx 9.90 \end{aligned}

예를 들어 t=10t=10 으로 택한다.

이제 ∫0te−xx+1 dx\displaystyle\int_0^t \frac{e^{-x}}{x+1}~\mathrm{d}x 를 근사하는 데 사용할 구간의 개수를 정하자. 이번에도 오차가 1210−4\frac{1}{2}10^{-4} 보다 작아야 한다. 오차의 한계를 구하려면 e−xx+1\frac{e^{-x}}{x+1} 의 이계도함수를 알아야 한다.

f(x)=e−x1+x  ⟹  f′(x)=−e−x1+x−e−x(1+x)2  ⟹  f′′(x)=e−x1+x+2e−x(1+x)2+2e−x(1+x)3\begin{aligned} f(x)=\frac{e^{-x}}{1+x} \implies f'(x)=-\frac{e^{-x}}{1+x}-\frac{e^{-x}}{(1+x)^2} \implies f''(x)&=\frac{e^{-x}}{1+x}+2\frac{e^{-x}}{(1+x)^2} +2\frac{e^{-x}}{(1+x)^3} \end{aligned}

f′′(x)f''(x) 는 양수이고 xx 가 증가하면 감소하므로

∣f′′(x)∣≤f′′(0)=5  ⟹  ∣En∣≤5(10−0)324n2=500024n2=6253n2\begin{aligned} |f''(x)|\le f''(0) = 5 \implies |E_n|\le\frac{5(10-0)^3}{24n^2}=\frac{5000}{24n^2} =\frac{625}{3n^2} \end{aligned}

이고, 다음이 성립하면 ∣En∣≤1210−4|E_n|\le \frac{1}{2} 10^{-4} 이다.

6253n2≤1210−4  ⟺  n2≥1250×1043  ⟺  n≥1.25×1073≈2041.2\begin{aligned} &&\frac{625}{3n^2}&\le \frac{1}{2} 10^{-4}\\ &\iff\qquad & n^2&\ge \frac{1250\times 10^4}{3}\\ &\iff\quad &n&\ge \sqrt{\frac{1.25\times 10^7}{3}} \approx 2041.2 \end{aligned}

따라서 t=10t=10, n=2042n= 2042 로 하면 된다. 이 밖에도 옳은 답이 많이 있다.

원본 교재 풀이(영어)

There are two sources of error: the upper bound is tt, rather than infinity, and we're using an approximation with some finite number of intervals, nn. Our plan is to first find a value of tt that introduces an error of no more than 1210−4\frac{1}{2}10^{-4}. That is, we'll find a value of tt such that ∫t∞e−x1+x dx≤1210−4\int_t^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}~\mathrm{d}x \leq \frac{1}{2}10^{-4}. After that, we'll find a value of nn that approximates ∫0te−xx+1 dx\int_0^t \frac{e^{-x}}{x+1}~\mathrm{d}x to within 1210−4\frac{1}{2}10^{-4}. Then, all together, our error will be at most 1210−4+1210−4=10−4\frac{1}{2}10^{-4} + \frac{1}{2}10^{-4} = 10^{-4}, as desired. (Note we could have broken up the error in another way—it didn't have to be 1210−4\frac{1}{2}10^{-4} and 1210−4\frac{1}{2}10^{-4}. This will give us one of many possible answers.)

Let's find a tt such that ∫t∞e−x1+x dx≤1210−4\int_t^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x\le\frac{1}{2} 10^{-4}. For all x≥0x\ge 0, 0<e−x1+x≤e−x0<\frac{e^{-x}}{1+x}\le e^{-x}, so

∫t∞e−x1+x dx≤∫t∞e−x dx=e−t≤(∗)1210−4where (∗) is true if t≥−log⁡(1210−4)≈9.90\begin{aligned} \int_t^\infty \frac{e^{-x}}{1+x}\ \mathrm{d}x \le \int_t^\infty e^{-x}\ \mathrm{d}x =e^{-t}&\stackrel{(*)}{\le}\frac{1}{2} 10^{-4}\\ \text{where ($*$) is true if }\quad t&\ge -\log\Big(\frac{1}{2} 10^{-4}\Big)\approx 9.90 \end{aligned}

Choose, for example, t=10t=10.

Now it's time to decide how many intervals we're going to use to approximate ∫0te−xx+1 dx\displaystyle\int_0^t \frac{e^{-x}}{x+1}~\mathrm{d}x. Again, we want our error to be less than 1210−4\frac{1}{2}10^{-4}. To bound our error, we need to know the second derivative of e−xx+1\frac{e^{-x}}{x+1}.

f(x)=e−x1+x  ⟹  f′(x)=−e−x1+x−e−x(1+x)2  ⟹  f′′(x)=e−x1+x+2e−x(1+x)2+2e−x(1+x)3\begin{aligned} f(x)=\frac{e^{-x}}{1+x} \implies f'(x)=-\frac{e^{-x}}{1+x}-\frac{e^{-x}}{(1+x)^2} \implies f''(x)&=\frac{e^{-x}}{1+x}+2\frac{e^{-x}}{(1+x)^2} +2\frac{e^{-x}}{(1+x)^3} \end{aligned}

Since f′′(x)f''(x) is positive, and decreases as xx increases,

∣f′′(x)∣≤f′′(0)=5  ⟹  ∣En∣≤5(10−0)324n2=500024n2=6253n2\begin{aligned} |f''(x)|\le f''(0) = 5 \implies |E_n|\le\frac{5(10-0)^3}{24n^2}=\frac{5000}{24n^2} =\frac{625}{3n^2} \end{aligned}

and ∣En∣≤1210−4|E_n|\le \frac{1}{2} 10^{-4} if

6253n2≤1210−4  ⟺  n2≥1250×1043  ⟺  n≥1.25×1073≈2041.2\begin{aligned} &&\frac{625}{3n^2}&\le \frac{1}{2} 10^{-4}\\ &\iff\qquad & n^2&\ge \frac{1250\times 10^4}{3}\\ &\iff\quad &n&\ge \sqrt{\frac{1.25\times 10^7}{3}} \approx 2041.2 \end{aligned}

So t=10t=10 and n=2042n= 2042 will do the job. There are many other correct answers.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.12절 · 27번
# 이상적분활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
608.CLP-2 · 1.12절 · 27번대학 수준우리말 번역

참 또는 거짓: x≥1x \geq 1 인 어떤 실수 xx 가 존재하여 ∫0x1et dt=1\displaystyle\int_0^x \frac{1}{e^t}~\mathrm{d}t = 1 이다.

영어 원문 보기

True or false: There is some real number xx, with x≥1x \geq 1, such that ∫0x1et dt=1\displaystyle\int_0^x \frac{1}{e^t}~\mathrm{d}t = 1.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

F(x)=∫0x1etdtF(x)= \int_0^x \frac{1}{e^{t}}\mathrm{d}t 라 하자.

F(x)=∫0x1etdt=[−1et]0x=1e0−1ex<1e0=1\begin{aligned} F(x)=\int_0^x \frac{1}{e^{t}}\mathrm{d}t&=\left[-\frac{1}{e^{t}}\right]_0^x = \frac{1}{e^0}-\frac{1}{e^{x}}<\frac{1}{e^0}=1 \end{aligned}

따라서 주어진 명제는 거짓이다. F(x)=1F(x)=1 인 xx 는 존재하지 않는다. 모든 실수 xx 에 대해 F(x)<1e0=1F(x) < \frac{1}{e^0}=1 이다.

여기서 lim⁡x→∞∫0x1etdt=1\displaystyle\lim_{x \to \infty} \int_0^x\frac{1}{e^{t}}\mathrm{d}t=1 임에 주목하자. 즉 xx 가 커질수록 F(x)F(x) 와 1 의 차는 한없이 작아진다. 그러나 F(x)F(x) 가 정확히 1 과 같아지는 실수 xx 의 값은 없다.

원본 교재 풀이(영어)

Define F(x)=∫0x1etdtF(x)= \int_0^x \frac{1}{e^{t}}\mathrm{d}t.

F(x)=∫0x1etdt=[−1et]0x=1e0−1ex<1e0=1\begin{aligned} F(x)=\int_0^x \frac{1}{e^{t}}\mathrm{d}t&=\left[-\frac{1}{e^{t}}\right]_0^x = \frac{1}{e^0}-\frac{1}{e^{x}}<\frac{1}{e^0}=1 \end{aligned}

So, the statement is false: there is no xx such that F(x)=1F(x)=1. For every real xx, F(x)<1e0=1F(x) < \frac{1}{e^0}=1.

We note here that lim⁡x→∞∫0x1etdt=1\displaystyle\lim_{x \to \infty} \int_0^x\frac{1}{e^{t}}\mathrm{d}t=1. So, as xx grows larger, the gap between F(x)F(x) and 1 grows infintesimally small. But there is no real value of xx where F(x)F(x) is exactly equal to 1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.7절 · 29번
# 이상적분개념 확인도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
609.CLP-2 · 1.13절 · 4번대학 수준우리말 번역

∫0∞x−1ex dx\displaystyle\int_0^\infty \dfrac{x-1}{e^x}~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫0∞x−1ex dx\displaystyle\int_0^\infty \dfrac{x-1}{e^x}~\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

먼저, 이 적분은 이상적분임에 주목한다. 따라서 위끝을 문자로 바꾸고 극한을 취해야 한다. 다음으로, 부정적분을 구해야 한다. 피적분함수는 지수함수 e−xe^{-x} 와 다항식 x−1x-1 의 곱이므로, u=x−1u=x-1, dv=e−xdu\mathrm{d}v=e^{-x}\mathrm{d}u, du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x, v=−e−xv = -e^{-x} 로 놓고 부분적분을 한다.

∫x−1ex dx=−(x−1)e−x+∫e−x dx=−(x−1)e−x−e−x+C=−xe−x+C따라서,∫0∞x−1ex dx=lim⁡b→∞∫0bx−1ex dx=lim⁡b→∞[−xex]0b=lim⁡b→∞[−beb⏟num→∞den→∞]=(∗)lim⁡b→∞−1eb=0\begin{aligned} \int \dfrac{x-1}{e^x}~\mathrm{d}x&=-(x-1)e^{-x} + \int e^{-x}~\mathrm{d}x \\&=-(x-1)e^{-x} -e^{-x}+C =-xe^{-x}+C\\ \text{따라서,}\qquad\int_0^\infty \dfrac{x-1}{e^x}~\mathrm{d}x & = \lim_{b \to \infty}\int_0^b \dfrac{x-1}{e^x}~\mathrm{d}x\\ & = \lim_{b \to \infty}\left[-\frac{x}{e^x}\right]_0^b = \lim_{b \to \infty}\bigg[-\underbrace{\frac{b}{e^b}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to\infty}{\mathrm{den}\to\infty}}\bigg]\\ & \stackrel{(*)}{=} \lim_{b \to \infty}-\frac{1}{e^b}=0 \end{aligned}

(∗* 로 표시한 등식에서는 로피탈 정리를 사용하였다.)

따라서 ∫0∞x−1ex dx=0\displaystyle\int_0^\infty \dfrac{x-1}{e^x}~\mathrm{d}x=0 이다.

