문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

함수의 평균값

구간에서 함수의 평균값과 적분의 평균값 정리를 쓴다

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

2문제 · 1 / 1쪽

1.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)
2.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)