문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

적분의 활용 전체 문제

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6문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 6.4절 · 29번우리말 풀이

다음 문제에서 주어진 곡선을 xx 축을 중심으로 회전시킬 때 생기는 곡면의 넓이를 구하세요. 적분을 정확히 구할 수 없으면 계산기로 근삿값을 구하세요.

y=7xy=7x (x=−1x=-1 부터 x=1x=1 까지)

영어 원문 보기

For the following exercises, find the surface area of the volume generated when the following curves revolve around the x-axis.x\text{-axis}. If you cannot evaluate the integral exactly, use your calculator to approximate it.

y=7xy=7x from x=−1 to x=1x=-1\,\text{to}\,x=1

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겉넓이는 ∫2π (반지름) ds\int 2\pi\,(\text{반지름})\,ds 이고, 반지름은 ∣y∣|y|, ds=1+(y′)2dxds=\sqrt{1+(y')^2}dx 예요.

  1. 1

    xx 축 둘레로 돌린 곡면의 넓이는 S=∫ab2π ∣y∣1+(y′)2 dxS=\int_a^b2\pi\,|y|\sqrt{1+(y')^2}\,dx 예요. 반지름은 축에서 곡선까지의 거리 ∣y∣|y| 라서 절댓값이 필요해요.

  2. 2

    y′=7y'=7 이므로 1+49=50=52\sqrt{1+49}=\sqrt{50}=5\sqrt2 이고 ∣y∣=7∣x∣|y|=7|x| 예요.

  3. 3

    S=2π∫−117∣x∣⋅52 dx=702 π∫−11∣x∣ dxS=2\pi\int_{-1}^{1}7|x|\cdot5\sqrt2\,dx=70\sqrt2\,\pi\int_{-1}^{1}|x|\,dx

  4. 4

    ∫−11∣x∣ dx=2∫01x dx=2⋅12=1\int_{-1}^{1}|x|\,dx=2\int_0^1x\,dx=2\cdot\frac12=1 이므로 S=702 πS=70\sqrt2\,\pi 예요.

  5. 5

    검산해요. 이 곡면은 꼭짓점이 원점인 두 원뿔을 맞붙인 모양이에요. 한 원뿔은 밑면 반지름 77, 높이 11, 빗변 50\sqrt{50} 이므로 옆넓이 π⋅7⋅50=352 π\pi\cdot7\cdot\sqrt{50}=35\sqrt2\,\pi 이고, 둘을 합하면 702 π70\sqrt2\,\pi 예요.

답

702 π70\sqrt{2}\,\pi

자주 하는 실수

x<0x<0 에서 yy 가 음수라 반지름이 음수가 되어 구간 전체가 00 으로 상쇄된다고 착각해요. 반지름은 ∣y∣|y| 예요.

원본 교재 풀이(영어)

70π270\pi \sqrt{2}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.5절 · 60번
# 회전체의 겉넓이계산보통
2.CLP-2 · 2.2절 · 8번대학 수준우리말 번역

구간 1≤x≤e1 \le x\le e 에서 함수 y=x2log⁡xy= x^2\log x 의 평균값을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the average value of the function y=x2log⁡xy= x^2\log x on the interval 1≤x≤e1 \le x\le e.

