예제·유제 · Examples & Exercises

예제 01 역삼각함수 값 계산
한국어

다음 값을 계산하시오.

  1. $\arcsin\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)$
  2. $\arccos\left(-\dfrac{1}{2}\right)$
  3. $\csc^{-1}\sqrt{2}$

풀이.

(1) $\sin(\pi/3) = \sqrt{3}/2$이고 $\pi/3 \in [-\pi/2, \pi/2]$이므로 $\arcsin\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right) = \dfrac{\pi}{3}$이다.

(2) $\cos(2\pi/3) = -1/2$이고 $2\pi/3 \in [0,\pi]$이므로 $\arccos\left(-\dfrac{1}{2}\right) = \dfrac{2\pi}{3}$이다.

(3) $\csc(\pi/4) = 1/\sin(\pi/4) = \sqrt{2}$이고 $\pi/4$는 $\csc^{-1}$의 치역 $[-\pi/2,0)\cup(0,\pi/2]$에 속하므로 $\csc^{-1}\sqrt{2} = \dfrac{\pi}{4}$이다.

English

Compute the following values.

  1. $\arcsin\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)$
  2. $\arccos\left(-\dfrac{1}{2}\right)$
  3. $\csc^{-1}\sqrt{2}$

Solution.

(1) Since $\sin(\pi/3) = \sqrt{3}/2$ and $\pi/3 \in [-\pi/2, \pi/2]$, we get $\arcsin\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right) = \dfrac{\pi}{3}$.

(2) Since $\cos(2\pi/3) = -1/2$ and $2\pi/3 \in [0,\pi]$, we get $\arccos\left(-\dfrac{1}{2}\right) = \dfrac{2\pi}{3}$.

(3) Since $\csc(\pi/4) = 1/\sin(\pi/4) = \sqrt{2}$ and $\pi/4$ lies in the range $[-\pi/2,0)\cup(0,\pi/2]$ of $\csc^{-1}$, we get $\csc^{-1}\sqrt{2} = \dfrac{\pi}{4}$.

유제 01-1 역삼각함수 합성·극한
한국어

다음 값을 계산하시오.

  1. $\cot\left(\sin^{-1}\left(-\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)\right)$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to -\infty}\sec^{-1}x$

풀이.

(1) $\sin^{-1}\left(-\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right) = -\dfrac{\pi}{3}$이므로 $$\cot\left(\sin^{-1}\left(-\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)\right) = \cot\left(-\dfrac{\pi}{3}\right) = \frac{\cos(-\pi/3)}{\sin(-\pi/3)} = \frac{1/2}{-\sqrt{3}/2} = -\frac{1}{\sqrt{3}} = -\frac{\sqrt{3}}{3}$$ 이다.

(2) $\sec^{-1}x$는 치역이 $[0,\pi/2)\cup(\pi/2,\pi]$이다. $\sec^{-1}x = \cos^{-1}(1/x)$이고 $x \to -\infty$이면 $1/x \to 0-$이므로 $$\lim_{x \to -\infty}\sec^{-1}x = \lim_{x\to-\infty}\cos^{-1}\frac1x = \cos^{-1}(0) = \frac{\pi}{2}$$ 이다.

English

Compute the following values.

  1. $\cot\left(\sin^{-1}\left(-\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)\right)$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to -\infty}\sec^{-1}x$

Solution.

(1) Since $\sin^{-1}\left(-\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right) = -\dfrac{\pi}{3}$, $$\cot\left(\sin^{-1}\left(-\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)\right) = \cot\left(-\dfrac{\pi}{3}\right) = \frac{\cos(-\pi/3)}{\sin(-\pi/3)} = \frac{1/2}{-\sqrt{3}/2} = -\frac{1}{\sqrt{3}} = -\frac{\sqrt{3}}{3}.$$

(2) The function $\sec^{-1}x$ has range $[0,\pi/2)\cup(\pi/2,\pi]$. Since $\sec^{-1}x = \cos^{-1}(1/x)$ and $1/x \to 0-$ as $x \to -\infty$, $$\lim_{x \to -\infty}\sec^{-1}x = \lim_{x\to-\infty}\cos^{-1}\frac1x = \cos^{-1}(0) = \frac{\pi}{2}.$$

유제 01-2 비행기 경로와 회전각
한국어

비행기가 $A$ 지점으로부터 $240\,\text{km}$ 떨어진 $B$ 지점까지 직선 경로로 활주하도록 계획을 세웠다. 하지만 다른 방향의 직선 경로로 $180\,\text{km}$ 이동하여 직선 $AB$로부터 $12\,\text{km}$ 떨어진 지점 $C$에 도착했다고 하자. (단, 선분 $AB$와 선분 $AC$가 이루는 각은 예각이다.) 이때 두 직선 경로가 이루는 각도와 $C$ 지점에서 $A$ 지점에 도착하기 위해 비행기가 회전해야 하는 각도를 구하시오. (단, 계산기를 이용하여 근삿값을 계산할 것)

역주. 문면대로면 $C$에서 $A$로 향하는 회전각은 정확히 $180°$이다(아래 풀이 참조). 다만 원전(Thomas)의 취지는 목적지 $B$로 향하도록 방향을 바꾸는 회전으로 보이며, 그 경우 회전각은 $\sin^{-1}\dfrac{12}{180}+\tan^{-1}\dfrac{12}{240-\sqrt{180^2-12^2}}\approx 15.06°$이다.

풀이. 점 $A$에서 직선 $AB$에 내린 수선의 발을 $F$라 하면 삼각형 $AFC$는 $\angle F = 90°$인 직각삼각형이고 $\overline{FC} = 12$, $\overline{AC} = 180$이다. (선분 $AB$와 선분 $AC$가 이루는 각이 예각이므로 $F$는 선분 $AB$ 위에 있다.) 따라서 두 직선 경로가 이루는 각, 즉 $\angle BAC$는 $$\sin(\angle BAC) = \frac{\overline{FC}}{\overline{AC}} = \frac{12}{180} = \frac{1}{15}$$ 을 만족하므로 $$\angle BAC = \sin^{-1}\frac{1}{15} \approx 0.0667\,\text{rad} \approx 3.82°$$ 이다.

한편 비행기는 $A$에서 $C$까지 방향을 바꾸지 않고 일직선으로 비행했으므로, $C$ 지점에서의 진행 방향은 벡터 $\overrightarrow{AC}$의 방향과 같다. $A$ 지점에 도착하려면 진행 방향을 벡터 $\overrightarrow{CA} = -\overrightarrow{AC}$ 방향으로 바꾸어야 하는데, 이는 기존 진행 방향과 정반대 방향이다. 따라서 $C$ 지점에서 $A$ 지점에 도착하기 위해 비행기가 회전해야 하는 각도는 $$180°$$ 이다.

English

A plane was scheduled to fly a straight path from point $A$ to point $B$, a distance of $240\,\text{km}$. Instead, it flew a straight path of $180\,\text{km}$ in a different direction and arrived at a point $C$ that is $12\,\text{km}$ from line $AB$. (Here, the angle formed by segment $AB$ and segment $AC$ is acute.) Find the angle between the two straight paths, and the angle through which the plane must turn at point $C$ to reach point $A$. (Use a calculator to compute the approximate value.)

Note. Read literally, the turn from $C$ toward $A$ is exactly $180°$ (see the solution below). However, the intent of the original (Thomas) appears to be the turn needed to head toward the destination $B$, in which case the turn angle is $\sin^{-1}\dfrac{12}{180}+\tan^{-1}\dfrac{12}{240-\sqrt{180^2-12^2}}\approx 15.06°$.

Solution. Let $F$ be the foot of the perpendicular from $C$ to line $AB$. Then triangle $AFC$ is a right triangle with $\angle F = 90°$, $\overline{FC} = 12$, and $\overline{AC} = 180$. (Since the angle between segments $AB$ and $AC$ is acute, $F$ lies on segment $AB$.) Hence the angle between the two straight paths, $\angle BAC$, satisfies $$\sin(\angle BAC) = \frac{\overline{FC}}{\overline{AC}} = \frac{12}{180} = \frac{1}{15},$$ so $$\angle BAC = \sin^{-1}\frac{1}{15} \approx 0.0667\,\text{rad} \approx 3.82°.$$

Since the plane flew straight from $A$ to $C$ without changing direction, its heading at $C$ is the direction of the vector $\overrightarrow{AC}$. To reach point $A$, it must change its heading to the direction of $\overrightarrow{CA} = -\overrightarrow{AC}$, which is exactly opposite its current heading. Hence the angle through which the plane must turn at $C$ to reach $A$ is $$180°.$$

예제 02 역삼각함수의 미분
한국어

다음 함수를 미분하시오.

  1. $\arcsin(x^2)$
  2. $\arctan(5x^4)$

풀이.

(1) $\dfrac{d}{dx}\arcsin(x^2) = \dfrac{1}{\sqrt{1-(x^2)^2}}\cdot 2x = \dfrac{2x}{\sqrt{1-x^4}}$이다.

(2) $\dfrac{d}{dx}\arctan(5x^4) = \dfrac{1}{1+(5x^4)^2}\cdot 20x^3 = \dfrac{20x^3}{1+25x^8}$이다.

English

Differentiate the following functions.

  1. $\arcsin(x^2)$
  2. $\arctan(5x^4)$

Solution.

(1) $\dfrac{d}{dx}\arcsin(x^2) = \dfrac{1}{\sqrt{1-(x^2)^2}}\cdot 2x = \dfrac{2x}{\sqrt{1-x^4}}$.

(2) $\dfrac{d}{dx}\arctan(5x^4) = \dfrac{1}{1+(5x^4)^2}\cdot 20x^3 = \dfrac{20x^3}{1+25x^8}$.

유제 02-1 역삼각함수 도함수
한국어

$y = \tan^{-1}\sqrt{x^2-1} + \csc^{-1}x$ $(x \gt 1)$의 도함수를 구하시오.

