문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분 기법

적분 전략 고르기

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

CLP-2 · 1.13절 · 8번대학 수준우리말 번역

다음 적분의 값을 구하세요.

(a) ∫04x9+x2 dx\displaystyle\int_0^4\frac{x}{\sqrt{9+x^2}}\,\mathrm{d}x (b) ∫0π/2cos⁡3x sin⁡2x dx\displaystyle\int_0^{\pi/2}\cos^3x\ \sin^2x\,\mathrm{d}x (c) ∫1ex3log⁡x dx\displaystyle\int_1^{e}x^3\log x\,\mathrm{d}x

영어 원문 보기

Evaluate the following integrals.

(a) ∫04x9+x2 dx\displaystyle\int_0^4\frac{x}{\sqrt{9+x^2}}\,\mathrm{d}x (b) ∫0π/2cos⁡3x sin⁡2x dx\displaystyle\int_0^{\pi/2}\cos^3x\ \sin^2x\,\mathrm{d}x (c) ∫1ex3log⁡x dx\displaystyle\int_1^{e}x^3\log x\,\mathrm{d}x

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(a)
(b)
(c)
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(a) 제곱근 안에 이차식이 있으면 흔히 삼각함수 치환을 떠올리지만, 이 경우에는 더 쉬운 치환이 있다. 구체적으로 y=9+x2y=9+x^2 이라 하자. 그러면 dy=2xdx, xdx=dy2, y(0)=9\mathrm{d}y=2x\mathrm{d}x,\ x\mathrm{d}x=\frac{\mathrm{d}y}{2},\ y(0)=9 이고 y(4)=25y(4)=25 이다.

∫04x9+x2 dx=∫9251y dy2=12⋅y1/2∣925=5−3=2\begin{aligned} \int_0^4\frac{x}{\sqrt{9+x^2}}\,\mathrm{d}x &=\int_9^{25}\frac{1}{\sqrt{y}}\,\frac{\mathrm{d}y}{2} =\frac{1}{2}\cdot\frac{\sqrt{y}}{1/2}\Big|_9^{25} =5-3= 2 \end{aligned}

(b) 코사인의 지수가 홀수이므로, 코사인 하나는 미분 요소로 남겨 두고 나머지는 사인으로 바꿀 수 있다. y=sin⁡x,y=\sin x, dy=cos⁡x\mathrm{d}y=\cos x, dx,\mathrm{d}x, y(0)=0,y(0)=0, y(π/2)=1,y(\pi/2)=1, cos⁡2x=1−y2 \cos^2x=1-y^2 으로 치환하면 다음과 같다.

∫0π/2cos⁡3x sin⁡2x dx=∫0π/2cos⁡2x sin⁡2x cos⁡x dx=∫01 ⁣(1−y2)y2 dy=∫01(y2−y4) dy=[y33−y55]01=13−15=215\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\cos^3x\ \sin^2x\,\mathrm{d}x &=\int_0^{\pi/2}\cos^2x\ \sin^2x\ \cos x\,\mathrm{d}x =\int_0^1\!(1-y^2)y^2\,\mathrm{d}y =\int_0^1(y^2-y^4)\,\mathrm{d}y \\ &=\bigg[\frac{y^3}{3}-\frac{y^5}{5}\bigg]_0^1 =\frac{1}{3}-\frac{1}{5} \\ &= \frac{2}{15} \end{aligned}

(c) 피적분함수는 서로 다른 종류의 두 함수의 곱이며, 뚜렷한 치환이나 간단히 하는 방법이 없다. log⁡x\log x 를 미분하면 피적분함수의 나머지 부분의 다항식 꼴과 더 잘 맞는다. 따라서 u(x)=log⁡xu(x)=\log x, dv=x3 dx\mathrm{d}v=x^3\,\mathrm{d}x 로 놓고 부분적분하면 du=1x dx\mathrm{d}u=\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x 이고 v=x4/4v=x^4/4 이다.

∫1ex3log⁡x dx=x44log⁡x∣1e−∫1ex44⋅1x dx=e44−∫1ex34 dx=e44−x416∣1e=3e416+116\begin{aligned} \int_1^{e}x^3\log x\,\mathrm{d}x &=\frac{x^4}{4}\log x\bigg|_1^e -\int_1^{e}\frac{x^4}{4}\cdot\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x =\frac{e^4}{4}-\int_1^{e}\frac{x^3}{4}\,\mathrm{d}x =\frac{e^4}{4}-\frac{x^4}{16}\bigg|_1^e \\ &=\frac{3e^4}{16}+\frac{1}{16} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Although a quadratic under a square root often suggests trigonometric substitution, in this case we have an easier substitution. Specifically, let y=9+x2y=9+x^2. Then dy=2xdx, xdx=dy2, y(0)=9,\mathrm{d}y=2x\mathrm{d}x,\ x\mathrm{d}x=\frac{\mathrm{d}y}{2},\ y(0)=9, and y(4)=25y(4)=25.