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정의에 따라 평균은

1e−1∫1ex2log⁡x dxTo antidifferentiate, we use integration by parts with u=log⁡x and dv=x2 dx, hence du=1x dx and v=13x3.1e−1∫1ex2log⁡x dx=1e−1([13x3log⁡x]1e−∫1e13x2 dx)=1e−1[x33log⁡x−x39]x=1x=e=1e−1[e33−e39+19]=1e−1[29e3+19]\begin{aligned} \frac{1}{e-1}\int_1^e x^2\log x\ \mathrm{d}x & \\ \text{To antidifferentiate, we use integration by parts with $u=\log x$ and $\mathrm{d}v=x^2\,\mathrm{d}x$, hence $\mathrm{d}u=\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x$ and $v=\frac{1}{3}x^3$.} \\ \frac{1}{e-1}\int_1^e x^2\log x\ \mathrm{d}x&= \frac{1}{e-1}\left(\left[\frac{1}{3}x^3\log x\right]_1^e - \int_1^e \frac{1}{3}x^2\,\mathrm{d}x \right) \\&= \frac{1}{e-1}\bigg[\frac{x^3}{3}\log x-\frac{x^3}{9}\bigg]_{x=1}^{x=e}\\ &=\frac{1}{e-1}\bigg[\frac{e^3}{3}-\frac{e^3}{9}+\frac{1}{9}\bigg]\\ &=\frac{1}{e-1}\bigg[\frac{2}{9}e^3+\frac{1}{9}\bigg] \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

By definition, the average is

1e−1∫1ex2log⁡x dxTo antidifferentiate, we use integration by parts with u=log⁡x and dv=x2 dx, hence du=1x dx and v=13x3.1e−1∫1ex2log⁡x dx=1e−1([13x3log⁡x]1e−∫1e13x2 dx)=1e−1[x33log⁡x−x39]x=1x=e=1e−1[e33−e39+19]=1e−1[29e3+19]\begin{aligned} \frac{1}{e-1}\int_1^e x^2\log x\ \mathrm{d}x & \\ \text{To antidifferentiate, we use integration by parts with $u=\log x$ and $\mathrm{d}v=x^2\,\mathrm{d}x$, hence $\mathrm{d}u=\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x$ and $v=\frac{1}{3}x^3$.} \\ \frac{1}{e-1}\int_1^e x^2\log x\ \mathrm{d}x&= \frac{1}{e-1}\left(\left[\frac{1}{3}x^3\log x\right]_1^e - \int_1^e \frac{1}{3}x^2\,\mathrm{d}x \right) \\&= \frac{1}{e-1}\bigg[\frac{x^3}{3}\log x-\frac{x^3}{9}\bigg]_{x=1}^{x=e}\\ &=\frac{1}{e-1}\bigg[\frac{e^3}{3}-\frac{e^3}{9}+\frac{1}{9}\bigg]\\ &=\frac{1}{e-1}\bigg[\frac{2}{9}e^3+\frac{1}{9}\bigg] \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 28번
# 함수의 평균값계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-2 · 2.2절 · 9번대학 수준우리말 번역

구간 0≤x≤π20\le x\le\frac\pi2 에서 함수 f(x)=3cos⁡3x+2cos⁡2xf(x) = 3\cos^3x + 2\cos^2x 의 평균값을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the average value of the function f(x)=3cos⁡3x+2cos⁡2xf(x) = 3\cos^3x + 2\cos^2x on the interval 0≤x≤π20\le x\le\frac\pi2.

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정의에 따라, 구하는 평균값은 다음과 같다.

1π/2−0∫0π/2(3cos⁡3x+2cos⁡2x) dx=2π(∫0π/23cos⁡3x dx+∫0π/22cos⁡2x dx)\frac1{\pi/2-0} \int_0^{\pi/2} ( 3\cos^3x + 2\cos^2x ) \,\mathrm{d}x = \frac2\pi \bigg( \int_0^{\pi/2} 3\cos^3x \,\mathrm{d}x + \int_0^{\pi/2} 2\cos^2x \,\mathrm{d}x \bigg)

첫 번째 적분에서는 치환 u=sin⁡xu = \sin x, du=cos⁡x dx\mathrm{d}u=\cos x\,\mathrm{d}x, cos⁡2x=1−sin⁡2x=1−u2\cos^2 x=1-\sin^2 x = 1-u^2 을 사용한다. 적분 구간의 양 끝 x=0x=0 과 x=π2x=\frac\pi2 는 각각 u=0u=0 과 u=1u=1 로 바뀜에 유의한다.

