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.

99문제 · 5 / 5쪽

81.APEX · 6.4절 · 29번대학 수준우리말 번역

연습문제 27–30에서 정적분의 값을 구하세요.

∫−11x2+5x−5(x−10)(x2+4x+5) dx\displaystyle \int_{-1}^1 \frac{x^2+5x-5}{(x-10)(x^2+4x+5)}\ dx

영어 원문 보기

In Exercises 27–30, evaluate the definite integral.

∫−11x2+5x−5(x−10)(x2+4x+5) dx\displaystyle \int_{-1}^1 \frac{x^2+5x-5}{(x-10)(x^2+4x+5)}\ dx

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−π/4+tan⁡−13−ln⁡(11/9)≈0.263-\pi/4+\tan^{-1} 3 - \ln (11/9) \approx 0.263

원본 교재 풀이(영어)

−π/4+tan⁡−13−ln⁡(11/9)≈0.263-\pi/4+\tan^{-1} 3 - \ln (11/9) \approx 0.263

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.3절 · 30번
# 삼각치환계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
82.APEX · 6.4절 · 30번대학 수준우리말 번역

연습문제 27–30번에서 정적분의 값을 구하세요.

∫01x(x+1)(x2+2x+1) dx\displaystyle \int_{0}^1 \frac{x}{(x+1)(x^2+2x+1)}\ dx

영어 원문 보기

In Exercises 27–30, evaluate the definite integral.

∫01x(x+1)(x2+2x+1) dx\displaystyle \int_{0}^1 \frac{x}{(x+1)(x^2+2x+1)}\ dx

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1/81/8

원본 교재 풀이(영어)

1/81/8

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.9절 · 19번
# 삼각치환계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
83.CLP-2 · 1.9절 · 1번대학 수준우리말 번역

다음 각 적분에 대해, 적분의 값을 구하는 데 가장 유리한 치환을 고르세요.

(a) ∫2x29x2−16 dx\displaystyle \int \frac{2x^2}{\sqrt{9x^2-16}} \, \mathrm{d}x (b) ∫x4−31−4x2 dx\displaystyle \int \frac{x^4-3}{\sqrt{1-4x^2}} \, \mathrm{d}x (c) ∫(25+x2)−5/2 dx\displaystyle \int {(25+x^2)}^{-5/2} \, \mathrm{d}x

영어 원문 보기

For each of the following integrals, choose the substitution that is most beneficial for evaluating the integral.

(a) ∫2x29x2−16 dx\displaystyle \int \frac{2x^2}{\sqrt{9x^2-16}} \, \mathrm{d}x (b) ∫x4−31−4x2 dx\displaystyle \int \frac{x^4-3}{\sqrt{1-4x^2}} \, \mathrm{d}x (c) ∫(25+x2)−5/2 dx\displaystyle \int {(25+x^2)}^{-5/2} \, \mathrm{d}x

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교재에는 알맞은 치환을 고르는 방법을 정리한 표가 있지만, 이 문제에서는 치환을 고르는 논리를 설명한다.

사용할 수 있는 삼각함수 항등식은 다음과 같다.

1−sin⁡2θ=cos⁡2θtan⁡2θ+1=sec⁡2θsec⁡2θ−1=tan⁡2θ각각 다음과 같은 꼴이다:상수 − 함수함수 + 상수함수 − 상수\begin{aligned} &1-\sin^2\theta=\cos^2\theta & &\tan^2 \theta +1 = \sec^2 \theta & &\sec^2 \theta - 1 =\tan^2 \theta \\ \text{각각 다음과 같은 꼴이다:} \\ &\text{상수 } - \text{ 함수} &&\text{함수 } + \text{ 상수} & &\text{함수 } - \text{ 상수} \end{aligned}

제곱근을 없애려면, 제곱근 안의 식과 같은 꼴의 삼각함수 항등식이 나오도록 치환을 선택해야 한다.

(a) 이 문제에는 삼각함수를 쓰지 않는 뚜렷한 치환이 없으므로, 분모의 제곱근을 없애기 위해 삼각치환을 사용한다. 제곱근 안은 함수 9x2−169x^2-16 이고, 이는 (함수) −- (상수) 꼴이다. 이 꼴은 삼각함수 항등식 sec⁡2θ−1=tan⁡2θ\sec^2 \theta - 1 = \tan^2 \theta 와 맞는다. xx 는 필요한 대로 정할 수 있지만, 상수 16 은 같은 방식으로 조절할 수 없다. 그래서 치환이 성립하도록 항등식을 다른 꼴로 바꾸어 양변에 16 을 곱하면 다음과 같다.

 16sec⁡2θ−16=16tan⁡2θ우리가 원하는 것은 다음이 되게 하는 치환이다.9x2−16=16sec⁡2θ−16따라서,9x2=16sec⁡2θx=43sec⁡θ이 치환을 사용하면,9x2−16=16sec⁡2θ−16=16tan⁡2θ=4∣tan⁡θ∣\begin{aligned} ~16\sec^2\theta - 16 &= 16\tan^2\theta \\ \text{우리가 원하는 것은 다음이 되게 하는 치환이다.} \\ 9x^2-16&=16\sec^2\theta - 16\\ \text{따라서,}\qquad 9x^2&=16\sec^2\theta\\ x &= \frac{4}{3}\sec\theta \\ \text{이 치환을 사용하면,} \\ \sqrt{9x^2-16}&=\sqrt{16\sec^2\theta-16}\\ &=\sqrt{16\tan^2\theta}\\ &=4|\tan\theta| \end{aligned}

따라서 제곱근이 없어졌다.

(b) 이 문제에는 삼각함수를 쓰지 않는 뚜렷한 치환이 없으므로, 분모의 제곱근을 없애기 위해 삼각치환을 사용한다. 제곱근 안은 함수 1−4x21-4x^2 이고, 이는 (상수) −- (함수) 꼴이다. 이 꼴은 삼각함수 항등식 1−sin⁡2θ=cos⁡2θ1-\sin^2\theta = \cos^2\theta 와 맞는다. 우리가 원하는 것은 다음이 되게 하는 치환이다.

1−4x2=1−sin⁡2θ따라서,4x2=sin⁡2θx=12sin⁡θ이 치환을 사용하면,1−4x2=1−sin⁡2θ=cos⁡2θ=∣cos⁡θ∣\begin{aligned} 1-4x^2&=1-\sin^2\theta\\ \text{따라서,}\qquad 4x^2&=\sin^2\theta\\ x &= \frac{1}{2}\sin\theta \\ \text{이 치환을 사용하면,} \\ \sqrt{1-4x^2}&=\sqrt{1-\sin^2\theta}\\ &=\sqrt{\cos^2\theta}\\ &=|\cos\theta| \end{aligned}

따라서 제곱근이 없어졌다. ∣cos⁡θ∣|\cos\theta| 에서 절댓값 기호는 필요하지 않은데, −12≤x≤12-\frac{1}{2}\le x\le\frac{1}{2} 일 때 θ=arcsin⁡(2x)\theta=\arcsin(2x) 는 −π2-\frac{\pi}{2} 와 π2\frac{\pi}{2} 사이의 값이고, 그러한 θ\theta 에 대해 cos⁡(θ)≥0\cos(\theta)\ge 0 이기 때문이다.

