문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

부분적분법

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

Active Calculus · 5.4절 · 13번우리말 번역

f(t)=te−2tf(t) = te^{-2t} 이고 F(x)=∫0xf(t) dtF(x) = \int_0^x f(t) \, dt 라 하자.

(a) F′(x)F'(x) 를 구하세요. (b) 미적분의 기본정리 제1부를 이용하여 적분을 포함하지 않는 FF 의 식을 구하세요. (c) x>0x > 0 에서 FF 는 증가함수인가요, 감소함수인가요? 그 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Let f(t)=te−2tf(t) = te^{-2t} and F(x)=∫0xf(t) dtF(x) = \int_0^x f(t) \, dt.

(a) Determine F′(x)F'(x). (b) Use the First FTC to find a formula for FF that does not involve an integral. (c) Is FF an increasing or decreasing function for x>0x > 0? Why?

정답·풀이 보기

(a) 미적분의 기본정리 제2부에 의해 F′(x)=f(x)=xe−2xF'(x) = f(x) = xe^{-2x} 이다. (b) F(x)=∫0xte−2t dtF(x) = \int_0^x te^{-2t} \, dt 의 적분을 미적분의 기본정리 제1부로 계산하기 위해 부분적분을 이용한다. u=t, du=dtdv=e−2t dt, v=−12e−2t ,\begin{aligned}u &= t, \ du = dt \\ dv &= e^{-2t} \, dt, \ v = -\frac{1}{2}e^{-2t}\end{aligned}\,, 로 놓으면 ∫te−2t dt=−12te−2t−∫(−12e−2t) dt=−12te−2t−14e−2t \int te^{-2t} \, dt = -\frac{1}{2}te^{-2t} - \int \left( -\frac{1}{2}e^{-2t} \right) \, dt = -\frac{1}{2}te^{-2t} - \frac{1}{4}e^{-2t}\, 이다. 따라서 F(x)=∫0xte−2t dt=−12te−2t−14e−2t∣0x=−12xe−2x−14e−2x−(0−14e0)=−12xe−2x−14e−2x+14\begin{aligned}F(x) &= \int_0^x te^{-2t} \, dt \\ &= \left. -\frac{1}{2}te^{-2t} - \frac{1}{4}e^{-2t} \right|_{0}^{x} \\ &= -\frac{1}{2}xe^{-2x} - \frac{1}{4}e^{-2x} - \left( 0 - \frac{1}{4}e^{0} \right) \\ &= -\frac{1}{2}xe^{-2x} - \frac{1}{4}e^{-2x} + \frac{1}{4}\end{aligned} (c) x>0x > 0 일 때, ee 의 거듭제곱은 항상 양수이므로 F′(x)=f(x)=xe−2x>0F'(x) = f(x) = xe^{-2x} > 0 임을 알 수 있다. 따라서 F′(x)>0F'(x) > 0 이므로 FF 는 모든 x>0x > 0 에서 증가한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) By the Second Fundamental Theorem of Calculus, F′(x)=f(x)=xe−2xF'(x) = f(x) = xe^{-2x}. (b) To use the First Fundamental Theorem of Calculus to evaluate the integral in F(x)=∫0xte−2t dtF(x) = \int_0^x te^{-2t} \, dt, we use integration by parts. Letting u=t, du=dtdv=e−2t dt, v=−12e−2t ,\begin{aligned}u &= t, \ du = dt \\ dv &= e^{-2t} \, dt, \ v = -\frac{1}{2}e^{-2t}\end{aligned}\,, it follows that ∫te−2t dt=−12te−2t−∫(−12e−2t) dt=−12te−2t−14e−2t .\int te^{-2t} \, dt = -\frac{1}{2}te^{-2t} - \int \left( -\frac{1}{2}e^{-2t} \right) \, dt = -\frac{1}{2}te^{-2t} - \frac{1}{4}e^{-2t}\,. Thus, F(x)=∫0xte−2t dt=−12te−2t−14e−2t∣0x=−12xe−2x−14e−2x−(0−14e0)=−12xe−2x−14e−2x+14\begin{aligned}F(x) &= \int_0^x te^{-2t} \, dt \\ &= \left. -\frac{1}{2}te^{-2t} - \frac{1}{4}e^{-2t} \right|_{0}^{x} \\ &= -\frac{1}{2}xe^{-2x} - \frac{1}{4}e^{-2x} - \left( 0 - \frac{1}{4}e^{0} \right) \\ &= -\frac{1}{2}xe^{-2x} - \frac{1}{4}e^{-2x} + \frac{1}{4}\end{aligned} (c) For x>0x > 0, we observe that F′(x)=f(x)=xe−2x>0F'(x) = f(x) = xe^{-2x} > 0 since ee to any power is positive. Thus, because F′(x)>0F'(x) > 0, it follows that FF is increasing for all x>0x > 0.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 1.7절 · 28번우리말 번역

f(0)=1f(0) = 1, f(2)=3f(2) = 3, f′(2)=4f'(2) = 4 라 하자. ∫04f′′(x) dx{\displaystyle\int_0^4 f''\big(\sqrt{x}\big)\,\mathrm{d}x} 의 값을 구하세요.

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f′′f'' 의 인수에 있는 제곱근을 없애기 위해 변수변환(“치환”이라고도 한다) x=t2, dx=2t dtx=t^2,\ \mathrm{d}x=2t\,\mathrm{d}t 를 한다.

∫04f′′(x) dx=2∫02tf′′(t) dt\begin{aligned} \int_0^4 f''\big(\sqrt{x}\big)\,\mathrm{d}x &= 2\int_0^2 tf''(t)\,\mathrm{d}t \end{aligned}

다음으로 f′′f'' 을 f′f' 으로 바꾸기 위해 u=tu=t, dv=f′′(t) dt\mathrm{d}v=f''(t)\,\mathrm{d}t, v=f′(t)v=f'(t) 로 놓고 부분적분한다.

∫04f′′(x) dx=2{[tf′(t)⏟uv]02−∫02 ⁣ ⁣ ⁣f′(t) dt⏟vdu}=2[tf′(t)−f(t)]02=2[2f′(2)−f(2)+f(0)]=2[2×4−3+1]=12\begin{aligned} \int_0^4 f''\big(\sqrt{x}\big)\,\mathrm{d}x &= 2\bigg\{\Big[\underbrace{tf'(t)}_{uv}\Big]_0^2-\int_0^2\!\!\!\underbrace{ f'(t)\,\mathrm{d}t}_{v\mathrm{d}u}\bigg\} \\ &=2\Big[tf'(t)-f(t)\Big]_0^2 \\ &=2\big[2f'(2)-f(2)+f(0)\big]=2\big[2\times 4-3+1\big]\\ &=12 \end{aligned}

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