문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분 기법

삼각치환

√(a²−x²) 같은 꼴을 x=a sin θ 등으로 바꾸어 적분한다

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

11문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 1.9절 · 9번대학 수준우리말 번역

∫x+12x2+4x dx\displaystyle\int\frac{x+1}{\sqrt{2x^2+4x}} \, \mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫x+12x2+4x dx\displaystyle\int\frac{x+1}{\sqrt{2x^2+4x}} \, \mathrm{d}x.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

제곱근 안의 근의 공식을 보면 삼각치환이 떠오르지만, 좋은 습관을 기르기 위해 먼저 더 쉬운 방법이 있는지 확인해 보자. u=2x2+4xu=2x^2+4x 로 놓으면 du=(4x+4) dx\mathrm{d}u = (4x+4)~\mathrm{d}x 이므로 14 du=(x+1) dx\frac{1}{4}\,\mathrm{d}u=(x+1)\,\mathrm{d}x 이다. 이 치환은 (완전제곱식을 만드는 것에서 시작하게 되는) 삼각치환보다 더 쉬워 보인다.

∫x+12x2+4x dx=14∫1u du=12u+C=122x2+4x+C\begin{aligned} \int\frac{x+1}{\sqrt{2x^2+4x}} \, \mathrm{d}x&=\frac{1}{4}\int \frac{1}{\sqrt{u}}\,\mathrm{d}u = \frac{1}{2}\sqrt{u}+C = \frac{1}{2}\sqrt{2x^2+4x}+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The quadratic formula underneath the square root makes us think of a trig substitution, but in the interest of developing good habits, let's check for an easier way first. If we let u=2x2+4xu=2x^2+4x, then du=(4x+4) dx\mathrm{d}u = (4x+4)~\mathrm{d}x, so 14 du=(x+1) dx\frac{1}{4}\,\mathrm{d}u=(x+1)\,\mathrm{d}x. This substitution looks easier than a trig substitution (which would start with completing the square).

∫x+12x2+4x dx=14∫1u du=12u+C=122x2+4x+C\begin{aligned} \int\frac{x+1}{\sqrt{2x^2+4x}} \, \mathrm{d}x&=\frac{1}{4}\int \frac{1}{\sqrt{u}}\,\mathrm{d}u = \frac{1}{2}\sqrt{u}+C = \frac{1}{2}\sqrt{2x^2+4x}+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.9절 · 10번
# 삼각치환계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-2 · 1.9절 · 10번대학 수준우리말 번역

∫dxx2x2+16\displaystyle\int\frac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{x^2+16}} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫dxx2x2+16\displaystyle\int\frac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{x^2+16}}.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

x=4tan⁡ux=4\tan u, dx=4sec⁡2u du\mathrm{d}x=4 \sec^2u\,\mathrm{d}u 로 치환한다.

∫1x2x2+16 dx=∫116tan⁡2u16tan⁡2u+16 4sec⁡2u du=∫sec⁡2u16tan⁡2usec⁡u du=116∫sec⁡utan⁡2u du=116∫cos⁡usin⁡2u du\begin{aligned} \int\frac{1}{x^2\sqrt{x^2+16}}\,\mathrm{d}x &=\int \frac{1}{16\tan^2 u \sqrt{16\tan^2 u+16}}\,4\sec^2 u\,\mathrm{d}u \\[0.1in] &=\int \frac{\sec^2u}{16\tan^2u\sec u}\,\mathrm{d}u =\frac{1}{16}\int \frac{\sec u}{\tan^2u}\,\mathrm{d}u \\[0.1in] &= \frac{1}{16}\int\frac{\cos u}{\sin^2 u}\,\mathrm{d}u \end{aligned}

적분을 마무리하기 위해 v=sin⁡uv=\sin u, dv=cos⁡u du\mathrm{d}v=\cos u\,\mathrm{d}u 로 치환한다.

∫1x2x2+16 dx=116∫cos⁡usin⁡2u du=116∫dvv2=−116v+C=−116sin⁡u+C=−116x2+16x+C![그림](clp/tikz/6f5ffe535f.png)\begin{aligned} \int\frac{1}{x^2\sqrt{x^2+16}}\,\mathrm{d}x &=\frac{1}{16} \int\frac{\cos u}{\sin^2 u}\,\mathrm{d}u = \frac{1}{16}\int\frac{\mathrm{d}v}{v^2} =-\frac{1}{16v} +C \\ &=-\frac{1}{16\sin u} +C =-\frac{1}{16}\dfrac{\sqrt{x^2+16}}{x}+C \smash{ ![그림](clp/tikz/6f5ffe535f.png) } \end{aligned}

sin⁡u\sin u 를 구하기 위해 각 uu 를 갖고 tan⁡u=x4\tan u = \frac{x}{4} 인 직각삼각형을 그린다. 각 uu 의 반대쪽 변의 길이를 xx, 인접한 변의 길이를 44 로 놓으면, 피타고라스 정리에 의해 빗변의 길이는 x2+16\sqrt{x^2+16} 이다. 따라서 sin⁡u=x2+16x\sin u = \dfrac{\sqrt{x^2+16}}{x} 이다.

확인을 위해 답의 도함수를 살펴보면

ddx(−116x2+16x+C)=116x2+16x2−116xxx2+16=116(x2+16)−x2x2x2+16=1x2x2+16\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(-\frac{1}{16}\frac{\sqrt{x^2+16}}{x}+C\right) &=\frac{1}{16}\frac{\sqrt{x^2+16}}{x^2} -\frac{1}{16}\frac{x}{x\sqrt{x^2+16}} =\frac{1}{16}\frac{(x^2+16)-x^2}{x^2\sqrt{x^2+16}} \\ &=\frac{1}{x^2\sqrt{x^2+16}} \end{aligned}

이고, 이는 정확히 피적분함수와 같다.

원본 교재 풀이(영어)

Substitute x=4tan⁡ux=4\tan u, dx=4sec⁡2u du\mathrm{d}x=4 \sec^2u\,\mathrm{d}u.

∫1x2x2+16 dx=∫116tan⁡2u16tan⁡2u+16 4sec⁡2u du=∫sec⁡2u16tan⁡2usec⁡u du=116∫sec⁡utan⁡2u du=116∫cos⁡usin⁡2u du\begin{aligned} \int\frac{1}{x^2\sqrt{x^2+16}}\,\mathrm{d}x &=\int \frac{1}{16\tan^2 u \sqrt{16\tan^2 u+16}}\,4\sec^2 u\,\mathrm{d}u \\[0.1in] &=\int \frac{\sec^2u}{16\tan^2u\sec u}\,\mathrm{d}u =\frac{1}{16}\int \frac{\sec u}{\tan^2u}\,\mathrm{d}u \\[0.1in] &= \frac{1}{16}\int\frac{\cos u}{\sin^2 u}\,\mathrm{d}u \end{aligned}

To finish off the integral, we'll substitute v=sin⁡uv=\sin u, dv=cos⁡u du\mathrm{d}v=\cos u\,\mathrm{d}u.