∫04x9+x2 dx=∫9251y dy2=12⋅y1/2∣925=5−3=2\begin{aligned} \int_0^4\frac{x}{\sqrt{9+x^2}}\,\mathrm{d}x &=\int_9^{25}\frac{1}{\sqrt{y}}\,\frac{\mathrm{d}y}{2} =\frac{1}{2}\cdot\frac{\sqrt{y}}{1/2}\Big|_9^{25} =5-3= 2 \end{aligned}

(b) The power of cosine is odd, so we can reserve one cosine for the differential and change the rest to sines. Substituting y=sin⁡x,y=\sin x, dy=cos⁡x\mathrm{d}y=\cos x, dx,\mathrm{d}x, y(0)=0,y(0)=0, y(π/2)=1,y(\pi/2)=1, cos⁡2x=1−y2 \cos^2x=1-y^2:

∫0π/2cos⁡3x sin⁡2x dx=∫0π/2cos⁡2x sin⁡2x cos⁡x dx=∫01 ⁣(1−y2)y2 dy=∫01(y2−y4) dy=[y33−y55]01=13−15=215\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\cos^3x\ \sin^2x\,\mathrm{d}x &=\int_0^{\pi/2}\cos^2x\ \sin^2x\ \cos x\,\mathrm{d}x =\int_0^1\!(1-y^2)y^2\,\mathrm{d}y =\int_0^1(y^2-y^4)\,\mathrm{d}y \\ &=\bigg[\frac{y^3}{3}-\frac{y^5}{5}\bigg]_0^1 =\frac{1}{3}-\frac{1}{5} \\ &= \frac{2}{15} \end{aligned}

(c) The integrand is the product of two different kinds of functions, with no obvious substitution or simplification. If we differentiate log⁡x\log x, it will match better with the polynomial nature of the rest of the integrand. So, integrate by parts with u(x)=log⁡xu(x)=\log x and dv=x3 dx\mathrm{d}v=x^3\,\mathrm{d}x, then du=1x dx\mathrm{d}u=\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x and v=x4/4v=x^4/4.

∫1ex3log⁡x dx=x44log⁡x∣1e−∫1ex44⋅1x dx=e44−∫1ex34 dx=e44−x416∣1e=3e416+116\begin{aligned} \int_1^{e}x^3\log x\,\mathrm{d}x &=\frac{x^4}{4}\log x\bigg|_1^e -\int_1^{e}\frac{x^4}{4}\cdot\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x =\frac{e^4}{4}-\int_1^{e}\frac{x^3}{4}\,\mathrm{d}x =\frac{e^4}{4}-\frac{x^4}{16}\bigg|_1^e \\ &=\frac{3e^4}{16}+\frac{1}{16} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 1.13절 · 9번우리말 번역

다음 적분의 값을 구하세요.

(a) ∫0π/2xsin⁡x dx\displaystyle\int_0^{\pi/2} x\sin x\,\mathrm{d}x (b) ∫0π/2cos⁡5x dx\displaystyle\int_0^{\pi/2} \cos^5 x\,\mathrm{d}x

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(a)
(b)
다 풀었으면 정답 확인

(a) u=xu=x, dv=sin⁡x dx\mathrm{d}v=\sin x\,\mathrm{d}x 로 놓고 부분적분하면 du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x 이고 v=−cos⁡xv=-\cos x 이다.

∫xsin⁡x dx=−xcos⁡x−∫(−cos⁡x) dx=−xcos⁡x+sin⁡x+C따라서, ∫0π/2xsin⁡x dx=[−xcos⁡x+sin⁡x]0π/2=1\begin{aligned} \int x\sin x\,\mathrm{d}x&= -x\cos x-\int (-\cos x)\,\mathrm{d}x =-x\cos x+\sin x+C\\ \text{따라서, }\quad\int_0^{\pi/2} x\sin x\,\mathrm{d}x&=\Big[-x\cos x+\sin x\Big]_0^{\pi/2} =1 \end{aligned}

(b) 코사인의 거듭제곱이 홀수이므로 코사인 하나는 du\mathrm{d}u 를 위해 남겨 두고 나머지는 사인으로 바꿀 수 있다. u=sin⁡xu=\sin x, du=cos⁡x dx\mathrm{d}u=\cos x\,\mathrm{d}x 로 치환한다.

∫0π/2cos⁡5x dx=∫0π/2(1−sin⁡2x)2cos⁡x dx=∫01(1−u2)2 du=∫01(1−2u2+u4) du=[u−23u3+15u5]01=1−23+15=815\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \cos^5 x\,\mathrm{d}x &=\int_0^{\pi/2} \big(1-\sin^2x\big)^2\cos x\,\mathrm{d}x =\int_0^1\big(1-u^2\big)^2\,\mathrm{d}u =\int_0^1\big(1-2u^2+u^4\big)\,\mathrm{d}u\\ &=\left[u-\frac{2}{3}u^3+\frac{1}{5}u^5\right]_0^1 =1-\frac{2}{3}+\frac{1}{5} =\frac{8}{15} \end{aligned}

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

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