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삼각치환

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

CLP-2 · 1.9절 · 1번대학 수준우리말 번역

다음 각 적분에 대해, 적분의 값을 구하는 데 가장 유리한 치환을 고르세요.

(a) ∫2x29x2−16 dx\displaystyle \int \frac{2x^2}{\sqrt{9x^2-16}} \, \mathrm{d}x (b) ∫x4−31−4x2 dx\displaystyle \int \frac{x^4-3}{\sqrt{1-4x^2}} \, \mathrm{d}x (c) ∫(25+x2)−5/2 dx\displaystyle \int {(25+x^2)}^{-5/2} \, \mathrm{d}x

영어 원문 보기

For each of the following integrals, choose the substitution that is most beneficial for evaluating the integral.

(a) ∫2x29x2−16 dx\displaystyle \int \frac{2x^2}{\sqrt{9x^2-16}} \, \mathrm{d}x (b) ∫x4−31−4x2 dx\displaystyle \int \frac{x^4-3}{\sqrt{1-4x^2}} \, \mathrm{d}x (c) ∫(25+x2)−5/2 dx\displaystyle \int {(25+x^2)}^{-5/2} \, \mathrm{d}x

정답·풀이 보기

교재에는 알맞은 치환을 고르는 방법을 정리한 표가 있지만, 이 문제에서는 치환을 고르는 논리를 설명한다.

사용할 수 있는 삼각함수 항등식은 다음과 같다.

1−sin⁡2θ=cos⁡2θtan⁡2θ+1=sec⁡2θsec⁡2θ−1=tan⁡2θ각각 다음과 같은 꼴이다:상수 − 함수함수 + 상수함수 − 상수\begin{aligned} &1-\sin^2\theta=\cos^2\theta & &\tan^2 \theta +1 = \sec^2 \theta & &\sec^2 \theta - 1 =\tan^2 \theta \\ \text{각각 다음과 같은 꼴이다:} \\ &\text{상수 } - \text{ 함수} &&\text{함수 } + \text{ 상수} & &\text{함수 } - \text{ 상수} \end{aligned}

제곱근을 없애려면, 제곱근 안의 식과 같은 꼴의 삼각함수 항등식이 나오도록 치환을 선택해야 한다.

(a) 이 문제에는 삼각함수를 쓰지 않는 뚜렷한 치환이 없으므로, 분모의 제곱근을 없애기 위해 삼각치환을 사용한다. 제곱근 안은 함수 9x2−169x^2-16 이고, 이는 (함수) −- (상수) 꼴이다. 이 꼴은 삼각함수 항등식 sec⁡2θ−1=tan⁡2θ\sec^2 \theta - 1 = \tan^2 \theta 와 맞는다. xx 는 필요한 대로 정할 수 있지만, 상수 16 은 같은 방식으로 조절할 수 없다. 그래서 치환이 성립하도록 항등식을 다른 꼴로 바꾸어 양변에 16 을 곱하면 다음과 같다.

 16sec⁡2θ−16=16tan⁡2θ우리가 원하는 것은 다음이 되게 하는 치환이다.9x2−16=16sec⁡2θ−16따라서,9x2=16sec⁡2θx=43sec⁡θ이 치환을 사용하면,9x2−16=16sec⁡2θ−16=16tan⁡2θ=4∣tan⁡θ∣\begin{aligned} ~16\sec^2\theta - 16 &= 16\tan^2\theta \\ \text{우리가 원하는 것은 다음이 되게 하는 치환이다.} \\ 9x^2-16&=16\sec^2\theta - 16\\ \text{따라서,}\qquad 9x^2&=16\sec^2\theta\\ x &= \frac{4}{3}\sec\theta \\ \text{이 치환을 사용하면,} \\ \sqrt{9x^2-16}&=\sqrt{16\sec^2\theta-16}\\ &=\sqrt{16\tan^2\theta}\\ &=4|\tan\theta| \end{aligned}

따라서 제곱근이 없어졌다.