(c) 이 문제에는 삼각함수를 쓰지 않는 뚜렷한 치환이 없으므로, 분수 거듭제곱을 없애기 위해 삼각치환을 사용한다. (즉, 제곱근을 없애려는 것이다.) 거듭제곱의 밑은 함수 25+x225+x^2 이고, 이는 (상수) ++ (함수) 꼴이다. 이 꼴은 삼각함수 항등식 tan⁡2θ+1=sec⁡2θ\tan^2 \theta + 1 = \sec^2 \theta 와 맞는다. xx 는 필요한 대로 정할 수 있지만, 상수 25 는 같은 방식으로 조절할 수 없다. 그래서 치환이 성립하도록 항등식을 다른 꼴로 바꾸어 양변에 25 를 곱하면 다음과 같다.

25tan⁡2θ+25=25sec⁡2θ우리가 원하는 것은 다음이 되게 하는 치환이다.25+x2=25tan⁡2θ+25따라서,x2=25tan⁡2θx=5tan⁡θ이 치환을 사용하면,(25+x2)−5/2=(25+25tan⁡2θ)−5/2=(25sec⁡2θ)−5/2=(5∣sec⁡θ∣)−5\begin{aligned} 25\tan^2 \theta + 25 &= 25\sec^2 \theta \\ \text{우리가 원하는 것은 다음이 되게 하는 치환이다.} \\ 25+x^2&=25\tan^2\theta+25\\ \text{따라서,}\qquad x^2&=25\tan^2\theta\\ x &= 5\tan\theta \\ \text{이 치환을 사용하면,} \\ (25+x^2)^{-5/2}&=(25+25\tan^2\theta)^{-5/2}\\ &=(25\sec^2\theta)^{-5/2}\\ &=(5|\sec\theta|)^{-5} \end{aligned}

따라서 제곱근이 없어졌다. ∣sec⁡θ∣|\sec\theta| 에서 절댓값 기호는 필요하지 않은데, −∞<x<∞-\infty< x<\infty 일 때 θ=arctan⁡(x/5)\theta=\arctan(x/5) 는 −π2-\frac{\pi}{2} 와 π2\frac{\pi}{2} 사이의 값이고, 그러한 θ\theta 에 대해 sec⁡(θ)≥0\sec(\theta)\ge 0 이기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

In the text, there is a template for choosing an appropriate substitution, but for this problem we will explain the logic of the choices.

The trig identities that we can use are:

1−sin⁡2θ=cos⁡2θtan⁡2θ+1=sec⁡2θsec⁡2θ−1=tan⁡2θThey have the following forms:constant − functionfunction + constantfunction − constant\begin{aligned} &1-\sin^2\theta=\cos^2\theta & &\tan^2 \theta +1 = \sec^2 \theta & &\sec^2 \theta - 1 =\tan^2 \theta \\ \text{They have the following forms:} \\ &\text{constant } - \text{ function} &&\text{function } + \text{ constant} & &\text{function } - \text{ constant} \end{aligned}

In order to cancel out the square root, we should choose a substitution that will match the argument under the square root with the trig identity of the corresponding form.

(a) There's not an obvious non-trig substitution for evaluating this problem, so we want a trigonometric substitution to get rid of the square root in the denominator. Under the square root is the function 9x2−169x^2-16, which has the form (function) −- (constant). This form matches the trig identity sec⁡2θ−1=tan⁡2θ\sec^2 \theta - 1 = \tan^2 \theta. We can set xx to be whatever we need it to be, but we don't have the same control over the constant, 16. So, to make the substitution work, we use a different form of the trig identity: multiplying both sides by 16, we get

 16sec⁡2θ−16=16tan⁡2θWhat we want is a substitution that gives us9x2−16=16sec⁡2θ−16So,9x2=16sec⁡2θx=43sec⁡θUsing this substitution,9x2−16=16sec⁡2θ−16=16tan⁡2θ=4∣tan⁡θ∣\begin{aligned} ~16\sec^2\theta - 16 &= 16\tan^2\theta \\ \text{What we want is a substitution that gives us} \\ 9x^2-16&=16\sec^2\theta - 16\\ \text{So,}\qquad 9x^2&=16\sec^2\theta\\ x &= \frac{4}{3}\sec\theta \\ \text{Using this substitution,} \\ \sqrt{9x^2-16}&=\sqrt{16\sec^2\theta-16}\\ &=\sqrt{16\tan^2\theta}\\ &=4|\tan\theta| \end{aligned}

So, we eliminated the square root.

(b) There's not an obvious non-trig substitution for evaluating this problem, so we want a trigonometric substitution to get rid of the square root in the denominator. Under the square root is the function 1−4x21-4x^2, which has the form (constant) −- (function). This form matches the trig identity 1−sin⁡2θ=cos⁡2θ1-\sin^2\theta = \cos^2\theta. What we want is a substitution that gives us

1−4x2=1−sin⁡2θSo,4x2=sin⁡2θx=12sin⁡θUsing this substitution,1−4x2=1−sin⁡2θ=cos⁡2θ=∣cos⁡θ∣\begin{aligned} 1-4x^2&=1-\sin^2\theta\\ \text{So,}\qquad 4x^2&=\sin^2\theta\\ x &= \frac{1}{2}\sin\theta \\ \text{Using this substitution,} \\ \sqrt{1-4x^2}&=\sqrt{1-\sin^2\theta}\\ &=\sqrt{\cos^2\theta}\\ &=|\cos\theta| \end{aligned}

So, we eliminated the square root. We remark that the absolute value signs are not needed in ∣cos⁡θ∣|\cos\theta|, because, for −12≤x≤12-\frac{1}{2}\le x\le\frac{1}{2}, we have θ=arcsin⁡(2x)\theta=\arcsin(2x) between −π2-\frac{\pi}{2} and π2\frac{\pi}{2}, and cos⁡(θ)≥0\cos(\theta)\ge 0 for those θ\theta's.

(c) There's not an obvious non-trig substitution for evaluating this problem, so we want a trigonometric substitution to get rid of the fractional power. (That is, we want to eliminate the square root.) The function under the power is 25+x225+x^2, which has the form (constant) ++ (function). This form matches the trig identity tan⁡2θ+1=sec⁡2θ\tan^2 \theta + 1 = \sec^2 \theta. We can set xx to be whatever we need it to be, but we don't have the same control over the constant, 25. So, to make the substitution work, we use a different form of the trig identity: multiplying both sides by 25, we get

25tan⁡2θ+25=25sec⁡2θWhat we want is a substitution that gives us25+x2=25tan⁡2θ+25So,x2=25tan⁡2θx=5tan⁡θUsing this substitution,(25+x2)−5/2=(25+25tan⁡2θ)−5/2=(25sec⁡2θ)−5/2=(5∣sec⁡θ∣)−5\begin{aligned} 25\tan^2 \theta + 25 &= 25\sec^2 \theta \\ \text{What we want is a substitution that gives us} \\ 25+x^2&=25\tan^2\theta+25\\ \text{So,}\qquad x^2&=25\tan^2\theta\\ x &= 5\tan\theta \\ \text{Using this substitution,} \\ (25+x^2)^{-5/2}&=(25+25\tan^2\theta)^{-5/2}\\ &=(25\sec^2\theta)^{-5/2}\\ &=(5|\sec\theta|)^{-5} \end{aligned}

So, we eliminated the square root. We remark that the absolute value signs are not needed in ∣sec⁡θ∣|\sec\theta|, because, for −∞<x<∞-\infty< x<\infty, we have θ=arctan⁡(x/5)\theta=\arctan(x/5) between −π2-\frac{\pi}{2} and π2\frac{\pi}{2}, and sec⁡(θ)≥0\sec(\theta)\ge 0 for those θ\theta's.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.9절 · 16번
# 삼각치환계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
84.CLP-2 · 1.9절 · 3번대학 수준우리말 번역

이 문제의 각 부분에서 θ\theta 는 구간 [0,π/2]\left[ 0,\pi/2\right] 에 속하는 각이라고 가정하세요.