∫1x2x2+16 dx=116∫cos⁡usin⁡2u du=116∫dvv2=−116v+C=−116sin⁡u+C=−116x2+16x+C![figure](clp/tikz/6f5ffe535f.png)\begin{aligned} \int\frac{1}{x^2\sqrt{x^2+16}}\,\mathrm{d}x &=\frac{1}{16} \int\frac{\cos u}{\sin^2 u}\,\mathrm{d}u = \frac{1}{16}\int\frac{\mathrm{d}v}{v^2} =-\frac{1}{16v} +C \\ &=-\frac{1}{16\sin u} +C =-\frac{1}{16}\dfrac{\sqrt{x^2+16}}{x}+C \smash{ ![figure](clp/tikz/6f5ffe535f.png) } \end{aligned}

To find sin⁡u\sin u, we draw a right triangle with angle uu and tan⁡u=x4\tan u = \frac{x}{4}. We label the opposite side xx and the adjacent side 44, and then from Pythagoras we find that the hypotenuse has length x2+16\sqrt{x^2+16}. So, sin⁡u=x2+16x\sin u = \dfrac{\sqrt{x^2+16}}{x}.

As a check, we observe that the derivative of the answer

ddx(−116x2+16x+C)=116x2+16x2−116xxx2+16=116(x2+16)−x2x2x2+16=1x2x2+16\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(-\frac{1}{16}\frac{\sqrt{x^2+16}}{x}+C\right) &=\frac{1}{16}\frac{\sqrt{x^2+16}}{x^2} -\frac{1}{16}\frac{x}{x\sqrt{x^2+16}} =\frac{1}{16}\frac{(x^2+16)-x^2}{x^2\sqrt{x^2+16}} \\ &=\frac{1}{x^2\sqrt{x^2+16}} \end{aligned}

is exactly the integrand.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.9절 · 11번
# 삼각치환계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-2 · 1.9절 · 11번대학 수준우리말 번역

x≥3x\ge 3 일 때 ∫dxx2x2−9\displaystyle\int \frac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{x^2-9}} 의 값을 구하세요. 답에 역삼각함수를 포함하지 마세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫dxx2x2−9\displaystyle\int \frac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{x^2-9}} for x≥3x\ge 3. Do not include any inverse trigonometric functions in your answer.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

0≤u<π20\le u<\frac{\pi}{2} 에서 x=3sec⁡ux=3\sec u 로 치환한다. 그러면 dx=3sec⁡utan⁡u du\mathrm{d}x= 3\sec u\tan u\,\mathrm{d}u 이고 x2−9=9sec⁡2u−9=9tan⁡2u=3tan⁡u\sqrt{x^2-9}=\sqrt{9\sec^2 u-9} =\sqrt{ 9\tan^2 u}=3\tan u 이므로

∫dxx2x2−9=∫3sec⁡utan⁡u du9sec⁡2u9tan⁡2u=19∫dusec⁡u=19∫cos⁡u du=19sin⁡u+C.![그림](clp/tikz/c7acbbd75e.png) sin⁡u 의 값을 구하기 위해 각 u 를 갖는 직각삼각형을 그린다. sec⁡u=x3=빗변밑변 이므로 빗변을 x, 밑변을 3 이라 표시한다. 피타고라스 정리를 이용하면 높이의 길이는 x2−9 이다. 따라서 sin⁡u=x2−9x 이고∫dxx2x2−9=x2−99x+C.\begin{aligned} \int \frac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{x^2-9}} &=\int \frac{3\sec u\tan u\ \mathrm{d}u} {9\sec^2u\sqrt{9\tan^2u}} \\ &=\frac{1}{9}\int\frac{\mathrm{d}u}{\sec u} \\ &=\frac{1}{9}\int \cos u\ \mathrm{d}u =\frac{1}{9}\sin u +C.\qquad \smash{ ![그림](clp/tikz/c7acbbd75e.png) } \\ \text{ $\sin u$ 의 값을 구하기 위해 각 $u$ 를 갖는 직각삼각형을 그린다. $\sec u = \dfrac{x}{3} = \dfrac{\text{빗변}}{\text{밑변}}$ 이므로 빗변을 $x$, 밑변을 $3$ 이라 표시한다. 피타고라스 정리를 이용하면 높이의 길이는 $\sqrt{x^2-9}$ 이다. 따라서 $\sin u = \dfrac{\sqrt{x^2-9}}x$ 이고} \\ \int \frac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{x^2-9}} &= \frac{\sqrt{x^2-9}}{9x} +C. \end{aligned}

검산으로, 답을 미분하면

ddx(x2−99x+C)=−x2−99x2+x9xx2−9=19 −(x2−9)+x2x2x2−9=1x2x2−9\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \frac{\sqrt{x^2-9}}{9x}+C\right) &=-\frac{\sqrt{x^2-9}}{9x^2} + \frac{x}{9x\sqrt{x^2-9}} =\frac{1}{9}\ \frac{-(x^2-9)+x^2}{x^2\sqrt{x^2-9}} \\ &=\frac{1}{x^2\sqrt{x^2-9}} \end{aligned}

이 되어 피적분함수와 정확히 같다. (x≤−3x\le -3 인 경우에도 이것이 성립함을 덧붙인다.)

원본 교재 풀이(영어)

Substitute x=3sec⁡ux=3\sec u with 0≤u<π20\le u<\frac{\pi}{2}. Then dx=3sec⁡utan⁡u du\mathrm{d}x= 3\sec u\tan u\,\mathrm{d}u and x2−9=9sec⁡2u−9=9tan⁡2u=3tan⁡u\sqrt{x^2-9}=\sqrt{9\sec^2 u-9} =\sqrt{ 9\tan^2 u}=3\tan u, so that

∫dxx2x2−9=∫3sec⁡utan⁡u du9sec⁡2u9tan⁡2u=19∫dusec⁡u=19∫cos⁡u du=19sin⁡u+C.![figure](clp/tikz/c7acbbd75e.png) To evaluate sin⁡u, we make a right triangle with angle u. Since sec⁡u=x3=hypadj, we label the hypotenuse x and the adjacent side 3. Using the Pythagorean Theorem, the opposite side has length x2−9. So, sin⁡u=x2−9x and∫dxx2x2−9=x2−99x+C.\begin{aligned} \int \frac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{x^2-9}} &=\int \frac{3\sec u\tan u\ \mathrm{d}u} {9\sec^2u\sqrt{9\tan^2u}} \\ &=\frac{1}{9}\int\frac{\mathrm{d}u}{\sec u} \\ &=\frac{1}{9}\int \cos u\ \mathrm{d}u =\frac{1}{9}\sin u +C.\qquad \smash{ ![figure](clp/tikz/c7acbbd75e.png) } \\ \text{ To evaluate $\sin u$, we make a right triangle with angle $u$. Since $\sec u = \dfrac{x}{3} = \dfrac{\text{hyp}}{\text{adj}}$, we label the hypotenuse $x$ and the adjacent side $3$. Using the Pythagorean Theorem, the opposite side has length $\sqrt{x^2-9}$. So, $\sin u = \dfrac{\sqrt{x^2-9}}x$ and} \\ \int \frac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{x^2-9}} &= \frac{\sqrt{x^2-9}}{9x} +C. \end{aligned}