(b) 이 문제에는 삼각함수를 쓰지 않는 뚜렷한 치환이 없으므로, 분모의 제곱근을 없애기 위해 삼각치환을 사용한다. 제곱근 안은 함수 1−4x21-4x^2 이고, 이는 (상수) −- (함수) 꼴이다. 이 꼴은 삼각함수 항등식 1−sin⁡2θ=cos⁡2θ1-\sin^2\theta = \cos^2\theta 와 맞는다. 우리가 원하는 것은 다음이 되게 하는 치환이다.

1−4x2=1−sin⁡2θ따라서,4x2=sin⁡2θx=12sin⁡θ이 치환을 사용하면,1−4x2=1−sin⁡2θ=cos⁡2θ=∣cos⁡θ∣\begin{aligned} 1-4x^2&=1-\sin^2\theta\\ \text{따라서,}\qquad 4x^2&=\sin^2\theta\\ x &= \frac{1}{2}\sin\theta \\ \text{이 치환을 사용하면,} \\ \sqrt{1-4x^2}&=\sqrt{1-\sin^2\theta}\\ &=\sqrt{\cos^2\theta}\\ &=|\cos\theta| \end{aligned}

따라서 제곱근이 없어졌다. ∣cos⁡θ∣|\cos\theta| 에서 절댓값 기호는 필요하지 않은데, −12≤x≤12-\frac{1}{2}\le x\le\frac{1}{2} 일 때 θ=arcsin⁡(2x)\theta=\arcsin(2x) 는 −π2-\frac{\pi}{2} 와 π2\frac{\pi}{2} 사이의 값이고, 그러한 θ\theta 에 대해 cos⁡(θ)≥0\cos(\theta)\ge 0 이기 때문이다.

(c) 이 문제에는 삼각함수를 쓰지 않는 뚜렷한 치환이 없으므로, 분수 거듭제곱을 없애기 위해 삼각치환을 사용한다. (즉, 제곱근을 없애려는 것이다.) 거듭제곱의 밑은 함수 25+x225+x^2 이고, 이는 (상수) ++ (함수) 꼴이다. 이 꼴은 삼각함수 항등식 tan⁡2θ+1=sec⁡2θ\tan^2 \theta + 1 = \sec^2 \theta 와 맞는다. xx 는 필요한 대로 정할 수 있지만, 상수 25 는 같은 방식으로 조절할 수 없다. 그래서 치환이 성립하도록 항등식을 다른 꼴로 바꾸어 양변에 25 를 곱하면 다음과 같다.

25tan⁡2θ+25=25sec⁡2θ우리가 원하는 것은 다음이 되게 하는 치환이다.25+x2=25tan⁡2θ+25따라서,x2=25tan⁡2θx=5tan⁡θ이 치환을 사용하면,(25+x2)−5/2=(25+25tan⁡2θ)−5/2=(25sec⁡2θ)−5/2=(5∣sec⁡θ∣)−5\begin{aligned} 25\tan^2 \theta + 25 &= 25\sec^2 \theta \\ \text{우리가 원하는 것은 다음이 되게 하는 치환이다.} \\ 25+x^2&=25\tan^2\theta+25\\ \text{따라서,}\qquad x^2&=25\tan^2\theta\\ x &= 5\tan\theta \\ \text{이 치환을 사용하면,} \\ (25+x^2)^{-5/2}&=(25+25\tan^2\theta)^{-5/2}\\ &=(25\sec^2\theta)^{-5/2}\\ &=(5|\sec\theta|)^{-5} \end{aligned}

따라서 제곱근이 없어졌다. ∣sec⁡θ∣|\sec\theta| 에서 절댓값 기호는 필요하지 않은데, −∞<x<∞-\infty< x<\infty 일 때 θ=arctan⁡(x/5)\theta=\arctan(x/5) 는 −π2-\frac{\pi}{2} 와 π2\frac{\pi}{2} 사이의 값이고, 그러한 θ\theta 에 대해 sec⁡(θ)≥0\sec(\theta)\ge 0 이기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

In the text, there is a template for choosing an appropriate substitution, but for this problem we will explain the logic of the choices.

