역삼각함수를 이용한 삼각치환 적분
$$\int_{x_1}^{x_2}\frac{1}{a^2 +x^2}dx=\frac{1}{a}\left ( \tan ^{-1} \frac{x_2}{a}-\tan ^{-1}\frac{x_1}{a} \right )$$ |
[증명] $x=\tan \theta$ 로 치환하면 $dx=\sec ^{2} \theta d \theta$
$x_{1}=\tan\theta_{1}$, $x_{2}=\tan\theta_{2}$ 에서
$\theta_{1}=\tan^{-1} x_{1}$, $\theta_{2}=\tan^{-1} x_{2}$ 이므로
\begin{flalign}
& \displaystyle\int_{x_1}^{x_2}\frac{1}{a^2 +x^2}dx=\int_{\theta_1}^{\theta_2}\displaystyle\frac{1}{a^2 +a^2 \tan^{2} \theta} \sec ^{2} \theta d\theta \\
&=\int_{\theta_1}^{\theta_2}\displaystyle\frac{1}{a^2( 1+ \tan^{2}) \theta}\sec ^{2} \theta d\theta \\
&=\int_{\theta_1}^{\theta_2}\displaystyle\frac{1}{a^2 \sec ^{2} \theta }\sec ^{2} \theta d\theta \\
&=\int_{\theta_1}^{\theta_2}\frac{1}{a^2 } d\theta= \frac{1}{a^2 } \left( \theta_{1} - \theta_{2} \right ) \\
&=\frac{1}{a}\left ( \tan ^{-1} \frac{x_2}{a}-\tan ^{-1}\frac{x_1}{a} \right ) &&
\end{flalign}
여기서 $\tan^{-1} x$는 $\tan x$의 역함수이다.
(예) $\tan ^{-1} \displaystyle\frac{\sqrt{3}}{3}=\frac{\pi}{6}$, $\tan ^{-1} 1=\displaystyle\frac{\pi}{4}$, $\tan ^{-1} \sqrt{3}=\displaystyle\frac{\pi}{3}$
Example 1 |
$\displaystyle\int_{0}^{2} \frac{1}{4+x^2}dx$의 값은? |
[풀이] $\displaystyle\frac{1}{2}\left ( \tan ^{-1} \frac{2}{2}-\tan ^{-1}\frac{0}{2} \right )=\displaystyle\frac{1}{2} \left ( \frac{\pi}{4}-0\right)=\frac{\pi}{8}$
Example 2 |
$\displaystyle\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\sin x}{1+\cos ^2 x}dx$의 값은? |
[풀이] $\cos x = t$로 치환하면 $-\sin x dx = dt$에서
\begin{align}
& \displaystyle \int_{1}^{0} \frac{-1}{1+t^2} dt \\
&=\displaystyle \int_{0}^{1} \frac{1}{1+t^2} dt \\
&=\displaystyle\frac{1}{1}\left ( \tan ^{-1} \frac{1}{1}-\tan ^{-1}\frac{0}{1} \right ) \\
&=\displaystyle\frac{1}{1} \left ( \frac{\pi}{4}-0\right)=\frac{\pi}{4}
\end{align}
Example 3 |
$ \displaystyle \lim_{n \to \infty}\sum_{k=1}^{n} \frac{4n}{n^2 + k^2} $의 값을 구하여라. |
[풀이] $n \to 1$, $k \to x$, $\displaystyle\int_{0}^{1} (\;\;)dx $ (이전 글 참고)
\begin{align}
&\displaystyle\int_{0}^{1}\frac{4}{1+x^2}dx \\
&=\displaystyle\frac{4}{1}\left ( \tan ^{-1} \frac{1}{1}-\tan ^{-1}\frac{0}{1} \right ) \\
&=\displaystyle 4\left ( \frac{\pi}{4}-0\right)=\pi
\end{align}
$$\int_{x_1}^{x_2}\frac{1}{\sqrt{a^2 -x^2}}dx= \sin ^{-1} \frac{x_2}{a}-\sin ^{-1}\frac{x_1}{a}$$ |
[증명] $x=a\sin \theta \; \left ( -\displaystyle\frac{\pi}{2}\leq \theta \leq \frac{\pi}{2} \right )$ $(a>0)$
로 치환하면 $dx=a\cos \theta d \theta$ 이다.
$x_{1}=\sin \theta_{1}$, $x_{2}=\sin \theta_{2}$ 에서
$\theta_{1}=\sin^{-1} x_{1}$, $\theta_{2}=\sin^{-1} x_{2}$ 이므로
\begin{flalign}
& \displaystyle\int_{x_1}^{x_2}\frac{1}{\sqrt{a^2 -x^2}}dx \\
&=\int_{\theta_1}^{\theta_2}\displaystyle\frac{1}{\sqrt{a^2 -a^2 \sin^{2} \theta}} a\cos \theta d\theta \\
&=\int_{\theta_1}^{\theta_2}\displaystyle\frac{1}{\sqrt{a^2( 1- \sin^{2} \theta )}} a\cos \theta d\theta \\
&=\int_{\theta_1}^{\theta_2}\displaystyle\frac{1}{a \sqrt{ \cos ^{2} \theta }}a\cos \theta d\theta \\
&=\int_{\theta_1}^{\theta_2}1\;d\theta= \theta_{1} - \theta_{2} \\
&=\sin ^{-1} \frac{x_2}{a}-\sin ^{-1}\frac{x_1}{a} &&
\end{flalign}
마찬가지로 $\sin^{-1} x$는 $\sin x$의 역함수이다.
(예) $\sin ^{-1} \displaystyle\frac{1}{2}=\frac{\pi}{6}$, $\sin ^{-1} \displaystyle\frac{\sqrt{2}}{2}=\displaystyle\frac{\pi}{4}$, $\sin ^{-1} \displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}=\displaystyle\frac{\pi}{3}$
Example 4 |
$ \displaystyle\int_{0}^{\frac{3}{2}}\frac{1}{\displaystyle\sqrt{9-x^2}}dx $ 의 값은? |
[해설] $ \sin ^{-1} \displaystyle\frac{\displaystyle\frac{3}{2}}{3}-\sin ^{-1}\frac{0}{3}=\frac{\pi}{6}-0=\frac{\pi}{6} $
Example 5 |
$ \displaystyle\int_{0}^{1}\frac{1}{\displaystyle\sqrt{2-x^2}}dx $ 의 값은? |
[해설] $ \sin ^{-1} \displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}-\sin ^{-1}\frac{0}{\sqrt{2}}=\frac{\pi}{4}-0=\frac{\pi}{4} $
참고로 $y=\sqrt{a^2 -x^2}$ 은 반원이므로
$$ \int_{-a}^{a}\sqrt{a^2 -x^2} dx = \frac{\pi}{2}a^2 $$
가 성립한다.
'적분법' 카테고리의 다른 글
삼차함수의 변곡점을 지나가는 직선의 성질 (1) | 2022.07.13 |
---|---|
정적분의 활용 | 제1종 오일러 적분 (0) | 2022.07.03 |
정적분을 이용한 급수의 합 구하기 (0) | 2022.07.02 |
sin n승 cos n승 적분 점화식 | Wallis 정리 (0) | 2022.07.01 |
적분의 대칭성 (0) | 2022.07.01 |