As a check, we observe that the derivative of the answer

ddx(x2−99x+C)=−x2−99x2+x9xx2−9=19 −(x2−9)+x2x2x2−9=1x2x2−9\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \frac{\sqrt{x^2-9}}{9x}+C\right) &=-\frac{\sqrt{x^2-9}}{9x^2} + \frac{x}{9x\sqrt{x^2-9}} =\frac{1}{9}\ \frac{-(x^2-9)+x^2}{x^2\sqrt{x^2-9}} \\ &=\frac{1}{x^2\sqrt{x^2-9}} \end{aligned}

is exactly the integrand. (We remark that this is the case even for x≤−3x\le -3.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.9절 · 12번
# 삼각치환계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-2 · 1.9절 · 12번대학 수준우리말 번역

(a) ∫0π/4cos⁡4θ dθ=(8+3π)/32\displaystyle\int_0^{\pi/4}\cos^4\theta\ \mathrm{d}\theta=(8+3\pi)/32 임을 보이세요.

(b) ∫−11dx(x2+1)3\displaystyle\int_{-1}^1\frac{\mathrm{d}x}{{(x^2+1)}^3} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Show that ∫0π/4cos⁡4θ dθ=(8+3π)/32\displaystyle\int_0^{\pi/4}\cos^4\theta\ \mathrm{d}\theta=(8+3\pi)/32.

(b) Evaluate ∫−11dx(x2+1)3\displaystyle\int_{-1}^1\frac{\mathrm{d}x}{{(x^2+1)}^3}.

정답·풀이 보기

(a) 삼각함수 항등식 cos⁡2θ=2cos⁡2θ−1\cos2\theta=2\cos^2\theta-1 을 이용한다. 이로부터 다음을 얻는다.

cos⁡2θ=cos⁡2θ+12  ⟹  cos⁡4θ=14[cos⁡22θ+2cos⁡2θ+1]=14[cos⁡4θ+12+2cos⁡2θ+1]=cos⁡4θ8+cos⁡2θ2+38그러므로,∫0π/4cos⁡4θ dθ=∫0π/4(cos⁡4θ8+cos⁡2θ2+38) dθ=[sin⁡4θ32+sin⁡2θ4+38θ]0π/4=14+38⋅π4=8+3π32\begin{aligned} \cos^2\theta=\frac{\cos2\theta+1}{2} \implies \cos^4\theta &=\frac{1}{4}\big[\cos^22\theta+2\cos2\theta+1\big] =\frac{1}{4}\Big[\frac{\cos4\theta+1}{2}+2\cos2\theta+1\Big]\\ &=\frac{\cos4\theta}{8}+\frac{\cos2\theta}{2}+\frac{3}{8} \\ \text{그러므로,} \\ \int_0^{\pi/4}\cos^4\theta\ \mathrm{d}\theta &=\int_0^{\pi/4}\Big(\frac{\cos4\theta}{8}+\frac{\cos2\theta}{2}+\frac{3}{8}\Big) \ \mathrm{d}\theta \\ &=\left[\frac{\sin4\theta}{32}+\frac{\sin2\theta}{4}+\frac{3}{8}\theta\right]_0^{\pi/4}\\ &= \frac{1}{4}+\frac{3}{8}\cdot \frac{\pi}{4}\\ &=\frac{8+3\pi}{32} \end{aligned}

이므로 주어진 등식이 성립한다.

(b) 삼각 치환 x=tan⁡θx=\tan\theta, dx=sec⁡2θ dθ\mathrm{d}x=\sec^2\theta\ \mathrm{d}\theta 를 이용한다. θ=±π4\theta=\pm\frac{\pi}{4} 일 때 x=±1x=\pm 1 임에 주의한다. 또한 삼각함수 항등식 sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2\theta+\cos^2\theta=1 의 양변을 cos⁡2θ\cos^2\theta 로 나누면 삼각함수 항등식 tan⁡2θ+1=sec⁡2θ\tan^2\theta+1=\sec^2\theta 를 얻는다. 따라서

∫−11dx(x2+1)3=2∫01dx(x2+1)3(우함수인 피적분함수)=2∫0π/4sec⁡2θ dθ(tan⁡2θ+1)3=2∫0π/4sec⁡2θ dθ(sec⁡2θ)3=2∫0π/4cos⁡4θ dθ=8+3π16\begin{aligned} \int_{-1}^1\frac{\mathrm{d}x}{{(x^2+1)}^3} &=2\int_0^1\frac{\mathrm{d}x}{{(x^2+1)}^3}&\text{(우함수인 피적분함수)}\\ &=2\int_0^{\pi/4}\frac{\sec^2\theta\ \mathrm{d}\theta}{{(\tan^2\theta+1)}^3}\\ &=2\int_0^{\pi/4}\frac{\sec^2\theta\ \mathrm{d}\theta}{{(\sec^2\theta)}^3}\\ &=2\int_0^{\pi/4}\cos^4\theta\ \mathrm{d}\theta\\ &=\frac{8+3\pi}{16} \end{aligned}

이다. 이는 (a)에 의한 결과이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We'll use the trig identity cos⁡2θ=2cos⁡2θ−1\cos2\theta=2\cos^2\theta-1. It implies that

cos⁡2θ=cos⁡2θ+12  ⟹  cos⁡4θ=14[cos⁡22θ+2cos⁡2θ+1]=14[cos⁡4θ+12+2cos⁡2θ+1]=cos⁡4θ8+cos⁡2θ2+38So,∫0π/4cos⁡4θ dθ=∫0π/4(cos⁡4θ8+cos⁡2θ2+38) dθ=[sin⁡4θ32+sin⁡2θ4+38θ]0π/4=14+38⋅π4=8+3π32\begin{aligned} \cos^2\theta=\frac{\cos2\theta+1}{2} \implies \cos^4\theta &=\frac{1}{4}\big[\cos^22\theta+2\cos2\theta+1\big] =\frac{1}{4}\Big[\frac{\cos4\theta+1}{2}+2\cos2\theta+1\Big]\\ &=\frac{\cos4\theta}{8}+\frac{\cos2\theta}{2}+\frac{3}{8} \\ \text{So,} \\ \int_0^{\pi/4}\cos^4\theta\ \mathrm{d}\theta &=\int_0^{\pi/4}\Big(\frac{\cos4\theta}{8}+\frac{\cos2\theta}{2}+\frac{3}{8}\Big) \ \mathrm{d}\theta \\ &=\left[\frac{\sin4\theta}{32}+\frac{\sin2\theta}{4}+\frac{3}{8}\theta\right]_0^{\pi/4}\\ &= \frac{1}{4}+\frac{3}{8}\cdot \frac{\pi}{4}\\ &=\frac{8+3\pi}{32} \end{aligned}

as required.