The trig identities that we can use are:

1−sin⁡2θ=cos⁡2θtan⁡2θ+1=sec⁡2θsec⁡2θ−1=tan⁡2θThey have the following forms:constant − functionfunction + constantfunction − constant\begin{aligned} &1-\sin^2\theta=\cos^2\theta & &\tan^2 \theta +1 = \sec^2 \theta & &\sec^2 \theta - 1 =\tan^2 \theta \\ \text{They have the following forms:} \\ &\text{constant } - \text{ function} &&\text{function } + \text{ constant} & &\text{function } - \text{ constant} \end{aligned}

In order to cancel out the square root, we should choose a substitution that will match the argument under the square root with the trig identity of the corresponding form.

(a) There's not an obvious non-trig substitution for evaluating this problem, so we want a trigonometric substitution to get rid of the square root in the denominator. Under the square root is the function 9x2−169x^2-16, which has the form (function) −- (constant). This form matches the trig identity sec⁡2θ−1=tan⁡2θ\sec^2 \theta - 1 = \tan^2 \theta. We can set xx to be whatever we need it to be, but we don't have the same control over the constant, 16. So, to make the substitution work, we use a different form of the trig identity: multiplying both sides by 16, we get

 16sec⁡2θ−16=16tan⁡2θWhat we want is a substitution that gives us9x2−16=16sec⁡2θ−16So,9x2=16sec⁡2θx=43sec⁡θUsing this substitution,9x2−16=16sec⁡2θ−16=16tan⁡2θ=4∣tan⁡θ∣\begin{aligned} ~16\sec^2\theta - 16 &= 16\tan^2\theta \\ \text{What we want is a substitution that gives us} \\ 9x^2-16&=16\sec^2\theta - 16\\ \text{So,}\qquad 9x^2&=16\sec^2\theta\\ x &= \frac{4}{3}\sec\theta \\ \text{Using this substitution,} \\ \sqrt{9x^2-16}&=\sqrt{16\sec^2\theta-16}\\ &=\sqrt{16\tan^2\theta}\\ &=4|\tan\theta| \end{aligned}

So, we eliminated the square root.

(b) There's not an obvious non-trig substitution for evaluating this problem, so we want a trigonometric substitution to get rid of the square root in the denominator. Under the square root is the function 1−4x21-4x^2, which has the form (constant) −- (function). This form matches the trig identity 1−sin⁡2θ=cos⁡2θ1-\sin^2\theta = \cos^2\theta. What we want is a substitution that gives us

1−4x2=1−sin⁡2θSo,4x2=sin⁡2θx=12sin⁡θUsing this substitution,1−4x2=1−sin⁡2θ=cos⁡2θ=∣cos⁡θ∣\begin{aligned} 1-4x^2&=1-\sin^2\theta\\ \text{So,}\qquad 4x^2&=\sin^2\theta\\ x &= \frac{1}{2}\sin\theta \\ \text{Using this substitution,} \\ \sqrt{1-4x^2}&=\sqrt{1-\sin^2\theta}\\ &=\sqrt{\cos^2\theta}\\ &=|\cos\theta| \end{aligned}

So, we eliminated the square root. We remark that the absolute value signs are not needed in ∣cos⁡θ∣|\cos\theta|, because, for −12≤x≤12-\frac{1}{2}\le x\le\frac{1}{2}, we have θ=arcsin⁡(2x)\theta=\arcsin(2x) between −π2-\frac{\pi}{2} and π2\frac{\pi}{2}, and cos⁡(θ)≥0\cos(\theta)\ge 0 for those θ\theta's.

