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 · 23번대학 수준우리말 번역

∫(1+x2)3/2xdx\displaystyle\int\dfrac{(1+x^2)^{3/2}}{x}\mathrm{d}x 의 값을 구하세요. ∫csc⁡θ dθ=log⁡∣cot⁡θ−csc⁡θ∣+C\displaystyle\int \csc \theta~\mathrm{d}\theta=\log|\cot \theta - \csc \theta|+C 임을 이용해도 됩니다.

영어 원문 보기

Evaluate ∫(1+x2)3/2xdx\displaystyle\int\dfrac{(1+x^2)^{3/2}}{x}\mathrm{d}x. You may use the fact that ∫csc⁡θ dθ=log⁡∣cot⁡θ−csc⁡θ∣+C\displaystyle\int \csc \theta~\mathrm{d}\theta=\log|\cot \theta - \csc \theta|+C.

정답·풀이 보기

치환 x=tan⁡ux=\tan u, dx=sec⁡2u du\mathrm{d}x=\sec^2 u~\mathrm{d}u 를 이용한다.

∫1+x23xdx=∫1+tan⁡2u3tan⁡usec⁡2u du=∫sec⁡3utan⁡usec⁡2u du=∫(sec⁡2u)2tan⁡usec⁡u du=∫(tan⁡2u+1)2tan⁡usec⁡u du=∫tan⁡4u+2tan⁡2u+1tan⁡usec⁡u du=∫tan⁡3usec⁡u du+∫2sec⁡utan⁡u du+∫sec⁡utan⁡u du첫 번째 적분에서는 치환 w=sec⁡u 를 이용한다. 두 번째는 2sec⁡u 의 부정적분이다. 세 번째는 sec⁡utan⁡u=1cos⁡u⋅cos⁡usin⁡u=csc⁡u 로 간단히 한다.=∫((sec⁡2u−1)sec⁡utan⁡u) du+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C=∫(w2−1) dw+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C=13w3−w+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C=13sec⁡3u−sec⁡u+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C![그림](clp/tikz/f1bcb1bbbc.png)=13sec⁡3u+sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C처음에 치환 x=tan⁡u 를 사용했다. 그러면 cot⁡u=1x 이다. csc⁡u 와 sec⁡u 를 구하기 위해, 각 u 가 있고 높이가 x, 밑변이 1 인 직각삼각형을 그린다. 피타고라스 정리로 빗변의 길이를 구할 수 있다.=131+x23+1+x2+log⁡∣1x−1+x2x∣+C=131+x2(4+x2)+log⁡∣1−1+x2x∣+C\begin{aligned} \int\dfrac{\sqrt{1+x^2}^3}{x}\mathrm{d}x&=\int\frac{\sqrt{1+\tan^2 u}^3}{\tan u}\sec^2 u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{\sec^3u}{\tan u}\sec^2 u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{(\sec^2u)^2}{\tan u}\sec u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{(\tan^2u+1)^2}{\tan u}\sec u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{\tan^4u+2\tan^2 u + 1}{\tan u}\sec u~\mathrm{d}u \\&=\int \tan^3 u \sec u ~\mathrm{d}u + \int 2\sec u \tan u~\mathrm{d}u + \int \frac{\sec u}{\tan u}~\mathrm{d}u \\ \text{첫 번째 적분에서는 치환 $w=\sec u$ 를 이용한다. 두 번째는 $2\sec u$ 의 부정적분이다. 세 번째는 $\frac{\sec u}{\tan u} = \frac{1}{\cos u}\cdot \frac{\cos u}{\sin u} = \csc u$~로 간단히 한다.} \\ &=\int\bigg((\sec^2 u -1)\sec u \tan u\bigg)~\mathrm{d}u + 2\sec u + \log|\cot u - \csc u |+C\\ &=\int (w^2-1)~\mathrm{d}w+2\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C\\ &=\frac{1}{3}w^3-w+2\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C\\ &=\frac{1}{3}\sec^3u-\sec u+2\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C \\ \smash{ ![그림](clp/tikz/f1bcb1bbbc.png) } \qquad &=\frac{1}{3}\sec^3u+\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C \\ \text{처음에 치환 $x=\tan u$ 를 사용했다. 그러면 $\cot u = \frac{1}{x}$ 이다. $\csc u$ 와 $\sec u$ 를 구하기 위해, 각 $u$ 가 있고 높이가 $x$, 밑변이 $1$ 인 직각삼각형을 그린다. 피타고라스 정리로 빗변의 길이를 구할 수 있다.} \\ &=\frac{1}{3}\sqrt{1+x^2}^3+\sqrt{1+x^2}+\log\left| \frac{1}{x}-\frac{\sqrt{1+x^2}}{x} \right|+C \\&=\frac{1}{3}\sqrt{1+x^2}(4+x^2)+\log\left|\frac{1-\sqrt{1+x^2}}{x} \right|+C \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We use the substitution x=tan⁡ux=\tan u, dx=sec⁡2u du\mathrm{d}x=\sec^2 u~\mathrm{d}u.

