미적분학
강의 (21)
우석대학교 에너지전기공학과
이우금 교수
<미적분학 숙제 2 검토> 2변수 함수 𝑢 𝑥, 𝑦 = 𝑥 𝑦 + 𝑦2𝑥 에 대해 다음을 구하라. 1) 함수 𝑢 𝑥, 𝑦 = 𝑥 𝑦 + 𝑦2𝑥 의 1계 편도함수 𝜕𝑢 𝜕𝑥 , 𝜕𝑢 𝜕𝑦 를 구하라. 𝜕𝑢 𝜕𝑥 = 𝜕 𝜕𝑥 𝑥 𝑦 + 𝑦 2𝑥 = 𝜕 𝜕𝑥 𝑥𝑦 1 2 + 𝑦2𝑥 = 𝑦 1 2 + 𝑦2 = 𝑦 + 𝑦2 𝜕𝑢 𝜕𝑦 = 𝜕 𝜕𝑦 𝑥𝑦 1 2 + 𝑦2𝑥 = 1 2𝑥𝑦 −1 2 + 2𝑦𝑥 = 𝑥 2 𝑦+ 2𝑦𝑥 2) 함수 𝑢 𝑥, 𝑦 의 전미분 𝑑𝑢 을 구하라. 𝑑𝑢 = 𝜕𝑢 𝜕𝑥𝑑𝑥 + 𝜕𝑢 𝜕𝑦𝑑𝑦 = 𝑦 1 2 + 𝑦2 𝑑𝑥 + 1 2𝑥𝑦 −1 2 + 2𝑦𝑥 𝑑𝑦 3) 함수 𝑢 𝑥, 𝑦 의 2계 편도함수를 구하라. 𝜕 𝜕𝑥 𝜕𝑢 𝜕𝑥 = 𝜕2𝑢 𝜕𝑥2 = 𝜕 𝜕𝑥 𝑦 1 2 + 𝑦2 = 0 𝜕 𝜕𝑥 𝜕𝑢 𝜕𝑦 = 𝜕2𝑢 𝜕𝑥𝜕𝑦 = 𝜕 𝜕𝑥 1 2𝑥𝑦 −1 2+ 2𝑦𝑥 = 1 2𝑦 −1 2 + 2𝑦 = 1 2 𝑦+ 2𝑦 𝜕 𝜕𝑢 = 𝜕2𝑢 = 𝜕 1𝑥𝑦−1 + 2𝑦𝑥 = −1𝑥𝑦−3 + 2𝑥 = − 𝑥 + 2𝑥
2-2. 부분적분법 𝑓′ 𝑥 𝑔(𝑥) 𝑑𝑥 = 𝑓 𝑥 𝑔 𝑥 − 𝑓 𝑥 𝑔′ 𝑥 𝑑𝑥 예시) 𝑥 ∙ 𝑒𝑥 𝑑𝑥 를 구하라 피적분함수의 setting 중요함. <setting 1> 피적분 함수의 setting: 𝑓′ 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔 𝑥 = 𝑥 𝑓′ 𝑥 를 적분, 𝑔(𝑥) 를 미분: 𝑓 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔′(𝑥) = 1 ∴ 𝑥 ∙ 𝑒𝑥 𝑑𝑥 = 𝑒𝑥 ∙ 𝑥 − 𝑒𝑥 ∙ 1 𝑑𝑥 = 𝑒𝑥 ∙ 𝑥 − 𝑒𝑥 𝑑𝑥 = 𝑥𝑒𝑥 − 𝑒𝑥 + 𝐶 = 𝑒𝑥(𝑥 − 1) + 𝐶 <setting 2> 함수의 setting을 반대로 하면: 𝑓′ 𝑥 = 𝑥 & 𝑔 𝑥 = 𝑒𝑥 𝑓′ 𝑥 를 적분, 𝑔(𝑥) 를 미분: 𝑓 𝑥 = 𝑥2 2 & 𝑔′(𝑥) = 𝑒 𝑥 ∴ 𝑥 ∙ 𝑒𝑥 𝑑𝑥 = 𝑥2 2 ∙ 𝑒 𝑥 − 𝑥2 2 ∙ 𝑒 𝑥 𝑑𝑥 + 𝐶 피적분 함수의 𝑥 가 𝑥2 으로 차수가 증가!!! 지난 시간 강의 복습 (지난 시간 강의 복습)
부분적분법 (integration by part) 을 적용할 수 있는 유형 정리 부분적분법: 𝑓′ 𝑥 𝑔(𝑥)𝑑𝑥 = 𝑓 𝑥 𝑔 𝑥 − 𝑓 𝑥 𝑔′(𝑥)𝑑𝑥 1) case 1: 대수함수와 지수함수의 곱 setting: 지수함수 = 𝑓′ 𝑥 & 대수함수 = 𝑔(𝑥) 2) case 2: 대수함수와 삼각함수의 곱 setting: 삼각함수 = 𝑓′ 𝑥 & 대수함수 = 𝑔(𝑥) 3) case 3: 대수함수와 로그함수의 곱 setting: 대수함수 = 𝑓′ 𝑥 & 로그함수 = 𝑔 𝑥 4) case 4: 지수함수와 삼각함수간의 곱
1st setting: 삼각함수 = 𝑓′ 𝑥 & 지수함수 = 𝑔(𝑥) 2nd setting: 동일하게 𝑜𝑟
1st setting: 지수함수 = 𝑓′ 𝑥 & 삼각함수 = 𝑔(𝑥) 2nd setting: 동일하게 ※ 1𝑠𝑡 𝑠𝑒𝑡𝑡𝑖𝑛𝑔 & 2𝑛𝑑 𝑠𝑒𝑡𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑠ℎ𝑜𝑢𝑙𝑑 𝑏𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑡‼
부분 적분법 (integration by part) 의 적용 예시 𝑓′ 𝑥 𝑔 𝑥 𝑑𝑥 = 𝑓 𝑥 𝑔 𝑥 − 𝑓 𝑥 𝑔′ 𝑥 𝑑𝑥 (1) case 1: 대수함수와 지수함수의 곱 setting: 지수함수 = 𝑓′ 𝑥 & 대수함수 = 𝑔(𝑥) 예시) 𝑥2∙ 𝑒𝑥 𝑑𝑥 1st setting: 𝑓′ 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔(𝑥) = 𝑥2 𝑓 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔′ 𝑥 = 2𝑥 ∴ 𝑥2∙ 𝑒𝑥 𝑑𝑥 = 𝑥2∙ 𝑒𝑥 − 2𝑥 ∙ 𝑒𝑥 𝑑𝑥 2nd setting: 𝑓′ 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔 𝑥 = 2𝑥 𝑓 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔′ 𝑥 = 2 ∴ 2𝑥 ∙ 𝑒𝑥 𝑑𝑥 = 2𝑥 ∙ 𝑒𝑥 − 2𝑒𝑥 𝑑𝑥 = 2𝑥 ∙ 𝑒𝑥 − 2𝑒𝑥 + 𝐶 𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙𝑙𝑦, 𝑥2∙ 𝑒𝑥 𝑑𝑥 = 𝑥2∙ 𝑒𝑥 − 2𝑥 ∙ 𝑒𝑥 + 2𝑒𝑥 + 𝐶 = 𝑒𝑥 𝑥2 − 2𝑥 + 2 + 𝐶 부분적분법 다시 적용 2. 부정적분의 계산