(c) There's not an obvious non-trig substitution for evaluating this problem, so we want a trigonometric substitution to get rid of the fractional power. (That is, we want to eliminate the square root.) The function under the power is 25+x225+x^2, which has the form (constant) ++ (function). This form matches the trig identity tan⁡2θ+1=sec⁡2θ\tan^2 \theta + 1 = \sec^2 \theta. We can set xx to be whatever we need it to be, but we don't have the same control over the constant, 25. So, to make the substitution work, we use a different form of the trig identity: multiplying both sides by 25, we get

25tan⁡2θ+25=25sec⁡2θWhat we want is a substitution that gives us25+x2=25tan⁡2θ+25So,x2=25tan⁡2θx=5tan⁡θUsing this substitution,(25+x2)−5/2=(25+25tan⁡2θ)−5/2=(25sec⁡2θ)−5/2=(5∣sec⁡θ∣)−5\begin{aligned} 25\tan^2 \theta + 25 &= 25\sec^2 \theta \\ \text{What we want is a substitution that gives us} \\ 25+x^2&=25\tan^2\theta+25\\ \text{So,}\qquad x^2&=25\tan^2\theta\\ x &= 5\tan\theta \\ \text{Using this substitution,} \\ (25+x^2)^{-5/2}&=(25+25\tan^2\theta)^{-5/2}\\ &=(25\sec^2\theta)^{-5/2}\\ &=(5|\sec\theta|)^{-5} \end{aligned}

So, we eliminated the square root. We remark that the absolute value signs are not needed in ∣sec⁡θ∣|\sec\theta|, because, for −∞<x<∞-\infty< x<\infty, we have θ=arctan⁡(x/5)\theta=\arctan(x/5) between −π2-\frac{\pi}{2} and π2\frac{\pi}{2}, and sec⁡(θ)≥0\sec(\theta)\ge 0 for those θ\theta's.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 1.9절 · 16번우리말 번역

∫1017x3x2−1 dx\displaystyle\int_{\sqrt{10}}^{\sqrt{17}} \frac{x^3}{\sqrt{x^2-1}}\, \mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

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피적분함수에 제곱근 안의 이차 다항식이 있어서 삼각함수 치환이 떠오른다. 그러나 더 복잡한 방법으로 넘어가기 전에 더 간단한 방법을 찾아보는 것이 좋은 습관이며, 이 경우에는 삼각함수 치환보다 더 간단한 방법이 있다. 바로 u=x2−1u=x^2-1, du=2x dx\mathrm{d}u=2x\,\mathrm{d}x 로 하는 치환이다. 그러면 xdx=12dux\mathrm{d}x = \frac{1}{2}\mathrm{d}u 이고, x2=u+1x^2 ={u+1} 이다. x=10x=\sqrt{10} 일 때 u=9u=9 이고, x=17x=\sqrt{17} 일 때 u=16u=16 이다.

∫1017x3x2−1 dx=∫1017x2x2−1 ⋅xdx=12∫916u+1u du=12∫916(u1/2+u−1/2) du=12[23u3/2+2u1/2]916=12[23⋅43+2⋅4−23⋅33−2⋅3]=403\begin{aligned} \int_{\sqrt{10}}^{\sqrt{17}} \frac{x^3}{\sqrt{x^2-1}}\, \mathrm{d}x&= \int_{\sqrt{10}}^{\sqrt{17}} \frac{x^2}{\sqrt{x^2-1}}\, \cdot x\mathrm{d}x \\&=\frac{1}{2} \int_{9}^{16} \frac{u+1}{\sqrt{u}}\,\mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{2} \int_{9}^{16}\left(u^{1/2}+u^{-1/2}\right)\,\mathrm{d}u \\&=\frac{1}{2}\left[\frac{2}{3}u^{3/2} + 2u^{1/2} \right]_{9}^{16} \\&=\frac{1}{2}\left[\frac{2}{3}\cdot 4^3 + 2\cdot 4 -\frac{2}{3}\cdot 3^3 -2\cdot 3 \right]\\ &=\frac{40}{3} \end{aligned}

이 문제로 이어서 풀기
# 삼각치환계산기본자동 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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