∫0π/23cos⁡3x dx=∫0π/23cos⁡2xcos⁡x dx=∫013(1−u2) du=(3u−u3)∣01=2.\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} 3 \cos^3x \,\mathrm{d}x &= \int_0^{\pi/2} 3 \cos^2 x \cos x \,\mathrm{d}x \\ &= \int_0^{1} 3(1-u^2) \,\mathrm{d}u \\ &= (3u-u^3)\Big|_0^1 = 2. \end{aligned}

두 번째 적분에서는 삼각함수 항등식 cos⁡2x dx=1+cos⁡(2x)2\cos^2x\,\mathrm{d}x = \frac{1 + \cos(2x)}{2} 을 사용한다.

2∫0π/2cos⁡2x dx=∫0π/2(1+cos⁡(2x)) dx=[x+12sin⁡(2x)]0π/2=π2\begin{aligned} 2 \int_0^{\pi/2} \cos^2x\,\mathrm{d}x &= \int_0^{\pi/2} \big(1 + \cos(2x) \big) \,\mathrm{d}x \\ &= \bigg[ x + \frac{1}{2}\sin(2x) \bigg]_0^{\pi/2} = \frac\pi2 \end{aligned}

따라서 구하는 평균값은 다음과 같다.

2π(∫0π/23cos⁡3x dx+∫0π/22cos⁡2x dx)=2π(2+π2)=4π+1.\frac2\pi \bigg( \int_0^{\pi/2} 3\cos^3x \,\mathrm{d}x + \int_0^{\pi/2} 2\cos^2x \,\mathrm{d}x \bigg) = \frac2\pi \bigg( 2 + \frac\pi2 \bigg) = \frac{4}{\pi}+1.

원본 교재 풀이(영어)

By definition, the average value in question equals

1π/2−0∫0π/2(3cos⁡3x+2cos⁡2x) dx=2π(∫0π/23cos⁡3x dx+∫0π/22cos⁡2x dx)\frac1{\pi/2-0} \int_0^{\pi/2} ( 3\cos^3x + 2\cos^2x ) \,\mathrm{d}x = \frac2\pi \bigg( \int_0^{\pi/2} 3\cos^3x \,\mathrm{d}x + \int_0^{\pi/2} 2\cos^2x \,\mathrm{d}x \bigg)

For the first integral we use the substitution u=sin⁡xu = \sin x, du=cos⁡x dx\mathrm{d}u=\cos x\,\mathrm{d}x, cos⁡2x=1−sin⁡2x=1−u2\cos^2 x=1-\sin^2 x = 1-u^2. Note that the endpoints x=0x=0 and x=π2x=\frac\pi2 become u=0u=0 and u=1u=1, respectively.

∫0π/23cos⁡3x dx=∫0π/23cos⁡2xcos⁡x dx=∫013(1−u2) du=(3u−u3)∣01=2.\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} 3 \cos^3x \,\mathrm{d}x &= \int_0^{\pi/2} 3 \cos^2 x \cos x \,\mathrm{d}x \\ &= \int_0^{1} 3(1-u^2) \,\mathrm{d}u \\ &= (3u-u^3)\Big|_0^1 = 2. \end{aligned}

For the second integral we use the trigonometric identity cos⁡2x dx=1+cos⁡(2x)2\cos^2x\,\mathrm{d}x = \frac{1 + \cos(2x)}{2}.

2∫0π/2cos⁡2x dx=∫0π/2(1+cos⁡(2x)) dx=[x+12sin⁡(2x)]0π/2=π2\begin{aligned} 2 \int_0^{\pi/2} \cos^2x\,\mathrm{d}x &= \int_0^{\pi/2} \big(1 + \cos(2x) \big) \,\mathrm{d}x \\ &= \bigg[ x + \frac{1}{2}\sin(2x) \bigg]_0^{\pi/2} = \frac\pi2 \end{aligned}