풀이. $u = \sqrt{x^2-1}$이라 하면 $$\frac{d}{dx}\tan^{-1}\sqrt{x^2-1} = \frac{1}{1+u^2}\cdot\frac{x}{\sqrt{x^2-1}} = \frac{1}{1+(x^2-1)}\cdot\frac{x}{\sqrt{x^2-1}} = \frac{1}{x^2}\cdot\frac{x}{\sqrt{x^2-1}} = \frac{1}{x\sqrt{x^2-1}}$$ 이고, $x \gt 1$이므로 $$\frac{d}{dx}\csc^{-1}x = -\frac{1}{|x|\sqrt{x^2-1}} = -\frac{1}{x\sqrt{x^2-1}}$$ 이다. 따라서 $$y' = \frac{1}{x\sqrt{x^2-1}} - \frac{1}{x\sqrt{x^2-1}} = 0$$ 이다. (실제로 $x \gt 1$에서 $\tan^{-1}\sqrt{x^2-1} + \csc^{-1}x$는 상수함수이며 그 값은 $\pi/2$이다. 예를 들어 $x=\sqrt{2}$이면 $\tan^{-1}1 + \csc^{-1}\sqrt{2} = \pi/4+\pi/4 = \pi/2$이다.)

English

Find the derivative of $y = \tan^{-1}\sqrt{x^2-1} + \csc^{-1}x$ $(x \gt 1)$.

Solution. With $u = \sqrt{x^2-1}$, $$\frac{d}{dx}\tan^{-1}\sqrt{x^2-1} = \frac{1}{1+u^2}\cdot\frac{x}{\sqrt{x^2-1}} = \frac{1}{1+(x^2-1)}\cdot\frac{x}{\sqrt{x^2-1}} = \frac{1}{x^2}\cdot\frac{x}{\sqrt{x^2-1}} = \frac{1}{x\sqrt{x^2-1}},$$ and since $x \gt 1$, $$\frac{d}{dx}\csc^{-1}x = -\frac{1}{|x|\sqrt{x^2-1}} = -\frac{1}{x\sqrt{x^2-1}}.$$ Hence $$y' = \frac{1}{x\sqrt{x^2-1}} - \frac{1}{x\sqrt{x^2-1}} = 0.$$ (In fact, $\tan^{-1}\sqrt{x^2-1} + \csc^{-1}x$ is constant for $x \gt 1$, equal to $\pi/2$: for instance, at $x=\sqrt{2}$, $\tan^{-1}1 + \csc^{-1}\sqrt{2} = \pi/4+\pi/4 = \pi/2$.)

유제 02-2 음함수 접선의 기울기
한국어

곡선 $y\cos^{-1}(xy) = -\dfrac{3\sqrt{2}}{4}\pi$의 점 $P\left(\dfrac{1}{2},\, -\sqrt{2}\right)$에서의 접선의 기울기를 구하시오.

풀이. 방정식 $y\cos^{-1}(xy) = -\dfrac{3\sqrt{2}}{4}\pi$의 양변을 $x$에 대해 음함수 미분하면 $$y'\cos^{-1}(xy) + y\cdot\left(-\frac{1}{\sqrt{1-(xy)^2}}\right)(y+xy') = 0$$ 이다. 점 $P(1/2,-\sqrt{2})$에서 $xy = -\dfrac{\sqrt{2}}{2}$이므로 $$\cos^{-1}(xy) = \cos^{-1}\left(-\frac{\sqrt{2}}{2}\right) = \frac{3\pi}{4}, \qquad 1-(xy)^2 = 1-\frac{1}{2} = \frac{1}{2}, \qquad \sqrt{1-(xy)^2} = \frac{\sqrt{2}}{2}$$ 이다. 이를 대입하면 $$\frac{3\pi}{4}y' - \frac{y(y+xy')}{\sqrt{2}/2} = 0$$ 이고, $y=-\sqrt{2}$, $x=1/2$를 대입하면 $$\frac{3\pi}{4}y' + \sqrt{2}\cdot\frac{-\sqrt{2}+\frac{1}{2}y'}{\sqrt{2}/2} = 0 \implies \frac{3\pi}{4}y' + \left(-2\sqrt{2}+y'\right) = 0 \implies \left(\frac{3\pi}{4}+1\right)y' = 2\sqrt{2}$$ 이다. 따라서 $$y' = \frac{2\sqrt{2}}{\frac{3\pi+4}{4}} = \frac{8\sqrt{2}}{3\pi+4}$$ 이므로 점 $P$에서의 접선의 기울기는 $\dfrac{8\sqrt{2}}{4+3\pi}$이다.

English

Find the slope of the tangent line to the curve $y\cos^{-1}(xy) = -\dfrac{3\sqrt{2}}{4}\pi$ at the point $P\left(\dfrac{1}{2},\, -\sqrt{2}\right)$.

Solution. Differentiating $y\cos^{-1}(xy) = -\dfrac{3\sqrt{2}}{4}\pi$ implicitly with respect to $x$, $$y'\cos^{-1}(xy) + y\cdot\left(-\frac{1}{\sqrt{1-(xy)^2}}\right)(y+xy') = 0.$$ At $P(1/2,-\sqrt{2})$, $xy = -\dfrac{\sqrt{2}}{2}$, so $$\cos^{-1}(xy) = \cos^{-1}\left(-\frac{\sqrt{2}}{2}\right) = \frac{3\pi}{4}, \qquad 1-(xy)^2 = \frac{1}{2}, \qquad \sqrt{1-(xy)^2} = \frac{\sqrt{2}}{2}.$$ Substituting, $$\frac{3\pi}{4}y' - \frac{y(y+xy')}{\sqrt{2}/2} = 0,$$ and plugging in $y=-\sqrt{2}$, $x=1/2$, $$\frac{3\pi}{4}y' + \sqrt{2}\cdot\frac{-\sqrt{2}+\frac{1}{2}y'}{\sqrt{2}/2} = 0 \implies \frac{3\pi}{4}y' + \left(-2\sqrt{2}+y'\right) = 0 \implies \left(\frac{3\pi}{4}+1\right)y' = 2\sqrt{2}.$$ Hence $$y' = \frac{2\sqrt{2}}{\frac{3\pi+4}{4}} = \frac{8\sqrt{2}}{3\pi+4},$$ so the slope of the tangent line at $P$ is $\dfrac{8\sqrt{2}}{4+3\pi}$.

유제 02-3 역삼각함수 극한
한국어

다음을 계산하시오.

  1. $\displaystyle\lim_{x \to 0}\dfrac{\sin^{-1}5x}{x}$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to \infty}x\tan^{-1}\dfrac{2}{x}$
  3. $\displaystyle\lim_{x \to 0+}\dfrac{(\tan^{-1}\sqrt{x})^2}{x\sqrt{x+1}}$

풀이.

(1) $u=5x$라 하면 $x\to0$일 때 $u\to0$이고 $$\lim_{x\to0}\frac{\sin^{-1}5x}{x} = 5\lim_{u\to0}\frac{\sin^{-1}u}{u} = 5\cdot1 = 5$$ 이다. (단, $\lim_{u\to0}\sin^{-1}u/u = 1$은 $\sin^{-1}u$의 $u=0$에서의 미분계수가 $1$이라는 사실에서 나온다.)

(2) $t = 2/x$라 하면 $x\to\infty$일 때 $t\to0$이고 $$\lim_{x\to\infty}x\tan^{-1}\frac{2}{x} = 2\lim_{t\to0}\frac{\tan^{-1}t}{t} = 2\cdot1 = 2$$ 이다.

(3) $x\to0+$일 때 $\tan^{-1}\sqrt{x} \sim \sqrt{x}$이므로 $(\tan^{-1}\sqrt{x})^2 \sim x$이고 $x\sqrt{x+1}\sim x$이므로 $$\lim_{x\to0+}\frac{(\tan^{-1}\sqrt{x})^2}{x\sqrt{x+1}} = \left(\lim_{x\to0+}\left(\frac{\tan^{-1}\sqrt{x}}{\sqrt{x}}\right)^2\right)\cdot\frac{1}{\sqrt{0+1}} = 1^2\cdot1 = 1$$ 이다.

English

Compute the following.

  1. $\displaystyle\lim_{x \to 0}\dfrac{\sin^{-1}5x}{x}$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to \infty}x\tan^{-1}\dfrac{2}{x}$
  3. $\displaystyle\lim_{x \to 0+}\dfrac{(\tan^{-1}\sqrt{x})^2}{x\sqrt{x+1}}$

Solution.

(1) With $u=5x$, $u\to0$ as $x\to0$, so $$\lim_{x\to0}\frac{\sin^{-1}5x}{x} = 5\lim_{u\to0}\frac{\sin^{-1}u}{u} = 5\cdot1 = 5,$$ using $\lim_{u\to0}\sin^{-1}u/u = 1$, since this is the derivative of $\sin^{-1}u$ at $u=0$.

(2) With $t=2/x$, $t\to0$ as $x\to\infty$, so $$\lim_{x\to\infty}x\tan^{-1}\frac{2}{x} = 2\lim_{t\to0}\frac{\tan^{-1}t}{t} = 2\cdot1 = 2.$$

(3) As $x\to0+$, $\tan^{-1}\sqrt{x} \sim \sqrt{x}$, so $(\tan^{-1}\sqrt{x})^2 \sim x$, and $x\sqrt{x+1}\sim x$. Hence $$\lim_{x\to0+}\frac{(\tan^{-1}\sqrt{x})^2}{x\sqrt{x+1}} = \left(\lim_{x\to0+}\left(\frac{\tan^{-1}\sqrt{x}}{\sqrt{x}}\right)^2\right)\cdot\frac{1}{\sqrt{0+1}} = 1^2\cdot1 = 1.$$

유제 02-4 각을 최대로 하는 점
한국어

좌표평면 위의 점 $A(0,1)$, $B(0,5)$, $C(x,0)$에 대해 $\angle ACB$가 최대가 되도록 하는 $x$를 구하시오. (단, $x \gt 0$)

풀이. $C(x,0)$에서 $A$, $B$를 올려다보는 각(양의 $x$축 방향에서 잰 앙각)을 각각 $\alpha, \beta$라 하면 $$\alpha = \tan^{-1}\frac{1}{x}, \qquad \beta = \tan^{-1}\frac{5}{x}$$ 이고 $\angle ACB = \beta - \alpha$이다. $f(x) = \tan^{-1}\dfrac{5}{x} - \tan^{-1}\dfrac{1}{x}$ $(x\gt0)$라 하면 $$f'(x) = \frac{1}{1+(5/x)^2}\cdot\left(-\frac{5}{x^2}\right) - \frac{1}{1+(1/x)^2}\cdot\left(-\frac{1}{x^2}\right) = -\frac{5}{x^2+25} + \frac{1}{x^2+1}$$ 이다. $f'(x)=0$이면 $$\frac{1}{x^2+1} = \frac{5}{x^2+25} \implies x^2+25 = 5(x^2+1) \implies 4x^2 = 20 \implies x^2=5$$ 이고 $x\gt0$이므로 $x=\sqrt{5}$이다. $x\to0+$와 $x\to\infty$에서 $f(x)\to0$이고 $f'$의 부호가 $x=\sqrt5$ 부근에서 양에서 음으로 바뀌므로 $x=\sqrt5$는 $f$의 최댓값을 주는 점이다. 따라서 $\angle ACB$를 최대로 하는 $x$의 값은 $$x=\sqrt{5}$$ 이다.

