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)=2cos2x−1. If we take 2x=t, then cost=2cos2(t/2)−1.
∫0π/2cost+1dtOver the interval [0,2π], cos(t/2)>0, so we can drop the absolute values.=∫0π/22cos2(t/2)dt=2∫0π/2∣cos(t/2)∣dt=2∫0π/2cos(t/2)dt=2[2sin(2t)]0π/2=22sin(4π)=2
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 u로 놓는 치환을 쓰는 것이다. 이를 염두에 두고 분모의 도함수를 구해 보자.
dxd{log(cosx)}=cosx1⋅(−sinx)=cosx−sinx=−tanx
주목할 점: 피적분함수는 log(cosx) 가 존재하고 0이 아닐 때에만 정의된다. 예를 들어 x=0 일 때는 logcosx=log1=0 이 되어 0으로 나눌 수 없으므로 정의되지 않는다.
마지막 정리에서 0.1 과 0.2 는 0과 π/2 사이에 있으므로 코사인 값은 양수이면서 1보다 작다. 따라서 log(cos0.1) 과 log(cos0.2) 는 모두 음수이고, 그 몫은 양수이므로 절댓값 기호를 없앨 수 있다.
밑 변환 공식을 쓰면 최종 답을
log(logcos(0.2)cos(0.1))
로도 나타낼 수 있다.
원본 교재 풀이(영어)
∫0.10.2log(cosx)tanxdx
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 u-substitution with the denominator. With that in mind, let's find the derivative of the denominator.
dxd{log(cosx)}=cosx1⋅(−sinx)=cosx−sinx=−tanx
So, if we let u=log(cosx), we see −du=tanxdx, which will work for a substitution.
Things to notice: the integrand is only defined when log(cosx) exists AND is nonzero. So, for instance, it is not defined when x=0, because then logcosx=log1=0, and we can't divide by zero.
In the final simplification, since 0.1 and 0.2 are between 0 and π/2, the cosine term is positive but less than one, so log(cos0.1) and log(cos0.2) 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(logcos(0.2)cos(0.1)).
이다. 여기서 둘째 적분은 부정적분을 짐작하는 것만으로 구했다.
다른 방법으로, u=x2+4,
du=2xdx 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=ex, du=exdx 로 치환하려 한다. 즉 u1du=dx 이다.
(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−x2dx=∫039−x2dx+∫03x9−x2dx
The first piece represents the area above the x–axis and below the curve
y=9−x2, i.e. x2+y2=9, with 0≤x≤3. That's the area of
one quadrant of a disk of radius 3. So
∫039−x2dx=41(π⋅32)=49π
For the second part, we substitute u=9−x2, du=−2xdx. Note
u(0)=9 and u(3)=0. So,
(b)
The integrand is of the form N(x)/D(x) with D(x) already factored
and N(x) of lower degree. We immediately look for a partial fractions decomposition:
Here the second integral was found just by guessing an antiderivative.
Alternatively, one could use the substitution u=x2+4,
du=2xdx.
(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=ex, du=exdx. That is, u1du=dx.
∫ex+e−x1dxNow we can deal with the limits of integration.∫−∞∞ex+e−x1dx=∫u(u+u1)1du=∫u2+11=arctanu+C=arctan(ex)+C=∫−∞0ex+e−x1dx+∫0∞ex+e−x1dx=a→−∞lim[∫a0ex+e−x1dx]+b→∞lim[∫0bex+e−x1dx]=a→−∞lim[arctan(ex)]a0+b→∞lim[arctan(ex)]0b=a→−∞lim[arctan(e0)−arctan(ea)]+b→∞lim[arctan(eb)−arctan(e0)]=a→−∞lim[−arctan(ea)]+b→∞lim[arctan(eb)]=−arctan(0)+2π=2π
(∗)에서 θ 를 u 로 바꾸기 위해, 치환 u=sinθ 로부터 θ=arcsinu 임을 알 수 있다. cosθ 를 구하려면, 풀이 과정을 거꾸로 따라가 이미 1−u2 을 cosθ 로 간단히 했음을 확인하거나, 한 각이 θ 이고 sinθ=u 인 직각삼각형을 그린 다음 피타고라스 정리를 이용하여 이 삼각형의 밑변의 길이와 cosθ 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 u-substitution, especially when square roots are involved.
Let u=1−x, du=−21−x1dx. Then u2=1−x, so x=1−u2.
