문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

치환적분법

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

Active Calculus · 5.3절 · 11번우리말 번역

이 문제는 sin⁡(x)\sin(x) 와 cos⁡(x)\cos(x) 를 제외한 기본 삼각함수의 부정적분을 구하는 것을 중심으로 한다.

(a) 부정적분 ∫tan⁡(x) dx\int \tan(x) \, dx 를 생각하세요. 피적분함수를 tan⁡(x)=sin⁡(x)cos⁡(x)\tan(x) = \frac{\sin(x)}{\cos(x)} 로 고쳐 쓰고, 알맞은 함수와 그 도함수의 쌍을 찾아 uu 로 치환하여 ∫tan⁡(x) dx\int \tan(x) \, dx 의 값을 구하세요. (b) 같은 방법으로 ∫cot⁡(x) dx\int \cot(x) \, dx 의 값을 구하세요. (c) 부정적분 ∫sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x) dx \int \frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} \, dx\, 을 생각하세요. 치환 u=sec⁡(x)+tan⁡(x)u = \sec(x) + \tan(x) 를 이용하여 이 적분의 값을 구하세요. (d) (c)의 피적분함수의 분자를 인수분해하여 간단히 하세요. 피적분함수를 훨씬 더 간단하게 나타내는 방법은 무엇인가요? (e) (c)와 (d)의 결과를 합하여 ∫sec⁡(x) dx\int \sec(x) \, dx 를 구하세요. (f) (c)~(e)를 참고하여 ∫csc⁡(x) dx\int \csc(x) \, dx 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

This problem centers on finding antiderivatives for the basic trigonometric functions other than sin⁡(x)\sin(x) and cos⁡(x)\cos(x).

(a) Consider the indefinite integral ∫tan⁡(x) dx\int \tan(x) \, dx. By rewriting the integrand as tan⁡(x)=sin⁡(x)cos⁡(x)\tan(x) = \frac{\sin(x)}{\cos(x)} and identifying an appropriate function-derivative pair, make a uu-substitution and hence evaluate ∫tan⁡(x) dx\int \tan(x) \, dx. (b) In a similar way, evaluate ∫cot⁡(x) dx\int \cot(x) \, dx. (c) Consider the indefinite integral ∫sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x) dx .\int \frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} \, dx\,. Evaluate this integral using the substitution u=sec⁡(x)+tan⁡(x)u = \sec(x) + \tan(x). (d) Simplify the integrand in (c) by factoring the numerator. What is a far simpler way to write the integrand? (e) Combine your work in (c) and (d) to determine ∫sec⁡(x) dx\int \sec(x) \, dx. (f) Using (c)-(e) as a guide, evaluate ∫csc⁡(x) dx\int \csc(x) \, dx.