Therefore, the average value in question is

2π(∫0π/23cos⁡3x dx+∫0π/22cos⁡2x dx)=2π(2+π2)=4π+1.\frac2\pi \bigg( \int_0^{\pi/2} 3\cos^3x \,\mathrm{d}x + \int_0^{\pi/2} 2\cos^2x \,\mathrm{d}x \bigg) = \frac2\pi \bigg( 2 + \frac\pi2 \bigg) = \frac{4}{\pi}+1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 8번
# 함수의 평균값계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-2 · 2.2절 · 10번대학 수준우리말 번역

kk 를 양의 상수라 하자. 구간 0≤x≤π/k0\le x\le \pi/k 에서 함수 f(x)=sin⁡(kx)f(x) = \sin(kx) 의 평균값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let kk be a positive constant. Find the average value of the function f(x)=sin⁡(kx)f(x) = \sin(kx) on the interval 0≤x≤π/k0\le x\le \pi/k.

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정의에 따라, 구하는 평균값은 다음과 같다.

Ave=1π/k−0∫0π/ksin⁡(kx) dx\text{Ave}=\frac1{\pi/k-0} \int_0^{\pi/k} \sin(kx) \,\mathrm{d}x

이 적분을 계산하기 위해 치환 u=kxu = kx, du=k dx\mathrm{d}u=k\,\mathrm{d}x 를 사용한다. 적분 구간의 양 끝 x=0x=0 과 x=π/kx=\pi/k 는 각각 u=0u=0 과 u=πu=\pi 로 바뀜에 유의한다. 따라서

Ave=kπ∫0πsin⁡(u) duk=1π[−cos⁡(u)]0π=2π\begin{aligned} \text{Ave}=\frac{k}{\pi} \int_0^\pi \sin(u) \,\frac{\mathrm{d}u}{k} =\frac{1}{\pi}\Big[-\cos(u)\Big]_0^\pi =\frac{2}{\pi} \end{aligned}

참고: 평균값은 kk 에 의존하지 않는다. 그 이유를 보기 위해, xx 가 변할 때 sin⁡(kx)\sin(kx) 는 −1-1 과 11 사이의 값을 가짐에 주목하자. x=0x=0 일 때 kx=0kx=0 이고, x=π/kx=\pi/k 일 때 kx=πkx=\pi 이다. 따라서 함수 sin⁡(kx)\sin (kx) 는 sin⁡0=0\sin 0 =0 에서 sin⁡(π/2)=1\sin(\pi/2)=1 까지 올라갔다가, 다시 sin⁡π=0\sin\pi=0 까지 내려온다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

By definition, the average value in question equals

Ave=1π/k−0∫0π/ksin⁡(kx) dx\text{Ave}=\frac1{\pi/k-0} \int_0^{\pi/k} \sin(kx) \,\mathrm{d}x

To evaluate the integral, we use the substitution u=kxu = kx, du=k dx\mathrm{d}u=k\,\mathrm{d}x. Note that the endpoints x=0x=0 and x=π/kx=\pi/k become u=0u=0 and u=πu=\pi, respectively. So

Ave=kπ∫0πsin⁡(u) duk=1π[−cos⁡(u)]0π=2π\begin{aligned} \text{Ave}=\frac{k}{\pi} \int_0^\pi \sin(u) \,\frac{\mathrm{d}u}{k} =\frac{1}{\pi}\Big[-\cos(u)\Big]_0^\pi =\frac{2}{\pi} \end{aligned}

Remark: the average does not depend on kk. To see why this is, note that sin⁡(kx)\sin(kx) runs between −1-1 and 11 as xx changes. When x=0x=0, kx=0kx=0, and when x=π/kx=\pi/k, kx=πkx=\pi. So, our function sin⁡(kx)\sin (kx) runs exactly from sin⁡0=0\sin 0 =0 to sin⁡(π/2)=1\sin(\pi/2)=1, then back down to sin⁡π=0\sin\pi=0.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 11번
# 함수의 평균값계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-2 · 2.2절 · 12번대학 수준우리말 번역

구간 [1,e][1,e] 에서 함수 f(x)=log⁡xxf(x)=\dfrac{\log x}{x} 의 평균값은 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

What is the average value of the function f(x)=log⁡xxf(x)=\dfrac{\log x}{x} on the interval [1,e][1,e]?