(b) We'll use the trig substitution x=tan⁡θx=\tan\theta, dx=sec⁡2θ dθ\mathrm{d}x=\sec^2\theta\ \mathrm{d}\theta. Note that when θ=±π4\theta=\pm\frac{\pi}{4}, we have x=±1x=\pm 1. Also note that dividing the trig identity sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2\theta+\cos^2\theta=1 by cos⁡2θ\cos^2\theta gives the trig identity tan⁡2θ+1=sec⁡2θ\tan^2\theta+1=\sec^2\theta. So

∫−11dx(x2+1)3=2∫01dx(x2+1)3(even integrand)=2∫0π/4sec⁡2θ dθ(tan⁡2θ+1)3=2∫0π/4sec⁡2θ dθ(sec⁡2θ)3=2∫0π/4cos⁡4θ dθ=8+3π16\begin{aligned} \int_{-1}^1\frac{\mathrm{d}x}{{(x^2+1)}^3} &=2\int_0^1\frac{\mathrm{d}x}{{(x^2+1)}^3}&\text{(even integrand)}\\ &=2\int_0^{\pi/4}\frac{\sec^2\theta\ \mathrm{d}\theta}{{(\tan^2\theta+1)}^3}\\ &=2\int_0^{\pi/4}\frac{\sec^2\theta\ \mathrm{d}\theta}{{(\sec^2\theta)}^3}\\ &=2\int_0^{\pi/4}\cos^4\theta\ \mathrm{d}\theta\\ &=\frac{8+3\pi}{16} \end{aligned}

by part (a).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.9절 · 13번
# 삼각치환증명·논술보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-2 · 1.9절 · 13번대학 수준우리말 번역

∫−π/12π/1215x3(x2+1)(9−x2)5/2 dx\displaystyle\int_{-\pi/12}^{\pi/12} \dfrac{15x^3}{(x^2+1)(9-x^2)^{5/2}}~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫−π/12π/1215x3(x2+1)(9−x2)5/2 dx\displaystyle\int_{-\pi/12}^{\pi/12} \dfrac{15x^3}{(x^2+1)(9-x^2)^{5/2}}~\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

피적분함수는 기함수이고 적분 구간이 원점에 대해 대칭이므로 ∫−π/12π/1215x3(x2+1)9−x25 dx=0\displaystyle\int_{-\pi/12}^{\pi/12} \dfrac{15x^3}{(x^2+1)\sqrt{9-x^2}^5}~\mathrm{d}x=0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The integrand is an odd function, and the limits of integration are symmetric, so ∫−π/12π/1215x3(x2+1)9−x25 dx=0\displaystyle\int_{-\pi/12}^{\pi/12} \dfrac{15x^3}{(x^2+1)\sqrt{9-x^2}^5}~\mathrm{d}x=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.9절 · 3번
# 삼각치환계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.CLP-2 · 1.9절 · 15번대학 수준우리말 번역

x>25x>\frac{2}{5} 일 때, ∫25x2−4x dx\displaystyle\int \frac{\sqrt{25x^2-4}}{x}\,\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫25x2−4x dx\displaystyle\int \frac{\sqrt{25x^2-4}}{x}\,\mathrm{d}x for x>25x>\frac{2}{5}.

정답·풀이 보기

x=25sec⁡ux=\frac{2}{5}\sec u (0<u<π20< u<\frac{\pi}{2})로 치환하면 dx=25sec⁡u tan⁡u du\mathrm{d}x=\frac{2}{5} \sec u\,\tan u\,\mathrm{d}u 이고 25x2−4=4(sec⁡2u−1)=4tan⁡2u=2tan⁡u\sqrt{25 x^2-4} = \sqrt{4(\sec^2u-1)} = \sqrt{4\tan^2u}=2\tan u 이다. 그러므로

∫25x2−4x dx=∫2tan⁡u25sec⁡u⋅25sec⁡utan⁡u du=2∫tan⁡2u du=2∫(sec⁡2u−1) du=2tan⁡u−2u+C=25x2−4−2arcsec5x2+C![그림](clp/tikz/1d70479a66.png)\begin{aligned} \int \frac{\sqrt{25x^2-4}}{x}\,\mathrm{d}x &=\int \frac{2\tan u}{\frac{2}{5}\sec u}\cdot\frac{2}{5}\sec u\tan u\,\mathrm{d}u \\ &=2\int \tan^2 u\,\mathrm{d}u =2\int \big(\sec^2 u -1\big)\,\mathrm{d}u \\ &= 2\tan u -2u + C \\ &=\sqrt{25x^2-4}-2\mathop{\mathrm{arcsec}}\tfrac{5x}{2} + C \smash{ ![그림](clp/tikz/1d70479a66.png) } \end{aligned}

tan⁡u\tan u 를 구하기 위해 각 uu 를 갖는 직각삼각형을 그린다. sec⁡u=5x2\sec u =\dfrac{5x}{2} 이므로 빗변을 5x5x, 밑변을 2로 놓는다. 그러면 피타고라스 정리에 의해 높이는 25x2−4\sqrt{25x^2-4} 이다. 따라서 tan⁡u=높이밑변=25x2−42\tan u = \dfrac{\text{높이}}{\text{밑변}} = \dfrac{\sqrt{25x^2-4}}{2} 이다.

다른 방법으로, 위 풀이에서 이미 2tan⁡u=25x2−42\tan u = \sqrt{25x^2-4} 임을 보였으므로 tan⁡u=1225x2−4\tan u = \frac{1}{2}\sqrt{25x^2-4} 임을 알 수 있다.

검산으로, 답의 도함수를 구하면

ddx(25x2−4−2arcsec5x2+C)=25x25x2−4−252∣5x2∣25x24−1=25x25x2−4−4x25x2−4x>0 이므로=25x2−4x25x2−4=25x2−4x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left(\sqrt{25x^2-4}-2\mathop{\mathrm{arcsec}}\frac{5x}{2} + C\right) &=\frac{25 x}{\sqrt{25x^2-4}} - 2 \frac{\frac{5}{2}}{\left|\frac{5x}{2}\right|\sqrt{\frac{25x^2}{4}-1}} \\ &= \frac{25 x}{\sqrt{25x^2-4}} - \frac{4}{x\sqrt{25x^2-4}}\qquad\text{$x>0$ 이므로} \\ &= \frac{25 x^2-4}{x\sqrt{25x^2-4}} \\ &= \frac{\sqrt{25 x^2-4}}{x} \end{aligned}

이고, 이는 피적분함수와 정확히 같다 (x>25x>\frac{2}{5} 일 때).

