문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분 기법

삼각치환

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

CLP-2 · 1.9절 · 11번대학 수준우리말 번역

x≥3x\ge 3 일 때 ∫dxx2x2−9\displaystyle\int \frac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{x^2-9}} 의 값을 구하세요. 답에 역삼각함수를 포함하지 마세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫dxx2x2−9\displaystyle\int \frac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{x^2-9}} for x≥3x\ge 3. Do not include any inverse trigonometric functions in your answer.

답 쓰고 채점

부정적분은 끝에 「+ C」 도 붙여요

정답·풀이 보기

0≤u<π20\le u<\frac{\pi}{2} 에서 x=3sec⁡ux=3\sec u 로 치환한다. 그러면 dx=3sec⁡utan⁡u du\mathrm{d}x= 3\sec u\tan u\,\mathrm{d}u 이고 x2−9=9sec⁡2u−9=9tan⁡2u=3tan⁡u\sqrt{x^2-9}=\sqrt{9\sec^2 u-9} =\sqrt{ 9\tan^2 u}=3\tan u 이므로

∫dxx2x2−9=∫3sec⁡utan⁡u du9sec⁡2u9tan⁡2u=19∫dusec⁡u=19∫cos⁡u du=19sin⁡u+C.![그림](clp/tikz/c7acbbd75e.png) sin⁡u 의 값을 구하기 위해 각 u 를 갖는 직각삼각형을 그린다. sec⁡u=x3=빗변밑변 이므로 빗변을 x, 밑변을 3 이라 표시한다. 피타고라스 정리를 이용하면 높이의 길이는 x2−9 이다. 따라서 sin⁡u=x2−9x 이고∫dxx2x2−9=x2−99x+C.\begin{aligned} \int \frac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{x^2-9}} &=\int \frac{3\sec u\tan u\ \mathrm{d}u} {9\sec^2u\sqrt{9\tan^2u}} \\ &=\frac{1}{9}\int\frac{\mathrm{d}u}{\sec u} \\ &=\frac{1}{9}\int \cos u\ \mathrm{d}u =\frac{1}{9}\sin u +C.\qquad \smash{ ![그림](clp/tikz/c7acbbd75e.png) } \\ \text{ $\sin u$ 의 값을 구하기 위해 각 $u$ 를 갖는 직각삼각형을 그린다. $\sec u = \dfrac{x}{3} = \dfrac{\text{빗변}}{\text{밑변}}$ 이므로 빗변을 $x$, 밑변을 $3$ 이라 표시한다. 피타고라스 정리를 이용하면 높이의 길이는 $\sqrt{x^2-9}$ 이다. 따라서 $\sin u = \dfrac{\sqrt{x^2-9}}x$ 이고} \\ \int \frac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{x^2-9}} &= \frac{\sqrt{x^2-9}}{9x} +C. \end{aligned}

검산으로, 답을 미분하면

ddx(x2−99x+C)=−x2−99x2+x9xx2−9=19 −(x2−9)+x2x2x2−9=1x2x2−9\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \frac{\sqrt{x^2-9}}{9x}+C\right) &=-\frac{\sqrt{x^2-9}}{9x^2} + \frac{x}{9x\sqrt{x^2-9}} =\frac{1}{9}\ \frac{-(x^2-9)+x^2}{x^2\sqrt{x^2-9}} \\ &=\frac{1}{x^2\sqrt{x^2-9}} \end{aligned}

이 되어 피적분함수와 정확히 같다. (x≤−3x\le -3 인 경우에도 이것이 성립함을 덧붙인다.)

원본 교재 풀이(영어)

Substitute x=3sec⁡ux=3\sec u with 0≤u<π20\le u<\frac{\pi}{2}. Then dx=3sec⁡utan⁡u du\mathrm{d}x= 3\sec u\tan u\,\mathrm{d}u and x2−9=9sec⁡2u−9=9tan⁡2u=3tan⁡u\sqrt{x^2-9}=\sqrt{9\sec^2 u-9} =\sqrt{ 9\tan^2 u}=3\tan u, so that

∫dxx2x2−9=∫3sec⁡utan⁡u du9sec⁡2u9tan⁡2u=19∫dusec⁡u=19∫cos⁡u du=19sin⁡u+C.![figure](clp/tikz/c7acbbd75e.png) To evaluate sin⁡u, we make a right triangle with angle u. Since sec⁡u=x3=hypadj, we label the hypotenuse x and the adjacent side 3. Using the Pythagorean Theorem, the opposite side has length x2−9. So, sin⁡u=x2−9x and∫dxx2x2−9=x2−99x+C.\begin{aligned} \int \frac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{x^2-9}} &=\int \frac{3\sec u\tan u\ \mathrm{d}u} {9\sec^2u\sqrt{9\tan^2u}} \\ &=\frac{1}{9}\int\frac{\mathrm{d}u}{\sec u} \\ &=\frac{1}{9}\int \cos u\ \mathrm{d}u =\frac{1}{9}\sin u +C.\qquad \smash{ ![figure](clp/tikz/c7acbbd75e.png) } \\ \text{ To evaluate $\sin u$, we make a right triangle with angle $u$. Since $\sec u = \dfrac{x}{3} = \dfrac{\text{hyp}}{\text{adj}}$, we label the hypotenuse $x$ and the adjacent side $3$. Using the Pythagorean Theorem, the opposite side has length $\sqrt{x^2-9}$. So, $\sin u = \dfrac{\sqrt{x^2-9}}x$ and} \\ \int \frac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{x^2-9}} &= \frac{\sqrt{x^2-9}}{9x} +C. \end{aligned}