English

For points $A(0,1)$, $B(0,5)$, $C(x,0)$ in the coordinate plane, find the value of $x$ that maximizes $\angle ACB$. (Here, $x \gt 0$.)

Solution. Let $\alpha, \beta$ be the angles of elevation from $C(x,0)$ to $A$ and $B$, respectively, measured from the positive $x$-axis: $$\alpha = \tan^{-1}\frac{1}{x}, \qquad \beta = \tan^{-1}\frac{5}{x},$$ so $\angle ACB = \beta - \alpha$. Let $f(x) = \tan^{-1}\dfrac{5}{x} - \tan^{-1}\dfrac{1}{x}$ for $x\gt0$. Then $$f'(x) = \frac{1}{1+(5/x)^2}\cdot\left(-\frac{5}{x^2}\right) - \frac{1}{1+(1/x)^2}\cdot\left(-\frac{1}{x^2}\right) = -\frac{5}{x^2+25} + \frac{1}{x^2+1}.$$ Setting $f'(x)=0$, $$\frac{1}{x^2+1} = \frac{5}{x^2+25} \implies x^2+25 = 5(x^2+1) \implies 4x^2 = 20 \implies x^2=5,$$ so $x=\sqrt{5}$ since $x\gt0$. As $x\to0+$ and $x\to\infty$, $f(x)\to0$, and $f'$ changes sign from positive to negative near $x=\sqrt5$, so $x=\sqrt5$ gives the maximum of $f$. Hence the value of $x$ that maximizes $\angle ACB$ is $$x=\sqrt{5}.$$

유제 02-5 역삼각함수 회전체 부피
한국어

곡선 $y = \sec^{-1}x$, 직선 $x$축과 직선 $x = 2$로 둘러싸인 영역을 $x$축을 중심으로 회전시켰을 때 생기는 회전체의 부피를 구하시오.

풀이. 곡선 $y=\sec^{-1}x$는 $x=1$에서 $y=0$이므로, 곡선과 $x$축, 직선 $x=2$로 둘러싸인 영역은 $1\le x\le2$에 놓인다. 원판법에 의해 회전체의 부피는 $$V = \pi\int_1^2(\sec^{-1}x)^2\,dx$$ 이다. $x=\sec t$ $(0\le t\le\pi/3)$로 치환하면 $dx=\sec t\tan t\,dt$이고 $\sec^{-1}x=t$이므로 $$V = \pi\int_0^{\pi/3}t^2\sec t\tan t\,dt$$ 이다. 부분적분 ($u=t^2$, $dv=\sec t\tan t\,dt$, $v=\sec t$)을 적용하면 $$\int_0^{\pi/3}t^2\sec t\tan t\,dt = \Bigl[t^2\sec t\Bigr]_0^{\pi/3} - \int_0^{\pi/3}2t\sec t\,dt = \frac{2\pi^2}{9} - 2\int_0^{\pi/3}t\sec t\,dt$$ 이다. 그런데 $\int t\sec t\,dt$는 초등함수로 나타낼 수 없는 적분이므로(디로그함수 등 특수함수가 필요), 이 부피는 닫힌 형태로 구할 수 없고 수치적으로 계산해야 한다. 심프슨 공식 등으로 수치적분하면 $$\int_1^2(\sec^{-1}x)^2\,dx \approx 0.6563$$ 이므로 $$V \approx \pi\times0.6563 \approx 2.0618$$ 이다.

English

Find the volume of the solid of revolution generated by revolving about the $x$-axis the region bounded by the curve $y = \sec^{-1}x$, the $x$-axis, and the line $x = 2$.

Solution. Since $y=\sec^{-1}x$ satisfies $y=0$ at $x=1$, the region bounded by the curve, the $x$-axis, and the line $x=2$ lies over $1\le x\le2$. By the disk method, $$V = \pi\int_1^2(\sec^{-1}x)^2\,dx.$$ Substituting $x=\sec t$ $(0\le t\le\pi/3)$, so $dx=\sec t\tan t\,dt$ and $\sec^{-1}x=t$, $$V = \pi\int_0^{\pi/3}t^2\sec t\tan t\,dt.$$ Integrating by parts with $u=t^2$, $dv=\sec t\tan t\,dt$, $v=\sec t$, $$\int_0^{\pi/3}t^2\sec t\tan t\,dt = \Bigl[t^2\sec t\Bigr]_0^{\pi/3} - \int_0^{\pi/3}2t\sec t\,dt = \frac{2\pi^2}{9} - 2\int_0^{\pi/3}t\sec t\,dt.$$ However, $\int t\sec t\,dt$ has no elementary closed form (it requires special functions such as the dilogarithm), so this volume cannot be expressed in closed form and must be evaluated numerically. Numerical integration (e.g., Simpson's Rule) gives $$\int_1^2(\sec^{-1}x)^2\,dx \approx 0.6563,$$ so $$V \approx \pi\times0.6563 \approx 2.0618.$$

유제 02-6 원뿔 부피 최대화
한국어

좌표평면 위의 점 $A(a,0)$, $B(0,b)$에 대해 $\overline{AB} = 3$이라고 하자. (단, $a, b \gt 0$) 선분 $AB$를 $y$축을 회전축으로 하여 회전했을 때 생기는 원뿔의 부피가 최대가 되도록 하는 $\angle OBA$의 최댓값을 구하시오.

풀이. $A(a,0)$, $B(0,b)$이고 $a^2+b^2=9$ ($a,b\gt0$)이다. 선분 $AB$를 $y$축을 회전축으로 회전시키면 밑면 반지름이 $a$, 높이가 $b$인 원뿔이 생기므로 그 부피는 $$V = \frac{1}{3}\pi a^2 b$$ 이다. $a^2=9-b^2$를 대입하면 $$V(b) = \frac{\pi}{3}(9-b^2)b = \frac{\pi}{3}(9b-b^3) \qquad (0\lt b\lt3)$$ 이고 $$V'(b) = \frac{\pi}{3}(9-3b^2) = 0 \implies b^2=3 \implies b=\sqrt{3}$$ 이다. $V''(b) = \frac{\pi}{3}(-6b) \lt 0$ ($b\gt0$)이므로 $b=\sqrt3$에서 $V$는 최댓값을 갖는다. 이때 $a^2=9-3=6$이므로 $a=\sqrt6$이다. 직각삼각형 $OAB$ ($\angle O=90°$)에서 $$\tan(\angle OBA) = \frac{\overline{OA}}{\overline{OB}} = \frac{a}{b} = \frac{\sqrt6}{\sqrt3} = \sqrt2$$ 이므로 원뿔의 부피가 최대가 될 때 $$\angle OBA = \tan^{-1}\sqrt2 \; (\approx 54.7°)$$ 이다.

English

For points $A(a,0)$, $B(0,b)$ in the coordinate plane, suppose $\overline{AB} = 3$. (Here, $a, b \gt 0$.) Find the maximum value of $\angle OBA$ such that the volume of the cone generated by revolving segment $AB$ about the $y$-axis is maximized.

Solution. With $A(a,0)$, $B(0,b)$ and $a^2+b^2=9$ ($a,b\gt0$), revolving segment $AB$ about the $y$-axis produces a cone of base radius $a$ and height $b$, so its volume is $$V = \frac{1}{3}\pi a^2 b.$$ Substituting $a^2=9-b^2$, $$V(b) = \frac{\pi}{3}(9-b^2)b = \frac{\pi}{3}(9b-b^3) \qquad (0\lt b\lt3),$$ so $$V'(b) = \frac{\pi}{3}(9-3b^2) = 0 \implies b^2=3 \implies b=\sqrt{3}.$$ Since $V''(b) = \frac{\pi}{3}(-6b) \lt 0$ for $b\gt0$, $V$ attains its maximum at $b=\sqrt3$, where $a^2=9-3=6$, so $a=\sqrt6$. In the right triangle $OAB$ (right angle at $O$), $$\tan(\angle OBA) = \frac{\overline{OA}}{\overline{OB}} = \frac{a}{b} = \frac{\sqrt6}{\sqrt3} = \sqrt2,$$ so when the volume of the cone is maximized, $$\angle OBA = \tan^{-1}\sqrt2 \; (\approx 54.7°).$$

예제 03 역삼각함수 적분
한국어

다음을 계산하시오.

  1. $\displaystyle\int_{\sqrt{2}/2}^{\sqrt{3}/2}\dfrac{dx}{\sqrt{1-x^2}}$
  2. $\displaystyle\int\dfrac{dx}{\sqrt{3-4x^2}}$
  3. $\displaystyle\int\dfrac{dx}{\sqrt{e^{2x}-6}}$

풀이.

(1) $$\int_{\sqrt2/2}^{\sqrt3/2}\frac{dx}{\sqrt{1-x^2}} = \Bigl[\sin^{-1}x\Bigr]_{\sqrt2/2}^{\sqrt3/2} = \sin^{-1}\frac{\sqrt3}{2} - \sin^{-1}\frac{\sqrt2}{2} = \frac{\pi}{3}-\frac{\pi}{4} = \frac{\pi}{12}$$ 이다.

