문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

부분적분법

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

Active Calculus · 5.4절 · 15번우리말 번역

다음 각 부정적분에 대하여, 적분값을 구할 때 uu-치환을 쓸지, 부분적분을 쓸지, 둘 다 쓰지 않을지*, 아니면 둘 다 쓸지 판단하세요. 각 경우에 판단한 이유를 한 문장으로 설명하고, 사용한 치환이 있으면 그것도 밝히세요. (즉, 어떤 문제에서 u=e3xu = e^{3x} 로 놓기로 했다면, 그렇게 놓았다는 것과 du=3e3x dxdu = 3e^{3x} \, dx 임을 함께 써야 합니다.) 마지막으로, 선택한 방법으로 각 적분의 값을 구하세요. (* 다음 문제 중 하나는 초등함수로 나타낸 부정적분을 갖지 않으므로 실제로 적분값을 구할 필요가 없습니다. 이 문제는 주어진 선택지 중 "둘 다 쓰지 않는다"를 고르는 것에 해당합니다.)

(a) ∫x2cos⁡(x3) dx\displaystyle \int x^2 \cos(x^3) \, dx (b) ∫x5cos⁡(x3) dx\displaystyle \int x^5 \cos(x^3) \, dx (힌트: x5=x2⋅x3x^5 = x^2 \cdot x^3) (c) ∫xln⁡(x2) dx\displaystyle \int x\ln(x^2) \, dx (d) ∫sin⁡(x4) dx\displaystyle \int \sin(x^4) \, dx (e) ∫x3sin⁡(x4) dx\displaystyle \int x^3 \sin(x^4) \, dx (f) ∫x7sin⁡(x4) dx\displaystyle \int x^7 \sin(x^4) \, dx

영어 원문 보기

For each of the following indefinite integrals, determine whether you would use uu-substitution, integration by parts, neither*, or both to evaluate the integral. In each case, write one sentence to explain your reasoning, and include a statement of any substitutions used. (That is, if you decide in a problem to let u=e3xu = e^{3x}, you should state that, as well as that du=3e3x dxdu = 3e^{3x} \, dx.) Finally, use your chosen approach to evaluate each integral. (* one of the following problems does not have an elementary antiderivative and you are not expected to actually evaluate this integral; this will correspond with a choice of “neither” among those given.)

(a) ∫x2cos⁡(x3) dx\displaystyle \int x^2 \cos(x^3) \, dx (b) ∫x5cos⁡(x3) dx\displaystyle \int x^5 \cos(x^3) \, dx (Hint: x5=x2⋅x3x^5 = x^2 \cdot x^3) (c) ∫xln⁡(x2) dx\displaystyle \int x\ln(x^2) \, dx (d) ∫sin⁡(x4) dx\displaystyle \int \sin(x^4) \, dx (e) ∫x3sin⁡(x4) dx\displaystyle \int x^3 \sin(x^4) \, dx (f) ∫x7sin⁡(x4) dx\displaystyle \int x^7 \sin(x^4) \, dx