정답·풀이 보기

(a) u=cos⁡(x)u = \cos(x) 로 놓으면 du=−sin⁡(x) dxdu = -\sin(x) \ dx 이다. 이 변수 변환으로 적분을 다음과 같이 계산할 수 있는 꼴로 바꿀 수 있다. ∫tan⁡(x) dx=∫sin⁡(x)cos⁡(x) dx=−∫1u du=−ln⁡(∣u∣)+C=−ln⁡(∣cos⁡(x)∣+C=ln⁡(∣cos⁡(x)∣−1)+C=ln⁡(∣sec⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \tan(x) \, dx &= \int \frac{\sin(x)}{\cos(x)} \ dx \\ &= -\int \frac{1}{u} \ du \\ &= -\ln(|u|) + C \\ &= -\ln(|\cos(x)| + C \\ &= \ln\left(|\cos(x)|^{-1}\right) + C \\ &= \ln\left(|\sec(x)|\right) + C\end{aligned}\,. 결과를 간단히 하기 위해 로그의 성질 pln⁡(z)=ln⁡(zp)p \ln (z) = \ln(z^p) 과 1cos⁡(x)=sec⁡(x)\frac{1}{\cos(x)} = \sec(x) 임을 이용했다. (b) u=sin⁡(x)u = \sin(x) 로 놓으면 du=cos⁡(x) dxdu = \cos(x) \ dx 이다. 이 변수 변환으로 적분을 다음과 같이 계산할 수 있는 꼴로 바꿀 수 있다. ∫cot⁡(x) dx=∫cos⁡(x)sin⁡(x) dx=∫1u du=ln⁡(∣u∣)+C=ln⁡(∣sin⁡(x)∣+C=−ln⁡(∣sin⁡(x)∣−1)+C=−ln⁡(∣csc⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \cot(x) \, dx &= \int \frac{\cos(x)}{\sin(x)} \ dx \\ &= \int \frac{1}{u} \ du \\ &= \ln(|u|) + C \\ &= \ln(|\sin(x)| + C \\ &= -\ln\left(|\sin(x)|^{-1}\right) + C \\ &= -\ln\left(|\csc(x)|\right) + C\end{aligned}\,. 여기서는 결과를 간단히 하기 위해 ln⁡(z)=(−1)(−1)ln⁡(z)=(−1)ln⁡(z−1)\ln(z) = (-1)(-1)\ln(z) = (-1) \ln(z^{-1}) 임을 이용했다. (c) u=sec⁡(x)+tan⁡(x)u = \sec(x) + \tan(x) 로 놓으면 du=(sec⁡(x)tan⁡(x)+sec⁡2(x)) dxdu = \left(\sec(x)\tan(x)+\sec^2(x)\right) \ dx 이다. 이 변수 변환으로 피적분함수의 기본 구조가 단순해지며 다음과 같이 적분할 수 있다. ∫sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x) dx=∫1u du=ln⁡(∣u∣)+C=ln⁡(∣sec⁡(x)+tan⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} \, dx &= \int \frac{1}{u} \ du \\ &= \ln(|u|) + C \\ &= \ln\left(|\sec(x) + \tan(x)|\right) + C\end{aligned}\,. (d) sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x)\frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} 의 분자에서 공통인수 sec⁡(x)\sec(x) 를 묶어 내면 sec⁡(x)(sec⁡(x)+tan⁡(x))\sec(x)\left(\sec(x) + \tan(x)\right) 로 고쳐 쓸 수 있다. 그러면 피적분함수는 다음과 같이 간단해진다. sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x)=sec⁡(x)(sec⁡(x)+tan⁡(x))sec⁡(x)+tan⁡(x)=sec⁡(x) .\frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} = \frac{\sec(x)\left(\sec(x) + \tan(x)\right)}{\sec(x) + \tan(x)} = \sec(x)\,. (e) (c)와 (d)의 결과로부터 다음을 얻는다. ∫sec⁡(x) dx=∫sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x) dx=ln⁡(∣sec⁡(x)+tan⁡(x)∣)+C .\int \sec(x) \, dx = \int \frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} \, dx = \ln\left(|\sec(x) + \tan(x)|\right) + C\,. (f) (c)~(e)와 같은 방법으로 intcsc⁡(x) dxint \csc(x) \, dx 를 다음과 같이 구할 수 있다. 