문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분 기법

부분분수 적분

유리함수를 부분분수로 나누어 적분한다

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

3문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 1.10절 · 7번대학 수준우리말 번역

∫12dxx+x2\displaystyle\int_1^2 \frac{\mathrm{d}x}{x+x^2} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫12dxx+x2\displaystyle\int_1^2 \frac{\mathrm{d}x}{x+x^2}.

정답·풀이 보기

피적분함수는 유리함수이므로 부분분수로 분해할 수 있는 후보이다. 뻔한 치환이나 부분적분은 바로 배제할 수 있으므로, 분해를 그대로 진행한다.

먼저 피적분함수, 즉 분수 1x+x2=1x(1+x)\frac{1}{x+x^2}=\frac{1}{x(1+x)} 을 더 간단한 분수 1x\frac{1}{x} 과 1x+1\frac{1}{x+1} 의 일차결합으로 나타낸다(이 두 분수의 적분은 이미 알고 있다). 그러면

1x+x2=1x(1+x)=ax+bx+1=a(x+1)+bxx(1+x)\begin{aligned} \frac{1}{x+x^2}=\frac{1}{x(1+x)} = \frac{a}{x} + \frac{b}{x+1} =\frac{a(x+1) +bx}{x(1+x)} \end{aligned}

이다.

좌변의 분수와 우변의 분수가 같을 필요충분조건은 좌변의 분자 1=0x+11 = 0x + 1 이 우변의 분자 a(x+1)+bx=(a+b)x+aa(x+1)+bx = (a+b)x +a 와 같은 것이다. 이는 다시 a=1a=1 (즉 두 분자의 상수항이 같다)이고 a+b=0a+b=0 (즉 두 분자에서 xx 의 계수가 같다)일 필요충분조건이다. 따라서 a=1a=1, b=−1b=-1 이다. 이제 적분을 쉽게 계산할 수 있다.

∫12dxx+x2=∫12dxx(x+1)=∫12(1x−1x+1) dx=[log⁡x−log⁡(x+1)]12=log⁡2−log⁡32=log⁡43\begin{aligned} \int_1^2 \frac{\mathrm{d}x}{x+x^2} &=\int_1^2 \frac{\mathrm{d}x}{x(x+1)} =\int_1^2 \Big(\frac{1}{x}-\frac{1}{x+1}\Big)\,\mathrm{d}x =\Big[\log x-\log(x+1)\Big]_1^2\\ &=\log 2-\log\frac{3}{2} =\log\frac{4}{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The integrand is a rational function, so it's a candidate for partial fraction. We quickly rule out any obvious substitution or integration by parts, so we go ahead with the decomposition.

We start by expressing the integrand, i.e. the fraction 1x+x2=1x(1+x)\frac{1}{x+x^2}=\frac{1}{x(1+x)}, as a linear combination of the simpler fractions 1x\frac{1}{x} and 1x+1\frac{1}{x+1} (which we already know how to integrate). We will have

1x+x2=1x(1+x)=ax+bx+1=a(x+1)+bxx(1+x)\begin{aligned} \frac{1}{x+x^2}=\frac{1}{x(1+x)} = \frac{a}{x} + \frac{b}{x+1} =\frac{a(x+1) +bx}{x(1+x)} \end{aligned}

The fraction on the left hand side is the same as the fraction on the right hand side if and only if the numerator on the left hand side, which is 1=0x+11 = 0x + 1, is equal to the numerator on the right hand side, which is a(x+1)+bx=(a+b)x+aa(x+1)+bx = (a+b)x +a. This in turn is the case if and only of a=1a=1 (i.e. the constant terms are the same in the two numerators) and a+b=0a+b=0 (i.e. the coefficients of xx are the same in the two numerators). So a=1a=1 and b=−1b=-1. Now we can easily evaluate the integral

∫12dxx+x2=∫12dxx(x+1)=∫12(1x−1x+1) dx=[log⁡x−log⁡(x+1)]12=log⁡2−log⁡32=log⁡43\begin{aligned} \int_1^2 \frac{\mathrm{d}x}{x+x^2} &=\int_1^2 \frac{\mathrm{d}x}{x(x+1)} =\int_1^2 \Big(\frac{1}{x}-\frac{1}{x+1}\Big)\,\mathrm{d}x =\Big[\log x-\log(x+1)\Big]_1^2\\ &=\log 2-\log\frac{3}{2} =\log\frac{4}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.10절 · 6번
# 부분분수 적분계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-2 · 1.10절 · 15번대학 수준우리말 번역

∫x2+2x−1x4−2x3+x2 dx\displaystyle\int \frac{x^2+2x-1}{x^4-2x^3+x^2}~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫x2+2x−1x4−2x3+x2 dx\displaystyle\int \frac{x^2+2x-1}{x^4-2x^3+x^2}~\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

피적분함수는 뚜렷한 치환이 보이지 않는 유리함수이므로 부분분수분해를 이용한다.