원본 교재 풀이(영어)

Substitute x=25sec⁡ux=\frac{2}{5}\sec u with 0<u<π20< u<\frac{\pi}{2}, so that dx=25sec⁡u tan⁡u du\mathrm{d}x=\frac{2}{5} \sec u\,\tan u\,\mathrm{d}u and 25x2−4=4(sec⁡2u−1)=4tan⁡2u=2tan⁡u\sqrt{25 x^2-4} = \sqrt{4(\sec^2u-1)} = \sqrt{4\tan^2u}=2\tan u. Then

∫25x2−4x dx=∫2tan⁡u25sec⁡u⋅25sec⁡utan⁡u du=2∫tan⁡2u du=2∫(sec⁡2u−1) du=2tan⁡u−2u+C=25x2−4−2arcsec5x2+C![figure](clp/tikz/1d70479a66.png)\begin{aligned} \int \frac{\sqrt{25x^2-4}}{x}\,\mathrm{d}x &=\int \frac{2\tan u}{\frac{2}{5}\sec u}\cdot\frac{2}{5}\sec u\tan u\,\mathrm{d}u \\ &=2\int \tan^2 u\,\mathrm{d}u =2\int \big(\sec^2 u -1\big)\,\mathrm{d}u \\ &= 2\tan u -2u + C \\ &=\sqrt{25x^2-4}-2\mathop{\mathrm{arcsec}}\tfrac{5x}{2} + C \smash{ ![figure](clp/tikz/1d70479a66.png) } \end{aligned}

To find tan⁡u\tan u, we draw a right triangle with angle uu. Since sec⁡u=5x2\sec u =\dfrac{5x}{2}, we label the hypotenuse 5x5x and the adjacent side 2. Then the Pythagorean Theorem gives us the opposite side as length 25x2−4\sqrt{25x^2-4}. Then tan⁡u=oppadj=25x2−42\tan u = \dfrac{\text{opp}}{\text{adj}} = \dfrac{\sqrt{25x^2-4}}{2}.

Alternately, we can notice that in our work, we already showed 2tan⁡u=25x2−42\tan u = \sqrt{25x^2-4}, so tan⁡u=1225x2−4.\tan u = \frac{1}{2}\sqrt{25x^2-4} .

As a check, we observe that the derivative of the answer

ddx(25x2−4−2arcsec5x2+C)=25x25x2−4−252∣5x2∣25x24−1=25x25x2−4−4x25x2−4since x>0=25x2−4x25x2−4=25x2−4x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left(\sqrt{25x^2-4}-2\mathop{\mathrm{arcsec}}\frac{5x}{2} + C\right) &=\frac{25 x}{\sqrt{25x^2-4}} - 2 \frac{\frac{5}{2}}{\left|\frac{5x}{2}\right|\sqrt{\frac{25x^2}{4}-1}} \\ &= \frac{25 x}{\sqrt{25x^2-4}} - \frac{4}{x\sqrt{25x^2-4}}\qquad\text{since $x>0$} \\ &= \frac{25 x^2-4}{x\sqrt{25x^2-4}} \\ &= \frac{\sqrt{25 x^2-4}}{x} \end{aligned}

is exactly the integrand (provided x>25x>\frac{2}{5}).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.9절 · 1번
# 삼각치환계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.CLP-2 · 1.9절 · 16번대학 수준우리말 번역

∫1017x3x2−1 dx\displaystyle\int_{\sqrt{10}}^{\sqrt{17}} \frac{x^3}{\sqrt{x^2-1}}\, \mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫1017x3x2−1 dx\displaystyle\int_{\sqrt{10}}^{\sqrt{17}} \frac{x^3}{\sqrt{x^2-1}}\, \mathrm{d}x.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

피적분함수에 제곱근 안의 이차 다항식이 있어서 삼각함수 치환이 떠오른다. 그러나 더 복잡한 방법으로 넘어가기 전에 더 간단한 방법을 찾아보는 것이 좋은 습관이며, 이 경우에는 삼각함수 치환보다 더 간단한 방법이 있다. 바로 u=x2−1u=x^2-1, du=2x dx\mathrm{d}u=2x\,\mathrm{d}x 로 하는 치환이다. 그러면 xdx=12dux\mathrm{d}x = \frac{1}{2}\mathrm{d}u 이고, x2=u+1x^2 ={u+1} 이다. x=10x=\sqrt{10} 일 때 u=9u=9 이고, x=17x=\sqrt{17} 일 때 u=16u=16 이다.

∫1017x3x2−1 dx=∫1017x2x2−1 ⋅xdx=12∫916u+1u du=12∫916(u1/2+u−1/2) du=12[23u3/2+2u1/2]916=12[23⋅43+2⋅4−23⋅33−2⋅3]=403\begin{aligned} \int_{\sqrt{10}}^{\sqrt{17}} \frac{x^3}{\sqrt{x^2-1}}\, \mathrm{d}x&= \int_{\sqrt{10}}^{\sqrt{17}} \frac{x^2}{\sqrt{x^2-1}}\, \cdot x\mathrm{d}x \\&=\frac{1}{2} \int_{9}^{16} \frac{u+1}{\sqrt{u}}\,\mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{2} \int_{9}^{16}\left(u^{1/2}+u^{-1/2}\right)\,\mathrm{d}u \\&=\frac{1}{2}\left[\frac{2}{3}u^{3/2} + 2u^{1/2} \right]_{9}^{16} \\&=\frac{1}{2}\left[\frac{2}{3}\cdot 4^3 + 2\cdot 4 -\frac{2}{3}\cdot 3^3 -2\cdot 3 \right]\\ &=\frac{40}{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The integrand has a quadratic polynomial under a square root, which makes us think of trig substitutions. However, it's good practice to look for simpler methods before we jump into more complicated ones, and in this case we find something nicer than a trig substitution: the substitution u=x2−1u=x^2-1, du=2x dx\mathrm{d}u=2x\,\mathrm{d}x. Then xdx=12dux\mathrm{d}x = \frac{1}{2}\mathrm{d}u, and x2=u+1x^2 ={u+1}. When x=10x=\sqrt{10}, u=9u=9, and when x=17x=\sqrt{17}, u=16u=16.