(a) sin⁡θ=120\sin\theta=\dfrac{1}{20} 이면 cos⁡θ\cos\theta 의 값은 얼마인가요? (b) tan⁡θ=7\tan\theta=7 이면 csc⁡θ\csc\theta 의 값은 얼마인가요? (c) sec⁡θ=x−12\sec\theta=\dfrac{\sqrt{x-1}}{2} 이면 tan⁡θ\tan\theta 의 값은 얼마인가요?

영어 원문 보기

In each part of this question, assume θ\theta is an angle in the interval [0,π/2]\left[ 0,\pi/2\right].

(a) If sin⁡θ=120\sin\theta=\dfrac{1}{20}, what is cos⁡θ\cos\theta ? (b) If tan⁡θ=7\tan\theta=7, what is csc⁡θ\csc\theta ? (c) If sec⁡θ=x−12\sec\theta=\dfrac{\sqrt{x-1}}{2}, what is tan⁡θ\tan\theta ?

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(a)
(b)
(c)
정답·풀이 보기

(a) sin⁡θ=120\sin\theta=\dfrac{1}{20} 이고 θ\theta 가 0과 π/2\pi/2 사이에 있으면, 각 θ\theta 를 가지고 반대쪽 변의 길이가 1, 빗변의 길이가 20인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 밑변의 길이는 202−12=399\sqrt{20^2-1^2}=\sqrt{399} 이다. 따라서 cos⁡θ=adjhyp=39920\cos\theta = \dfrac{\mathrm{adj}}{\mathrm{hyp}}=\dfrac{\sqrt{399}}{20} 이다.

그림

여기서 간단히 “타당성” 검사를 해 볼 수 있다. 120\frac{1}{20} 은 0에 꽤 가까우므로 θ\theta 도 0에 꽤 가까울 것이고, 따라서 cos⁡θ\cos \theta 는 1에 꽤 가까워야 한다. 실제로 그렇다. 39920≈40020=2020=1\dfrac{\sqrt{399}}{20}\approx \dfrac{\sqrt{400}}{20}=\dfrac{20}{20}=1 이다.

다른 방법으로, 항등식을 이용하여 이 문제를 풀 수도 있다.

sin⁡2θ+cos⁡2θ=1(120)2+cos⁡2θ=1cos⁡θ=±1−1400=±39920Since 0≤θ≤π2, cos⁡θ≥0, socos⁡θ=39920\begin{aligned} \sin^2 \theta + \cos^2 \theta &=1\\ \left(\frac{1}{20}\right)^2+ \cos^2 \theta &=1\\ \cos\theta &= \pm\sqrt{1-\frac{1}{400}}=\pm\frac{\sqrt{399}}{20} \\ \text{Since $0 \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}$, $\cos\theta \geq 0$, so} \\ \cos\theta &= \frac{\sqrt{399}}{20} \end{aligned} (b) tan⁡θ=7\tan\theta=7 이고 θ\theta 가 0과 π/2\pi/2 사이에 있으면, 각 θ\theta 를 가지고 반대쪽 변의 길이가 7, 밑변의 길이가 1인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 빗변의 길이는 72+12=50=52\sqrt{7^2+1^2} = \sqrt{50}=5\sqrt{2} 이다. 따라서 csc⁡θ=hypopp=527\csc\theta = \dfrac{\mathrm{hyp}}{\mathrm{opp}}=\dfrac{5\sqrt{2}}{7} 이다.

그림

이번에도 간단히 타당성을 검사해 볼 수 있다. 7은 1보다 훨씬 크므로, 우리가 생각하는 삼각형은 위의 표준적인 그림의 삼각형과는 별로 닮지 않았다. 밑변이 짧고 높이가 꽤 높은 삼각형이다. 따라서 반대쪽 변과 빗변의 길이는 꽤 비슷하다. 실제로 527≈7.071\dfrac{5\sqrt{2}}{7}\approx 7.071 이므로 이 크기는 타당해 보인다. (c) sec⁡θ=x−12\sec\theta=\dfrac{\sqrt{x-1}}{2} 이고 θ\theta 가 0과 π/2\pi/2 사이에 있으면, 각 θ\theta 를 가지고 빗변의 길이가 x−1\sqrt{x-1}, 밑변의 길이가 2인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 반대쪽 변의 길이는 x−12−22=x−1−4=x−5\sqrt{\sqrt{x-1}^2 - 2^2} = \sqrt{x-1-4}=\sqrt{x-5} 이다. 따라서 tan⁡θ=oppadj=x−52\tan\theta = \dfrac{\mathrm{opp}}{\mathrm{adj}}=\dfrac{\sqrt{x-5}}{2} 이다.

그림

항등식을 이용하여 이 문제를 풀 수도 있다. sec⁡θ\sec\theta 가 존재하므로 θ≠π2\theta \neq \frac{\pi}{2} 임에 주의한다.

tan⁡2θ+1=sec⁡2θtan⁡2θ+1=(x−12)2=x−14tan⁡θ=±x−14−1=±x−52Since 0≤θ<π2, tan⁡θ≥0, sotan⁡θ=x−52\begin{aligned} \tan^2\theta+1&=\sec^2\theta\\ \tan^2\theta+1&=\left(\frac{\sqrt{x-1}}{2}\right)^2=\frac{x-1}{4}\\ \tan\theta &= \pm\sqrt{\frac{x-1}{4}-1} = \pm\frac{\sqrt{x-5}}{2} \\ \text{Since $0 \leq \theta < \frac{\pi}{2}$, $\tan\theta \geq 0$, so} \\ \tan\theta &= \frac{\sqrt{x-5}}{2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) If sin⁡θ=120\sin\theta=\dfrac{1}{20} and θ\theta is between 0 and π/2\pi/2, then we can draw a right triangle with angle θ\theta that has opposite side length 1, and hypotenuse length 20. By the Pythagorean Theorem, the adjacent side has length 202−12=399\sqrt{20^2-1^2}=\sqrt{399}. So, cos⁡θ=adjhyp=39920\cos\theta = \dfrac{\mathrm{adj}}{\mathrm{hyp}}=\dfrac{\sqrt{399}}{20}.

figure

We can do a quick “reasonableness" check here: 120\frac{1}{20} is pretty close to 0, so we might expect θ\theta to be pretty close to 0, and so cos⁡θ\cos \theta should be pretty close to 1. Indeed it is: 39920≈40020=2020=1\dfrac{\sqrt{399}}{20}\approx \dfrac{\sqrt{400}}{20}=\dfrac{20}{20}=1.

