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 · 20번대학 수준우리말 번역

다음 적분의 값을 구하세요.

(a) ∫ex(ex+1)(ex−3) dx\displaystyle\int \frac{e^x}{(e^x+1)(e^x-3)}\, \mathrm{d}x (b) ∫24x2−4x+412+4x−x2 dx\displaystyle\int_2^4 \frac{x^2-4x+4}{\sqrt{12+4x-x^2}}\, \mathrm{d}x

영어 원문 보기

Evaluate the following integrals.

(a) ∫ex(ex+1)(ex−3) dx\displaystyle\int \frac{e^x}{(e^x+1)(e^x-3)}\, \mathrm{d}x (b) ∫24x2−4x+412+4x−x2 dx\displaystyle\int_2^4 \frac{x^2-4x+4}{\sqrt{12+4x-x^2}}\, \mathrm{d}x

정답·풀이 보기

(a) 피적분함수에 exe^x 대신 xx 가 들어 있다면 유리함수이므로 부분분수 분해를 적용하기에 알맞다. 그러므로 치환 u=exu=e^x, du=ex dx\mathrm{d}u=e^x\,\mathrm{d}x 로 시작하자:

∫ex(ex+1)(ex−3)dx=∫du(u+1)(u−3)\begin{aligned} \int \frac{e^x}{(e^x+1)(e^x-3)} \mathrm{d}x = \int \frac{\mathrm{d}u}{(u+1)(u-3)} \end{aligned}

이제 부분분수 분해 절차에 따라, 먼저 다음과 같이 나타낸다.

1(u+1)(u−3)=Au+1+Bu−3\begin{aligned} \frac{1}{(u+1)(u-3)} = \frac{A}{u+1} + \frac{B}{u-3} \end{aligned}

AA 와 BB 를 요령 있게 구하기 위해, 양변에 분모를 곱한다.

1=A(u−3)+B(u+1)\begin{aligned} 1 = A(u-3) + B(u+1) \end{aligned}

그리고 각각 u=−1u=-1 과 u=3u=3 을 대입하여 AA 와 BB 를 구한다.

1=A(−1−3)+B(−1+1)  ⟺  A=−141=A(3−3)+B(3+1)  ⟺  B=14\begin{aligned} 1 = A(-1-3) + B(-1+1) &\iff A=-\frac{1}{4} \\ 1 = A(3-3) + B(3+1) &\iff B=\frac{1}{4} \\ \end{aligned}

마지막으로 적분을 계산할 수 있다:

∫ex(ex+1)(ex−3)dx=∫du(u+1)(u−3)=∫(−1/4u+1+1/4u−3)du=−14log⁡∣u+1∣+14log⁡∣u−3∣+C=−14log⁡∣ex+1∣+14log⁡∣ex−3∣+C\begin{aligned} \int \frac{e^x}{(e^x+1)(e^x-3)} \mathrm{d}x &= \int \frac{\mathrm{d}u}{(u+1)(u-3)} = \int \Big(\frac{ -1/4}{u+1} + \frac{ 1/4}{u-3}\Big)\mathrm{d}u \\ &=-\frac{1}{4}\log|u+1| +\frac{1}{4}\log|u-3| + C \\ &=-\frac{1}{4}\log|e^x+1| +\frac{1}{4}\log|e^x-3| + C \end{aligned}

(b) 제곱근 안의 식은

12+4x−x2=12−(x−2)2+4=16−(x−2)2\begin{aligned} 12+4x-x^2 =12-(x-2)^2 +4 =16-(x-2)^2 \end{aligned}

이다. 음, 분자는 x2−4x+4=(x−2)2x^2-4x+4=(x-2)^2 이다. 그러므로 u=x−2u=x-2, du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x 로 치환하여 적분을 좀 더 간단한 꼴로 만들자. x=2x=2 일 때 u=0u=0 이고, x=4x=4 일 때 u=2u=2 이므로 다음을 얻는다:

∫x=2x=4x2−4x+412+4x−x2dx=∫u=0u=2u216−u2du\begin{aligned} \int_{x=2}^{x=4} \frac{x^2-4x+4}{\sqrt{12+4x-x^2}} \mathrm{d}x =\int_{u=0}^{u=2} \frac{u^2}{\sqrt{16-u^2}} \mathrm{d}u \end{aligned}

이것은 삼각치환 u=4sin⁡θu=4\sin\theta, du=4cos⁡(θ) dθ\mathrm{d}u = 4\cos(\theta)\,\mathrm{d}\theta 를 쓰기에 안성맞춤이다. u=0u=0 일 때 4sin⁡θ=04\sin\theta = 0 이므로 θ=0\theta=0 이다. u=2u=2 일 때 4sin⁡θ=24\sin\theta = 2 이므로 θ=π6\theta=\frac{\pi}{6} 이다. 따라서