  • 분자의 차수가 분모의 차수보다 확실히 작으므로 긴 나눗셈으로 시작할 필요가 없다.
  • 그러나 분모는 인수분해해야 한다. x2x^2 은 바로 묶어 낼 수 있고, 나머지는 x2−2x+1=(x−1)2x^2-2x+1 = (x-1)^2 이다.
  • 이제 부분분수분해를 할 수 있다.

x2+2x−1x4−2x3+x2=x2+2x−1x2(x−1)2=Ax+Bx2+Cx−1+D(x−1)2양변에 처음 분모를 곱한다.x2+2x−1=Ax(x−1)2+B(x−1)2+Cx2(x−1)+Dx2요령껏 x=0 을 대입하면 다음을 얻는다:−1=B또 x=1 을 대입하면 다음을 얻는다:2=DB 와 D 를 이용하여 식 (1)을 간단히 한다.x2+2x−1=Ax(x−1)2−1(x−1)2+Cx2(x−1)+2x20=Ax(x−1)2+Cx2(x−1)=x(x−1)[(A+C)x−A]따라서,0=(A+C)x−A(1)\begin{aligned} \frac{x^2+2x-1}{x^4-2x^3+x^2}&= \frac{x^2+2x-1}{x^2(x-1)^2} = \frac{A}{x}+\frac{B}{x^2}+\frac{C}{x-1}+\frac{D}{(x-1)^2} \\ \text{양변에 처음 분모를 곱한다.} \\ x^2+2x-1&=Ax(x-1)^2+B(x-1)^2+Cx^2(x-1)+Dx^2\tag{1} \\ \text{요령껏 $x=0$ 을 대입하면 다음을 얻는다:} \\ -1&=B \\ \text{또 $x=1$ 을 대입하면 다음을 얻는다:} \\ 2&=D \\ \text{$B$ 와 $D$ 를 이용하여 식 (1)을 간단히 한다.} \\ x^2+2x-1&=Ax(x-1)^2 -1(x-1)^2+Cx^2(x-1)+ 2x^2\\ 0&=Ax(x-1)^2+Cx^2(x-1)\\ &=x(x-1)[(A+C)x-A]\\ \text{따라서,}\qquad 0&=(A+C)x-A \end{aligned}

즉, A=C=0A=C=0 이다.

  • 이제 적분의 값을 구할 수 있다.

∫x2+2x−1x4−2x3+x2 dx=∫(−1x2+2(x−1)2) dx=1x−2x−1+C\begin{aligned} \int \frac{x^2+2x-1}{x^4-2x^3+x^2}~\mathrm{d}x&=\int \left(\frac{-1}{x^2}+\frac{2}{(x-1)^2}\right)~\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{x}-\frac{2}{x-1}+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The integrand is a rational function with no obvious substitution, so we'll use a partial fraction decomposition.

  • Since the numerator has strictly smaller degree than the denominator, we don't need to start off with a long division.
  • We do, however, need to factor the denominator. We can immediately pull out x2x^2; the remaining part is x2−2x+1=(x−1)2x^2-2x+1 = (x-1)^2.
  • Now we can perform our partial fraction decomposition.

x2+2x−1x4−2x3+x2=x2+2x−1x2(x−1)2=Ax+Bx2+Cx−1+D(x−1)2Multiply both sides by the original denominator.x2+2x−1=Ax(x−1)2+B(x−1)2+Cx2(x−1)+Dx2To be sneaky, we set x=0, and find:−1=BWe also set x=1, and find:2=DWe use B and D to simplify Equation (1).x2+2x−1=Ax(x−1)2−1(x−1)2+Cx2(x−1)+2x20=Ax(x−1)2+Cx2(x−1)=x(x−1)[(A+C)x−A]So,0=(A+C)x−A(1)\begin{aligned} \frac{x^2+2x-1}{x^4-2x^3+x^2}&= \frac{x^2+2x-1}{x^2(x-1)^2} = \frac{A}{x}+\frac{B}{x^2}+\frac{C}{x-1}+\frac{D}{(x-1)^2} \\ \text{Multiply both sides by the original denominator.} \\ x^2+2x-1&=Ax(x-1)^2+B(x-1)^2+Cx^2(x-1)+Dx^2\tag{1} \\ \text{To be sneaky, we set $x=0$, and find:} \\ -1&=B \\ \text{We also set $x=1$, and find:} \\ 2&=D \\ \text{We use $B$ and $D$ to simplify Equation (1).} \\ x^2+2x-1&=Ax(x-1)^2 -1(x-1)^2+Cx^2(x-1)+ 2x^2\\ 0&=Ax(x-1)^2+Cx^2(x-1)\\ &=x(x-1)[(A+C)x-A]\\ \text{So,}\qquad 0&=(A+C)x-A \end{aligned}