먼저 csc⁡(x)\csc(x) 에 1=csc⁡(x)+cot⁡(x)csc⁡(x)+cot⁡(x)1 = \frac{\csc(x) + \cot(x)}{\csc(x) + \cot(x)} 을 곱하여 고쳐 쓰면 ∫csc⁡(x) dx=∫csc⁡(x)(csc⁡(x)+cot⁡(x))csc⁡(x)+cot⁡(x) dx=∫csc⁡2(x)+csc⁡(x)cot⁡(x)csc⁡(x)+cot⁡(x) dx \int \csc(x) \, dx = \int \frac{\csc(x)\left(\csc(x) + \cot(x)\right)}{\csc(x) + \cot(x)} \, dx = \int \frac{\csc^2(x) + \csc(x) \cot(x)}{\csc(x) + \cot(x)} \, dx\, 이다. 이제 위 식의 마지막 적분을 치환 u=csc⁡(x)+cot⁡(x)u = \csc(x) + \cot(x) 로 계산한다. 그러면 du=−(csc⁡(x)cot⁡(x)+csc⁡2(x)) dxdu = -\left(\csc(x)\cot(x)+\csc^2(x)\right) \ dx 이다. 이 변수 변환으로 적분을 다음과 같이 계산할 수 있는 꼴로 바꿀 수 있다. ∫csc⁡2(x)+csc⁡(x)cot⁡(x)csc⁡(x)+cot⁡(x) dx=−∫1u dx=−ln⁡(∣u∣)+C=−ln⁡(∣csc⁡(x)+cot⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \frac{\csc^2(x) + \csc(x) \cot(x)}{\csc(x) + \cot(x)} \, dx &= - \int \frac{1}{u} \ dx \\ &= -\ln(|u|) + C \\ &= -\ln\left(|\csc(x) + \cot(x)|\right) + C\end{aligned}\,. 지금까지 구한 등식들을 이어 보면 다음이 성립함을 보인 것이다. ∫csc⁡(x) dx=−ln⁡(∣csc⁡(x)+cot⁡(x)∣)+C .\int \csc(x) \, dx = -\ln\left(|\csc(x) + \cot(x)|\right) + C\,.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We let u=cos⁡(x)u = \cos(x), so du=−sin⁡(x) dxdu = -\sin(x) \ dx. This change of variable transforms the integral into one we can integrate as follows: ∫tan⁡(x) dx=∫sin⁡(x)cos⁡(x) dx=−∫1u du=−ln⁡(∣u∣)+C=−ln⁡(∣cos⁡(x)∣+C=ln⁡(∣cos⁡(x)∣−1)+C=ln⁡(∣sec⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \tan(x) \, dx &= \int \frac{\sin(x)}{\cos(x)} \ dx \\ &= -\int \frac{1}{u} \ du \\ &= -\ln(|u|) + C \\ &= -\ln(|\cos(x)| + C \\ &= \ln\left(|\cos(x)|^{-1}\right) + C \\ &= \ln\left(|\sec(x)|\right) + C\end{aligned}\,. Note that we used the property of the logarithm that pln⁡(z)=ln⁡(zp)p \ln (z) = \ln(z^p) as well as the fact that 1cos⁡(x)=sec⁡(x)\frac{1}{\cos(x)} = \sec(x) in order to simplify the result. (b) We let u=sin⁡(x)u = \sin(x), so du=cos⁡(x) dxdu = \cos(x) \ dx. This change of variable transforms the integral into one we can integrate as follows: ∫cot⁡(x) dx=∫cos⁡(x)sin⁡(x) dx=∫1u du=ln⁡(∣u∣)+C=ln⁡(∣sin⁡(x)∣+C=−ln⁡(∣sin⁡(x)∣−1)+C=−ln⁡(∣csc⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \cot(x) \, dx &= \int \frac{\cos(x)}{\sin(x)} \ dx \\ &= \int \frac{1}{u} \ du \\ &= \ln(|u|) + C \\ &= \ln(|\sin(x)| + C \\ &= -\ln\left(|\sin(x)|^{-1}\right) + C \\ &= -\ln\left(|\csc(x)|\right) + C\end{aligned}\,. Note that here we used the fact that ln⁡(z)=(−1)(−1)ln⁡(z)=(−1)ln⁡(z−1)\ln(z) = (-1)(-1)\ln(z) = (-1) \ln(z^{-1}) in order to simplify the result. (c) We let u=sec⁡(x)+tan⁡(x)u = \sec(x) + \tan(x), so it follows that du=(sec⁡(x)tan⁡(x)+sec⁡2(x)) dxdu = \left(\sec(x)\tan(x)+\sec^2(x)\right) \ dx. This change of variable shows that the basic structure of the integrand is simple and can be integrated as follows: ∫sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x) dx=∫1u