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.

89문제 · 5 / 5쪽

81.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)
82.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)
83.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)
84.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)
85.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)
86.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)
87.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)
88.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)
89.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)