문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

적분의 활용 전체 문제

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36문제 · 2 / 2쪽

21.APEX · 7.3절 · 16번대학 수준우리말 번역

13–18번 문제에서, 데카르트 좌표평면의 한 영역이 주어집니다. 원통껍질법을 이용하여 이 영역을 주어진 각 축을 중심으로 회전시켜 만든 회전체의 부피를 구하세요.

y=x2−2x+2y=x^2-2x+2 와 y=2x−1y=2x-1 로 유계인 영역

회전축:

(a) yy축 (b) x=1x=1

(a) x=−1x=-1

영어 원문 보기

In Exercises 13–18, a region of the Cartesian plane is described. Use the Shell Method to find the volume of the solid of revolution formed by rotating the region about each of the given axes.

Region bounded by y=x2−2x+2y=x^2-2x+2 and y=2x−1y=2x-1.

Rotate about:

(a) the yy-axis (b) x=1x=1

(a) x=−1x=-1

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
정답·풀이 보기

(a) 16π/316\pi/3 (b) 8π/38\pi/3 (c) 8π8\pi

원본 교재 풀이(영어)

(a) 16π/316\pi/3 (b) 8π/38\pi/3 (c) 8π8\pi

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.3절 · 12번
# 원통 껍질법활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
22.APEX · 7.3절 · 17번대학 수준우리말 번역

연습문제 13–18에서는 직교좌표평면의 영역이 주어진다. 셸 방법을 사용하여, 이 영역을 주어진 각 축을 중심으로 회전시켜 얻은 회전체의 부피를 구하세요.

y=1/x2+1y=1/\sqrt{x^2+1}, x=1x=1, 그리고 xx축과 yy축으로 둘러싸인 영역.

회전축:

(a) yy축

(a) x=1x=1

영어 원문 보기

In Exercises 13–18, a region of the Cartesian plane is described. Use the Shell Method to find the volume of the solid of revolution formed by rotating the region about each of the given axes.

Region bounded by y=1/x2+1y=1/\sqrt{x^2+1}, x=1x=1 and the xx and yy-axes.

Rotate about:

(a) the yy-axis

(a) x=1x=1

정답·풀이 보기

(a) 2π(2−1)2\pi(\sqrt{2}-1) (b) 2π(1−2+sinh⁡−1(1))2\pi(1-\sqrt{2}+\sinh^{-1} (1))

원본 교재 풀이(영어)

(a) 2π(2−1)2\pi(\sqrt{2}-1) (b) 2π(1−2+sinh⁡−1(1))2\pi(1-\sqrt{2}+\sinh^{-1} (1))

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.3절 · 10번
# 원통 껍질법활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
23.APEX · 7.3절 · 18번대학 수준우리말 번역

연습문제 13–18에서는 직교좌표평면의 영역이 주어진다. 셸 방법을 사용하여, 이 영역을 주어진 각 축을 중심으로 회전시켜 얻은 회전체의 부피를 구하세요.

y=2xy=2x, y=xy=x, x=2x=2로 둘러싸인 영역.

회전축:

(a) yy축 (b) x=2x=2

(a) xx축 (b) y=4y=4

영어 원문 보기

In Exercises 13–18, a region of the Cartesian plane is described. Use the Shell Method to find the volume of the solid of revolution formed by rotating the region about each of the given axes.

Region bounded by y=2xy=2x, y=xy=x and x=2x=2.

Rotate about:

(a) the yy-axis (b) x=2x=2

(a) the xx-axis (b) y=4y=4

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
(d)
정답·풀이 보기

(a) 16π/316\pi/3 (b) 8π/38\pi/3 (c) 8π8\pi (d) 8π8\pi

원본 교재 풀이(영어)

(a) 16π/316\pi/3 (b) 8π/38\pi/3 (c) 8π8\pi (d) 8π8\pi

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.3절 · 48번
# 원통 껍질법활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
24.APEX · 7.5절 · 10번대학 수준우리말 번역

무게 100 lb 의 모래주머니를 1분 동안 일정한 속도로 120 ft 들어 올린다. 모래는 주머니에서 1/4 lb/s 의 비율로 새어 나간다. 주머니를 들어 올리는 데 한 일의 총량을 구하세요.

영어 원문 보기

A 100 lb bag of sand is lifted uniformly 120 ft in one minute. Sand leaks from the bag at a rate of 1/4 lb/s. What is the total work done in lifting the bag?

정답·풀이 보기

11,100 ft–lb

원본 교재 풀이(영어)

11,100 ft–lb

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 7.5절 · 16번
# 일활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
25.APEX · 7.5절 · 20번대학 수준우리말 번역

높이가 5 m이고 반지름이 2 m인 원기둥 모양의 탱크에 질량 밀도가 737.22 kg/m3^3 인 휘발유가 3 m 높이만큼 채워져 있다. 휘발유를 모두 탱크의 꼭대기까지 퍼 올리는 데 한 일의 총량을 구하세요.

영어 원문 보기

A 5 m tall cylindrical tank with radius of 2 m is filled with 3 m of gasoline, with a mass density of 737.22 kg/m3^3. Compute the total work performed in pumping all the gasoline to the top of the tank.

답 쓰고 채점
J
정답·풀이 보기

953,284953,284 J

원본 교재 풀이(영어)

953,284953,284 J

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 7.5절 · 19번
# 일활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
26.APEX · 7.5절 · 21번대학 수준우리말 번역

높이가 6 ft이고 반지름이 3 ft인 원기둥 모양의 탱크에 무게 밀도가 62.4 lb/ft3^3 인 물이 가득 차 있다. 이 물을 탱크 꼭대기보다 2 ft 높은 지점까지 퍼 올리려 한다.

(a) 탱크의 물을 모두 퍼 올리는 데 한 일은 얼마입니까? (b) 탱크에서 물 3 ft 높이만큼을 퍼 올리는 데 한 일은 얼마입니까? (c) 전체 일의 1/2이 이루어지는 시점은 언제입니까?

영어 원문 보기

A 6 ft cylindrical tank with a radius of 3 ft is filled with water, which has a weight density of 62.4 lb/ft3^3. The water is to be pumped to a point 2 ft above the top of the tank.

(a) How much work is performed in pumping all the water from the tank? (b) How much work is performed in pumping 3 ft of water from the tank? (c) At what point is 1/2 of the total work done?

정답·풀이 보기

(a) 52,929.6 ft–lb (b) 18,525.3 ft–lb (c) 탱크에서 물을 3.83 ft 높이만큼 퍼냈을 때이며, 이때 탱크에는 약 2.17 ft 높이의 물이 남는다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) 52,929.6 ft–lb (b) 18,525.3 ft–lb (c) When 3.83 ft of water have been pumped from the tank, leaving about 2.17 ft in the tank.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 7.5절 · 22번
# 일활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
27.APEX · 7.5절 · 22번대학 수준우리말 번역

휘발유 탱크로리에 무게 밀도가 45.93 lb/ft3^3 인 휘발유가 가득 차 있다. 바닥의 배출 밸브가 닫힌 채 고장이 나서, 작업자는 휘발유를 탱크 꼭대기보다 1 ft 높은 지점까지 퍼 올려 탱크를 비워야 한다. 탱크는 길이가 20 ft이고 지름이 7.5 ft인 완전한 원기둥이라고 가정한다. 탱크의 휘발유를 모두 퍼 올리는 데 한 일은 얼마입니까?

영어 원문 보기

A gasoline tanker is filled with gasoline with a weight density of 45.93 lb/ft3^3. The dispensing valve at the base is jammed shut, forcing the operator to empty the tank via pumping the gas to a point 1 ft above the top of the tank. Assume the tank is a perfect cylinder, 20 ft long with a diameter of 7.5 ft. How much work is performed in pumping all the gasoline from the tank?

