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.

1문제 · 1 / 1쪽

1.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).

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