(2) $$\int\frac{dx}{\sqrt{3-4x^2}} = \int\frac{dx}{2\sqrt{(\sqrt3/2)^2-x^2}} = \frac{1}{2}\sin^{-1}\frac{2x}{\sqrt3}+C$$ 이다.

(3) $u=e^x$로 치환하면 $du=e^x\,dx=u\,dx$이므로 $dx=du/u$이고 $$\int\frac{dx}{\sqrt{e^{2x}-6}} = \int\frac{du}{u\sqrt{u^2-6}} = \frac{1}{\sqrt6}\sec^{-1}\frac{u}{\sqrt6}+C = \frac{1}{\sqrt6}\sec^{-1}\frac{e^x}{\sqrt6}+C$$ 이다. $\sec\theta = u/\sqrt6$이면 직각삼각형에서 대변이 $\sqrt{u^2-6}$이므로 $\tan\theta = \sqrt{u^2-6}/\sqrt6$이고, 이는 $\theta = \tan^{-1}\bigl(\sqrt{u^2-6}/\sqrt6\bigr)$과 같은 각을 나타낸다. 따라서 $$\int\frac{dx}{\sqrt{e^{2x}-6}} = \frac{1}{\sqrt6}\tan^{-1}\frac{\sqrt{e^{2x}-6}}{\sqrt6}+C$$ 로도 쓸 수 있다.

English

Compute the following.

  1. $\displaystyle\int_{\sqrt{2}/2}^{\sqrt{3}/2}\dfrac{dx}{\sqrt{1-x^2}}$
  2. $\displaystyle\int\dfrac{dx}{\sqrt{3-4x^2}}$
  3. $\displaystyle\int\dfrac{dx}{\sqrt{e^{2x}-6}}$

Solution.

(1) $$\int_{\sqrt2/2}^{\sqrt3/2}\frac{dx}{\sqrt{1-x^2}} = \Bigl[\sin^{-1}x\Bigr]_{\sqrt2/2}^{\sqrt3/2} = \sin^{-1}\frac{\sqrt3}{2} - \sin^{-1}\frac{\sqrt2}{2} = \frac{\pi}{3}-\frac{\pi}{4} = \frac{\pi}{12}.$$

(2) $$\int\frac{dx}{\sqrt{3-4x^2}} = \int\frac{dx}{2\sqrt{(\sqrt3/2)^2-x^2}} = \frac{1}{2}\sin^{-1}\frac{2x}{\sqrt3}+C.$$

(3) Substituting $u=e^x$, so $du=e^x\,dx=u\,dx$ and $dx=du/u$, $$\int\frac{dx}{\sqrt{e^{2x}-6}} = \int\frac{du}{u\sqrt{u^2-6}} = \frac{1}{\sqrt6}\sec^{-1}\frac{u}{\sqrt6}+C = \frac{1}{\sqrt6}\sec^{-1}\frac{e^x}{\sqrt6}+C.$$ If $\sec\theta = u/\sqrt6$, the opposite side of the corresponding right triangle is $\sqrt{u^2-6}$, so $\tan\theta = \sqrt{u^2-6}/\sqrt6$, which represents the same angle as $\theta = \tan^{-1}\bigl(\sqrt{u^2-6}/\sqrt6\bigr)$. Hence we may also write $$\int\frac{dx}{\sqrt{e^{2x}-6}} = \frac{1}{\sqrt6}\tan^{-1}\frac{\sqrt{e^{2x}-6}}{\sqrt6}+C.$$

유제 03 역삼각함수 관련 적분
한국어

다음을 계산하시오.

  1. $\displaystyle\int\dfrac{dx}{\sqrt{4x-x^2}}$
  2. $\displaystyle\int\dfrac{dx}{4x^2+4x+2}$
  3. $\displaystyle\int\dfrac{t-2}{t^2-6t+10}\,dt$
  4. $\displaystyle\int\dfrac{e^{\sin^{-1}x}}{\sqrt{1-x^2}}\,dx$
  5. $\displaystyle\int\dfrac{1}{\sqrt{x}\,(x+1)\left((\tan^{-1}\sqrt{x})^2+9\right)}\,dx$
  6. $\displaystyle\int\dfrac{\tan^{-1}x}{x^2}\,dx$
  7. $\displaystyle\int(\sin^{-1}x)^2\,dx$
  8. $\displaystyle\int\ln(1+x^2)\,dx$

풀이.

(1) $4x-x^2 = 4-(x-2)^2$이므로 $$\int\frac{dx}{\sqrt{4x-x^2}} = \int\frac{dx}{\sqrt{4-(x-2)^2}} = \sin^{-1}\left(\frac{x-2}{2}\right)+C = \sin^{-1}\left(\frac{x}{2}-1\right)+C$$ 이다.

(2) $4x^2+4x+2 = 4\left(x+\dfrac12\right)^2+1$이므로 $w=x+1/2$로 놓으면 $$\int\frac{dx}{4x^2+4x+2} = \int\frac{dw}{4w^2+1} = \int\frac{dw}{1+(2w)^2} = \frac{1}{2}\tan^{-1}(2w)+C = \frac{1}{2}\tan^{-1}(2x+1)+C$$ 이다.

(3) $\dfrac{d}{dt}(t^2-6t+10) = 2t-6$이고 $t-2 = \dfrac12(2t-6)+1$이므로 $$\int\frac{t-2}{t^2-6t+10}\,dt = \frac12\int\frac{2t-6}{t^2-6t+10}\,dt + \int\frac{dt}{(t-3)^2+1} = \frac12\ln(t^2-6t+10) + \tan^{-1}(t-3)+C$$ 이다.

(4) $u=\sin^{-1}x$로 치환하면 $du=dx/\sqrt{1-x^2}$이므로 $$\int\frac{e^{\sin^{-1}x}}{\sqrt{1-x^2}}\,dx = \int e^u\,du = e^u+C = e^{\sin^{-1}x}+C$$ 이다.

(5) $u=\tan^{-1}\sqrt{x}$로 치환하면 $$\frac{du}{dx} = \frac{1}{1+x}\cdot\frac{1}{2\sqrt{x}} = \frac{1}{2\sqrt{x}(x+1)}$$ 이므로 $\dfrac{dx}{\sqrt{x}(x+1)} = 2\,du$이다. 따라서 $$\int\frac{dx}{\sqrt{x}(x+1)\bigl((\tan^{-1}\sqrt{x})^2+9\bigr)} = \int\frac{2\,du}{u^2+9} = \frac{2}{3}\tan^{-1}\frac{u}{3}+C = \frac{2}{3}\tan^{-1}\left(\frac{\tan^{-1}\sqrt{x}}{3}\right)+C$$ 이다.

(6) $u=\tan^{-1}x$, $dv=dx/x^2$, $v=-1/x$로 부분적분하면 $$\int\frac{\tan^{-1}x}{x^2}\,dx = -\frac{\tan^{-1}x}{x} + \int\frac{dx}{x(1+x^2)}$$ 이고, 부분분수분해 $\dfrac{1}{x(1+x^2)} = \dfrac1x - \dfrac{x}{1+x^2}$에 의해 $$\int\frac{dx}{x(1+x^2)} = \ln|x| - \frac12\ln(x^2+1)+C$$ 이다. 따라서 $$\int\frac{\tan^{-1}x}{x^2}\,dx = \ln x - \frac12\ln(x^2+1) - \frac{\tan^{-1}x}{x}+C$$ 이다.

(7) $u=(\sin^{-1}x)^2$, $dv=dx$, $v=x$로 부분적분하면 $$\int(\sin^{-1}x)^2\,dx = x(\sin^{-1}x)^2 - 2\int\frac{x\sin^{-1}x}{\sqrt{1-x^2}}\,dx$$ 이다. $p=\sin^{-1}x$, $dq = \dfrac{x}{\sqrt{1-x^2}}\,dx$, $q=-\sqrt{1-x^2}$로 다시 부분적분하면 $$\int\frac{x\sin^{-1}x}{\sqrt{1-x^2}}\,dx = -\sqrt{1-x^2}\sin^{-1}x + \int dx = -\sqrt{1-x^2}\sin^{-1}x + x+C$$ 이다. 따라서 $$\int(\sin^{-1}x)^2\,dx = x(\sin^{-1}x)^2 + 2\sqrt{1-x^2}\sin^{-1}x - 2x+C$$ 이다.

(8) $u=\ln(1+x^2)$, $dv=dx$, $v=x$로 부분적분하면 $$\int\ln(1+x^2)\,dx = x\ln(1+x^2) - \int\frac{2x^2}{1+x^2}\,dx$$ 이고, $\dfrac{2x^2}{1+x^2} = 2-\dfrac{2}{1+x^2}$이므로 $$\int\frac{2x^2}{1+x^2}\,dx = 2x-2\tan^{-1}x+C$$ 이다. 따라서 $$\int\ln(1+x^2)\,dx = x\ln(1+x^2) - 2x + 2\tan^{-1}x+C$$ 이다.

English

Compute the following.

  1. $\displaystyle\int\dfrac{dx}{\sqrt{4x-x^2}}$
  2. $\displaystyle\int\dfrac{dx}{4x^2+4x+2}$
  3. $\displaystyle\int\dfrac{t-2}{t^2-6t+10}\,dt$
  4. $\displaystyle\int\dfrac{e^{\sin^{-1}x}}{\sqrt{1-x^2}}\,dx$
  5. $\displaystyle\int\dfrac{1}{\sqrt{x}\,(x+1)\left((\tan^{-1}\sqrt{x})^2+9\right)}\,dx$
  6. $\displaystyle\int\dfrac{\tan^{-1}x}{x^2}\,dx$
  7. $\displaystyle\int(\sin^{-1}x)^2\,dx$
  8. $\displaystyle\int\ln(1+x^2)\,dx$

Solution.