정답·풀이 보기

192,767 ft–lb. 탱크가 가로로 놓여 있음에 주의한다. 탱크의 원형 단면 중 한쪽의 중심을 원점으로 하자. 반지름이 3.75 ft이고 휘발유를 y=4.75y=4.75 까지 퍼 올리므로, 휘발유가 이동하는 거리는 h(y)=4.75−yh(y)=4.75-y 이다. 물의 미소 요소는 길이가 20이고 너비가 23.752−y22\sqrt{3.75^2-y^2} 인 직사각형이다. 따라서 이 휘발유 조각을 옮기는 데 필요한 힘은 F(y)=40⋅45.93⋅3.752−y2dyF(y) = 40\cdot45.93\cdot\sqrt{3.75^2-y^2}dy 이다. 한 일의 총량은 ∫−3.753.7540⋅45.93⋅(4.75−y)3.752−y2 dy\int_{-3.75}^{3.75} 40\cdot45.93\cdot(4.75-y)\sqrt{3.75^2-y^2}\ dy 이다. 이 값은 실제로 적분하지 않고도 구할 수 있다. 이 적분을 ∫−3.753.7540⋅45.93⋅(4.75)3.752−y2 dy+∫−3.753.7540⋅45.93⋅(−y)3.752−y2 dy\int_{-3.75}^{3.75} 40\cdot45.93\cdot(4.75)\sqrt{3.75^2-y^2}\ dy + \int_{-3.75}^{3.75} 40\cdot45.93\cdot(-y)\sqrt{3.75^2-y^2}\ dy 로 나눈다. 첫 번째 적분은 원의 넓이의 절반을 구하는 것으로 계산할 수 있고, 두 번째 적분은 어렵지 않게 0임을 보일 수 있다. (치환을 사용하면 위끝과 아래끝이 모두 0이 됨을 알 수 있다.)

원본 교재 풀이(영어)

192,767 ft–lb. Note that the tank is oriented horizontally. Let the origin be the center of one of the circular ends of the tank. Since the radius is 3.75 ft, the fluid is being pumped to y=4.75y=4.75; thus the distance the gas travels is h(y)=4.75−yh(y)=4.75-y. A differential element of water is a rectangle, with length 20 and width 23.752−y22\sqrt{3.75^2-y^2}. Thus the force required to move that slab of gas is F(y)=40⋅45.93⋅3.752−y2dyF(y) = 40\cdot45.93\cdot\sqrt{3.75^2-y^2}dy. Total work is ∫−3.753.7540⋅45.93⋅(4.75−y)3.752−y2 dy\int_{-3.75}^{3.75} 40\cdot45.93\cdot(4.75-y)\sqrt{3.75^2-y^2}\ dy. This can be evaluated without actual integration; split the integral into ∫−3.753.7540⋅45.93⋅(4.75)3.752−y2 dy+∫−3.753.7540⋅45.93⋅(−y)3.752−y2 dy\int_{-3.75}^{3.75} 40\cdot45.93\cdot(4.75)\sqrt{3.75^2-y^2}\ dy + \int_{-3.75}^{3.75} 40\cdot45.93\cdot(-y)\sqrt{3.75^2-y^2}\ dy. The first integral can be evaluated as measuring half the area of a circle; the latter integral can be shown to be 0 without much difficulty. (Use substitution and realize the bounds are both 0.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.1절 · 1번
# 일활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
28.APEX · 7.6절 · 19번대학 수준우리말 번역

반지름이 1 ft인 수직으로 세워진 원형 판의 중심이 물속 얼마나 깊이 잠겨야 판에 작용하는 유체의 힘이 1,000 lb에 이르는지 구하세요. 단, 물의 무게 밀도는 62.4 lb/ft3^3이다.

영어 원문 보기

How deep must the center of a vertically oriented circular plate with a radius of 1 ft be submerged in water, with a weight density of 62.4 lb/ft3^3, for the fluid force on the plate to reach 1,000 lb?

답 쓰고 채점
피트(ft)
정답·풀이 보기
# 유체의 압력과 힘활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
29.APEX · 7.6절 · 20번대학 수준우리말 번역

한 변의 길이가 2 ft인 수직으로 세워진 정사각형 판의 중심이 물속 얼마나 깊이 잠겨야 판에 작용하는 유체의 힘이 1,000 lb에 이르는지 구하세요. 단, 물의 무게 밀도는 62.4 lb/ft3^3이다.

영어 원문 보기

How deep must the center of a vertically oriented square plate with a side length of 2 ft be submerged in water, with a weight density of 62.4 lb/ft3^3, for the fluid force on the plate to reach 1,000 lb?

답 쓰고 채점
피트(ft)
정답·풀이 보기
# 유체의 압력과 힘활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
30.CLP-2 · 2.1절 · 3번대학 수준우리말 번역

다음 등식을 생각하세요. W=∫abF(x) dxW = \int_a^b F(x)\,\mathrm{d}x 여기서 xx 는 미터(m) 단위로 측정하고, F(x)F(x) 는 킬로그램·미터 매 초 제곱(뉴턴) 단위로 측정합니다.

충분히 큰 어떤 nn 에 대해 다음과 같이 어림할 수 있습니다. W≈∑i=1nF(xi)ΔxW \approx \sum_{i=1}^n F(x_i)\Delta x 여기서 Δx=b−an\Delta x = \frac{b-a}{n} 이고 xix_i 는 구간 [a+(i−1)Δx,a+iΔx][a+(i-1)\Delta x, a+i\Delta x] 안의 어떤 수입니다. (이것은 리만 합의 일반적인 꼴일 뿐입니다.)

(a) Δx\Delta x 의 단위는 무엇인지 구하세요. (b) F(xi)F(x_i) 의 단위는 무엇인지 구하세요. (c) 위의 답을 이용하여 WW 의 단위는 무엇인지 구하세요.

참고: 본문에서 이미 WW 의 단위를 알고 있지만, 리만 합을 통해 이 특정한 적분에서 그 단위가 왜 타당한지 알 수 있습니다.

영어 원문 보기

Consider the equation W=∫abF(x) dxW = \int_a^b F(x)\,\mathrm{d}x where xx is measured in metres and F(x)F(x) is measured in kilogram-metres per second squared (newtons).

For some large nn, we might approximate W≈∑i=1nF(xi)ΔxW \approx \sum_{i=1}^n F(x_i)\Delta x where Δx=b−an\Delta x = \frac{b-a}{n} and xix_i is some number in the interval [a+(i−1)Δx,a+iΔx][a+(i-1)\Delta x, a+i\Delta x]. (This is just the general form of a Riemann sum).

(a) What are the units of Δx\Delta x? (b) What are the units of F(xi)F(x_i)? (c) Using your answers above, what are the units of WW?

Remark: we already know the units of WW from the text, but the Riemann sum illustrates why they make sense arising from this particular integral.

정답·풀이 보기

(a) Δx=b−an\Delta x = \frac{b-a}{n} 으로 정의하였다. 즉, [a,b][a,b] 를 nn 개로 나눌 때 한 구간의 길이이다. bb 와 aa 를 미터로 측정하면 Δx\Delta x 도 미터로 측정된다. 따라서 Δx\Delta x 의 단위는 미터이다.

다르게 말하면, aa 와 bb 가 모두 미터 단위의 양을 나타내므로 b−ab-a 도 미터 단위의 양을 나타낸다. (단위가 같은 양끼리 더하거나 빼면 그 합이나 차도 같은 단위로 주어진다.) nn 은 단위가 없는 양(단순한 수이며 “nn kg” 이나 “nn m” 이 아님)이므로 b−an\frac{b-a}{n} 도 여전히 미터 단위의 양을 나타낸다. (6 미터의 천을 3 조각으로 자르면 각 조각은 63=2\frac{6}{3}=2 미터이다. 2 킬로그램이나 매 초 2 미터가 아니다.) (b) F(x)F(x) 를 킬로그램·미터 매 초 제곱(뉴턴) 단위로 측정하므로 F(xi)F(x_i) 의 단위는 킬로그램·미터 매 초 제곱(뉴턴)이다. (c) WW 는 F(xi)ΔxF(x_i)\Delta x 꼴의 항들을 더하여 구한다. F(xi)ΔxF(x_i)\Delta x 의 단위는 F(xi)F(x_i) 의 단위와 Δx\Delta x 의 단위의 곱이다. 즉, F(xi)ΔxF(x_i)\Delta x 의 단위는 (kg⋅msec2)(m)=kg⋅m2sec2=J\left(\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}\right)\left(\text{m}\right) = \frac{\text{kg}\cdot\text{m}^2}{\text{sec}^2} = J 이다. 줄 단위로 주어진 항들의 합은 그 자체로 줄 단위이므로 WW 의 단위는 줄이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We defined Δx=b−an\Delta x = \frac{b-a}{n}: that is, the length of one interval, when we chop [a,b][a,b] into nn of them. If bb and aa are measured in metres, then Δx\Delta x is measured in metres as well. So, the units of Δx\Delta x are metres.