∫1−xxdxNow we’re back in familiar territory. Let u=sinθ, du=cosθdθ.=2∫21−xxdx=−2∫1−u2du=−2∫1−sin2θcosθdθ=−2∫cos2θdθ=−∫(1+cos(2θ))dθ=−θ−21sin(2θ)+C=−θ−sinθcosθ+C=−arcsinu−u1−u2+C=−arcsin(1−x)−1−xx+C(∗)
In (∗), to convert from θ to u, our substitution u=sinθ tells us θ=arcsinu. To find cosθ, we can either trace our work backwards to see that we already simplified 1−u2 into cosθ, or we can draw a right triangle with angle θ and sinθ=u, then use the Pythagorean theorem to find the length of the adjacent side of the triangle and cosθ.
치환 u=ex 을 사용하자. 이것이 좋은 선택이라고 생각할 만한 이유가 몇 가지 있다. 이것은 “안쪽 함수”이다. f(x)=ex 라 하면 f(ex)=eex 이고, 이는 피적분함수의 일부이기 때문이다. 또 e2x=ex⋅ex 이므로, 그 도함수 ex 가 피적분함수의 나머지 부분에 곱해져 있다.
u=ex 라 하면 du=exdx 이다. x=0 일 때 u=1 이고, x=1 일 때 u=e 이다.
Let's use the substitution u=ex. There are a few reasons to think this is a good choice. It's an “inside function," in that if we let f(x)=ex, then f(ex)=eex, which is a piece of our integrand. Also its derivative, ex, is multiplied by the rest of the integrand, since e2x=ex⋅ex .
Let u=ex, du=exdx. When x=0, u=1, and when x=1, u=e.
∫01e2xeexdxThis is more familiar. We use integration by parts with dv=eudu, 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.=∫01exeexexdx=∫1eueudu=[ueu]1e−∫1eeudu=e⋅ee−e−ee+e=ee(e−1)
처음에는 치환 u=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+1)2x)(ex) 으로 볼 수도 있고, (x+1x)(x+1ex) 으로 볼 수도 있다. 몇 차례 시행착오를 거쳐 u=xex, dv=(x+1)−2dx 로 정한다. 그러면 du=ex(x+1) 이고 v=x+1−1 이다.
The substitution u=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+1)2x)(ex), or we could view it as (x+1x)(x+1ex). After some trial and error, we settle on u=xex and dv=(x+1)−2dx. Then du=ex(x+1) and v=x+1−1.
It would be nice to use integration by parts with u=x, because then we would integrate ∫vdu, and du=dx. That is, the x would go away, and we'd be left with a pure trig integral. If we use u=x, then dv=cos2xsinx. We need to find v:
vNow we use integration by parts.∫cos2xxsinxdx=∫cos2xsinxdx=∫tanxsecxdx=secx=xsecx−∫secxdx=xsecx−log∣secx+tanx∣+C
모르는 지수 때문에 겁이 난다면, 더 쉬운 경우에는 이것이 어떤 모양인지 생각해 보자. n 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+a 대신 문자 x 만 n 제곱되어 있다면 더 좋을 것이다. 그러므로 치환 u=x+a, du=dx 를 이용하자. 이때 x=u−a 임에 주의한다.
If the unknown exponent gives you the jitters, think about what this looks like in easier cases. If n 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 x raised to the power n, rather than the binomial x+a, that might be nicer. So, let's use the substitution u=x+a, du=dx. Note x=u−a.
∫x(x+a)ndxNow, if n=−1 and n=−2, we can just use the power rule:If n=−1, then∫x(x+a)ndxIf n=−2, then∫x(x+a)ndxAll together,∫x(x+a)ndx=∫(u−a)undx=∫(un+1−aun)du=n+2u(n+2)−an+1un+1+C=n+2(x+a)(n+2)−an+1(x+a)n+1+C=∫(un+1−aun)du=∫(1−ua)du=u−alog∣u∣+C=(x+a)−alog∣x+a∣+C=∫(un+1−aun)du=∫(u1−au−2)du=log∣u∣+ua+C=log∣x+a∣+x+aa+C=⎩⎨⎧n+2(x+a)(n+2)−an+1(x+a)n+1+C(x+a)−alog∣a+x∣+Clog∣x+a∣+x+aa+C if n=−1,−2 if n=−1 if n=−2