문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분 기법

삼각함수의 적분

sinᵐx cosⁿx, tan·sec의 거듭제곱 같은 삼각함수 곱을 적분한다

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

89문제 · 5 / 5쪽

81.CLP-2 · 1.8절 · 1번대학 수준우리말 번역

∫0π/4sin⁡xcos⁡nx dx\displaystyle\int_0^{\pi/4} \sin x \cos^n x ~\mathrm{d}x 의 값을 치환 u=cos⁡xu=\cos x 를 이용하여 구하려고 합니다. 치환이 성립하기 위해 참이어야 하는 것은 다음 중 어느 것입니까?

(a) nn 은 짝수여야 한다 (b) nn 은 홀수여야 한다 (c) nn 은 정수여야 한다 (d) nn 은 양수여야 한다 (e) nn 은 임의의 실수일 수 있다

영어 원문 보기

Suppose you want to evaluate ∫0π/4sin⁡xcos⁡nx dx\displaystyle\int_0^{\pi/4} \sin x \cos^n x ~\mathrm{d}x using the substitution u=cos⁡xu=\cos x. Which of the following need to be true for your substitution to work?

(a) nn must be even (b) nn must be odd (c) nn must be an integer (d) nn must be positive (e) nn can be any real number

정답·풀이 보기

u=cos⁡xu=\cos x 이면 du=−sin⁡x dx\mathrm{d}u=-\sin x\,\mathrm{d}x 이다. n≠−1n \neq -1 이면

∫0π/4sin⁡xcos⁡nx dx=−∫11/2undu=[−1n+1un+1]11/2=1n+1(1−12n+1)n=−1 이면∫0π/4sin⁡xcos⁡nx dx=−∫11/2undu=−∫11/21udu=[−log⁡∣u∣]11/2=−log⁡(12)=12log⁡2\begin{aligned} \int_0^{\pi/4} \sin x \cos^n x ~\mathrm{d}x&= - \int_1^{1/\sqrt2} u^n \mathrm{d}u = \left[-\frac{1}{n+1}u^{n+1}\right]_1^{1/\sqrt2}=\frac{1}{n+1}\left(1-\frac{1}{\sqrt{2}^{n+1}}\right) \\ \text{$n=-1$ 이면} \\ \int_0^{\pi/4} \sin x \cos^n x ~\mathrm{d}x&= - \int_1^{1/\sqrt2} u^n \mathrm{d}u = - \int_1^{1/\sqrt2} \frac{1}{u} \mathrm{d}u =\bigg[ -\log|u|\bigg]_1^{1/\sqrt2} \\ & =-\log\left(\frac{1}{\sqrt2}\right) = \frac{1}{2}\log 2 \end{aligned}

따라서 (e) nn 은 임의의 실수일 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

If u=cos⁡xu=\cos x, then du=−sin⁡x dx\mathrm{d}u=-\sin x\,\mathrm{d}x. If n≠−1n \neq -1, then

∫0π/4sin⁡xcos⁡nx dx=−∫11/2undu=[−1n+1un+1]11/2=1n+1(1−12n+1)If n=−1, then∫0π/4sin⁡xcos⁡nx dx=−∫11/2undu=−∫11/21udu=[−log⁡∣u∣]11/2=−log⁡(12)=12log⁡2\begin{aligned} \int_0^{\pi/4} \sin x \cos^n x ~\mathrm{d}x&= - \int_1^{1/\sqrt2} u^n \mathrm{d}u = \left[-\frac{1}{n+1}u^{n+1}\right]_1^{1/\sqrt2}=\frac{1}{n+1}\left(1-\frac{1}{\sqrt{2}^{n+1}}\right) \\ \text{If $n=-1$, then} \\ \int_0^{\pi/4} \sin x \cos^n x ~\mathrm{d}x&= - \int_1^{1/\sqrt2} u^n \mathrm{d}u = - \int_1^{1/\sqrt2} \frac{1}{u} \mathrm{d}u =\bigg[ -\log|u|\bigg]_1^{1/\sqrt2} \\ & =-\log\left(\frac{1}{\sqrt2}\right) = \frac{1}{2}\log 2 \end{aligned}

So, (e) nn can be any real number.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.2절 · 39번
# 삼각함수의 적분계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
82.CLP-2 · 1.8절 · 2번대학 수준우리말 번역

∫sec⁡nxtan⁡xdx\displaystyle\int \sec^n x \tan x \mathrm{d}x 의 값을 구하세요. 여기서 nn 은 0보다 큰 정수입니다.

영어 원문 보기

Evaluate ∫sec⁡nxtan⁡xdx\displaystyle\int \sec^n x \tan x \mathrm{d}x, where nn is a strictly positive integer.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

치환 u=sec⁡xu=\sec x, du=sec⁡xtan⁡x dx\mathrm{d}u=\sec x \tan x ~\mathrm{d}x 를 사용한다.

