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 · 34번대학 수준우리말 번역

(근거를 들어) 값을 구하세요.

(a) ∫03(x+1)9−x2 dx\displaystyle\int_0^3(x+1)\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x (b) ∫4x+8(x−2)(x2+4) dx\displaystyle\int\frac{4x+8}{(x-2)(x^2+4)}\ \mathrm{d}x (c) ∫−∞+∞1ex+e−x dx\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} \frac{1}{e^x+e^{-x}}\ \mathrm{d}x

영어 원문 보기

Evaluate (with justification).

(a) ∫03(x+1)9−x2 dx\displaystyle\int_0^3(x+1)\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x (b) ∫4x+8(x−2)(x2+4) dx\displaystyle\int\frac{4x+8}{(x-2)(x^2+4)}\ \mathrm{d}x (c) ∫−∞+∞1ex+e−x dx\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} \frac{1}{e^x+e^{-x}}\ \mathrm{d}x

정답·풀이 보기

(a) 피적분함수를 전개하면 그중 한 부분은 매우 익숙한 원의 일부이다. 따라서 주어진 적분을 둘로 나눈다.

∫03(x+1)9−x2 dx=∫039−x2 dx+∫03x9−x2 dx\int_0^3(x+1)\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x = \int_0^3\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x +\int_0^3x\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x

첫째 항은 0≤x≤30\le x\le 3 에서 xx축의 위쪽, 곡선 y=9−x2y=\sqrt{9-x^2}, 즉 x2+y2=9x^2+y^2=9 의 아래쪽에 있는 부분의 넓이를 나타낸다. 이것은 반지름이 33 인 원의 사분원 하나의 넓이이다. 따라서

∫039−x2 dx=14(π⋅32)=94π\int_0^3\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x =\frac{1}{4}(\pi \cdot 3^2) = \frac{9}{4}\pi

둘째 항은 u=9−x2u=9-x^2, du=−2x dx\mathrm{d}u= -2x\,\mathrm{d}x 로 치환한다. u(0)=9u(0)=9 이고 u(3)=0u(3)=0 임에 주목한다. 따라서

∫03x9−x2 dx=∫90u du−2=−12[u3/23/2]90=−12[−273/2]=9\begin{aligned} \int_0^3x\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x = \int_9^0\sqrt{u} \ \frac{\mathrm{d}u}{-2} =-\frac{1}{2}\left[\frac{u^{3/2}}{3/2}\right]_9^0 =-\frac{1}{2}\left[-\frac{27}{3/2}\right] =9 \end{aligned}

모두 합하면

∫03(x+1)9−x2 dx=94π+9\int_0^3(x+1)\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x = \frac{9}{4}\pi + 9

이다.

(b) 피적분함수는 N(x)/D(x)N(x)/D(x) 꼴이며 D(x)D(x) 는 이미 인수분해되어 있고 N(x)N(x) 의 차수가 더 낮다. 곧바로 부분분수 분해를 찾는다.

4x+8(x−2)(x2+4)=Ax−2+Bx+Cx2+4.\frac{4x+8}{(x-2)(x^2+4)} = \frac{A}{x-2} + \frac{Bx+C}{x^2+4}.

양변에 분모를 곱하면

4x+8=A(x2+4)+(Bx+C)(x−2)(∗)\begin{aligned} 4x+8 &= A(x^2+4) + (Bx+C)(x-2) \tag{$*$} \end{aligned}

이다. x=2x=2 를 대입하면 다음을 얻는다.

8+8=A(4+4)+0  ⟹  16=8A  ⟹  A=2\begin{aligned} 8 +8 = A(4 + 4) + 0 \implies 16 =8A \implies A = 2 \end{aligned}

(∗)(*) 에 A=2A=2 를 대입하면

4x+8=A(x2+4)+(Bx+C)(x−2)  ⟹  −2x2+4x=(x−2)(Bx+C)  ⟹  (−2x)(x−2)=(Bx+C)(x−2)  ⟹  B=−2, C=0\begin{aligned} &&4x+8 &= A(x^2+4) + (Bx+C)(x-2) \\ &\implies & -2x^2+4 x &=(x-2)(Bx + C) \\ &\implies\qquad & (-2x)(x-2)&=(Bx + C)(x-2) \\ & \implies& B& =-2,~C=0 \end{aligned}

이다. 따라서 A=2A=2, B=−2B=-2, C=0C=0 임을 알았다. 그러므로

∫4x+8(x−2)(x2+4) dx=∫(red2x−2red−red2xx2+4) dx=2log⁡∣x−2∣−log⁡(x2+4)+C\begin{aligned} \int\frac{4x+8}{(x-2)(x^2+4)}\ \mathrm{d}x &= \int \bigg( \frac{{red}2}{x-2} {red}- \frac{{red}2x}{x^2+4} \bigg) \,\mathrm{d}x \\ &= 2 \log |x-2| - \log (x^2 + 4) + C \end{aligned}

이다. 여기서 둘째 적분은 부정적분을 짐작하는 것만으로 구했다. 다른 방법으로, u=x2+4u=x^2+4, du=2x dx\mathrm{d}u=2x\,\mathrm{d}x 로 치환할 수도 있다.