Put another way, since aa and bb both describe a quantity in metres, b−ab-a describes a quantity in metres as well. (When we add or subtract quantities of the same units, their sum or difference is given in the same units.) Since nn is a unitless quantity (simply a number: not “nn kg" or “nn m"), b−an\frac{b-a}{n} still describes a quantity in metres. (If I have 6 metres of cloth, and I cut it into 3 pieces, each piece has 63=2\frac{6}{3}=2 metres–not 2 kilograms, or 2 metres per second.) (b) Since F(x)F(x) is measured in kilogram-metres per second squared (newtons), the units of F(xi)F(x_i) are kilogram-metres per second squared (newtons). (c) WW is calculated by adding up summands of the form F(xi)ΔxF(x_i)\Delta x. The units of F(xi)ΔxF(x_i)\Delta x are the products of the units of F(xi)F(x_i) with the units of Δx\Delta x. That is, the units of F(xi)ΔxF(x_i)\Delta x are (kg⋅msec2)(m)=kg⋅m2sec2=J\left(\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}\right)\left(\text{m}\right) = \frac{\text{kg}\cdot\text{m}^2}{\text{sec}^2} = J. The sum of terms given in joules is itself given in joules, so the units of WW are joules.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.1절 · 28번
# 일활용기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
31.CLP-2 · 2.1절 · 24번대학 수준우리말 번역

물이 새는 양동이가 우물에서 물 5 L를 담아 올리는데, 10초마다 1 L씩 물이 떨어져 나갑니다. 이 양동이를 2초에 1미터씩 일정한 속력으로 5미터 끌어올렸다면, 한 일의 양은 얼마인지 구하세요.

밧줄과 양동이의 질량은 무시할 수 있고 물 1리터의 질량은 1 kg이라고 가정하며, 중력가속도는 9.89.8 m/sec2^2을 사용하세요.

영어 원문 보기

A leaky bucket picks up 5 L of water from a well, but drips out 1 L every ten seconds. If the bucket was hauled up 5 metres at a constant speed of 1 metre every two seconds, how much work was done?

Assume the rope and bucket have negligible mass and one litre of water has 1 kg mass, and use 9.89.8 m/sec2^2 for the acceleration due to gravity.

답 쓰고 채점
J
정답·풀이 보기

먼저 끌어올린 시간을 끌어올린 길이로 바꾸어 보자. 밧줄을 yy 미터 끌어올렸을 때 2y2y 초가 지났으므로 양동이에서 15y\frac{1}{5}y 리터의 물이 새어 나갔고, 5−15y5-\frac{1}{5}y 리터가 남는다. (이는 15y≤5\frac{1}{5}y \leq 5 일 때만 의미가 있지만, 여기서는 yy 가 0에서 5까지인 경우만 생각하므로 문제가 되지 않는다. 즉, 더 이상 샐 물이 없는 빈 양동이를 끌어올리는 경우는 없다.)

밧줄을 yy 미터 끌어올렸을 때 양동이 속 물의 질량은 (5−15y)(5-\frac{1}{5}y) kg이므로, 물에 작용하는 중력은 9.8(5−15y)9.8(5-\frac{1}{5}y) N이다. 밧줄을 5미터 끌어올리므로 한 일의 양은 다음과 같다. W=∫059.8(5−15y) dy=9.8[5y−110y2]05=9.8[25−2.5]=220.5 JW = \int_0^5 9.8\left(5-\frac{1}{5}y\right) \,\mathrm{d}y = 9.8\left[5y-\frac{1}{10}y^2\right]_0^5 = 9.8\left[25-2.5\right]=220.5\text{ J}

원본 교재 풀이(영어)

Let's start by converting from time spent pulling to amount pulled. When yy metres of rope have been pulled up, 2y2y seconds have passed, so 15y\frac{1}{5}y litres of water have leaked out of the bucket, leaving 5−15y5-\frac{1}{5}y litres. (This only makes sense when 15y≤5\frac{1}{5}y \leq 5, but we only consider values of yy from 0 to 5, so it's not a problem. That is, we're never hauling up an empty bucket that can't leak any more.)

When we've pulled up yy metres of rope, the mass in the bucket is (5−15y)(5-\frac{1}{5}y) kg, so the force of gravity acting on it is 9.8(5−15y)9.8(5-\frac{1}{5}y) N. Since we pull up 5 metres of rope, the work done is: W=∫059.8(5−15y) dy=9.8[5y−110y2]05=9.8[25−2.5]=220.5 JW = \int_0^5 9.8\left(5-\frac{1}{5}y\right) \,\mathrm{d}y = 9.8\left[5y-\frac{1}{10}y^2\right]_0^5 = 9.8\left[25-2.5\right]=220.5\text{ J}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.1절 · 25번
# 일활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
32.CLP-2 · 2.2절 · 11번대학 수준우리말 번역

길이가 3 m인 막대에서, 막대의 왼쪽 끝으로부터 xx m 떨어진 지점의 섭씨 온도는 함수 T(x)=8016−x2T(x)=\frac{80}{16-x^2} 으로 주어진다. 막대의 평균 온도를 구하세요.

영어 원문 보기

The temperature in Celsius in a 3 m long rod at a point xx metres from the left end of the rod is given by the function T(x)=8016−x2T(x)=\frac{80}{16-x^2}. Determine the average temperature in the rod.

정답·풀이 보기

정의에 따라 평균 온도는 13∫03T(x) dx=13∫038016−x2 dx\frac{1}{3}\int_0^3 T(x)\,\mathrm{d}x =\frac{1}{3}\int_0^3 \frac{80}{16-x^2}\,\mathrm{d}x 뚜렷한 치환은 보이지 않지만, 피적분함수는 유리함수이다. 분자의 차수가 분모의 차수보다 작으므로 분모를 인수분해하여 부분분수분해를 이용한다.

8016−x2=80(4−x)(4+x)=A4−x+B4+x80=A(4+x)+B(4−x) x=4 를 대입하면 80=8A 이므로 A=10 이다. x=−4 를 대입하면 80=8B 이므로 B=10 이다. 13∫038016−x2 dx=13∫0380(4−x)(4+x) dx=13∫03[104−x+104+x] dx=13∫03[−10x−4+104+x] dx=103[−log⁡∣x−4∣+log⁡∣x+4∣]03=103log⁡∣x+4x−4∣∣03=103[log⁡7−log⁡1]=103log⁡7 섭씨 도\begin{aligned} \frac{80}{16-x^2}&=\frac{80}{(4-x)(4+x)} = \frac{A}{4-x}+\frac{B}{4+x}\\ 80&=A(4+x)+B(4-x) \\ \text{ $x=4$ 를 대입하면 $80=8A$ 이므로 $A=10$ 이다. $x=-4$ 를 대입하면 $80=8B$ 이므로 $B=10$ 이다. } \\ \frac{1}{3}\int_0^3 \frac{80}{16-x^2}\,\mathrm{d}x&=\frac{1}{3}\int_0^3 \frac{80}{(4-x)(4+x)}\,\mathrm{d}x=\frac{1}{3}\int_0^3 \Big[\frac{ 10}{4-x}+\frac{ 10}{4+x}\Big]\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{3}\int_0^3 \Big[-\frac{10}{x-4}+\frac{10}{4+x}\Big]\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{10}{3}\Big[-\log|x-4|+\log|x+4|\Big]_0^3 \\ &=\frac{10}{3}\log\Big|\frac{x+4}{x-4}\Big|\bigg|_0^3 =\frac{10}{3}[\log 7-\log 1] \\ &=\frac{10}{3}\log 7\quad\text{ 섭씨 도} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

By definition, the average temperature is 13∫03T(x) dx=13∫038016−x2 dx\frac{1}{3}\int_0^3 T(x)\,\mathrm{d}x =\frac{1}{3}\int_0^3 \frac{80}{16-x^2}\,\mathrm{d}x We don't see an obvious substitution, but integrand is a rational function. The degree of the numerator is strictly less than the degree of the denominator, so we factor the denominator and use a partial fraction decomposition.

