$$$x$$$에 대한 $$$\sqrt{- a^{2} + x^{2}}$$$의 적분

$$$\int \sqrt{- a^{2} + x^{2}}\, dx$$$을(를) 구하시오.

$$$x=\cosh{\left(u \right)} \left|{a}\right|$$$라 하자.

따라서 $$$dx=\left(\cosh{\left(u \right)} \left|{a}\right|\right)^{\prime }du = \sinh{\left(u \right)} \left|{a}\right| du$$$ (풀이 과정은 »에서 볼 수 있습니다).

또한 $$$u=\operatorname{acosh}{\left(\frac{x}{\left|{a}\right|} \right)}$$$가 성립한다.

피적분함수는 다음과 같이 바뀝니다

$$$\sqrt{- a^{2} + x^{2}} = \sqrt{a^{2} \cosh^{2}{\left( u \right)} - a^{2}}$$$

$$$\cosh^{2}{\left( u \right)} - 1 = \sinh^{2}{\left( u \right)}$$$ 항등식을 사용하시오:

$$$\sqrt{a^{2} \cosh^{2}{\left( u \right)} - a^{2}}=\sqrt{\cosh^{2}{\left( u \right)} - 1} \left|{a}\right|=\sqrt{\sinh^{2}{\left( u \right)}} \left|{a}\right|$$$

$$$\sinh{\left( u \right)} \ge 0$$$라고 가정하면, 다음을 얻습니다:

$$$\sqrt{\sinh^{2}{\left( u \right)}} \left|{a}\right| = \sinh{\left( u \right)} \left|{a}\right|$$$

따라서,

$${\color{red}{\int{\sqrt{- a^{2} + x^{2}} d x}}} = {\color{red}{\int{a^{2} \sinh^{2}{\left(u \right)} d u}}}$$

멱 감소 공식 $$$\sinh^{2}{\left(\alpha \right)} = \frac{\cosh{\left(2 \alpha \right)}}{2} - \frac{1}{2}$$$를 $$$\alpha= u $$$에 적용하세요:

$${\color{red}{\int{a^{2} \sinh^{2}{\left(u \right)} d u}}} = {\color{red}{\int{\frac{a^{2} \left(\cosh{\left(2 u \right)} - 1\right)}{2} d u}}}$$

상수배 법칙 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$을 $$$c=\frac{1}{2}$$$와 $$$f{\left(u \right)} = a^{2} \left(\cosh{\left(2 u \right)} - 1\right)$$$에 적용하세요:

$${\color{red}{\int{\frac{a^{2} \left(\cosh{\left(2 u \right)} - 1\right)}{2} d u}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{a^{2} \left(\cosh{\left(2 u \right)} - 1\right) d u}}{2}\right)}}$$

Expand the expression:

$$\frac{{\color{red}{\int{a^{2} \left(\cosh{\left(2 u \right)} - 1\right) d u}}}}{2} = \frac{{\color{red}{\int{\left(a^{2} \cosh{\left(2 u \right)} - a^{2}\right)d u}}}}{2}$$

각 항별로 적분하십시오:

$$\frac{{\color{red}{\int{\left(a^{2} \cosh{\left(2 u \right)} - a^{2}\right)d u}}}}{2} = \frac{{\color{red}{\left(- \int{a^{2} d u} + \int{a^{2} \cosh{\left(2 u \right)} d u}\right)}}}{2}$$

상수 법칙 $$$\int c\, du = c u$$$을 $$$c=a^{2}$$$에 적용하십시오:

$$\frac{\int{a^{2} \cosh{\left(2 u \right)} d u}}{2} - \frac{{\color{red}{\int{a^{2} d u}}}}{2} = \frac{\int{a^{2} \cosh{\left(2 u \right)} d u}}{2} - \frac{{\color{red}{a^{2} u}}}{2}$$

상수배 법칙 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$을 $$$c=a^{2}$$$와 $$$f{\left(u \right)} = \cosh{\left(2 u \right)}$$$에 적용하세요:

$$- \frac{a^{2} u}{2} + \frac{{\color{red}{\int{a^{2} \cosh{\left(2 u \right)} d u}}}}{2} = - \frac{a^{2} u}{2} + \frac{{\color{red}{a^{2} \int{\cosh{\left(2 u \right)} d u}}}}{2}$$

$$$v=2 u$$$라 하자.

그러면 $$$dv=\left(2 u\right)^{\prime }du = 2 du$$$ (단계는 »에서 볼 수 있습니다), 그리고 $$$du = \frac{dv}{2}$$$임을 얻습니다.

