연습문제 27–30에서 정적분의 값을 구하세요.
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In Exercises 27–30, evaluate the definite integral.
문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분 기법
√(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.
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연습문제 27–30에서 정적분의 값을 구하세요.
In Exercises 27–30, evaluate the definite integral.
연습문제 27–30번에서 정적분의 값을 구하세요.
In Exercises 27–30, evaluate the definite integral.
다음 각 적분에 대해, 적분의 값을 구하는 데 가장 유리한 치환을 고르세요.
(a) (b) (c)
For each of the following integrals, choose the substitution that is most beneficial for evaluating the integral.
(a) (b) (c)
교재에는 알맞은 치환을 고르는 방법을 정리한 표가 있지만, 이 문제에서는 치환을 고르는 논리를 설명한다.
사용할 수 있는 삼각함수 항등식은 다음과 같다.
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 이고, 이는 (함수) (상수) 꼴이다. 이 꼴은 삼각함수 항등식 와 맞는다. 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.
따라서 제곱근이 없어졌다.
(b) 이 문제에는 삼각함수를 쓰지 않는 뚜렷한 치환이 없으므로, 분모의 제곱근을 없애기 위해 삼각치환을 사용한다. 제곱근 안은 함수 이고, 이는 (상수) (함수) 꼴이다. 이 꼴은 삼각함수 항등식 와 맞는다. 우리가 원하는 것은 다음이 되게 하는 치환이다.
따라서 제곱근이 없어졌다. 에서 절댓값 기호는 필요하지 않은데, 일 때 는 와 사이의 값이고, 그러한 에 대해 이기 때문이다.
(c) 이 문제에는 삼각함수를 쓰지 않는 뚜렷한 치환이 없으므로, 분수 거듭제곱을 없애기 위해 삼각치환을 사용한다. (즉, 제곱근을 없애려는 것이다.) 거듭제곱의 밑은 함수 이고, 이는 (상수) (함수) 꼴이다. 이 꼴은 삼각함수 항등식 와 맞는다. 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.
따라서 제곱근이 없어졌다. 에서 절댓값 기호는 필요하지 않은데, 일 때 는 와 사이의 값이고, 그러한 에 대해 이기 때문이다.
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:
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 , which has the form (function) (constant). This form matches the trig identity . We can set 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
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 , which has the form (constant) (function). This form matches the trig identity . What we want is a substitution that gives us
So, we eliminated the square root. We remark that the absolute value signs are not needed in , because, for , we have between and , and for those '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 , which has the form (constant) (function). This form matches the trig identity . We can set 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
So, we eliminated the square root. We remark that the absolute value signs are not needed in , because, for , we have between and , and for those 's.
이 문제의 각 부분에서 는 구간 에 속하는 각이라고 가정하세요.
(a) 이면 의 값은 얼마인가요? (b) 이면 의 값은 얼마인가요? (c) 이면 의 값은 얼마인가요?
In each part of this question, assume is an angle in the interval .
(a) If , what is ? (b) If , what is ? (c) If , what is ?
(a) 이고 가 0과 사이에 있으면, 각 를 가지고 반대쪽 변의 길이가 1, 빗변의 길이가 20인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 밑변의 길이는 이다. 따라서 이다.

여기서 간단히 “타당성” 검사를 해 볼 수 있다. 은 0에 꽤 가까우므로 도 0에 꽤 가까울 것이고, 따라서 는 1에 꽤 가까워야 한다. 실제로 그렇다. 이다.
다른 방법으로, 항등식을 이용하여 이 문제를 풀 수도 있다.
(b) 이고 가 0과 사이에 있으면, 각 를 가지고 반대쪽 변의 길이가 7, 밑변의 길이가 1인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 빗변의 길이는 이다. 따라서 이다.

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 이므로 이 크기는 타당해 보인다. (c) 이고 가 0과 사이에 있으면, 각 를 가지고 빗변의 길이가 , 밑변의 길이가 2인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 반대쪽 변의 길이는 이다. 따라서 이다.

항등식을 이용하여 이 문제를 풀 수도 있다. 가 존재하므로 임에 주의한다.
(a) If and is between 0 and , then we can draw a right triangle with angle that has opposite side length 1, and hypotenuse length 20. By the Pythagorean Theorem, the adjacent side has length . So, .

We can do a quick “reasonableness" check here: is pretty close to 0, so we might expect to be pretty close to 0, and so should be pretty close to 1. Indeed it is: .
Alternately, we can solve this problem using identities.
(b) If and is between 0 and , then we can draw a right triangle with angle that has opposite side length 7 and adjacent side length 1. By the Pythagorean Theorem, the hypotenuse has length . So, .

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, , so this dimension seems reasonable. (c) If and is between 0 and , then we can draw a right triangle with angle that has hypotenuse length and adjacent side length 2. By the Pythagorean Theorem, the opposite side has length . So, .