8016−x2=80(4−x)(4+x)=A4−x+B4+x80=A(4+x)+B(4−x) Setting x=4, we see 80=8A, so A=10. Setting x=−4, we see 80=8B, so B=10. 13∫038016−x2 dx=13∫0380(4−x)(4+x) dx=13∫03[104−x+104+x] dx=13∫03[−10x−4+104+x] dx=103[−log⁡∣x−4∣+log⁡∣x+4∣]03=103log⁡∣x+4x−4∣∣03=103[log⁡7−log⁡1]=103log⁡7 degrees Celsius\begin{aligned} \frac{80}{16-x^2}&=\frac{80}{(4-x)(4+x)} = \frac{A}{4-x}+\frac{B}{4+x}\\ 80&=A(4+x)+B(4-x) \\ \text{ Setting $x=4$, we see $80=8A$, so $A=10$. Setting $x=-4$, we see $80=8B$, so $B=10$. } \\ \frac{1}{3}\int_0^3 \frac{80}{16-x^2}\,\mathrm{d}x&=\frac{1}{3}\int_0^3 \frac{80}{(4-x)(4+x)}\,\mathrm{d}x=\frac{1}{3}\int_0^3 \Big[\frac{ 10}{4-x}+\frac{ 10}{4+x}\Big]\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{3}\int_0^3 \Big[-\frac{10}{x-4}+\frac{10}{4+x}\Big]\,\mathrm{d}x\\ &=\frac{10}{3}\Big[-\log|x-4|+\log|x+4|\Big]_0^3 \\ &=\frac{10}{3}\log\Big|\frac{x+4}{x-4}\Big|\bigg|_0^3 =\frac{10}{3}[\log 7-\log 1] \\ &=\frac{10}{3}\log 7\quad\text{ degrees Celsius} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 5번
# 함수의 평균값활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
33.CLP-2 · 2.2절 · 14번대학 수준우리말 번역

어느 지역의 1년 동안 공기 중 이산화탄소 농도는 C(t)=400+50cos⁡(t12π)+200cos⁡(t4380π)C(t) = 400+50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)+200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right) 백만분율(ppm)로 근사된다. 여기서 tt는 시간 단위로 측정한다.

(a) 그 지역의 그해 평균 이산화탄소 농도는 얼마입니까? (b) 첫째 날의 평균 농도는 얼마입니까? (c) 측정을 매일 정오에만 했다고 하자. 즉 t=12+24nt=12+24n 일 때만 측정했고, 여기서 nn은 0 이상 364 이하의 임의의 정수이다. 그러면 하루 중의 변화는 사라진다: 50cos⁡((12+24n)12π)=50cos⁡(π+2πn)=50cos⁡π=−5050\cos\left(\frac{(12+24n)}{12}\pi\right) = 50\cos\left(\pi+2\pi n\right) = 50\cos\pi=-50. 따라서 대기 중 이산화탄소 농도의 근삿값은 다음과 같이 나타낼 수 있다. N(t)=350+200cos⁡(t4380π) ppmN(t) = 350 +200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\quad\text{ ppm} C(t)C(t) 대신 N(t)N(t)를 사용할 때 연평균 이산화탄소 농도에 생기는 상대오차는 얼마입니까?

하루는 정확히 24시간, 1년은 정확히 8760시간이라고 가정해도 됩니다.

영어 원문 보기

The carbon dioxide concentration in the air at a particular location over one year is approximated by C(t)=400+50cos⁡(t12π)+200cos⁡(t4380π)C(t) = 400+50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)+200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right) parts per million, where tt is measured in hours.

(a) What is the average carbon dioxide concentration for that location for that year? (b) What is the average over the first day? (c) Suppose measurements were only made at noon every day: that is, when t=12+24nt=12+24n, where nn is any whole number between 0 and 364. Then the daily variation would cease: 50cos⁡((12+24n)12π)=50cos⁡(π+2πn)=50cos⁡π=−5050\cos\left(\frac{(12+24n)}{12}\pi\right) = 50\cos\left(\pi+2\pi n\right) = 50\cos\pi=-50. So, the approximation for the concentration of carbon dioxide in the atmosphere might be given as N(t)=350+200cos⁡(t4380π) ppmN(t) = 350 +200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\quad\text{ ppm} What is the relative error in the yearly average concentration of carbon dioxide involved in using N(t)N(t), instead of C(t)C(t)?

You may assume a day has exactly 24 hours, and a year has exactly 8760 hours.

정답·풀이 보기

문제에 답하기 전에 주어진 함수를 조금 더 자세히 살펴보자. 항 50cos⁡(t12π)50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)의 주기는 24시간이고, 항 200cos⁡(t4380π)200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)의 주기는 1년이다. 따라서 앞의 항은 하루 중의 일반적인 변화를 나타내고, 뒤의 항은 1년에 걸친 계절별 변화를 나타낸다.

(a) 평균의 정의를 이용하면, 1년(t=0t=0부터 87608760까지) 동안의 평균 농도는 다음과 같다.

18760∫08760(400+50cos⁡(t12π)+200cos⁡(t4380π)) dt=18760∫08760400 dt+508760∫08760cos⁡(t12π) dt+2008760∫08760cos⁡(t4380π) dt=400+5876[12πsin⁡(t12π)]08760+5219[4380πsin⁡(t4380π)]08760876012=730은 짝수이므로 sin⁡(876012π)=sin⁡(0)=0이다. 또한 sin⁡(87604380π)=sin⁡(2π)=0이다. =400+5876(0)+5219(0)=400 ppm\begin{aligned} &\frac{1}{8760}\int_0^{8760}\left(400+ 50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)+ 200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right)\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{8760}\int_0^{8760}400\,\mathrm{d}t + \frac{50}{8760}\int_0^{8760}\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)\,\mathrm{d}t + \frac{200}{8760}\int_0^{8760}\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\,\mathrm{d}t\\ &= 400 + \frac{5}{876}\left[\frac{12}{\pi}\sin\left(\frac{t}{12}\pi\right)\right]_0^{8760}+ \frac{5}{219}\left[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right]_0^{8760} \\ \text{$\frac{8760}{12} = 730$은 짝수이므로 $\sin\left(\frac{8760}{12}\pi\right)=\sin(0)=0$이다. 또한 $\sin\left(\frac{8760}{4380}\pi\right)=\sin(2\pi)=0$이다. } \\ &=400+ \frac{5}{876}(0) + \frac{5}{219}(0)\\ &=400\quad\text{ ppm} \end{aligned}

참고: 적분에서 빨간색과 파란색으로 표시된 부분은, 피적분함수가 정수 번의 주기를 지난다는 점에 주목해도 된다. 한 주기마다 곡선과 xx축 사이의 부호 있는 넓이의 합은 0이므로, 처음부터 이 항들이 최종 평균에 0을 더한다는 것을 알 수 있다.

(b) 평균의 정의를 이용하면, 첫째 날(t=0t=0부터 t=24t=24까지) 동안의 평균 농도는 다음과 같다.

