문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

부분적분법

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

CLP-2 · 1.7절 · 25번우리말 번역

점화식.

(a) 다음 점화식을 유도하세요. ∫sin⁡n(x) dx=−sin⁡n−1(x)cos⁡(x)n+n−1n∫sin⁡n−2(x) dx.\int\sin^n(x)\,\mathrm{d}x=-\frac{\sin^{n-1}(x)\cos(x)}{n} +\frac{n-1}{n}\int\sin^{n-2}(x)\,\mathrm{d}x. (b) ∫0π/2sin⁡8(x) dx\displaystyle\int_0^{\pi/2}\sin^8(x)\,\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

A reduction formula.

(a) Derive the reduction formula ∫sin⁡n(x) dx=−sin⁡n−1(x)cos⁡(x)n+n−1n∫sin⁡n−2(x) dx.\int\sin^n(x)\,\mathrm{d}x=-\frac{\sin^{n-1}(x)\cos(x)}{n} +\frac{n-1}{n}\int\sin^{n-2}(x)\,\mathrm{d}x. (b) Calculate ∫0π/2sin⁡8(x) dx\displaystyle\int_0^{\pi/2}\sin^8(x)\,\mathrm{d}x.

정답·풀이 보기

(a) 피적분함수의 "부분"은 사인의 거듭제곱이다. 점화식의 우변을 보면, 정확히 같지는 않지만 sin⁡n−1x\sin^{n-1}x 의 도함수와 조금 비슷해 보인다. 그래서 u=sin⁡n−1xu=\sin^{n-1}x, dv=sin⁡x dx\mathrm{d}v=\sin x\,\mathrm{d}x 로 놓고 부분적분하면 du=(n−1)sin⁡n−2xcos⁡x\mathrm{d}u=(n-1)\sin^{n-2}x\cos x 이고 v=−cos⁡xv=-\cos x 이다.

∫sin⁡nx dx=−sin⁡n−1x cos⁡x⏟uv+(n−1)∫cos⁡2x sin⁡n−2x dx⏟−∫vdu항등식 sin⁡2x+cos⁡2x=1 을 이용하면,=−sin⁡n−1x cos⁡x+(n−1)∫(1−sin⁡2x)sin⁡n−2x dx=−sin⁡n−1x cos⁡x+(n−1)∫sin⁡n−2x dx−(n−1)∫sin⁡nx dx\begin{aligned} \int\sin^nx\,\mathrm{d}x &=\underbrace{-\sin^{n-1}x\ \cos x}_{uv}+\underbrace{(n-1)\int \cos^2x\ \sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x}_{-\int v\mathrm{d}u} \\ \text{항등식 $\sin^2 x + \cos^2 x =1 $ 을 이용하면,} \\ &=-\sin^{n-1}x\ \cos x+(n-1)\int (1-\sin^2 x)\sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x\\ &=-\sin^{n-1}x\ \cos x+(n-1)\int\sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x -(n-1)\int\sin^{n}x\ \mathrm{d}x \end{aligned}

우변의 마지막 항을 좌변으로 옮기면

n∫sin⁡nx dx=−sin⁡n−1x cos⁡x+(n−1)∫sin⁡n−2x dx\begin{aligned} n\int\sin^nx\,\mathrm{d}x &=-\sin^{n-1}x\ \cos x+(n-1)\int\sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x \end{aligned}

양변을 nn 으로 나누면 구하려던 점화식이 얻어진다.

(b) (a)의 점화식에 의해 n≥2n \ge 2 이면

∫0π/2sin⁡n(x) dx=n−1n∫0π/2sin⁡n−2(x) dx\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\sin^n(x)\,\mathrm{d}x= \frac{n-1}{n}\int_0^{\pi/2}\sin^{n-2}(x)\,\mathrm{d}x \end{aligned}

이다. 이는 sin⁡0=cos⁡π2=0\sin 0=\cos\frac{\pi}{2}=0 이기 때문이다. n=8,6,4,2n=8,6,4,2 에 대해 이 점화식을 적용하면:

∫0π/2sin⁡8(x) dx=78∫0π/2sin⁡6(x) dx=78⋅56∫0π/2sin⁡4(x) dx=78⋅56⋅34∫0π/2sin⁡2(x) dx=78⋅56⋅34⋅12∫0π/2 dx=78⋅56⋅34⋅12⋅π2=35256π\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\sin^8(x)\,\mathrm{d}x &=\frac{7}{8}\int_0^{\pi/2}\sin^6(x)\,\mathrm{d}x =\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\int_0^{\pi/2}\sin^4(x)\,\mathrm{d}x =\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\cdot\frac{3}{4}\int_0^{\pi/2}\sin^2(x)\,\mathrm{d}x \\ &=\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\cdot\frac{3}{4}\cdot\frac{1}{2}\int_0^{\pi/2}\,\mathrm{d}x =\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\cdot\frac{3}{4}\cdot\frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{2} =\frac{35}{256}\pi \end{aligned}

계산기를 사용하면 이 값은 약 0.42950.4295 임을 알 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The “parts" in the integrand are powers of sine. Looking at the right hand side of the reduction formula, we see that it looks a little like the derivative of sin⁡n−1x\sin^{n-1}x, although not exactly. So, let's integrate by parts with u=sin⁡n−1xu=\sin^{n-1}x and dv=sin⁡x dx\mathrm{d}v=\sin x\,\mathrm{d}x, so that du=(n−1)sin⁡n−2xcos⁡x\mathrm{d}u=(n-1)\sin^{n-2}x\cos x and v=−cos⁡xv=-\cos x.