Alternately, we can solve this problem using identities.

sin⁡2θ+cos⁡2θ=1(120)2+cos⁡2θ=1cos⁡θ=±1−1400=±39920Since 0≤θ≤π2, cos⁡θ≥0, socos⁡θ=39920\begin{aligned} \sin^2 \theta + \cos^2 \theta &=1\\ \left(\frac{1}{20}\right)^2+ \cos^2 \theta &=1\\ \cos\theta &= \pm\sqrt{1-\frac{1}{400}}=\pm\frac{\sqrt{399}}{20} \\ \text{Since $0 \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}$, $\cos\theta \geq 0$, so} \\ \cos\theta &= \frac{\sqrt{399}}{20} \end{aligned} (b) If tan⁡θ=7\tan\theta=7 and θ\theta is between 0 and π/2\pi/2, then we can draw a right triangle with angle θ\theta that has opposite side length 7 and adjacent side length 1. By the Pythagorean Theorem, the hypotenuse has length 72+12=50=52\sqrt{7^2+1^2} = \sqrt{50}=5\sqrt{2}. So, csc⁡θ=hypopp=527\csc\theta = \dfrac{\mathrm{hyp}}{\mathrm{opp}}=\dfrac{5\sqrt{2}}{7}.

figure

Again, we can do a quick reasonableness check. Since 7 is much larger than 1, the triangle we're thinking of doesn't look much like the triangle in our standardized picture above: it's really quite tall, with a small base. So, the opposite side and hypotenuse are pretty close in length. Indeed, 527≈7.071\dfrac{5\sqrt{2}}{7}\approx 7.071, so this dimension seems reasonable. (c) If sec⁡θ=x−12\sec\theta=\dfrac{\sqrt{x-1}}{2} and θ\theta is between 0 and π/2\pi/2, then we can draw a right triangle with angle θ\theta that has hypotenuse length x−1\sqrt{x-1} and adjacent side length 2. By the Pythagorean Theorem, the opposite side has length x−12−22=x−1−4=x−5\sqrt{\sqrt{x-1}^2 - 2^2} = \sqrt{x-1-4}=\sqrt{x-5}. So, tan⁡θ=oppadj=x−52\tan\theta = \dfrac{\mathrm{opp}}{\mathrm{adj}}=\dfrac{\sqrt{x-5}}{2}.

figure

We can also solve this using identities. Note that since sec⁡θ\sec\theta exists, θ≠π2\theta \neq \frac{\pi}{2}.

tan⁡2θ+1=sec⁡2θtan⁡2θ+1=(x−12)2=x−14tan⁡θ=±x−14−1=±x−52Since 0≤θ<π2, tan⁡θ≥0, sotan⁡θ=x−52\begin{aligned} \tan^2\theta+1&=\sec^2\theta\\ \tan^2\theta+1&=\left(\frac{\sqrt{x-1}}{2}\right)^2=\frac{x-1}{4}\\ \tan\theta &= \pm\sqrt{\frac{x-1}{4}-1} = \pm\frac{\sqrt{x-5}}{2} \\ \text{Since $0 \leq \theta < \frac{\pi}{2}$, $\tan\theta \geq 0$, so} \\ \tan\theta &= \frac{\sqrt{x-5}}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.3절 · 20번
# 삼각치환계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
85.CLP-2 · 1.9절 · 4번대학 수준우리말 번역

다음 식을 간단히 하세요.

(a) sin⁡(arccos⁡(x2))\sin\left(\arccos \left(\frac{x}{2}\right)\right) (b) sin⁡(arctan⁡(13))\sin\left(\arctan \left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right)\right) (c) sec⁡(arcsin⁡(x))\sec\left(\arcsin \left(\sqrt{x}\right)\right)

영어 원문 보기

Simplify the following expressions.

(a) sin⁡(arccos⁡(x2))\sin\left(\arccos \left(\frac{x}{2}\right)\right) (b) sin⁡(arctan⁡(13))\sin\left(\arctan \left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right)\right) (c) sec⁡(arcsin⁡(x))\sec\left(\arcsin \left(\sqrt{x}\right)\right)

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(c)
정답·풀이 보기

(a) θ=arccos⁡(x2)\theta = \arccos \left(\frac{x}{2}\right) 라 하자. 즉 cos⁡(θ)=x2\cos(\theta) = \frac{x}{2} 이고 0≤θ≤π0 \leq \theta \leq \pi 이다. 그러면 각 θ\theta 를 가지고, 이웃변의 부호 있는 길이가 xx 이고(θ>π2\theta > \frac{\pi}{2} 이면 xx 는 음수임에 주의한다) 빗변의 길이가 22 인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 이 삼각형의 반대변의 길이는 4−x2\sqrt{4-x^2} 이다.

그림

따라서

sin⁡(arccos⁡(x2))=sin⁡θ=opphyp=4−x22\sin\left(\arccos \left(\frac{x}{2}\right)\right)=\sin \theta = \frac{\mathrm{opp}}{\mathrm{hyp}} = \frac{\sqrt{4-x^2}}{2} (b) θ=arctan⁡(13)\theta = \arctan \left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right) 라 하자. 즉 tan⁡(θ)=13\tan(\theta) = \frac{1}{\sqrt{3}} 이고 −π2≤θ≤π2-\frac{\pi}{2} \leq \theta \leq \frac{\pi}{2} 이다.

  • 풀이 1: 그러면 θ=π6\theta = \dfrac{\pi}{6} 이므로 sin⁡θ=12\sin\theta = \dfrac{1}{2} 이다.
  • 풀이 2: 그러면 각 θ\theta 를 가지고, 반대변의 길이가 11 이고 이웃변의 길이가 3\sqrt{3} 인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 이 삼각형의 빗변의 길이는 32+12=2\sqrt{\sqrt{3}^2+1^2}=2 이다.

그림

따라서

sin⁡(arctan⁡(13))=sin⁡θ=opphyp=12\sin\left(\arctan \left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right)\right)=\sin \theta = \frac{\mathrm{opp}}{\mathrm{hyp}} = \frac{1}{2} (c) θ=arcsin⁡(x)\theta = \arcsin \left(\sqrt{x}\right) 라 하자. 즉 sin⁡(θ)=x\sin(\theta) = \sqrt{x} 이고 −π2≤θ≤π2-\frac{\pi}{2} \leq \theta \leq \frac{\pi}{2} 이다. 그러면 각 θ\theta 를 가지고, 반대변의 길이가 x\sqrt{x} 이고 빗변의 길이가 11 인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 이 삼각형의 이웃변의 길이는 1−x\sqrt{1-x} 이다.

