문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분 기법

적분 전략 고르기

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

Active Calculus · 5.5절 · 6번대학 수준우리말 번역

유리함수를 포함한 다음 각 적분에 대해, (1) CAS를 사용하여 피적분함수의 부분분수 분해를 구하세요. (2) 기술의 도움 없이 (1)에서 얻은 함수의 적분을 계산하세요. (3) CAS를 사용하여 원래의 적분을 계산하고, (2)의 결과와 비교하여 확인하세요.

(a) ∫x3+x+1x4−1 dx\int \frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} \, dx (b) ∫x5+x2+3x3−6x2+11x−6 dx\int \frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} \, dx (c) ∫x2−x−1(x−3)3 dx\int \frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} \, dx

영어 원문 보기

For each of the following integrals involving rational functions, (1) use a CAS to find the partial fraction decomposition of the integrand; (2) evaluate the integral of the resulting function without the assistance of technology; (3) use a CAS to evaluate the original integral to test and compare your result in (2).

(a) ∫x3+x+1x4−1 dx\int \frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} \, dx (b) ∫x5+x2+3x3−6x2+11x−6 dx\int \frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} \, dx (c) ∫x2−x−1(x−3)3 dx\int \frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} \, dx

정답·풀이 보기

(a) 울프럼알파로 구하면 x3+x+1x4−1=−12(x2+1)+14(x+1)+34(x−1) .\frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} = -\frac{1}{2(x^2+1)} + \frac{1}{4(x+1)} + \frac{3}{4(x-1)}\,. 이다. 그러면 기본적인 부정적분을 이용하여 ∫x3+x+1x4−1 dx=∫−12(x2+1)+14(x+1)+34(x−1) dx=∫−12(x2+1) dx+∫14(x+1) dx+int34(x−1) dx=−12arctan⁡(x)+14ln⁡∣x+1∣+34ln⁡∣x−1∣+C\begin{aligned}\int \frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} \, dx &= \int -\frac{1}{2(x^2+1)} + \frac{1}{4(x+1)} + \frac{3}{4(x-1)} \ dx \\ &= \int -\frac{1}{2(x^2+1)} \ dx + \int \frac{1}{4(x+1)} \ dx + int \frac{3}{4(x-1)} \ dx \\ &= -\frac{1}{2} \arctan(x) + \frac{1}{4} \ln|x+1| + \frac{3}{4} \ln|x-1| + C\end{aligned} 울프럼알파에 x3+x+1x4−1\frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} 의 적분을 직접 구하게 하면 ∫x3+x+1x4−1 dx=14(3log⁡(1−x)+log⁡(x+1)−2arctan⁡x)+C .\int \frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} \, dx = \frac{1}{4} \left( 3\log(1-x) + \log(x+1) - 2\arctan{x} \right) + C\,. 이다. 14\frac{1}{4} 을 분배하여 정리하고, 울프럼알파는 로그가 포함된 적분에서 절댓값을 쓰지 않으며 ∣x−1∣=∣1−x∣|x-1| = |1-x| 임에 주목하면, 두 결과가 같음을 알 수 있다. (b) 울프럼알파로 구하면 x5+x2+3x3−6x2+11x−6=x2+6x+25+2552(x−3)−39x−2+52(x−1) .\frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} = x^2 + 6x + 25 + \frac{255}{2(x-3)} - \frac{39}{x-2} + \frac{5}{2(x-1)}\,. 이다. 그러면 기본적인 부정적분을 이용하여 ∫x5+x2+3x3−6x2+11x−6 dx=∫x2+6x+25+2552(x−3)−39x−2+52(x−1) dx=∫x2 dx+∫6x dx+∫25 dx+∫2552(x−3) dx−∫39x−2 dx+∫52(x−1) dx=x33+3x2+25x+2552ln⁡∣x−3∣−39ln⁡∣x−2∣+52ln⁡∣x−1∣+C .