∫1017x3x2−1 dx=∫1017x2x2−1 ⋅xdx=12∫916u+1u du=12∫916(u1/2+u−1/2) du=12[23u3/2+2u1/2]916=12[23⋅43+2⋅4−23⋅33−2⋅3]=403\begin{aligned} \int_{\sqrt{10}}^{\sqrt{17}} \frac{x^3}{\sqrt{x^2-1}}\, \mathrm{d}x&= \int_{\sqrt{10}}^{\sqrt{17}} \frac{x^2}{\sqrt{x^2-1}}\, \cdot x\mathrm{d}x \\&=\frac{1}{2} \int_{9}^{16} \frac{u+1}{\sqrt{u}}\,\mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{2} \int_{9}^{16}\left(u^{1/2}+u^{-1/2}\right)\,\mathrm{d}u \\&=\frac{1}{2}\left[\frac{2}{3}u^{3/2} + 2u^{1/2} \right]_{9}^{16} \\&=\frac{1}{2}\left[\frac{2}{3}\cdot 4^3 + 2\cdot 4 -\frac{2}{3}\cdot 3^3 -2\cdot 3 \right]\\ &=\frac{40}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.3절 · 22번
# 삼각치환계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.CLP-2 · 1.9절 · 17번대학 수준우리말 번역

∫dx3−2x−x2\displaystyle\int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{3-2x-x^2}} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫dx3−2x−x2\displaystyle\int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{3-2x-x^2}}.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

이 피적분함수는 위의 것들과 매우 달라 보인다. 그러나 약간 변장했을 뿐이다. 완전제곱식으로 고치면

∫dx3−2x−x2=∫dx4−(x+1)2\begin{aligned} \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{3-2x-x^2}} = \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{4-(x+1)^2}} \end{aligned}

이고, y=x+1y=x+1, dy=dx\mathrm{d}y=\mathrm{d}x 로 치환하면

∫dx3−2x−x2=∫dx4−(x+1)2=∫dy4−y2\begin{aligned} \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{3-2x-x^2}} = \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{4-(x+1)^2}} = \int \frac{\mathrm{d}y}{\sqrt{4-y^2}} \end{aligned}

전형적인 삼각함수 치환적분이 된다. 따라서 y=2sin⁡θy=2\sin\theta, dy=2cos⁡θ dθ\mathrm{d}y=2\cos\theta\,\mathrm{d}\theta 로 치환하면

∫dx3−2x−x2=∫dy4−y2=∫2cos⁡θ dθ4−4sin⁡2θ=∫2cos⁡θ dθ4cos⁡2θ=∫dθ=θ+C=arcsin⁡y2+C=arcsin⁡x+12+C\begin{aligned} \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{3-2x-x^2}} &= \int \frac{\mathrm{d}y}{\sqrt{4-y^2}} = \int\frac{2\cos\theta\,\mathrm{d}\theta}{\sqrt{4-4\sin^2\theta}} = \int\frac{2\cos\theta\,\mathrm{d}\theta}{\sqrt{4\cos^2\theta}}\\ &=\int\mathrm{d}\theta =\theta +C =\arcsin\frac{y}{2} + C \\ &=\arcsin\frac{x+1}{2} + C \end{aligned}

숙련된 적분 계산자라면 아마 yy 를 거치지 않고 곧바로 x+1=2sin⁡θx+1 = 2\sin\theta 로 치환할 것이다.

원본 교재 풀이(영어)

This integrand looks very different from those above. But it is only slightly disguised. If we complete the square

∫dx3−2x−x2=∫dx4−(x+1)2\begin{aligned} \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{3-2x-x^2}} = \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{4-(x+1)^2}} \end{aligned}

and make the substitution y=x+1y=x+1, dy=dx\mathrm{d}y=\mathrm{d}x

∫dx3−2x−x2=∫dx4−(x+1)2=∫dy4−y2\begin{aligned} \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{3-2x-x^2}} = \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{4-(x+1)^2}} = \int \frac{\mathrm{d}y}{\sqrt{4-y^2}} \end{aligned}

we get a typical trig substitution integral. So, we substitute y=2sin⁡θy=2\sin\theta, dy=2cos⁡θ dθ\mathrm{d}y=2\cos\theta\,\mathrm{d}\theta to get

∫dx3−2x−x2=∫dy4−y2=∫2cos⁡θ dθ4−4sin⁡2θ=∫2cos⁡θ dθ4cos⁡2θ=∫dθ=θ+C=arcsin⁡y2+C=arcsin⁡x+12+C\begin{aligned} \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{3-2x-x^2}} &= \int \frac{\mathrm{d}y}{\sqrt{4-y^2}} = \int\frac{2\cos\theta\,\mathrm{d}\theta}{\sqrt{4-4\sin^2\theta}} = \int\frac{2\cos\theta\,\mathrm{d}\theta}{\sqrt{4\cos^2\theta}}\\ &=\int\mathrm{d}\theta =\theta +C =\arcsin\frac{y}{2} + C \\ &=\arcsin\frac{x+1}{2} + C \end{aligned}

An experienced integrator would probably substitute x+1=2sin⁡θx+1 = 2\sin\theta directly, without going through yy.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.3절 · 24번
# 삼각치환계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.CLP-2 · 1.9절 · 18번대학 수준우리말 번역

x>2x>2 일 때, ∫1(2x−3)34x2−12x+8 dx\displaystyle\int \dfrac{1}{(2x-3)^3\sqrt{4x^2-12x+8}}~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫1(2x−3)34x2−12x+8 dx\displaystyle\int \dfrac{1}{(2x-3)^3\sqrt{4x^2-12x+8}}~\mathrm{d}x for x>2x>2.

정답·풀이 보기

완전제곱식으로 나타내면 4x2−12x+8=(2x−3)2−14x^2-12x+8 = (2x-3)^2-1 이다.

∫1(2x−3)34x2−12x+8 dx=∫1(2x−3)3(2x−3)2−1 dxAs x>2, we have 2x−3>1. We use the substitution 2x−3=sec⁡θ with 0≤θ<π2. So 2 dx=sec⁡θtan⁡θ dθ and (2x−3)2−1=sec⁡2θ−1=tan⁡2θ=tan⁡θ.=12∫1sec⁡3θsec⁡2θ−1sec⁡θtan⁡θ dθ=12∫1sec⁡3θtan⁡θsec⁡θtan⁡θ dθ=12∫1sec⁡2θ dθ=12∫cos⁡2θ dθ=14∫(1+cos⁡(2θ)) dθ=14(θ+12sin⁡(2θ))+C=14(θ+sin⁡θcos⁡θ)+C![그림](clp/tikz/44a395a6e0.png) =14(arccos⁡(12x−3)+4x2−12x+8(2x−3)2)+C\begin{aligned} \int \dfrac{1}{(2x-3)^3\sqrt{4x^2-12x+8}}~\mathrm{d}x&= \int \dfrac{1}{(2x-3)^3\sqrt{(2x-3)^2-1}}~\mathrm{d}x \\ \text{As $x>2$, we have $2x-3>1$. We use the substitution $2x-3 = \sec \theta$ with $0\le\theta<\frac{\pi}{2}$. So $2\,\mathrm{d}x=\sec\theta\tan\theta~\mathrm{d}\theta$ and $\sqrt{(2x-3)^2-1}=\sqrt{\sec^2\theta-1}=\sqrt{\tan^2\theta}=\tan\theta$.} \\ &=\frac{1}{2}\int\frac{1}{\sec^3\theta\sqrt{\sec^2\theta-1}}\sec\theta\tan\theta~\mathrm{d}\theta\\ &=\frac{1}{2}\int\frac{1}{\sec^3\theta\tan\theta}\sec\theta\tan\theta~\mathrm{d}\theta \\&=\frac{1}{2}\int\frac{1}{\sec^2\theta}~\mathrm{d}\theta \\&=\frac{1}{2}\int{\cos^2\theta}~\mathrm{d}\theta \\&=\frac{1}{4}\int{\left(1+\cos(2\theta)\right)}~\mathrm{d}\theta \\&=\frac14\left(\theta + \frac{1}{2}\sin(2\theta)\right)+C \\&=\frac14\left(\theta + \sin\theta\cos\theta\right)+C \\ \smash{ ![그림](clp/tikz/44a395a6e0.png) }\,&=\frac{1}{4}\left(\arccos\left(\frac{1}{2x-3}\right) + \frac{\sqrt{4x^2-12x+8}}{(2x-3)^2}\right)+C \end{aligned}