(2) case 2: 대수함수와 삼각함수의 곱 setting: 삼각함수 = 𝑓′ 𝑥 & 대수함수 = 𝑔(𝑥) (예시) 𝑥2 + 𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) 𝑑𝑥 1st setting: 𝑓′ 𝑥 = 𝑐𝑜𝑠(𝑥) & 𝑔 𝑥 = 𝑥2 + 𝑥 𝑓 𝑥 = 𝑠𝑖𝑛(𝑥) & 𝑔′ 𝑥 = 2𝑥 + 1 ∴ 𝑥2 + 𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) 𝑑𝑥 = 𝑥2 + 𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) − 2𝑥 + 1 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 2nd setting: 𝑓′ 𝑥 = 𝑠𝑖𝑛(𝑥) & 𝑔 𝑥 = 2𝑥 + 1
𝑓 𝑥 = −𝑐𝑜𝑠(𝑥) & 𝑔′ 𝑥 = 2 ∴ 2𝑥 + 1 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 = − 2𝑥 + 1 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) − −2𝑐𝑜𝑠(𝑥) 𝑑𝑥 + 𝐶
= − 2𝑥 + 1 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) + 2 𝑠𝑖𝑛(𝑥) + 𝐶 𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙𝑙𝑦, 𝑥2 + 𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) = 𝑥2 + 𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) + 2𝑥 + 1 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) − 2 𝑠𝑖𝑛(𝑥) + 𝐶 = 𝑥2 + 𝑥 − 2 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) + 2𝑥 + 1 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) + 𝐶 부분적분법 다시 적용
(3) case 3: 대수함수와 로그함수의 곱 setting: 대수함수 = 𝑓′ 𝑥 & 로그함수 = 𝑔(𝑥) (예시) (3𝑥2 + 1) ∙ 𝑙𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 setting: 𝑓′ 𝑥 = 3𝑥2 + 1 & 𝑔 𝑥 = 𝑙𝑛(𝑥) 𝑓 𝑥 = 𝑥3 + 𝑥 & 𝑔′(𝑥) = 1 𝑥 ∴ 3𝑥2 + 1 ∙ 𝑙𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 = 𝑥3 + 𝑥 ∙ 𝑙𝑛(𝑥) − 𝑥3 + 𝑥 ∙ 1 𝑥 𝑑𝑥 𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙𝑙𝑦, 3𝑥2 + 1 ∙ 𝑙𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 = 𝑥3 + 𝑥 ∙ 𝑙𝑛(𝑥) − 𝑥3 3 − 𝑥 + 𝐶 𝑥2 + 1 𝑑𝑥 = 𝑥3 3 + 𝑥 + 𝐶 2. 부정적분의 계산
(4) case 4: 지수함수와 삼각함수간의 곱 setting: 1𝑠𝑡 𝑠𝑒𝑡𝑡𝑖𝑛𝑔 & 2𝑛𝑑 𝑠𝑒𝑡𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑠ℎ𝑜𝑢𝑙𝑑 𝑏𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑡‼ (예시 1) 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 setting: 지수함수 = 𝑓′ 𝑥 & 삼각함수 = 𝑔 𝑥 1st setting: 𝑓′ 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔 𝑥 = 𝑠𝑖𝑛(𝑥)
