부분적분을 완전히 증명하세요: u,v가 [a,b]에서 C1이면 ∫abudv=[uv]ab−∫abvdu입니다. 곱의 미분법칙 (uv)′=u′v+uv′를 적분하고 미적분학 기본정리를 적용하세요.
∫abu(x)v′(x)dx=[u(x)v(x)]ab−∫abv(x)u′(x)dx
u=x, dv=exdx: LHS ≈8.389056099, [uv]02−∫02vdu≈2e2−(e2−1)도 같은 값 — 그림의 윗넓이가 [uv]0b에서 아랫넓이를 뺀 것과 같습니다.
증명 보기
- u,v가 C1이므로 u′,v′는 연속이고, 곱 uv도 C1이며 (uv)′=u′v+uv′입니다 (곱의 미분법칙). 우변의 각 항 u′v와 uv′는 연속함수의 곱이므로 연속 — 따라서 [a,b]에서 적분가능합니다.
- 등식 (uv)′=u′v+uv′의 양변을 [a,b]에서 적분합니다: ∫ab(uv)′dx=∫abu′vdx+∫abuv′dx. 좌변에 미적분학 기본정리(FTC)를 적용하면 ∫ab(uv)′dx=[uv]ab입니다.
- 따라서 [uv]ab=∫abu′vdx+∫abuv′dx이고, ∫abu′vdx를 이항하면 ∫abuv′dx=[uv]ab−∫abu′vdx — 즉 ∫abudv=[uv]ab−∫abvdu입니다. 증명 완료. (Tao 명제 11.10.1.)
In=∫0π/2sinnxdx가 점화식 In=nn−1In−2를 만족함을 부분적분으로 완전히 유도하세요 (u=sinn−1x, dv=sinxdx). 그리고 I0=2π, I1=1을 계산하세요.
In=nn−1In−2,I0=2π,I1=1
I2=4π,I3=32,I4=163π
삼각함수 쌍 예시: u=x, dv=sinxdx이면 v=−cosx이고 ∫0bxsinxdx=−bcosb+sinb — 같은 부분적분 구조가 점화식을 낳습니다.
증명 보기
- n≥2에 대해 In=∫0π/2sinn−1x⋅sinxdx에 u=sinn−1x, dv=sinxdx를 적용합니다: du=(n−1)sinn−2xcosxdx, v=−cosx. 부분적분하면 In=[−cosxsinn−1x]0π/2+(n−1)∫0π/2sinn−2xcos2xdx입니다.
- 경계항: x=π/2에서 cos=0, x=0에서 sin=0 (단 n−1≥1)이므로 0입니다. cos2x=1−sin2x를 대입하면 In=(n−1)∫0π/2(sinn−2x−sinnx)dx=(n−1)(In−2−In)입니다. 정리하면 nIn=(n−1)In−2, 즉 In=nn−1In−2입니다.
- 기저: I0=∫0π/21dx=2π, I1=∫0π/2sinxdx=[−cosx]0π/2=1입니다. 점화식으로 I2=21⋅2π=4π, I3=32⋅1=32, I4=43⋅4π=163π — Wallis 적분의 출발점입니다.