참고: 이로부터 흥미롭게도 ∫0∞xex dx=∫0∞1ex dx\displaystyle\int_0^\infty \dfrac{x}{e^x}~\mathrm{d}x=\displaystyle\int_0^\infty \dfrac{1}{e^x}~\mathrm{d}x 임을 알 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

First, we note the integral is improper. So, we'll need to replace the top bound with a variable, and take a limit. Second, we're going to have to antidifferentiate. The integrand is the product of an exponential function, e−xe^{-x}, with a polynomial function, x−1x-1, so we use integration by parts with u=x−1u=x-1, dv=e−xdu\mathrm{d}v=e^{-x}\mathrm{d}u, du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x, and v=−e−xv = -e^{-x}.

∫x−1ex dx=−(x−1)e−x+∫e−x dx=−(x−1)e−x−e−x+C=−xe−x+CSo,∫0∞x−1ex dx=lim⁡b→∞∫0bx−1ex dx=lim⁡b→∞[−xex]0b=lim⁡b→∞[−beb⏟num→∞den→∞]=(∗)lim⁡b→∞−1eb=0\begin{aligned} \int \dfrac{x-1}{e^x}~\mathrm{d}x&=-(x-1)e^{-x} + \int e^{-x}~\mathrm{d}x \\&=-(x-1)e^{-x} -e^{-x}+C =-xe^{-x}+C\\ \text{So,}\qquad\int_0^\infty \dfrac{x-1}{e^x}~\mathrm{d}x & = \lim_{b \to \infty}\int_0^b \dfrac{x-1}{e^x}~\mathrm{d}x\\ & = \lim_{b \to \infty}\left[-\frac{x}{e^x}\right]_0^b = \lim_{b \to \infty}\bigg[-\underbrace{\frac{b}{e^b}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to\infty}{\mathrm{den}\to\infty}}\bigg]\\ & \stackrel{(*)}{=} \lim_{b \to \infty}-\frac{1}{e^b}=0 \end{aligned}

(In the equality marked (∗*), we used l'Hopital's rule.)

So, ∫0∞x−1ex dx=0\displaystyle\int_0^\infty \dfrac{x-1}{e^x}~\mathrm{d}x=0.

Remark: this shows that, interestingly, ∫0∞xex dx=∫0∞1ex dx\displaystyle\int_0^\infty \dfrac{x}{e^x}~\mathrm{d}x=\displaystyle\int_0^\infty \dfrac{1}{e^x}~\mathrm{d}x.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 35번
# 적분 전략 고르기계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
610.CLP-2 · 1.13절 · 6번대학 수준우리말 번역

∫12x2log⁡x dx\displaystyle\int_1^2 x^2\log x ~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫12x2log⁡x dx\displaystyle\int_1^2 x^2\log x ~\mathrm{d}x.

정답·풀이 보기

두 함수가 곱해져 있지만 서로 깔끔하게 간단해지지는 않는다. 그러나 로그를 미분하고 x2x^2 을 적분하면 다항식을 얻는다. 그러므로 부분적분을 사용하자.

u=log⁡x dv=x2dxu=\log x \, \mathrm{d}v=x^2\mathrm{d}x du=(1/x)dx v=x3/3\mathrm{d}u=(1/x)\mathrm{d}x \, v=x^3/3

먼저 부정적분을 구하자. 적분 구간의 위끝과 아래끝은 나중에 다룬다.

∫x2log⁡xdx=(log⁡x)⏟u(x3/3)⏟v)−∫(x3/3)⏟v(1/x)dx⏟du=13x3log⁡x−13∫x2dx=13x3log⁡x−13⋅13x3+C=13x3log⁡x−19x3+C 미적분학의 기본정리 2를 사용하여 정적분의 값을 구한다.∫12x3log⁡xdx=[13x3log⁡x−19x3]12=[1323log⁡2−1923]−[1313log⁡1−1913]=8log⁡23−89−0+19=83log⁡2−79\begin{aligned} \int x^2\log x \mathrm{d}x &=\underbrace{(\log x)}_{u}\underbrace{(x^3/3)}_{v})-\int\underbrace{(x^3/3)}_{v}\underbrace{(1/x)\mathrm{d}x}_{\mathrm{d}u}\\ &=\frac{1}{3}x^3\log x - \frac{1}{3}\int x^2\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{3}x^3\log x -\frac{1}{3}\cdot\frac{1}{3}x^3+C \\ &=\frac{1}{3}x^3\log x - \frac{1}{9}x^3+C \\ \text{ 미적분학의 기본정리 2를 사용하여 정적분의 값을 구한다.} \\ \int_1^2 x^3\log x \mathrm{d}x&= \left[\frac{1}{3}x^3\log x - \frac{1}{9}x^3\right]_1^2\\ &=\left[\frac{1}{3}2^3\log 2 - \frac{1}{9}2^3 \right] - \left[\frac{1}{3}1^3\log 1 - \frac{1}{9}1^3 \right]\\ &=\frac{8\log 2}{3}-\frac{8}{9}-0+\frac{1}{9}\\ &=\frac{8}{3}\log2-\frac{7}{9} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We see that we have two functions multiplied, but they don't simplify nicely with each other. However, if we differentiate logarithm, and integrate x2x^2, we'll get a polynomial. So, let's use integration by parts.

u=log⁡x dv=x2dxu=\log x \, \mathrm{d}v=x^2\mathrm{d}x du=(1/x)dx v=x3/3\mathrm{d}u=(1/x)\mathrm{d}x \, v=x^3/3

First, let's antidifferentiate. We'll deal with the limits of integration later.

∫x2log⁡xdx=(log⁡x)⏟u(x3/3)⏟v)−∫(x3/3)⏟v(1/x)dx⏟du=13x3log⁡x−13∫x2dx=13x3log⁡x−13⋅13x3+C=13x3log⁡x−19x3+C We use the Fundamental Theorem of Calculus Part 2 to evaluate the definite integral.∫12x3log⁡xdx=[13x3log⁡x−19x3]12=[1323log⁡2−1923]−[1313log⁡1−1913]=8log⁡23−89−0+19=83log⁡2−79\begin{aligned} \int x^2\log x \mathrm{d}x &=\underbrace{(\log x)}_{u}\underbrace{(x^3/3)}_{v})-\int\underbrace{(x^3/3)}_{v}\underbrace{(1/x)\mathrm{d}x}_{\mathrm{d}u}\\ &=\frac{1}{3}x^3\log x - \frac{1}{3}\int x^2\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{3}x^3\log x -\frac{1}{3}\cdot\frac{1}{3}x^3+C \\ &=\frac{1}{3}x^3\log x - \frac{1}{9}x^3+C \\ \text{ We use the Fundamental Theorem of Calculus Part 2 to evaluate the definite integral.} \\ \int_1^2 x^3\log x \mathrm{d}x&= \left[\frac{1}{3}x^3\log x - \frac{1}{9}x^3\right]_1^2\\ &=\left[\frac{1}{3}2^3\log 2 - \frac{1}{9}2^3 \right] - \left[\frac{1}{3}1^3\log 1 - \frac{1}{9}1^3 \right]\\ &=\frac{8\log 2}{3}-\frac{8}{9}-0+\frac{1}{9}\\ &=\frac{8}{3}\log2-\frac{7}{9} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 27번
# 적분 전략 고르기계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
611.CLP-2 · 1.13절 · 7번대학 수준우리말 번역

∫xx2−3 dx\displaystyle\int\frac{x}{x^2-3}\,\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫xx2−3 dx\displaystyle\int\frac{x}{x^2-3}\,\mathrm{d}x.

정답·풀이 보기

분모의 도함수가 분자에 나타나고 상수배만큼만 다르므로 치환을 한다. 구체적으로 u=x2−3u=x^2-3, du=2x dx\mathrm{d}u=2x\,\mathrm{d}x 로 치환한다. 그러면 다음을 얻는다.

∫xx2−3dx=∫du/2u=12log⁡∣u∣+C=12log⁡∣x2−3∣+C\begin{aligned} \int\frac{x}{x^2-3}\mathrm{d}x =\int\frac{\mathrm{d}u/2}{u} =\frac{1}{2}\log|u| + C =\frac{1}{2}\log\big|x^2-3\big| + C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The derivative of the denominator shows up in the numerator, only differing by a constant, so we perform a substitution. Specifically, substitute u=x2−3u=x^2-3, du=2x dx\mathrm{d}u=2x\,\mathrm{d}x. This gives

∫xx2−3dx=∫du/2u=12log⁡∣u∣+C=12log⁡∣x2−3∣+C\begin{aligned} \int\frac{x}{x^2-3}\mathrm{d}x =\int\frac{\mathrm{d}u/2}{u} =\frac{1}{2}\log|u| + C =\frac{1}{2}\log\big|x^2-3\big| + C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 36번
# 적분 전략 고르기계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
612.CLP-2 · 1.13절 · 8번대학 수준우리말 번역

다음 적분의 값을 구하세요.

(a) ∫04x9+x2 dx\displaystyle\int_0^4\frac{x}{\sqrt{9+x^2}}\,\mathrm{d}x (b) ∫0π/2cos⁡3x sin⁡2x dx\displaystyle\int_0^{\pi/2}\cos^3x\ \sin^2x\,\mathrm{d}x (c) ∫1ex3log⁡x dx\displaystyle\int_1^{e}x^3\log x\,\mathrm{d}x

영어 원문 보기

Evaluate the following integrals.

(a) ∫04x9+x2 dx\displaystyle\int_0^4\frac{x}{\sqrt{9+x^2}}\,\mathrm{d}x (b) ∫0π/2cos⁡3x sin⁡2x dx\displaystyle\int_0^{\pi/2}\cos^3x\ \sin^2x\,\mathrm{d}x (c) ∫1ex3log⁡x dx\displaystyle\int_1^{e}x^3\log x\,\mathrm{d}x

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
정답·풀이 보기

(a) 제곱근 안에 이차식이 있으면 흔히 삼각함수 치환을 떠올리지만, 이 경우에는 더 쉬운 치환이 있다. 구체적으로 y=9+x2y=9+x^2 이라 하자. 그러면 dy=2xdx, xdx=dy2, y(0)=9\mathrm{d}y=2x\mathrm{d}x,\ x\mathrm{d}x=\frac{\mathrm{d}y}{2},\ y(0)=9 이고 y(4)=25y(4)=25 이다.

∫04x9+x2 dx=∫9251y dy2=12⋅y1/2∣925=5−3=2\begin{aligned} \int_0^4\frac{x}{\sqrt{9+x^2}}\,\mathrm{d}x &=\int_9^{25}\frac{1}{\sqrt{y}}\,\frac{\mathrm{d}y}{2} =\frac{1}{2}\cdot\frac{\sqrt{y}}{1/2}\Big|_9^{25} =5-3= 2 \end{aligned}

(b) 코사인의 지수가 홀수이므로, 코사인 하나는 미분 요소로 남겨 두고 나머지는 사인으로 바꿀 수 있다. y=sin⁡x,y=\sin x, dy=cos⁡x\mathrm{d}y=\cos x, dx,\mathrm{d}x, y(0)=0,y(0)=0, y(π/2)=1,y(\pi/2)=1, cos⁡2x=1−y2 \cos^2x=1-y^2 으로 치환하면 다음과 같다.