(c) 주어진 적분은 이상적분이지만, 그것은 적분의 위끝과 아래끝이 무한대이기 때문일 뿐이다. (피적분함수는 모든 실수에서 연속이다.) 따라서 극한을 두 번 취해야 한다. 그에 앞서 먼저 부정적분을 구하자. u=exu=e^x, du=ex dx\mathrm{d}u=e^x~\mathrm{d}x 로 치환하려 한다. 즉 1u du=dx\frac{1}{u}~\mathrm{d}u = \mathrm{d}x 이다.

∫1ex+e−x dx=∫1u(u+1u) du=∫1u2+1=arctan⁡u+C=arctan⁡(ex)+C이제 적분의 위끝과 아래끝을 다룰 수 있다.∫−∞∞1ex+e−x dx=∫−∞01ex+e−x dx+∫0∞1ex+e−x dx=lim⁡a→−∞[∫a01ex+e−x dx]+lim⁡b→∞[∫0b1ex+e−x dx]=lim⁡a→−∞[arctan⁡(ex)]a0+lim⁡b→∞[arctan⁡(ex)]0b=lim⁡a→−∞[arctan⁡(e0)−arctan⁡(ea)]+lim⁡b→∞[arctan⁡(eb)−arctan⁡(e0)]=lim⁡a→−∞[−arctan⁡(ea)]+lim⁡b→∞[arctan⁡(eb)]=−arctan⁡(0)+π2=π2\begin{aligned} \int \frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x&=\int \frac{1}{u(u+\frac{1}{u})}~\mathrm{d}u = \int\frac{1}{u^2+1} = \arctan u+C \\&=\arctan(e^x)+C \\ \text{이제 적분의 위끝과 아래끝을 다룰 수 있다.} \\ \int _{ -\infty}^\infty\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x&= \int _{ -\infty}^0\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x+ \int _{ 0}^\infty\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x\\&= \lim_{a \to -\infty}\left[\int_{a}^0\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x\right]+ \lim_{b \to \infty}\left[\int_{ 0}^b\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x\right]\\&= \lim_{a \to -\infty}\big[\arctan(e^x)\big]_a^0+ \lim_{b \to \infty}\big[\arctan(e^x)\big]_0^b\\&= \lim_{a \to -\infty}\big[\arctan(e^0)-\arctan(e^a)\big]+ \lim_{b \to \infty}\big[\arctan(e^b)-\arctan(e^0)\big]\\&= \lim_{a \to -\infty}\big[-\arctan(e^a)\big]+ \lim_{b \to \infty}\big[\arctan(e^b)\big]\\ &=-\arctan(0)+\frac{\pi}{2} = \frac{\pi}{2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) If we expand the integrand, one part of it is quite familiar–a portion of a circle. So, we split the specified integral in two.

∫03(x+1)9−x2 dx=∫039−x2 dx+∫03x9−x2 dx\int_0^3(x+1)\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x = \int_0^3\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x +\int_0^3x\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x

The first piece represents the area above the xx–axis and below the curve y=9−x2y=\sqrt{9-x^2}, i.e. x2+y2=9x^2+y^2=9, with 0≤x≤30\le x\le 3. That's the area of one quadrant of a disk of radius 33. So

∫039−x2 dx=14(π⋅32)=94π\int_0^3\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x =\frac{1}{4}(\pi \cdot 3^2) = \frac{9}{4}\pi

For the second part, we substitute u=9−x2u=9-x^2, du=−2x dx\mathrm{d}u= -2x\,\mathrm{d}x. Note u(0)=9u(0)=9 and u(3)=0u(3)=0. So,

∫03x9−x2 dx=∫90u du−2=−12[u3/23/2]90=−12[−273/2]=9\begin{aligned} \int_0^3x\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x = \int_9^0\sqrt{u} \ \frac{\mathrm{d}u}{-2} =-\frac{1}{2}\left[\frac{u^{3/2}}{3/2}\right]_9^0 =-\frac{1}{2}\left[-\frac{27}{3/2}\right] =9 \end{aligned}

All together,

∫03(x+1)9−x2 dx=94π+9\int_0^3(x+1)\sqrt{9-x^2} \ \mathrm{d}x = \frac{9}{4}\pi + 9

(b) The integrand is of the form N(x)/D(x)N(x)/D(x) with D(x)D(x) already factored and N(x)N(x) of lower degree. We immediately look for a partial fractions decomposition:

4x+8(x−2)(x2+4)=Ax−2+Bx+Cx2+4.\frac{4x+8}{(x-2)(x^2+4)} = \frac{A}{x-2} + \frac{Bx+C}{x^2+4}.

