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v1 · padrão canônico

Lição 84 — Técnica: substituição (u-substitution)

Substituição u = g(x): inversa da regra da cadeia. A técnica mais usada de integração. Versões indefinida e definida. Reconhecimento de padrão.

Used in: 3.º ano do EM (17 anos) · Equiv. Math II japonês cap. 6 · Equiv. Klasse 12 alemã

f(g(x))g(x)dx=f(u)du,u=g(x)\int f(g(x))\, g'(x)\, dx = \int f(u)\, du, \quad u = g(x)
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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

정리와 절차

변수 변환 정리

"치환 규칙은 적분에서 연쇄 법칙의 미분과 동등합니다." — OpenStax Calculus Vol. 1, §5.5

증명. F=fF' = f이면 연쇄 법칙으로: (Fg)=f(g(x))g(x)(F \circ g)' = f(g(x)) \cdot g'(x). 따라서 FgF \circ gf(g(x))g(x)f(g(x)) g'(x)의 부정적분입니다. 미적분학 기본정리 2에 의해:

abf(g(x))g(x)dx=F(g(b))F(g(a))=g(a)g(b)f(u)du.\int_a^b f(g(x)) g'(x)\, dx = F(g(b)) - F(g(a)) = \int_{g(a)}^{g(b)} f(u)\, du. \quad \square

기계적 절차

치환이 작동할 신호

피적분함수가 f(무언가)f(\text{무언가})를 포함하고 "무언가"의 도함수 (또는 그 도함수의 상수배)가 곱해져 있어야 합니다.

패턴의 예:

피적분함수uududu
2xex22x\, e^{x^2}x2x^22xdx2x\, dx
cosxesinx\cos x \cdot e^{\sin x}sinx\sin xcosxdx\cos x\, dx
xx2+1\frac{x}{x^2 + 1}x2+1x^2 + 12xdx2x\, dx (상수배 1/21/2 필요)
x2(x3+1)5x^2(x^3 + 1)^5x3+1x^3 + 13x2dx3x^2\, dx (상수배 1/31/3 필요)

풀이된 예제

Exercise list

30 exercises · 7 with worked solution (25%)

Application 23Understanding 2Modeling 2Challenge 2Proof 1
  1. Ex. 84.1Application

    (2x+1)4dx\int (2x+1)^4\, dx를 계산하세요.

  2. Ex. 84.2Application

    x(x23)5dx\int x(x^2 - 3)^5\, dx를 계산하세요.

  3. Ex. 84.3Application

    cos3xsinxdx\int \cos^3 x \sin x\, dx를 계산하세요.

  4. Ex. 84.4Application

    x2ex3+2dx\int x^2 e^{x^3 + 2}\, dx를 계산하세요.

  5. Ex. 84.5Application

    xx2+1dx\int \frac{x}{x^2 + 1}\, dx를 계산하세요.

  6. Ex. 84.6Application

    cos(3x)dx\int \cos(3x)\, dx를 계산하세요.

  7. Ex. 84.7ApplicationAnswer key

    xex2/2dx\int x e^{-x^2/2}\, dx를 계산하세요.

  8. Ex. 84.8ApplicationAnswer key

    (lnx)2xdx\int \frac{(\ln x)^2}{x}\, dx를 계산하세요.

  9. Ex. 84.9Application

    sin4xcosxdx\int \sin^4 x \cos x\, dx를 계산하세요.

  10. Ex. 84.10Application

    43xdx\int \sqrt{4 - 3x}\, dx를 계산하세요.

  11. Ex. 84.11Application

    (x+2)(x2+4x)3dx\int (x+2)(x^2+4x)^3\, dx를 계산하세요.

  12. Ex. 84.12Application

    sin(2x)dx\int \sin(2x)\, dx를 계산하세요.

  13. Ex. 84.13ApplicationAnswer key

    12xx2+1dx\int_1^2 \frac{x}{\sqrt{x^2+1}}\, dx를 계산하세요.

  14. Ex. 84.14Application

    01exex+1dx\int_0^1 \frac{e^x}{e^x + 1}\, dx를 계산하세요.

  15. Ex. 84.15Application

    cotxdx\int \cot x\, dx를 계산하세요.

  16. Ex. 84.16ApplicationAnswer key

    e5xdx\int e^{5x}\, dx를 계산하세요.

  17. Ex. 84.17Application

    x2x3+1dx\int \frac{x^2}{x^3 + 1}\, dx를 계산하세요.

  18. Ex. 84.18UnderstandingAnswer key

    3x2(x3+1)4dx\int 3x^2(x^3+1)^4\, dx를 계산하기에 가장 적절한 치환 uu는 무엇입니까?

  19. Ex. 84.19Understanding

    u=g(x)u = g(x) 치환을 시도할 때, g(x)g'(x)가 1이 아닌 다른 상수로 곱해져 있음을 알아챘습니다. 어떻게 할까요?

  20. Ex. 84.20Application

    0π/4esin2xsinxcosxdx\int_0^{\pi/4} e^{\sin^2 x} \sin x \cos x\, dx를 계산하세요.

  21. Ex. 84.21Application

    tan3xsec2xdx\int \tan^3 x \sec^2 x\, dx를 계산하세요.

  22. Ex. 84.22Application

    12x2(x3+1)4dx\int_1^2 x^2(x^3 + 1)^4\, dx를 계산하세요.

  23. Ex. 84.23Modeling

    고정수익 펀드의 월 유입금 비율이 R$ 500에 지수 성장을 더한 형태: r(t)=500e0,08tr(t) = 500 e^{0{,}08t} 레알/월입니다. 12개월 후 누적 잔액을 계산하세요.

  24. Ex. 84.24Application

    xcos(x2)dx\int x\cos(x^2)\, dx를 계산하세요.

  25. Ex. 84.25ApplicationAnswer key

    1(1+x)xdx\int \frac{1}{(1+\sqrt{x})\sqrt{x}}\, dx를 계산하세요.

  26. Ex. 84.26Application

    0πcos(sinx)cosxdx\int_0^\pi \cos(\sin x) \cos x\, dx를 계산하세요. (힌트: 치환 후 한계를 관찰하세요.)

  27. Ex. 84.27Challenge

    exe2x+1dx\int \frac{e^x}{e^{2x} + 1}\, dx를 계산하세요.

  28. Ex. 84.28Challenge

    치환으로 sec3xdx\int \sec^3 x\, dx를 계산해 보세요. 왜 간단한 치환이 여기서 실패하는지 확인하고, 답을 작성하세요 (부분적분 필요, 단원 85).

  29. Ex. 84.29ProofAnswer key

    다음을 증명하세요: f(ax+b)dx=1aF(ax+b)+C\int f(ax + b)\, dx = \frac{1}{a} F(ax + b) + C 여기서 F=fF' = f이고 a0a \neq 0.

  30. Ex. 84.30Modeling

    차량의 가속도가 a(t)=10e0,5ta(t) = 10e^{-0{,}5t} m/s²이고, 정지에서 출발합니다 (v(0)=0v(0) = 0). 치환을 사용하여 v(t)v(t)를 구하고 t=4t = 4 s에서의 속도를 계산하세요.

Fontes

Updated on 2026-05-06 · Author(s): Clube da Matemática

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