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 · 13번대학 수준우리말 번역

다음 적분의 값을 구하세요. 풀이 과정을 보이세요.

(a) ∫0π4sin⁡2(2x)cos⁡3(2x) dx\displaystyle\int_0^{\pi\over 4}\sin^2(2x)\cos^3(2x)\ \mathrm{d}x (b) ∫(9+x2)−32 dx\displaystyle\int\big(9+x^2\big)^{-{3\over 2}}\ \mathrm{d}x (c) ∫dx(x−1)(x2+1)\displaystyle\int\frac{\mathrm{d}x}{(x-1)(x^2+1)} (d) ∫xarctan⁡x dx\displaystyle\int x\arctan x\ \mathrm{d}x

영어 원문 보기

Evaluate the following integrals. Show your work.

(a) ∫0π4sin⁡2(2x)cos⁡3(2x) dx\displaystyle\int_0^{\pi\over 4}\sin^2(2x)\cos^3(2x)\ \mathrm{d}x (b) ∫(9+x2)−32 dx\displaystyle\int\big(9+x^2\big)^{-{3\over 2}}\ \mathrm{d}x (c) ∫dx(x−1)(x2+1)\displaystyle\int\frac{\mathrm{d}x}{(x-1)(x^2+1)} (d) ∫xarctan⁡x dx\displaystyle\int x\arctan x\ \mathrm{d}x

정답·풀이 보기

(a) 지금은 사인과 코사인의 인수가 xx 가 아니라 2x2x 라는 점은 중요하지 않다. 이것도 사인과 코사인의 곱의 거듭제곱을 적분하는 문제이다. 코사인의 지수가 홀수이므로 u=sin⁡(2x)u=\sin (2x), du=2cos⁡(2x) dx\mathrm{d}u=2\cos(2 x)\,\mathrm{d}x 로 치환한다.

∫0π4sin⁡2(2x)cos⁡3(2x) dx=∫0π4sin⁡2(2x)[1−sin⁡2(2x)]cos⁡(2x) dx=12∫01u2[1−u2] du=12∫01(u2−u4) du=12[13u3−15u5]01=115\begin{aligned} \int_0^{\pi\over 4}\sin^2(2x)\cos^3(2x)\ \mathrm{d}x &=\int_0^{\pi\over 4} \sin^2(2x)\big[1-\sin^2(2x)\big]\cos(2 x)\ \mathrm{d}x =\frac{1}{2}\int_0^1 u^2\big[1-u^2\big]\ \mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{2}\int_0^1\big(u^2-u^4\big)\ \mathrm{d}u =\frac{1}{2}{\Big[\frac{1}{3}u^3-\frac{1}{5}u^5\Big]}_0^1 =\frac{1}{15} \end{aligned}

(b) x=3tan⁡tx=3\tan t, dx=3sec⁡2t dt\mathrm{d}x=3\sec^2t\,\mathrm{d}t 로 치환하고 삼각함수 항등식 9+9tan⁡2t=9sec⁡2t9+9\tan^2 t = 9\sec^2 t 를 이용한다.

∫(9+x2)−32 dx=∫(9+9tan⁡2t)−32 3sec⁡2t dt=∫(3sec⁡t)−3 3sec⁡2t dt=19∫cos⁡t dt=19sin⁡t+C=19xx2+9+C\begin{aligned} \int\big(9+x^2\big)^{-{3\over 2}}\ \mathrm{d}x &=\int\big(9+9\tan^2t\big)^{-{3\over 2}}\ 3\sec^2t\,\mathrm{d}t =\int\big(3\sec t\big)^{-3}\ 3\sec^2t\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{9}\int\cos t\ \mathrm{d}t =\frac{1}{9}\sin t+C =\frac{1}{9}\frac{x}{\sqrt{x^2+9}}+C \end{aligned}

마지막 단계에서 xx 로 되돌릴 때에는 tan⁡t=x3\tan t =\frac{x}{3} 가 되도록 만든 아래의 삼각형을 이용했다.

그림

(c) 뚜렷한 치환이 보이지 않는 유리함수이므로 부분분수로 분해한다.