그림

따라서

sec⁡(arcsin⁡(x))=sec⁡θ=hypadj=11−x\sec\left(\arcsin \left(\sqrt{x}\right)\right)=\sec \theta = \frac{\mathrm{hyp}}{\mathrm{adj}} = \frac{1}{\sqrt{1-x}}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Let θ=arccos⁡(x2)\theta = \arccos \left(\frac{x}{2}\right). That is, cos⁡(θ)=x2\cos(\theta) = \frac{x}{2}, and 0≤θ≤π0 \leq \theta \leq \pi. Then we can draw the corresponding right triangle with angle θ\theta with adjacent side of signed length xx (we note that if θ>π2\theta > \frac{\pi}{2}, then xx is negative) and hypotenuse of length 22. By the Pythagorean Theorem, the opposite side of the triangle has length 4−x2\sqrt{4-x^2}.

figure

So,

sin⁡(arccos⁡(x2))=sin⁡θ=opphyp=4−x22\sin\left(\arccos \left(\frac{x}{2}\right)\right)=\sin \theta = \frac{\mathrm{opp}}{\mathrm{hyp}} = \frac{\sqrt{4-x^2}}{2} (b) Let θ=arctan⁡(13)\theta = \arctan \left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right). That is, tan⁡(θ)=13\tan(\theta) = \frac{1}{\sqrt{3}}, and −π2≤θ≤π2-\frac{\pi}{2} \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}.

  • Solution 1: Then θ=π6\theta = \dfrac{\pi}{6}, so sin⁡θ=12\sin\theta = \dfrac{1}{2}.
  • Solution 2: Then we can draw the corresponding right triangle with angle θ\theta with opposite side of length 11 and adjacent side of length 3\sqrt{3}. By the Pythagorean Theorem, the hypotenuse of the triangle has length 32+12=2\sqrt{\sqrt{3}^2+1^2}=2.

figure

So,

sin⁡(arctan⁡(13))=sin⁡θ=opphyp=12\sin\left(\arctan \left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right)\right)=\sin \theta = \frac{\mathrm{opp}}{\mathrm{hyp}} = \frac{1}{2} (c) Let θ=arcsin⁡(x)\theta = \arcsin \left(\sqrt{x}\right). That is, sin⁡(θ)=x\sin(\theta) = \sqrt{x}, and −π2≤θ≤π2-\frac{\pi}{2} \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}. Then we can draw the corresponding right triangle with angle θ\theta with opposite side of length x\sqrt{x} and hypotenuse of length 11. By the Pythagorean Theorem, the adjacent side of the triangle has length 1−x\sqrt{1-x}.

figure

So,

sec⁡(arcsin⁡(x))=sec⁡θ=hypadj=11−x\sec\left(\arcsin \left(\sqrt{x}\right)\right)=\sec \theta = \frac{\mathrm{hyp}}{\mathrm{adj}} = \frac{1}{\sqrt{1-x}}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.3절 · 26번
# 삼각치환계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
86.CLP-2 · 1.9절 · 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)
87.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)
88.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)
89.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)
90.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)
91.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)
92.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)
93.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)
94.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)
95.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}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.3절 · 8번
# 삼각치환계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
96.CLP-2 · 1.9절 · 20번대학 수준우리말 번역

∫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.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

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
# 삼각치환계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
97.CLP-2 · 1.9절 · 23번대학 수준우리말 번역

∫(1+x2)3/2xdx\displaystyle\int\dfrac{(1+x^2)^{3/2}}{x}\mathrm{d}x 의 값을 구하세요. ∫csc⁡θ dθ=log⁡∣cot⁡θ−csc⁡θ∣+C\displaystyle\int \csc \theta~\mathrm{d}\theta=\log|\cot \theta - \csc \theta|+C 임을 이용해도 됩니다.

영어 원문 보기

Evaluate ∫(1+x2)3/2xdx\displaystyle\int\dfrac{(1+x^2)^{3/2}}{x}\mathrm{d}x. You may use the fact that ∫csc⁡θ dθ=log⁡∣cot⁡θ−csc⁡θ∣+C\displaystyle\int \csc \theta~\mathrm{d}\theta=\log|\cot \theta - \csc \theta|+C.

정답·풀이 보기

치환 x=tan⁡ux=\tan u, dx=sec⁡2u du\mathrm{d}x=\sec^2 u~\mathrm{d}u 를 이용한다.

∫1+x23xdx=∫1+tan⁡2u3tan⁡usec⁡2u du=∫sec⁡3utan⁡usec⁡2u du=∫(sec⁡2u)2tan⁡usec⁡u du=∫(tan⁡2u+1)2tan⁡usec⁡u du=∫tan⁡4u+2tan⁡2u+1tan⁡usec⁡u du=∫tan⁡3usec⁡u du+∫2sec⁡utan⁡u du+∫sec⁡utan⁡u du첫 번째 적분에서는 치환 w=sec⁡u 를 이용한다. 두 번째는 2sec⁡u 의 부정적분이다. 세 번째는 sec⁡utan⁡u=1cos⁡u⋅cos⁡usin⁡u=csc⁡u 로 간단히 한다.=∫((sec⁡2u−1)sec⁡utan⁡u) du+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C=∫(w2−1) dw+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C=13w3−w+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C=13sec⁡3u−sec⁡u+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C![그림](clp/tikz/f1bcb1bbbc.png)=13sec⁡3u+sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C처음에 치환 x=tan⁡u 를 사용했다. 그러면 cot⁡u=1x 이다. csc⁡u 와 sec⁡u 를 구하기 위해, 각 u 가 있고 높이가 x, 밑변이 1 인 직각삼각형을 그린다. 피타고라스 정리로 빗변의 길이를 구할 수 있다.=131+x23+1+x2+log⁡∣1x−1+x2x∣+C=131+x2(4+x2)+log⁡∣1−1+x2x∣+C\begin{aligned} \int\dfrac{\sqrt{1+x^2}^3}{x}\mathrm{d}x&=\int\frac{\sqrt{1+\tan^2 u}^3}{\tan u}\sec^2 u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{\sec^3u}{\tan u}\sec^2 u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{(\sec^2u)^2}{\tan u}\sec u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{(\tan^2u+1)^2}{\tan u}\sec u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{\tan^4u+2\tan^2 u + 1}{\tan u}\sec u~\mathrm{d}u \\&=\int \tan^3 u \sec u ~\mathrm{d}u + \int 2\sec u \tan u~\mathrm{d}u + \int \frac{\sec u}{\tan u}~\mathrm{d}u \\ \text{첫 번째 적분에서는 치환 $w=\sec u$ 를 이용한다. 두 번째는 $2\sec u$ 의 부정적분이다. 세 번째는 $\frac{\sec u}{\tan u} = \frac{1}{\cos u}\cdot \frac{\cos u}{\sin u} = \csc u$~로 간단히 한다.} \\ &=\int\bigg((\sec^2 u -1)\sec u \tan u\bigg)~\mathrm{d}u + 2\sec u + \log|\cot u - \csc u |+C\\ &=\int (w^2-1)~\mathrm{d}w+2\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C\\ &=\frac{1}{3}w^3-w+2\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C\\ &=\frac{1}{3}\sec^3u-\sec u+2\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C \\ \smash{ ![그림](clp/tikz/f1bcb1bbbc.png) } \qquad &=\frac{1}{3}\sec^3u+\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C \\ \text{처음에 치환 $x=\tan u$ 를 사용했다. 그러면 $\cot u = \frac{1}{x}$ 이다. $\csc u$ 와 $\sec u$ 를 구하기 위해, 각 $u$ 가 있고 높이가 $x$, 밑변이 $1$ 인 직각삼각형을 그린다. 피타고라스 정리로 빗변의 길이를 구할 수 있다.} \\ &=\frac{1}{3}\sqrt{1+x^2}^3+\sqrt{1+x^2}+\log\left| \frac{1}{x}-\frac{\sqrt{1+x^2}}{x} \right|+C \\&=\frac{1}{3}\sqrt{1+x^2}(4+x^2)+\log\left|\frac{1-\sqrt{1+x^2}}{x} \right|+C \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.