We can also solve this using identities. Note that since exists, .
다음 식을 간단히 하세요.
(a) (b) (c)
Simplify the following expressions.
(a) (b) (c)
(a) 라 하자. 즉 이고 이다. 그러면 각 를 가지고, 이웃변의 부호 있는 길이가 이고( 이면 는 음수임에 주의한다) 빗변의 길이가 인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 이 삼각형의 반대변의 길이는 이다.

따라서
(b) 라 하자. 즉 이고 이다.

따라서
(c) 라 하자. 즉 이고 이다. 그러면 각 를 가지고, 반대변의 길이가 이고 빗변의 길이가 인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 피타고라스 정리에 의해 이 삼각형의 이웃변의 길이는 이다.

따라서
(a) Let . That is, , and . Then we can draw the corresponding right triangle with angle with adjacent side of signed length (we note that if , then is negative) and hypotenuse of length . By the Pythagorean Theorem, the opposite side of the triangle has length .

So,
(b) Let . That is, , and .

So,
(c) Let . That is, , and . Then we can draw the corresponding right triangle with angle with opposite side of length and hypotenuse of length . By the Pythagorean Theorem, the adjacent side of the triangle has length .

So,
의 값을 구하세요.
Evaluate .
부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요
제곱근 안의 근의 공식을 보면 삼각치환이 떠오르지만, 좋은 습관을 기르기 위해 먼저 더 쉬운 방법이 있는지 확인해 보자. 로 놓으면 이므로 이다. 이 치환은 (완전제곱식을 만드는 것에서 시작하게 되는) 삼각치환보다 더 쉬워 보인다.
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 , then , so . This substitution looks easier than a trig substitution (which would start with completing the square).
의 값을 구하세요.
Evaluate .
부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요
, 로 치환한다.
적분을 마무리하기 위해 , 로 치환한다.
를 구하기 위해 각 를 갖고 인 직각삼각형을 그린다. 각 의 반대쪽 변의 길이를 , 인접한 변의 길이를 로 놓으면, 피타고라스 정리에 의해 빗변의 길이는 이다. 따라서 이다.
확인을 위해 답의 도함수를 살펴보면
이고, 이는 정확히 피적분함수와 같다.
Substitute , .
To finish off the integral, we'll substitute , .
To find , we draw a right triangle with angle and . We label the opposite side and the adjacent side , and then from Pythagoras we find that the hypotenuse has length . So, .
As a check, we observe that the derivative of the answer
is exactly the integrand.
일 때 의 값을 구하세요. 답에 역삼각함수를 포함하지 마세요.
Evaluate for . Do not include any inverse trigonometric functions in your answer.
부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요
에서 로 치환한다. 그러면 이고 이므로
검산으로, 답을 미분하면
이 되어 피적분함수와 정확히 같다. ( 인 경우에도 이것이 성립함을 덧붙인다.)
Substitute with . Then and , so that
As a check, we observe that the derivative of the answer
is exactly the integrand. (We remark that this is the case even for .)
(a) 임을 보이세요.
(b) 의 값을 구하세요.
(a) Show that .
(b) Evaluate .
(a) 삼각함수 항등식 을 이용한다. 이로부터 다음을 얻는다.
이므로 주어진 등식이 성립한다.
(b) 삼각 치환 , 를 이용한다. 일 때 임에 주의한다. 또한 삼각함수 항등식 의 양변을 로 나누면 삼각함수 항등식 를 얻는다. 따라서
이다. 이는 (a)에 의한 결과이다.
(a) We'll use the trig identity . It implies that
as required.
(b) We'll use the trig substitution , . Note that when , we have . Also note that dividing the trig identity by gives the trig identity . So
by part (a).
의 값을 구하세요.
Evaluate .
피적분함수는 기함수이고 적분 구간이 원점에 대해 대칭이므로 이다.
The integrand is an odd function, and the limits of integration are symmetric, so .
일 때, 의 값을 구하세요.
Evaluate for .
()로 치환하면 이고 이다. 그러므로
를 구하기 위해 각 를 갖는 직각삼각형을 그린다. 이므로 빗변을 , 밑변을 2로 놓는다. 그러면 피타고라스 정리에 의해 높이는 이다. 따라서 이다.
다른 방법으로, 위 풀이에서 이미 임을 보였으므로 임을 알 수 있다.
검산으로, 답의 도함수를 구하면
이고, 이는 피적분함수와 정확히 같다 ( 일 때).
Substitute with , so that and . Then
To find , we draw a right triangle with angle . Since , we label the hypotenuse and the adjacent side 2. Then the Pythagorean Theorem gives us the opposite side as length . Then .
Alternately, we can notice that in our work, we already showed , so
As a check, we observe that the derivative of the answer
is exactly the integrand (provided ).
의 값을 구하세요.
Evaluate .
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 , 로 하는 치환이다. 그러면 이고, 이다. 일 때 이고, 일 때 이다.
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 , . Then , and . When , , and when , .
의 값을 구하세요.
Evaluate .
