문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

적분의 활용 전체 문제

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4문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 2.1절 · 25번대학 수준우리말 번역

질량이 각각 m1m_1, m2m_2 인 두 물체 사이의 중력은 F=Gm1m2r2F = G\dfrac{m_1m_2}{r^2} 이다. 여기서 rr 은 두 물체 사이의 거리이고 GG 는 중력 상수이다.

지구와 달 사이의 중력이 무시할 수 있을 만큼 충분히 멀리 두 천체를 떼어 놓는 데 필요한 일은 얼마인지 구하세요.

지구의 질량은 6×10246 \times 10^{24} kg 이고 달의 질량은 7×10227 \times 10^{22} kg 이며, 현재 두 천체는 서로 400 000400\,000 km 떨어져 있다고 가정하세요. 또한 G=6.7×10−11 m3kg⋅sec2G = 6.7\times 10^{-11} \ \frac{\text{m}^3}{\text{kg}\cdot\text{sec}^2} 이고, 지구와 달에 작용하는 힘은 둘 사이의 중력뿐이라고 가정하세요.

영어 원문 보기

The force of gravity between two objects, one of mass m1m_1 and another of mass m2m_2, is F=Gm1m2r2F = G\dfrac{m_1m_2}{r^2}, where rr is the distance between them and GG is the gravitational constant.

How much work is required to separate the earth and the moon far enough apart that the gravitational attraction between them is negligible?

Assume the mass of the earth is 6×10246 \times 10^{24} kg and the mass of the moon is 7×10227 \times 10^{22} kg, and that they are currently 400 000400\,000 km away from each other. Also, assume G=6.7×10−11 m3kg⋅sec2G = 6.7\times 10^{-11} \ \frac{\text{m}^3}{\text{kg}\cdot\text{sec}^2}, and the only force acting on the earth and moon is the gravity between them.

정답·풀이 보기

두 물체 사이의 중력 공식에 따르면 지구와 달은 아무리 멀리 떨어져 있어도 서로 중력으로 끌어당기므로, 우리가 구하려는 것은 두 천체를 무한히 멀리 떼어 놓는 데 필요한 일이다. 즉 다음을 계산하면 된다. ∫a∞F(r) dr\displaystyle\int_a^\infty F(r)\,\mathrm{d}r, 여기서 a=400 000 000a = 400\,000\,000 m 이다.

m1m_1 과 m2m_2 를 문제에서 주어진 지구와 달의 질량이라 하면 다음과 같다.

Gm1m2=(6.7×10−11 m3kg⋅sec2)(6×1024 kg)(7×1022 kg)≈2.8×1037 kg⋅m3sec2\begin{aligned}Gm_1m_2 &= \left(6.7\times 10^{-11} \ \frac{\text{m}^3}{\text{kg}\cdot\text{sec}^2}\right) \left(6 \times 10^{24}\text{ kg}\right)\left(7 \times 10^{22}\text{ kg}\right)\\ &\approx 2.8 \times 10^{37} ~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}^3}{\text{sec}^2} \end{aligned}

이제 일을 계산하자.

W=∫a∞F(r) dr=lim⁡b→∞∫abGm1m2r2 dr=(Gm1m2)lim⁡b→∞[−1r]ab=(Gm1m2)lim⁡b→∞(1a−1b)=Gm1m2a≈2.8×1037 kg⋅m3sec24×108 m=7×1028 J\begin{aligned} W&=\int_a^\infty F(r)\,\mathrm{d}r =\lim_{b \to \infty} \int_a^b G\dfrac{m_1m_2}{r^2}\,\mathrm{d}r \\&= (Gm_1m_2)\lim_{b \to \infty}\left[-\frac{1}{r}\right]_a^b \\ &=(Gm_1m_2)\lim_{b \to \infty} \left(\frac{1}{a}-\frac{1}{b}\right)\\&= \frac{Gm_1m_2}{a}\\ &\approx\frac{2.8 \times 10^{37} ~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}^3}{\text{sec}^2}}{4\times 10^8 \text{ m}}\\ &=7 \times 10^{28} \text{ J} \end{aligned}

참고: 지구와 달 사이의 중력은 두 천체가 멀어질수록 약해지므로, 1킬로미터씩 옮기는 데 드는 일은 점점 줄어든다. 두 천체를 유한한 거리만큼 떼어 놓는 경우, 그 거리가 아무리 크더라도 필요한 일은 항상 7×10287\times 10^{28} 줄보다 작다. 아주 아주 먼(그러나 유한한) 거리만큼 떼어 놓으면, 한 일은 7×10287\times 10^{28} 줄에 매우 가까워진다(그래도 그보다는 작다).