2x−3=sec⁡θ2x-3=\sec\theta 이므로 cos⁡θ=12x−3\cos\theta = \frac{1}{2x-3} 이고 θ=arccos⁡(12x−3)\theta = \arccos\left(\frac{1}{2x-3}\right) 이다. (이와 같게, θ=arcsec(2x−3)\theta = \mathop{\mathrm{arcsec}}(2x-3) 이다.) sin⁡θ\sin\theta 를 구하기 위해 밑변의 길이가 1이고 빗변의 길이가 2x−32x-3 인 직각삼각형을 그린다. 피타고라스 정리에 의해 θ의 대변(높이)의 길이는 4x2−12x+8\sqrt{4x^2-12x+8} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Completing the square, we see 4x2−12x+8=(2x−3)2−14x^2-12x+8 = (2x-3)^2-1.

∫1(2x−3)34x2−12x+8 dx=∫1(2x−3)3(2x−3)2−1 dxAs x>2, we have 2x−3>1. We use the substitution 2x−3=sec⁡θ with 0≤θ<π2. So 2 dx=sec⁡θtan⁡θ dθ and (2x−3)2−1=sec⁡2θ−1=tan⁡2θ=tan⁡θ.=12∫1sec⁡3θsec⁡2θ−1sec⁡θtan⁡θ dθ=12∫1sec⁡3θtan⁡θsec⁡θtan⁡θ dθ=12∫1sec⁡2θ dθ=12∫cos⁡2θ dθ=14∫(1+cos⁡(2θ)) dθ=14(θ+12sin⁡(2θ))+C=14(θ+sin⁡θcos⁡θ)+C![figure](clp/tikz/44a395a6e0.png) =14(arccos⁡(12x−3)+4x2−12x+8(2x−3)2)+C\begin{aligned} \int \dfrac{1}{(2x-3)^3\sqrt{4x^2-12x+8}}~\mathrm{d}x&= \int \dfrac{1}{(2x-3)^3\sqrt{(2x-3)^2-1}}~\mathrm{d}x \\ \text{As $x>2$, we have $2x-3>1$. We use the substitution $2x-3 = \sec \theta$ with $0\le\theta<\frac{\pi}{2}$. So $2\,\mathrm{d}x=\sec\theta\tan\theta~\mathrm{d}\theta$ and $\sqrt{(2x-3)^2-1}=\sqrt{\sec^2\theta-1}=\sqrt{\tan^2\theta}=\tan\theta$.} \\ &=\frac{1}{2}\int\frac{1}{\sec^3\theta\sqrt{\sec^2\theta-1}}\sec\theta\tan\theta~\mathrm{d}\theta\\ &=\frac{1}{2}\int\frac{1}{\sec^3\theta\tan\theta}\sec\theta\tan\theta~\mathrm{d}\theta \\&=\frac{1}{2}\int\frac{1}{\sec^2\theta}~\mathrm{d}\theta \\&=\frac{1}{2}\int{\cos^2\theta}~\mathrm{d}\theta \\&=\frac{1}{4}\int{\left(1+\cos(2\theta)\right)}~\mathrm{d}\theta \\&=\frac14\left(\theta + \frac{1}{2}\sin(2\theta)\right)+C \\&=\frac14\left(\theta + \sin\theta\cos\theta\right)+C \\ \smash{ ![figure](clp/tikz/44a395a6e0.png) }\,&=\frac{1}{4}\left(\arccos\left(\frac{1}{2x-3}\right) + \frac{\sqrt{4x^2-12x+8}}{(2x-3)^2}\right)+C \end{aligned}

Since 2x−3=sec⁡θ2x-3=\sec\theta, we know cos⁡θ=12x−3\cos\theta = \frac{1}{2x-3} and θ=arccos⁡(12x−3)\theta = \arccos\left(\frac{1}{2x-3}\right). (Equivalently, θ=arcsec(2x−3)\theta = \mathop{\mathrm{arcsec}}(2x-3).) To find sin⁡θ\sin\theta, we draw a right triangle with adjacent side of length 1, and hypotenuse of length 2x−32x-3. By the Pythagorean Theorem, the opposite side has length 4x2−12x+8\sqrt{4x^2-12x+8}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.9절 · 19번
# 삼각치환계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.CLP-2 · 1.9절 · 19번대학 수준우리말 번역

∫01x2(x2+1)3/2dx\displaystyle\int_0^1\dfrac{x^2}{(x^2+1)^{3/2}}\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

∫sec⁡xdx=log⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C\int \sec x\mathrm{d}x = \log|\sec x+\tan x| +C 임을 이용해도 됩니다.

영어 원문 보기

Evaluate ∫01x2(x2+1)3/2dx\displaystyle\int_0^1\dfrac{x^2}{(x^2+1)^{3/2}}\mathrm{d}x.

You may use that ∫sec⁡xdx=log⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C\int \sec x\mathrm{d}x = \log|\sec x+\tan x| +C.

정답·풀이 보기

치환 x=tan⁡ux=\tan u, dx=sec⁡2u du\mathrm{d}x=\sec^2 u~\mathrm{d}u 를 사용한다. tan⁡0=0\tan 0=0 이고 tan⁡π4=1\tan \frac{\pi}{4} =1 임에 주의한다.