부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요
이 피적분함수는 위의 것들과 매우 달라 보인다. 그러나 약간 변장했을 뿐이다. 완전제곱식으로 고치면
이고, , 로 치환하면
전형적인 삼각함수 치환적분이 된다. 따라서 , 로 치환하면
숙련된 적분 계산자라면 아마 를 거치지 않고 곧바로 로 치환할 것이다.
This integrand looks very different from those above. But it is only slightly disguised. If we complete the square
and make the substitution ,
we get a typical trig substitution integral. So, we substitute , to get
An experienced integrator would probably substitute directly, without going through .
일 때, 의 값을 구하세요.
Evaluate for .
완전제곱식으로 나타내면 이다.
이므로 이고 이다. (이와 같게, 이다.) 를 구하기 위해 밑변의 길이가 1이고 빗변의 길이가 인 직각삼각형을 그린다. 피타고라스 정리에 의해 θ의 대변(높이)의 길이는 이다.
Completing the square, we see .
Since , we know and . (Equivalently, .) To find , we draw a right triangle with adjacent side of length 1, and hypotenuse of length . By the Pythagorean Theorem, the opposite side has length .
의 값을 구하세요.
임을 이용해도 됩니다.
Evaluate .
You may use that .
치환 , 를 사용한다. 이고 임에 주의한다.
We use the substitution , . Note and .
의 값을 구하세요.
Evaluate .
부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요
제곱근은 없지만, 치환 , 를 여전히 사용할 수 있다.
이므로, 각 에 대한 반대쪽 변의 길이가 이고 이웃한 변의 길이가 인 직각삼각형을 그릴 수 있다. 그러면 피타고라스 정리에 의해 빗변의 길이는 이고, 이로부터 와 를 구할 수 있다.
There's no square root, but we can still make use of the substitution , .
Since , we can draw a right triangle with angle , opposite side , and adjacent side . Then by the Pythagorean Theorem, its hypotenuse has length , which allows us to find and .
의 값을 구하세요. 임을 이용해도 됩니다.
Evaluate . You may use the fact that .
이라 하고, 을 구간 에서 와 축 사이의 영역이라 하자.
(a) 의 넓이를 구하세요. (b) 을 축을 중심으로 회전시켜 만든 입체의 부피를 구하세요.
Let , and let be the region between and the -axis over the interval .
(a) Find the area of . (b) Find the volume of the solid formed by rotating about the -axis.
는 우함수이고, 정의역 전체에서 음이 아님에 유의한다.
(a) 의 넓이를 구하기 위해 다음을 계산한다.
(b) 회전체를 너비가 이고 반지름이 인 원판으로 얇게 자른다.
Note that is an even function, nonnegative over its entire domain.
(a) To find the area of , we evaluate
(b) We slice the solid of rotation into circular disks of width and radius .
(a) 상수 가 양수이고, 적분할 식에 항이 들어 있어서 치환 (역함수는 )를 쓴다고 하자. 그러면 이다. 어떤 경우에 인지 구하세요. (b) 상수 가 양수이고, 적분할 식에 항이 들어 있어서 치환 (역함수는 )를 쓴다고 하자. 그러면 이다. 어떤 경우에 인지 구하세요. (c) 상수 가 양수이고, 적분할 식에 항이 들어 있어서 치환 (역함수는 )를 쓴다고 하자. 그러면 이다. 어떤 경우에 인지 구하세요.
(a) Suppose we are evaluating an integral that contains the term , where is a positive constant, and we use the substitution (with inverse ), so that Under what circumstances is ? (b) Suppose we are evaluating an integral that contains the term , where is a positive constant, and we use the substitution (with inverse ), so that Under what circumstances is ? (c) Suppose we are evaluating an integral that contains the term , where is a positive constant, and we use the substitution (with inverse ), so that Under what circumstances is ?
임의의 값 에 대해 임을 기억하자. 따라서 인 것은 정확히 일 때이다.
(a) 아크사인의 치역은 이다. 따라서 이므로 는 범위에 있다. 그러므로 이다. 가 양수이므로 이고, 따라서 이다. 즉, 가 항상 성립한다.
(b) 아크탄젠트의 치역은 이다. 따라서 이므로 는 범위에 있다. 그러므로 이다. 가 양수이므로 이고, 따라서 이다. 즉, 가 항상 성립한다.
(c) 아크코사인의 치역은 이다. 따라서 이므로 는 범위에 있다. (사실 시컨트는 에서 정의되지 않으므로 는 범위에 있다.) 이면 이고, 이는 가 범위에 있을 때 일어난다. 이 범위는 인 범위와 같으므로 이다. 이므로 와 의 부호가 다르고, 따라서 이다. 그러면 이므로 이기도 하다.
그러므로 가 성립하는 것은 정확히 일 때이다.
Remember that for any value , So, precisely when .
(a) The range of arcsine is . So, since , is in the range . Therefore . Since is positive, , so . That is, all the time.
(b) The range of arctangent is . So, since , is in the range . Therefore . Since is positive, , so .That is, all the time.
(c) The range of arccosine is . So, since , is in the range . (Actually, it's in the range , since secant is undefined at .) If , then , which happens when is in the range . This is the same range over which , and so . Since , and have different signs, so . Then since , also .
So, happens precisely when when .