As a check, we observe that the derivative of the answer

ddx(x2−99x+C)=−x2−99x2+x9xx2−9=19 −(x2−9)+x2x2x2−9=1x2x2−9\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \frac{\sqrt{x^2-9}}{9x}+C\right) &=-\frac{\sqrt{x^2-9}}{9x^2} + \frac{x}{9x\sqrt{x^2-9}} =\frac{1}{9}\ \frac{-(x^2-9)+x^2}{x^2\sqrt{x^2-9}} \\ &=\frac{1}{x^2\sqrt{x^2-9}} \end{aligned}

is exactly the integrand. (We remark that this is the case even for x≤−3x\le -3.)

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 1.9절 · 12번우리말 번역

(a) ∫0π/4cos⁡4θ dθ=(8+3π)/32\displaystyle\int_0^{\pi/4}\cos^4\theta\ \mathrm{d}\theta=(8+3\pi)/32 임을 보이세요.

(b) ∫−11dx(x2+1)3\displaystyle\int_{-1}^1\frac{\mathrm{d}x}{{(x^2+1)}^3} 의 값을 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) 삼각함수 항등식 cos⁡2θ=2cos⁡2θ−1\cos2\theta=2\cos^2\theta-1 을 이용한다. 이로부터 다음을 얻는다.

cos⁡2θ=cos⁡2θ+12  ⟹  cos⁡4θ=14[cos⁡22θ+2cos⁡2θ+1]=14[cos⁡4θ+12+2cos⁡2θ+1]=cos⁡4θ8+cos⁡2θ2+38그러므로,∫0π/4cos⁡4θ dθ=∫0π/4(cos⁡4θ8+cos⁡2θ2+38) dθ=[sin⁡4θ32+sin⁡2θ4+38θ]0π/4=14+38⋅π4=8+3π32\begin{aligned} \cos^2\theta=\frac{\cos2\theta+1}{2} \implies \cos^4\theta &=\frac{1}{4}\big[\cos^22\theta+2\cos2\theta+1\big] =\frac{1}{4}\Big[\frac{\cos4\theta+1}{2}+2\cos2\theta+1\Big]\\ &=\frac{\cos4\theta}{8}+\frac{\cos2\theta}{2}+\frac{3}{8} \\ \text{그러므로,} \\ \int_0^{\pi/4}\cos^4\theta\ \mathrm{d}\theta &=\int_0^{\pi/4}\Big(\frac{\cos4\theta}{8}+\frac{\cos2\theta}{2}+\frac{3}{8}\Big) \ \mathrm{d}\theta \\ &=\left[\frac{\sin4\theta}{32}+\frac{\sin2\theta}{4}+\frac{3}{8}\theta\right]_0^{\pi/4}\\ &= \frac{1}{4}+\frac{3}{8}\cdot \frac{\pi}{4}\\ &=\frac{8+3\pi}{32} \end{aligned}

이므로 주어진 등식이 성립한다.

(b) 삼각 치환 x=tan⁡θx=\tan\theta, dx=sec⁡2θ dθ\mathrm{d}x=\sec^2\theta\ \mathrm{d}\theta 를 이용한다. θ=±π4\theta=\pm\frac{\pi}{4} 일 때 x=±1x=\pm 1 임에 주의한다. 또한 삼각함수 항등식 sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2\theta+\cos^2\theta=1 의 양변을 cos⁡2θ\cos^2\theta 로 나누면 삼각함수 항등식 tan⁡2θ+1=sec⁡2θ\tan^2\theta+1=\sec^2\theta 를 얻는다. 따라서

∫−11dx(x2+1)3=2∫01dx(x2+1)3(우함수인 피적분함수)=2∫0π/4sec⁡2θ dθ(tan⁡2θ+1)3=2∫0π/4sec⁡2θ dθ(sec⁡2θ)3=2∫0π/4cos⁡4θ dθ=8+3π16\begin{aligned} \int_{-1}^1\frac{\mathrm{d}x}{{(x^2+1)}^3} &=2\int_0^1\frac{\mathrm{d}x}{{(x^2+1)}^3}&\text{(우함수인 피적분함수)}\\ &=2\int_0^{\pi/4}\frac{\sec^2\theta\ \mathrm{d}\theta}{{(\tan^2\theta+1)}^3}\\ &=2\int_0^{\pi/4}\frac{\sec^2\theta\ \mathrm{d}\theta}{{(\sec^2\theta)}^3}\\ &=2\int_0^{\pi/4}\cos^4\theta\ \mathrm{d}\theta\\ &=\frac{8+3\pi}{16} \end{aligned}

이다. 이는 (a)에 의한 결과이다.

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

「삼각치환」 문제 목록으로