Multiplying through by the denominator yields

4x+8=A(x2+4)+(Bx+C)(x−2)(∗)\begin{aligned} 4x+8 &= A(x^2+4) + (Bx+C)(x-2) \tag{$*$} \end{aligned}

Setting x=2x=2 we find:

8+8=A(4+4)+0  ⟹  16=8A  ⟹  A=2\begin{aligned} 8 +8 = A(4 + 4) + 0 \implies 16 =8A \implies A = 2 \end{aligned}

Substituting A=2A=2 in (∗)(*) gives

4x+8=A(x2+4)+(Bx+C)(x−2)  ⟹  −2x2+4x=(x−2)(Bx+C)  ⟹  (−2x)(x−2)=(Bx+C)(x−2)  ⟹  B=−2, C=0\begin{aligned} &&4x+8 &= A(x^2+4) + (Bx+C)(x-2) \\ &\implies & -2x^2+4 x &=(x-2)(Bx + C) \\ &\implies\qquad & (-2x)(x-2)&=(Bx + C)(x-2) \\ & \implies& B& =-2,~C=0 \end{aligned}

So we have found that A=2A=2, B=−2B=-2, and C=0C=0. Therefore

∫4x+8(x−2)(x2+4) dx=∫(red2x−2red−red2xx2+4) dx=2log⁡∣x−2∣−log⁡(x2+4)+C\begin{aligned} \int\frac{4x+8}{(x-2)(x^2+4)}\ \mathrm{d}x &= \int \bigg( \frac{{red}2}{x-2} {red}- \frac{{red}2x}{x^2+4} \bigg) \,\mathrm{d}x \\ &= 2 \log |x-2| - \log (x^2 + 4) + C \end{aligned}

Here the second integral was found just by guessing an antiderivative. Alternatively, one could use the substitution u=x2+4u=x^2+4, du=2x dx\mathrm{d}u=2x\,\mathrm{d}x.

(c) The given integral is improper, but only because of its infinite limits of integration. (The integrand is continuous for all real numbers.) So, we'll have to take two limits. Before we do that, though, let's find the antiderivative. We would like to use the substitution u=exu=e^x, du=ex dx\mathrm{d}u=e^x~\mathrm{d}x. That is, 1u du=dx\frac{1}{u}~\mathrm{d}u = \mathrm{d}x.

∫1ex+e−x dx=∫1u(u+1u) du=∫1u2+1=arctan⁡u+C=arctan⁡(ex)+CNow we can deal with the limits of integration.∫−∞∞1ex+e−x dx=∫−∞01ex+e−x dx+∫0∞1ex+e−x dx=lim⁡a→−∞[∫a01ex+e−x dx]+lim⁡b→∞[∫0b1ex+e−x dx]=lim⁡a→−∞[arctan⁡(ex)]a0+lim⁡b→∞[arctan⁡(ex)]0b=lim⁡a→−∞[arctan⁡(e0)−arctan⁡(ea)]+lim⁡b→∞[arctan⁡(eb)−arctan⁡(e0)]=lim⁡a→−∞[−arctan⁡(ea)]+lim⁡b→∞[arctan⁡(eb)]=−arctan⁡(0)+π2=π2\begin{aligned} \int \frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x&=\int \frac{1}{u(u+\frac{1}{u})}~\mathrm{d}u = \int\frac{1}{u^2+1} = \arctan u+C \\&=\arctan(e^x)+C \\ \text{Now we can deal with the limits of integration.} \\ \int _{ -\infty}^\infty\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x&= \int _{ -\infty}^0\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x+ \int _{ 0}^\infty\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x\\&= \lim_{a \to -\infty}\left[\int_{a}^0\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x\right]+ \lim_{b \to \infty}\left[\int_{ 0}^b\frac{1}{e^x+e^{-x}}~\mathrm{d}x\right]\\&= \lim_{a \to -\infty}\big[\arctan(e^x)\big]_a^0+ \lim_{b \to \infty}\big[\arctan(e^x)\big]_0^b\\&= \lim_{a \to -\infty}\big[\arctan(e^0)-\arctan(e^a)\big]+ \lim_{b \to \infty}\big[\arctan(e^b)-\arctan(e^0)\big]\\&= \lim_{a \to -\infty}\big[-\arctan(e^a)\big]+ \lim_{b \to \infty}\big[\arctan(e^b)\big]\\ &=-\arctan(0)+\frac{\pi}{2} = \frac{\pi}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 2권 · 3.5절 · 4번우리말 번역

적분표를 이용하여 다음 적분의 값을 구하세요.

∫1x2+6xdx\int \frac{1}{\sqrt{{x}^{2}+6x}}dx

다 풀었으면 정답 확인

cosh⁡−1(x+33)+C{\cosh }^{-1}\left(\frac{x+3}{3}\right)+C

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# 적분 전략 고르기계산도전자동 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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