∫0π/2cos⁡3x sin⁡2x dx=∫0π/2cos⁡2x sin⁡2x cos⁡x dx=∫01 ⁣(1−y2)y2 dy=∫01(y2−y4) dy=[y33−y55]01=13−15=215\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\cos^3x\ \sin^2x\,\mathrm{d}x &=\int_0^{\pi/2}\cos^2x\ \sin^2x\ \cos x\,\mathrm{d}x =\int_0^1\!(1-y^2)y^2\,\mathrm{d}y =\int_0^1(y^2-y^4)\,\mathrm{d}y \\ &=\bigg[\frac{y^3}{3}-\frac{y^5}{5}\bigg]_0^1 =\frac{1}{3}-\frac{1}{5} \\ &= \frac{2}{15} \end{aligned}

(c) 피적분함수는 서로 다른 종류의 두 함수의 곱이며, 뚜렷한 치환이나 간단히 하는 방법이 없다. log⁡x\log x 를 미분하면 피적분함수의 나머지 부분의 다항식 꼴과 더 잘 맞는다. 따라서 u(x)=log⁡xu(x)=\log x, dv=x3 dx\mathrm{d}v=x^3\,\mathrm{d}x 로 놓고 부분적분하면 du=1x dx\mathrm{d}u=\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x 이고 v=x4/4v=x^4/4 이다.

∫1ex3log⁡x dx=x44log⁡x∣1e−∫1ex44⋅1x dx=e44−∫1ex34 dx=e44−x416∣1e=3e416+116\begin{aligned} \int_1^{e}x^3\log x\,\mathrm{d}x &=\frac{x^4}{4}\log x\bigg|_1^e -\int_1^{e}\frac{x^4}{4}\cdot\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x =\frac{e^4}{4}-\int_1^{e}\frac{x^3}{4}\,\mathrm{d}x =\frac{e^4}{4}-\frac{x^4}{16}\bigg|_1^e \\ &=\frac{3e^4}{16}+\frac{1}{16} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Although a quadratic under a square root often suggests trigonometric substitution, in this case we have an easier substitution. Specifically, let y=9+x2y=9+x^2. Then dy=2xdx, xdx=dy2, y(0)=9,\mathrm{d}y=2x\mathrm{d}x,\ x\mathrm{d}x=\frac{\mathrm{d}y}{2},\ y(0)=9, and y(4)=25y(4)=25.

∫04x9+x2 dx=∫9251y dy2=12⋅y1/2∣925=5−3=2\begin{aligned} \int_0^4\frac{x}{\sqrt{9+x^2}}\,\mathrm{d}x &=\int_9^{25}\frac{1}{\sqrt{y}}\,\frac{\mathrm{d}y}{2} =\frac{1}{2}\cdot\frac{\sqrt{y}}{1/2}\Big|_9^{25} =5-3= 2 \end{aligned}

(b) The power of cosine is odd, so we can reserve one cosine for the differential and change the rest to sines. Substituting y=sin⁡x,y=\sin x, dy=cos⁡x\mathrm{d}y=\cos x, dx,\mathrm{d}x, y(0)=0,y(0)=0, y(π/2)=1,y(\pi/2)=1, cos⁡2x=1−y2 \cos^2x=1-y^2:

∫0π/2cos⁡3x sin⁡2x dx=∫0π/2cos⁡2x sin⁡2x cos⁡x dx=∫01 ⁣(1−y2)y2 dy=∫01(y2−y4) dy=[y33−y55]01=13−15=215\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\cos^3x\ \sin^2x\,\mathrm{d}x &=\int_0^{\pi/2}\cos^2x\ \sin^2x\ \cos x\,\mathrm{d}x =\int_0^1\!(1-y^2)y^2\,\mathrm{d}y =\int_0^1(y^2-y^4)\,\mathrm{d}y \\ &=\bigg[\frac{y^3}{3}-\frac{y^5}{5}\bigg]_0^1 =\frac{1}{3}-\frac{1}{5} \\ &= \frac{2}{15} \end{aligned}

(c) The integrand is the product of two different kinds of functions, with no obvious substitution or simplification. If we differentiate log⁡x\log x, it will match better with the polynomial nature of the rest of the integrand. So, integrate by parts with u(x)=log⁡xu(x)=\log x and dv=x3 dx\mathrm{d}v=x^3\,\mathrm{d}x, then du=1x dx\mathrm{d}u=\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x and v=x4/4v=x^4/4.

∫1ex3log⁡x dx=x44log⁡x∣1e−∫1ex44⋅1x dx=e44−∫1ex34 dx=e44−x416∣1e=3e416+116\begin{aligned} \int_1^{e}x^3\log x\,\mathrm{d}x &=\frac{x^4}{4}\log x\bigg|_1^e -\int_1^{e}\frac{x^4}{4}\cdot\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x =\frac{e^4}{4}-\int_1^{e}\frac{x^3}{4}\,\mathrm{d}x =\frac{e^4}{4}-\frac{x^4}{16}\bigg|_1^e \\ &=\frac{3e^4}{16}+\frac{1}{16} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 9번
# 적분 전략 고르기계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
613.CLP-2 · 1.13절 · 9번대학 수준우리말 번역

다음 적분의 값을 구하세요.

(a) ∫0π/2xsin⁡x dx\displaystyle\int_0^{\pi/2} x\sin x\,\mathrm{d}x (b) ∫0π/2cos⁡5x dx\displaystyle\int_0^{\pi/2} \cos^5 x\,\mathrm{d}x

영어 원문 보기

Evaluate the following integrals.

(a) ∫0π/2xsin⁡x dx\displaystyle\int_0^{\pi/2} x\sin x\,\mathrm{d}x (b) ∫0π/2cos⁡5x dx\displaystyle\int_0^{\pi/2} \cos^5 x\,\mathrm{d}x

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) u=xu=x, dv=sin⁡x dx\mathrm{d}v=\sin x\,\mathrm{d}x 로 놓고 부분적분하면 du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x 이고 v=−cos⁡xv=-\cos x 이다.

∫xsin⁡x dx=−xcos⁡x−∫(−cos⁡x) dx=−xcos⁡x+sin⁡x+C따라서, ∫0π/2xsin⁡x dx=[−xcos⁡x+sin⁡x]0π/2=1\begin{aligned} \int x\sin x\,\mathrm{d}x&= -x\cos x-\int (-\cos x)\,\mathrm{d}x =-x\cos x+\sin x+C\\ \text{따라서, }\quad\int_0^{\pi/2} x\sin x\,\mathrm{d}x&=\Big[-x\cos x+\sin x\Big]_0^{\pi/2} =1 \end{aligned}

(b) 코사인의 거듭제곱이 홀수이므로 코사인 하나는 du\mathrm{d}u 를 위해 남겨 두고 나머지는 사인으로 바꿀 수 있다. u=sin⁡xu=\sin x, du=cos⁡x dx\mathrm{d}u=\cos x\,\mathrm{d}x 로 치환한다.

∫0π/2cos⁡5x dx=∫0π/2(1−sin⁡2x)2cos⁡x dx=∫01(1−u2)2 du=∫01(1−2u2+u4) du=[u−23u3+15u5]01=1−23+15=815\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \cos^5 x\,\mathrm{d}x &=\int_0^{\pi/2} \big(1-\sin^2x\big)^2\cos x\,\mathrm{d}x =\int_0^1\big(1-u^2\big)^2\,\mathrm{d}u =\int_0^1\big(1-2u^2+u^4\big)\,\mathrm{d}u\\ &=\left[u-\frac{2}{3}u^3+\frac{1}{5}u^5\right]_0^1 =1-\frac{2}{3}+\frac{1}{5} =\frac{8}{15} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Integrate by parts with u=xu=x and dv=sin⁡x dx\mathrm{d}v=\sin x\,\mathrm{d}x so that du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x and v=−cos⁡xv=-\cos x.

∫xsin⁡x dx=−xcos⁡x−∫(−cos⁡x) dx=−xcos⁡x+sin⁡x+CSo, ∫0π/2xsin⁡x dx=[−xcos⁡x+sin⁡x]0π/2=1\begin{aligned} \int x\sin x\,\mathrm{d}x&= -x\cos x-\int (-\cos x)\,\mathrm{d}x =-x\cos x+\sin x+C\\ \text{So, }\quad\int_0^{\pi/2} x\sin x\,\mathrm{d}x&=\Big[-x\cos x+\sin x\Big]_0^{\pi/2} =1 \end{aligned}

(b) The power of cosine is odd, so we can reserve one cosine for du\mathrm{d}u and change the rest into sines. Make the substitution u=sin⁡xu=\sin x, du=cos⁡x dx\mathrm{d}u=\cos x\,\mathrm{d}x.

∫0π/2cos⁡5x dx=∫0π/2(1−sin⁡2x)2cos⁡x dx=∫01(1−u2)2 du=∫01(1−2u2+u4) du=[u−23u3+15u5]01=1−23+15=815\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \cos^5 x\,\mathrm{d}x &=\int_0^{\pi/2} \big(1-\sin^2x\big)^2\cos x\,\mathrm{d}x =\int_0^1\big(1-u^2\big)^2\,\mathrm{d}u =\int_0^1\big(1-2u^2+u^4\big)\,\mathrm{d}u\\ &=\left[u-\frac{2}{3}u^3+\frac{1}{5}u^5\right]_0^1 =1-\frac{2}{3}+\frac{1}{5} =\frac{8}{15} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.5절 · 18번
# 적분 전략 고르기계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
614.CLP-2 · 1.13절 · 11번대학 수준우리말 번역

다음 적분을 계산하세요.

(a) ∫039−x2 dx\displaystyle\int_0^3\sqrt{9-x^2}\,\mathrm{d}x (b) ∫01log⁡(1+x2) dx\displaystyle\int_0^1\log(1+x^2)\,\mathrm{d}x (c) ∫3∞x(x−1)2(x−2) dx\displaystyle\int_3^\infty\frac{x}{(x-1)^2(x-2)}\,\mathrm{d}x

영어 원문 보기

Calculate the following integrals.

(a) ∫039−x2 dx\displaystyle\int_0^3\sqrt{9-x^2}\,\mathrm{d}x (b) ∫01log⁡(1+x2) dx\displaystyle\int_0^1\log(1+x^2)\,\mathrm{d}x (c) ∫3∞x(x−1)2(x−2) dx\displaystyle\int_3^\infty\frac{x}{(x-1)^2(x-2)}\,\mathrm{d}x

정답·풀이 보기

(a) ∫039−x2 dx\int_0^3\sqrt{9-x^2}\,\mathrm{d}x 는 원판 x2+y2≤9x^2+y^2\le 9 중 제1사분면에 놓인 부분의 넓이이다. 그 값은 14π33=94π \frac{1}{4}\pi 3^3={\frac{9}{4}\pi}\, 이다. 다른 방법으로, 치환 x=3sin⁡yx=3\sin y, dx=3cos⁡y dy\mathrm{d}x=3\cos y\,\mathrm{d}y 를 사용하여 이 적분을 계산할 수도 있다.