∫1+x23xdx=∫1+tan⁡2u3tan⁡usec⁡2u du=∫sec⁡3utan⁡usec⁡2u du=∫(sec⁡2u)2tan⁡usec⁡u du=∫(tan⁡2u+1)2tan⁡usec⁡u du=∫tan⁡4u+2tan⁡2u+1tan⁡usec⁡u du=∫tan⁡3usec⁡u du+∫2sec⁡utan⁡u du+∫sec⁡utan⁡u duFor the first integral, we use the substitution w=sec⁡u. The second is the antiderivative of 2sec⁡u. The third we simplify as sec⁡utan⁡u=1cos⁡u⋅cos⁡usin⁡u=csc⁡u .=∫((sec⁡2u−1)sec⁡utan⁡u) du+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C=∫(w2−1) dw+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C=13w3−w+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C=13sec⁡3u−sec⁡u+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C![figure](clp/tikz/f1bcb1bbbc.png)=13sec⁡3u+sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+CWe began with the substitution x=tan⁡u. Then cot⁡u=1x. To find csc⁡u and sec⁡u, we draw a right triangle with angle u, opposite side x, and adjacent side 1. The Pythagorean Theorem gives us the hypotenuse.=131+x23+1+x2+log⁡∣1x−1+x2x∣+C=131+x2(4+x2)+log⁡∣1−1+x2x∣+C\begin{aligned} \int\dfrac{\sqrt{1+x^2}^3}{x}\mathrm{d}x&=\int\frac{\sqrt{1+\tan^2 u}^3}{\tan u}\sec^2 u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{\sec^3u}{\tan u}\sec^2 u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{(\sec^2u)^2}{\tan u}\sec u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{(\tan^2u+1)^2}{\tan u}\sec u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{\tan^4u+2\tan^2 u + 1}{\tan u}\sec u~\mathrm{d}u \\&=\int \tan^3 u \sec u ~\mathrm{d}u + \int 2\sec u \tan u~\mathrm{d}u + \int \frac{\sec u}{\tan u}~\mathrm{d}u \\ \text{For the first integral, we use the substitution $w=\sec u$. The second is the antiderivative of $2\sec u$. The third we simplify as $\frac{\sec u}{\tan u} = \frac{1}{\cos u}\cdot \frac{\cos u}{\sin u} = \csc u$~.} \\ &=\int\bigg((\sec^2 u -1)\sec u \tan u\bigg)~\mathrm{d}u + 2\sec u + \log|\cot u - \csc u |+C\\ &=\int (w^2-1)~\mathrm{d}w+2\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C\\ &=\frac{1}{3}w^3-w+2\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C\\ &=\frac{1}{3}\sec^3u-\sec u+2\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C \\ \smash{ ![figure](clp/tikz/f1bcb1bbbc.png) } \qquad &=\frac{1}{3}\sec^3u+\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C \\ \text{We began with the substitution $x=\tan u$. Then $\cot u = \frac{1}{x}$. To find $\csc u$ and $\sec u$, we draw a right triangle with angle $u$, opposite side $x$, and adjacent side $1$. The Pythagorean Theorem gives us the hypotenuse.} \\ &=\frac{1}{3}\sqrt{1+x^2}^3+\sqrt{1+x^2}+\log\left| \frac{1}{x}-\frac{\sqrt{1+x^2}}{x} \right|+C \\&=\frac{1}{3}\sqrt{1+x^2}(4+x^2)+\log\left|\frac{1-\sqrt{1+x^2}}{x} \right|+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.9절 · 25번
# 삼각치환계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
98.CLP-2 · 1.9절 · 25번대학 수준우리말 번역

f(x)=∣x∣1−x24f(x) = \dfrac{|x|}{\sqrt[4]{1-x^2}} 이라 하고, RR 을 구간 [−12,12][-\frac{1}{2},\frac{1}{2}] 에서 f(x)f(x) 와 xx축 사이의 영역이라 하자.

(a) RR 의 넓이를 구하세요. (b) RR 을 xx축을 중심으로 회전시켜 만든 입체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=∣x∣1−x24f(x) = \dfrac{|x|}{\sqrt[4]{1-x^2}}, and let RR be the region between f(x)f(x) and the xx-axis over the interval [−12,12][-\frac{1}{2},\frac{1}{2}].

(a) Find the area of RR. (b) Find the volume of the solid formed by rotating RR about the xx-axis.

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 는 우함수이고, 정의역 전체에서 음이 아님에 유의한다.

(a) RR 의 넓이를 구하기 위해 다음을 계산한다.

넓이=∫−1/21/2∣x∣1−x24 dx=2∫01/2x1−x24 dx치환 u=1−x2, du=−2x dx 를 이용한다.=−∫13/41u1/4 du=−[43u3/4]13/4=−43((34)3/4−1)=43−434\begin{aligned} \text{넓이}&=\int _{-1/2}^{1/2} \dfrac{|x|}{\sqrt[4]{1-x^2}}~\mathrm{d}x = 2\int _{0}^{1/2} \dfrac{x}{\sqrt[4]{1-x^2}}~\mathrm{d}x \\ \text{치환 $u=1-x^2$, $\mathrm{d}u=-2x~\mathrm{d}x$ 를 이용한다.} \\ &=-\int_{1}^{3/4} \frac{1}{u^{1/4}}~\mathrm{d}u\\ &=-\left[\frac{4}{3}u^{3/4}\right]_1^{3/4} = -\frac{4}{3}\left(\left(\frac{3}{4}\right)^{3/4}-1\right)\\ &=\frac{4}{3} - \sqrt[4]{\frac{4}{3}} \end{aligned}

(b) 회전체를 너비가 dx\mathrm{d}x 이고 반지름이 ∣x∣1−x24\dfrac{|x|}{\sqrt[4]{1-x^2}} 인 원판으로 얇게 자른다.