𝑓 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔′(𝑥) = 𝑐𝑜𝑠(𝑥)
∴
𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 = 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) − 𝑒𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) 𝑑𝑥 2nd setting: 𝑓′ 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔 𝑥 = 𝑐𝑜𝑠(𝑥)
𝑓 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔′ 𝑥 = − 𝑠𝑖𝑛(𝑥) ∴ 𝑒𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) = 𝑒𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) − 𝑒𝑥 ∙ − 𝑠𝑖𝑛(𝑥) = 𝑒𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) + 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) + 𝐶 𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙𝑙𝑦, 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 = 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) − 𝑒𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) − 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 + 𝐶 ∴ 2 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 = 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛 𝑥 − 𝑒𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝑥 + 𝐶 = 𝑒𝑥 𝑠𝑖𝑛(𝑥) − 𝑐𝑜𝑠(𝑥) + 𝐶
𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 = 𝑒𝑥 𝑠𝑖𝑛(𝑥) − 𝑐𝑜𝑠(𝑥) + 𝐶 부분적분법 다시 적용
(미적분학 숙제3) 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 의 계산에서, 𝐼𝑓 𝑡ℎ𝑒 1𝑠𝑡 𝑠𝑒𝑡𝑡𝑖𝑛𝑔 & 2𝑛𝑑 𝑠𝑒𝑡𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑖𝑠 𝑛𝑜𝑡 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡,
(1) 1st setting: 지수함수 = 𝑓′ 𝑥 & 삼각함수 = 𝑔 𝑥 (2) 2nd setting: 삼각함수 = 𝑓′ 𝑥 & 지수함수 = 𝑔 𝑥 1st setting: 𝑓′ 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔 𝑥 = 𝑠𝑖𝑛(𝑥)
𝑓 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔′(𝑥) = 𝑐𝑜𝑠(𝑥) ∴ 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 = 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) − 𝑒𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) 𝑑𝑥
2nd setting: 𝑓′ 𝑥 = 𝑐𝑜𝑠(𝑥) & 𝑔 𝑥 = 𝑒𝑥
𝑓 𝑥 = 𝑠𝑖𝑛(𝑥) & 𝑔′ 𝑥 = 𝑒𝑥 위와 같이 setting 했을 때, 계산 결과를 구하라.