원본 교재 풀이(영어)

According to the formula for gravity between two objects, the earth and moon will gravitationally attract one another no matter how far apart they are, so what we're looking for is the work to separate them infinitely far. That is, we want to calculate ∫a∞F(r) dr\displaystyle\int_a^\infty F(r)\,\mathrm{d}r, where a=400 000 000a = 400\,000\,000 m.

If we take m1m_1 and m2m_2 to be the mass of the earth and moon as given in the question statement, then:

Gm1m2=(6.7×10−11 m3kg⋅sec2)(6×1024 kg)(7×1022 kg)≈2.8×1037 kg⋅m3sec2\begin{aligned}Gm_1m_2 &= \left(6.7\times 10^{-11} \ \frac{\text{m}^3}{\text{kg}\cdot\text{sec}^2}\right) \left(6 \times 10^{24}\text{ kg}\right)\left(7 \times 10^{22}\text{ kg}\right)\\ &\approx 2.8 \times 10^{37} ~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}^3}{\text{sec}^2} \end{aligned}

With that out of the way, let's calculate our work.

W=∫a∞F(r) dr=lim⁡b→∞∫abGm1m2r2 dr=(Gm1m2)lim⁡b→∞[−1r]ab=(Gm1m2)lim⁡b→∞(1a−1b)=Gm1m2a≈2.8×1037 kg⋅m3sec24×108 m=7×1028 J\begin{aligned} W&=\int_a^\infty F(r)\,\mathrm{d}r =\lim_{b \to \infty} \int_a^b G\dfrac{m_1m_2}{r^2}\,\mathrm{d}r \\&= (Gm_1m_2)\lim_{b \to \infty}\left[-\frac{1}{r}\right]_a^b \\ &=(Gm_1m_2)\lim_{b \to \infty} \left(\frac{1}{a}-\frac{1}{b}\right)\\&= \frac{Gm_1m_2}{a}\\ &\approx\frac{2.8 \times 10^{37} ~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}^3}{\text{sec}^2}}{4\times 10^8 \text{ m}}\\ &=7 \times 10^{28} \text{ J} \end{aligned}

Remark: since the force of gravity between the earth and the moon gets weaker as they are farther apart, it takes less and less work to move them each kilometre. If we move them a finite distance apart, the work involved will always be less than 7×10287\times 10^{28} joules, no matter how huge that finite distance is. If we move them a very, very long (but finite) distance apart, the work we did will be quite close to (but still less than) 7×10287\times 10^{28} joules.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.5절 · 28번
# 일계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-2 · 2.2절 · 23번대학 수준우리말 번역

f(x)=ax2+bx+cf(x)=ax^2+bx+c 라 하자. 구간 [0,1][0,1] 에서 f(x)f(x) 의 평균값이 f(0)f(0) 과 f(1)f(1) 의 평균과 같을 때, aa 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)=ax2+bx+cf(x)=ax^2+bx+c, and the average value of f(x)f(x) on the interval [0,1][0,1] is the same as the average of f(0)f(0) and f(1)f(1). What is aa?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

문제에서 11−0∫01f(x) dx=f(0)+f(1)2\frac{1}{1-0}\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x = \frac{f(0)+f(1)}{2} 임을 알 수 있다. 이때 f(0)=cf(0)=c 이고 f(1)=a+b+cf(1) = a+b+c 이다.

11−0∫01f(x) dx=f(0)+f(1)2=c+(a+b+c)2∫01(ax2+bx+c) dx=a+b+2c2[a3x3+b2x2+cx]01=a2+b2+ca3+b2+c=a2+b2+ca3=aa=0\begin{aligned} \frac{1}{1-0}\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x &= \frac{f(0)+f(1)}{2} = \frac{c+(a+b+c)}{2}\\ \int_0^1 \big(ax^2+bx+c \big)\,\mathrm{d}x&=\frac{a+b+2c}{2}\\ \left[\frac{a}{3}x^3+\frac{b}{2}x^2+cx \right]_0^1&=\frac{a}{2}+\frac{b}{2}+c \\\frac{a}{3}+\frac{b}{2}+c&=\frac{a}{2}+\frac{b}{2}+c\\ \frac{a}{3}&=a\\ a&=0 \end{aligned}

즉, f(x)f(x) 는 일차함수이다.

원본 교재 풀이(영어)

The question tells you 11−0∫01f(x) dx=f(0)+f(1)2\frac{1}{1-0}\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x = \frac{f(0)+f(1)}{2}. Note f(0)=cf(0)=c, and f(1)=a+b+cf(1) = a+b+c.

