문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

치환적분법

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

Active Calculus · 5.3절 · 12번우리말 번역

부정적분 ∫xx−1 dx\int x \sqrt{x-1} \, dx 를 생각하세요.

(a) 얼핏 보면 피적분함수에 xx 가 서로 다른 곳에 들어 있어서 이 피적분함수는 치환에 적합하지 않아 보일 수 있습니다. 그럼에도 합성함수 x−1\sqrt{x-1} 을 길잡이로 삼아 u=x−1u = x-1 로 놓으세요. xx 와 dxdx 를 각각 uu 에 관한 식으로 나타내세요. (b) 주어진 xx 에 관한 적분을 uu 에 관한 새로운 적분으로 바꾸세요. (c) u=u1/2\sqrt{u} = u^{1/2} 임에 주목하고, 이제 곱셈을 전개하여 uu 에 관한 피적분함수를 다시 쓸 수 있음을 이용하여 (b)의 적분을 계산하세요. (d) 두 적분 ∫x2x−1 dx\int x^2 \sqrt{x-1} \, dx 와 ∫xx2−1 dx\int x \sqrt{x^2 - 1} \, dx 를 각각 계산하세요. 이 문제의 세 부정적분 사이의 공통점과, 각각에서 치환과 식의 대수적 변형이 하는 역할을 한 문단으로 쓰세요.

영어 원문 보기

Consider the indefinite integral ∫xx−1 dx\int x \sqrt{x-1} \, dx.

(a) At first glance, this integrand may not seem suited to substitution due to the presence of xx in separate locations in the integrand. Nonetheless, using the composite function x−1\sqrt{x-1} as a guide, let u=x−1u = x-1. Determine expressions for both xx and dxdx in terms of uu. (b) Convert the given integral in xx to a new integral in uu. (c) Evaluate the integral in (b) by noting that u=u1/2\sqrt{u} = u^{1/2} and observing that it is now possible to rewrite the integrand in uu by expanding through multiplication. (d) Evaluate each of the integrals ∫x2x−1 dx\int x^2 \sqrt{x-1} \, dx and ∫xx2−1 dx\int x \sqrt{x^2 - 1} \, dx. Write a paragraph to discuss the similarities among the three indefinite integrals in this problem and the role of substitution and algebraic rearrangement in each.