따라서,

$$- \frac{a^{2} u}{2} + \frac{a^{2} {\color{red}{\int{\cosh{\left(2 u \right)} d u}}}}{2} = - \frac{a^{2} u}{2} + \frac{a^{2} {\color{red}{\int{\frac{\cosh{\left(v \right)}}{2} d v}}}}{2}$$

상수배 법칙 $$$\int c f{\left(v \right)}\, dv = c \int f{\left(v \right)}\, dv$$$을 $$$c=\frac{1}{2}$$$와 $$$f{\left(v \right)} = \cosh{\left(v \right)}$$$에 적용하세요:

$$- \frac{a^{2} u}{2} + \frac{a^{2} {\color{red}{\int{\frac{\cosh{\left(v \right)}}{2} d v}}}}{2} = - \frac{a^{2} u}{2} + \frac{a^{2} {\color{red}{\left(\frac{\int{\cosh{\left(v \right)} d v}}{2}\right)}}}{2}$$

쌍곡코사인의 적분은 $$$\int{\cosh{\left(v \right)} d v} = \sinh{\left(v \right)}$$$:

$$- \frac{a^{2} u}{2} + \frac{a^{2} {\color{red}{\int{\cosh{\left(v \right)} d v}}}}{4} = - \frac{a^{2} u}{2} + \frac{a^{2} {\color{red}{\sinh{\left(v \right)}}}}{4}$$

다음 $$$v=2 u$$$을 기억하라:

$$- \frac{a^{2} u}{2} + \frac{a^{2} \sinh{\left({\color{red}{v}} \right)}}{4} = - \frac{a^{2} u}{2} + \frac{a^{2} \sinh{\left({\color{red}{\left(2 u\right)}} \right)}}{4}$$

다음 $$$u=\operatorname{acosh}{\left(\frac{x}{\left|{a}\right|} \right)}$$$을 기억하라:

$$\frac{a^{2} \sinh{\left(2 {\color{red}{u}} \right)}}{4} - \frac{a^{2} {\color{red}{u}}}{2} = \frac{a^{2} \sinh{\left(2 {\color{red}{\operatorname{acosh}{\left(\frac{x}{\left|{a}\right|} \right)}}} \right)}}{4} - \frac{a^{2} {\color{red}{\operatorname{acosh}{\left(\frac{x}{\left|{a}\right|} \right)}}}}{2}$$

따라서,

$$\int{\sqrt{- a^{2} + x^{2}} d x} = \frac{a^{2} \sinh{\left(2 \operatorname{acosh}{\left(\frac{x}{\left|{a}\right|} \right)} \right)}}{4} - \frac{a^{2} \operatorname{acosh}{\left(\frac{x}{\left|{a}\right|} \right)}}{2}$$

공식 $$$\sin{\left(2 \operatorname{asin}{\left(\alpha \right)} \right)} = 2 \alpha \sqrt{1 - \alpha^{2}}$$$, $$$\sin{\left(2 \operatorname{acos}{\left(\alpha \right)} \right)} = 2 \alpha \sqrt{1 - \alpha^{2}}$$$, $$$\cos{\left(2 \operatorname{asin}{\left(\alpha \right)} \right)} = 1 - 2 \alpha^{2}$$$, $$$\cos{\left(2 \operatorname{acos}{\left(\alpha \right)} \right)} = 2 \alpha^{2} - 1$$$, $$$\sinh{\left(2 \operatorname{asinh}{\left(\alpha \right)} \right)} = 2 \alpha \sqrt{\alpha^{2} + 1}$$$, $$$\sinh{\left(2 \operatorname{acosh}{\left(\alpha \right)} \right)} = 2 \alpha \sqrt{\alpha - 1} \sqrt{\alpha + 1}$$$, $$$\cosh{\left(2 \operatorname{asinh}{\left(\alpha \right)} \right)} = 2 \alpha^{2} + 1$$$, $$$\cosh{\left(2 \operatorname{acosh}{\left(\alpha \right)} \right)} = 2 \alpha^{2} - 1$$$을 사용하여 식을 간단히 하십시오:

$$\int{\sqrt{- a^{2} + x^{2}} d x} = \frac{a^{2} x \sqrt{\frac{x}{\left|{a}\right|} - 1} \sqrt{\frac{x}{\left|{a}\right|} + 1}}{2 \left|{a}\right|} - \frac{a^{2} \operatorname{acosh}{\left(\frac{x}{\left|{a}\right|} \right)}}{2}$$

적분 상수를 추가하세요:

$$\int{\sqrt{- a^{2} + x^{2}} d x} = \frac{a^{2} x \sqrt{\frac{x}{\left|{a}\right|} - 1} \sqrt{\frac{x}{\left|{a}\right|} + 1}}{2 \left|{a}\right|} - \frac{a^{2} \operatorname{acosh}{\left(\frac{x}{\left|{a}\right|} \right)}}{2}+C$$

$$$\int \sqrt{- a^{2} + x^{2}}\, dx = \left(\frac{a^{2} x \sqrt{\frac{x}{\left|{a}\right|} - 1} \sqrt{\frac{x}{\left|{a}\right|} + 1}}{2 \left|{a}\right|} - \frac{a^{2} \operatorname{acosh}{\left(\frac{x}{\left|{a}\right|} \right)}}{2}\right) + C$$$A