정답·풀이 보기

(a) u=x3u = x^3 으로 uu-치환을 사용한다. 피적분함수가 x3x^3 을 가장 안쪽 함수로 하는 합성함수를 포함하고, du=3x2 dxdu = 3x^2 \, dx 에 피적분함수에도 있는 인수 x2x^2 이 들어 있기 때문이다. 이렇게 치환하면 x2 dx=13 dux^2 \ dx = \frac{1}{3} \ du 이므로 적분은 다음과 같이 계산할 수 있다. ∫x2cos⁡(x3) dx=13∫cos⁡(u) du=13sin⁡(u)+C=13sin⁡(x3)+C .\begin{aligned}\int x^2 \cos(x^3) \ dx &= \frac{1}{3} \int \cos(u) \ du \\ &= \frac{1}{3} \sin(u) + C \\ &= \frac{1}{3} \sin(x^3) + C\end{aligned}\,. (b) 피적분함수에 합성함수가 있으므로 z=x3/z = x^3/ 으로 치환해 볼 수 있다. 이때 dz=3x2 dxdz = 3x^2 \, dx 이다. 이 치환을 하려면 피적분함수를 다음과 같이 고쳐 써야 한다. x5cos⁡(x3)=x3[x2cos⁡(x3)]x^5 \cos(x^3) = x^3 \left[x^2 \cos(x^3) \right] 그리고 x3=zx^3 = z 임에 주목한다. 그러면 ∫x5cos⁡(x3) dx=13∫zcos⁡(z) dz .\int x^5 \cos(x^3) \ dx = \frac{1}{3} \int z \cos(z) \ dz\,. 이 마지막 적분에 다음과 같이 놓고 부분적분을 시도해 볼 수 있다. u=z, du=dzdv=cos⁡(z) dz, v=sin⁡(z)\begin{aligned}u &= z, \ du = dz \\ dv & = \cos(z) \, dz, \ v = \sin(z)\end{aligned} 그러면 ∫x5cos⁡(x3) dx=13∫zcos⁡(z) dz=13(zsin⁡(z)−∫sin⁡(z) dz)=13(zsin⁡(z)+cos⁡(z))+C=13(x3sin⁡(x3)+cos⁡(x3))+C .\begin{aligned}\int x^5 \cos(x^3) \ dx &= \frac{1}{3} \int z \cos(z) \ dz \\ &= \frac{1}{3} \left(z\sin(z) - \int \sin(z) \ dz \right) \\ &= \frac{1}{3} \left(z\sin(z) + \cos(z) \right) + C \\ &= \frac{1}{3} \left(x^3\sin(x^3) + \cos(x^3) \right) + C\end{aligned}\,. (c) 로그함수는 미분하면 유리함수로 바뀌므로, u=ln⁡(x2)=2ln⁡(x)u = \ln(x^2) = 2\ln(x) 로 놓고 부분적분을 하면 나오는 적분의 값을 구하기가 더 쉬워진다. 그래서 다음과 같이 놓는다. u=ln⁡(x2), du=2x dxdv=x dx, v=x22\begin{aligned}u &= \ln(x^2), \ du = \frac{2}{x} \ dx \\ dv & = x \ dx , \ v = \frac{x^2}{2}\end{aligned} 그러면 부분적분에 의해 ∫xln(x2) dx=x22ln⁡(x2)−∫(2x)(x22) dx=x22ln⁡(x2)−∫x dx=x22ln⁡(x2)−x22+C .\begin{aligned}\int x ln(x^2) \ dx &= \frac{x^2}{2} \ln(x^2) - \int \left(\frac{2}{x}\right) \left(\frac{x^2}{2}\right) \ dx \\ &= \frac{x^2}{2} \ln(x^2) - \int x \ dx \\ &= \frac{x^2}{2} \ln(x^2) - \frac{x^2}{2} + C\end{aligned}\,. (d) u=x4u = x^4 으로 치환해 볼 수 있지만, 그러면 du=4x3 dxdu = 4x^3 \ dx 인데 피적분함수에는 x3x^3 인수가 없어서 이 치환을 완성할 수 없다. 부분적분을 시도하면 선택할 수 있는 것은 u=sin(x4)u = sin(x^4) 로 놓는 것뿐인데, 이때 du=4x3cos⁡(x4)du = 4x^3 \cos(x^4) 이 되어 적분이 더 복잡해질 뿐이다. 이것은 우리가 가진 도구로는 값을 구할 수 없는 적분이다. (e) u=x4u = x^4 으로 uu-치환을 시도한다. 피적분함수가 x4x^4 을 가장 안쪽 함수로 하는 합성함수를 포함하고, du=4x3 dxdu = 4x^3 \, dx 에 피적분함수에도 있는 인수 x3x^3 이 들어 있기 때문이다. 이렇게 치환하면 x3 dx=14 dux^3 \ dx = \frac{1}{4} \ du 이므로 적분은 다음과 같이 계산할 수 있다. ∫x3sin⁡(x4) dx=14∫sin⁡(u) du=−14cos⁡(u)+C=−14cos⁡(x4)+C .\begin{aligned}\int x^3 \sin(x^4) \ dx &= \frac{1}{4} \int \sin(u) \ du \\ &= -\frac{1}{4} \cos(u) + C \\ &= -\frac{1}{4} \cos(x^4) + C\end{aligned}\,. (f) 부분적분을 사용한다. 다음에 주목한다. ∫x7sin⁡(x4) dx=∫x4[x3sin⁡(x4)] dx\int x^7 \sin(x^4) \ dx = \int x^4 \left[x^3 \sin(x^4)\right] \ dx 미분할 수 있는 인수(x3x^3)와 ((e)에서 했던 것처럼) 적분할 수 있는 인수(x3sin⁡(x4)x^3 \sin(x^4))가 있다. 