정답·풀이 보기

(a) u=x−1u = x-1 로 놓으면 x=u+1x = u+1 이고 따라서 dx=dudx = du 이다. (b) (a)의 변수변환을 이용하면 ∫xx−1 dx=∫(u+1)u du .\int x \sqrt{x-1} \, dx = \int (u+1) \sqrt{u} \, du\,. (c) u=u1/2\sqrt{u} = u^{1/2} 임을 이용하여 전개하면 적분을 다음과 같이 계산할 수 있다. ∫xx−1 dx=∫(u+1)u1/2 du=∫(u3/2+u1/2) du=25u5/2+23u3/2+C=25(x−1)5/2+23(x−1)3/2+C .\begin{aligned}\int x \sqrt{x-1} \, dx &= \int (u+1) u^{1/2} \, du \\ &= \int \left(u^{3/2} + u^{1/2} \right) \, du \\ &= \frac{2}{5} u^{5/2} + \frac{2}{3} u^{3/2} + C \\ &= \frac{2}{5} (x-1)^{5/2} + \frac{2}{3} (x-1)^{3/2} + C\end{aligned}\,. (d) 먼저 ∫x2x−1 dx\int x^2 \sqrt{x-1} \, dx 에서 u=x−1u = x-1 로 놓으면 x=u+1x = u+1 이고 dx=dudx = du 이다. 이후의 과정은 (b)에서 한 것과 매우 비슷하다. ∫x2x−1 dx=∫(u+1)2u1/2 du=∫(u2+2u+1)u1/2 du=∫(u5/2+2u3/2+u1/2) du=27u7/2+45u5/2+23u3/2+C=27(x−1)7/2+45(x−1)5/2+23(x−1)3/2+C .\begin{aligned}\int x^2 \sqrt{x-1} \, dx &= \int (u+1)^2 u^{1/2} \, du \\ &= \int \left(u^2 + 2u + 1 \right) u^{1/2} \, du \\ &= \int \left(u^{5/2} + 2u^{3/2} + u^{1/2} \right) \, du \\ &= \frac{2}{7} u^{7/2} + \frac{4}{5} u^{5/2} + \frac{2}{3} u^{3/2} + C \\ &= \frac{2}{7} (x-1)^{7/2} + \frac{4}{5} (x-1)^{5/2} + \frac{2}{3} (x-1)^{3/2} + C\end{aligned}\,. ∫xx2−1 dx\int x \sqrt{x^2 - 1} \, dx 는 겉보기에는 매우 비슷해 보이지만 상황이 전혀 다르다. u=x2−1u = x^2 - 1 로 놓으면 du=2x dxdu = 2x \, dx 이므로, 함수와 그 도함수의 쌍이 나타나는 표준적인 꼴이 된다. x dx=12 dux \, dx = \frac{1}{2} \, du 임에 주목하면 ∫xx2−1 dx=∫u⋅12 du=12⋅23u3/2+C=13u3/2+C=13(x2−1)3/2+C .\begin{aligned}\int x \sqrt{x^2 - 1} \, dx &= \int \sqrt{u} \cdot \frac{1}{2} \, du \\ &= \frac{1}{2} \cdot \frac{2}{3}u^{3/2} + C \\ &= \frac{1}{3} u^{3/2} + C \\ &= \frac{1}{3} (x^2-1)^{3/2} + C\end{aligned}\,. 제곱근 안에 (x−a)(x-a) 가 있고 제곱근 밖에 다항식이 있는 경우에는, 치환 u=x−au = x-a 를 이용하여 근호의 모양을 x−a\sqrt{x-a} 에서 u\sqrt{u} 로 바꿈으로써 피적분함수를 적분할 수 있는 식으로 바꿀 수 있다. 그다음 식을 전개하면 본질적으로 uu 의 (분수) 거듭제곱들의 합인 식을 적분하게 된다. 반면 제곱근 안에 11 보다 높은 차수의 다항식(예: x2−1x^2 - 1)이 있는 경우에는, 마지막 예에서처럼 그 다항식의 도함수(상수배는 무관)가 제곱근 밖에 있어야 적분할 수 있으므로, 그러한 행운이 따라 주어야 할 가능성이 크다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Letting u=x−1u = x-1, we find that x=u+1x = u+1 and thus dx=dudx = du. (b) Using the change of variables in (a), ∫xx−1 dx=∫(u+1)u du .\int x \sqrt{x-1} \, dx = \int (u+1) \sqrt{u} \, du\,. (c) Using the fact that u=u1/2\sqrt{u} = u^{1/2} and distributing, we can evaluate the integral as follows: ∫xx−1 dx=∫(u+1)u1/2 du=∫(u3/2+u1/2) du=25u5/2+23u3/2+C=25(x−1)5/2+23(x−1)3/2+C .\begin{aligned}\int x \sqrt{x-1} \, dx &= \int (u+1) u^{1/2} \, du \\ &= \int \left(u^{3/2} + u^{1/2} \right) \, du \\ &= \frac{2}{5} u^{5/2} + \frac{2}{3} u^{3/2} + C \\ &= \frac{2}{5} (x-1)^{5/2} + \frac{2}{3} (x-1)^{3/2} + C\end{aligned}\,. (d) First, for ∫x2x−1 dx\int x^2 \sqrt{x-1} \, dx, we let u=x−1u = x-1 so that x=u+1x = u+1 and dx=dudx = du. From there, our work is very similar to what we did in (b): ∫x2x−1 dx=∫(u+1)2u1/2 du=∫(u2+2u+1)u1/2 du=∫(u5/2+2u3/2+u1/2) du=27u7/2+45u5/2+23u3/2+C=27(x−1)7/2+45(x−1)5/2+23(x−1)3/2+C .\begin{aligned}\int x^2 \sqrt{x-1} \, dx &= \int (u+1)^2 u^{1/2} \, du \\ &= \int \left(u^2 + 2u + 1 \right) u^{1/2} \, du \\ &= \int \left(u^{5/2} + 2u^{3/2} + u^{1/2} \right) \, du \\ &= \frac{2}{7} u^{7/2} + \frac{4}{5} u^{5/2} + \frac{2}{3} u^{3/2} + C \\ &= \frac{2}{7} (x-1)^{7/2} + \frac{4}{5} (x-1)^{5/2} + \frac{2}{3} (x-1)^{3/2} + C\end{aligned}\,. For ∫xx2−1 dx\int x \sqrt{x^2 - 1} \, dx, despite the fact that the integral looks remarkably similar, the situation is quite different. We observe that with u=x2−1u = x^2 - 1, it follows du=2x dxdu = 2x \, dx, so we have a standard function-derivative pair. Noting that x dx=12 dux \, dx = \frac{1}{2} \, du, it follows that ∫xx2−1 dx=∫u⋅12 du=12⋅23u3/2+C=13u3/2+C=13(x2−1)3/2+C .\begin{aligned}\int x \sqrt{x^2 - 1} \, dx &= \int \sqrt{u} \cdot \frac{1}{2} \, du \\ &= \frac{1}{2} \cdot \frac{2}{3}u^{3/2} + C \\ &= \frac{1}{3} u^{3/2} + C \\ &= \frac{1}{3} (x^2-1)^{3/2} + C\end{aligned}\,. In the situation where we have (x−a)(x-a) under a square root and a polynomial outside the square root, the substitution u=x−au = x-a will allow us to convert the integrand into an expression we can integrate by changing the form of the radical from x−a\sqrt{x-a} to u\sqrt{u}. From there we are able to distribute and integrate an expression that is essentially a sum of (fractional) powers of uu. In the situation where a polynomial of degree higher than 11 (such as x2−1x^2 - 1) is under the radical, we likely have to be fortunate enough to have the derivative of said polynomial (up to a constant) outside the radical in order to be able to integrate, as we were in the last example.