∫039−x2 dx=∫0π/29−9sin⁡2y (3cos⁡y) dy=9∫0π/2cos⁡2y dy=92∫0π/2[1+cos⁡(2y)] dy=92[y+sin⁡(2y)2]0π/2=94π\begin{aligned} \int_0^3\sqrt{9-x^2}\,\mathrm{d}x &=\int_0^{\pi/2}\sqrt{9-9\sin^2y}\ (3\cos y)\,\mathrm{d}y =9\int_0^{\pi/2}\cos^2 y\,\mathrm{d}y \\ &=\frac{9}{2}\int_0^{\pi/2}[1+\cos(2y)]\,\mathrm{d}y =\frac{9}{2}{\Big[y+\frac{\sin(2y)}{2}\Big]}_0^{\pi/2} \\ &=\frac{9}{4}\pi \end{aligned}

그림

(b) 이 문제는 무엇을 해야 할지 바로 떠오르지는 않지만, u=log⁡xu=\log x, dv=dx\mathrm{d}v=\mathrm{d}x 로 놓고 부분적분을 이용하여 ∫log⁡xdx\int \log x \mathrm{d}x 를 구했던 것을 떠올리자. 비슷한 방법이 여기서도 통하기를 기대해 보자. u=log⁡(1+x2)u=\log(1+x^2), dv=dx\mathrm{d}v=\mathrm{d}x 로 놓고 부분적분을 하면 du=2x1+x2 dx\mathrm{d}u=\frac{2x}{1+x^2}\,\mathrm{d}x, v=xv=x 이다.

∫01log⁡(1+x2) dx=[xlog⁡(1+x2)]01−∫01x2x1+x2 dx=log⁡2−2∫01x21+x2 dx=log⁡2−2∫01(1−11+x2) dx=log⁡2−2[x−arctan⁡x]01=log⁡2−2+π2≈0.264\begin{aligned} \int_0^1\log(1+x^2)\,\mathrm{d}x &=\Big[x\log(1+x^2)\Big]_0^1-\int_0^1 x\frac{2x}{1+x^2}\,\mathrm{d}x =\log 2-2\int_0^1 \frac{x^2}{1+x^2}\,\mathrm{d}x \\ &=\log 2-2\int_0^1\Big(1- \frac{1}{1+x^2}\Big)\,\mathrm{d}x =\log 2-2\big[x-\arctan x\big]_0^1 \\ &=\log 2-2+\frac{\pi}{2}\approx 0.264 \end{aligned}

(c) 피적분함수는 뚜렷한 치환이 보이지 않는 유리함수이므로 부분분수 분해를 사용한다.

x(x−1)2(x−2)=a(x−1)2+bx−1+cx−2=a(x−2)+b(x−1)(x−2)+c(x−1)2(x−1)2(x−2)분모를 곱한다.x=a(x−2)+b(x−1)(x−2)+c(x−1)2\begin{aligned} \frac{x}{(x-1)^2(x-2)} &=\frac{a}{(x-1)^2}+\frac{b}{x-1}+\frac{c}{x-2} =\frac{a(x-2)+b(x-1)(x-2)+c(x-1)^2}{(x-1)^2(x-2)} \\ \\ \text{분모를 곱한다.} \\ x&=a(x-2)+b(x-1)(x-2)+c(x-1)^2 \end{aligned}

x=1x=1 을 대입하면 a=−1a=-1 이다. x=2x=2 를 대입하면 c=2c=2 이다. a=−1a=-1 과 c=2c=2 를 대입하면

b(x−1)(x−2)=x+(x−2)−2(x−1)2=−2x2+6x−4=−2(x−1)(x−2)  ⟹  b=−2\begin{aligned} b(x-1)(x-2)&=x+(x-2)-2(x-1)^2=-2x^2+6x-4=-2(x-1)(x-2) \\ \implies b&=-2 \end{aligned}

따라서

∫3∞x(x−1)2(x−2) dx=lim⁡M→∞∫3M(−1(x−1)2−2x−1+2x−2) dx=lim⁡M→∞[1x−1−2log⁡∣x−1∣+2log⁡∣x−2∣]3M=lim⁡M→∞[1x−1+2log⁡∣x−2x−1∣]3M=lim⁡M→∞[1M−1+2log⁡∣M−2M−1∣]−[13−1+2log⁡∣3−23−1∣]=2log⁡2−12≈0.886\begin{aligned} \int_3^\infty\frac{x}{(x-1)^2(x-2)}\,\mathrm{d}x &=\lim_{M\rightarrow\infty} \int_3^M\left(-\frac{1}{(x-1)^2}-\frac{2}{x-1}+\frac{2}{x-2}\right)\,\mathrm{d}x \\ &=\lim_{M\rightarrow\infty} \left[\frac{1}{x-1}-2\log|x-1|+2\log|x-2|\right]_3^M\\ &=\lim_{M\rightarrow\infty} \bigg[\frac{1}{x-1}+2\log\bigg|\frac{x-2}{x-1}\bigg|\bigg]_3^M\\ &=\lim_{M\rightarrow\infty} \bigg[\frac{1}{M-1}+2\log\bigg|\frac{M-2}{M-1}\bigg|\bigg] -\bigg[\frac{1}{3-1}+2\log\bigg|\frac{3-2}{3-1}\bigg|\bigg] \\ &=2\log 2-\frac{1}{2}\approx0.886 \end{aligned}

이다. 왜냐하면

lim⁡M→∞log⁡M−2M−1=lim⁡M→∞log⁡1−2/M1−1/M=log⁡1=0그리고log⁡12=−log⁡2\begin{aligned} \lim_{M\rightarrow\infty}\log\frac{M-2}{M-1} &=\lim_{M\rightarrow\infty}\log\frac{1-2/M}{1-1/M} =\log 1=0\\ \text{그리고}\qquad \log\frac{1}{2}&=-\log2 \end{aligned}

이기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) ∫039−x2 dx\int_0^3\sqrt{9-x^2}\,\mathrm{d}x is the area of the portion of the disk x2+y2≤9x^2+y^2\le 9 that lies in the first quadrant. It is 14π33=94π \frac{1}{4}\pi 3^3={\frac{9}{4}\pi}\,. Alternatively, you could also evaluate this integral using the substitution x=3sin⁡yx=3\sin y, dx=3cos⁡y dy\mathrm{d}x=3\cos y\,\mathrm{d}y.

∫039−x2 dx=∫0π/29−9sin⁡2y (3cos⁡y) dy=9∫0π/2cos⁡2y dy=92∫0π/2[1+cos⁡(2y)] dy=92[y+sin⁡(2y)2]0π/2=94π\begin{aligned} \int_0^3\sqrt{9-x^2}\,\mathrm{d}x &=\int_0^{\pi/2}\sqrt{9-9\sin^2y}\ (3\cos y)\,\mathrm{d}y =9\int_0^{\pi/2}\cos^2 y\,\mathrm{d}y \\ &=\frac{9}{2}\int_0^{\pi/2}[1+\cos(2y)]\,\mathrm{d}y =\frac{9}{2}{\Big[y+\frac{\sin(2y)}{2}\Big]}_0^{\pi/2} \\ &=\frac{9}{4}\pi \end{aligned}

figure

(b) It's not immediately obvious what to do with this one, but remember we found ∫log⁡xdx\int \log x \mathrm{d}x using integration by parts with u=log⁡xu=\log x and dv=dx\mathrm{d}v=\mathrm{d}x. Let's hope a similar trick works here. Integrate by parts, using u=log⁡(1+x2)u=\log(1+x^2) and dv=dx\mathrm{d}v=\mathrm{d}x, so that du=2x1+x2 dx\mathrm{d}u=\frac{2x}{1+x^2}\,\mathrm{d}x, v=xv=x.

∫01log⁡(1+x2) dx=[xlog⁡(1+x2)]01−∫01x2x1+x2 dx=log⁡2−2∫01x21+x2 dx=log⁡2−2∫01(1−11+x2) dx=log⁡2−2[x−arctan⁡x]01=log⁡2−2+π2≈0.264\begin{aligned} \int_0^1\log(1+x^2)\,\mathrm{d}x &=\Big[x\log(1+x^2)\Big]_0^1-\int_0^1 x\frac{2x}{1+x^2}\,\mathrm{d}x =\log 2-2\int_0^1 \frac{x^2}{1+x^2}\,\mathrm{d}x \\ &=\log 2-2\int_0^1\Big(1- \frac{1}{1+x^2}\Big)\,\mathrm{d}x =\log 2-2\big[x-\arctan x\big]_0^1 \\ &=\log 2-2+\frac{\pi}{2}\approx 0.264 \end{aligned}

(c) The integrand is a rational function with no obvious substitution, so we use partial fractions.

x(x−1)2(x−2)=a(x−1)2+bx−1+cx−2=a(x−2)+b(x−1)(x−2)+c(x−1)2(x−1)2(x−2)Multiply by the denominator.x=a(x−2)+b(x−1)(x−2)+c(x−1)2\begin{aligned} \frac{x}{(x-1)^2(x-2)} &=\frac{a}{(x-1)^2}+\frac{b}{x-1}+\frac{c}{x-2} =\frac{a(x-2)+b(x-1)(x-2)+c(x-1)^2}{(x-1)^2(x-2)} \\ \\ \text{Multiply by the denominator.} \\ x&=a(x-2)+b(x-1)(x-2)+c(x-1)^2 \end{aligned}

Setting x=1x=1 gives a=−1a=-1. Setting x=2x=2 gives c=2c=2. Substituting in a=−1a=-1 and c=2c=2 gives

b(x−1)(x−2)=x+(x−2)−2(x−1)2=−2x2+6x−4=−2(x−1)(x−2)  ⟹  b=−2\begin{aligned} b(x-1)(x-2)&=x+(x-2)-2(x-1)^2=-2x^2+6x-4=-2(x-1)(x-2) \\ \implies b&=-2 \end{aligned}

Hence

∫3∞x(x−1)2(x−2) dx=lim⁡M→∞∫3M(−1(x−1)2−2x−1+2x−2) dx=lim⁡M→∞[1x−1−2log⁡∣x−1∣+2log⁡∣x−2∣]3M=lim⁡M→∞[1x−1+2log⁡∣x−2x−1∣]3M=lim⁡M→∞[1M−1+2log⁡∣M−2M−1∣]−[13−1+2log⁡∣3−23−1∣]=2log⁡2−12≈0.886\begin{aligned} \int_3^\infty\frac{x}{(x-1)^2(x-2)}\,\mathrm{d}x &=\lim_{M\rightarrow\infty} \int_3^M\left(-\frac{1}{(x-1)^2}-\frac{2}{x-1}+\frac{2}{x-2}\right)\,\mathrm{d}x \\ &=\lim_{M\rightarrow\infty} \left[\frac{1}{x-1}-2\log|x-1|+2\log|x-2|\right]_3^M\\ &=\lim_{M\rightarrow\infty} \bigg[\frac{1}{x-1}+2\log\bigg|\frac{x-2}{x-1}\bigg|\bigg]_3^M\\ &=\lim_{M\rightarrow\infty} \bigg[\frac{1}{M-1}+2\log\bigg|\frac{M-2}{M-1}\bigg|\bigg] -\bigg[\frac{1}{3-1}+2\log\bigg|\frac{3-2}{3-1}\bigg|\bigg] \\ &=2\log 2-\frac{1}{2}\approx0.886 \end{aligned}

since

lim⁡M→∞log⁡M−2M−1=lim⁡M→∞log⁡1−2/M1−1/M=log⁡1=0andlog⁡12=−log⁡2\begin{aligned} \lim_{M\rightarrow\infty}\log\frac{M-2}{M-1} &=\lim_{M\rightarrow\infty}\log\frac{1-2/M}{1-1/M} =\log 1=0\\ \text{and}\qquad \log\frac{1}{2}&=-\log2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 13번
# 적분 전략 고르기계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
615.CLP-2 · 1.13절 · 13번대학 수준우리말 번역

다음 적분의 값을 구하세요. 풀이 과정을 보이세요.

