문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

적분의 활용 전체 문제

이 단원의 모든 연습문제입니다. 소단원으로 좁혀 보려면 아래 꼬리표를 누르세요.

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

119문제 · 6 / 6쪽

101.APEX · 7.5절 · 14번대학 수준우리말 번역

50 lb의 힘이 스프링을 원래 길이 18 in에서 12 in으로 압축합니다. 이 스프링을 압축하는 데 한 일은 얼마입니까?

영어 원문 보기

A force of 50 lb compresses a spring from a natural length of 18 in to 12 in. How much work is performed in compressing the spring?

정답·풀이 보기

12.5 ft–lb

원본 교재 풀이(영어)

12.5 ft–lb

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 7.5절 · 5번
# 일계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
102.APEX · 7.5절 · 15번대학 수준우리말 번역

20 lb의 힘이 스프링을 원래 길이 6 in에서 8 in으로 늘입니다. 이 스프링을 늘이는 데 한 일은 얼마입니까?

영어 원문 보기

A force of 20 lb stretches a spring from a natural length of 6 in to 8 in. How much work is performed in stretching the spring?

정답·풀이 보기

5/3 ft–lb

원본 교재 풀이(영어)

5/3 ft–lb

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

7 N의 힘이 스프링을 원래 길이 11 cm에서 21 cm로 늘입니다. 이 스프링을 16 cm의 길이에서 21 cm까지 늘이는 데 한 일은 얼마입니까?

영어 원문 보기

A force of 7 N stretches a spring from a natural length of 11 cm to 21 cm. How much work is performed in stretching the spring from a length of 16 cm to 21 cm?

정답·풀이 보기

0.2625 = 21/80 J

원본 교재 풀이(영어)

0.2625 = 21/80 J

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 7.5절 · 15번
# 일계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
104.APEX · 7.5절 · 17번대학 수준우리말 번역

ff N의 힘이 스프링을 원래 길이에서 dd m만큼 늘입니다. 이 스프링을 늘이는 데 한 일은 얼마입니까?

영어 원문 보기

A force of ff N stretches a spring dd m from its natural length. How much work is performed in stretching the spring?

답 쓰고 채점
J
정답·풀이 보기

f⋅d/2f\cdot d/2 J

원본 교재 풀이(영어)

f⋅d/2f\cdot d/2 J

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 7.5절 · 10번
# 일계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
105.APEX · 7.5절 · 18번대학 수준우리말 번역

20 lb의 추가 스프링에 붙어 있습니다. 추는 스프링 위에 놓여 있어서, 스프링을 원래 길이 1 ft에서 6 in로 압축하고 있습니다.

상자를 1.5 ft 들어 올리는 데 한 일은 얼마입니까? (즉, 스프링은 원래 길이보다 1 ft 더 늘어납니다.)

영어 원문 보기

A 20 lb weight is attached to a spring. The weight rests on the spring, compressing the spring from a natural length of 1 ft to 6 in.

How much work is done in lifting the box 1.5 ft (i.e, the spring will be stretched 1 ft beyond its natural length)?

정답·풀이 보기

45 ft–lb

원본 교재 풀이(영어)

45 ft–lb

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 7.5절 · 9번
# 일계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
106.APEX · 7.5절 · 19번대학 수준우리말 번역

20 lb의 추가 용수철에 매달려 있다. 추가 용수철 위에 놓여 있어서, 용수철이 자연 길이 1 ft에서 6 in로 압축되어 있다.

상자를 6 in 들어 올리는 데(즉, 용수철을 자연 길이로 되돌리는 데) 한 일은 얼마입니까?

영어 원문 보기

A 20 lb weight is attached to a spring. The weight rests on the spring, compressing the spring from a natural length of 1 ft to 6 in.

How much work is done in lifting the box 6 in (i.e, bringing the spring back to its natural length)?

정답·풀이 보기
# 일계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
107.CLP-2 · 2.1절 · 1번대학 수준우리말 번역

중력에 대항하여 3그램 질량의 블록을 10 센티미터 높이만큼 들어 올리는 데 필요한 일(줄 단위)을 구하세요 (g=9.8g=9.8 m/sec2^2 이용).

영어 원문 보기

Find the work (in joules) required to lift a 3-gram block of matter a height of 10 centimetres against the force of gravity (with g=9.8g=9.8 m/sec2^2).