∫sec⁡nxtan⁡xdx=∫sec⁡n−1x⋅sec⁡xtan⁡x dx=∫un−1dun 이 양수이므로 n−1≠−1 이고, 따라서 거듭제곱 법칙으로 부정적분한다.=unn+C=1nsec⁡nx+C\begin{aligned} \int \sec^n x \tan x \mathrm{d}x&=\int \sec^{n-1}x \cdot \sec x \tan x~\mathrm{d}x = \int u^{n-1}\mathrm{d}u \\ \text{$n$ 이 양수이므로 $n-1 \neq -1$ 이고, 따라서 거듭제곱 법칙으로 부정적분한다.} \\ &=\frac{u^n}{n}+C = \frac{1}{n}\sec^n x +C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We use the substitution u=sec⁡xu=\sec x, du=sec⁡xtan⁡x dx\mathrm{d}u=\sec x \tan x ~\mathrm{d}x.

∫sec⁡nxtan⁡xdx=∫sec⁡n−1x⋅sec⁡xtan⁡x dx=∫un−1duSince n is positive, n−1≠−1, so we antidifferentiate using the power rule.=unn+C=1nsec⁡nx+C\begin{aligned} \int \sec^n x \tan x \mathrm{d}x&=\int \sec^{n-1}x \cdot \sec x \tan x~\mathrm{d}x = \int u^{n-1}\mathrm{d}u \\ \text{Since $n$ is positive, $n-1 \neq -1$, so we antidifferentiate using the power rule.} \\ &=\frac{u^n}{n}+C = \frac{1}{n}\sec^n x +C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.8절 · 3번
# 삼각함수의 적분계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
83.CLP-2 · 1.8절 · 3번대학 수준우리말 번역

기억하기 더 쉬운 항등식 sin⁡2x+cos⁡2x=1\sin^2x+\cos^2 x =1 로부터 항등식 tan⁡2x+1=sec⁡2x\tan^2 x +1 = \sec^2 x 를 유도하세요.

영어 원문 보기

Derive the identity tan⁡2x+1=sec⁡2x\tan^2 x +1 = \sec^2 x from the easier-to-remember identity sin⁡2x+cos⁡2x=1\sin^2x+\cos^2 x =1.

정답·풀이 보기

양변을 cos⁡2x\cos^2 x 로 나누고 간단히 한다.

sin⁡2x+cos⁡2x=1sin⁡2x+cos⁡2xcos⁡2x=1cos⁡2xsin⁡2xcos⁡2x+1=sec⁡2xtan⁡2x+1=sec⁡2x\begin{aligned} \sin^2x+\cos^2 x &=1 \\\frac{\sin^2x+\cos^2 x }{\cos^2 x}&=\frac{1}{\cos^2 x} \\\frac{\sin^2x}{\cos^2 x}+1&=\sec^2 x \\\tan^2 x+1&=\sec^2 x \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We divide both sides by cos⁡2x\cos^2 x, and simplify.

sin⁡2x+cos⁡2x=1sin⁡2x+cos⁡2xcos⁡2x=1cos⁡2xsin⁡2xcos⁡2x+1=sec⁡2xtan⁡2x+1=sec⁡2x\begin{aligned} \sin^2x+\cos^2 x &=1 \\\frac{\sin^2x+\cos^2 x }{\cos^2 x}&=\frac{1}{\cos^2 x} \\\frac{\sin^2x}{\cos^2 x}+1&=\sec^2 x \\\tan^2 x+1&=\sec^2 x \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.8절 · 1번
# 삼각함수의 적분계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
84.CLP-2 · 1.8절 · 24번대학 수준우리말 번역

∫tan⁡5xcos⁡2x dx\displaystyle\int \tan^5 x \cos^2 x ~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫tan⁡5xcos⁡2x dx\displaystyle\int \tan^5 x \cos^2 x ~\mathrm{d}x.

정답·풀이 보기

tan⁡x=sin⁡xcos⁡x\tan x = \dfrac{\sin x}{\cos x} 임을 떠올리자.

∫tan⁡5xcos⁡2x dx=∫sin⁡5xcos⁡5xcos⁡2x dx=∫sin⁡5xcos⁡3x dxu=cos⁡x 로 치환하면 du=−sin⁡x dx 이고 sin⁡2x=1−cos⁡2x=1−u2 이다.=∫sin⁡4xcos⁡3x sin⁡x dx=−∫(1−u2)2u3 du=−∫1−2u2+u4u3 du=∫(−1u3+2u−u)du=12u2+2log⁡∣u∣−12u2+C=12cos⁡2x+2log⁡∣cos⁡x∣−12cos⁡2x+C\begin{aligned} \int \tan^5 x \cos^2 x ~\mathrm{d}x&=\int \frac{\sin^5 x}{\cos^5 x}\cos^2 x ~\mathrm{d}x =\int \frac{\sin^5 x}{\cos^3 x}~\mathrm{d}x \\ \text{$u=\cos x$ 로 치환하면 $\mathrm{d}u=-\sin x~\mathrm{d}x$ 이고 $\sin^2 x = 1-\cos^2 x = 1-u^2$ 이다.} \\ &=\int \frac{\sin^4 x}{\cos^3 x}~\sin x~\mathrm{d}x =-\int \frac{(1-u^2)^2}{u^3}~\mathrm{d}u\\ &=-\int \frac{1-2u^2+u^4}{u^3}~\mathrm{d}u= \int \left(-\frac{1}{u^3}+\frac{2}{u}-u\right)\mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{2u^2}+2\log|u|-\frac{1}{2}u^2+C\\ &=\frac{1}{2\cos^2 x}+2\log|\cos x|-\frac{1}{2}\cos^2 x +C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Recall tan⁡x=sin⁡xcos⁡x\tan x = \dfrac{\sin x}{\cos x}.