(a) ∫0π4sin⁡2(2x)cos⁡3(2x) dx\displaystyle\int_0^{\pi\over 4}\sin^2(2x)\cos^3(2x)\ \mathrm{d}x (b) ∫(9+x2)−32 dx\displaystyle\int\big(9+x^2\big)^{-{3\over 2}}\ \mathrm{d}x (c) ∫dx(x−1)(x2+1)\displaystyle\int\frac{\mathrm{d}x}{(x-1)(x^2+1)} (d) ∫xarctan⁡x dx\displaystyle\int x\arctan x\ \mathrm{d}x

영어 원문 보기

Evaluate the following integrals. Show your work.

(a) ∫0π4sin⁡2(2x)cos⁡3(2x) dx\displaystyle\int_0^{\pi\over 4}\sin^2(2x)\cos^3(2x)\ \mathrm{d}x (b) ∫(9+x2)−32 dx\displaystyle\int\big(9+x^2\big)^{-{3\over 2}}\ \mathrm{d}x (c) ∫dx(x−1)(x2+1)\displaystyle\int\frac{\mathrm{d}x}{(x-1)(x^2+1)} (d) ∫xarctan⁡x dx\displaystyle\int x\arctan x\ \mathrm{d}x

정답·풀이 보기

(a) 지금은 사인과 코사인의 인수가 xx 가 아니라 2x2x 라는 점은 중요하지 않다. 이것도 사인과 코사인의 곱의 거듭제곱을 적분하는 문제이다. 코사인의 지수가 홀수이므로 u=sin⁡(2x)u=\sin (2x), du=2cos⁡(2x) dx\mathrm{d}u=2\cos(2 x)\,\mathrm{d}x 로 치환한다.

∫0π4sin⁡2(2x)cos⁡3(2x) dx=∫0π4sin⁡2(2x)[1−sin⁡2(2x)]cos⁡(2x) dx=12∫01u2[1−u2] du=12∫01(u2−u4) du=12[13u3−15u5]01=115\begin{aligned} \int_0^{\pi\over 4}\sin^2(2x)\cos^3(2x)\ \mathrm{d}x &=\int_0^{\pi\over 4} \sin^2(2x)\big[1-\sin^2(2x)\big]\cos(2 x)\ \mathrm{d}x =\frac{1}{2}\int_0^1 u^2\big[1-u^2\big]\ \mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{2}\int_0^1\big(u^2-u^4\big)\ \mathrm{d}u =\frac{1}{2}{\Big[\frac{1}{3}u^3-\frac{1}{5}u^5\Big]}_0^1 =\frac{1}{15} \end{aligned}

(b) x=3tan⁡tx=3\tan t, dx=3sec⁡2t dt\mathrm{d}x=3\sec^2t\,\mathrm{d}t 로 치환하고 삼각함수 항등식 9+9tan⁡2t=9sec⁡2t9+9\tan^2 t = 9\sec^2 t 를 이용한다.

∫(9+x2)−32 dx=∫(9+9tan⁡2t)−32 3sec⁡2t dt=∫(3sec⁡t)−3 3sec⁡2t dt=19∫cos⁡t dt=19sin⁡t+C=19xx2+9+C\begin{aligned} \int\big(9+x^2\big)^{-{3\over 2}}\ \mathrm{d}x &=\int\big(9+9\tan^2t\big)^{-{3\over 2}}\ 3\sec^2t\,\mathrm{d}t =\int\big(3\sec t\big)^{-3}\ 3\sec^2t\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{9}\int\cos t\ \mathrm{d}t =\frac{1}{9}\sin t+C =\frac{1}{9}\frac{x}{\sqrt{x^2+9}}+C \end{aligned}

마지막 단계에서 xx 로 되돌릴 때에는 tan⁡t=x3\tan t =\frac{x}{3} 가 되도록 만든 아래의 삼각형을 이용했다.

그림

(c) 뚜렷한 치환이 보이지 않는 유리함수이므로 부분분수로 분해한다.

1(x−1)(x2+1)=ax−1+bx+cx2+1=a(x2+1)+(bx+c)(x−1)(x−1)(x2+1)처음의 분모를 양변에 곱한다.1=a(x2+1)+(bx+c)(x−1)(∗)\begin{aligned} \frac{1}{(x-1)(x^2+1)} &=\frac{a}{x-1}+\frac{bx+c}{x^2+1} =\frac{a(x^2+1)+(bx+c)(x-1)}{(x-1)(x^2+1)} \\ \text{처음의 분모를 양변에 곱한다.} \\ 1&=a(x^2+1)+(bx+c)(x-1)\tag{$*$} \end{aligned}

x=1x=1 을 대입하면 2a=12a=1, 즉 a=12a=\tfrac{1}{2} 이다. (∗)(*) 에 a=12a=\tfrac{1}{2} 을 대입하면

12(x2+1)+(bx+c)(x−1)=1  ⟺  (bx+c)(x−1)=12(1−x2)=−12(x−1)(x+1)  ⟺  (bx+c)=−12(x+1)  ⟺  b=c=−12\begin{aligned} &\frac{1}{2}(x^2+1)+(bx+c)(x-1)=1\\ \iff\qquad& (bx+c)(x-1)=\frac{1}{2}(1-x^2)=-\frac{1}{2}(x-1)(x+1)\\ \iff\qquad& (bx+c)=-\frac{1}{2}(x+1)\\ \iff\qquad& b=c=-\frac{1}{2}\\ \end{aligned}

따라서

∫dx(x−1)(x2+1)=∫[1/2x−1−12(x+1)x2+1] dx두 번째 항의 부정적분을 구하기 위해 이를 두 개의 적분으로 나눈다. 하나는 치환 u=x2+1 로 계산할 수 있고, 다른 하나는 아크탄젠트의 도함수와 같은 꼴이다.=∫(1/2x−1−x/2x2+1−1/2x2+1) dx=∫(1/2x−1−14⋅2xx2+1−1/2x2+1) dx=12log⁡∣x−1∣−14log⁡(x2+1)−12arctan⁡x+C\begin{aligned} \int\frac{\mathrm{d}x}{(x-1)(x^2+1)} &=\int\Big[\frac{1/2}{x-1}-\frac{\frac{1}{2}(x+1)}{x^2+1}\Big]\,\mathrm{d}x \\ \text{두 번째 항의 부정적분을 구하기 위해 이를 두 개의 적분으로 나눈다. 하나는 치환 $u=x^2+1$ 로 계산할 수 있고, 다른 하나는 아크탄젠트의 도함수와 같은 꼴이다.} \\ &=\int\Big(\frac{1/2}{x-1}-\frac{x/2}{x^2+1} -\frac{1/2}{x^2+1}\Big)\,\mathrm{d}x\\ &=\int\Big(\frac{1/2}{x-1}-\frac{1}{4}\cdot\frac{2x}{x^2+1} -\frac{1/2}{x^2+1}\Big)\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{2}\log|x-1|-\frac{1}{4}\log(x^2+1)-\frac{1}{2}\arctan x+C \end{aligned}

(d) 아크탄젠트의 도함수는 알고 있고, 이것은 xx 의 부정적분과 곱해지면 깔끔하게 적분된다. 따라서 u=arctan⁡xu=\arctan x, dv=x dx\mathrm{d}v=x\,\mathrm{d}x 로 놓고 부분적분을 하면 du=11+x2dx\mathrm{d}u=\frac{1}{1+x^2}\mathrm{d}x, v=12x2v=\frac{1}{2} x^2 이다. 그러면

∫xarctan⁡x dx=12x2arctan⁡x−12∫x21+x2 dx=12x2arctan⁡x−12∫1+x2−11+x2 dx=12x2arctan⁡x−12∫(1−11+x2) dx=12[x2arctan⁡x−x+arctan⁡x]+C\begin{aligned} \int x\arctan x\,\mathrm{d}x&= \frac{1}{2} x^2\arctan x -\frac{1}{2}\int \frac{x^2}{1+x^2}\,\mathrm{d}x \\ &= \frac{1}{2} x^2\arctan x-\frac{1}{2}\int \frac{1+x^2-1}{1+x^2}\,\mathrm{d}x\\ &= \frac{1}{2} x^2\arctan x-\frac{1}{2}\int \left(1-\frac{1}{1+x^2}\right)\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{2}\big[ x^2\arctan x -x +\arctan x\big]+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) It doesn't matter to us right now that the arguments of sine and cosine are 2x2x rather than xx. This is still the integral of powers of products of sines and cosines. Since cosine has an odd power, we make the substitution u=sin⁡(2x)u=\sin (2x), du=2cos⁡(2x) dx\mathrm{d}u=2\cos(2 x)\,\mathrm{d}x.

∫0π4sin⁡2(2x)cos⁡3(2x) dx=∫0π4sin⁡2(2x)[1−sin⁡2(2x)]cos⁡(2x) dx=12∫01u2[1−u2] du=12∫01(u2−u4) du=12[13u3−15u5]01=115\begin{aligned} \int_0^{\pi\over 4}\sin^2(2x)\cos^3(2x)\ \mathrm{d}x &=\int_0^{\pi\over 4} \sin^2(2x)\big[1-\sin^2(2x)\big]\cos(2 x)\ \mathrm{d}x =\frac{1}{2}\int_0^1 u^2\big[1-u^2\big]\ \mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{2}\int_0^1\big(u^2-u^4\big)\ \mathrm{d}u =\frac{1}{2}{\Big[\frac{1}{3}u^3-\frac{1}{5}u^5\Big]}_0^1 =\frac{1}{15} \end{aligned}

(b) Make the substitution x=3tan⁡tx=3\tan t, dx=3sec⁡2t dt\mathrm{d}x=3\sec^2t\,\mathrm{d}t and use the trig identity 9+9tan⁡2t=9sec⁡2t9+9\tan^2 t = 9\sec^2 t.

∫(9+x2)−32 dx=∫(9+9tan⁡2t)−32 3sec⁡2t dt=∫(3sec⁡t)−3 3sec⁡2t dt=19∫cos⁡t dt=19sin⁡t+C=19xx2+9+C\begin{aligned} \int\big(9+x^2\big)^{-{3\over 2}}\ \mathrm{d}x &=\int\big(9+9\tan^2t\big)^{-{3\over 2}}\ 3\sec^2t\,\mathrm{d}t =\int\big(3\sec t\big)^{-3}\ 3\sec^2t\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{9}\int\cos t\ \mathrm{d}t =\frac{1}{9}\sin t+C =\frac{1}{9}\frac{x}{\sqrt{x^2+9}}+C \end{aligned}

To convert back to xx, in the last step, we used the triangle below, which is rigged to have tan⁡t=x3\tan t =\frac{x}{3}.

figure

(c) Seeing a rational function with no obvious substitutions, we use partial fractions.