(1) Since $4x-x^2 = 4-(x-2)^2$, $$\int\frac{dx}{\sqrt{4x-x^2}} = \int\frac{dx}{\sqrt{4-(x-2)^2}} = \sin^{-1}\left(\frac{x-2}{2}\right)+C = \sin^{-1}\left(\frac{x}{2}-1\right)+C.$$

(2) Since $4x^2+4x+2 = 4\left(x+\dfrac12\right)^2+1$, with $w=x+1/2$, $$\int\frac{dx}{4x^2+4x+2} = \int\frac{dw}{4w^2+1} = \int\frac{dw}{1+(2w)^2} = \frac{1}{2}\tan^{-1}(2w)+C = \frac{1}{2}\tan^{-1}(2x+1)+C.$$

(3) Since $\dfrac{d}{dt}(t^2-6t+10) = 2t-6$ and $t-2 = \dfrac12(2t-6)+1$, $$\int\frac{t-2}{t^2-6t+10}\,dt = \frac12\int\frac{2t-6}{t^2-6t+10}\,dt + \int\frac{dt}{(t-3)^2+1} = \frac12\ln(t^2-6t+10) + \tan^{-1}(t-3)+C.$$

(4) Substituting $u=\sin^{-1}x$, so $du=dx/\sqrt{1-x^2}$, $$\int\frac{e^{\sin^{-1}x}}{\sqrt{1-x^2}}\,dx = \int e^u\,du = e^u+C = e^{\sin^{-1}x}+C.$$

(5) Substituting $u=\tan^{-1}\sqrt{x}$, $$\frac{du}{dx} = \frac{1}{1+x}\cdot\frac{1}{2\sqrt{x}} = \frac{1}{2\sqrt{x}(x+1)},$$ so $\dfrac{dx}{\sqrt{x}(x+1)} = 2\,du$. Hence $$\int\frac{dx}{\sqrt{x}(x+1)\bigl((\tan^{-1}\sqrt{x})^2+9\bigr)} = \int\frac{2\,du}{u^2+9} = \frac{2}{3}\tan^{-1}\frac{u}{3}+C = \frac{2}{3}\tan^{-1}\left(\frac{\tan^{-1}\sqrt{x}}{3}\right)+C.$$

(6) Integrating by parts with $u=\tan^{-1}x$, $dv=dx/x^2$, $v=-1/x$, $$\int\frac{\tan^{-1}x}{x^2}\,dx = -\frac{\tan^{-1}x}{x} + \int\frac{dx}{x(1+x^2)},$$ and by the partial fraction decomposition $\dfrac{1}{x(1+x^2)} = \dfrac1x - \dfrac{x}{1+x^2}$, $$\int\frac{dx}{x(1+x^2)} = \ln|x| - \frac12\ln(x^2+1)+C.$$ Hence $$\int\frac{\tan^{-1}x}{x^2}\,dx = \ln x - \frac12\ln(x^2+1) - \frac{\tan^{-1}x}{x}+C.$$

(7) Integrating by parts with $u=(\sin^{-1}x)^2$, $dv=dx$, $v=x$, $$\int(\sin^{-1}x)^2\,dx = x(\sin^{-1}x)^2 - 2\int\frac{x\sin^{-1}x}{\sqrt{1-x^2}}\,dx.$$ Integrating by parts again with $p=\sin^{-1}x$, $dq = \dfrac{x}{\sqrt{1-x^2}}\,dx$, $q=-\sqrt{1-x^2}$, $$\int\frac{x\sin^{-1}x}{\sqrt{1-x^2}}\,dx = -\sqrt{1-x^2}\sin^{-1}x + \int dx = -\sqrt{1-x^2}\sin^{-1}x + x+C.$$ Hence $$\int(\sin^{-1}x)^2\,dx = x(\sin^{-1}x)^2 + 2\sqrt{1-x^2}\sin^{-1}x - 2x+C.$$

(8) Integrating by parts with $u=\ln(1+x^2)$, $dv=dx$, $v=x$, $$\int\ln(1+x^2)\,dx = x\ln(1+x^2) - \int\frac{2x^2}{1+x^2}\,dx,$$ and since $\dfrac{2x^2}{1+x^2} = 2-\dfrac{2}{1+x^2}$, $$\int\frac{2x^2}{1+x^2}\,dx = 2x-2\tan^{-1}x+C.$$ Hence $$\int\ln(1+x^2)\,dx = x\ln(1+x^2) - 2x + 2\tan^{-1}x+C.$$

예제 04 쌍곡함수 계산
한국어

다음을 계산하시오.

  1. $\sinh(\ln 2)$
  2. $\dfrac{d}{dx}\left(6\sinh\dfrac{x}{3}\right)$
  3. $\dfrac{d}{dt}\left(\tanh\sqrt{1+t^2}\right)$
  4. $\displaystyle\int\coth(5x)\,dx$
  5. $\displaystyle\int_0^1\sinh^2 x\,dx$
  6. $\displaystyle\int_0^{\ln 2}4e^x\sinh x\,dx$
  7. $\dfrac{d}{d\theta}\left(\operatorname{csch}^{-1}2^\theta\right)$
  8. $\displaystyle\int_0^1\dfrac{2\,dx}{\sqrt{3+4x^2}}$

풀이.

(1) $\sinh(\ln2) = \dfrac{e^{\ln2}-e^{-\ln2}}{2} = \dfrac{2-1/2}{2} = \dfrac34$이다.

(2) $\dfrac{d}{dx}\left(6\sinh\dfrac{x}{3}\right) = 6\cosh\dfrac{x}{3}\cdot\dfrac13 = 2\cosh\dfrac{x}{3}$이다.

(3) $\dfrac{d}{dt}\left(\tanh\sqrt{1+t^2}\right) = \operatorname{sech}^2\!\sqrt{1+t^2}\cdot\dfrac{t}{\sqrt{1+t^2}} = \dfrac{t\operatorname{sech}^2\sqrt{1+t^2}}{\sqrt{1+t^2}}$이다.

(4) $\displaystyle\int\coth(5x)\,dx = \frac15\ln|\sinh5x|+C$이다.

(5) $\sinh^2x = \dfrac{\cosh2x-1}{2}$이므로 $$\int_0^1\sinh^2x\,dx = \int_0^1\frac{\cosh2x-1}{2}\,dx = \left[\frac{\sinh2x}{4}-\frac{x}{2}\right]_0^1 = \frac{\sinh2}{4}-\frac12$$ 이다.

(6) $4e^x\sinh x = 4e^x\cdot\dfrac{e^x-e^{-x}}{2} = 2e^{2x}-2$이므로 $$\int_0^{\ln2}4e^x\sinh x\,dx = \int_0^{\ln2}(2e^{2x}-2)\,dx = \Bigl[e^{2x}-2x\Bigr]_0^{\ln2} = (4-2\ln2)-1 = 3-2\ln2 = 3-\ln4$$ 이다.

(7) $\operatorname{csch}^{-1}x$의 도함수는 $x\ne0$일 때 $\dfrac{d}{dx}\operatorname{csch}^{-1}x = -\dfrac{1}{|x|\sqrt{1+x^2}}$이다. $x=2^\theta\gt0$이고 $\dfrac{d}{d\theta}2^\theta = 2^\theta\ln2$이므로 $$\frac{d}{d\theta}\operatorname{csch}^{-1}2^\theta = -\frac{1}{2^\theta\sqrt{1+2^{2\theta}}}\cdot2^\theta\ln2 = -\frac{\ln2}{\sqrt{2^{2\theta}+1}}$$ 이다.

(8) $3+4x^2 = 4\left(x^2+\dfrac34\right)$이므로 $$\int_0^1\frac{2\,dx}{\sqrt{3+4x^2}} = \int_0^1\frac{dx}{\sqrt{x^2+(\sqrt3/2)^2}} = \left[\sinh^{-1}\frac{2x}{\sqrt3}\right]_0^1 = \sinh^{-1}\frac{2}{\sqrt3}$$ 이다.

English

Compute the following.

  1. $\sinh(\ln 2)$
  2. $\dfrac{d}{dx}\left(6\sinh\dfrac{x}{3}\right)$
  3. $\dfrac{d}{dt}\left(\tanh\sqrt{1+t^2}\right)$
  4. $\displaystyle\int\coth(5x)\,dx$
  5. $\displaystyle\int_0^1\sinh^2 x\,dx$
  6. $\displaystyle\int_0^{\ln 2}4e^x\sinh x\,dx$
  7. $\dfrac{d}{d\theta}\left(\operatorname{csch}^{-1}2^\theta\right)$
  8. $\displaystyle\int_0^1\dfrac{2\,dx}{\sqrt{3+4x^2}}$

Solution.

(1) $\sinh(\ln2) = \dfrac{e^{\ln2}-e^{-\ln2}}{2} = \dfrac{2-1/2}{2} = \dfrac34$.

(2) $\dfrac{d}{dx}\left(6\sinh\dfrac{x}{3}\right) = 6\cosh\dfrac{x}{3}\cdot\dfrac13 = 2\cosh\dfrac{x}{3}$.

(3) $\dfrac{d}{dt}\left(\tanh\sqrt{1+t^2}\right) = \operatorname{sech}^2\!\sqrt{1+t^2}\cdot\dfrac{t}{\sqrt{1+t^2}} = \dfrac{t\operatorname{sech}^2\sqrt{1+t^2}}{\sqrt{1+t^2}}$.

(4) $\displaystyle\int\coth(5x)\,dx = \frac15\ln|\sinh5x|+C$.