답 쓰고 채점
J
정답·풀이 보기

힘은 질량 ×\times 가속도이고(이 문제에서 가속도는 gg와 같다), 이 상황에서는 둘 다 상수이므로 블록에 작용하는 힘을 계산하는 데 적분은 필요 없고 곱셈만 하면 된다.

힘을 뉴턴 단위로 구하기 위해, 1뉴턴이 kg⋅msec2\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2} 임을 떠올리면 블록의 질량이 kg 단위로 필요하다. 블록의 질량은 31000\frac{3}{1000} kg 이다. 따라서 작용하는 힘은 F=(31000 kg)×(9.8 msec2)=0.0294 kg⋅msec2=0.0294 NF=\left(\frac{3}{1000}\text{ kg}\right)\times\left(9.8~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) = 0.0294~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2} = 0.0294~\text{N}

일을 줄 단위로 구하기 위해, 1줄은 1뉴턴미터, 즉 1뉴턴의 힘이 1미터에 걸쳐 작용한 일임을 떠올리자. 따라서 거리를 미터 단위로 나타내야 한다. W=(0.0294 N)×(110 m)=0.00294 N⋅m=0.00294 JW = \big( 0.0294~\text{N}\big)\times\left(\frac{1}{10}~\text{m}\right) = 0.00294~\text{N}\cdot\text{m} = 0.00294~\text{J}

원본 교재 풀이(영어)

Force is mass ×\times acceleration (with acceleration equal to gg in this problem), and both in this scenario are constant, so we don't need an integral–only a product–to calculate the force acting on the block.

To find the force in newtons, recall one newton is one kg⋅msec2\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}, so we need the mass of our block in kg. Specifically, our block has mass 31000\frac{3}{1000} kg. So, the force involved is F=(31000 kg)×(9.8 msec2)=0.0294 kg⋅msec2=0.0294 NF=\left(\frac{3}{1000}\text{ kg}\right)\times\left(9.8~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) = 0.0294~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2} = 0.0294~\text{N}

To find the work in joules, recall one joule is one newton-metre: that is, one newton of force acting over one metre. So, we need our distance in metres. W=(0.0294 N)×(110 m)=0.00294 N⋅m=0.00294 JW = \big( 0.0294~\text{N}\big)\times\left(\frac{1}{10}~\text{m}\right) = 0.00294~\text{N}\cdot\text{m} = 0.00294~\text{J}

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

바위가 중력 때문에 놓여 있는 땅에 1 N의 힘을 가한다. g=9.8g=9.8 m/sec2^2 을 이용하세요.

바위의 질량은 얼마인지 구하세요.

그 바위를 공중으로 1미터 들어 올리는 데 드는 일(줄 단위)은 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

A rock exerts a force of 1 N on the ground where it sits due to gravity. Use g=9.8g=9.8 m/sec2^2.

What is the mass of the rock?

How much work (in joules) does it take to lift that rock one metre in the air?

정답·풀이 보기

바위의 힘은 1뉴턴, 즉 1 킬로그램미터 매 초 제곱이므로 1 kg⋅msec2=(x kg)(9.8 msec2)1~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2} = (x~\text{kg})\left(9.8~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) 따라서 바위의 질량은 19.8\frac{1}{9.8} kg, 즉 약 102그램이다.

이제 1줄이 1뉴턴미터이므로, 1 N의 중력에 맞서 1미터 동안 해야 하는 일은 정확히 1줄이다.

참고: 1줄의 일이 어느 정도이고 1뉴턴의 힘이 어느 정도인지 감을 잡아 두면 계산 결과가 타당한지 확인하는 데 좋은 도구가 된다. 예를 들어 이 문제를 푼 뒤에 구슬 하나의 무게가 100 N 이라는 결과가 나왔다면, 계산에 오류가 있다고 거의 확신할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

The force of the rock is one newton, or one kilogram-metre per second squared, so 1 kg⋅msec2=(x kg)(9.8 msec2)1~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2} = (x~\text{kg})\left(9.8~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) Therefore, the mass of the rock is 19.8\frac{1}{9.8} kg, or about 102 grams.

Now, since one joule is one newton-metre, the amount of work required to counteract 1 N of gravitational force for one metre is precisely one joule.