du=ln⁡(∣u∣)+C=ln⁡(∣sec⁡(x)+tan⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} \, dx &= \int \frac{1}{u} \ du \\ &= \ln(|u|) + C \\ &= \ln\left(|\sec(x) + \tan(x)|\right) + C\end{aligned}\,. (d) The numerator of sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x)\frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} can be rewritten by removing the common factor of sec⁡(x)\sec(x) to obtain sec⁡(x)(sec⁡(x)+tan⁡(x)) .\sec(x)\left(\sec(x) + \tan(x)\right)\,. The integrand can then be simplified to sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x)=sec⁡(x)(sec⁡(x)+tan⁡(x))sec⁡(x)+tan⁡(x)=sec⁡(x) .\frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} = \frac{\sec(x)\left(\sec(x) + \tan(x)\right)}{\sec(x) + \tan(x)} = \sec(x)\,. (e) Using the results of (c) and (d), we see that ∫sec⁡(x) dx=∫sec⁡2(x)+sec⁡(x)tan⁡(x)sec⁡(x)+tan⁡(x) dx=ln⁡(∣sec⁡(x)+tan⁡(x)∣)+C .\int \sec(x) \, dx = \int \frac{\sec^2(x) + \sec(x) \tan(x)}{\sec(x) + \tan(x)} \, dx = \ln\left(|\sec(x) + \tan(x)|\right) + C\,. (f) Following (c)-(e) we can evaluate intcsc⁡(x) dxint \csc(x) \, dx as follows. First, rewrite csc⁡(x)\csc(x) by multiplying by 1=csc⁡(x)+cot⁡(x)csc⁡(x)+cot⁡(x)1 = \frac{\csc(x) + \cot(x)}{\csc(x) + \cot(x)}, so that ∫csc⁡(x) dx=∫csc⁡(x)(csc⁡(x)+cot⁡(x))csc⁡(x)+cot⁡(x) dx=∫csc⁡2(x)+csc⁡(x)cot⁡(x)csc⁡(x)+cot⁡(x) dx .\int \csc(x) \, dx = \int \frac{\csc(x)\left(\csc(x) + \cot(x)\right)}{\csc(x) + \cot(x)} \, dx = \int \frac{\csc^2(x) + \csc(x) \cot(x)}{\csc(x) + \cot(x)} \, dx\,. Now we evaluate the last integral in the preceding equation with the substitution u=csc⁡(x)+cot⁡(x)u = \csc(x) + \cot(x). Then du=−(csc⁡(x)cot⁡(x)+csc⁡2(x)) dxdu = -\left(\csc(x)\cot(x)+\csc^2(x)\right) \ dx. This change of variable transforms the integral so that we can integrate: ∫csc⁡2(x)+csc⁡(x)cot⁡(x)csc⁡(x)+cot⁡(x) dx=−∫1u dx=−ln⁡(∣u∣)+C=−ln⁡(∣csc⁡(x)+cot⁡(x)∣)+C .\begin{aligned}\int \frac{\csc^2(x) + \csc(x) \cot(x)}{\csc(x) + \cot(x)} \, dx &= - \int \frac{1}{u} \ dx \\ &= -\ln(|u|) + C \\ &= -\ln\left(|\csc(x) + \cot(x)|\right) + C\end{aligned}\,. Connecting the equalities we have established in our work, we have shown that ∫csc⁡(x) dx=−ln⁡(∣csc⁡(x)+cot⁡(x)∣)+C .\int \csc(x) \, dx = -\ln\left(|\csc(x) + \cot(x)|\right) + C\,.

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 1권 · 5.5절 · 18번우리말 번역

다음 문제에서, 적절한 변수 변환을 이용하여 부정적분을 구하세요.

∫x(1−x)99dx\int x{(1-x)}^{99}dx

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

다 풀었으면 정답 확인

(1−x)101101−(1−x)100100+C\frac{{(1-x)}^{101}}{101}-\frac{{(1-x)}^{100}}{100}+C

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