1(x−1)(x2+1)=ax−1+bx+cx2+1=a(x2+1)+(bx+c)(x−1)(x−1)(x2+1)Multiply by the original denominator.1=a(x2+1)+(bx+c)(x−1)(∗)\begin{aligned} \frac{1}{(x-1)(x^2+1)} &=\frac{a}{x-1}+\frac{bx+c}{x^2+1} =\frac{a(x^2+1)+(bx+c)(x-1)}{(x-1)(x^2+1)} \\ \text{Multiply by the original denominator.} \\ 1&=a(x^2+1)+(bx+c)(x-1)\tag{$*$} \end{aligned}

Setting x=1x=1 gives 2a=12a=1 or a=12a=\tfrac{1}{2}. Substituting in a=12a=\tfrac{1}{2} in (∗)(*) gives

12(x2+1)+(bx+c)(x−1)=1  ⟺  (bx+c)(x−1)=12(1−x2)=−12(x−1)(x+1)  ⟺  (bx+c)=−12(x+1)  ⟺  b=c=−12\begin{aligned} &\frac{1}{2}(x^2+1)+(bx+c)(x-1)=1\\ \iff\qquad& (bx+c)(x-1)=\frac{1}{2}(1-x^2)=-\frac{1}{2}(x-1)(x+1)\\ \iff\qquad& (bx+c)=-\frac{1}{2}(x+1)\\ \iff\qquad& b=c=-\frac{1}{2}\\ \end{aligned}

So,

∫dx(x−1)(x2+1)=∫[1/2x−1−12(x+1)x2+1] dxTo antidifferentiate the second piece, we split it into two integrals: one that can be handled with the substitution u=x2+1, and another that looks like the derivative of arctangent.=∫(1/2x−1−x/2x2+1−1/2x2+1) dx=∫(1/2x−1−14⋅2xx2+1−1/2x2+1) dx=12log⁡∣x−1∣−14log⁡(x2+1)−12arctan⁡x+C\begin{aligned} \int\frac{\mathrm{d}x}{(x-1)(x^2+1)} &=\int\Big[\frac{1/2}{x-1}-\frac{\frac{1}{2}(x+1)}{x^2+1}\Big]\,\mathrm{d}x \\ \text{To antidifferentiate the second piece, we split it into two integrals: one that can be handled with the substitution $u=x^2+1$, and another that looks like the derivative of arctangent.} \\ &=\int\Big(\frac{1/2}{x-1}-\frac{x/2}{x^2+1} -\frac{1/2}{x^2+1}\Big)\,\mathrm{d}x\\ &=\int\Big(\frac{1/2}{x-1}-\frac{1}{4}\cdot\frac{2x}{x^2+1} -\frac{1/2}{x^2+1}\Big)\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{2}\log|x-1|-\frac{1}{4}\log(x^2+1)-\frac{1}{2}\arctan x+C \end{aligned}

(d) We know the derivative of arctangent, and it would integrate nicely if multiplied to the antiderivative of xx. So, we integrate by parts with u=arctan⁡xu=\arctan x and dv=x dx\mathrm{d}v=x\,\mathrm{d}x so that du=11+x2dx\mathrm{d}u=\frac{1}{1+x^2}\mathrm{d}x and v=12x2v=\frac{1}{2} x^2. Then

∫xarctan⁡x dx=12x2arctan⁡x−12∫x21+x2 dx=12x2arctan⁡x−12∫1+x2−11+x2 dx=12x2arctan⁡x−12∫(1−11+x2) dx=12[x2arctan⁡x−x+arctan⁡x]+C\begin{aligned} \int x\arctan x\,\mathrm{d}x&= \frac{1}{2} x^2\arctan x -\frac{1}{2}\int \frac{x^2}{1+x^2}\,\mathrm{d}x \\ &= \frac{1}{2} x^2\arctan x-\frac{1}{2}\int \frac{1+x^2-1}{1+x^2}\,\mathrm{d}x\\ &= \frac{1}{2} x^2\arctan x-\frac{1}{2}\int \left(1-\frac{1}{1+x^2}\right)\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{2}\big[ x^2\arctan x -x +\arctan x\big]+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 17번
# 적분 전략 고르기계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
616.CLP-2 · 1.13절 · 16번대학 수준우리말 번역

다음 적분의 값을 구하세요.

(a) ∫x log⁡x dx\displaystyle\int x\,\log x\ \mathrm{d}x (b) ∫(x−1) dxx2+4x+5\displaystyle\int\frac{(x-1)\,\mathrm{d}x}{x^2+4x+5} (c) ∫dxx2−4x+3\displaystyle\int\frac{\mathrm{d}x}{x^2-4x+3} (d) ∫x2 dx1+x6\displaystyle\int\frac{x^2\,\mathrm{d}x}{1+x^6}

영어 원문 보기

Evaluate the following integrals.

(a) ∫x log⁡x dx\displaystyle\int x\,\log x\ \mathrm{d}x (b) ∫(x−1) dxx2+4x+5\displaystyle\int\frac{(x-1)\,\mathrm{d}x}{x^2+4x+5} (c) ∫dxx2−4x+3\displaystyle\int\frac{\mathrm{d}x}{x^2-4x+3} (d) ∫x2 dx1+x6\displaystyle\int\frac{x^2\,\mathrm{d}x}{1+x^6}

정답·풀이 보기

(a) u=log⁡xu=\log x, dv=x dx\mathrm{d}v=x\,\mathrm{d}x 로 놓고 부분적분하면, du=dxx\mathrm{d}u=\frac{\mathrm{d}x}{x} 이고 v=12x2v=\tfrac{1}{2} x^2 이다.

∫x log⁡x dx=12x2log⁡x−12∫x2⋅1x dx=12x2log⁡x−14x2+C\begin{aligned} \int x\,\log x\ \mathrm{d}x= \frac{1}{2} x^2\log x- \frac{1}{2} \int x^2\cdot\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x =\frac{1}{2} x^2\log x -\frac{1}{4} x^2+C \end{aligned}

(b) 분모가 더 이상 인수분해되지 않는 이차식이므로 부분분수로는 더 나아갈 수 없다. 분모가 이차식인 함수를 적분하려면, 분자를 나누어 한 부분은 uu-치환으로 계산하고 다른 부분은 아크탄젠트 꼴이 되게 한다.

∫(x−1)dxx2+4x+5=∫x+2−3x2+4x+5dx=12∫2x+4x2+4x+5dx−∫3x2+4x+5dx=12∫2x+4x2+4x+5dx−3∫1(x+2)2+1dx=12log⁡[x2+4x+5]−3arctan⁡(x+2)+C\begin{aligned} \int\frac{(x-1)\mathrm{d}x}{x^2+4x+5} &=\int\frac{x+2-3}{x^2+4x+5}\mathrm{d}x \\ &=\frac{1}{2}\int\frac{2x+4}{x^2+4x+5}\mathrm{d}x -\int\frac{3}{x^2+4x+5}\mathrm{d}x \\ &=\frac{1}{2}\int\frac{2x+4}{x^2+4x+5}\mathrm{d}x-3\int\frac{1}{(x+2)^2+1}\mathrm{d}x \\ &=\frac{1}{2} \log [x^2+4x+5] -3\arctan(x+2)+C \end{aligned}

마지막 단계에서는 부정적분을 추측하여 구해도 되고, 두 적분에 각각 u1=x2+4x+5u_1=x^2+4x+5 와 u2=x+2u_2=x+2 로 치환해도 된다.

(c) 부분분수를 이용한다.

1x2−4x+3=1(x−3)(x−1)=ax−3+bx−11=a(x−1)+b(x−3)\begin{aligned} \frac{1}{x^2-4x+3} &=\frac{1}{(x-3)(x-1)} =\frac{a}{x-3}+\frac{b}{x-1}\\ 1&=a(x-1)+b(x-3) \end{aligned}

x=3x=3 을 대입하면 a=12a=\frac{1}{2} 이다. x=1x=1 을 대입하면 b=−12b=-\frac{1}{2} 이다. 따라서

∫dxx2−4x+3=∫(1/2x−3−1/2x−1) dx=12log⁡∣x−3∣−12log⁡∣x−1∣+C\begin{aligned} \int\frac{\mathrm{d}x}{x^2-4x+3} =\int\Big(\frac{ 1/2}{x-3} -\frac{ 1/2}{x-1}\Big)\,\mathrm{d}x =\frac{1}{2}\log|x-3|-\frac{1}{2}\log|x-1|+C \end{aligned}

(d) y=x3y=x^3, dy=3x2 dx\mathrm{d}y=3x^2\,\mathrm{d}x 로 치환한다.

∫x2 dx1+x6=13∫dy1+y2=13arctan⁡y+C=13arctan⁡x3+C\begin{aligned} \int\frac{x^2\,\mathrm{d}x}{1+x^6}= \frac{1}{3} \int \frac{\mathrm{d}y}{1+y^2} = \frac{1}{3}\arctan y+C =\frac{1}{3}\arctan x^3 +C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Integrate by parts with u=log⁡xu=\log x and dv=x dx\mathrm{d}v=x\,\mathrm{d}x, so that du=dxx\mathrm{d}u=\frac{\mathrm{d}x}{x} and v=12x2v=\tfrac{1}{2} x^2.

∫x log⁡x dx=12x2log⁡x−12∫x2⋅1x dx=12x2log⁡x−14x2+C\begin{aligned} \int x\,\log x\ \mathrm{d}x= \frac{1}{2} x^2\log x- \frac{1}{2} \int x^2\cdot\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x =\frac{1}{2} x^2\log x -\frac{1}{4} x^2+C \end{aligned}

(b) The denominator is an irreducible quadratic, so partial fractions can't get us any further. To integrate a function whose denominator is quadratic, we split the numerator up so that one piece can be evaluated with a uu-substitution, and the other piece looks like arctangent.

∫(x−1)dxx2+4x+5=∫x+2−3x2+4x+5dx=12∫2x+4x2+4x+5dx−∫3x2+4x+5dx=12∫2x+4x2+4x+5dx−3∫1(x+2)2+1dx=12log⁡[x2+4x+5]−3arctan⁡(x+2)+C\begin{aligned} \int\frac{(x-1)\mathrm{d}x}{x^2+4x+5} &=\int\frac{x+2-3}{x^2+4x+5}\mathrm{d}x \\ &=\frac{1}{2}\int\frac{2x+4}{x^2+4x+5}\mathrm{d}x -\int\frac{3}{x^2+4x+5}\mathrm{d}x \\ &=\frac{1}{2}\int\frac{2x+4}{x^2+4x+5}\mathrm{d}x-3\int\frac{1}{(x+2)^2+1}\mathrm{d}x \\ &=\frac{1}{2} \log [x^2+4x+5] -3\arctan(x+2)+C \end{aligned}

For the last step, you can guess the antiderivative, or use the substitutions u1=x2+4x+5u_1=x^2+4x+5 and u2=x+2u_2=x+2, respectively, for the two integrals.

(c) We use partial fractions.

1x2−4x+3=1(x−3)(x−1)=ax−3+bx−11=a(x−1)+b(x−3)\begin{aligned} \frac{1}{x^2-4x+3} &=\frac{1}{(x-3)(x-1)} =\frac{a}{x-3}+\frac{b}{x-1}\\ 1&=a(x-1)+b(x-3) \end{aligned}

Setting x=3x=3 gives a=12a=\frac{1}{2}. Setting x=1x=1 gives b=−12b=-\frac{1}{2}. So,

∫dxx2−4x+3=∫(1/2x−3−1/2x−1) dx=12log⁡∣x−3∣−12log⁡∣x−1∣+C\begin{aligned} \int\frac{\mathrm{d}x}{x^2-4x+3} =\int\Big(\frac{ 1/2}{x-3} -\frac{ 1/2}{x-1}\Big)\,\mathrm{d}x =\frac{1}{2}\log|x-3|-\frac{1}{2}\log|x-1|+C \end{aligned}

(d) Substitute y=x3y=x^3, dy=3x2 dx\mathrm{d}y=3x^2\,\mathrm{d}x.