Remark: having an idea of how much work a joule is, and how much force a newton is, is a good tool for checking the reasonableness of your work. For example, after this question, if you calculate that a marble weighs 100 N, you can be pretty sure there's an error in your calculation.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.1절 · 3번
# 일계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
109.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)
110.CLP-2 · 2.2절 · 5번대학 수준우리말 번역

f(x)f(x) 와 g(x)g(x) 는 구간 [0,10][0,10] 의 모든 수에서 정의된 함수라고 하자.

(a) [0,10][0,10] 의 모든 xx 에 대해 f(x)≤g(x)f(x) \leq g(x) 이면, 구간 [0,10][0,10] 에서 f(x)f(x) 의 평균값은 g(x)g(x) 의 평균값보다 작거나 같은지, 아니면 알 수 있는 정보가 충분하지 않은지 판단하세요. (b) [0.01,10][0.01,10] 의 모든 xx 에 대해 f(x)≤g(x)f(x) \leq g(x) 라고 하자. 구간 [0,10][0,10] 에서 f(x)f(x) 의 평균값은 g(x)g(x) 의 평균값보다 작거나 같은지, 아니면 알 수 있는 정보가 충분하지 않은지 판단하세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) and g(x)g(x) are functions that are defined for all numbers in the interval [0,10][0,10].

(a) If f(x)≤g(x)f(x) \leq g(x) for all xx in [0,10][0,10], then is the average value of f(x)f(x) is less than or equal to the average value of g(x)g(x) on the interval [0,10][0,10], or is there not enough information to tell? (b) Suppose f(x)≤g(x)f(x) \leq g(x) for all xx in [0.01,10][0.01,10]. Is the average value of f(x)f(x) less than or equal to the average value of g(x)g(x) over the interval [0,10][0,10], or is there not enough information to tell?

정답·풀이 보기

(a) 예, [0,10][0,10] 에서 f(x)f(x) 의 평균은 g(x)g(x) 의 평균보다 작거나 같다. 그 이유는 [0,10][0,10] 의 모든 xx 에 대해 f(x)≤g(x)f(x) \leq g(x) 이면 다음이 성립하기 때문이다. 110∫010f(x) dx≤110∫010g(x) dx.\frac{1}{10}\int_0^{10}f(x)\,\mathrm{d}x \leq \frac{1}{10}\int_0^{10}g(x)\,\mathrm{d}x. (b) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. 물론 성립할 수도 있다. 예를 들어 [0,10][0,10] 의 모든 xx 에 대해 f(x)=0f(x)=0, g(x)=1g(x)=1 이라 하자. 그러면 f(x)≤g(x)f(x) \leq g(x) 이고 f(x)f(x) 의 평균은 0이며, 이는 g(x)g(x) 의 평균인 1보다 작다.

그러나 f(x)={100(0≤x≤0.01 일 때)0 그 외 f(x) = \begin{cases} 100 & \text{(}0 \le x \le 0.01\text{ 일 때)}\\ 0 & \text{ 그 외 } \end{cases} 이고 g(x)=0g(x) = 0 인 경우를 생각하자. 그러면 [0.01,10][0.01,10] 의 모든 xx 에 대해 f(x)≤g(x)f(x) \le g(x) 이지만, f(x)f(x) 의 평균은 0.10.1 이고 g(x)g(x) 의 평균은 0이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Yes, the average of f(x)f(x) is less than or equal to the average of g(x)g(x) on [0,10][0,10]. The reason is that, if f(x)≤g(x)f(x) \leq g(x) for all xx in [0,10][0,10], then: 110∫010f(x) dx≤110∫010g(x) dx.\frac{1}{10}\int_0^{10}f(x)\,\mathrm{d}x \leq \frac{1}{10}\int_0^{10}g(x)\,\mathrm{d}x. (b) There is not enough information to tell. It's certainly possible: for instance, take f(x)=0f(x)=0 and g(x)=1g(x)=1 for all xx in [0,10][0,10]. Then f(x)≤g(x)f(x) \leq g(x) and the average of f(x)f(x) is 0, which is less than 1, the average of g(x)g(x).

However, consider f(x)={100 if 0≤x≤0.010 else f(x) = \begin{cases} 100 & \text{ if } 0 \le x \le 0.01\\ 0 & \text{ else } \end{cases} and g(x)=0g(x) = 0. Then f(x)≤g(x)f(x) \le g(x) for all xx in [0.01,10][0.01,10], but the average of f(x)f(x) is 0.10.1, while the average of g(x)g(x) is 0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 12번
# 함수의 평균값계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
111.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.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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)
112.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.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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)
113.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.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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)
114.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]?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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)
115.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.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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)
116.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)
117.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)
118.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)
119.Active Calculus · 6.3절 · 5번대학 수준우리말 번역

길이가 aa 인 가느다란 막대의 밀도 분포 함수가 ρ(x)=10e−0.1x\rho(x) = 10e^{-0.1x} 라고 하자. 여기서 xx 의 단위는 cm 이고 ρ\rho 의 단위는 센티미터당 그램이다.

