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 · 18번대학 수준우리말 번역

x>2x>2 일 때, ∫1(2x−3)34x2−12x+8 dx\displaystyle\int \dfrac{1}{(2x-3)^3\sqrt{4x^2-12x+8}}~\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫1(2x−3)34x2−12x+8 dx\displaystyle\int \dfrac{1}{(2x-3)^3\sqrt{4x^2-12x+8}}~\mathrm{d}x for x>2x>2.

정답·풀이 보기

완전제곱식으로 나타내면 4x2−12x+8=(2x−3)2−14x^2-12x+8 = (2x-3)^2-1 이다.

∫1(2x−3)34x2−12x+8 dx=∫1(2x−3)3(2x−3)2−1 dxAs x>2, we have 2x−3>1. We use the substitution 2x−3=sec⁡θ with 0≤θ<π2. So 2 dx=sec⁡θtan⁡θ dθ and (2x−3)2−1=sec⁡2θ−1=tan⁡2θ=tan⁡θ.=12∫1sec⁡3θsec⁡2θ−1sec⁡θtan⁡θ dθ=12∫1sec⁡3θtan⁡θsec⁡θtan⁡θ dθ=12∫1sec⁡2θ dθ=12∫cos⁡2θ dθ=14∫(1+cos⁡(2θ)) dθ=14(θ+12sin⁡(2θ))+C=14(θ+sin⁡θcos⁡θ)+C![그림](clp/tikz/44a395a6e0.png) =14(arccos⁡(12x−3)+4x2−12x+8(2x−3)2)+C\begin{aligned} \int \dfrac{1}{(2x-3)^3\sqrt{4x^2-12x+8}}~\mathrm{d}x&= \int \dfrac{1}{(2x-3)^3\sqrt{(2x-3)^2-1}}~\mathrm{d}x \\ \text{As $x>2$, we have $2x-3>1$. We use the substitution $2x-3 = \sec \theta$ with $0\le\theta<\frac{\pi}{2}$. So $2\,\mathrm{d}x=\sec\theta\tan\theta~\mathrm{d}\theta$ and $\sqrt{(2x-3)^2-1}=\sqrt{\sec^2\theta-1}=\sqrt{\tan^2\theta}=\tan\theta$.} \\ &=\frac{1}{2}\int\frac{1}{\sec^3\theta\sqrt{\sec^2\theta-1}}\sec\theta\tan\theta~\mathrm{d}\theta\\ &=\frac{1}{2}\int\frac{1}{\sec^3\theta\tan\theta}\sec\theta\tan\theta~\mathrm{d}\theta \\&=\frac{1}{2}\int\frac{1}{\sec^2\theta}~\mathrm{d}\theta \\&=\frac{1}{2}\int{\cos^2\theta}~\mathrm{d}\theta \\&=\frac{1}{4}\int{\left(1+\cos(2\theta)\right)}~\mathrm{d}\theta \\&=\frac14\left(\theta + \frac{1}{2}\sin(2\theta)\right)+C \\&=\frac14\left(\theta + \sin\theta\cos\theta\right)+C \\ \smash{ ![그림](clp/tikz/44a395a6e0.png) }\,&=\frac{1}{4}\left(\arccos\left(\frac{1}{2x-3}\right) + \frac{\sqrt{4x^2-12x+8}}{(2x-3)^2}\right)+C \end{aligned}

2x−3=sec⁡θ2x-3=\sec\theta 이므로 cos⁡θ=12x−3\cos\theta = \frac{1}{2x-3} 이고 θ=arccos⁡(12x−3)\theta = \arccos\left(\frac{1}{2x-3}\right) 이다. (이와 같게, θ=arcsec(2x−3)\theta = \mathop{\mathrm{arcsec}}(2x-3) 이다.) sin⁡θ\sin\theta 를 구하기 위해 밑변의 길이가 1이고 빗변의 길이가 2x−32x-3 인 직각삼각형을 그린다. 피타고라스 정리에 의해 θ의 대변(높이)의 길이는 4x2−12x+8\sqrt{4x^2-12x+8} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Completing the square, we see 4x2−12x+8=(2x−3)2−14x^2-12x+8 = (2x-3)^2-1.