부피=∫−1/21/2π(∣x∣1−x24)2 dx=2π∫01/2x21−x2 dx치환 x=sin⁡θ, dx=cos⁡θ dθ 를 이용하면 1−x2=1−sin⁡2θ=cos⁡θ 이다. sin⁡0=0 이고 sin⁡π6=12 임에 유의한다.=2π∫0π/6sin⁡2θcos⁡θcos⁡θ dθ=2π∫0π/6sin⁡2θ dθ=π∫0π/6(1−cos⁡(2θ)) dθ=π[θ−12sin⁡(2θ)]0π/6=π(π6−12⋅32)=π26−3π4\begin{aligned} \text{부피}&=\int_{-1/2}^{1/2} \pi\left(\dfrac{|x|}{\sqrt[4]{1-x^2}}\right)^2~\mathrm{d}x\\ &=2\pi\int_{0}^{1/2} \dfrac{x^2}{\sqrt{1-x^2}}~\mathrm{d}x \\ \text{치환 $x=\sin \theta$, $\mathrm{d}x = \cos\theta~\mathrm{d}\theta$ 를 이용하면 $\sqrt{1-x^2} = \sqrt{1-\sin^2\theta}=\cos \theta$ 이다. $\sin 0 =0$ 이고 $\sin\frac{\pi}{6}=\frac{1}{2}$ 임에 유의한다.} \\ &=2\pi\int_{0}^{\pi/6} \frac{\sin^2 \theta}{\cos \theta}\cos \theta~\mathrm{d}\theta \\&=2\pi\int_{0}^{\pi/6} \sin^2 \theta~\mathrm{d}\theta \\&=\pi\int_{0}^{\pi/6}\big(1- \cos(2 \theta)\big)~\mathrm{d}\theta\\ &=\pi\left[\theta - \frac{1}{2}\sin(2\theta)\right]_0^{\pi/6}\\ &=\pi\left(\frac{\pi}{6} - \frac{1}{2}\cdot \frac{\sqrt{3}}{2}\right)\\ &=\frac{\pi^2}{6} - \frac{\sqrt{3}\pi}{4} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Note that f(x)f(x) is an even function, nonnegative over its entire domain.

(a) To find the area of RR, we evaluate

Area=∫−1/21/2∣x∣1−x24 dx=2∫01/2x1−x24 dxWe use the substitution u=1−x2, du=−2x dx.=−∫13/41u1/4 du=−[43u3/4]13/4=−43((34)3/4−1)=43−434\begin{aligned} \text{Area}&=\int _{-1/2}^{1/2} \dfrac{|x|}{\sqrt[4]{1-x^2}}~\mathrm{d}x = 2\int _{0}^{1/2} \dfrac{x}{\sqrt[4]{1-x^2}}~\mathrm{d}x \\ \text{We use the substitution $u=1-x^2$, $\mathrm{d}u=-2x~\mathrm{d}x$.} \\ &=-\int_{1}^{3/4} \frac{1}{u^{1/4}}~\mathrm{d}u\\ &=-\left[\frac{4}{3}u^{3/4}\right]_1^{3/4} = -\frac{4}{3}\left(\left(\frac{3}{4}\right)^{3/4}-1\right)\\ &=\frac{4}{3} - \sqrt[4]{\frac{4}{3}} \end{aligned}

(b) We slice the solid of rotation into circular disks of width dx\mathrm{d}x and radius ∣x∣1−x24\dfrac{|x|}{\sqrt[4]{1-x^2}}.

Volume=∫−1/21/2π(∣x∣1−x24)2 dx=2π∫01/2x21−x2 dxWe use the substitution x=sin⁡θ, dx=cos⁡θ dθ, so 1−x2=1−sin⁡2θ=cos⁡θ. Note sin⁡0=0 and sin⁡π6=12.=2π∫0π/6sin⁡2θcos⁡θcos⁡θ dθ=2π∫0π/6sin⁡2θ dθ=π∫0π/6(1−cos⁡(2θ)) dθ=π[θ−12sin⁡(2θ)]0π/6=π(π6−12⋅32)=π26−3π4\begin{aligned} \text{Volume}&=\int_{-1/2}^{1/2} \pi\left(\dfrac{|x|}{\sqrt[4]{1-x^2}}\right)^2~\mathrm{d}x\\ &=2\pi\int_{0}^{1/2} \dfrac{x^2}{\sqrt{1-x^2}}~\mathrm{d}x \\ \text{We use the substitution $x=\sin \theta$, $\mathrm{d}x = \cos\theta~\mathrm{d}\theta$, so $\sqrt{1-x^2} = \sqrt{1-\sin^2\theta}=\cos \theta$. Note $\sin 0 =0$ and $\sin\frac{\pi}{6}=\frac{1}{2}.$} \\ &=2\pi\int_{0}^{\pi/6} \frac{\sin^2 \theta}{\cos \theta}\cos \theta~\mathrm{d}\theta \\&=2\pi\int_{0}^{\pi/6} \sin^2 \theta~\mathrm{d}\theta \\&=\pi\int_{0}^{\pi/6}\big(1- \cos(2 \theta)\big)~\mathrm{d}\theta\\ &=\pi\left[\theta - \frac{1}{2}\sin(2\theta)\right]_0^{\pi/6}\\ &=\pi\left(\frac{\pi}{6} - \frac{1}{2}\cdot \frac{\sqrt{3}}{2}\right)\\ &=\frac{\pi^2}{6} - \frac{\sqrt{3}\pi}{4} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.9절 · 28번
# 삼각치환활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
99.CLP-2 · 1.9절 · 28번대학 수준우리말 번역

(a) 상수 aa 가 양수이고, 적분할 식에 a2−x2\sqrt{a^2-x^2} 항이 들어 있어서 치환 x=asin⁡ux=a\sin u (역함수는 u=arcsin⁡(x/a)u = \arcsin(x/a))를 쓴다고 하자. 그러면 a2−x2=a2cos⁡2u=∣acos⁡u∣\sqrt{a^2-x^2} = \sqrt{a^2\cos^2u}= |a\cos u| 이다. 어떤 경우에 ∣acos⁡u∣≠acos⁡u|a\cos u|\neq a\cos u 인지 구하세요. (b) 상수 aa 가 양수이고, 적분할 식에 a2+x2\sqrt{a^2+x^2} 항이 들어 있어서 치환 x=atan⁡ux=a\tan u (역함수는 u=arctan⁡(x/a)u = \arctan(x/a))를 쓴다고 하자. 그러면 a2+x2=a2sec⁡2u=∣asec⁡u∣\sqrt{a^2+x^2} = \sqrt{a^2\sec^2u}= |a\sec u| 이다. 어떤 경우에 ∣asec⁡u∣≠asec⁡u|a\sec u|\neq a\sec u 인지 구하세요. (c) 상수 aa 가 양수이고, 적분할 식에 x2−a2\sqrt{x^2-a^2} 항이 들어 있어서 치환 x=asec⁡ux=a\sec u (역함수는 u=arcsec(x/a)=arccos⁡(a/x)u = \mathop{\mathrm{arcsec}}(x/a)=\arccos(a/x))를 쓴다고 하자. 그러면 x2−a2=a2tan⁡2u=∣atan⁡u∣\sqrt{x^2-a^2} = \sqrt{a^2\tan^2u}= |a\tan u| 이다. 어떤 경우에 ∣atan⁡u∣≠atan⁡u|a\tan u|\neq a\tan u 인지 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Suppose we are evaluating an integral that contains the term a2−x2\sqrt{a^2-x^2}, where aa is a positive constant, and we use the substitution x=asin⁡ux=a\sin u (with inverse u=arcsin⁡(x/a)u = \arcsin(x/a)), so that a2−x2=a2cos⁡2u=∣acos⁡u∣\sqrt{a^2-x^2} = \sqrt{a^2\cos^2u}= |a\cos u| Under what circumstances is ∣acos⁡u∣≠acos⁡u|a\cos u|\neq a\cos u? (b) Suppose we are evaluating an integral that contains the term a2+x2\sqrt{a^2+x^2}, where aa is a positive constant, and we use the substitution x=atan⁡ux=a\tan u (with inverse u=arctan⁡(x/a)u = \arctan(x/a)), so that a2+x2=a2sec⁡2u=∣asec⁡u∣\sqrt{a^2+x^2} = \sqrt{a^2\sec^2u}= |a\sec u| Under what circumstances is ∣asec⁡u∣≠asec⁡u|a\sec u|\neq a\sec u? (c) Suppose we are evaluating an integral that contains the term x2−a2\sqrt{x^2-a^2}, where aa is a positive constant, and we use the substitution x=asec⁡ux=a\sec u (with inverse u=arcsec(x/a)=arccos⁡(a/x)u = \mathop{\mathrm{arcsec}}(x/a)=\arccos(a/x)), so that x2−a2=a2tan⁡2u=∣atan⁡u∣\sqrt{x^2-a^2} = \sqrt{a^2\tan^2u}= |a\tan u| Under what circumstances is ∣atan⁡u∣≠atan⁡u|a\tan u|\neq a\tan u?