(a) 막대의 질량이 30 g 이면 aa 의 값은 얼마입니까? (b) 질량이 30g 인 이 막대에서 무게중심은 중점에 있을까요, 중점의 왼쪽에 있을까요, 아니면 중점의 오른쪽에 있을까요? 그 이유는 무엇입니까? (c) 질량이 30g 인 이 막대의 무게중심을 구하고, (b)에서 예측한 것과 비교하세요. (d) 질량이 30g 인 이 막대를 같은 질량의 두 조각으로 만들려면 xx 의 어떤 값에서 잘라야 합니까?

영어 원문 보기

Let a thin rod of length aa have density distribution function ρ(x)=10e−0.1x\rho(x) = 10e^{-0.1x}, where xx is measured in cm and ρ\rho in grams per centimeter.

(a) If the mass of the rod is 30 g, what is the value of aa? (b) For the 30g rod, will the center of mass lie at its midpoint, to the left of the midpoint, or to the right of the midpoint? Why? (c) For the 30g rod, find the center of mass, and compare your prediction in (b). (d) At what value of xx should the 30g rod be cut in order to form two pieces of equal mass?

정답·풀이 보기

(a) 질량을 구하기 위해 막대를 길이가 Δx\Delta x 로 균일한 조각들로 나누고, ii 번째 조각의 밀도를 상수 밀도 ρ(xi)\rho(x_i) 로 근사한다. 그러면 ii 번째 조각의 질량은 근사적으로 ρ(xi)Δx\rho(x_i) \Delta x 이다. 이 근삿값들을 더하고 조각의 수를 무한히 늘릴 때의 극한을 취하면, 막대의 질량을 나타내는 정적분 ∫0aρ(x) dx\int_0^a \rho(x) \ dx 를 얻는다. 치환 u=−0.1xu = -0.1x, du=−0.1 dxdu = -0.1 \ dx 를 사용하면 ∫0aρ(x) dx=∫0a10e−0.1x dx=∫0−0.1a−100eu du=−100eu∣0−0.1a=−100(e−0.1a−1)=100(1−e−0.1a) .\begin{aligned}\int_0^a \rho(x) \ dx &= \int_0^a 10e^{-0.1x} \ dx \\ &= \int_0^{-0.1a} -100 e^u \ du \\ &= -100e^u \biggm|_0^{-0.1a} \\ &= -100\left(e^{-0.1a} - 1\right) \\ &= 100\left(1-e^{-0.1a}\right)\end{aligned}\,. 따라서 질량이 3030 g 이면 100(1−e−0.1a)=30100\left(1-e^{-0.1a}\right) = 30 이므로 1−e−0.1a=0.31-e^{-0.1a} = 0.3 이고, e−0.1a=0.7e^{-0.1a} = 0.7 이다. 그러면 −0.1a=ln⁡(0.7)-0.1a = \ln(0.7) 이므로 a=−10ln⁡(0.7)≈3.567 cma = -10 \ln(0.7) \approx 3.567 \text{ cm} 이다. (b) 밀도가 감소 함수이므로, 막대의 무게중심은 중점의 왼쪽에 있을 것으로 예상할 수 있다. (c) 무게중심을 구하기 위해, (a)에서처럼 막대를 길이가 Δx\Delta x 로 균일한 조각들로 나누고, ii 번째 조각의 질량을 상수 밀도 ρ(xi)\rho(x_i) 로 근사하여 ρ(xi)Δx\rho(x_i) \Delta x 라 한다. ii 번째 조각의 위치는 근사적으로 xi/x_i/ 이다. 막대를 nn 개의 이산적인 질량(조각들)의 모임으로 보면, 무게중심 x‾\overline{x} 는 근사적으로 x‾≈∑i=1nxiρ(xi)Δx∑i=1nρ(xi)Δx \overline{x} \approx \frac{\sum_{i=1}^n x_i \rho(x_i) \Delta x}{\sum_{i=1}^n \rho(x_i) \Delta x}\, 이다. 조각의 수를 무한히 늘리면 막대의 무게중심의 정확한 위치 x‾=∫0axρ(x) dx∫0aρ(x) dx \overline{x} = \frac{\int_0^a x \rho(x) \ dx}{\int_0^a \rho(x) \ dx}\, 를 얻는다. 막대의 질량이 3030 g 이므로, 이제 ∫0axρ(x) dx=∫0a10xe−0.1x dx\int_0^a x \rho(x) \ dx = \int_0^a 10xe^{-0.1x} \ dx 의 값만 구하면 된다. u=xu = x, du=dxdu = dx, dv=e−0.1x dxdv = e^{-0.1x} \ dx, v=−10e−0.1xv = -10e^{-0.1x} 로 놓고 부분적분하면 ∫0a10xe−0.1x dx=10(−10xe−0.1x∣0a+∫0a−10e−0.1x dx)=10(−10ae−0.1a+100(1−e−0.1a))≈10(−10(3.567)ae−0.1(3.567)+100(1−e−0.1(3.567)))≈50.3338 .