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.

4문제 · 1 / 1쪽

1.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?

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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)
2.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]?

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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)
3.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)
4.CLP-2 · 2.2절 · 28번대학 수준우리말 번역

f(x)f(x) 는 양의 값을 갖는 연속함수이고 lim⁡x→∞f(x)=0\lim\limits_{x \to \infty} f(x)=0 이라 하자. 또 A(x)A(x) 를 [0,x][0,x] 에서 f(x)f(x) 의 평균이라 하자.

lim⁡x→∞A(x)=0\lim\limits_{x \to \infty} A(x) = 0 은 참인지 거짓인지 판단하세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) is a positive, continuous function with lim⁡x→∞f(x)=0\lim\limits_{x \to \infty} f(x)=0, and let A(x)A(x) be the average of f(x)f(x) on [0,x][0,x].

True or false: lim⁡x→∞A(x)=0\lim\limits_{x \to \infty} A(x) = 0.

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이 명제는 참일 것 같다. xx 가 무한대로 커짐에 따라 ff 가 0에 점점 가까워지면, 시간이 지날수록 뒤쪽의 값들이 우리가 보는 전체 구간에서 차지하는 비중이 점점 커지므로, xx 가 클 때 평균은 f(x)f(x), 즉 0과 점점 비슷해질 것이다. 이는 출발점이 되는 직관일 뿐 엄밀한 논증은 아니다. 놓친 것이 없는지 확인하기 위해 평균의 정의를 이용하여 A(x)A(x) 를 나타내 보자.

A(x)=1x∫0xf(t) dtlim⁡x→∞A(x)=lim⁡x→∞1x∫0xf(t) dt만약 ∫0∞f(t) dt 가 수렴하면 이 극한은 0이므로 명제는 참이다. 그러므로 수렴하지 않는다고 하자. f(x) 가 양수이므로 lim⁡x→∞∫0xf(t) d(t)=∞ 이고, 따라서 로피탈의 정리를 쓸 수 있다. 분자를 미분할 때는 미적분의 기본 정리 1부를 사용한다.lim⁡x→∞A(x)=lim⁡x→∞∫0xf(t) dtx=lim⁡x→∞f(t)1=0\begin{aligned} A(x)&=\frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t\\ \lim_{x \to \infty}A(x)&=\lim_{x \to \infty}\frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t \\ \text{만약 $\int_0^\infty f(t) \,\mathrm{d}t$ 가 수렴하면 이 극한은 0이므로 명제는 참이다. 그러므로 수렴하지 않는다고 하자. $f(x)$ 가 양수이므로 $\lim\limits_{x \to \infty} \int_0^x f(t)\,\mathrm{d}(t) = \infty$ 이고, 따라서 로피탈의 정리를 쓸 수 있다. 분자를 미분할 때는 미적분의 기본 정리 1부를 사용한다.} \\ \lim_{x \to \infty}A(x)&=\lim_{x \to \infty}\frac{\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t}{x} = \lim_{x \to \infty}\frac{f(t)}{1}=0 \end{aligned}

따라서 ∫0xf(t) dt\int_0^xf(t)\,\mathrm{d}t 가 수렴하든 수렴하지 않든 명제는 참이다.

원본 교재 풀이(영어)

This seems like it might be true: if ff is getting closer and closer to zero, as xx grows towards infinity, then over time the later values will become a larger and larger portion of the total interval we're looking at, and so the average should look more and more like f(x)f(x) when xx is large–that is, like 0. That's some intuition to start us out, but it isn't a rigorous argument. To be sure we haven't overlooked something, let's use the definition of an average to express A(x)A(x).

A(x)=1x∫0xf(t) dtlim⁡x→∞A(x)=lim⁡x→∞1x∫0xf(t) dtIf ∫0∞f(t) dt converges, then this limit is 0, and the statement is true. So, suppose it does not converge. Since f(x) is positive, that means lim⁡x→∞∫0xf(t) d(t)=∞, so we can use l’Hoˆpital’s rule. To differentiate the numerator, we use the Fundamental Theorem of Calculus part 1.lim⁡x→∞A(x)=lim⁡x→∞∫0xf(t) dtx=lim⁡x→∞f(t)1=0\begin{aligned} A(x)&=\frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t\\ \lim_{x \to \infty}A(x)&=\lim_{x \to \infty}\frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t \\ \text{If $\int_0^\infty f(t) \,\mathrm{d}t$ converges, then this limit is 0, and the statement is true. So, suppose it does not converge. Since $f(x)$ is positive, that means $\lim\limits_{x \to \infty} \int_0^x f(t)\,\mathrm{d}(t) = \infty$, so we can use l'H\^{o}pital's rule. To differentiate the numerator, we use the Fundamental Theorem of Calculus part 1.} \\ \lim_{x \to \infty}A(x)&=\lim_{x \to \infty}\frac{\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t}{x} = \lim_{x \to \infty}\frac{f(t)}{1}=0 \end{aligned}

So, the statement is true whether ∫0xf(t) dt\int_0^xf(t)\,\mathrm{d}t converges or not.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 25번
# 함수의 평균값개념 확인도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)