\begin{aligned}\int \frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} \, dx &= \int x^2 + 6x + 25 + \frac{255}{2(x-3)} - \frac{39}{x-2} + \frac{5}{2(x-1)} \ dx \\ &= \int x^2 \ dx + \int 6x \ dx + \int 25 \ dx + \int \frac{255}{2(x-3)} \ dx - \int \frac{39}{x-2} \ dx + \int \frac{5}{2(x-1)} \ dx \\ &= \frac{x^3}{3} + 3x^2 + 25x + \frac{255}{2} \ln|x-3| - 39 \ln|x-2| + \frac{5}{2} \ln|x-1| + C\end{aligned}\,. 울프럼알파에 x5+x2+3x3−6x2+11x−6\frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} 의 적분을 직접 구하게 하면 (a)에서 언급한 점을 제외하고 같은 결과가 나온다. (c) 울프럼알파로 구하면 x2−x−1(x−3)3=1x−3+5(x−3)2+5(x−3)3 .\frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} = \frac{1}{x-3} + \frac{5}{(x-3)^2} + \frac{5}{(x-3)^3}\,. 이다. 그러면 기본적인 부정적분을 이용하여 ∫x2−x−1(x−3)3 dx=∫1x−3+5(x−3)2+5(x−3)3 dx=∫1x−3 dx+∫5(x−3)2 dx+∫5(x−3)3 dx=ln⁡∣x−3∣+∫5(x−3)−2 dx+∫5(x−3)−3 dx=ln⁡∣x−3∣−5x−3−52(x−3)2+C .\begin{aligned}\int \frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} \, dx &= \int \frac{1}{x-3} + \frac{5}{(x-3)^2} + \frac{5}{(x-3)^3} \ dx \\ &= \int \frac{1}{x-3} \ dx + \int \frac{5}{(x-3)^2} \ dx + \int \frac{5}{(x-3)^3} \ dx \\ &= \ln|x-3| + \int 5(x-3)^{-2} \ dx + \int 5(x-3)^{-3} \ dx \\ &= \ln|x-3| - \frac{5}{x-3} - \frac{5}{2(x-3)^2} + C\end{aligned}\,. 울프럼알파에 x2−x−1(x−3)3\frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} 의 적분을 직접 구하게 하면 ∫x2−x−1(x−3)3 dx=log⁡(x−3)−5(2x−5)2(x−3)2+C .\int \frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} \, dx = \log(x-3) - \frac{5(2x-5)}{2(x-3)^2} + C\,. 이다. 로그 부분은 같고, −5x−3−52(x−3)2=−5[2(x−3)+1]2(x−3)2=−5(2x−5)2(x−3)2 ,-\frac{5}{x-3} - \frac{5}{2(x-3)^2} = -\frac{5[2(x-3) + 1]}{2(x-3)^2} = -\frac{5(2x-5)}{2(x-3)^2}\,, 이므로 나머지 부분도 일치함을 알 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) WolframAlpha shows that x3+x+1x4−1=−12(x2+1)+14(x+1)+34(x−1) .\frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} = -\frac{1}{2(x^2+1)} + \frac{1}{4(x+1)} + \frac{3}{4(x-1)}\,. Then, using standard antiderivatives, ∫x3+x+1x4−1 dx=∫−12(x2+1)+14(x+1)+34(x−1) dx=∫−12(x2+1) dx+∫14(x+1) dx+int34(x−1) dx=−12arctan⁡(x)+14ln⁡∣x+1∣+34ln⁡∣x−1∣+C\begin{aligned}\int \frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} \, dx &= \int -\frac{1}{2(x^2+1)} + \frac{1}{4(x+1)} + \frac{3}{4(x-1)} \ dx \\ &= \int -\frac{1}{2(x^2+1)} \ dx + \int \frac{1}{4(x+1)} \ dx + int \frac{3}{4(x-1)} \ dx \\ &= -\frac{1}{2} \arctan(x) + \frac{1}{4} \ln|x+1| + \frac{3}{4} \ln|x-1| + C\end{aligned} Directly asking WolframAlpha to integrate x3+x+1x4−1\frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} yields ∫x3+x+1x4−1 dx=14(3log⁡(1−x)+log⁡(x+1)−2arctan⁡x)+C .