\begin{aligned}\int_0^a 10xe^{-0.1x} \ dx &= 10\left(-10xe^{-0.1x}\biggm|_0^a + \int_0^a -10e^{-0.1x} \ dx \right) \\ &= 10\left(-10ae^{-0.1a} + 100(1-e^{-0.1a})\right) \\ &\approx 10\left(-10(3.567)ae^{-0.1(3.567)} + 100(1-e^{-0.1(3.567)})\right) \\ &\approx 50.3338\end{aligned}\,. 따라서 무게중심은 x‾≈50.333830≈1.687\overline{x} \approx \frac{50.3338}{30} \approx 1.687 이고, 이는 예상대로 길이 3.5673.567 cm 인 막대의 중간보다 작다. (d) 각 조각의 질량은 1515 g 이어야 한다. 구간 [0,q][0, q] 에서 막대의 질량이 15 가 되도록 하는, 0 과 aa 사이의 xx 값을 qq 라 하자. 치환 u=−0.1xu = -0.1x, du=−0.1 dxdu = -0.1 \ dx 를 사용하면 구간 [0,q][0, q] 에서 막대의 질량은 ∫0qρ(x) dx=∫0q10e−0.1x dx=∫0−0.1q−100eu du=−100eu∣0−0.1q=100(1−e−0.1q)\begin{aligned}\int_0^q \rho(x) \ dx &= \int_0^q 10e^{-0.1x} \ dx \\ &= \int_0^{-0.1q} -100e^{u} \ du \\ &= -100e^u\biggm|_0^{-0.1q} \\ &= 100\left(1-e^{-0.1q}\right)\end{aligned} 이다. 이 질량이 1515 g 이 되어야 하므로 100(1−e−0.1q)=15100\left(1-e^{-0.1q}\right) = 15 를 만족하는 qq 를 구한다. 보통의 방법으로 qq 에 대해 풀면 q=−10ln⁡(0.85)≈1.625q = -10\ln(0.85) \approx 1.625 cm 이다. 이 값은 무게중심과 같지 않음에 주의한다. 무게중심은 (무게중심으로부터의 거리로 정해지는) 돌림힘을 고려하지만, 물체를 같은 질량의 두 조각으로 나누는 지점을 계산할 때에는 돌림힘이 반영되지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) To find mass we slice the rod horizontally into uniform slices of length Δx\Delta x and approximate the density on the iith slice with the constant density ρ(xi)\rho(x_i). Then the approximate mass of the iith slice is ρ(xi)Δx\rho(x_i) \Delta x. Adding the approximations and taking the limit as the number of slices goes to infinity gives us the definite integral ∫0aρ(x) dx\int_0^a \rho(x) \ dx to represent the mass of the rod. Using the substitution u=−0.1xu = -0.1x and du=−0.1 dxdu = -0.1 \ dx we have ∫0aρ(x) dx=∫0a10e−0.1x dx=∫0−0.1a−100eu du=−100eu∣0−0.1a=−100(e−0.1a−1)=100(1−e−0.1a) .\begin{aligned}\int_0^a \rho(x) \ dx &= \int_0^a 10e^{-0.1x} \ dx \\ &= \int_0^{-0.1a} -100 e^u \ du \\ &= -100e^u \biggm|_0^{-0.1a} \\ &= -100\left(e^{-0.1a} - 1\right) \\ &= 100\left(1-e^{-0.1a}\right)\end{aligned}\,. So if the mass is 3030 g, then 100(1−e−0.1a)=30100\left(1-e^{-0.1a}\right) = 30, so 1−e−0.1a=0.31-e^{-0.1a} = 0.3, and e−0.1a=0.7e^{-0.1a} = 0.7. It follows that −0.1a=ln⁡(0.7)-0.1a = \ln(0.7), and thus, a=−10ln⁡(0.7)≈3.567 cma = -10 \ln(0.7) \approx 3.567 \text{ cm}. (b) Since the density is a decreasing function, we should expect that the center of mass of the rod will lie to the left of the midpoint. (c) To find the center of mass, we slice the rod horizontally into uniform slices of length Δx\Delta x and approximate the mass on the iith slice with the constant density ρ(xi)\rho(x_i) to be ρ(xi)Δx\rho(x_i) \Delta x as in (a). The position of the iith slice is approximately xi/x_i/. Treating the rod as a collection of nn discrete masses (the slices), the center of mass x‾\overline{x} is approximately x‾≈∑i=1nxiρ(xi)Δx∑i=1nρ(xi)Δx .