(5) Since $\sinh^2x = \dfrac{\cosh2x-1}{2}$, $$\int_0^1\sinh^2x\,dx = \int_0^1\frac{\cosh2x-1}{2}\,dx = \left[\frac{\sinh2x}{4}-\frac{x}{2}\right]_0^1 = \frac{\sinh2}{4}-\frac12.$$

(6) Since $4e^x\sinh x = 4e^x\cdot\dfrac{e^x-e^{-x}}{2} = 2e^{2x}-2$, $$\int_0^{\ln2}4e^x\sinh x\,dx = \int_0^{\ln2}(2e^{2x}-2)\,dx = \Bigl[e^{2x}-2x\Bigr]_0^{\ln2} = (4-2\ln2)-1 = 3-2\ln2 = 3-\ln4.$$

(7) The derivative of $\operatorname{csch}^{-1}x$ is $\dfrac{d}{dx}\operatorname{csch}^{-1}x = -\dfrac{1}{|x|\sqrt{1+x^2}}$ for $x\ne0$. With $x=2^\theta\gt0$ and $\dfrac{d}{d\theta}2^\theta = 2^\theta\ln2$, $$\frac{d}{d\theta}\operatorname{csch}^{-1}2^\theta = -\frac{1}{2^\theta\sqrt{1+2^{2\theta}}}\cdot2^\theta\ln2 = -\frac{\ln2}{\sqrt{2^{2\theta}+1}}.$$

(8) Since $3+4x^2 = 4\left(x^2+\dfrac34\right)$, $$\int_0^1\frac{2\,dx}{\sqrt{3+4x^2}} = \int_0^1\frac{dx}{\sqrt{x^2+(\sqrt3/2)^2}} = \left[\sinh^{-1}\frac{2x}{\sqrt3}\right]_0^1 = \sinh^{-1}\frac{2}{\sqrt3}.$$

유제 04-1 쌍곡함수 값 구하기
한국어

$\cosh x = \dfrac{17}{15}$이고 $x \gt 0$일 때 $\sinh x$, $\tanh x$의 값을 구하시오.

풀이. $\cosh^2x-\sinh^2x=1$이므로 $$\sinh^2x = \cosh^2x-1 = \left(\frac{17}{15}\right)^2-1 = \frac{289-225}{225} = \frac{64}{225}$$ 이고 $x\gt0$이므로 $\sinh x\gt0$, 따라서 $$\sinh x = \frac{8}{15}$$ 이다. 또한 $$\tanh x = \frac{\sinh x}{\cosh x} = \frac{8/15}{17/15} = \frac{8}{17}$$ 이다.

English

Given $\cosh x = \dfrac{17}{15}$ and $x \gt 0$, find the values of $\sinh x$ and $\tanh x$.

Solution. Since $\cosh^2x-\sinh^2x=1$, $$\sinh^2x = \cosh^2x-1 = \left(\frac{17}{15}\right)^2-1 = \frac{289-225}{225} = \frac{64}{225},$$ and since $x\gt0$, $\sinh x\gt0$, so $$\sinh x = \frac{8}{15}.$$ Also, $$\tanh x = \frac{\sinh x}{\cosh x} = \frac{8/15}{17/15} = \frac{8}{17}.$$

유제 04-2 쌍곡함수 식 간단히
한국어

다음을 간단히 하시오.

  1. $2\cosh(\ln x)$
  2. $\cosh(5x) + \sinh(5x)$
  3. $(\sinh x + \cosh x)^4$

풀이.

(1) $2\cosh(\ln x) = 2\cdot\dfrac{e^{\ln x}+e^{-\ln x}}{2} = e^{\ln x}+e^{-\ln x} = x+\dfrac1x$이다.

(2) 항등식 $\cosh u+\sinh u = e^u$에 의해 $\cosh(5x)+\sinh(5x) = e^{5x}$이다.

(3) $\sinh x+\cosh x = e^x$이므로 $(\sinh x+\cosh x)^4 = (e^x)^4 = e^{4x}$이다.

English

Simplify the following.

  1. $2\cosh(\ln x)$
  2. $\cosh(5x) + \sinh(5x)$
  3. $(\sinh x + \cosh x)^4$

Solution.

(1) $2\cosh(\ln x) = 2\cdot\dfrac{e^{\ln x}+e^{-\ln x}}{2} = e^{\ln x}+e^{-\ln x} = x+\dfrac1x$.

(2) By the identity $\cosh u+\sinh u = e^u$, $\cosh(5x)+\sinh(5x) = e^{5x}$.

(3) Since $\sinh x+\cosh x = e^x$, $(\sinh x+\cosh x)^4 = (e^x)^4 = e^{4x}$.

유제 04-3 역쌍곡함수 계산
한국어

다음을 계산하시오.

  1. $\sinh^{-1}(-5/12)$
  2. $\operatorname{csch}^{-1}(-1/\sqrt{3})$
  3. $\dfrac{d}{dv}\left(\ln\sinh v - \dfrac{1}{2}\coth^2 v\right)$
  4. $\dfrac{d}{dx}\left(\sinh^{-1}(\tan x)\right)$
  5. $\displaystyle\int\dfrac{\operatorname{sech}\sqrt{t}\,\tanh\sqrt{t}}{\sqrt{t}}\,dt$
  6. $\displaystyle\int_1^2\dfrac{8\cosh\sqrt{x}}{\sqrt{x}}\,dx$
  7. $\displaystyle\int_0^{2\sqrt{3}}\dfrac{dx}{\sqrt{4+x^2}}$
  8. $\displaystyle\int_0^{\pi}\dfrac{\cos x\,dx}{\sqrt{1+\sin^2 x}}$

풀이.

(1) $\sinh^{-1}x=\ln\bigl(x+\sqrt{x^2+1}\bigr)$이므로 $$\sinh^{-1}\frac{5}{12} = \ln\left(\frac{5}{12}+\sqrt{\frac{25}{144}+1}\right) = \ln\left(\frac{5}{12}+\frac{13}{12}\right) = \ln\frac32$$ 이다. $\sinh^{-1}$은 기함수이므로 $$\sinh^{-1}\left(-\frac{5}{12}\right) = -\sinh^{-1}\frac{5}{12} = -\ln\frac32 = \ln\frac23$$ 이다.

(2) $\operatorname{csch}^{-1}x = \ln\left(\dfrac1x+\sqrt{\dfrac1{x^2}+1}\right)$ ($x\ne0$)이다. $x=-1/\sqrt3$이면 $1/x=-\sqrt3$, $1/x^2=3$이므로 $$\operatorname{csch}^{-1}\left(-\frac{1}{\sqrt3}\right) = \ln\left(-\sqrt3+\sqrt{3+1}\right) = \ln(2-\sqrt3)$$ 이다.

(3) $$\frac{d}{dv}\bigl(\ln\sinh v\bigr) = \frac{\cosh v}{\sinh v} = \coth v, \qquad \frac{d}{dv}\left(-\frac12\coth^2v\right) = -\coth v\cdot\frac{d}{dv}\coth v = -\coth v\cdot(-\operatorname{csch}^2v) = \coth v\operatorname{csch}^2v$$ 이므로 $$\frac{d}{dv}\left(\ln\sinh v-\frac12\coth^2v\right) = \coth v+\coth v\operatorname{csch}^2v = \coth v(1+\operatorname{csch}^2v)$$ 이다. 항등식 $\coth^2v-\operatorname{csch}^2v=1$, 즉 $1+\operatorname{csch}^2v=\coth^2v$을 대입하면 $$\frac{d}{dv}\left(\ln\sinh v-\frac12\coth^2v\right) = \coth v\cdot\coth^2v = \coth^3v$$ 이다.

(4) $y=\sinh^{-1}(\tan x)$라 하면 $\sinh y=\tan x$이고 $\cosh y = \sqrt{1+\sinh^2y} = \sqrt{1+\tan^2x} = \sqrt{\sec^2x} = |\sec x|$이다. 양변을 $x$로 미분하면 $\cosh y\cdot\dfrac{dy}{dx} = \sec^2x$이므로 $$\frac{d}{dx}\sinh^{-1}(\tan x) = \frac{\sec^2x}{\sqrt{1+\tan^2x}} = \frac{\sec^2x}{|\sec x|} = |\sec x|$$ 이다. (특히 $-\pi/2 \lt x \lt \pi/2$에서는 $|\sec x| = \sec x$이다. 이 함수는 구더만 함수의 역함수이다.)

(5) $u=\sqrt{t}$로 치환하면 $du = dt/(2\sqrt t)$이므로 $dt/\sqrt t = 2\,du$이고 $$\int\frac{\operatorname{sech}\sqrt t\,\tanh\sqrt t}{\sqrt t}\,dt = \int2\operatorname{sech}u\tanh u\,du = -2\operatorname{sech}u+C = -2\operatorname{sech}\sqrt t+C$$ 이다.

(6) $u=\sqrt x$로 치환하면 $dx/\sqrt x = 2\,du$이고 $x=1$일 때 $u=1$, $x=2$일 때 $u=\sqrt2$이므로 $$\int_1^2\frac{8\cosh\sqrt x}{\sqrt x}\,dx = \int_1^{\sqrt2}8\cosh u\cdot2\,du = 16\Bigl[\sinh u\Bigr]_1^{\sqrt2} = 16\bigl(\sinh\sqrt2-\sinh1\bigr)$$ 이다.

(7) $$\int_0^{2\sqrt3}\frac{dx}{\sqrt{4+x^2}} = \left[\sinh^{-1}\frac{x}{2}\right]_0^{2\sqrt3} = \sinh^{-1}\sqrt3 - \sinh^{-1}0 = \sinh^{-1}\sqrt3 = \ln\bigl(\sqrt3+2\bigr)$$ 이다.

(8) $u=\sin x$로 치환하면 $du=\cos x\,dx$이고, $x=0$일 때 $u=0$, $x=\pi$일 때도 $u=\sin\pi=0$이므로 적분 구간의 양 끝에서 $u$가 같은 값 $0$이 된다. 따라서 $$\int_0^{\pi}\frac{\cos x\,dx}{\sqrt{1+\sin^2x}} = \int_0^0\frac{du}{\sqrt{1+u^2}} = 0$$ 이다. (부정적분 $\sinh^{-1}(\sin x)$를 이용해도 $\sinh^{-1}(\sin\pi)-\sinh^{-1}(\sin0) = 0-0=0$으로 같은 결과를 얻는다.)

English

Compute the following.

  1. $\sinh^{-1}(-5/12)$
  2. $\operatorname{csch}^{-1}(-1/\sqrt{3})$
  3. $\dfrac{d}{dv}\left(\ln\sinh v - \dfrac{1}{2}\coth^2 v\right)$
  4. $\dfrac{d}{dx}\left(\sinh^{-1}(\tan x)\right)$
  5. $\displaystyle\int\dfrac{\operatorname{sech}\sqrt{t}\,\tanh\sqrt{t}}{\sqrt{t}}\,dt$
  6. $\displaystyle\int_1^2\dfrac{8\cosh\sqrt{x}}{\sqrt{x}}\,dx$
  7. $\displaystyle\int_0^{2\sqrt{3}}\dfrac{dx}{\sqrt{4+x^2}}$
  8. $\displaystyle\int_0^{\pi}\dfrac{\cos x\,dx}{\sqrt{1+\sin^2 x}}$

Solution.