∫u=0u=2u216−u2du=∫θ=0θ=π/616sin⁡2θ16−16sin⁡2θ4cos⁡θdθ=16∫0π/6sin⁡2θ dθ=8∫0π/6(1−cos⁡(2θ)) dθ=8[θ−12sin⁡(2θ)]0π/6=8[π6−12⋅32]=4π3−23\begin{aligned} \int_{u=0}^{u=2} \frac{u^2}{\sqrt{16-u^2}} \mathrm{d}u &=\int_{\theta=0}^{\theta=\pi/6} \frac{16\sin^2\theta}{\sqrt{16-16\sin^2\theta}} 4\cos\theta\mathrm{d}\theta \\ &=16\int_{0}^{\pi/6} \sin^2\theta\ \mathrm{d}\theta \\ &=8\int_{0}^{\pi/6} \big(1-\cos(2\theta)\big)\ \mathrm{d}\theta \\ &=8 \bigg[\theta-\frac{1}{2}\sin(2\theta)\bigg]_{0}^{\pi/6} =8 \bigg[\frac{\pi}{6}-\frac{1}{2}\cdot \frac{\sqrt{3}}{2} \bigg] \\ & = \frac{4\pi}{3}-2\sqrt{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) If the integrand had xx's instead of exe^x's it would be a rational function, ripe for the application of partial fractions. So let's start by making the substitution u=exu=e^x, du=ex dx\mathrm{d}u=e^x\,\mathrm{d}x:

∫ex(ex+1)(ex−3)dx=∫du(u+1)(u−3)\begin{aligned} \int \frac{e^x}{(e^x+1)(e^x-3)} \mathrm{d}x = \int \frac{\mathrm{d}u}{(u+1)(u-3)} \end{aligned}

Now, we follow the partial fractions protocol, starting with expressing

1(u+1)(u−3)=Au+1+Bu−3\begin{aligned} \frac{1}{(u+1)(u-3)} = \frac{A}{u+1} + \frac{B}{u-3} \end{aligned}

To find AA and BB, the sneaky way, we cross multiply by the denominator

1=A(u−3)+B(u+1)\begin{aligned} 1 = A(u-3) + B(u+1) \end{aligned}

and find AA and BB by evaluating at u=−1u=-1 and u=3u=3, respectively.

1=A(−1−3)+B(−1+1)  ⟺  A=−141=A(3−3)+B(3+1)  ⟺  B=14\begin{aligned} 1 = A(-1-3) + B(-1+1) &\iff A=-\frac{1}{4} \\ 1 = A(3-3) + B(3+1) &\iff B=\frac{1}{4} \\ \end{aligned}

Finally, we can do the integral:

∫ex(ex+1)(ex−3)dx=∫du(u+1)(u−3)=∫(−1/4u+1+1/4u−3)du=−14log⁡∣u+1∣+14log⁡∣u−3∣+C=−14log⁡∣ex+1∣+14log⁡∣ex−3∣+C\begin{aligned} \int \frac{e^x}{(e^x+1)(e^x-3)} \mathrm{d}x &= \int \frac{\mathrm{d}u}{(u+1)(u-3)} = \int \Big(\frac{ -1/4}{u+1} + \frac{ 1/4}{u-3}\Big)\mathrm{d}u \\ &=-\frac{1}{4}\log|u+1| +\frac{1}{4}\log|u-3| + C \\ &=-\frac{1}{4}\log|e^x+1| +\frac{1}{4}\log|e^x-3| + C \end{aligned}

(b) The argument of the square root is

12+4x−x2=12−(x−2)2+4=16−(x−2)2\begin{aligned} 12+4x-x^2 =12-(x-2)^2 +4 =16-(x-2)^2 \end{aligned}

Hmmm. The numerator is x2−4x+4=(x−2)2x^2-4x+4=(x-2)^2. So let's make the integral look somewhat simpler by substituting u=x−2u=x-2, du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x. When x=2x=2 we have u=0u=0, and when x=4x=4 we have u=2u=2, so:

∫x=2x=4x2−4x+412+4x−x2dx=∫u=0u=2u216−u2du\begin{aligned} \int_{x=2}^{x=4} \frac{x^2-4x+4}{\sqrt{12+4x-x^2}} \mathrm{d}x =\int_{u=0}^{u=2} \frac{u^2}{\sqrt{16-u^2}} \mathrm{d}u \end{aligned}