∫sin⁡nx dx=−sin⁡n−1x cos⁡x⏟uv+(n−1)∫cos⁡2x sin⁡n−2x dx⏟−∫vduUsing the identity sin⁡2x+cos⁡2x=1,=−sin⁡n−1x cos⁡x+(n−1)∫(1−sin⁡2x)sin⁡n−2x dx=−sin⁡n−1x cos⁡x+(n−1)∫sin⁡n−2x dx−(n−1)∫sin⁡nx dx\begin{aligned} \int\sin^nx\,\mathrm{d}x &=\underbrace{-\sin^{n-1}x\ \cos x}_{uv}+\underbrace{(n-1)\int \cos^2x\ \sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x}_{-\int v\mathrm{d}u} \\ \text{Using the identity $\sin^2 x + \cos^2 x =1 $,} \\ &=-\sin^{n-1}x\ \cos x+(n-1)\int (1-\sin^2 x)\sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x\\ &=-\sin^{n-1}x\ \cos x+(n-1)\int\sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x -(n-1)\int\sin^{n}x\ \mathrm{d}x \end{aligned}

Moving the last term on the right hand side to the left hand side gives

n∫sin⁡nx dx=−sin⁡n−1x cos⁡x+(n−1)∫sin⁡n−2x dx\begin{aligned} n\int\sin^nx\,\mathrm{d}x &=-\sin^{n-1}x\ \cos x+(n-1)\int\sin^{n-2}x\ \mathrm{d}x \end{aligned}

Dividing across by nn gives the desired reduction formula.

(b) By the reduction formula of part (a), if n≥2n \ge 2,

∫0π/2sin⁡n(x) dx=n−1n∫0π/2sin⁡n−2(x) dx\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\sin^n(x)\,\mathrm{d}x= \frac{n-1}{n}\int_0^{\pi/2}\sin^{n-2}(x)\,\mathrm{d}x \end{aligned}

since sin⁡0=cos⁡π2=0\sin 0=\cos\frac{\pi}{2}=0. Applying this reduction formula, with n=8,6,4,2n=8,6,4,2:

∫0π/2sin⁡8(x) dx=78∫0π/2sin⁡6(x) dx=78⋅56∫0π/2sin⁡4(x) dx=78⋅56⋅34∫0π/2sin⁡2(x) dx=78⋅56⋅34⋅12∫0π/2 dx=78⋅56⋅34⋅12⋅π2=35256π\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\sin^8(x)\,\mathrm{d}x &=\frac{7}{8}\int_0^{\pi/2}\sin^6(x)\,\mathrm{d}x =\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\int_0^{\pi/2}\sin^4(x)\,\mathrm{d}x =\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\cdot\frac{3}{4}\int_0^{\pi/2}\sin^2(x)\,\mathrm{d}x \\ &=\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\cdot\frac{3}{4}\cdot\frac{1}{2}\int_0^{\pi/2}\,\mathrm{d}x =\frac{7}{8}\cdot\frac{5}{6}\cdot\frac{3}{4}\cdot\frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{2} =\frac{35}{256}\pi \end{aligned}

Using a calculator, we see this is approximately 0.42950.4295.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 1.7절 · 24번우리말 번역

∫xe−x(1−x)2dx\displaystyle\int \frac{x e^{-x}}{(1-x)^2}\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

피적분함수가 여러 함수의 곱으로 이루어져 있고, 뚜렷한 치환도 보이지 않는다. 그래서 부분적분을 생각한다. 1(1−x)2\frac{1}{(1-x)^2} 의 부정적분은 알고 있는데, ddx11−x=1(1−x)2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\frac{1}{1-x}=\frac{1}{(1-x)^2} 임을 알고 있기 때문이다. 그러므로 dv=dx(1−x)2\mathrm{d}v = \frac{\mathrm{d}x}{(1-x)^2} 과 u=xe−xu=xe^{-x} 로 놓아 보자. 그러면 v=11−xv=\frac{1}{1-x} 이고 du=(1−x)e−x dx\mathrm{d}u = (1-x)e^{-x}\,\mathrm{d}x 이다. 따라서 부분적분에 의해

∫xe−x⏟udx(1−x)2⏟dv=xe−x1−x⏟uv−∫11−x⏟v(1−x)e−x dx⏟du=xe−x1−x−∫e−x dx=xe−x1−x+e−x+C=e−x1−x+C\begin{aligned} \int\underbrace{xe^{-x}}_{u}\underbrace{ \frac{\mathrm{d}x}{(1-x)^2}}_{\mathrm{d}v} &= \underbrace{\frac{xe^{-x}}{1-x}}_{uv} -\int\underbrace{\frac{1}{1-x}}_{v}\underbrace{(1-x)e^{-x}\,\mathrm{d}x}_{\mathrm{d}u} \\ &=\frac{xe^{-x}}{1-x} -\int e^{-x}\,\mathrm{d}x \\ &=\frac{xe^{-x}}{1-x} + e^{-x} + C =\frac{e^{-x}}{1-x} + C \end{aligned}

이 문제로 이어서 풀기
# 부분적분법계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

「부분적분법」 문제 목록으로