(1) Since $\sinh^{-1}x=\ln\bigl(x+\sqrt{x^2+1}\bigr)$, $$\sinh^{-1}\frac{5}{12} = \ln\left(\frac{5}{12}+\sqrt{\frac{25}{144}+1}\right) = \ln\left(\frac{5}{12}+\frac{13}{12}\right) = \ln\frac32.$$ Since $\sinh^{-1}$ is an odd function, $$\sinh^{-1}\left(-\frac{5}{12}\right) = -\sinh^{-1}\frac{5}{12} = -\ln\frac32 = \ln\frac23.$$

(2) We have $\operatorname{csch}^{-1}x = \ln\left(\dfrac1x+\sqrt{\dfrac1{x^2}+1}\right)$ for $x\ne0$. With $x=-1/\sqrt3$, $1/x=-\sqrt3$ and $1/x^2=3$, so $$\operatorname{csch}^{-1}\left(-\frac{1}{\sqrt3}\right) = \ln\left(-\sqrt3+\sqrt{3+1}\right) = \ln(2-\sqrt3).$$

(3) Since $$\frac{d}{dv}\bigl(\ln\sinh v\bigr) = \coth v, \qquad \frac{d}{dv}\left(-\frac12\coth^2v\right) = -\coth v\cdot(-\operatorname{csch}^2v) = \coth v\operatorname{csch}^2v,$$ we get $$\frac{d}{dv}\left(\ln\sinh v-\frac12\coth^2v\right) = \coth v(1+\operatorname{csch}^2v).$$ Using the identity $1+\operatorname{csch}^2v=\coth^2v$, $$\frac{d}{dv}\left(\ln\sinh v-\frac12\coth^2v\right) = \coth v\cdot\coth^2v = \coth^3v.$$

(4) Let $y=\sinh^{-1}(\tan x)$, so $\sinh y=\tan x$ and $\cosh y = \sqrt{1+\sinh^2y} = \sqrt{1+\tan^2x} = \sqrt{\sec^2x} = |\sec x|$. Differentiating both sides with respect to $x$, $\cosh y\cdot\dfrac{dy}{dx} = \sec^2x$, so $$\frac{d}{dx}\sinh^{-1}(\tan x) = \frac{\sec^2x}{\sqrt{1+\tan^2x}} = \frac{\sec^2x}{|\sec x|} = |\sec x|.$$ (In particular $|\sec x| = \sec x$ for $-\pi/2 \lt x \lt \pi/2$; this function is the inverse of the Gudermannian function.)

(5) Substituting $u=\sqrt t$, so $du = dt/(2\sqrt t)$ and $dt/\sqrt t = 2\,du$, $$\int\frac{\operatorname{sech}\sqrt t\,\tanh\sqrt t}{\sqrt t}\,dt = \int2\operatorname{sech}u\tanh u\,du = -2\operatorname{sech}u+C = -2\operatorname{sech}\sqrt t+C.$$

(6) Substituting $u=\sqrt x$, so $dx/\sqrt x = 2\,du$, with $u=1$ at $x=1$ and $u=\sqrt2$ at $x=2$, $$\int_1^2\frac{8\cosh\sqrt x}{\sqrt x}\,dx = \int_1^{\sqrt2}8\cosh u\cdot2\,du = 16\Bigl[\sinh u\Bigr]_1^{\sqrt2} = 16\bigl(\sinh\sqrt2-\sinh1\bigr).$$

(7) $$\int_0^{2\sqrt3}\frac{dx}{\sqrt{4+x^2}} = \left[\sinh^{-1}\frac{x}{2}\right]_0^{2\sqrt3} = \sinh^{-1}\sqrt3 - \sinh^{-1}0 = \sinh^{-1}\sqrt3 = \ln\bigl(\sqrt3+2\bigr).$$

(8) Substituting $u=\sin x$, so $du=\cos x\,dx$: at $x=0$, $u=0$, and at $x=\pi$, $u=\sin\pi=0$ as well, so both endpoints give $u=0$. Hence $$\int_0^{\pi}\frac{\cos x\,dx}{\sqrt{1+\sin^2x}} = \int_0^0\frac{du}{\sqrt{1+u^2}} = 0.$$ (Using the antiderivative $\sinh^{-1}(\sin x)$ gives the same result: $\sinh^{-1}(\sin\pi)-\sinh^{-1}(\sin0) = 0-0=0$.)

유제 04-4 쌍곡함수 적분 증명
한국어

다음을 증명하시오.

  1. $\displaystyle\int\operatorname{sech}x\,dx = \tan^{-1}(\sinh x) + C = \sin^{-1}(\tanh x) + C$
  2. $\displaystyle\int x\operatorname{sech}^{-1}x\,dx = \dfrac{x^2}{2}\operatorname{sech}^{-1}x - \dfrac{1}{2}\sqrt{1-x^2} + C$

증명.

(1) $\operatorname{sech}x = 1/\cosh x$의 분모와 분자에 $\cosh x$를 곱하면 $$\int\operatorname{sech}x\,dx = \int\frac{\cosh x}{\cosh^2x}\,dx = \int\frac{\cosh x}{1+\sinh^2x}\,dx$$ 이다. $u=\sinh x$로 치환하면 $du=\cosh x\,dx$이므로 $$\int\operatorname{sech}x\,dx = \int\frac{du}{1+u^2} = \tan^{-1}u+C = \tan^{-1}(\sinh x)+C$$ 이다. 한편 $1-\tanh^2x = \operatorname{sech}^2x$이고 $\operatorname{sech}x \gt 0$이므로 $$\frac{d}{dx}\sin^{-1}(\tanh x) = \frac{\operatorname{sech}^2x}{\sqrt{1-\tanh^2x}} = \frac{\operatorname{sech}^2x}{\operatorname{sech}x} = \operatorname{sech}x$$ 이므로 $\sin^{-1}(\tanh x)$도 $\operatorname{sech}x$의 부정적분이다. 두 부정적분 $\tan^{-1}(\sinh x)$와 $\sin^{-1}(\tanh x)$는 같은 도함수를 가지므로 상수만큼 차이가 나는데, $x=0$에서 $\tan^{-1}(\sinh0)=\tan^{-1}0=0$이고 $\sin^{-1}(\tanh0)=\sin^{-1}0=0$이므로 그 상수는 $0$이다. 따라서 $$\int\operatorname{sech}x\,dx = \tan^{-1}(\sinh x)+C = \sin^{-1}(\tanh x)+C$$ 이다.

(2) $u=\operatorname{sech}^{-1}x$, $dv=x\,dx$라 하면 $0\lt x\lt1$에서 $du=-\dfrac{1}{x\sqrt{1-x^2}}\,dx$, $v=\dfrac{x^2}{2}$이므로 $$\int x\operatorname{sech}^{-1}x\,dx = \frac{x^2}{2}\operatorname{sech}^{-1}x - \int\frac{x^2}{2}\left(-\frac{1}{x\sqrt{1-x^2}}\right)dx = \frac{x^2}{2}\operatorname{sech}^{-1}x + \frac12\int\frac{x}{\sqrt{1-x^2}}\,dx$$ 이다. $\displaystyle\int\frac{x}{\sqrt{1-x^2}}\,dx = -\sqrt{1-x^2}+C$이므로 $$\int x\operatorname{sech}^{-1}x\,dx = \frac{x^2}{2}\operatorname{sech}^{-1}x - \frac12\sqrt{1-x^2}+C$$ 이다.

$\square$
English

Prove the following.

  1. $\displaystyle\int\operatorname{sech}x\,dx = \tan^{-1}(\sinh x) + C = \sin^{-1}(\tanh x) + C$
  2. $\displaystyle\int x\operatorname{sech}^{-1}x\,dx = \dfrac{x^2}{2}\operatorname{sech}^{-1}x - \dfrac{1}{2}\sqrt{1-x^2} + C$

Proof.

(1) Multiplying numerator and denominator of $\operatorname{sech}x = 1/\cosh x$ by $\cosh x$, $$\int\operatorname{sech}x\,dx = \int\frac{\cosh x}{\cosh^2x}\,dx = \int\frac{\cosh x}{1+\sinh^2x}\,dx.$$ Substituting $u=\sinh x$, so $du=\cosh x\,dx$, $$\int\operatorname{sech}x\,dx = \int\frac{du}{1+u^2} = \tan^{-1}u+C = \tan^{-1}(\sinh x)+C.$$ On the other hand, since $1-\tanh^2x = \operatorname{sech}^2x$ and $\operatorname{sech}x \gt 0$, $$\frac{d}{dx}\sin^{-1}(\tanh x) = \frac{\operatorname{sech}^2x}{\sqrt{1-\tanh^2x}} = \frac{\operatorname{sech}^2x}{\operatorname{sech}x} = \operatorname{sech}x,$$ so $\sin^{-1}(\tanh x)$ is also an antiderivative of $\operatorname{sech}x$. Since $\tan^{-1}(\sinh x)$ and $\sin^{-1}(\tanh x)$ have the same derivative, they differ by a constant; at $x=0$, $\tan^{-1}(\sinh0)=\tan^{-1}0=0$ and $\sin^{-1}(\tanh0)=\sin^{-1}0=0$, so that constant is $0$. Hence $$\int\operatorname{sech}x\,dx = \tan^{-1}(\sinh x)+C = \sin^{-1}(\tanh x)+C.$$

(2) Let $u=\operatorname{sech}^{-1}x$, $dv=x\,dx$, so for $0\lt x\lt1$, $du=-\dfrac{1}{x\sqrt{1-x^2}}\,dx$ and $v=\dfrac{x^2}{2}$. Then $$\int x\operatorname{sech}^{-1}x\,dx = \frac{x^2}{2}\operatorname{sech}^{-1}x - \int\frac{x^2}{2}\left(-\frac{1}{x\sqrt{1-x^2}}\right)dx = \frac{x^2}{2}\operatorname{sech}^{-1}x + \frac12\int\frac{x}{\sqrt{1-x^2}}\,dx.$$ Since $\displaystyle\int\frac{x}{\sqrt{1-x^2}}\,dx = -\sqrt{1-x^2}+C$, $$\int x\operatorname{sech}^{-1}x\,dx = \frac{x^2}{2}\operatorname{sech}^{-1}x - \frac12\sqrt{1-x^2}+C.$$

$\square$
유제 04-5 쌍곡함수 곡선의 길이
한국어

곡선 $y = \dfrac{1}{2}\cosh 2x$ $(0 \leq x \leq \ln\sqrt{5})$의 길이를 구하시오.