124∫024(400+50cos⁡(t12π)+200cos⁡(t4380π)) dt=124∫024400 dt+5024∫024cos⁡(t12π) dt+20024∫024cos⁡(t4380π) dtt=0부터 t=24까지는 빨간색 피적분함수의 꼭 한 주기이므로 빨간색 적분의 값은 0이다. 그러나 t=0부터 t=24까지는 파란색 피적분함수의 한 주기보다 짧으므로, 이 항은 평균에 0이 아닌 값을 더할 것으로 예상할 수 있다.=400+0+20024[4380πsin⁡(t4380π)]024=400+253⋅4380πsin⁡(244380π)=400+253⋅4380πsin⁡(2365π)≈400+199.99=599.99 ppm\begin{aligned} &\frac{1}{24}\int_0^{24} \left(400+ 50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)+ 200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right)\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{24}\int_0^{24}400\,\mathrm{d}t + \frac{50}{24}\int_0^{24}\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)\,\mathrm{d}t+ \frac{200}{24}\int_0^{24}\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\,\mathrm{d}t \\ \text{$t=0$부터 $t=24$까지는 빨간색 피적분함수의 꼭 한 주기이므로 빨간색 적분의 값은 0이다. 그러나 $t=0$부터 $t=24$까지는 파란색 피적분함수의 한 주기보다 \textit{짧으므로}, 이 항은 평균에 0이 아닌 값을 더할 것으로 예상할 수 있다.} \\ &=400+ 0 + \frac{200}{24}\left[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right]_0^{24}\\ &=400+\frac{25}{3}\cdot\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{24}{4380}\pi\right)\\ &=400+\frac{25}{3}\cdot\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{2}{365}\pi\right)\\ &\approx 400+199.99\\ &=599.99 \quad\text{ ppm} \end{aligned}

참고: C(0)=400+50+200C(0) = 400+ 50+ 200이다. 빨간색 항은 하루 중의 변화에서 나오며, 첫째 날 동안 이 항의 평균은 0이다. 파란색 항은 계절별 변화에서 나오는데, 이는 1년 전체에 걸쳐서는 크게 변하지만 하루 동안에는 그다지 많이 변하지 않는다. 따라서 첫째 날의 평균 농도가 (정확히는 아니지만) 400+200400+200 ppm에 가까운 것은 타당하다.

(c) [0,8760][0,8760]에서 N(t)N(t)의 평균은 다음과 같다.

18760∫08760(350+200cos⁡(t4380π)) dt=350+2008760[4380πsin⁡(t4380π)]08760=350+2008760[4380πsin⁡(87604380π)]=350+100πsin⁡(2π)=350\begin{aligned} \frac{1}{8760}\int_0^{8760} \left ( 350+200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right)\,\mathrm{d}t&=350 + \frac{200}{8760}\bigg[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\bigg]_0^{8760} \\&=350+\frac{200}{8760}\left[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{8760}{4380}\pi\right)\right]\\ &=350+\frac{100}{\pi}\sin\left(2\pi\right)\\&=350 \end{aligned}

C(t)C(t)의 평균이 400이었으므로, 절대오차는 ∣400−350∣=50|400-350|=50 ppm이고 상대오차는 50400=0.125,\frac{50}{400} = 0.125, 즉 12.5%이다.

다시 말해, 하루 중 계속 측정하지 않고 매일 같은 시각에 측정하면 연평균 이산화탄소 농도에 12.5%의 오차가 생긴다.

원본 교재 풀이(영어)

Before we start answering questions, let's look at our function a little more carefully. The term 50cos⁡(t12π)50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right) has a period of 24 hours, while the term 200cos⁡(t4380π)200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right) has a period of one year. So, the former term describes a standard daily variation, while the latter gives a seasonal variation over the year.

(a) Using the definition of an average, the average concentration over one year (t=0t=0 to 87608760) is:

18760∫08760(400+50cos⁡(t12π)+200cos⁡(t4380π)) dt=18760∫08760400 dt+508760∫08760cos⁡(t12π) dt+2008760∫08760cos⁡(t4380π) dt=400+5876[12πsin⁡(t12π)]08760+5219[4380πsin⁡(t4380π)]08760Since 876012=730, which is even, sin⁡(876012π)=sin⁡(0)=0. Also, sin⁡(87604380π)=sin⁡(2π)=0. =400+5876(0)+5219(0)=400 ppm\begin{aligned} &\frac{1}{8760}\int_0^{8760}\left(400+ 50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)+ 200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right)\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{8760}\int_0^{8760}400\,\mathrm{d}t + \frac{50}{8760}\int_0^{8760}\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)\,\mathrm{d}t + \frac{200}{8760}\int_0^{8760}\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\,\mathrm{d}t\\ &= 400 + \frac{5}{876}\left[\frac{12}{\pi}\sin\left(\frac{t}{12}\pi\right)\right]_0^{8760}+ \frac{5}{219}\left[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right]_0^{8760} \\ \text{Since $\frac{8760}{12} = 730$, which is even, $\sin\left(\frac{8760}{12}\pi\right)=\sin(0)=0$. Also, $\sin\left(\frac{8760}{4380}\pi\right)=\sin(2\pi)=0$. } \\ &=400+ \frac{5}{876}(0) + \frac{5}{219}(0)\\ &=400\quad\text{ ppm} \end{aligned}

Remark: for the portions of the integral in red and blue, we also could have noticed that the integrand goes through a whole (integer) number of periods. For every period, the net signed area between the curve and the xx-axis is zero, so we could have seen from the very beginning these terms would contribute 0 to the final average.

(b) Using the definition of an average, the average concentration over the first day (t=0t=0 to t=24t=24) is:

124∫024(400+50cos⁡(t12π)+200cos⁡(t4380π)) dt=124∫024400 dt+5024∫024cos⁡(t12π) dt+20024∫024cos⁡(t4380π) dtNote t=0 to t=24 is one complete period for the integrand in red, so the red integral will evaluate to zero. However, t=0 to t=24 is less than one cycle for the integrand in blue, so we expect this will contribute some non-zero quantity to the average.=400+0+20024[4380πsin⁡(t4380π)]024=400+253⋅4380πsin⁡(244380π)=400+253⋅4380πsin⁡(2365π)≈400+199.99=599.99 ppm\begin{aligned} &\frac{1}{24}\int_0^{24} \left(400+ 50\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)+ 200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right)\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{24}\int_0^{24}400\,\mathrm{d}t + \frac{50}{24}\int_0^{24}\cos\left(\frac{t}{12}\pi\right)\,\mathrm{d}t+ \frac{200}{24}\int_0^{24}\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\,\mathrm{d}t \\ \text{Note $t=0$ to $t=24$ is one complete period for the integrand in red, so the red integral will evaluate to zero. However, $t=0$ to $t=24$ is \textit{less} than one cycle for the integrand in blue, so we expect this will contribute some non-zero quantity to the average.} \\ &=400+ 0 + \frac{200}{24}\left[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right]_0^{24}\\ &=400+\frac{25}{3}\cdot\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{24}{4380}\pi\right)\\ &=400+\frac{25}{3}\cdot\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{2}{365}\pi\right)\\ &\approx 400+199.99\\ &=599.99 \quad\text{ ppm} \end{aligned}

Remark: C(0)=400+50+200C(0) = 400+ 50+ 200. The red term comes from the daily variation, and over the first day this will have an average of 0. The blue term comes from the seasonal variation, which changes dramatically over the course of an entire year but won't change very much over the course of a single day. So, it is reasonable that the average concentration over the first day should be close to (but not exactly) 400+200400+200 ppm.

(c) The average of N(t)N(t) over [0,8760][0,8760] is:

18760∫08760(350+200cos⁡(t4380π)) dt=350+2008760[4380πsin⁡(t4380π)]08760=350+2008760[4380πsin⁡(87604380π)]=350+100πsin⁡(2π)=350\begin{aligned} \frac{1}{8760}\int_0^{8760} \left ( 350+200\cos\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\right)\,\mathrm{d}t&=350 + \frac{200}{8760}\bigg[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{t}{4380}\pi\right)\bigg]_0^{8760} \\&=350+\frac{200}{8760}\left[\frac{4380}{\pi}\sin\left(\frac{8760}{4380}\pi\right)\right]\\ &=350+\frac{100}{\pi}\sin\left(2\pi\right)\\&=350 \end{aligned}

Since the average of C(t)C(t) was 400, this gives us an absolute error of ∣400−350∣=50|400-350|=50 ppm, for a relative error of 50400=0.125,\frac{50}{400} = 0.125, or 12.5%.