제출 일시: 11월25일 (월) 3교시 전까지 제출 (시간 엄수!!!) 양식: A4 용지 1장 (커버페이지 생략) 부분적분법 다시 적용 2. 부정적분의 계산
(예시1 계속) 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 의 계산 setting: 삼각함수 = 𝑓′ 𝑥 & 지수함수 = 𝑔 𝑥 1st setting: 𝑓′ 𝑥 = 𝑠𝑖𝑛(𝑥) & 𝑔 𝑥 = 𝑒𝑥 𝑓 𝑥 = − 𝑐𝑜𝑠(𝑥) & 𝑔′(𝑥) = 𝑒𝑥 ∴ 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 = −𝑒𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) − −𝑒𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) 𝑑𝑥 = −𝑒𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) + 𝑒𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) 𝑑𝑥
2nd setting: 𝑓′ 𝑥 = 𝑐𝑜𝑠(𝑥) & 𝑔(𝑥) = 𝑒𝑥
𝑓 𝑥 = 𝑠𝑖𝑛(𝑥) & 𝑔′ 𝑥 = 𝑒𝑥
∴
𝑒𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) 𝑑𝑥 = 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) − 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 + 𝐶
𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙𝑙𝑦, 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 = −𝑒𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) + 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) − 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 + 𝐶 ∴ 2 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 = −𝑒𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) + 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) + 𝐶
𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 = 1 2 −𝑒 𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) + 𝑒𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) + 𝐶 = 𝑒𝑥 2 𝑠𝑖𝑛(𝑥) − 𝑐𝑜𝑠(𝑥) + 𝐶
※ 𝑁𝑜𝑡𝑒
1𝑠𝑡 𝑠𝑒𝑡𝑡𝑖𝑛𝑔: 𝑓′ 𝑥 = 삼각함수
2𝑛𝑑 𝑠𝑒𝑡𝑡𝑖𝑛𝑔: 𝑓′ 𝑥 = 삼각함수
𝑜𝑟 (예시1) 의 처음 결과와 동일
예제) 𝑓′ 𝑥 𝑔(𝑥)𝑑𝑥 = 𝑓 𝑥 𝑔 𝑥 − 𝑓 𝑥 𝑔′(𝑥)𝑑𝑥 를 활용하여 다음의 부정적분을 구하라 (1) 𝑥2 + 𝑥 ∙ 𝑒𝑥 𝑑𝑥 1st setting: 𝑓′ 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔 𝑥 = 𝑥2 + 𝑥 𝑓 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔′(𝑥) = 2𝑥 + 1
∴ 𝑥2 + 𝑥 ∙ 𝑒𝑥 𝑑𝑥 = 𝑥2 + 𝑥 ∙ 𝑒𝑥 − (2𝑥 + 1) ∙ 𝑒𝑥 𝑑𝑥 2nd setting: 𝑓′ 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔 𝑥 = 2𝑥 + 1 𝑓 𝑥 = 𝑒𝑥 & 𝑔′(𝑥) = 2
∴ (2𝑥 + 1) ∙ 𝑒𝑥 𝑑𝑥 = 2𝑥 + 1 ∙ 𝑒𝑥 − 2𝑒𝑥 𝑑𝑥 = 2𝑥 + 1 ∙ 𝑒𝑥 − 2𝑒𝑥 + 𝐶 𝐹𝑟𝑜𝑚 1𝑠𝑡 & 2𝑛𝑑 𝑠𝑒𝑡𝑡𝑖𝑛𝑔, 𝑥2 + 𝑥 ∙ 𝑒𝑥 𝑑𝑥 = 𝑥2 + 𝑥 ∙ 𝑒𝑥 − 2𝑥 + 1 ∙ 𝑒𝑥 𝑑𝑥 + 𝐶 = 𝑥2 + 𝑥 ∙ 𝑒𝑥 − 2𝑥 + 1 ∙ 𝑒𝑥 + 2𝑒𝑥 + 𝐶 = 𝑥2 − 𝑥 + 1 ∙ 𝑒𝑥 + 𝐶 case (1): 대수함수와 지수함수의 곱 2. 부정적분의 계산
(2) 𝑥2 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 1st setting: 𝑓′ 𝑥 = 𝑠𝑖𝑛(𝑥) & 𝑔 𝑥 = 𝑥2 𝑓 𝑥 = − 𝑐𝑜𝑠(𝑥) & 𝑔′ 𝑥 = 2𝑥 ∴ 𝑥2 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) 𝑑𝑥 = −𝑥2∙ 𝑐𝑜𝑠 𝑥 + 2𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) 𝑑𝑥 2nd setting: 𝑓′ 𝑥 = 𝑐𝑜𝑠(𝑥) & 𝑔 𝑥 = 2𝑥 𝑓 𝑥 = 𝑠𝑖𝑛(𝑥) & 𝑔′ 𝑥 = 2 ∴ 2𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) 𝑑𝑥 = 2𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) − 2 𝑠𝑖𝑛 𝑥 𝑑𝑥 = 2𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) − −2 𝑐𝑜𝑠(𝑥) = 2𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) + 2 𝑐𝑜𝑠(𝑥) 𝐹𝑟𝑜𝑚 1𝑠𝑡 & 2𝑛𝑑 𝑠𝑒𝑡𝑡𝑖𝑛𝑔, 𝑥2 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝑥) 𝑑𝑥 = −𝑥2∙ 𝑐𝑜𝑠 𝑥 + 2𝑥 ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝑥 𝑑𝑥 + 𝐶 = −𝑥2∙ 𝑐𝑜𝑠 𝑥 + 2𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) + 2 𝑐𝑜𝑠(𝑥) + 𝐶 = 2 − 𝑥2 𝑐𝑜𝑠(𝑥) + 2𝑥 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝑥) + 𝐶 case 2: 대수함수와 삼각함수의 곱