그래서 다음과 같이 놓는다. u=x3, du=3x2 dxdv=x3sin⁡(x4) dx, v=−14cos⁡(x4)\begin{aligned}u &= x^3, \ du = 3x^2 \ dx \\ dv & = x^3 \sin(x^4) \ dx , \ v = -\frac{1}{4} \cos(x^4)\end{aligned} 이제 부분적분 공식에 의해 ∫x7sin⁡(x4) dx=−14x4cos⁡(x4)+∫x3cos⁡(x4) dx .\int x^7 \sin(x^4) \ dx = -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \int x^3 \cos(x^4) \ dx\,. 이 마지막 적분은 본질적으로 dvdv 에서 vv 를 구하는 것과 같으므로, z=x4z = x^4, dz=4x3 dxdz = 4x^3 \ dx 로 치환한다. 마지막 적분에서 변수를 바꾸면 ∫x7sin⁡(x4) dx=−14x4cos⁡(x4)+∫x3cos⁡(x4) dx=−14x4cos⁡(x4)+14∫cos⁡(z) dz=−14x4cos⁡(x4)+14sin⁡(z)+C=−14x4cos⁡(x4)+14sin⁡(x4)+C .\begin{aligned}\int x^7 \sin(x^4) \ dx &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \int x^3 \cos(x^4) \ dx \\ &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \frac{1}{4} \int \cos(z) \ dz \\ &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \frac{1}{4} \sin(z) + C \\ &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \frac{1}{4} \sin(x^4) + C\end{aligned}\,.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We will use a uu-substitution with u=x3u = x^3 because the integrand involves a composite function with x3x^3 as the innermost function and because du=3x2 dxdu = 3x^2 \, dx involves the factor x2x^2 which is also present in the integrand. When we make this substitution we will have x2 dx=13 dux^2 \ dx = \frac{1}{3} \ du and the integral can be evaluated as follows: ∫x2cos⁡(x3) dx=13∫cos⁡(u) du=13sin⁡(u)+C=13sin⁡(x3)+C .\begin{aligned}\int x^2 \cos(x^3) \ dx &= \frac{1}{3} \int \cos(u) \ du \\ &= \frac{1}{3} \sin(u) + C \\ &= \frac{1}{3} \sin(x^3) + C\end{aligned}\,. (b) We might try substituting z=x3/z = x^3/, since there is a composite function in the integrand. In this case we have dz=3x2 dxdz = 3x^2 \, dx. To make this substitution we need to rewrite the integrand as x5cos⁡(x3)=x3[x2cos⁡(x3)]x^5 \cos(x^3) = x^3 \left[x^2 \cos(x^3) \right] and notice that x3=zx^3 = z. Then ∫x5cos⁡(x3) dx=13∫zcos⁡(z) dz .\int x^5 \cos(x^3) \ dx = \frac{1}{3} \int z \cos(z) \ dz\,. We can then try integration by parts on this last integral with u=z, du=dzdv=cos⁡(z) dz, v=sin⁡(z)\begin{aligned}u &= z, \ du = dz \\ dv & = \cos(z) \, dz, \ v = \sin(z)\end{aligned} We then have ∫x5cos⁡(x3) dx=13∫zcos⁡(z) dz=13(zsin⁡(z)−∫sin⁡(z) dz)=13(zsin⁡(z)+cos⁡(z))+C=13(x3sin⁡(x3)+cos⁡(x3))+C .\begin{aligned}\int x^5 \cos(x^3) \ dx &= \frac{1}{3} \int z \cos(z) \ dz \\ &= \frac{1}{3} \left(z\sin(z) - \int \sin(z) \ dz \right) \\ &= \frac{1}{3} \left(z\sin(z) + \cos(z) \right) + C \\ &= \frac{1}{3} \left(x^3\sin(x^3) + \cos(x^3) \right) + C\end{aligned}\,. (c) Since the logarithm function changes to a rational function when we differentiate it, using integration by parts with u=ln⁡(x2)=2ln⁡(x)u = \ln(x^2) = 2\ln(x) will make the resulting integral easier to evaluate. So we let u=ln⁡(x2), du=2x dxdv=x dx, v=x22\begin{aligned}u &= \ln(x^2), \ du = \frac{2}{x} \ dx \\ dv & = x \ dx , \ v = \frac{x^2}{2}\end{aligned} and then integration by parts yields ∫xln(x2) dx=x22ln⁡(x2)−∫(2x)(x22) dx=x22ln⁡(x2)−∫x dx=x22ln⁡(x2)−x22+C .