That is: sampling at the same time every day, rather than throughout the day, lead to an error of 12.5% in the yearly average concentration of carbon dioxide.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 10번
# 함수의 평균값활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
34.CLP-2 · 2.3절 · 26번대학 수준우리말 번역

(a) y=exy = e^x, x=0x = 0, x=1x = 1, y=−1y = -1 로 둘러싸인 영역의 무게중심의 yy 좌표를 구하세요.

(b) (a)의 영역을 직선 y=−1y = -1 을 축으로 회전시켜 생기는 회전체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find the yy–coordinate of the centroid of the region bounded by y=exy = e^x, x=0x = 0, x=1x = 1, and y=−1y = -1.

(b) Calculate the volume of the solid generated by rotating the region from part (a) about the line y=−1y = -1.

정답·풀이 보기

(a) 다음은 주어진 영역의 그림이며, 이 영역을 RR 라 하자.

그림

RR 의 위쪽 경계는 방정식 y=T(x)=exy=T(x)=e^x 이고, 아래쪽 경계는 방정식 y=B(x)=−1y=B(x)=-1 이며 xx 는 00 에서 11 까지 변한다. 따라서 세로로 가느다란 띠를 이용하면 RR 의 넓이는 다음과 같다.

A=∫01[T(x)−B(x)] dx=∫01[ex−(−1)] dx=∫01[ex+1] dx=[ex+x]01=e\begin{aligned} A & = \int_0^1 \big[T(x)-B(x)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x-(-1)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x+1\big]\,\mathrm{d}x = \big[e^x+x\big]_0^1 = e \end{aligned}

그리고

yˉ=12A∫01[T(x)2−B(x)2] dx=12e∫01[e2x−1 ] dx=12e[e2x2−x]01=12e(e22−1−12)=e4−34e\begin{aligned} \bar y &=\frac{1}{2A} \int_0^1 \big[T(x)^2-B(x)^2\big]\,\mathrm{d}x \\ &= \frac{1}{2e}\int_0^1 \big[ e^{2x} - 1\ \big] \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2e} \bigg[\frac{e^{2x}}{2} - x \bigg]_0^1 \\ &=\frac{1}{2e} \bigg(\frac{e^2}{2} - 1 - \frac{1}{2} \bigg) = \frac{e}{4} - \frac{3}{4e} \end{aligned}

(b) RR 를 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시킬 때의 부피를 계산하기 위해

  • 위 그림과 같이 폭이 dx\mathrm{d}x 인 가느다란 세로 띠를 이용한다.

  • 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시키면 각 띠는 얇은 원판을 만들어 내며,

  • 이 원판의 반지름은 r=T(x)−B(x)=ex+1r=T(x)-B(x)=e^x+1 이고,

  • 두께는 dx\mathrm{d}x 이며, 따라서

  • 부피는 πr2 dx=π(ex+1)2 dx\pi r^2\,\mathrm{d}x = \pi(e^x+1)^2\,\mathrm{d}x 이다.

  • 가장 왼쪽 띠가 x=0x=0 에 있고 가장 오른쪽 띠가 x=1x=1 에 있으므로, 전체 부피는 다음과 같다.

π∫01(ex+1)2 dx=π∫01(e2x+2ex+1) dx=π[e2x2+2ex+x]01=π[(e22+2e+1)−(12+2+0)]=π(e22+2e−32)\begin{aligned} \pi \int_0^1 (e^x+1)^2\,\mathrm{d}x &=\pi \int_0^1 (e^{2x}+2e^x+1)\,\mathrm{d}x =\pi\bigg[\frac{e^{2x}}{2}+2e^x + x\bigg]_0^1 \\ &=\pi\bigg[\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e + 1\Big) -\Big(\frac{1}{2}+2 + 0\Big)\bigg] \\ &=\pi\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e -\frac{3}{2}\Big) \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Here is a sketch of the specified region, which we shall call RR.

figure

The top of RR has equation y=T(x)=exy=T(x)=e^x, the bottom has equation y=B(x)=−1y=B(x)=-1 and xx runs from 00 to 11. So, using vertical strips, we see that RR has area

A=∫01[T(x)−B(x)] dx=∫01[ex−(−1)] dx=∫01[ex+1] dx=[ex+x]01=e\begin{aligned} A & = \int_0^1 \big[T(x)-B(x)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x-(-1)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x+1\big]\,\mathrm{d}x = \big[e^x+x\big]_0^1 = e \end{aligned}

and

yˉ=12A∫01[T(x)2−B(x)2] dx=12e∫01[e2x−1 ] dx=12e[e2x2−x]01=12e(e22−1−12)=e4−34e\begin{aligned} \bar y &=\frac{1}{2A} \int_0^1 \big[T(x)^2-B(x)^2\big]\,\mathrm{d}x \\ &= \frac{1}{2e}\int_0^1 \big[ e^{2x} - 1\ \big] \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2e} \bigg[\frac{e^{2x}}{2} - x \bigg]_0^1 \\ &=\frac{1}{2e} \bigg(\frac{e^2}{2} - 1 - \frac{1}{2} \bigg) = \frac{e}{4} - \frac{3}{4e} \end{aligned}

(b) To compute the volume when RR is rotated about the line y=−1y=-1

  • we use thin vertical strips of width dx\mathrm{d}x as in the figure above.

  • When we rotate about the line y=−1y=-1, each strip sweeps out a thin disk

  • whose radius is r=T(x)−B(x)=ex+1r=T(x)-B(x)=e^x+1 and

  • whose thickness is dx\mathrm{d}x and hence

  • whose volume is πr2 dx=π(ex+1)2 dx\pi r^2\,\mathrm{d}x = \pi(e^x+1)^2\,\mathrm{d}x.

  • As our leftmost strip is at x=0x=0 and our rightmost strip is at x=1x=1, the total volume is

π∫01(ex+1)2 dx=π∫01(e2x+2ex+1) dx=π[e2x2+2ex+x]01=π[(e22+2e+1)−(12+2+0)]=π(e22+2e−32)\begin{aligned} \pi \int_0^1 (e^x+1)^2\,\mathrm{d}x &=\pi \int_0^1 (e^{2x}+2e^x+1)\,\mathrm{d}x =\pi\bigg[\frac{e^{2x}}{2}+2e^x + x\bigg]_0^1 \\ &=\pi\bigg[\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e + 1\Big) -\Big(\frac{1}{2}+2 + 0\Big)\bigg] \\ &=\pi\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e -\frac{3}{2}\Big) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 2번
# 밀도·질량과 질량중심활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
35.Active Calculus · 6.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

곡선 y=f(x)=2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x)y = f(x) = 2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)} 을 생각하세요.

(a) 이 곡선을 창 x=0…30x = 0 \ldots 30, y=0…3y = 0 \ldots 3 에서 (눈금 비율을 고정하여 xx축과 yy축의 단위 길이가 같도록) 그리고, 이를 xx축을 중심으로 회전시켜 회전체를 만드세요. 이 곡선이 야구 방망이의 적절한 모형이 될 수 있는 이유를 설명하세요. (b) xx와 yy를 인치 단위로 측정한다고 하세요. 주어진 곡선을 xx축을 중심으로 회전시켜 만든 야구 방망이의 전체 부피를 구하세요. 답에 단위를 쓰세요. (c) 야구 방망이의 무게 밀도가 일정하고, 그 무게 밀도가 세제곱인치당 0.60.6 온스라고 하세요. (b)에서 구한 부피를 갖는 방망이의 전체 무게를 구하세요. (d) 야구 방망이는 단면의 넓이가 일정하지 않으므로, 방망이를 따라 위치 xx 에 집중된 무게는 위치 xx 에서의 얇은 조각의 부피에 의해 정해짐을 알 수 있다. 함수 ρ(x)=0.6πf(x)2\rho(x) = 0.6 \pi f(x)^2 (여기서 ff 는 문제 처음에 주어진 함수이다)을 x=0x = 0 에서 x=30x = 30 까지 야구 방망이의 무게가 분포하는 방식을 나타내는 무게 밀도 함수로 생각할 수 있는 이유를 설명하세요. (e) 야구 방망이의 질량중심을 계산하세요.