This is perfect for the trig substitution u=4sin⁡θu=4\sin\theta, du=4cos⁡(θ) dθ\mathrm{d}u = 4\cos(\theta)\,\mathrm{d}\theta. When u=0u=0 we have 4sin⁡θ=04\sin\theta = 0 and hence θ=0\theta=0. When u=2u=2 we have 4sin⁡θ=24\sin\theta = 2 and hence θ=π6\theta=\frac{\pi}{6}. So

∫u=0u=2u216−u2du=∫θ=0θ=π/616sin⁡2θ16−16sin⁡2θ4cos⁡θdθ=16∫0π/6sin⁡2θ dθ=8∫0π/6(1−cos⁡(2θ)) dθ=8[θ−12sin⁡(2θ)]0π/6=8[π6−12⋅32]=4π3−23\begin{aligned} \int_{u=0}^{u=2} \frac{u^2}{\sqrt{16-u^2}} \mathrm{d}u &=\int_{\theta=0}^{\theta=\pi/6} \frac{16\sin^2\theta}{\sqrt{16-16\sin^2\theta}} 4\cos\theta\mathrm{d}\theta \\ &=16\int_{0}^{\pi/6} \sin^2\theta\ \mathrm{d}\theta \\ &=8\int_{0}^{\pi/6} \big(1-\cos(2\theta)\big)\ \mathrm{d}\theta \\ &=8 \bigg[\theta-\frac{1}{2}\sin(2\theta)\bigg]_{0}^{\pi/6} =8 \bigg[\frac{\pi}{6}-\frac{1}{2}\cdot \frac{\sqrt{3}}{2} \bigg] \\ & = \frac{4\pi}{3}-2\sqrt{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 1.13절 · 21번우리말 번역

다음 적분의 값을 구하세요.

(a) ∫sin⁡3xcos⁡3x dx\displaystyle\int\frac{\sin^3x}{\cos^3x} \ \mathrm{d}x (b) ∫−22x4x10+16 dx\displaystyle\int_{-2}^{2}\frac{x^4}{x^{10}+16}\ \mathrm{d}x

다 풀었으면 정답 확인

(a) y=cos⁡xy=\cos x, dy=−sin⁡x dx\mathrm{d}y=-\sin x\,\mathrm{d}x, sin⁡2x=1−cos⁡2x=1−y2\sin^2 x = 1-\cos^2x=1-y^2 으로 치환하면

∫sin⁡3xcos⁡3x dx=∫sin⁡2xcos⁡3x sin⁡x dx=∫1−y2y3 (−dy)=−∫(y−3−y−1) dy=−y−2−2+log⁡∣y∣+C=12sec⁡2x+log⁡∣cos⁡x∣+C\begin{aligned} \int \frac{\sin^3x}{\cos^3x}\ \mathrm{d}x &=\int \frac{\sin^2 x}{\cos^3 x}\ \sin x\,\mathrm{d}x =\int \frac{1-y^2}{y^3}\ (-\mathrm{d}y) =-\int \big( y^{-3}-y^{-1}\big)\ \mathrm{d}y\\ &=-\frac{y^{-2}}{-2}+\log|y|+C =\frac{1}{2}\sec^2 x+\log|\cos x|+C \end{aligned}

(b) 피적분함수는 우함수이고 적분 구간은 원점에 대해 대칭이다. 따라서 아래끝을 0으로 바꾸고 적분값을 2배 하면 적분을 조금 간단히 할 수 있다.

여기서는 부분분수를 쓰지 않는 편이 좋다. 상당히 복잡해지기 때문이다. 대신 분자가 x5x^5 의 도함수와 상수배만큼만 다르다는 점에 주목한다. x5=4yx^5=4y, 5x4 dx=4 dy5x^4\,\mathrm{d}x=4\,\mathrm{d}y 로 치환하고, x=2  ⟹  25=4y  ⟹  y=8x=2\implies 2^5=4y\implies y=8 임을 이용하면

∫−22x4x10+16 dx=2∫02x4x10+16 dx=2⋅45∫08116y2+16 dy=110∫081y2+1 dy=110arctan⁡8≈0.1446\begin{aligned} \int_{-2}^{2}\frac{x^4}{x^{10}+16}\ \mathrm{d}x &=2\int_0^{2}\frac{x^4}{x^{10}+16}\ \mathrm{d}x =2\cdot\frac{4}{5}\int_0^{8}\frac{1}{16y^2+16}\ \mathrm{d}y =\frac{1}{10}\int_0^{8}\frac{1}{y^2+1}\ \mathrm{d}y \\ &= \frac{1}{10}\arctan 8\approx 0.1446 \end{aligned}

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# 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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