11−0∫01f(x) dx=f(0)+f(1)2=c+(a+b+c)2∫01(ax2+bx+c) dx=a+b+2c2[a3x3+b2x2+cx]01=a2+b2+ca3+b2+c=a2+b2+ca3=aa=0\begin{aligned} \frac{1}{1-0}\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x &= \frac{f(0)+f(1)}{2} = \frac{c+(a+b+c)}{2}\\ \int_0^1 \big(ax^2+bx+c \big)\,\mathrm{d}x&=\frac{a+b+2c}{2}\\ \left[\frac{a}{3}x^3+\frac{b}{2}x^2+cx \right]_0^1&=\frac{a}{2}+\frac{b}{2}+c \\\frac{a}{3}+\frac{b}{2}+c&=\frac{a}{2}+\frac{b}{2}+c\\ \frac{a}{3}&=a\\ a&=0 \end{aligned}

That is, f(x)f(x) is linear.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.5절 · 60번
# 함수의 평균값계산도전자동 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 · 25번대학 수준우리말 번역

f(x)f(x) 가 구간 [a,b][a,b] 의 모든 수에서 정의된 함수이고, 이 구간에서의 평균값이 AA 라 하자. 구간 [a,b][a,b] 에서 f(a+b−x)f(a+b-x) 의 평균값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)f(x) be a function defined for all numbers in the interval [a,b][a,b], with average value AA over that interval. What is the average of f(a+b−x)f(a+b-x) over the interval [a,b][a,b]?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

구간 [a,b][a,b] 에서 함수 g(x)=f(a+b−x)g(x)=f(a+b-x) 는 함수 f(x)f(x) 의 좌우를 뒤집은 것이며, g(a)=f(b)g(a)=f(b) 이고 g(b)=f(a)g(b)=f(a) 이다. 따라서 ∫abf(a+b−x) dx=∫abf(x) dx\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x = \int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x 이고, 그러므로 1b−a∫abf(a+b−x) dx=1b−a∫abf(x) dx\frac{1}{b-a}\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x = \frac{1}{b-a}\int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x 이므로, [a,b][a,b] 에서 f(a+b−x)f(a+b-x) 의 평균값은 AA 이다.

다른 방법으로, 치환 u=a+b−xu=a+b-x, dx=−dx\mathrm{d}x=-\mathrm{d}x 를 써서 1b−a∫abf(a+b−x) dx\frac{1}{b-a}\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x 를 직접 계산할 수도 있다.

1b−a∫abf(a+b−x) dx=−1b−a∫u(a)u(b)f(u) du=−1b−a∫baf(u) du=1b−a∫abf(u) du=A\begin{aligned} \frac{1}{b-a}\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x&=\frac{-1}{b-a}\int_{u(a)}^{u(b)} f(u)\,\mathrm{d}u\\ &=\frac{-1}{b-a}\int_{b}^{a} f(u)\,\mathrm{d}u \\&=\frac{1}{b-a}\int_{a}^{b} f(u)\,\mathrm{d}u \\&=A \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The function g(x)=f(a+b−x)g(x)=f(a+b-x), on the interval [a,b][a,b], is a mirror of the function f(x)f(x), with g(a)=f(b)g(a)=f(b) and g(b)=f(a)g(b)=f(a). So, ∫abf(a+b−x) dx=∫abf(x) dx\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x = \int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x, and hence 1b−a∫abf(a+b−x) dx=1b−a∫abf(x) dx\frac{1}{b-a}\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x = \frac{1}{b-a}\int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x, so the average value of f(a+b−x)f(a+b-x) on [a,b][a,b] is AA.

Alternately, we can evaluate 1b−a∫abf(a+b−x) dx\frac{1}{b-a}\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x directly, using the substitution u=a+b−xu=a+b-x, dx=−dx\mathrm{d}x=-\mathrm{d}x:

1b−a∫abf(a+b−x) dx=−1b−a∫u(a)u(b)f(u) du=−1b−a∫baf(u) du=1b−a∫abf(u) du=A\begin{aligned} \frac{1}{b-a}\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x&=\frac{-1}{b-a}\int_{u(a)}^{u(b)} f(u)\,\mathrm{d}u\\ &=\frac{-1}{b-a}\int_{b}^{a} f(u)\,\mathrm{d}u \\&=\frac{1}{b-a}\int_{a}^{b} f(u)\,\mathrm{d}u \\&=A \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 26번
# 함수의 평균값계산도전자동 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 · 26번대학 수준우리말 번역

f(t)f(t) 가 연속함수이고, A(x)A(x) 는 0부터 xx 까지의 구간에서 f(t)f(t) 의 평균이라고 하자.

(a) a<ba<b 일 때, [a,b][a,b] 에서 f(t)f(t) 의 평균은 얼마입니까? AA 를 이용하여 나타내세요. (b) f(t)f(t) 는 무엇입니까? 이번에도 AA 를 이용하여 나타내세요.