영어 원문 보기

Consider the curve given by y=f(x)=2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x)y = f(x) = 2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)}.

(a) Plot this curve in the window x=0…30x = 0 \ldots 30, y=0…3y = 0 \ldots 3 (with constrained scaling so the units on the xx and yy axis are equal), and use it to generate a solid of revolution about the xx-axis. Explain why this curve could generate a reasonable model of a baseball bat. (b) Let xx and yy be measured in inches. Find the total volume of the baseball bat generated by revolving the given curve about the xx-axis. Include units on your answer. (c) Suppose that the baseball bat has constant weight density, and that the weight density is 0.60.6 ounces per cubic inch. Find the total weight of the bat whose volume you found in (b). (d) Because the baseball bat does not have constant cross-sectional area, we see that the amount of weight concentrated at a location xx along the bat is determined by the volume of a slice at location xx. Explain why we can think about the function ρ(x)=0.6πf(x)2\rho(x) = 0.6 \pi f(x)^2 (where ff is the function given at the start of the problem) as being the weight density function for how the weight of the baseball bat is distributed from x=0x = 0 to x=30x = 30. (e) Compute the center of mass of the baseball bat.

정답·풀이 보기

(a) 이 그래프는 구간 0,30 에서 함수 y = f(x) = 2xe -1.25x + (30-x) e -0.25(30-x) 의 그래프와, 설명된 회전체를 만들기 위해 이 그래프를 x축에 대해 대칭이동한 그래프를 보여 준다. 위에 나타낸 그래프(회전체를 만들기 위해 곡선을 xx축에 대해 대칭이동한 것 포함)는 이 회전체가 야구 방망이의 적절한 근사인 이유를 보여 준다(다만 x=3x = 3 과 x=9x = 9 사이에서는 약간 가늘 수도 있다). (b) 원판법을 사용하여 회전체의 부피를 구한다. 통상적인 방법으로 대표적인 조각의 부피는 V조각≈π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2△xV_{\text{조각}} \approx \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \triangle x 이므로, 정적분을 사용하여 조각들의 부피를 더하면 V=∫030π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx V = \int_0^{30} \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \, dx\, 를 얻는다. 계산 도구로 이 적분을 계산하면 V≈52.0666V \approx 52.0666 세제곱인치이다. (c) 방망이의 (일정한) 무게 밀도가 세제곱인치당 0.60.6 온스이므로, 방망이의 전체 무게는 W≈0.6⋅52.0666=31.23996W \approx 0.6 \cdot 52.0666 = 31.23996 온스이다. (d) 야구 방망이를 수평축에 수직으로 자르면 단면은 얇은 원기둥 모양의 원판이 된다. 주어진 xx 위치에 집중된 무게는 대략 무게 밀도(세제곱인치당 0.60.6 온스)에 조각의 부피를 곱한 값이며, 조각의 부피는 Vtextslice≈πf(x)2V_{text{slice}} \approx \pi f(x)^2 이다. 따라서 방망이를 따라 위치 xx 에 집중된 무게는 ρ(x)=0.6πf(x)2\rho(x) = 0.6 \pi f(x)^2 으로 주어지므로, 이것을 x=0x = 0 에서 x=30x = 30 까지 야구 방망이의 무게가 분포하는 방식을 나타내는 무게 밀도 함수로 볼 수 있다. (e) “질량”이 아닌 “무게”를 다루고 있지만, 무게는 질량과 중력 상수만큼만 차이가 나고 이 상수는 질량중심의 분자와 분모에 모두 들어 있으므로, 통상적인 방법으로 질량중심을 계산할 수 있다. 따라서 표준 공식 x‾=∫030xρ(x) dx∫030ρ(x) dx\overline{x} = \frac{\int_0^{30} x \rho(x) \ dx}{\int_0^{30} \rho(x) \ dx} 을 사용하면 x‾=∫030x⋅0.6π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2) dx∫0300.6π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx=∫030x⋅(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2) dx∫030(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx≈384.73516.5733=23.21415 \begin{aligned}\overline{x} &= \frac{\int_0^{30} x \cdot 0.6 \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2) \ dx}{\int_0^{30} 0.6 \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \ dx} \\ &= \frac{\int_0^{30} x \cdot (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2) \ dx}{\int_0^{30} (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \ dx} \\ &\approx \frac{384.735}{16.5733} = 23.21415\end{aligned}\, 이므로, 질량중심은 방망이 길이의 약 2/3 지점을 조금 넘은 곳에 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) This plot shows the function y = f(x) = 2xe -1.25x + (30-x) e -0.25(30-x) on the interval 0,30 and its reflection across the x-axis to form the described solid of revolution. The plot shown above (with the curve reflected across the xx-axis to generate the solid of revolution) shows why this solid of revolution is a reasonable approximation to a baseball bat (if perhaps a bit thin between x=3x = 3 and x=9x = 9. (b) We use the disk method to find the volume of the solid of revolution. In the usual way, the volume of a typical slice is Vslice≈π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2△xV_{\text{slice}} \approx \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \triangle x and thus using a definite integral to sum the volumes of the slices, we get V=∫030π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx .V = \int_0^{30} \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \, dx\,. Using technology to evaluate the integral, we find that V≈52.0666V \approx 52.0666 cubic inches. (c) Given that the bat has (constant) weight density 0.60.6 ounces per cubic inch, it follows that the total weight of the bat is W≈0.6⋅52.0666=31.23996W \approx 0.6 \cdot 52.0666 = 31.23996 ounces. (d) If we slice the baseball bat perpendicular to the horizontal axes, we get thin cylindrical disks as cross-sections. At a given xx-location, the amount of weight concentrated there is approximately the weight density (0.60.6 ounces per cubic inch) times the volume of the slice, which is Vtextslice≈πf(x)2V_{text{slice}} \approx \pi f(x)^2. Thus, we see that the amount of weight concentrated at a location xx along the bat is given by ρ(x)=0.6πf(x)2\rho(x) = 0.6 \pi f(x)^2, which we can therefore view as being the weight density function for how the weight of the baseball bat is distributed from x=0x = 0 to x=30x = 30. (e) Even though we are dealing with “weight” instead of “mass”, we can compute the center of mass in the usual way since weight differs from mass only by the gravitational constant, and this constant is present in both the numerator and denominator of the center of mass. Thus, using the standard formula, x‾=∫030xρ(x) dx∫030ρ(x) dx\overline{x} = \frac{\int_0^{30} x \rho(x) \ dx}{\int_0^{30} \rho(x) \ dx} so x‾=∫030x⋅0.6π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2) dx∫0300.6π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx=∫030x⋅(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2) dx∫030(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx≈384.73516.5733=23.21415 ,\begin{aligned}\overline{x} &= \frac{\int_0^{30} x \cdot 0.6 \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2) \ dx}{\int_0^{30} 0.6 \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \ dx} \\ &= \frac{\int_0^{30} x \cdot (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2) \ dx}{\int_0^{30} (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \ dx} \\ &\approx \frac{384.735}{16.5733} = 23.21415\end{aligned}\,, so the center of mass is just over 2/3 along the length of the bat.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 26번
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
36.Active Calculus · 6.4절 · 7번대학 수준우리말 번역

옆으로 눕혀 묻은 원기둥 모양의 물탱크가 있다. 반지름은 33 피트이고 길이는 1010 피트이다. 이 탱크에는 무게 밀도가 62.462.4 lbs/ft3^3 인 물이 가득 채워져 있으며, 탱크의 맨 위는 지하 2피트에 있다.

(a) 탱크 안 물의 위쪽 절반을, 지면 위 4.5피트 높이에 탱크가 있는 트럭으로 퍼내는 데 필요한 일을 나타내는 적분식을 세우되, 값은 구하지 마세요. (b) 이제 탱크에 물이 절반만 차 있을 때, 탱크의 한쪽 끝면이 받는 수압에 의한 전체 힘을 나타내는 적분식을 세우되, 값은 구하지 마세요.