\overline{x} \approx \frac{\sum_{i=1}^n x_i \rho(x_i) \Delta x}{\sum_{i=1}^n \rho(x_i) \Delta x}\,. Letting the number of slices go to infinity gives us the exact location of the center of mass of the rod, x‾=∫0axρ(x) dx∫0aρ(x) dx .\overline{x} = \frac{\int_0^a x \rho(x) \ dx}{\int_0^a \rho(x) \ dx}\,. The mass of the rod is 3030 g, so now we just need to evaluate ∫0axρ(x) dx=∫0a10xe−0.1x dx\int_0^a x \rho(x) \ dx = \int_0^a 10xe^{-0.1x} \ dx. Integrating by parts with u=xu = x, du=dxdu = dx, dv=e−0.1x dxdv = e^{-0.1x} \ dx, and v=−10e−0.1xv = -10e^{-0.1x} gives us ∫0a10xe−0.1x dx=10(−10xe−0.1x∣0a+∫0a−10e−0.1x dx)=10(−10ae−0.1a+100(1−e−0.1a))≈10(−10(3.567)ae−0.1(3.567)+100(1−e−0.1(3.567)))≈50.3338 .\begin{aligned}\int_0^a 10xe^{-0.1x} \ dx &= 10\left(-10xe^{-0.1x}\biggm|_0^a + \int_0^a -10e^{-0.1x} \ dx \right) \\ &= 10\left(-10ae^{-0.1a} + 100(1-e^{-0.1a})\right) \\ &\approx 10\left(-10(3.567)ae^{-0.1(3.567)} + 100(1-e^{-0.1(3.567)})\right) \\ &\approx 50.3338\end{aligned}\,. So the center of mass is x‾≈50.333830≈1.687\overline{x} \approx \frac{50.3338}{30} \approx 1.687, which is less than midway across the 3.5673.567 cm rod as expected. (d) Each piece would have mass 1515 grams. Let qq be a value of xx between 0 and aa so the the mass of the rod on the interval [0,q][0, q] is 15. Using the substitution u=−0.1xu = -0.1x and du=−0.1 dxdu = -0.1 \ dx we have that the mass of the rod on the interval [0,q][0, q] is ∫0qρ(x) dx=∫0q10e−0.1x dx=∫0−0.1q−100eu du=−100eu∣0−0.1q=100(1−e−0.1q)\begin{aligned}\int_0^q \rho(x) \ dx &= \int_0^q 10e^{-0.1x} \ dx \\ &= \int_0^{-0.1q} -100e^{u} \ du \\ &= -100e^u\biggm|_0^{-0.1q} \\ &= 100\left(1-e^{-0.1q}\right)\end{aligned} We want this mass to be 1515 grams, so we find qq such that 100(1−e−0.1q)=15100\left(1-e^{-0.1q}\right) = 15. Solving for qq in the usual way, we find q=−10ln⁡(0.85)≈1.625q = -10\ln(0.85) \approx 1.625 cm. Note that this is not the same as the center of mass. The center of mass takes into account the torque (determined by distance from the center of mass), which is not incorporated into the calculation of the point to split the object into two pieces of equal mass.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 6.3절 · 6번
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)