∫01x2x2+13dx=∫0π/4tan⁡2utan⁡2u+13sec⁡2u du=∫0π/4tan⁡2usec⁡2u3sec⁡2u du=∫0π/4tan⁡2usec⁡u du=∫0π/4sec⁡2u−1sec⁡u du=∫0π/4(sec⁡u−cos⁡u) du=[log⁡∣sec⁡u+tan⁡u∣−sin⁡u]0π/4=(log⁡∣2+1∣−12)−(log⁡∣1+0∣−0)=log⁡(1+2)−12\begin{aligned} \displaystyle\int_0^1\dfrac{x^2}{\sqrt{x^2+1}^3}\mathrm{d}x&= \int_0^{\pi/4}\dfrac{\tan^2 u}{\sqrt{\tan^2 u +1}^3}\sec^2u~\mathrm{d}u\\ &= \int_0^{\pi/4}\dfrac{\tan^2 u}{\sqrt{\sec^2u}^3}\sec^2u~\mathrm{d}u\\ &= \int_0^{\pi/4}\frac{\tan^2 u}{\sec u}~\mathrm{d}u\\&= \int_0^{\pi/4}\frac{\sec^2 u-1}{\sec u}~\mathrm{d}u\\&= \int_0^{\pi/4}\big({\sec u}-\cos u\big)~\mathrm{d}u\\ &=\Big[\log\left|\sec u + \tan u \right| - \sin u\Big]_{0}^{\pi/4} \\ &=\left(\log\left|\sqrt{2} + 1 \right| -\frac{1}{\sqrt{2}}\right) - \left(\log|1+0|-0\right)\\ &=\log(1+\sqrt{2})-\frac{1}{\sqrt{2}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We use the substitution x=tan⁡ux=\tan u, dx=sec⁡2u du\mathrm{d}x=\sec^2 u~\mathrm{d}u. Note tan⁡0=0\tan 0=0 and tan⁡π4=1\tan \frac{\pi}{4} =1.

∫01x2x2+13dx=∫0π/4tan⁡2utan⁡2u+13sec⁡2u du=∫0π/4tan⁡2usec⁡2u3sec⁡2u du=∫0π/4tan⁡2usec⁡u du=∫0π/4sec⁡2u−1sec⁡u du=∫0π/4(sec⁡u−cos⁡u) du=[log⁡∣sec⁡u+tan⁡u∣−sin⁡u]0π/4=(log⁡∣2+1∣−12)−(log⁡∣1+0∣−0)=log⁡(1+2)−12\begin{aligned} \displaystyle\int_0^1\dfrac{x^2}{\sqrt{x^2+1}^3}\mathrm{d}x&= \int_0^{\pi/4}\dfrac{\tan^2 u}{\sqrt{\tan^2 u +1}^3}\sec^2u~\mathrm{d}u\\ &= \int_0^{\pi/4}\dfrac{\tan^2 u}{\sqrt{\sec^2u}^3}\sec^2u~\mathrm{d}u\\ &= \int_0^{\pi/4}\frac{\tan^2 u}{\sec u}~\mathrm{d}u\\&= \int_0^{\pi/4}\frac{\sec^2 u-1}{\sec u}~\mathrm{d}u\\&= \int_0^{\pi/4}\big({\sec u}-\cos u\big)~\mathrm{d}u\\ &=\Big[\log\left|\sec u + \tan u \right| - \sin u\Big]_{0}^{\pi/4} \\ &=\left(\log\left|\sqrt{2} + 1 \right| -\frac{1}{\sqrt{2}}\right) - \left(\log|1+0|-0\right)\\ &=\log(1+\sqrt{2})-\frac{1}{\sqrt{2}} \end{aligned}

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

영어 원문 보기

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

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정답·풀이 보기

제곱근은 없지만, 치환 x=tan⁡θx=\tan\theta, dx=sec⁡2θ dθ\mathrm{d}x = \sec^2\theta~\mathrm{d}\theta 를 여전히 사용할 수 있다.

∫1(x2+1)2 dx=∫1(tan⁡2θ+1)2sec⁡2θ dθ=∫1sec⁡4θsec⁡2θ dθ=∫cos⁡2θ dθ=12∫(1+cos⁡(2θ)) dθ=12(θ+12sin⁡(2θ))+C=12(θ+sin⁡θcos⁡θ)+C![그림](clp/tikz/e8c02e1de1.png) =12(arctan⁡x+xx2+1)+C\begin{aligned} \int \frac{1}{(x^2+1)^2}~\mathrm{d}x&=\int\frac{1}{(\tan^2\theta+1)^2}\sec^2\theta~\mathrm{d}\theta\\ &=\int\frac{1}{\sec^4\theta}\sec^2\theta~\mathrm{d}\theta = \int\cos^2\theta~\mathrm{d}\theta\\ &=\frac{1}{2}\int \big(1 + \cos(2\theta)\big)~\mathrm{d}\theta\\ &=\frac{1}{2}\left(\theta + \frac{1}{2}\sin(2\theta)\right)+C\\ &=\frac{1}{2}\left(\theta + \sin\theta\cos\theta\right)+C\\ \smash{ ![그림](clp/tikz/e8c02e1de1.png) }\,&=\frac{1}{2}\left(\arctan x + \frac{x}{x^2+1}\right)+C \end{aligned}

x=tan⁡θx = \tan\theta 이므로, 각 θ\theta 에 대한 반대쪽 변의 길이가 xx 이고 이웃한 변의 길이가 11 인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 그러면 피타고라스 정리에 의해 빗변의 길이는 x2+1\sqrt{x^2+1} 이고, 이로부터 sin⁡θ\sin\theta 와 cos⁡θ\cos\theta 를 구할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

There's no square root, but we can still make use of the substitution x=tan⁡θx=\tan\theta, dx=sec⁡2θ dθ\mathrm{d}x = \sec^2\theta~\mathrm{d}\theta.

∫1(x2+1)2 dx=∫1(tan⁡2θ+1)2sec⁡2θ dθ=∫1sec⁡4θsec⁡2θ dθ=∫cos⁡2θ dθ=12∫(1+cos⁡(2θ)) dθ=12(θ+12sin⁡(2θ))+C=12(θ+sin⁡θcos⁡θ)+C![figure](clp/tikz/e8c02e1de1.png) =12(arctan⁡x+xx2+1)+C\begin{aligned} \int \frac{1}{(x^2+1)^2}~\mathrm{d}x&=\int\frac{1}{(\tan^2\theta+1)^2}\sec^2\theta~\mathrm{d}\theta\\ &=\int\frac{1}{\sec^4\theta}\sec^2\theta~\mathrm{d}\theta = \int\cos^2\theta~\mathrm{d}\theta\\ &=\frac{1}{2}\int \big(1 + \cos(2\theta)\big)~\mathrm{d}\theta\\ &=\frac{1}{2}\left(\theta + \frac{1}{2}\sin(2\theta)\right)+C\\ &=\frac{1}{2}\left(\theta + \sin\theta\cos\theta\right)+C\\ \smash{ ![figure](clp/tikz/e8c02e1de1.png) }\,&=\frac{1}{2}\left(\arctan x + \frac{x}{x^2+1}\right)+C \end{aligned}

Since x=tan⁡θx = \tan\theta, we can draw a right triangle with angle θ\theta, opposite side xx, and adjacent side 11. Then by the Pythagorean Theorem, its hypotenuse has length x2+1\sqrt{x^2+1}, which allows us to find sin⁡θ\sin\theta and cos⁡θ\cos\theta.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.9절 · 23번
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