∫tan⁡5xcos⁡2x dx=∫sin⁡5xcos⁡5xcos⁡2x dx=∫sin⁡5xcos⁡3x dxSubstitute u=cos⁡x, so du=−sin⁡x dx and sin⁡2x=1−cos⁡2x=1−u2.=∫sin⁡4xcos⁡3x sin⁡x dx=−∫(1−u2)2u3 du=−∫1−2u2+u4u3 du=∫(−1u3+2u−u)du=12u2+2log⁡∣u∣−12u2+C=12cos⁡2x+2log⁡∣cos⁡x∣−12cos⁡2x+C\begin{aligned} \int \tan^5 x \cos^2 x ~\mathrm{d}x&=\int \frac{\sin^5 x}{\cos^5 x}\cos^2 x ~\mathrm{d}x =\int \frac{\sin^5 x}{\cos^3 x}~\mathrm{d}x \\ \text{Substitute $u=\cos x$, so $\mathrm{d}u=-\sin x~\mathrm{d}x$ and $\sin^2 x = 1-\cos^2 x = 1-u^2$.} \\ &=\int \frac{\sin^4 x}{\cos^3 x}~\sin x~\mathrm{d}x =-\int \frac{(1-u^2)^2}{u^3}~\mathrm{d}u\\ &=-\int \frac{1-2u^2+u^4}{u^3}~\mathrm{d}u= \int \left(-\frac{1}{u^3}+\frac{2}{u}-u\right)\mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{2u^2}+2\log|u|-\frac{1}{2}u^2+C\\ &=\frac{1}{2\cos^2 x}+2\log|\cos x|-\frac{1}{2}\cos^2 x +C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.8절 · 25번
# 삼각함수의 적분계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
85.CLP-2 · 1.8절 · 25번대학 수준우리말 번역

∫1cos⁡2θdθ\displaystyle\int \frac{1}{\cos^2 \theta}\mathrm{d}\theta 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫1cos⁡2θdθ\displaystyle\int \frac{1}{\cos^2 \theta}\mathrm{d}\theta.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

시컨트의 정의를 이용하면 이 적분을 더 익숙한 꼴로 바꿀 수 있다. ∫1cos⁡2θ dθ=∫sec⁡2θ dθ=tan⁡θ+C\int \frac{1}{\cos^2 \theta}~\mathrm{d}\theta = \int \sec^2\theta~\mathrm{d}\theta = \tan \theta +C

원본 교재 풀이(영어)

We can use the definition of secant to make this integral look more familiar. ∫1cos⁡2θ dθ=∫sec⁡2θ dθ=tan⁡θ+C\int \frac{1}{\cos^2 \theta}~\mathrm{d}\theta = \int \sec^2\theta~\mathrm{d}\theta = \tan \theta +C

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.2절 · 55번
# 삼각함수의 적분계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
86.CLP-2 · 1.8절 · 26번대학 수준우리말 번역

∫cot⁡x dx\displaystyle\int \cot x~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫cot⁡x dx\displaystyle\int \cot x~\mathrm{d}x.

정답·풀이 보기

cot⁡x=cos⁡xsin⁡x\cot x = \dfrac{\cos x}{\sin x} 로 고쳐 쓰고, u=sin⁡xu=\sin x, du=cos⁡x dx\mathrm{d}u=\cos x~\mathrm{d}x 로 치환한다.

∫cot⁡x dx=∫cos⁡xsin⁡x dx=∫1u du=log⁡∣u∣+C=log⁡∣sin⁡x∣+C\begin{aligned} \int \cot x~\mathrm{d}x&= \int \frac{\cos x}{\sin x}~\mathrm{d}x = \int \frac{1}{u}~\mathrm{d}u\\ &=\log|u|+C = \log|\sin x|+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We re-write cot⁡x=cos⁡xsin⁡x\cot x = \dfrac{\cos x}{\sin x}, and use the substitution u=sin⁡xu=\sin x, du=cos⁡x dx\mathrm{d}u=\cos x~\mathrm{d}x.