1(x−1)(x2+1)=ax−1+bx+cx2+1=a(x2+1)+(bx+c)(x−1)(x−1)(x2+1)처음의 분모를 양변에 곱한다.1=a(x2+1)+(bx+c)(x−1)(∗)\begin{aligned} \frac{1}{(x-1)(x^2+1)} &=\frac{a}{x-1}+\frac{bx+c}{x^2+1} =\frac{a(x^2+1)+(bx+c)(x-1)}{(x-1)(x^2+1)} \\ \text{처음의 분모를 양변에 곱한다.} \\ 1&=a(x^2+1)+(bx+c)(x-1)\tag{$*$} \end{aligned}

x=1x=1 을 대입하면 2a=12a=1, 즉 a=12a=\tfrac{1}{2} 이다. (∗)(*) 에 a=12a=\tfrac{1}{2} 을 대입하면

12(x2+1)+(bx+c)(x−1)=1  ⟺  (bx+c)(x−1)=12(1−x2)=−12(x−1)(x+1)  ⟺  (bx+c)=−12(x+1)  ⟺  b=c=−12\begin{aligned} &\frac{1}{2}(x^2+1)+(bx+c)(x-1)=1\\ \iff\qquad& (bx+c)(x-1)=\frac{1}{2}(1-x^2)=-\frac{1}{2}(x-1)(x+1)\\ \iff\qquad& (bx+c)=-\frac{1}{2}(x+1)\\ \iff\qquad& b=c=-\frac{1}{2}\\ \end{aligned}

따라서

∫dx(x−1)(x2+1)=∫[1/2x−1−12(x+1)x2+1] dx두 번째 항의 부정적분을 구하기 위해 이를 두 개의 적분으로 나눈다. 하나는 치환 u=x2+1 로 계산할 수 있고, 다른 하나는 아크탄젠트의 도함수와 같은 꼴이다.=∫(1/2x−1−x/2x2+1−1/2x2+1) dx=∫(1/2x−1−14⋅2xx2+1−1/2x2+1) dx=12log⁡∣x−1∣−14log⁡(x2+1)−12arctan⁡x+C\begin{aligned} \int\frac{\mathrm{d}x}{(x-1)(x^2+1)} &=\int\Big[\frac{1/2}{x-1}-\frac{\frac{1}{2}(x+1)}{x^2+1}\Big]\,\mathrm{d}x \\ \text{두 번째 항의 부정적분을 구하기 위해 이를 두 개의 적분으로 나눈다. 하나는 치환 $u=x^2+1$ 로 계산할 수 있고, 다른 하나는 아크탄젠트의 도함수와 같은 꼴이다.} \\ &=\int\Big(\frac{1/2}{x-1}-\frac{x/2}{x^2+1} -\frac{1/2}{x^2+1}\Big)\,\mathrm{d}x\\ &=\int\Big(\frac{1/2}{x-1}-\frac{1}{4}\cdot\frac{2x}{x^2+1} -\frac{1/2}{x^2+1}\Big)\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{2}\log|x-1|-\frac{1}{4}\log(x^2+1)-\frac{1}{2}\arctan x+C \end{aligned}

(d) 아크탄젠트의 도함수는 알고 있고, 이것은 xx 의 부정적분과 곱해지면 깔끔하게 적분된다. 따라서 u=arctan⁡xu=\arctan x, dv=x dx\mathrm{d}v=x\,\mathrm{d}x 로 놓고 부분적분을 하면 du=11+x2dx\mathrm{d}u=\frac{1}{1+x^2}\mathrm{d}x, v=12x2v=\frac{1}{2} x^2 이다. 그러면

∫xarctan⁡x dx=12x2arctan⁡x−12∫x21+x2 dx=12x2arctan⁡x−12∫1+x2−11+x2 dx=12x2arctan⁡x−12∫(1−11+x2) dx=12[x2arctan⁡x−x+arctan⁡x]+C\begin{aligned} \int x\arctan x\,\mathrm{d}x&= \frac{1}{2} x^2\arctan x -\frac{1}{2}\int \frac{x^2}{1+x^2}\,\mathrm{d}x \\ &= \frac{1}{2} x^2\arctan x-\frac{1}{2}\int \frac{1+x^2-1}{1+x^2}\,\mathrm{d}x\\ &= \frac{1}{2} x^2\arctan x-\frac{1}{2}\int \left(1-\frac{1}{1+x^2}\right)\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{2}\big[ x^2\arctan x -x +\arctan x\big]+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) It doesn't matter to us right now that the arguments of sine and cosine are 2x2x rather than xx. This is still the integral of powers of products of sines and cosines. Since cosine has an odd power, we make the substitution u=sin⁡(2x)u=\sin (2x), du=2cos⁡(2x) dx\mathrm{d}u=2\cos(2 x)\,\mathrm{d}x.