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정의에 따라 평균값은

1e−1∫1elog⁡xx dx적분하기 위해 치환 u=log⁡x, du=1x dx 를 이용한다. 그러면 적분 구간의 아래끝과 위끝은 각각 0과 1이 된다.1e−1∫1elog⁡xx dx=1e−1∫01u du=1e−1[u22]01=12(e−1)\begin{aligned} \frac{1}{e-1}\int_1^e\frac{\log x}{x}\ \mathrm{d}x& \\ \text{적분하기 위해 치환 $u=\log x$, $\mathrm{d}u=\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x$ 를 이용한다. 그러면 적분 구간의 아래끝과 위끝은 각각 0과 1이 된다.} \\ \frac{1}{e-1}\int_1^e\frac{\log x}{x}\ \mathrm{d}x& =\frac{1}{e-1}\int_0^1u\ \mathrm{d}u =\frac{1}{e-1}\bigg[\frac{u^2}{2}\bigg]_0^1 =\frac{1}{2(e-1)} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

By definition, the average value is

1e−1∫1elog⁡xx dxTo integrate, we use the substitution u=log⁡x, du=1x dx. Then the limits of integration become 0 and 1, respectively.1e−1∫1elog⁡xx dx=1e−1∫01u du=1e−1[u22]01=12(e−1)\begin{aligned} \frac{1}{e-1}\int_1^e\frac{\log x}{x}\ \mathrm{d}x& \\ \text{To integrate, we use the substitution $u=\log x$, $\mathrm{d}u=\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x$. Then the limits of integration become 0 and 1, respectively.} \\ \frac{1}{e-1}\int_1^e\frac{\log x}{x}\ \mathrm{d}x& =\frac{1}{e-1}\int_0^1u\ \mathrm{d}u =\frac{1}{e-1}\bigg[\frac{u^2}{2}\bigg]_0^1 =\frac{1}{2(e-1)} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 4번
# 함수의 평균값계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.CLP-2 · 2.2절 · 13번대학 수준우리말 번역

0≤x≤2π0\le x\le 2\pi 에서 f(x)=cos⁡2(x)f(x)=\cos^2(x) 의 평균값을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the average value of f(x)=cos⁡2(x)f(x)=\cos^2(x) over 0≤x≤2π0\le x\le 2\pi.

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정의에 따라 평균값은 다음과 같다.

12π∫02πcos⁡2x dx=12π⋅12∫02π(cos⁡(2x)+1) dx=14π[sin⁡(2x)2+x]02π=14π⋅2π=12\begin{aligned} \frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}\cos^2x\,\mathrm{d}x =\frac{1}{2\pi}\cdot\frac{1}{2}\int_0^{2\pi}\big(\cos(2x)+1\big)\,\mathrm{d}x =\frac{1}{4\pi}\Big[\frac{\sin(2x)}{2}+x\Big]_0^{2\pi} =\frac{1}{4\pi}\cdot 2\pi =\frac{1}{2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

By definition, the average value is:

12π∫02πcos⁡2x dx=12π⋅12∫02π(cos⁡(2x)+1) dx=14π[sin⁡(2x)2+x]02π=14π⋅2π=12\begin{aligned} \frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}\cos^2x\,\mathrm{d}x =\frac{1}{2\pi}\cdot\frac{1}{2}\int_0^{2\pi}\big(\cos(2x)+1\big)\,\mathrm{d}x =\frac{1}{4\pi}\Big[\frac{\sin(2x)}{2}+x\Big]_0^{2\pi} =\frac{1}{4\pi}\cdot 2\pi =\frac{1}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 9번
# 함수의 평균값계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)