∫cot⁡x dx=∫cos⁡xsin⁡x dx=∫1u du=log⁡∣u∣+C=log⁡∣sin⁡x∣+C\begin{aligned} \int \cot x~\mathrm{d}x&= \int \frac{\cos x}{\sin x}~\mathrm{d}x = \int \frac{1}{u}~\mathrm{d}u\\ &=\log|u|+C = \log|\sin x|+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.8절 · 27번
# 삼각함수의 적분계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
87.CLP-2 · 1.8절 · 27번대학 수준우리말 번역

∫exsin⁡(ex)cos⁡(ex) dx\displaystyle\int e^x\sin(e^x)\cos(e^x) ~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫exsin⁡(ex)cos⁡(ex) dx\displaystyle\int e^x\sin(e^x)\cos(e^x) ~\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기
  • 풀이 1: 먼저 쉽게 떠오르는 치환 w=exw=e^x, dw=exdw\mathrm{d}w=e^x \mathrm{d}w 로 시작한다.

∫exsin⁡(ex)cos⁡(ex) dx=∫sin⁡wcos⁡w dw이제 또 다른 치환 u=sin⁡w, du=cos⁡w dw 가 보인다.=∫u du=12u2+C=12sin⁡2w+C=12sin⁡2(ex)+C\begin{aligned} \int e^x\sin(e^x)\cos(e^x) ~\mathrm{d}x&= \int \sin w \cos w ~\mathrm{d}w \\ \text{이제 또 다른 치환 $u=\sin w$, $\mathrm{d}u=\cos w~\mathrm{d}w$ 가 보인다.} \\ &=\int u~\mathrm{d}u=\frac{1}{2}u^2+C=\frac{1}{2}\sin^2 w +C\\ &=\frac{1}{2}\sin^2(e^x)+C \end{aligned}

  • 풀이 2: ddx{sin⁡(ex)}=excos⁡(ex)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\sin(e^x)\} = e^x \cos(e^x) 임에 주목한다. 이는 u=sin⁡(ex)u=\sin(e^x), du=excos⁡(ex) dx\mathrm{d}u = e^x \cos(e^x)~\mathrm{d}x 로 치환하면 된다는 것을 알려 준다.

∫exsin⁡(ex)cos⁡(ex) dx=∫u du=12u2+C=12sin⁡2(ex)+C\begin{aligned} \int e^x\sin(e^x)\cos(e^x) ~\mathrm{d}x&= \int u~\mathrm{d}u =\frac{1}{2}u^2+C = \frac{1}{2}\sin^2(e^x)+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)
  • Solution 1: We begin with the obvious substitution, w=exw=e^x, dw=exdw\mathrm{d}w=e^x \mathrm{d}w.

∫exsin⁡(ex)cos⁡(ex) dx=∫sin⁡wcos⁡w dwNow we see another substitution, u=sin⁡w, du=cos⁡w dw.=∫u du=12u2+C=12sin⁡2w+C=12sin⁡2(ex)+C\begin{aligned} \int e^x\sin(e^x)\cos(e^x) ~\mathrm{d}x&= \int \sin w \cos w ~\mathrm{d}w \\ \text{Now we see another substitution, $u=\sin w$, $\mathrm{d}u=\cos w~\mathrm{d}w$.} \\ &=\int u~\mathrm{d}u=\frac{1}{2}u^2+C=\frac{1}{2}\sin^2 w +C\\ &=\frac{1}{2}\sin^2(e^x)+C \end{aligned}

  • Solution 2: Notice that ddx{sin⁡(ex)}=excos⁡(ex)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\sin(e^x)\} = e^x \cos(e^x). This suggests to us the substitution u=sin⁡(ex)u=\sin(e^x), du=excos⁡(ex) dx\mathrm{d}u = e^x \cos(e^x)~\mathrm{d}x.

∫exsin⁡(ex)cos⁡(ex) dx=∫u du=12u2+C=12sin⁡2(ex)+C\begin{aligned} \int e^x\sin(e^x)\cos(e^x) ~\mathrm{d}x&= \int u~\mathrm{d}u =\frac{1}{2}u^2+C = \frac{1}{2}\sin^2(e^x)+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.2절 · 53번
# 삼각함수의 적분계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
88.CLP-2 · 1.8절 · 28번대학 수준우리말 번역

∫sin⁡(cos⁡x)sin⁡3x dx\displaystyle\int \sin(\cos x)\sin^3 x ~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫sin⁡(cos⁡x)sin⁡3x dx\displaystyle\int \sin(\cos x)\sin^3 x ~\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

“안쪽 함수”가 있으므로 s=cos⁡xs=\cos x 로 치환하며 시작한다. 그러면 −ds=sin⁡x dx-\mathrm{d}s=\sin x ~\mathrm{d}x 이고 sin⁡2x=1−cos⁡2x=1−s2\sin^2 x = 1-\cos^2 x = 1-s^2 이다.

