문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분 기법

부분분수 적분

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

CLP-2 · 1.10절 · 7번대학 수준우리말 번역

∫12dxx+x2\displaystyle\int_1^2 \frac{\mathrm{d}x}{x+x^2} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫12dxx+x2\displaystyle\int_1^2 \frac{\mathrm{d}x}{x+x^2}.

정답·풀이 보기

피적분함수는 유리함수이므로 부분분수로 분해할 수 있는 후보이다. 뻔한 치환이나 부분적분은 바로 배제할 수 있으므로, 분해를 그대로 진행한다.

먼저 피적분함수, 즉 분수 1x+x2=1x(1+x)\frac{1}{x+x^2}=\frac{1}{x(1+x)} 을 더 간단한 분수 1x\frac{1}{x} 과 1x+1\frac{1}{x+1} 의 일차결합으로 나타낸다(이 두 분수의 적분은 이미 알고 있다). 그러면

1x+x2=1x(1+x)=ax+bx+1=a(x+1)+bxx(1+x)\begin{aligned} \frac{1}{x+x^2}=\frac{1}{x(1+x)} = \frac{a}{x} + \frac{b}{x+1} =\frac{a(x+1) +bx}{x(1+x)} \end{aligned}

이다.

좌변의 분수와 우변의 분수가 같을 필요충분조건은 좌변의 분자 1=0x+11 = 0x + 1 이 우변의 분자 a(x+1)+bx=(a+b)x+aa(x+1)+bx = (a+b)x +a 와 같은 것이다. 이는 다시 a=1a=1 (즉 두 분자의 상수항이 같다)이고 a+b=0a+b=0 (즉 두 분자에서 xx 의 계수가 같다)일 필요충분조건이다. 따라서 a=1a=1, b=−1b=-1 이다. 이제 적분을 쉽게 계산할 수 있다.

∫12dxx+x2=∫12dxx(x+1)=∫12(1x−1x+1) dx=[log⁡x−log⁡(x+1)]12=log⁡2−log⁡32=log⁡43\begin{aligned} \int_1^2 \frac{\mathrm{d}x}{x+x^2} &=\int_1^2 \frac{\mathrm{d}x}{x(x+1)} =\int_1^2 \Big(\frac{1}{x}-\frac{1}{x+1}\Big)\,\mathrm{d}x =\Big[\log x-\log(x+1)\Big]_1^2\\ &=\log 2-\log\frac{3}{2} =\log\frac{4}{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The integrand is a rational function, so it's a candidate for partial fraction. We quickly rule out any obvious substitution or integration by parts, so we go ahead with the decomposition.

We start by expressing the integrand, i.e. the fraction 1x+x2=1x(1+x)\frac{1}{x+x^2}=\frac{1}{x(1+x)}, as a linear combination of the simpler fractions 1x\frac{1}{x} and 1x+1\frac{1}{x+1} (which we already know how to integrate). We will have

1x+x2=1x(1+x)=ax+bx+1=a(x+1)+bxx(1+x)\begin{aligned} \frac{1}{x+x^2}=\frac{1}{x(1+x)} = \frac{a}{x} + \frac{b}{x+1} =\frac{a(x+1) +bx}{x(1+x)} \end{aligned}

The fraction on the left hand side is the same as the fraction on the right hand side if and only if the numerator on the left hand side, which is 1=0x+11 = 0x + 1, is equal to the numerator on the right hand side, which is a(x+1)+bx=(a+b)x+aa(x+1)+bx = (a+b)x +a. This in turn is the case if and only of a=1a=1 (i.e. the constant terms are the same in the two numerators) and a+b=0a+b=0 (i.e. the coefficients of xx are the same in the two numerators). So a=1a=1 and b=−1b=-1. Now we can easily evaluate the integral

∫12dxx+x2=∫12dxx(x+1)=∫12(1x−1x+1) dx=[log⁡x−log⁡(x+1)]12=log⁡2−log⁡32=log⁡43\begin{aligned} \int_1^2 \frac{\mathrm{d}x}{x+x^2} &=\int_1^2 \frac{\mathrm{d}x}{x(x+1)} =\int_1^2 \Big(\frac{1}{x}-\frac{1}{x+1}\Big)\,\mathrm{d}x =\Big[\log x-\log(x+1)\Big]_1^2\\ &=\log 2-\log\frac{3}{2} =\log\frac{4}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 1.10절 · 6번우리말 번역

다음 사실이 있습니다.

분모에 중복된 일차인수 (ax+b)n(ax+b)^n 이 있고 분자의 차수가 분모의 차수보다 (엄밀히) 작은 유리함수가 있다고 하자. 부분분수분해에서 다음 항들

A1ax+b+A2(ax+b)2+A3(ax+b)3+⋯+An(ax+b)n(1)\frac{A_1}{ax+b} + \frac{A_2}{(ax+b)^2}+\frac{A_3}{(ax+b)^3}+\cdots+ \frac{A_n}{(ax+b)^n}\tag{1}

을 하나의 항

B1+B2x+B3x2+⋯+Bnxn−1(ax+b)n(2)\frac{B_1+B_2x+B_3x^2+\cdots + B_{n}x^{n-1}}{(ax+b)^n}\tag{2}

으로 바꾸어도 여전히 해를 구할 수 있음이 보장된다.

부분분수분해에서 (2)의 단일 항 대신 (1)의 합을 사용하는 이유는 무엇인지 설명하세요.

다 풀었으면 정답 확인

부분분수분해의 목표는 피적분함수를 적분하기 쉬운 꼴로 쓰는 것이다. (1)의 부정적분은 치환 u=(ax+b)u=(ax+b) 로 쉽게 구할 수 있다. 반면 (2)의 부정적분은 어떻게 구해야 할지 분명하지 않다.

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# 부분분수 적분계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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