\begin{aligned}\int x ln(x^2) \ dx &= \frac{x^2}{2} \ln(x^2) - \int \left(\frac{2}{x}\right) \left(\frac{x^2}{2}\right) \ dx \\ &= \frac{x^2}{2} \ln(x^2) - \int x \ dx \\ &= \frac{x^2}{2} \ln(x^2) - \frac{x^2}{2} + C\end{aligned}\,. (d) We might try a substitution with u=x4u = x^4, but then du=4x3 dxdu = 4x^3 \ dx and there is no factor of x3x^3 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)u = sin(x^4) which makes du=4x3cos⁡(x4)du = 4x^3 \cos(x^4) 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 uu-substitution with u=x4u = x^4, because the integrand involves a composite function with x4x^4 as the innermost function and because du=4x3 dxdu = 4x^3 \, dx involves the factor x3x^3 which is also present in the integrand. When we make this substitution we have x3 dx=14 dux^3 \ dx = \frac{1}{4} \ du and the integral can be evaluated as follows: ∫x3sin⁡(x4) dx=14∫sin⁡(u) du=−14cos⁡(u)+C=−14cos⁡(x4)+C .\begin{aligned}\int x^3 \sin(x^4) \ dx &= \frac{1}{4} \int \sin(u) \ du \\ &= -\frac{1}{4} \cos(u) + C \\ &= -\frac{1}{4} \cos(x^4) + C\end{aligned}\,. (f) We will use integration by parts. Notice that ∫x7sin⁡(x4) dx=∫x4[x3sin⁡(x4)] dx\int x^7 \sin(x^4) \ dx = \int x^4 \left[x^3 \sin(x^4)\right] \ dx and we have a factor we can differentiate (x3x^3) and one we can integrate (x3sin⁡(x4)x^3 \sin(x^4)) (as we did in part (e)). So we let u=x3, du=3x2 dxdv=x3sin⁡(x4) dx, v=−14cos⁡(x4)\begin{aligned}u &= x^3, \ du = 3x^2 \ dx \\ dv & = x^3 \sin(x^4) \ dx , \ v = -\frac{1}{4} \cos(x^4)\end{aligned} Integration by parts formula now gives ∫x7sin⁡(x4) dx=−14x4cos⁡(x4)+∫x3cos⁡(x4) dx .\int x^7 \sin(x^4) \ dx = -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \int x^3 \cos(x^4) \ dx\,. This last integral is essentially the same as obtaining vv from dvdv, so we will make the substitution z=x4z = x^4 with dz=4x3 dxdz = 4x^3 \ dx. Changing variables in the last integral gives us ∫x7sin⁡(x4) dx=−14x4cos⁡(x4)+∫x3cos⁡(x4) dx=−14x4cos⁡(x4)+14∫cos⁡(z) dz=−14x4cos⁡(x4)+14sin⁡(z)+C=−14x4cos⁡(x4)+14sin⁡(x4)+C .\begin{aligned}\int x^7 \sin(x^4) \ dx &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \int x^3 \cos(x^4) \ dx \\ &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \frac{1}{4} \int \cos(z) \ dz \\ &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \frac{1}{4} \sin(z) + C \\ &= -\frac{1}{4} x^4 \cos(x^4) + \frac{1}{4} \sin(x^4) + C\end{aligned}\,.

한 번 더 — 비슷한 문제Active 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.

다 풀었으면 정답 확인

(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.

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