∫sin⁡(cos⁡x)sin⁡3x dx=∫sin⁡(cos⁡x)⋅sin⁡2x⋅sin⁡xdx=−∫sin⁡(s)⋅(1−s2) dsu=(1−s2), dv=sin⁡s ds 로 놓고 부분적분을 하면 du=−2s ds, v=−cos⁡s 이다.=−[−(1−s2)cos⁡s−∫2scos⁡s ds]=(1−s2)cos⁡s+∫2scos⁡s dsu=2s, dv=cos⁡s ds 로 놓고 다시 부분적분을 하면 du=2 ds, v=sin⁡s 이다.=(1−s2)cos⁡s+2ssin⁡s−∫2sin⁡s ds=(1−s2)cos⁡s+2ssin⁡s+2cos⁡s+C=sin⁡2x⋅cos⁡(cos⁡x)+2cos⁡x⋅sin⁡(cos⁡x)+2cos⁡(cos⁡x)+C=(sin⁡2x+2)cos⁡(cos⁡x)+2cos⁡x⋅sin⁡(cos⁡x)+C\begin{aligned} \int \sin(\cos x)\sin^3 x ~\mathrm{d}x&=\int \sin(\cos x) \cdot \sin^2 x \cdot \sin x \mathrm{d}x\\ &=-\int \sin(s)\cdot (1-s^2) ~\mathrm{d}s \\ \text{$u=(1-s^2)$, $\mathrm{d}v=\sin s ~\mathrm{d}s$ 로 놓고 부분적분을 하면 $\mathrm{d}u=-2s~\mathrm{d}s$, $v = -\cos s$ 이다.} \\ &=-\left[-(1-s^2)\cos s - \int 2s\cos s~ \mathrm{d}s\right] \\&= (1-s^2)\cos s + \int 2s\cos s~ \mathrm{d}s \\ \text{$u=2s$, $\mathrm{d}v=\cos s ~\mathrm{d}s$ 로 놓고 다시 부분적분을 하면 $\mathrm{d}u=2~\mathrm{d}s$, $v=\sin s$ 이다.} \\ &=(1-s^2)\cos s + 2s\sin s - \int 2\sin s~\mathrm{d}s \\&=(1-s^2)\cos s + 2s\sin s +2\cos s +C \\&=\sin^2 x\cdot\cos (\cos x) + 2\cos x\cdot\sin (\cos x) +2\cos (\cos x) +C \\&=(\sin^2x+2)\cos (\cos x) + 2\cos x\cdot\sin (\cos x) +C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Since we have an “inside function," we start with the substitution s=cos⁡xs=\cos x, so −ds=sin⁡x dx-\mathrm{d}s=\sin x ~\mathrm{d}x and sin⁡2x=1−cos⁡2x=1−s2\sin^2 x = 1-\cos^2 x = 1-s^2.

∫sin⁡(cos⁡x)sin⁡3x dx=∫sin⁡(cos⁡x)⋅sin⁡2x⋅sin⁡xdx=−∫sin⁡(s)⋅(1−s2) dsWe use integration by parts with u=(1−s2), dv=sin⁡s ds; du=−2s ds, and v=−cos⁡s.=−[−(1−s2)cos⁡s−∫2scos⁡s ds]=(1−s2)cos⁡s+∫2scos⁡s dsWe integrate by parts again, with u=2s, dv=cos⁡s ds; du=2 ds, and v=sin⁡s.=(1−s2)cos⁡s+2ssin⁡s−∫2sin⁡s ds=(1−s2)cos⁡s+2ssin⁡s+2cos⁡s+C=sin⁡2x⋅cos⁡(cos⁡x)+2cos⁡x⋅sin⁡(cos⁡x)+2cos⁡(cos⁡x)+C=(sin⁡2x+2)cos⁡(cos⁡x)+2cos⁡x⋅sin⁡(cos⁡x)+C\begin{aligned} \int \sin(\cos x)\sin^3 x ~\mathrm{d}x&=\int \sin(\cos x) \cdot \sin^2 x \cdot \sin x \mathrm{d}x\\ &=-\int \sin(s)\cdot (1-s^2) ~\mathrm{d}s \\ \text{We use integration by parts with $u=(1-s^2)$, $\mathrm{d}v=\sin s ~\mathrm{d}s$; $\mathrm{d}u=-2s~\mathrm{d}s$, and $v = -\cos s$.} \\ &=-\left[-(1-s^2)\cos s - \int 2s\cos s~ \mathrm{d}s\right] \\&= (1-s^2)\cos s + \int 2s\cos s~ \mathrm{d}s \\ \text{We integrate by parts again, with $u=2s$, $\mathrm{d}v=\cos s ~\mathrm{d}s$; $\mathrm{d}u=2~\mathrm{d}s$, and $v=\sin s$.} \\ &=(1-s^2)\cos s + 2s\sin s - \int 2\sin s~\mathrm{d}s \\&=(1-s^2)\cos s + 2s\sin s +2\cos s +C \\&=\sin^2 x\cdot\cos (\cos x) + 2\cos x\cdot\sin (\cos x) +2\cos (\cos x) +C \\&=(\sin^2x+2)\cos (\cos x) + 2\cos x\cdot\sin (\cos x) +C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.8절 · 29번
# 삼각함수의 적분계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
89.CLP-2 · 1.8절 · 29번대학 수준우리말 번역

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

영어 원문 보기

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

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

피적분함수가 다항식과 삼각함수의 곱이므로 부분적분으로 풀릴 것이라고 짐작할 수 있다. 이를 수행하는 방법은 여러 가지가 있다.

