(a) u=x3 으로 u-치환을 사용한다. 피적분함수가 x3 을 가장 안쪽 함수로 하는 합성함수를 포함하고, du=3x2dx 에 피적분함수에도 있는 인수 x2 이 들어 있기 때문이다. 이렇게 치환하면 x2 dx=31 du 이므로 적분은 다음과 같이 계산할 수 있다.
∫x2cos(x3) dx=31∫cos(u) du=31sin(u)+C=31sin(x3)+C.
(b) 피적분함수에 합성함수가 있으므로 z=x3/ 으로 치환해 볼 수 있다. 이때 dz=3x2dx 이다. 이 치환을 하려면 피적분함수를 다음과 같이 고쳐 써야 한다.
x5cos(x3)=x3[x2cos(x3)]
그리고 x3=z 임에 주목한다. 그러면
∫x5cos(x3) dx=31∫zcos(z) dz. 이 마지막 적분에 다음과 같이 놓고 부분적분을 시도해 볼 수 있다.
udv=z, du=dz=cos(z)dz, v=sin(z)
그러면
∫x5cos(x3) dx=31∫zcos(z) dz=31(zsin(z)−∫sin(z) dz)=31(zsin(z)+cos(z))+C=31(x3sin(x3)+cos(x3))+C.
(c) 로그함수는 미분하면 유리함수로 바뀌므로, u=ln(x2)=2ln(x) 로 놓고 부분적분을 하면 나오는 적분의 값을 구하기가 더 쉬워진다. 그래서 다음과 같이 놓는다.
udv=ln(x2), du=x2 dx=x dx, v=2x2
그러면 부분적분에 의해
∫xln(x2) dx=2x2ln(x2)−∫(x2)(2x2) dx=2x2ln(x2)−∫x dx=2x2ln(x2)−2x2+C.
(d) u=x4 으로 치환해 볼 수 있지만, 그러면 du=4x3 dx 인데 피적분함수에는 x3 인수가 없어서 이 치환을 완성할 수 없다. 부분적분을 시도하면 선택할 수 있는 것은 u=sin(x4) 로 놓는 것뿐인데, 이때 du=4x3cos(x4) 이 되어 적분이 더 복잡해질 뿐이다. 이것은 우리가 가진 도구로는 값을 구할 수 없는 적분이다.
(e) u=x4 으로 u-치환을 시도한다. 피적분함수가 x4 을 가장 안쪽 함수로 하는 합성함수를 포함하고, du=4x3dx 에 피적분함수에도 있는 인수 x3 이 들어 있기 때문이다. 이렇게 치환하면 x3 dx=41 du 이므로 적분은 다음과 같이 계산할 수 있다.
∫x3sin(x4) dx=41∫sin(u) du=−41cos(u)+C=−41cos(x4)+C.
(f) 부분적분을 사용한다. 다음에 주목한다.
∫x7sin(x4) dx=∫x4[x3sin(x4)] dx
미분할 수 있는 인수(x3)와 ((e)에서 했던 것처럼) 적분할 수 있는 인수(x3sin(x4))가 있다. 그래서 다음과 같이 놓는다.
udv=x3, du=3x2 dx=x3sin(x4) dx, v=−41cos(x4)
이제 부분적분 공식에 의해
∫x7sin(x4) dx=−41x4cos(x4)+∫x3cos(x4) dx. 이 마지막 적분은 본질적으로 dv 에서 v 를 구하는 것과 같으므로, z=x4, dz=4x3 dx 로 치환한다. 마지막 적분에서 변수를 바꾸면
∫x7sin(x4) dx=−41x4cos(x4)+∫x3cos(x4) dx=−41x4cos(x4)+41∫cos(z) dz=−41x4cos(x4)+41sin(z)+C=−41x4cos(x4)+41sin(x4)+C.
원본 교재 풀이(영어)
(a) We will use a u-substitution with u=x3 because the integrand involves a composite function with x3 as the innermost function and because du=3x2dx involves the factor x2 which is also present in the integrand. When we make this substitution we will have x2 dx=31 du and the integral can be evaluated as follows:
∫x2cos(x3) dx=31∫cos(u) du=31sin(u)+C=31sin(x3)+C.
(b) We might try substituting z=x3/, since there is a composite function in the integrand. In this case we have dz=3x2dx. To make this substitution we need to rewrite the integrand as
x5cos(x3)=x3[x2cos(x3)]
and notice that x3=z. Then
∫x5cos(x3) dx=31∫zcos(z) dz. We can then try integration by parts on this last integral with
udv=z, du=dz=cos(z)dz, v=sin(z)
We then have
∫x5cos(x3) dx=31∫zcos(z) dz=31(zsin(z)−∫sin(z) dz)=31(zsin(z)+cos(z))+C=31(x3sin(x3)+cos(x3))+C.
(c) Since the logarithm function changes to a rational function when we differentiate it, using integration by parts with u=ln(x2)=2ln(x) will make the resulting integral easier to evaluate. So we let
udv=ln(x2), du=x2 dx=x dx, v=2x2
and then integration by parts yields
∫xln(x2) dx=2x2ln(x2)−∫(x2)(2x2) dx=2x2ln(x2)−∫x dx=2x2ln(x2)−2x2+C.
(d) We might try a substitution with u=x4, but then du=4x3 dx and there is no factor of x3 in the integrand to allow us to complete this substitution. If we attempt to integrate by parts, then only option is to let u=sin(x4) which makes du=4x3cos(x4) and we only make the integral more complicated. This is one integral we cannot evaluate with the tools we have.
(e) We will try a u-substitution with u=x4, because the integrand involves a composite function with x4 as the innermost function and because du=4x3dx involves the factor x3 which is also present in the integrand. When we make this substitution we have x3 dx=41 du and the integral can be evaluated as follows:
∫x3sin(x4) dx=41∫sin(u) du=−41cos(u)+C=−41cos(x4)+C.
(f) We will use integration by parts. Notice that
∫x7sin(x4) dx=∫x4[x3sin(x4)] dx
and we have a factor we can differentiate (x3) and one we can integrate (x3sin(x4)) (as we did in part (e)). So we let
udv=x3, du=3x2 dx=x3sin(x4) dx, v=−41cos(x4)
Integration by parts formula now gives
∫x7sin(x4) dx=−41x4cos(x4)+∫x3cos(x4) dx. This last integral is essentially the same as obtaining v from dv, so we will make the substitution z=x4 with dz=4x3 dx. Changing variables in the last integral gives us
∫x7sin(x4) dx=−41x4cos(x4)+∫x3cos(x4) dx=−41x4cos(x4)+41∫cos(z) dz=−41x4cos(x4)+41sin(z)+C=−41x4cos(x4)+41sin(x4)+C.