∫0π4sin⁡2(2x)cos⁡3(2x) dx=∫0π4sin⁡2(2x)[1−sin⁡2(2x)]cos⁡(2x) dx=12∫01u2[1−u2] du=12∫01(u2−u4) du=12[13u3−15u5]01=115\begin{aligned} \int_0^{\pi\over 4}\sin^2(2x)\cos^3(2x)\ \mathrm{d}x &=\int_0^{\pi\over 4} \sin^2(2x)\big[1-\sin^2(2x)\big]\cos(2 x)\ \mathrm{d}x =\frac{1}{2}\int_0^1 u^2\big[1-u^2\big]\ \mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{2}\int_0^1\big(u^2-u^4\big)\ \mathrm{d}u =\frac{1}{2}{\Big[\frac{1}{3}u^3-\frac{1}{5}u^5\Big]}_0^1 =\frac{1}{15} \end{aligned}

(b) Make the substitution x=3tan⁡tx=3\tan t, dx=3sec⁡2t dt\mathrm{d}x=3\sec^2t\,\mathrm{d}t and use the trig identity 9+9tan⁡2t=9sec⁡2t9+9\tan^2 t = 9\sec^2 t.

∫(9+x2)−32 dx=∫(9+9tan⁡2t)−32 3sec⁡2t dt=∫(3sec⁡t)−3 3sec⁡2t dt=19∫cos⁡t dt=19sin⁡t+C=19xx2+9+C\begin{aligned} \int\big(9+x^2\big)^{-{3\over 2}}\ \mathrm{d}x &=\int\big(9+9\tan^2t\big)^{-{3\over 2}}\ 3\sec^2t\,\mathrm{d}t =\int\big(3\sec t\big)^{-3}\ 3\sec^2t\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{9}\int\cos t\ \mathrm{d}t =\frac{1}{9}\sin t+C =\frac{1}{9}\frac{x}{\sqrt{x^2+9}}+C \end{aligned}

To convert back to xx, in the last step, we used the triangle below, which is rigged to have tan⁡t=x3\tan t =\frac{x}{3}.

figure

(c) Seeing a rational function with no obvious substitutions, we use partial fractions.

1(x−1)(x2+1)=ax−1+bx+cx2+1=a(x2+1)+(bx+c)(x−1)(x−1)(x2+1)Multiply by the original denominator.1=a(x2+1)+(bx+c)(x−1)(∗)\begin{aligned} \frac{1}{(x-1)(x^2+1)} &=\frac{a}{x-1}+\frac{bx+c}{x^2+1} =\frac{a(x^2+1)+(bx+c)(x-1)}{(x-1)(x^2+1)} \\ \text{Multiply by the original denominator.} \\ 1&=a(x^2+1)+(bx+c)(x-1)\tag{$*$} \end{aligned}

Setting x=1x=1 gives 2a=12a=1 or a=12a=\tfrac{1}{2}. Substituting in a=12a=\tfrac{1}{2} in (∗)(*) gives

12(x2+1)+(bx+c)(x−1)=1  ⟺  (bx+c)(x−1)=12(1−x2)=−12(x−1)(x+1)  ⟺  (bx+c)=−12(x+1)  ⟺  b=c=−12\begin{aligned} &\frac{1}{2}(x^2+1)+(bx+c)(x-1)=1\\ \iff\qquad& (bx+c)(x-1)=\frac{1}{2}(1-x^2)=-\frac{1}{2}(x-1)(x+1)\\ \iff\qquad& (bx+c)=-\frac{1}{2}(x+1)\\ \iff\qquad& b=c=-\frac{1}{2}\\ \end{aligned}

So,

∫dx(x−1)(x2+1)=∫[1/2x−1−12(x+1)x2+1] dxTo antidifferentiate the second piece, we split it into two integrals: one that can be handled with the substitution u=x2+1, and another that looks like the derivative of arctangent.=∫(1/2x−1−x/2x2+1−1/2x2+1) dx=∫(1/2x−1−14⋅2xx2+1−1/2x2+1) dx=12log⁡∣x−1∣−14log⁡(x2+1)−12arctan⁡x+C\begin{aligned} \int\frac{\mathrm{d}x}{(x-1)(x^2+1)} &=\int\Big[\frac{1/2}{x-1}-\frac{\frac{1}{2}(x+1)}{x^2+1}\Big]\,\mathrm{d}x \\ \text{To antidifferentiate the second piece, we split it into two integrals: one that can be handled with the substitution $u=x^2+1$, and another that looks like the derivative of arctangent.} \\ &=\int\Big(\frac{1/2}{x-1}-\frac{x/2}{x^2+1} -\frac{1/2}{x^2+1}\Big)\,\mathrm{d}x\\ &=\int\Big(\frac{1/2}{x-1}-\frac{1}{4}\cdot\frac{2x}{x^2+1} -\frac{1/2}{x^2+1}\Big)\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{2}\log|x-1|-\frac{1}{4}\log(x^2+1)-\frac{1}{2}\arctan x+C \end{aligned}