  • 풀이 1: 부분을 고르기 전에 항등식 sin⁡(2x)=2sin⁡xcos⁡x\sin(2x) = 2\sin x \cos x 를 이용하자.

∫xsin⁡xcos⁡xdx=12∫xsin⁡(2x)dx이제 u=x, dv=sin⁡(2x)dx 로 놓으면 du=dx 이고 v=−12cos⁡(2x) 이다. 부분적분을 이용하면:=12[−x2cos⁡(2x)+12∫cos⁡(2x)dx]=−x4cos⁡(2x)+18sin⁡(2x)+C=−x4(1−2sin⁡2x)+14sin⁡xcos⁡x+C=−x4+x2sin⁡2x+14sin⁡xcos⁡x+C\begin{aligned} \int x\sin x \cos x \mathrm{d}x&=\frac{1}{2}\int x \sin(2x)\mathrm{d}x \\ \text{이제 $u= x$, $\mathrm{d}v=\sin(2x)\mathrm{d}x$ 로 놓으면 $\mathrm{d}u=\mathrm{d}x$ 이고 $v=-\frac{1}{2}\cos (2x) $ 이다. 부분적분을 이용하면:} \\ &=\frac{1}{2}\left[-\frac{x}{2}\cos (2x) +\frac{1}{2} \int \cos (2x) \mathrm{d}x\right]\\ &=-\frac{x}{4}\cos (2x) +\frac{1}{8}\sin (2x) +C\\ &=-\frac{x}{4}(1-2\sin^2x) +\frac{1}{4}\sin x\cos x +C\\ &=-\frac{x}{4} + \frac{x}{2}\sin^2x+\frac{1}{4}\sin x \cos x +C \end{aligned}

  • 풀이 2: u=xu=x 로 놓으면 du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x 이므로 부분적분에 알맞아 보인다. u=xu=x 이면 dv=sin⁡xcos⁡xdx\mathrm{d}v = \sin x \cos x \mathrm{d}x 이다. vv 를 구하기 위해 치환 u=sin⁡xu=\sin x, du=cos⁡xdx\mathrm{d}u=\cos x \mathrm{d}x 를 쓸 수 있다.

v=∫sin⁡xcos⁡xdx=∫udu=12u2+C=12sin⁡2x+C따라서 v=12sin⁡2x 로 잡는다. 이제 처음의 적분에 부분적분을 적용할 수 있다.∫xsin⁡xcos⁡x dx=x2sin⁡2x−∫12sin⁡2xdx항등식 sin⁡2x=1−cos⁡(2x)2 를 적용한다.=x2sin⁡2x−14∫1−cos⁡(2x)dx=x2sin⁡2x−x4+18sin⁡(2x)+C=x2sin⁡2x−x4+14sin⁡xcos⁡x+C\begin{aligned} v=\int \sin x \cos x \mathrm{d}x&=\int u \mathrm{d}u = \frac{1}{2}u^2+C = \frac{1}{2}\sin^2 x +C \\ \text{따라서 $v = \frac{1}{2}\sin^2 x$ 로 잡는다. 이제 처음의 적분에 부분적분을 적용할 수 있다.} \\ \int x\sin x \cos x ~\mathrm{d}x&=\frac{x}{2}\sin^2 x - \int \frac{1}{2}\sin^2 x \mathrm{d}x \\ \text{항등식 $\sin^2x = \dfrac{1-\cos(2x)}{2}$ 를 적용한다.} \\ &=\frac{x}{2}\sin^2 x - \frac{1}{4}\int 1-\cos(2 x) \mathrm{d}x\\ &=\frac{x}{2}\sin^2 x - \frac{x}{4} +\frac{1}{8}\sin(2 x)+C\\ &=\frac{x}{2}\sin^2 x - \frac{x}{4} +\frac{1}{4}\sin x \cos x+C \end{aligned}

  • 풀이 3: u=xsin⁡xu=x\sin x, dv=cos⁡xdx\mathrm{d}v=\cos x \mathrm{d}x 로 놓으면 du=(xcos⁡x+sin⁡x)dx\mathrm{d}u = (x\cos x + \sin x)\mathrm{d}x 이고 v=sin⁡xv = \sin x 이다.