풀이. $y=\dfrac12\cosh2x$이므로 $y'=\sinh2x$이고 $$1+(y')^2 = 1+\sinh^22x = \cosh^22x$$ 이다. 따라서 호의 길이는 $$L = \int_0^{\ln\sqrt5}\sqrt{1+(y')^2}\,dx = \int_0^{\ln\sqrt5}\cosh2x\,dx = \left[\frac{\sinh2x}{2}\right]_0^{\ln\sqrt5} = \frac{\sinh(2\ln\sqrt5)}{2} = \frac{\sinh(\ln5)}{2}$$ 이다. $\sinh(\ln5) = \dfrac{e^{\ln5}-e^{-\ln5}}{2} = \dfrac{5-1/5}{2} = \dfrac{24/5}{2} = \dfrac{12}{5}$이므로 $$L = \frac12\cdot\frac{12}{5} = \frac65$$ 이다.

English

Find the length of the curve $y = \dfrac{1}{2}\cosh 2x$ $(0 \leq x \leq \ln\sqrt{5})$.

Solution. Since $y=\dfrac12\cosh2x$, $y'=\sinh2x$, so $$1+(y')^2 = 1+\sinh^22x = \cosh^22x.$$ Hence the arc length is $$L = \int_0^{\ln\sqrt5}\sqrt{1+(y')^2}\,dx = \int_0^{\ln\sqrt5}\cosh2x\,dx = \left[\frac{\sinh2x}{2}\right]_0^{\ln\sqrt5} = \frac{\sinh(2\ln\sqrt5)}{2} = \frac{\sinh(\ln5)}{2}.$$ Since $\sinh(\ln5) = \dfrac{e^{\ln5}-e^{-\ln5}}{2} = \dfrac{5-1/5}{2} = \dfrac{24/5}{2} = \dfrac{12}{5}$, $$L = \frac12\cdot\frac{12}{5} = \frac65.$$

유제 04-6 쌍곡함수 회전체 부피
한국어

곡선 $y = \cosh x$, 곡선 $y = \sinh x$, $y$축과 직선 $x = 2$로 둘러싸인 영역을 $x$축을 중심으로 회전시킨 회전체의 부피를 구하시오.

풀이. $x\ge0$에서 $\cosh x\ge\sinh x\ge0$이므로, 곡선 $y=\cosh x$, $y=\sinh x$, $y$축, 직선 $x=2$로 둘러싸인 영역을 $x$축을 중심으로 회전시킨 회전체의 부피는 워셔법에 의해 $$V = \pi\int_0^2\bigl[(\cosh x)^2-(\sinh x)^2\bigr]\,dx$$ 이다. 항등식 $\cosh^2x-\sinh^2x=1$에 의해 피적분함수는 상수함수 $1$이므로 $$V = \pi\int_0^2 1\,dx = 2\pi$$ 이다.

English

Find the volume of the solid of revolution generated by revolving about the $x$-axis the region bounded by the curve $y = \cosh x$, the curve $y = \sinh x$, the $y$-axis, and the line $x = 2$.

Solution. Since $\cosh x\ge\sinh x\ge0$ for $x\ge0$, the volume of the solid obtained by revolving about the $x$-axis the region bounded by $y=\cosh x$, $y=\sinh x$, the $y$-axis, and the line $x=2$ is, by the washer method, $$V = \pi\int_0^2\bigl[(\cosh x)^2-(\sinh x)^2\bigr]\,dx.$$ By the identity $\cosh^2x-\sinh^2x=1$, the integrand is the constant function $1$, so $$V = \pi\int_0^2 1\,dx = 2\pi.$$

문제 · Problems

문제 01 우함수·기함수 분해
한국어
  1. 함수 $g(x)$가 $y$축 대칭이고 함수 $h(x)$가 원점 대칭일 때, 모든 $x$에 대해 $g(x)+h(x)=0$이 성립하면 모든 $x$에 대해 $g(x)=0$이고 $h(x)=0$임을 보이시오.
  2. 임의의 함수 $f(x)$는 $y$축 대칭 함수 $f_E(x)$와 원점 대칭 함수 $f_O(x)$의 합으로 나타낼 수 있음을 보이시오. 또한 그 방법이 유일함을 보이시오.
English
  1. Suppose $g(x)$ is symmetric about the $y$-axis and $h(x)$ is symmetric about the origin. Show that if $g(x)+h(x)=0$ holds for all $x$, then $g(x)=0$ and $h(x)=0$ for all $x$.
  2. Show that any function $f(x)$ can be written as the sum of a function $f_E(x)$ symmetric about the $y$-axis and a function $f_O(x)$ symmetric about the origin. Also show that this decomposition is unique.
문제 02 역삼각함수 항등식
한국어

다음 항등식을 증명하시오.

  1. $\sec^{-1}x = \cos^{-1}\left(\dfrac{1}{x}\right)$ (단, $|x| \gt 1$)
  2. $\tan^{-1}x + \tan^{-1}\dfrac{1}{x} = \dfrac{\pi}{2}$ (단, $x$는 모든 실수)
  3. $\sin^{-1}\left(\dfrac{x-1}{x+1}\right) = 2\tan^{-1}\sqrt{x} - \dfrac{\pi}{2}$ (단, $x \geq 0$)
  4. $\sin^{-1}\dfrac{1}{\sqrt{x^2+1}} = \tan^{-1}\dfrac{1}{x}$ (단, $x \neq 0$)
English

Prove the following identities.

  1. $\sec^{-1}x = \cos^{-1}\left(\dfrac{1}{x}\right)$ (Here, $|x| \gt 1$.)
  2. $\tan^{-1}x + \tan^{-1}\dfrac{1}{x} = \dfrac{\pi}{2}$ (Here, $x$ is any real number.)
  3. $\sin^{-1}\left(\dfrac{x-1}{x+1}\right) = 2\tan^{-1}\sqrt{x} - \dfrac{\pi}{2}$ (Here, $x \geq 0$.)
  4. $\sin^{-1}\dfrac{1}{\sqrt{x^2+1}} = \tan^{-1}\dfrac{1}{x}$ (Here, $x \neq 0$.)
문제 03 합성 역삼각함수 비교
한국어
  1. 함수 $y = \tan^{-1}(\tan x)$와 함수 $y = \tan(\tan^{-1}x)$를 비교하시오.
  2. 함수 $y = \sin^{-1}(\sin x)$와 함수 $y = \sin(\sin^{-1}x)$를 비교하시오.
English
  1. Compare the function $y = \tan^{-1}(\tan x)$ with the function $y = \tan(\tan^{-1}x)$.
  2. Compare the function $y = \sin^{-1}(\sin x)$ with the function $y = \sin(\sin^{-1}x)$.
문제 04 적분의 극한 계산
한국어

$\displaystyle\lim_{x \to \infty}\dfrac{1}{x}\int_0^x\tan^{-1}t\,dt$를 구하시오.

English

Find $\displaystyle\lim_{x \to \infty}\dfrac{1}{x}\int_0^x\tan^{-1}t\,dt$.

문제 05 각의 차를 최대로
한국어

좌표평면 위의 다섯 개의 점 $A(0,6)$, $B(x,0)$, $C(x+2,0)$, $D(15,10)$, $E(15,0)$에 대해 $\angle ABC - \angle DCE$가 최대가 되도록 하는 $x$의 값을 구하시오. (단, $0 \lt x \lt 13$)

English

For five points $A(0,6)$, $B(x,0)$, $C(x+2,0)$, $D(15,10)$, $E(15,0)$ in the coordinate plane, find the value of $x$ that maximizes $\angle ABC - \angle DCE$. (Here, $0 \lt x \lt 13$.)

문제 06 쌍곡선 부채꼴 넓이
한국어

곡선 $x^2-y^2=1$ 위의 점 $P(\cosh u, \sinh u)$ $(u \gt 0)$에 대해 선분 $OP$, 선분 $OA$ 그리고 곡선 $x^2-y^2=1$로 둘러싸인 영역의 넓이를 $A(u)$라 하자. 또한 곡선 $x^2+y^2=1$ 위의 점 $Q(\cos u, \sin u)$ $(0 \lt u \lt 2\pi)$에 대해 부채꼴 $AOP$의 넓이를 $B(u)$라 하자.

  1. $A(u) = \dfrac{1}{2}\cosh u\sinh u - \displaystyle\int_1^{\cosh u}\sqrt{x^2-1}\,dx$임을 보이시오.
  2. $A'(u) = \dfrac{1}{2}$임을 보이고 이를 이용해 $A(u) = B(u)$임을 보이시오.
English

For the point $P(\cosh u, \sinh u)$ $(u \gt 0)$ on the curve $x^2-y^2=1$, let $A(u)$ be the area of the region bounded by segment $OP$, segment $OA$, and the curve $x^2-y^2=1$. Also, for the point $Q(\cos u, \sin u)$ $(0 \lt u \lt 2\pi)$ on the curve $x^2+y^2=1$, let $B(u)$ be the area of the circular sector $AOP$.

  1. Show that $A(u) = \dfrac{1}{2}\cosh u\sinh u - \displaystyle\int_1^{\cosh u}\sqrt{x^2-1}\,dx$.
  2. Show that $A'(u) = \dfrac{1}{2}$, and use this to show that $A(u) = B(u)$.