(d) We know the derivative of arctangent, and it would integrate nicely if multiplied to the antiderivative of xx. So, we integrate by parts with u=arctan⁡xu=\arctan x and dv=x dx\mathrm{d}v=x\,\mathrm{d}x so that du=11+x2dx\mathrm{d}u=\frac{1}{1+x^2}\mathrm{d}x and v=12x2v=\frac{1}{2} x^2. Then

∫xarctan⁡x dx=12x2arctan⁡x−12∫x21+x2 dx=12x2arctan⁡x−12∫1+x2−11+x2 dx=12x2arctan⁡x−12∫(1−11+x2) dx=12[x2arctan⁡x−x+arctan⁡x]+C\begin{aligned} \int x\arctan x\,\mathrm{d}x&= \frac{1}{2} x^2\arctan x -\frac{1}{2}\int \frac{x^2}{1+x^2}\,\mathrm{d}x \\ &= \frac{1}{2} x^2\arctan x-\frac{1}{2}\int \frac{1+x^2-1}{1+x^2}\,\mathrm{d}x\\ &= \frac{1}{2} x^2\arctan x-\frac{1}{2}\int \left(1-\frac{1}{1+x^2}\right)\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{2}\big[ x^2\arctan x -x +\arctan x\big]+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 1.13절 · 17번우리말 번역

다음 적분의 값을 구하세요.

(a) ∫01arctan⁡x dx\displaystyle\int_0^1\arctan x\ \mathrm{d}x. (b) ∫2x−1x2−2x+5 dx\displaystyle\int\frac{2x-1}{x^2-2x+5}\ \mathrm{d}x.

다 풀었으면 정답 확인

(a) u=arctan⁡xu=\arctan x, dv=dx\mathrm{d}v=\mathrm{d}x, du=dx1+x2\mathrm{d}u=\frac{\mathrm{d}x}{1+x^2}, v=xv=x 로 놓고 부분적분하면 다음을 얻는다.

∫01arctan⁡x dx=[xarctan⁡x]01−∫01x1+x2dx=arctan⁡1−[12log⁡(1+x2)]01=π4−12log⁡2\begin{aligned} \int_0^1\arctan x\ \mathrm{d}x &= \big[x\arctan x\big]_0^1-\int_0^1 \frac{x}{1+x^2} \mathrm{d}x =\arctan 1-\Big[\frac{1}{2}\log(1+x^2)\Big]_0^1 =\frac{\pi}{4}-\frac{1}{2}\log 2 \end{aligned}

(b) 분모의 도함수는 2x−22x-2 이고, 이는 분자와 11 만큼만 차이가 난다.

∫2x−1x2−2x+5 dx=∫2x−2x2−2x+5 dx+∫1x2−2x+5 dx=∫2x−2x2−2x+5 dx+∫1(x−1)2+4 dx=log⁡∣x2−2x+5∣+12arctan⁡x−12+C\begin{aligned} \int\frac{2x-1}{x^2-2x+5}\ \mathrm{d}x &=\int\frac{2x-2}{x^2-2x+5}\ \mathrm{d}x+\int\frac{1}{x^2-2x+5}\ \mathrm{d}x \\ &=\int\frac{2x-2}{x^2-2x+5}\ \mathrm{d}x+\int\frac{1}{(x-1)^2+4}\ \mathrm{d}x \\ &=\log |x^2-2x+5| +\frac{1}{2}\arctan \frac{x-1}{2} +C \end{aligned}

마지막 단계에서는 부정적분을 짐작하여 구해도 되고, 각각 치환 u1=x2−2x+5u_1=x^2-2x+5 와 u2=(x−1)/2u_2=(x-1)/2 를 이용해도 된다.

이 문제로 이어서 풀기
# 적분 전략 고르기계산보통자동 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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