∫xsin⁡xcos⁡xdx=xsin⁡2x−∫sin⁡x(xcos⁡x+sin⁡x)dx=xsin⁡2x−∫xsin⁡xcos⁡xdx−∫sin⁡2xdx두 번째 적분에 항등식 sin⁡2x=1−cos⁡(2x)2 를 적용한다.=xsin⁡2x−∫xsin⁡xcos⁡xdx−∫1−cos⁡(2x)2dx=xsin⁡2x−∫xsin⁡xcos⁡xdx−x2+14sin⁡(2x)+C따라서 다음 등식을 얻는다.∫xsin⁡xcos⁡xdx=xsin⁡2x−∫xsin⁡xcos⁡xdx−x2+14sin⁡(2x)+C2∫xsin⁡xcos⁡xdx=xsin⁡2x−x2+14sin⁡(2x)+C∫xsin⁡xcos⁡xdx=x2sin⁡2x−x4+18sin⁡(2x)+C2=x2sin⁡2x−x4+14sin⁡xcos⁡x+C2\begin{aligned} \int x\sin x \cos x \mathrm{d}x&=x\sin^2 x - \int \sin x(x\cos x + \sin x)\mathrm{d}x\\ &=x\sin^2 x - \int x \sin x \cos x\mathrm{d}x - \int \sin^2 x\mathrm{d}x \\ \text{두 번째 적분에 항등식 $\sin^2 x = \dfrac{1-\cos(2x)}{2}$ 를 적용한다.} \\ &=x\sin^2 x - \int x \sin x \cos x\mathrm{d}x - \int \dfrac{1-\cos(2x)}{2}\mathrm{d}x \\&=x\sin^2 x - \int x \sin x \cos x\mathrm{d}x - \frac{x}{2} +\frac{1}{4}\sin(2x)+C \\ \text{따라서 다음 등식을 얻는다.} \\ \int x\sin x \cos x \mathrm{d}x&=x\sin^2 x - \int x \sin x \cos x\mathrm{d}x - \frac{x}{2} + \frac{1}{4}\sin(2x)+C\\ 2\int x\sin x \cos x \mathrm{d}x&=x\sin^2 x - \frac{x}{2} + \frac{1}{4}\sin(2x)+C\\ \int x\sin x \cos x \mathrm{d}x&=\frac{x}{2}\sin^2 x - \frac{x}{4} + \frac{1}{8}\sin(2x)+\frac{C}{2}\\ &=\frac{x}{2}\sin^2 x - \frac{x}{4} + \frac{1}{4}\sin x\cos x+\frac{C}{2} \end{aligned}

CC 는 (−∞,∞)(-\infty,\infty) 의 어떤 값이든 가질 수 있는 임의의 상수이므로 C2\frac{C}{2} 도 (−∞,∞)(-\infty,\infty) 의 어떤 값이든 가질 수 있는 임의의 상수이다. 따라서 C2\frac{C}{2} 를 CC 로 바꾸어 써도 된다.

원본 교재 풀이(영어)

Since the integrand is the product of polynomial and trigonometric functions, we suspect it might yield to integration by parts. There are a number of ways this can be accomplished.

  • Solution 1: Before we choose parts, let's use the identity sin⁡(2x)=2sin⁡xcos⁡x\sin(2x) = 2\sin x \cos x.

∫xsin⁡xcos⁡xdx=12∫xsin⁡(2x)dxNow let u=x, dv=sin⁡(2x)dx; du=dx, and v=−12cos⁡(2x). Using integration by parts:=12[−x2cos⁡(2x)+12∫cos⁡(2x)dx]=−x4cos⁡(2x)+18sin⁡(2x)+C=−x4(1−2sin⁡2x)+14sin⁡xcos⁡x+C=−x4+x2sin⁡2x+14sin⁡xcos⁡x+C\begin{aligned} \int x\sin x \cos x \mathrm{d}x&=\frac{1}{2}\int x \sin(2x)\mathrm{d}x \\ \text{Now let $u= x$, $\mathrm{d}v=\sin(2x)\mathrm{d}x$; $\mathrm{d}u=\mathrm{d}x$, and $v=-\frac{1}{2}\cos (2x) $. Using integration by parts:} \\ &=\frac{1}{2}\left[-\frac{x}{2}\cos (2x) +\frac{1}{2} \int \cos (2x) \mathrm{d}x\right]\\ &=-\frac{x}{4}\cos (2x) +\frac{1}{8}\sin (2x) +C\\ &=-\frac{x}{4}(1-2\sin^2x) +\frac{1}{4}\sin x\cos x +C\\ &=-\frac{x}{4} + \frac{x}{2}\sin^2x+\frac{1}{4}\sin x \cos x +C \end{aligned}

  • Solution 2: If we let u=xu=x, then du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x, and this seems desirable for integration by parts. If u=xu=x, then dv=sin⁡xcos⁡xdx\mathrm{d}v = \sin x \cos x \mathrm{d}x. To find vv we can use the substitution u=sin⁡xu=\sin x, du=cos⁡xdx\mathrm{d}u=\cos x \mathrm{d}x.