∫1+x23xdx=∫1+tan⁡2u3tan⁡usec⁡2u du=∫sec⁡3utan⁡usec⁡2u du=∫(sec⁡2u)2tan⁡usec⁡u du=∫(tan⁡2u+1)2tan⁡usec⁡u du=∫tan⁡4u+2tan⁡2u+1tan⁡usec⁡u du=∫tan⁡3usec⁡u du+∫2sec⁡utan⁡u du+∫sec⁡utan⁡u duFor the first integral, we use the substitution w=sec⁡u. The second is the antiderivative of 2sec⁡u. The third we simplify as sec⁡utan⁡u=1cos⁡u⋅cos⁡usin⁡u=csc⁡u .=∫((sec⁡2u−1)sec⁡utan⁡u) du+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C=∫(w2−1) dw+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C=13w3−w+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C=13sec⁡3u−sec⁡u+2sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+C![figure](clp/tikz/f1bcb1bbbc.png)=13sec⁡3u+sec⁡u+log⁡∣cot⁡u−csc⁡u∣+CWe began with the substitution x=tan⁡u. Then cot⁡u=1x. To find csc⁡u and sec⁡u, we draw a right triangle with angle u, opposite side x, and adjacent side 1. The Pythagorean Theorem gives us the hypotenuse.=131+x23+1+x2+log⁡∣1x−1+x2x∣+C=131+x2(4+x2)+log⁡∣1−1+x2x∣+C\begin{aligned} \int\dfrac{\sqrt{1+x^2}^3}{x}\mathrm{d}x&=\int\frac{\sqrt{1+\tan^2 u}^3}{\tan u}\sec^2 u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{\sec^3u}{\tan u}\sec^2 u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{(\sec^2u)^2}{\tan u}\sec u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{(\tan^2u+1)^2}{\tan u}\sec u~\mathrm{d}u \\&=\int\frac{\tan^4u+2\tan^2 u + 1}{\tan u}\sec u~\mathrm{d}u \\&=\int \tan^3 u \sec u ~\mathrm{d}u + \int 2\sec u \tan u~\mathrm{d}u + \int \frac{\sec u}{\tan u}~\mathrm{d}u \\ \text{For the first integral, we use the substitution $w=\sec u$. The second is the antiderivative of $2\sec u$. The third we simplify as $\frac{\sec u}{\tan u} = \frac{1}{\cos u}\cdot \frac{\cos u}{\sin u} = \csc u$~.} \\ &=\int\bigg((\sec^2 u -1)\sec u \tan u\bigg)~\mathrm{d}u + 2\sec u + \log|\cot u - \csc u |+C\\ &=\int (w^2-1)~\mathrm{d}w+2\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C\\ &=\frac{1}{3}w^3-w+2\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C\\ &=\frac{1}{3}\sec^3u-\sec u+2\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C \\ \smash{ ![figure](clp/tikz/f1bcb1bbbc.png) } \qquad &=\frac{1}{3}\sec^3u+\sec u + \log|\cot u - \csc u|+C \\ \text{We began with the substitution $x=\tan u$. Then $\cot u = \frac{1}{x}$. To find $\csc u$ and $\sec u$, we draw a right triangle with angle $u$, opposite side $x$, and adjacent side $1$. The Pythagorean Theorem gives us the hypotenuse.} \\ &=\frac{1}{3}\sqrt{1+x^2}^3+\sqrt{1+x^2}+\log\left| \frac{1}{x}-\frac{\sqrt{1+x^2}}{x} \right|+C \\&=\frac{1}{3}\sqrt{1+x^2}(4+x^2)+\log\left|\frac{1-\sqrt{1+x^2}}{x} \right|+C \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 1.9절 · 25번우리말 번역

f(x)=∣x∣1−x24f(x) = \dfrac{|x|}{\sqrt[4]{1-x^2}} 이라 하고, RR 을 구간 [−12,12][-\frac{1}{2},\frac{1}{2}] 에서 f(x)f(x) 와 xx축 사이의 영역이라 하자.