That is, A=C=0A=C=0.

  • Now we can evaluate our integral.

∫x2+2x−1x4−2x3+x2 dx=∫(−1x2+2(x−1)2) dx=1x−2x−1+C\begin{aligned} \int \frac{x^2+2x-1}{x^4-2x^3+x^2}~\mathrm{d}x&=\int \left(\frac{-1}{x^2}+\frac{2}{(x-1)^2}\right)~\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{x}-\frac{2}{x-1}+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.10절 · 1번
# 부분분수 적분계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-2 · 1.10절 · 16번대학 수준우리말 번역

∫3x2−4x−102x3−x2−8x+4 dx\displaystyle\int \frac{ 3x^2-4x-10}{2x^3-x^2-8x+4}~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫3x2−4x−102x3−x2−8x+4 dx\displaystyle\int \frac{ 3x^2-4x-10}{2x^3-x^2-8x+4}~\mathrm{d}x.

정답·풀이 보기

피적분함수는 뚜렷한 치환이 보이지 않는 유리함수이므로 부분분수 방법을 사용한다.

  • 분자의 차수가 분모의 차수보다 작다.
  • 분모를 인수분해해야 한다. 처음 두 항의 비와 마지막 두 항의 비가 같다.

2x3−x2−8x+4=x2(2x−1)−4(2x−1)=(x2−4)(2x−1)=(x−2)(x+2)(2x−1)\begin{aligned} 2x^3-x^2-8x+4&=x^2(2x-1)-4(2x-1) \\ &= (x^2-4)(2x-1)\\ &=(x-2)(x+2)(2x-1) \end{aligned}

  • 이제 부분분수 분해를 구한다.

3x2−4x−102x3−x2−8x+4=3x2−4x−10(x−2)(x+2)(2x−1)=Ax−2+Bx+2+C2x−1양변에 처음의 분모를 곱한다.3x2−4x−10=A(x+2)(2x−1)+B(x−2)(2x−1)+C(x−2)(x+2)서로 다른 일차식의 곱인 경우는 요령 있는 방법을 쓰기에 가장 좋은 경우이다. 먼저 x=2 로 놓자.3(4)−4(2)−10=A(4)(3)+B(0)+C(0)A=−12이번에는 x=−2 로 놓자.3(4)−4(−2)−10=A(0)+B(−4)(−5)+C(0)B=12마지막으로 x=12 로 놓자.34−2−10=A(0)+B(0)+C(−32)(52)C=3\begin{aligned} \frac{ 3x^2-4x-10}{2x^3-x^2-8x+4}&=\frac{ 3x^2-4x-10}{(x-2)(x+2)(2x-1)}= \frac{A}{x-2}+\frac{B}{x+2}+\frac{C}{2x-1} \\ \text{양변에 처음의 분모를 곱한다.} \\ 3x^2-4x-10&=A(x+2)(2x-1)+B(x-2)(2x-1)+C(x-2)(x+2) \\ \text{서로 다른 일차식의 곱인 경우는 요령 있는 방법을 쓰기에 가장 좋은 경우이다. 먼저 $x=2$ 로 놓자.} \\ 3(4)-4(2)-10&=A(4)(3)+B(0)+C(0)\\ A&=-\frac{1}{2} \\ \text{이번에는 $x=-2$ 로 놓자.} \\ 3(4)-4(-2)-10&=A(0)+B(-4)(-5)+C(0)\\ B&=\frac{1}{2} \\ \text{마지막으로 $x=\frac{1}{2}$ 로 놓자.} \\ \frac{3}{4}-2-10&=A(0)+B(0)+C\left(-\frac{3}{2}\right)\left(\frac{5}{2}\right)\\ C&=3 \end{aligned}

  • 이제 새로운 꼴로 나타낸 적분의 값을 구할 수 있다.