영어 원문 보기

A cylindrical tank, buried on its side, has radius 33 feet and length 1010 feet. It is filled completely with water whose weight density is 62.462.4 lbs/ft3^3, and the top of the tank is two feet underground.

(a) Set up, but do not evaluate, an integral expression that represents the amount of work required to empty the top half of the water in the tank to a truck whose tank lies 4.5 feet above ground. (b) With the tank now only half-full, set up, but do not evaluate an integral expression that represents the total force due to hydrostatic pressure against one end of the tank.

정답·풀이 보기

(a) 먼저 원기둥 탱크의 한쪽 끝면에 대해 좌표축을 잡고 그림을 그린다. 지면을 (수평인) yy축에 대응시키고 양의 xx축이 아래쪽을 향하게 잡으면 가장 간단하다. 이렇게 하면 x=0x = 0 은 지면이고 xx의 값은 특정 위치의 깊이를 나타낸다. 탱크의 원형 끝면은 반지름이 33 이고, 맨 위가 지하 22피트에 있으므로 중심이 점 (5,0)(5,0) 이다. 따라서 이 원의 방정식은 (x−5)2+y2=32 .(x-5)^2 + y^2 = 3^2\,. 이다. yy에 대해 풀면 아래 그림의 오른쪽에 나타낸 반원의 방정식 y=f(x)=9−(x−5)2y = f(x) = \sqrt{9 - (x-5)^2} 을 얻는다. 좌표축은 일반적인 방향에서 시계 방향으로 90도 돌려져 있어서, 양의 y축은 오른쪽을 향하고 양의 x축은 아래쪽을 향한다. 첫 번째 그림에서 원의 위쪽 절반은 다음으로, 깊이 xx 에 있는 조각은 두께가 △x\triangle x 인 직사각형 판 모양이다. 길이는 1010 이고 너비는 2f(x)=29−(x−5)22 f(x) = 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} 이다. 따라서 이 조각의 부피는 V조각≈10⋅29−(x−5)2⋅△x .V_{\text{조각}} \approx 10 \cdot 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \cdot \triangle x\,. 이다. 물의 무게가 세제곱피트당 62.462.4 파운드이므로, 전형적인 조각의 무게(따라서 그 조각에 가해야 하는 힘)는 F조각≈62.4⋅209−(x−5)2△x .F_{\text{조각}} \approx 62.4 \cdot 20 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. 이다. 이 조각을 지하 xx피트 깊이에서 지면 위 4.54.5피트에 있는 트럭의 탱크까지 옮기려면 각 조각이 x+4.5x + 4.5피트를 이동해야 하므로, 이 조각을 옮기는 데 필요한 일은 W조각≈(x+4.5)12489−(x−5)2△x .W_{\text{조각}} \approx (x+4.5) 1248 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. 이다. 마지막으로 탱크의 절반을 비우려면 x=2x = 2 부터 x=5x = 5 까지의 조각을 생각해야 하므로, 각 조각에 필요한 일을 정적분으로 합하면 W=∫251248(x+4.5)9−(x−5)2 dx=1404(19π−8)≈72573.13W = \int_2^5 1248 (x+4.5) \sqrt{9 - (x-5)^2} \, dx = 1404(19\pi - 8) \approx 72573.13 피트-파운드이다. (b) 남아 있는 물이 탱크의 한쪽 끝면에 가하는 수압에 의한 힘을 구하기 위해, 먼저 위치 xx 에 있는 직사각형 조각의 넓이를 구하면 A조각≈2f(x)△x=29−(x−5)2△x .A_{\text{조각}} \approx 2 f(x) \triangle x = 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. 이다. 이러한 조각은 x=5x = 5 와 x=8x = 8 사이에 놓이며, 이 xx의 값은 남아 있는 물의 맨 위부터 바닥까지의 깊이를 나타낸다. 이 구간의 xx 에서 조각의 수면 아래 깊이는 x−5x - 5 이다. 압력은 무게 밀도에 깊이를 곱한 것이므로 P조각≈62.4(x−5) .P_{\text{조각}} \approx 62.4 (x-5)\,. 이다. 마지막으로 F=P⋅AF = P \cdot A 이므로, 물이 이 조각에 가하는 전체 힘은 F조각=P조각⋅A조각≈62.4(x−5)⋅29−(x−5)2△x .F_{\text{조각}} = P_{\text{조각}} \cdot A_{\text{조각}} \approx 62.4 (x-5) \cdot 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. 이다. 이를 적분하여 전체 힘을 합하면 F=∫58124.8(x−5)9−(x−5)2 dx≈1123.2F = \int_5^8 124.8 (x-5) \sqrt{9 - (x-5)^2} \, dx \approx 1123.2 파운드이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) First, we set up axes and a sketch for one of the ends of the cylindrical tank. It is simplest to let ground level correspond to the (horizontal) yy-axis with the positive xx-axis pointing straight down, so that x=0x = 0 corresponds to ground level and the value of xx tells us the depth of a particular location. The circular end of the tank has radius 33 and is centered at the point (5,0)(5,0) since its top is 22 feet underground. Thus, the equation of that circle is (x−5)2+y2=32 .(x-5)^2 + y^2 = 3^2\,. Solving for yy, we find the equation of one half of the circle, the half that is pictured at right in the figure below: y=f(x)=9−(x−5)2y = f(x) = \sqrt{9 - (x-5)^2}. The coordinate axes are oriented 90 degrees clockwise from what is typical so that the positive y-axis points to the right and the positive x-axis points down. The top half of the circle in the first Next, for a slice at depth xx, its shape is a rectangular slab with thickness △x\triangle x. Its length is 1010, and its width is 2f(x)=29−(x−5)22 f(x) = 2 \sqrt{9 - (x-5)^2}. Thus, the volume of such a slice is Vslice≈10⋅29−(x−5)2⋅△x .V_{\text{slice}} \approx 10 \cdot 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \cdot \triangle x\,. With the water weighing 62.462.4 pounds per cubic foot, the weight of (and thus force to be exerted upon) a typical slice is Fslice≈62.4⋅209−(x−5)2△x .F_{\text{slice}} \approx 62.4 \cdot 20 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. To move such a slice from its depth xx feet below the ground to a tank on a truck that's 4.54.5 feet above ground, each slice must travel x+4.5x + 4.5 feet, and thus the work to move the slice is Wslice≈(x+4.5)12489−(x−5)2△x .W_{\text{slice}} \approx (x+4.5) 1248 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. Finally, to empty half the tank, we need to consider slices from x=2x = 2 to x=5x = 5, and thus using a definite integral to sum the work required for each slice, we get W=∫251248(x+4.5)9−(x−5)2 dx=1404(19π−8)≈72573.13W = \int_2^5 1248 (x+4.5) \sqrt{9 - (x-5)^2} \, dx = 1404(19\pi - 8) \approx 72573.13 foot-pounds. (b) To find the hydrostatic force due to water pressure that is exerted on one end of the tank by the remaining water, we first find the area of a rectangular slice at a location xx, which is Aslice≈2f(x)△x=29−(x−5)2△x .A_{\text{slice}} \approx 2 f(x) \triangle x = 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. We note that such a slice lies between x=5x = 5 and x=8x = 8, which is the values of xx that represent the depths of remaining water from top to bottom. At an xx in this interval, the slice's depth below the surface of the water is x−5x - 5. Thus, since pressure is weight-density times depth, it follows that Pslice≈62.4(x−5) .P_{\text{slice}} \approx 62.4 (x-5)\,. Finally, since F=P⋅AF = P \cdot A, the total force water is exerting on this slice is Fslice=Pslice⋅Aslice≈62.4(x−5)⋅29−(x−5)2△x .F_{\text{slice}} = P_{\text{slice}} \cdot A_{\text{slice}} \approx 62.4 (x-5) \cdot 2 \sqrt{9 - (x-5)^2} \triangle x\,. Integrating to sum the total force, we find F=∫58124.8(x−5)9−(x−5)2 dx≈1123.2F = \int_5^8 124.8 (x-5) \sqrt{9 - (x-5)^2} \, dx \approx 1123.2 pounds.

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