(a) RR 의 넓이를 구하세요. (b) RR 을 xx축을 중심으로 회전시켜 만든 입체의 부피를 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

f(x)f(x) 는 우함수이고, 정의역 전체에서 음이 아님에 유의한다.

(a) RR 의 넓이를 구하기 위해 다음을 계산한다.

넓이=∫−1/21/2∣x∣1−x24 dx=2∫01/2x1−x24 dx치환 u=1−x2, du=−2x dx 를 이용한다.=−∫13/41u1/4 du=−[43u3/4]13/4=−43((34)3/4−1)=43−434\begin{aligned} \text{넓이}&=\int _{-1/2}^{1/2} \dfrac{|x|}{\sqrt[4]{1-x^2}}~\mathrm{d}x = 2\int _{0}^{1/2} \dfrac{x}{\sqrt[4]{1-x^2}}~\mathrm{d}x \\ \text{치환 $u=1-x^2$, $\mathrm{d}u=-2x~\mathrm{d}x$ 를 이용한다.} \\ &=-\int_{1}^{3/4} \frac{1}{u^{1/4}}~\mathrm{d}u\\ &=-\left[\frac{4}{3}u^{3/4}\right]_1^{3/4} = -\frac{4}{3}\left(\left(\frac{3}{4}\right)^{3/4}-1\right)\\ &=\frac{4}{3} - \sqrt[4]{\frac{4}{3}} \end{aligned}

(b) 회전체를 너비가 dx\mathrm{d}x 이고 반지름이 ∣x∣1−x24\dfrac{|x|}{\sqrt[4]{1-x^2}} 인 원판으로 얇게 자른다.

부피=∫−1/21/2π(∣x∣1−x24)2 dx=2π∫01/2x21−x2 dx치환 x=sin⁡θ, dx=cos⁡θ dθ 를 이용하면 1−x2=1−sin⁡2θ=cos⁡θ 이다. sin⁡0=0 이고 sin⁡π6=12 임에 유의한다.=2π∫0π/6sin⁡2θcos⁡θcos⁡θ dθ=2π∫0π/6sin⁡2θ dθ=π∫0π/6(1−cos⁡(2θ)) dθ=π[θ−12sin⁡(2θ)]0π/6=π(π6−12⋅32)=π26−3π4\begin{aligned} \text{부피}&=\int_{-1/2}^{1/2} \pi\left(\dfrac{|x|}{\sqrt[4]{1-x^2}}\right)^2~\mathrm{d}x\\ &=2\pi\int_{0}^{1/2} \dfrac{x^2}{\sqrt{1-x^2}}~\mathrm{d}x \\ \text{치환 $x=\sin \theta$, $\mathrm{d}x = \cos\theta~\mathrm{d}\theta$ 를 이용하면 $\sqrt{1-x^2} = \sqrt{1-\sin^2\theta}=\cos \theta$ 이다. $\sin 0 =0$ 이고 $\sin\frac{\pi}{6}=\frac{1}{2}$ 임에 유의한다.} \\ &=2\pi\int_{0}^{\pi/6} \frac{\sin^2 \theta}{\cos \theta}\cos \theta~\mathrm{d}\theta \\&=2\pi\int_{0}^{\pi/6} \sin^2 \theta~\mathrm{d}\theta \\&=\pi\int_{0}^{\pi/6}\big(1- \cos(2 \theta)\big)~\mathrm{d}\theta\\ &=\pi\left[\theta - \frac{1}{2}\sin(2\theta)\right]_0^{\pi/6}\\ &=\pi\left(\frac{\pi}{6} - \frac{1}{2}\cdot \frac{\sqrt{3}}{2}\right)\\ &=\frac{\pi^2}{6} - \frac{\sqrt{3}\pi}{4} \end{aligned}

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# 삼각치환계산도전자동 분류
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