정답·풀이 보기

임의의 값 XX 에 대해 ∣X∣={X(X≥0 일 때)−X(X≤0 일 때)|X| = \left\{\begin{array}{rl} X&\text{(}X \ge 0\text{ 일 때)}\\ -X&\text{(}X \le 0\text{ 일 때)}\end{array}\right. 임을 기억하자. 따라서 ∣X∣≠X|X| \neq X 인 것은 정확히 X<0X<0 일 때이다.

(a) 아크사인의 치역은 [−π2,π2]\big[-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\big] 이다. 따라서 u=arcsin⁡(x/a)u=\arcsin(x/a) 이므로 uu 는 [−π2,π2]\big[-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\big] 범위에 있다. 그러므로 cos⁡u≥0\cos u \geq 0 이다. aa 가 양수이므로 acos⁡u≥0a\cos u \ge 0 이고, 따라서 acos⁡u=∣acos⁡u∣a\cos u = |a\cos u| 이다. 즉, a2−x2=∣acos⁡u∣=acos⁡u\sqrt{a^2-x^2}=|a\cos u|=a\cos u 가 항상 성립한다.

(b) 아크탄젠트의 치역은 (−π2,π2)\big(-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\big) 이다. 따라서 u=arctan⁡(x/a)u=\arctan(x/a) 이므로 uu 는 (−π2,π2)\big(-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\big) 범위에 있다. 그러므로 sec⁡u=1cos⁡u>0\sec u = \frac{1}{\cos u} >0 이다. aa 가 양수이므로 asec⁡u>0a\sec u > 0 이고, 따라서 asec⁡u=∣asec⁡u∣a\sec u = |a\sec u| 이다. 즉, a2+x2=∣asec⁡u∣=asec⁡u\sqrt{a^2+x^2}=|a\sec u|=a\sec u 가 항상 성립한다.

(c) 아크코사인의 치역은 [0,π]\big[0,\pi \big] 이다. 따라서 u=arcsec(x/a)=arccos⁡(a/x)u=\mathop{\mathrm{arcsec}}(x/a) = \arccos(a/x) 이므로 uu 는 [0,π]\big[0,\pi\big] 범위에 있다. (사실 시컨트는 π/2\pi/2 에서 정의되지 않으므로 uu 는 [0,π2)∪(π2,π][0,\frac{\pi}{2}) \cup (\frac{\pi}{2},\pi] 범위에 있다.) ∣atan⁡u∣≠atan⁡u|a\tan u| \neq a\tan u 이면 tan⁡u<0\tan u <0 이고, 이는 uu 가 (π2,π)\big (\frac{\pi}{2},\pi) 범위에 있을 때 일어난다. 이 범위는 −1<cos⁡u<0-1<\cos u <0 인 범위와 같으므로 −1<ax<0-1<\frac{a}{x}<0 이다. ax<0\frac{a}{x}<0 이므로 aa 와 xx 의 부호가 다르고, 따라서 x<0x<0 이다. 그러면 −1<ax-1<\frac{a}{x} 이므로 x<−ax<-a 이기도 하다.

그러므로 x2−a2=∣atan⁡u∣=−atan⁡u≠atan⁡u\sqrt{x^2-a^2} = |a\tan u| = -a\tan u \neq a\tan u 가 성립하는 것은 정확히 x<−ax< -a 일 때이다.

원본 교재 풀이(영어)

Remember that for any value XX, ∣X∣={Xif X≥0−Xif X≤0|X| = \left\{\begin{array}{rl} X&\text{if }X \ge 0\\ -X&\text{if }X \le 0 \end{array}\right. So, ∣X∣≠X|X| \neq X precisely when X<0X<0.

(a) The range of arcsine is [−π2,π2]\big[-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\big]. So, since u=arcsin⁡(x/a)u=\arcsin(x/a), uu is in the range [−π2,π2]\big[-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\big]. Therefore cos⁡u≥0\cos u \geq 0. Since aa is positive, acos⁡u≥0a\cos u \ge 0, so acos⁡u=∣acos⁡u∣a\cos u = |a\cos u|. That is, a2−x2=∣acos⁡u∣=acos⁡u\sqrt{a^2-x^2}=|a\cos u|=a\cos u all the time.

(b) The range of arctangent is (−π2,π2)\big(-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\big). So, since u=arctan⁡(x/a)u=\arctan(x/a), uu is in the range (−π2,π2)\big(-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\big). Therefore sec⁡u=1cos⁡u>0\sec u = \frac{1}{\cos u} >0 . Since aa is positive, asec⁡u>0a\sec u > 0, so asec⁡u=∣asec⁡u∣a\sec u = |a\sec u|.That is, a2+x2=∣asec⁡u∣=asec⁡u\sqrt{a^2+x^2}=|a\sec u|=a\sec u all the time.

(c) The range of arccosine is [0,π]\big[0,\pi \big]. So, since u=arcsec(x/a)=arccos⁡(a/x)u=\mathop{\mathrm{arcsec}}(x/a) = \arccos(a/x), uu is in the range [0,π]\big[0,\pi\big]. (Actually, it's in the range [0,π2)∪(π2,π][0,\frac{\pi}{2}) \cup (\frac{\pi}{2},\pi], since secant is undefined at π/2\pi/2.) If ∣atan⁡u∣≠atan⁡u|a\tan u| \neq a\tan u, then tan⁡u<0\tan u <0, which happens when uu is in the range (π2,π)\big (\frac{\pi}{2},\pi). This is the same range over which −1<cos⁡u<0-1<\cos u <0, and so −1<ax<0-1<\frac{a}{x}<0. Since ax<0\frac{a}{x}<0, aa and xx have different signs, so x<0x<0. Then since −1<ax-1<\frac{a}{x}, also x<−ax<-a.

So, x2−a2=∣atan⁡u∣=−atan⁡u≠atan⁡u\sqrt{x^2-a^2} = |a\tan u| = -a\tan u \neq a\tan u happens precisely when when x<−ax< -a.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.3절 · 42번
# 삼각치환계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)