∫x2 dx1+x6=13∫dy1+y2=13arctan⁡y+C=13arctan⁡x3+C\begin{aligned} \int\frac{x^2\,\mathrm{d}x}{1+x^6}= \frac{1}{3} \int \frac{\mathrm{d}y}{1+y^2} = \frac{1}{3}\arctan y+C =\frac{1}{3}\arctan x^3 +C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.5절 · 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)
617.CLP-2 · 1.13절 · 17번대학 수준우리말 번역

다음 적분의 값을 구하세요.

(a) ∫01arctan⁡x dx\displaystyle\int_0^1\arctan x\ \mathrm{d}x. (b) ∫2x−1x2−2x+5 dx\displaystyle\int\frac{2x-1}{x^2-2x+5}\ \mathrm{d}x.

영어 원문 보기

Evaluate the following integrals.

(a) ∫01arctan⁡x dx\displaystyle\int_0^1\arctan x\ \mathrm{d}x. (b) ∫2x−1x2−2x+5 dx\displaystyle\int\frac{2x-1}{x^2-2x+5}\ \mathrm{d}x.

정답·풀이 보기

(a) u=arctan⁡xu=\arctan x, dv=dx\mathrm{d}v=\mathrm{d}x, du=dx1+x2\mathrm{d}u=\frac{\mathrm{d}x}{1+x^2}, v=xv=x 로 놓고 부분적분하면 다음을 얻는다.

∫01arctan⁡x dx=[xarctan⁡x]01−∫01x1+x2dx=arctan⁡1−[12log⁡(1+x2)]01=π4−12log⁡2\begin{aligned} \int_0^1\arctan x\ \mathrm{d}x &= \big[x\arctan x\big]_0^1-\int_0^1 \frac{x}{1+x^2} \mathrm{d}x =\arctan 1-\Big[\frac{1}{2}\log(1+x^2)\Big]_0^1 =\frac{\pi}{4}-\frac{1}{2}\log 2 \end{aligned}

(b) 분모의 도함수는 2x−22x-2 이고, 이는 분자와 11 만큼만 차이가 난다.

∫2x−1x2−2x+5 dx=∫2x−2x2−2x+5 dx+∫1x2−2x+5 dx=∫2x−2x2−2x+5 dx+∫1(x−1)2+4 dx=log⁡∣x2−2x+5∣+12arctan⁡x−12+C\begin{aligned} \int\frac{2x-1}{x^2-2x+5}\ \mathrm{d}x &=\int\frac{2x-2}{x^2-2x+5}\ \mathrm{d}x+\int\frac{1}{x^2-2x+5}\ \mathrm{d}x \\ &=\int\frac{2x-2}{x^2-2x+5}\ \mathrm{d}x+\int\frac{1}{(x-1)^2+4}\ \mathrm{d}x \\ &=\log |x^2-2x+5| +\frac{1}{2}\arctan \frac{x-1}{2} +C \end{aligned}

마지막 단계에서는 부정적분을 짐작하여 구해도 되고, 각각 치환 u1=x2−2x+5u_1=x^2-2x+5 와 u2=(x−1)/2u_2=(x-1)/2 를 이용해도 된다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Integrate by parts with u=arctan⁡xu=\arctan x, dv=dx\mathrm{d}v=\mathrm{d}x, du=dx1+x2\mathrm{d}u=\frac{\mathrm{d}x}{1+x^2} and v=xv=x. This gives

∫01arctan⁡x dx=[xarctan⁡x]01−∫01x1+x2dx=arctan⁡1−[12log⁡(1+x2)]01=π4−12log⁡2\begin{aligned} \int_0^1\arctan x\ \mathrm{d}x &= \big[x\arctan x\big]_0^1-\int_0^1 \frac{x}{1+x^2} \mathrm{d}x =\arctan 1-\Big[\frac{1}{2}\log(1+x^2)\Big]_0^1 =\frac{\pi}{4}-\frac{1}{2}\log 2 \end{aligned}

(b) Note that the derivative of the denominator is 2x−22x-2, which differs from the numerator only by 11.

∫2x−1x2−2x+5 dx=∫2x−2x2−2x+5 dx+∫1x2−2x+5 dx=∫2x−2x2−2x+5 dx+∫1(x−1)2+4 dx=log⁡∣x2−2x+5∣+12arctan⁡x−12+C\begin{aligned} \int\frac{2x-1}{x^2-2x+5}\ \mathrm{d}x &=\int\frac{2x-2}{x^2-2x+5}\ \mathrm{d}x+\int\frac{1}{x^2-2x+5}\ \mathrm{d}x \\ &=\int\frac{2x-2}{x^2-2x+5}\ \mathrm{d}x+\int\frac{1}{(x-1)^2+4}\ \mathrm{d}x \\ &=\log |x^2-2x+5| +\frac{1}{2}\arctan \frac{x-1}{2} +C \end{aligned}

In the last step, you can guess the antiderivative, or use the substitutions u1=x2−2x+5u_1=x^2-2x+5 and u2=(x−1)/2u_2=(x-1)/2, respectively.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 16번
# 적분 전략 고르기계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
618.CLP-2 · 1.13절 · 18번대학 수준우리말 번역

(a) ∫x2(x3+1)101 dx{\displaystyle \int\frac{x^2}{(x^3 + 1)^{101}}\,\mathrm{d}x} 의 값을 구하세요. (b) ∫cos⁡3 ⁣x sin⁡4 ⁣x dx\displaystyle\int \cos^3\!x\ \sin^4\!x\ \mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Evaluate ∫x2(x3+1)101 dx{\displaystyle \int\frac{x^2}{(x^3 + 1)^{101}}\,\mathrm{d}x}. (b) Evaluate ∫cos⁡3 ⁣x sin⁡4 ⁣x dx\displaystyle\int \cos^3\!x\ \sin^4\!x\ \mathrm{d}x.

답 쓰고 채점
(a)

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

(b)

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

(a) u=x3+1u=x^3+1, du=3x2 dx\mathrm{d}u=3x^2\,\mathrm{d}x 로 치환하면

∫x2(x3+1)101dx=∫1u101⋅du3=u−100−100⋅13+C=−1300(x3+1)100+C\int\frac{x^2}{(x^3 + 1)^{101}}\mathrm{d}x =\int\frac{1}{u^{101}}\cdot \frac{\mathrm{d}u}{3} =\frac{u^{-100}}{-100}\cdot\frac{1}{3}+C =-\frac{1}{300(x^3+1)^{100}} + C

(b) u=sin⁡xu=\sin x, du=cos⁡x dx\mathrm{d}u=\cos x\ \mathrm{d}x, cos⁡2x=1−sin⁡2x=1−u2\cos^2 x = 1-\sin^2 x = 1-u^2 으로 치환하면

∫cos⁡3 ⁣x sin⁡4 ⁣x dx=∫cos⁡2 ⁣x sin⁡4 ⁣x cos⁡x dx=∫(1−u2)u4 du=∫(u4−u6) du=u55−u77+C=sin⁡5 ⁣x5−sin⁡7 ⁣x7+C\begin{aligned} \int \cos^3\!x\ \sin^4\!x\ \mathrm{d}x &=\int \cos^2\!x\ \sin^4\!x\ \cos x\ \mathrm{d}x =\int (1-u^2) u^4\ \mathrm{d}u\\ &=\int (u^4-u^6)\ \mathrm{d}u =\frac{u^5}{5}-\frac{u^7}{7}+C \\ &=\frac{\sin^5\!x}{5}-\frac{\sin^7\!x}{7}+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Substituting u=x3+1u=x^3+1, du=3x2 dx\mathrm{d}u=3x^2\,\mathrm{d}x

∫x2(x3+1)101dx=∫1u101⋅du3=u−100−100⋅13+C=−1300(x3+1)100+C\int\frac{x^2}{(x^3 + 1)^{101}}\mathrm{d}x =\int\frac{1}{u^{101}}\cdot \frac{\mathrm{d}u}{3} =\frac{u^{-100}}{-100}\cdot\frac{1}{3}+C =-\frac{1}{300(x^3+1)^{100}} + C

(b) Substituting u=sin⁡xu=\sin x, du=cos⁡x dx\mathrm{d}u=\cos x\ \mathrm{d}x, cos⁡2x=1−sin⁡2x=1−u2\cos^2 x = 1-\sin^2 x = 1-u^2,

∫cos⁡3 ⁣x sin⁡4 ⁣x dx=∫cos⁡2 ⁣x sin⁡4 ⁣x cos⁡x dx=∫(1−u2)u4 du=∫(u4−u6) du=u55−u77+C=sin⁡5 ⁣x5−sin⁡7 ⁣x7+C\begin{aligned} \int \cos^3\!x\ \sin^4\!x\ \mathrm{d}x &=\int \cos^2\!x\ \sin^4\!x\ \cos x\ \mathrm{d}x =\int (1-u^2) u^4\ \mathrm{d}u\\ &=\int (u^4-u^6)\ \mathrm{d}u =\frac{u^5}{5}-\frac{u^7}{7}+C \\ &=\frac{\sin^5\!x}{5}-\frac{\sin^7\!x}{7}+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 11번
# 적분 전략 고르기계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
619.CLP-2 · 1.13절 · 19번대학 수준우리말 번역

∫π/2πcos⁡xsin⁡x dx\displaystyle\int_{\pi/2}^\pi \frac{\cos x}{\sqrt{\sin x}}~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫π/2πcos⁡xsin⁡x dx\displaystyle\int_{\pi/2}^\pi \frac{\cos x}{\sqrt{\sin x}}~\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

먼저, sin⁡π=0\sin\pi=0 이므로 이 적분은 이상적분임에 주목한다. 따라서 극한을 사용해야 한다.

다음으로, 부정적분을 구해야 한다. 치환 u=sin⁡xu=\sin x, du=cos⁡x dx\mathrm{d}u=\cos x~\mathrm{d}x 가 꼭 들어맞는다.

∫π/2πcos⁡xsin⁡x dx=lim⁡b→π−∫π/2bcos⁡xsin⁡x dx=lim⁡b→π−∫1sin⁡b1u du=lim⁡b→π−[2u]1sin⁡b=20−21=−2\begin{aligned} \int_{\pi/2}^\pi \frac{\cos x}{\sqrt{\sin x}}~\mathrm{d}x&=\lim_{b \to \pi^-}\int_{\pi/2}^b \frac{\cos x}{\sqrt{\sin x}}~\mathrm{d}x = \lim_{b \to \pi^-}\int_{1}^{\sin b} \frac{1}{\sqrt{u}}~\mathrm{d}u \\ &=\lim_{b \to \pi^-}\Big[2\sqrt{u}\Big]_{1}^{\sin b} = 2\sqrt{0} - 2\sqrt{1}=-2 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

First, we note that the integral is improper, because sin⁡π=0\sin\pi=0. So, we'll have to use a limit.

Second, we need to antidifferentiate. The substitution u=sin⁡xu=\sin x, du=cos⁡x dx\mathrm{d}u=\cos x~\mathrm{d}x fits just right.