v=∫sin⁡xcos⁡xdx=∫udu=12u2+C=12sin⁡2x+CSo, we take v=12sin⁡2x. Now we can apply integration by parts to our original integral.∫xsin⁡xcos⁡x dx=x2sin⁡2x−∫12sin⁡2xdxApply the identity sin⁡2x=1−cos⁡(2x)2.=x2sin⁡2x−14∫1−cos⁡(2x)dx=x2sin⁡2x−x4+18sin⁡(2x)+C=x2sin⁡2x−x4+14sin⁡xcos⁡x+C\begin{aligned} v=\int \sin x \cos x \mathrm{d}x&=\int u \mathrm{d}u = \frac{1}{2}u^2+C = \frac{1}{2}\sin^2 x +C \\ \text{So, we take $v = \frac{1}{2}\sin^2 x$. Now we can apply integration by parts to our original integral.} \\ \int x\sin x \cos x ~\mathrm{d}x&=\frac{x}{2}\sin^2 x - \int \frac{1}{2}\sin^2 x \mathrm{d}x \\ \text{Apply the identity $\sin^2x = \dfrac{1-\cos(2x)}{2}$.} \\ &=\frac{x}{2}\sin^2 x - \frac{1}{4}\int 1-\cos(2 x) \mathrm{d}x\\ &=\frac{x}{2}\sin^2 x - \frac{x}{4} +\frac{1}{8}\sin(2 x)+C\\ &=\frac{x}{2}\sin^2 x - \frac{x}{4} +\frac{1}{4}\sin x \cos x+C \end{aligned}

  • Solution 3: Let u=xsin⁡xu=x\sin x and dv=cos⁡xdx\mathrm{d}v=\cos x \mathrm{d}x; then du=(xcos⁡x+sin⁡x)dx\mathrm{d}u = (x\cos x + \sin x)\mathrm{d}x and v=sin⁡xv = \sin x.

∫xsin⁡xcos⁡xdx=xsin⁡2x−∫sin⁡x(xcos⁡x+sin⁡x)dx=xsin⁡2x−∫xsin⁡xcos⁡xdx−∫sin⁡2xdxApply the identity sin⁡2x=1−cos⁡(2x)2 to the second integral.=xsin⁡2x−∫xsin⁡xcos⁡xdx−∫1−cos⁡(2x)2dx=xsin⁡2x−∫xsin⁡xcos⁡xdx−x2+14sin⁡(2x)+CSo, we have the equation∫xsin⁡xcos⁡xdx=xsin⁡2x−∫xsin⁡xcos⁡xdx−x2+14sin⁡(2x)+C2∫xsin⁡xcos⁡xdx=xsin⁡2x−x2+14sin⁡(2x)+C∫xsin⁡xcos⁡xdx=x2sin⁡2x−x4+18sin⁡(2x)+C2=x2sin⁡2x−x4+14sin⁡xcos⁡x+C2\begin{aligned} \int x\sin x \cos x \mathrm{d}x&=x\sin^2 x - \int \sin x(x\cos x + \sin x)\mathrm{d}x\\ &=x\sin^2 x - \int x \sin x \cos x\mathrm{d}x - \int \sin^2 x\mathrm{d}x \\ \text{Apply the identity $\sin^2 x = \dfrac{1-\cos(2x)}{2}$ to the second integral.} \\ &=x\sin^2 x - \int x \sin x \cos x\mathrm{d}x - \int \dfrac{1-\cos(2x)}{2}\mathrm{d}x \\&=x\sin^2 x - \int x \sin x \cos x\mathrm{d}x - \frac{x}{2} +\frac{1}{4}\sin(2x)+C \\ \text{So, we have the equation} \\ \int x\sin x \cos x \mathrm{d}x&=x\sin^2 x - \int x \sin x \cos x\mathrm{d}x - \frac{x}{2} + \frac{1}{4}\sin(2x)+C\\ 2\int x\sin x \cos x \mathrm{d}x&=x\sin^2 x - \frac{x}{2} + \frac{1}{4}\sin(2x)+C\\ \int x\sin x \cos x \mathrm{d}x&=\frac{x}{2}\sin^2 x - \frac{x}{4} + \frac{1}{8}\sin(2x)+\frac{C}{2}\\ &=\frac{x}{2}\sin^2 x - \frac{x}{4} + \frac{1}{4}\sin x\cos x+\frac{C}{2} \end{aligned}

Since CC is an arbitrary constant that can take any number in (−∞,∞)(-\infty,\infty), also C2\frac{C}{2} is an arbitrary constant that can take any number in (−∞,∞)(-\infty,\infty), so we're free to rename C2\frac{C}{2} to CC.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.2절 · 57번
# 삼각함수의 적분계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)