영어 원문 보기

Suppose f(t)f(t) is a continuous function, and A(x)A(x) is the average of f(t)f(t) on the interval from 0 to xx.

(a) What is the average of f(t)f(t) on [a,b][a,b], where a<ba<b? Give your answer in terms of AA. (b) What is f(t)f(t)? Again, give your answer in terms of AA.

정답·풀이 보기

(a) 함수 A(x)A(x) 는 적분 구간의 한쪽 끝이 0일 때의 적분에 대한 정보만 준다. 1.2절의 정적분의 성질을 이용하여 적분을 두 개의 적분으로 나누면 이를 해결할 수 있다. 두 적분은 각각 적분 구간의 한쪽 끝이 0이다. 따라서 [a,b][a,b] 에서 f(t)f(t) 의 평균은 다음과 같이 구한다:

1b−a∫abf(t) dt=1b−a(∫a0f(t) dt+∫0bf(t) dt)=1b−a(−∫0af(t) dt+∫0bf(t) dt)=1b−a(−a⋅1a∫0af(t) dt⏟A(a)+b⋅1b∫0bf(t) dt⏟A(b))=1b−a(−aA(a)+bA(b))=bA(b)−aA(a)b−a\begin{aligned} \frac{1}{b-a}\int_a^b f(t)\,\mathrm{d}t&= \frac{1}{b-a}\left(\int_a^0 f(t)\,\mathrm{d}t + \int_0^b f(t)\,\mathrm{d}t\right)\\ &=\frac{1}{b-a}\left(-\int_0^a f(t)\,\mathrm{d}t + \int_0^b f(t)\,\mathrm{d}t \right)\\ &=\frac{1}{b-a}\left(-a\cdot\underbrace{\frac{1}{a}\int_0^a f(t)\,\mathrm{d}t}_{A(a)} + b\cdot\underbrace{\frac{1}{b}\int_0^b f(t)\,\mathrm{d}t}_{A(b)} \right)\\ &=\frac{1}{b-a}\left(-aA(a)+bA(b) \right) = \frac{bA(b) - aA(a)}{b-a} \end{aligned} (b) A(x)A(x) 의 정의로부터 다음을 알 수 있다. A(x)=1x∫0xf(t) dtA(x) = \frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t 즉, xA(x)=∫0xf(t) dtxA(x) =\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t 이다. f(x)f(x) 를 구하기 위해 양변을 미분한다. 좌변은 곱의 미분법을 이용하고, 우변은 미적분의 기본정리 제1부분을 이용한다. A(x)+xA′(x)=f(x)A(x)+xA'(x) = f(x) 따라서 f(t)=A(t)+tA′(t)f(t)=A(t)+tA'(t) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The function A(x)A(x) only gives us information about an integral when one limit of integration is zero. We can get around this by using properties of definite integrals from Section 1.2 to break our integral into two integrals, each of which has 0 as one limit of integration. So, we find the average of f(t)f(t) on [a,b][a,b] as follows:

1b−a∫abf(t) dt=1b−a(∫a0f(t) dt+∫0bf(t) dt)=1b−a(−∫0af(t) dt+∫0bf(t) dt)=1b−a(−a⋅1a∫0af(t) dt⏟A(a)+b⋅1b∫0bf(t) dt⏟A(b))=1b−a(−aA(a)+bA(b))=bA(b)−aA(a)b−a\begin{aligned} \frac{1}{b-a}\int_a^b f(t)\,\mathrm{d}t&= \frac{1}{b-a}\left(\int_a^0 f(t)\,\mathrm{d}t + \int_0^b f(t)\,\mathrm{d}t\right)\\ &=\frac{1}{b-a}\left(-\int_0^a f(t)\,\mathrm{d}t + \int_0^b f(t)\,\mathrm{d}t \right)\\ &=\frac{1}{b-a}\left(-a\cdot\underbrace{\frac{1}{a}\int_0^a f(t)\,\mathrm{d}t}_{A(a)} + b\cdot\underbrace{\frac{1}{b}\int_0^b f(t)\,\mathrm{d}t}_{A(b)} \right)\\ &=\frac{1}{b-a}\left(-aA(a)+bA(b) \right) = \frac{bA(b) - aA(a)}{b-a} \end{aligned} (b) From the definition of A(x)A(x), we know A(x)=1x∫0xf(t) dtA(x) = \frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t That is, xA(x)=∫0xf(t) dtxA(x) =\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t To find f(x)f(x), we differentiate both sides. For the left side, we use the product rule; for the right side, we use the Fundamental Theorem of Calculus part 1. A(x)+xA′(x)=f(x)A(x)+xA'(x) = f(x) So, f(t)=A(t)+tA′(t)f(t)=A(t)+tA'(t).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 23번
# 함수의 평균값계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)