∫3x2−4x−102x3−x2−8x+4 dx=∫(−1/2x−2+1/2x+2+32x−1) dx=−12log⁡∣x−2∣+12log⁡∣x+2∣+32log⁡∣2x−1∣+C=12log⁡∣x+2x−2∣+32log⁡∣2x−1∣+C\begin{aligned} \int \frac{ 3x^2-4x-10}{2x^3-x^2-8x+4}~\mathrm{d}x&=\int \left(\frac{-1/2}{x-2}+\frac{1/2}{x+2}+\frac{3}{2x-1}\right) ~\mathrm{d}x\\ &=-\frac{1}{2}\log|x-2| + \frac{1}{2}\log|x+2| + \frac{3}{2}\log|2x-1|+C \\&=\frac{1}{2}\log\left| \frac{x+2}{x-2} \right| + \frac{3}{2}\log|2x-1|+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Our integrand is a rational function with no obvious substitution, so we'll use the method of partial fractions.

  • The degree of the numerator is less than the degree of the denominator.
  • We need to factor the denominator. The first two terms have the same ratio as the last two terms.

2x3−x2−8x+4=x2(2x−1)−4(2x−1)=(x2−4)(2x−1)=(x−2)(x+2)(2x−1)\begin{aligned} 2x^3-x^2-8x+4&=x^2(2x-1)-4(2x-1) \\ &= (x^2-4)(2x-1)\\ &=(x-2)(x+2)(2x-1) \end{aligned}

  • Now we find our partial fraction decomposition.

3x2−4x−102x3−x2−8x+4=3x2−4x−10(x−2)(x+2)(2x−1)=Ax−2+Bx+2+C2x−1Multiply both sides by the original denominator.3x2−4x−10=A(x+2)(2x−1)+B(x−2)(2x−1)+C(x−2)(x+2)Distinct linear factors is the best possible scenario for the sneaky method. First, let’s set x=2.3(4)−4(2)−10=A(4)(3)+B(0)+C(0)A=−12Now, let x=−2.3(4)−4(−2)−10=A(0)+B(−4)(−5)+C(0)B=12Finally, let x=12.34−2−10=A(0)+B(0)+C(−32)(52)C=3\begin{aligned} \frac{ 3x^2-4x-10}{2x^3-x^2-8x+4}&=\frac{ 3x^2-4x-10}{(x-2)(x+2)(2x-1)}= \frac{A}{x-2}+\frac{B}{x+2}+\frac{C}{2x-1} \\ \text{Multiply both sides by the original denominator.} \\ 3x^2-4x-10&=A(x+2)(2x-1)+B(x-2)(2x-1)+C(x-2)(x+2) \\ \text{Distinct linear factors is the best possible scenario for the sneaky method. First, let's set $x=2$.} \\ 3(4)-4(2)-10&=A(4)(3)+B(0)+C(0)\\ A&=-\frac{1}{2} \\ \text{Now, let $x=-2$.} \\ 3(4)-4(-2)-10&=A(0)+B(-4)(-5)+C(0)\\ B&=\frac{1}{2} \\ \text{Finally, let $x=\frac{1}{2}$.} \\ \frac{3}{4}-2-10&=A(0)+B(0)+C\left(-\frac{3}{2}\right)\left(\frac{5}{2}\right)\\ C&=3 \end{aligned}

  • Now we can evaluate our integral in its new form.

∫3x2−4x−102x3−x2−8x+4 dx=∫(−1/2x−2+1/2x+2+32x−1) dx=−12log⁡∣x−2∣+12log⁡∣x+2∣+32log⁡∣2x−1∣+C=12log⁡∣x+2x−2∣+32log⁡∣2x−1∣+C\begin{aligned} \int \frac{ 3x^2-4x-10}{2x^3-x^2-8x+4}~\mathrm{d}x&=\int \left(\frac{-1/2}{x-2}+\frac{1/2}{x+2}+\frac{3}{2x-1}\right) ~\mathrm{d}x\\ &=-\frac{1}{2}\log|x-2| + \frac{1}{2}\log|x+2| + \frac{3}{2}\log|2x-1|+C \\&=\frac{1}{2}\log\left| \frac{x+2}{x-2} \right| + \frac{3}{2}\log|2x-1|+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.10절 · 7번
# 부분분수 적분계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)