∫1(2x−3)34x2−12x+8 dx=∫1(2x−3)3(2x−3)2−1 dxAs x>2, we have 2x−3>1. We use the substitution 2x−3=sec⁡θ with 0≤θ<π2. So 2 dx=sec⁡θtan⁡θ dθ and (2x−3)2−1=sec⁡2θ−1=tan⁡2θ=tan⁡θ.=12∫1sec⁡3θsec⁡2θ−1sec⁡θtan⁡θ dθ=12∫1sec⁡3θtan⁡θsec⁡θtan⁡θ dθ=12∫1sec⁡2θ dθ=12∫cos⁡2θ dθ=14∫(1+cos⁡(2θ)) dθ=14(θ+12sin⁡(2θ))+C=14(θ+sin⁡θcos⁡θ)+C![figure](clp/tikz/44a395a6e0.png) =14(arccos⁡(12x−3)+4x2−12x+8(2x−3)2)+C\begin{aligned} \int \dfrac{1}{(2x-3)^3\sqrt{4x^2-12x+8}}~\mathrm{d}x&= \int \dfrac{1}{(2x-3)^3\sqrt{(2x-3)^2-1}}~\mathrm{d}x \\ \text{As $x>2$, we have $2x-3>1$. We use the substitution $2x-3 = \sec \theta$ with $0\le\theta<\frac{\pi}{2}$. So $2\,\mathrm{d}x=\sec\theta\tan\theta~\mathrm{d}\theta$ and $\sqrt{(2x-3)^2-1}=\sqrt{\sec^2\theta-1}=\sqrt{\tan^2\theta}=\tan\theta$.} \\ &=\frac{1}{2}\int\frac{1}{\sec^3\theta\sqrt{\sec^2\theta-1}}\sec\theta\tan\theta~\mathrm{d}\theta\\ &=\frac{1}{2}\int\frac{1}{\sec^3\theta\tan\theta}\sec\theta\tan\theta~\mathrm{d}\theta \\&=\frac{1}{2}\int\frac{1}{\sec^2\theta}~\mathrm{d}\theta \\&=\frac{1}{2}\int{\cos^2\theta}~\mathrm{d}\theta \\&=\frac{1}{4}\int{\left(1+\cos(2\theta)\right)}~\mathrm{d}\theta \\&=\frac14\left(\theta + \frac{1}{2}\sin(2\theta)\right)+C \\&=\frac14\left(\theta + \sin\theta\cos\theta\right)+C \\ \smash{ ![figure](clp/tikz/44a395a6e0.png) }\,&=\frac{1}{4}\left(\arccos\left(\frac{1}{2x-3}\right) + \frac{\sqrt{4x^2-12x+8}}{(2x-3)^2}\right)+C \end{aligned}

Since 2x−3=sec⁡θ2x-3=\sec\theta, we know cos⁡θ=12x−3\cos\theta = \frac{1}{2x-3} and θ=arccos⁡(12x−3)\theta = \arccos\left(\frac{1}{2x-3}\right). (Equivalently, θ=arcsec(2x−3)\theta = \mathop{\mathrm{arcsec}}(2x-3).) To find sin⁡θ\sin\theta, we draw a right triangle with adjacent side of length 1, and hypotenuse of length 2x−32x-3. By the Pythagorean Theorem, the opposite side has length 4x2−12x+8\sqrt{4x^2-12x+8}.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 1.9절 · 19번우리말 번역

∫01x2(x2+1)3/2dx\displaystyle\int_0^1\dfrac{x^2}{(x^2+1)^{3/2}}\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

∫sec⁡xdx=log⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C\int \sec x\mathrm{d}x = \log|\sec x+\tan x| +C 임을 이용해도 됩니다.

다 풀었으면 정답 확인

치환 x=tan⁡ux=\tan u, dx=sec⁡2u du\mathrm{d}x=\sec^2 u~\mathrm{d}u 를 사용한다. tan⁡0=0\tan 0=0 이고 tan⁡π4=1\tan \frac{\pi}{4} =1 임에 주의한다.

∫01x2x2+13dx=∫0π/4tan⁡2utan⁡2u+13sec⁡2u du=∫0π/4tan⁡2usec⁡2u3sec⁡2u du=∫0π/4tan⁡2usec⁡u du=∫0π/4sec⁡2u−1sec⁡u du=∫0π/4(sec⁡u−cos⁡u) du=[log⁡∣sec⁡u+tan⁡u∣−sin⁡u]0π/4=(log⁡∣2+1∣−12)−(log⁡∣1+0∣−0)=log⁡(1+2)−12\begin{aligned} \displaystyle\int_0^1\dfrac{x^2}{\sqrt{x^2+1}^3}\mathrm{d}x&= \int_0^{\pi/4}\dfrac{\tan^2 u}{\sqrt{\tan^2 u +1}^3}\sec^2u~\mathrm{d}u\\ &= \int_0^{\pi/4}\dfrac{\tan^2 u}{\sqrt{\sec^2u}^3}\sec^2u~\mathrm{d}u\\ &= \int_0^{\pi/4}\frac{\tan^2 u}{\sec u}~\mathrm{d}u\\&= \int_0^{\pi/4}\frac{\sec^2 u-1}{\sec u}~\mathrm{d}u\\&= \int_0^{\pi/4}\big({\sec u}-\cos u\big)~\mathrm{d}u\\ &=\Big[\log\left|\sec u + \tan u \right| - \sin u\Big]_{0}^{\pi/4} \\ &=\left(\log\left|\sqrt{2} + 1 \right| -\frac{1}{\sqrt{2}}\right) - \left(\log|1+0|-0\right)\\ &=\log(1+\sqrt{2})-\frac{1}{\sqrt{2}} \end{aligned}

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# 삼각치환계산보통자동 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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