\int \frac{x^3 + x + 1}{x^4 - 1} \, dx = \frac{1}{4} \left( 3\log(1-x) + \log(x+1) - 2\arctan{x} \right) + C\,. By rearranging, distributing the 14\frac{1}{4}, and noticing that WolframAlpha does not use absolute value with integrals involving the logarithm (as well as that ∣x−1∣=∣1−x∣|x-1| = |1-x|), we see that these two results are the same. (b) WolframAlpha shows that x5+x2+3x3−6x2+11x−6=x2+6x+25+2552(x−3)−39x−2+52(x−1) .\frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} = x^2 + 6x + 25 + \frac{255}{2(x-3)} - \frac{39}{x-2} + \frac{5}{2(x-1)}\,. Then, using standard antiderivatives, ∫x5+x2+3x3−6x2+11x−6 dx=∫x2+6x+25+2552(x−3)−39x−2+52(x−1) dx=∫x2 dx+∫6x dx+∫25 dx+∫2552(x−3) dx−∫39x−2 dx+∫52(x−1) dx=x33+3x2+25x+2552ln⁡∣x−3∣−39ln⁡∣x−2∣+52ln⁡∣x−1∣+C .\begin{aligned}\int \frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} \, dx &= \int x^2 + 6x + 25 + \frac{255}{2(x-3)} - \frac{39}{x-2} + \frac{5}{2(x-1)} \ dx \\ &= \int x^2 \ dx + \int 6x \ dx + \int 25 \ dx + \int \frac{255}{2(x-3)} \ dx - \int \frac{39}{x-2} \ dx + \int \frac{5}{2(x-1)} \ dx \\ &= \frac{x^3}{3} + 3x^2 + 25x + \frac{255}{2} \ln|x-3| - 39 \ln|x-2| + \frac{5}{2} \ln|x-1| + C\end{aligned}\,. Directly asking WolframAlpha to integrate x5+x2+3x3−6x2+11x−6\frac{x^5 + x^2 + 3}{x^3 - 6x^2 + 11x - 6} yields the same result with the caveats mentioned in part (a). (c) WolframAlpha shows that x2−x−1(x−3)3=1x−3+5(x−3)2+5(x−3)3 .\frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} = \frac{1}{x-3} + \frac{5}{(x-3)^2} + \frac{5}{(x-3)^3}\,. Then, using standard antiderivatives, ∫x2−x−1(x−3)3 dx=∫1x−3+5(x−3)2+5(x−3)3 dx=∫1x−3 dx+∫5(x−3)2 dx+∫5(x−3)3 dx=ln⁡∣x−3∣+∫5(x−3)−2 dx+∫5(x−3)−3 dx=ln⁡∣x−3∣−5x−3−52(x−3)2+C .\begin{aligned}\int \frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} \, dx &= \int \frac{1}{x-3} + \frac{5}{(x-3)^2} + \frac{5}{(x-3)^3} \ dx \\ &= \int \frac{1}{x-3} \ dx + \int \frac{5}{(x-3)^2} \ dx + \int \frac{5}{(x-3)^3} \ dx \\ &= \ln|x-3| + \int 5(x-3)^{-2} \ dx + \int 5(x-3)^{-3} \ dx \\ &= \ln|x-3| - \frac{5}{x-3} - \frac{5}{2(x-3)^2} + C\end{aligned}\,. Directly asking WolframAlpha to integrate x2−x−1(x−3)3\frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} yields ∫x2−x−1(x−3)3 dx=log⁡(x−3)−5(2x−5)2(x−3)2+C .\int \frac{x^2 - x - 1}{(x-3)^3} \, dx = \log(x-3) - \frac{5(2x-5)}{2(x-3)^2} + C\,. The logarithm part is the same, and since −5x−3−52(x−3)2=−5[2(x−3)+1]2(x−3)2=−5(2x−5)2(x−3)2 ,-\frac{5}{x-3} - \frac{5}{2(x-3)^2} = -\frac{5[2(x-3) + 1]}{2(x-3)^2} = -\frac{5(2x-5)}{2(x-3)^2}\,, we see that the rest of the result matches as well.

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 2권 · 3장 복습 · 20번우리말 번역

다음 연습문제에서, 가능하면 적분의 값을 구하세요.

∫1∞e−xxdx{\int }_{1}^{\infty }\frac{{e}^{-x}}{x}dx

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