한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 5.3절 · 13번우리말 번역

부정적분 ∫sin⁡3(x) dx\int \sin^3(x) \, dx 를 생각하세요.

(a) 치환 u=sin⁡(x)u = \sin(x) 가 주어진 적분의 값을 구하는 데 도움이 되지 않는 이유를 설명하세요. (b) 기본 삼각함수 항등식 sin⁡2(x)+cos⁡2(x)=1\sin^2(x) + \cos^2(x) = 1 을 떠올려 보세요. sin⁡3(x)=sin⁡(x)⋅sin⁡2(x)\sin^3(x) = \sin(x) \cdot \sin^2(x) 임을 관찰하여, 기본 삼각함수 항등식을 이용해 피적분함수를 sin⁡(x)\sin(x) 와 또 다른 함수의 곱으로 다시 쓰세요. (c) 치환 u=cos⁡(x)u = \cos(x) 가 (b)의 적분의 값을 구하는 데 이제 가능한 방법이 되는 이유를 설명하세요. (d) (a)~(c)의 풀이 과정을 이용하여 부정적분 ∫sin⁡3(x) dx\int \sin^3(x) \, dx 의 값을 구하세요. (e) 비슷한 방법을 이용하여 ∫cos⁡3(x) dx\int \cos^3(x) \, dx 의 값을 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) u=sin⁡(x)u = \sin(x) 라 하면 du=cos⁡(x) dxdu = \cos(x) \, dx 이다. 피적분함수에 코사인 함수가 없으므로, 적분을 값을 구할 수 있는 꼴로 바꾸는 데 필요한 함수와 그 도함수의 쌍이 존재하지 않는다. (b) 기본 삼각함수 항등식에서 sin⁡2(x)=1−cos⁡2(x)\sin^2(x) = 1-\cos^2(x) 이므로 sin⁡3(x)=sin⁡(x)⋅sin⁡2(x)=sin⁡(x)(1−cos⁡2(x)) .\sin^3(x) = \sin(x) \cdot \sin^2(x) = \sin(x) (1-\cos^2(x))\,. (c) (b)에서 ∫sin⁡3(x) dx=∫sin⁡(x)(1−cos⁡2(x)) dx\int \sin^3(x) \, dx = \int \sin(x) (1-\cos^2(x)) \, dx 이고, 이 적분에는 u=cos⁡(x)u = \cos(x), du=−sin⁡(x) dxdu = -\sin(x) \, dx 에 대응하는 함수와 그 도함수의 쌍이 있다. (d) 이 치환을 이용하여 얻은 적분의 값을 구하면 ∫sin⁡3(x) dx=∫sin⁡(x)(1−cos⁡2(x)) dx=∫(−1)(1−u2) du=∫(u2−1) du=13u3−u+C=13cos⁡3(x)−cos⁡(x)+C .\begin{aligned}\int \sin^3(x) \, dx &= \int \sin(x) (1-\cos^2(x)) \, dx \\ &= \int (-1)(1-u^2) \, du \\ &= \int (u^2-1) \, du \\ &= \frac{1}{3}u^3 - u + C \\ &= \frac{1}{3}\cos^3(x) - \cos(x) + C\end{aligned}\,. (e) cos⁡3(x)=cos⁡(x)⋅cos⁡2(x)=cos⁡(x)(1−sin⁡2(x))\cos^3(x) = \cos(x) \cdot \cos^2(x) = \cos(x) (1-\sin^2(x)) 이므로, u=sin⁡(x)u = \sin(x), 즉 du=cos⁡(x) dxdu = \cos(x) \, dx 로 놓으면 ∫cos⁡3(x) dx=∫cos⁡(x)(1−sin⁡2(x)) dx=∫(1−u2) du=u−13u3+C=sin⁡(x)−13sin⁡3(x)+C .\begin{aligned}\int \cos^3(x) \, dx &= \int \cos(x) (1-\sin^2(x)) \, dx \\ &= \int (1-u^2) \, du \\ &= u - \frac{1}{3}u^3 + C \\ &= \sin(x) - \frac{1}{3}\sin^3(x) + C\end{aligned}\,.

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Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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