∫π/2πcos⁡xsin⁡x dx=lim⁡b→π−∫π/2bcos⁡xsin⁡x dx=lim⁡b→π−∫1sin⁡b1u du=lim⁡b→π−[2u]1sin⁡b=20−21=−2\begin{aligned} \int_{\pi/2}^\pi \frac{\cos x}{\sqrt{\sin x}}~\mathrm{d}x&=\lim_{b \to \pi^-}\int_{\pi/2}^b \frac{\cos x}{\sqrt{\sin x}}~\mathrm{d}x = \lim_{b \to \pi^-}\int_{1}^{\sin b} \frac{1}{\sqrt{u}}~\mathrm{d}u \\ &=\lim_{b \to \pi^-}\Big[2\sqrt{u}\Big]_{1}^{\sin b} = 2\sqrt{0} - 2\sqrt{1}=-2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 18번
# 적분 전략 고르기계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
620.CLP-2 · 1.13절 · 20번대학 수준우리말 번역

다음 적분의 값을 구하세요.

(a) ∫ex(ex+1)(ex−3) dx\displaystyle\int \frac{e^x}{(e^x+1)(e^x-3)}\, \mathrm{d}x (b) ∫24x2−4x+412+4x−x2 dx\displaystyle\int_2^4 \frac{x^2-4x+4}{\sqrt{12+4x-x^2}}\, \mathrm{d}x

영어 원문 보기

Evaluate the following integrals.

(a) ∫ex(ex+1)(ex−3) dx\displaystyle\int \frac{e^x}{(e^x+1)(e^x-3)}\, \mathrm{d}x (b) ∫24x2−4x+412+4x−x2 dx\displaystyle\int_2^4 \frac{x^2-4x+4}{\sqrt{12+4x-x^2}}\, \mathrm{d}x

정답·풀이 보기

(a) 피적분함수에 exe^x 대신 xx 가 들어 있다면 유리함수이므로 부분분수 분해를 적용하기에 알맞다. 그러므로 치환 u=exu=e^x, du=ex dx\mathrm{d}u=e^x\,\mathrm{d}x 로 시작하자:

∫ex(ex+1)(ex−3)dx=∫du(u+1)(u−3)\begin{aligned} \int \frac{e^x}{(e^x+1)(e^x-3)} \mathrm{d}x = \int \frac{\mathrm{d}u}{(u+1)(u-3)} \end{aligned}

이제 부분분수 분해 절차에 따라, 먼저 다음과 같이 나타낸다.

1(u+1)(u−3)=Au+1+Bu−3\begin{aligned} \frac{1}{(u+1)(u-3)} = \frac{A}{u+1} + \frac{B}{u-3} \end{aligned}

AA 와 BB 를 요령 있게 구하기 위해, 양변에 분모를 곱한다.

1=A(u−3)+B(u+1)\begin{aligned} 1 = A(u-3) + B(u+1) \end{aligned}

그리고 각각 u=−1u=-1 과 u=3u=3 을 대입하여 AA 와 BB 를 구한다.

1=A(−1−3)+B(−1+1)  ⟺  A=−141=A(3−3)+B(3+1)  ⟺  B=14\begin{aligned} 1 = A(-1-3) + B(-1+1) &\iff A=-\frac{1}{4} \\ 1 = A(3-3) + B(3+1) &\iff B=\frac{1}{4} \\ \end{aligned}

마지막으로 적분을 계산할 수 있다:

∫ex(ex+1)(ex−3)dx=∫du(u+1)(u−3)=∫(−1/4u+1+1/4u−3)du=−14log⁡∣u+1∣+14log⁡∣u−3∣+C=−14log⁡∣ex+1∣+14log⁡∣ex−3∣+C\begin{aligned} \int \frac{e^x}{(e^x+1)(e^x-3)} \mathrm{d}x &= \int \frac{\mathrm{d}u}{(u+1)(u-3)} = \int \Big(\frac{ -1/4}{u+1} + \frac{ 1/4}{u-3}\Big)\mathrm{d}u \\ &=-\frac{1}{4}\log|u+1| +\frac{1}{4}\log|u-3| + C \\ &=-\frac{1}{4}\log|e^x+1| +\frac{1}{4}\log|e^x-3| + C \end{aligned}

(b) 제곱근 안의 식은

12+4x−x2=12−(x−2)2+4=16−(x−2)2\begin{aligned} 12+4x-x^2 =12-(x-2)^2 +4 =16-(x-2)^2 \end{aligned}

이다. 음, 분자는 x2−4x+4=(x−2)2x^2-4x+4=(x-2)^2 이다. 그러므로 u=x−2u=x-2, du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x 로 치환하여 적분을 좀 더 간단한 꼴로 만들자. x=2x=2 일 때 u=0u=0 이고, x=4x=4 일 때 u=2u=2 이므로 다음을 얻는다:

∫x=2x=4x2−4x+412+4x−x2dx=∫u=0u=2u216−u2du\begin{aligned} \int_{x=2}^{x=4} \frac{x^2-4x+4}{\sqrt{12+4x-x^2}} \mathrm{d}x =\int_{u=0}^{u=2} \frac{u^2}{\sqrt{16-u^2}} \mathrm{d}u \end{aligned}

이것은 삼각치환 u=4sin⁡θu=4\sin\theta, du=4cos⁡(θ) dθ\mathrm{d}u = 4\cos(\theta)\,\mathrm{d}\theta 를 쓰기에 안성맞춤이다. u=0u=0 일 때 4sin⁡θ=04\sin\theta = 0 이므로 θ=0\theta=0 이다. u=2u=2 일 때 4sin⁡θ=24\sin\theta = 2 이므로 θ=π6\theta=\frac{\pi}{6} 이다. 따라서

∫u=0u=2u216−u2du=∫θ=0θ=π/616sin⁡2θ16−16sin⁡2θ4cos⁡θdθ=16∫0π/6sin⁡2θ dθ=8∫0π/6(1−cos⁡(2θ)) dθ=8[θ−12sin⁡(2θ)]0π/6=8[π6−12⋅32]=4π3−23\begin{aligned} \int_{u=0}^{u=2} \frac{u^2}{\sqrt{16-u^2}} \mathrm{d}u &=\int_{\theta=0}^{\theta=\pi/6} \frac{16\sin^2\theta}{\sqrt{16-16\sin^2\theta}} 4\cos\theta\mathrm{d}\theta \\ &=16\int_{0}^{\pi/6} \sin^2\theta\ \mathrm{d}\theta \\ &=8\int_{0}^{\pi/6} \big(1-\cos(2\theta)\big)\ \mathrm{d}\theta \\ &=8 \bigg[\theta-\frac{1}{2}\sin(2\theta)\bigg]_{0}^{\pi/6} =8 \bigg[\frac{\pi}{6}-\frac{1}{2}\cdot \frac{\sqrt{3}}{2} \bigg] \\ & = \frac{4\pi}{3}-2\sqrt{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) If the integrand had xx's instead of exe^x's it would be a rational function, ripe for the application of partial fractions. So let's start by making the substitution u=exu=e^x, du=ex dx\mathrm{d}u=e^x\,\mathrm{d}x:

∫ex(ex+1)(ex−3)dx=∫du(u+1)(u−3)\begin{aligned} \int \frac{e^x}{(e^x+1)(e^x-3)} \mathrm{d}x = \int \frac{\mathrm{d}u}{(u+1)(u-3)} \end{aligned}

Now, we follow the partial fractions protocol, starting with expressing

1(u+1)(u−3)=Au+1+Bu−3\begin{aligned} \frac{1}{(u+1)(u-3)} = \frac{A}{u+1} + \frac{B}{u-3} \end{aligned}

To find AA and BB, the sneaky way, we cross multiply by the denominator

1=A(u−3)+B(u+1)\begin{aligned} 1 = A(u-3) + B(u+1) \end{aligned}

and find AA and BB by evaluating at u=−1u=-1 and u=3u=3, respectively.

1=A(−1−3)+B(−1+1)  ⟺  A=−141=A(3−3)+B(3+1)  ⟺  B=14\begin{aligned} 1 = A(-1-3) + B(-1+1) &\iff A=-\frac{1}{4} \\ 1 = A(3-3) + B(3+1) &\iff B=\frac{1}{4} \\ \end{aligned}

Finally, we can do the integral:

∫ex(ex+1)(ex−3)dx=∫du(u+1)(u−3)=∫(−1/4u+1+1/4u−3)du=−14log⁡∣u+1∣+14log⁡∣u−3∣+C=−14log⁡∣ex+1∣+14log⁡∣ex−3∣+C\begin{aligned} \int \frac{e^x}{(e^x+1)(e^x-3)} \mathrm{d}x &= \int \frac{\mathrm{d}u}{(u+1)(u-3)} = \int \Big(\frac{ -1/4}{u+1} + \frac{ 1/4}{u-3}\Big)\mathrm{d}u \\ &=-\frac{1}{4}\log|u+1| +\frac{1}{4}\log|u-3| + C \\ &=-\frac{1}{4}\log|e^x+1| +\frac{1}{4}\log|e^x-3| + C \end{aligned}

(b) The argument of the square root is

12+4x−x2=12−(x−2)2+4=16−(x−2)2\begin{aligned} 12+4x-x^2 =12-(x-2)^2 +4 =16-(x-2)^2 \end{aligned}

Hmmm. The numerator is x2−4x+4=(x−2)2x^2-4x+4=(x-2)^2. So let's make the integral look somewhat simpler by substituting u=x−2u=x-2, du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x. When x=2x=2 we have u=0u=0, and when x=4x=4 we have u=2u=2, so:

∫x=2x=4x2−4x+412+4x−x2dx=∫u=0u=2u216−u2du\begin{aligned} \int_{x=2}^{x=4} \frac{x^2-4x+4}{\sqrt{12+4x-x^2}} \mathrm{d}x =\int_{u=0}^{u=2} \frac{u^2}{\sqrt{16-u^2}} \mathrm{d}u \end{aligned}

This is perfect for the trig substitution u=4sin⁡θu=4\sin\theta, du=4cos⁡(θ) dθ\mathrm{d}u = 4\cos(\theta)\,\mathrm{d}\theta. When u=0u=0 we have 4sin⁡θ=04\sin\theta = 0 and hence θ=0\theta=0. When u=2u=2 we have 4sin⁡θ=24\sin\theta = 2 and hence θ=π6\theta=\frac{\pi}{6}. So

∫u=0u=2u216−u2du=∫θ=0θ=π/616sin⁡2θ16−16sin⁡2θ4cos⁡θdθ=16∫0π/6sin⁡2θ dθ=8∫0π/6(1−cos⁡(2θ)) dθ=8[θ−12sin⁡(2θ)]0π/6=8[π6−12⋅32]=4π3−23\begin{aligned} \int_{u=0}^{u=2} \frac{u^2}{\sqrt{16-u^2}} \mathrm{d}u &=\int_{\theta=0}^{\theta=\pi/6} \frac{16\sin^2\theta}{\sqrt{16-16\sin^2\theta}} 4\cos\theta\mathrm{d}\theta \\ &=16\int_{0}^{\pi/6} \sin^2\theta\ \mathrm{d}\theta \\ &=8\int_{0}^{\pi/6} \big(1-\cos(2\theta)\big)\ \mathrm{d}\theta \\ &=8 \bigg[\theta-\frac{1}{2}\sin(2\theta)\bigg]_{0}^{\pi/6} =8 \bigg[\frac{\pi}{6}-\frac{1}{2}\cdot \frac{\sqrt{3}}{2} \bigg] \\ & = \frac{4\pi}{3}-2\sqrt{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.13절 · 21번
# 적분 전략 고르기계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)