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.

1문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 2.2절 · 4번대학 수준우리말 번역

함수 f(x)f(x) 의 구간 [a,b][a,b] 에서의 평균값을 어림하려고 한다. 이를 위해 구간 [a,b][a,b] 를 nn 개의 조각으로 자르고, aa 에서 시작하여 각 조각의 왼쪽 끝점에서 함수의 출력값을 구함으로써 nn 개의 표본을 얻는다. 그런 다음 이 nn 개의 표본의 평균을 구한다. (아래 예에서는 n=4n=4 이다.)

그림

(a) nn 개의 표본을 사용할 때, 이웃한 두 표본점 xix_i 와 xi+1x_{i+1} 사이의 거리를 구하세요. (b) n≥4n \geq 4 라고 할 때, 네 번째 표본의 xx 좌표를 구하세요. (c) n≥4n \geq 4 라고 할 때, 네 번째 표본의 yy 값을 구하세요. (d) 구간 [a,b][a,b] 에서 f(x)f(x) 의 평균값의 어림값을 시그마 기호를 사용하여 나타내세요.

영어 원문 보기

Suppose we want to approximate the average value of the function f(x)f(x) on the interval [a,b][a,b]. To do this, we cut the interval [a,b][a,b] into nn pieces, then take nn samples by finding the function's output at the left endpoint of each piece, starting with aa. Then, we average those nn samples. (In the example below, n=4n=4.)

figure

(a) Using nn samples, what is the distance between two consecutive sample points xix_i and xi+1x_{i+1}? (b) Assuming n≥4n \geq 4, what is the xx-coordinate of the fourth sample? (c) Assuming n≥4n \geq 4, what is the yy-value of the fourth sample? (d) Write the approximation of the average value of f(x)f(x) over the interval [a,b][a,b] using sigma notation.

정답·풀이 보기

(a) 전체 구간의 길이는 b−ab-a 이고 이를 nn 개의 조각으로 자르므로, 한 조각의 길이(따라서 이웃한 두 표본 사이의 거리)는 b−an\frac{b-a}{n} 이다. (b) 문제에서 주어진 대로 첫 번째 표본은 x=ax=a 에서 얻는다. 그러면 두 번째 표본은 x=a+b−anx=a+\frac{b-a}{n} 에서, 세 번째 표본은 x=1+2b−anx=1+2\frac{b-a}{n} 에서, 네 번째 표본은 a+3b−ana+3\frac{b-a}{n} 에서 얻는다. (c) 네 번째 표본의 yy 값은 간단히 f(a+3b−an)f\left(a+3\frac{b-a}{n}\right) 이다. 평균을 구할 때 사용하는 값은 xx 값이 아니라 이 값임에 주의한다. (d) 표본은 f(a)f(a), f(a+b−an)f\left(a+\frac{b-a}{n}\right), f(a+2b−an)f\left(a+2\frac{b-a}{n}\right), f(a+3b−an)f\left(a+3\frac{b-a}{n}\right), ... 이다. 표본이 nn 개이므로 이들의 합을 nn 으로 나눈다. 따라서 평균은 다음과 같다.

 f(a)+f(a+b−an)+f(a+2b−an)+⋯+f(a+(n−1)b−an)n=1n[f(a)+f(a+b−an)f(a+2b−an)+⋯+f(a+(n−1)b−an)]=1n∑i=1nf(a+(i−1)b−an)참고: b−a 를 곱하고 나누면, 이 식은 왼쪽 리만 합을 구간의 길이로 나눈 것과 같음을 알 수 있다.=1b−a∑i=1nf(a+(i−1)b−an)b−an=1b−a∑i=1nf(a+(i−1)Δx)Δx\begin{aligned} &~\frac{f(a)+f\left(a+\frac{b-a}{n}\right)+ f\left(a+2\frac{b-a}{n}\right)+\cdots + f\left(a+(n-1)\frac{b-a}{n}\right)}{n}\\ &=\frac{1}{n}\left[f(a)+f\left(a+\frac{b-a}{n}\right)f\left(a+2\frac{b-a}{n}\right)+\cdots + f\left(a+(n-1)\frac{b-a}{n}\right)\right]\\ &= \frac{1}{n}\sum_{i=1}^nf\left(a+(i-1)\frac{b-a}{n}\right) \\ \text{참고: $b-a$ 를 곱하고 나누면, 이 식은 왼쪽 리만 합을 구간의 길이로 나눈 것과 같음을 알 수 있다.} \\ &= \frac{1}{b-a}\sum_{i=1}^nf\left(a+(i-1)\frac{b-a}{n}\right)\frac{b-a}{n}\\ &= \frac{1}{b-a}\sum_{i=1}^nf\left(a+(i-1)\Delta x\right)\Delta x \end{aligned}

nn 이 점점 커지면, 정적분의 정의에 따라 이 식은 1b−a∫abf(x) dx\frac{1}{b-a}\int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x 에 점점 가까워진다. 이것은 구간에서 함수의 평균값을 이렇게 정의하는 것이 타당함을 보이는 한 가지 방법이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The entire interval has length b−ab-a, and we're cutting it into nn pieces, so the length of one piece (and hence the distance between two consecutive samples) is b−an\frac{b-a}{n}. (b) The first sample, as given in the question statement, is taken at x=ax=a. The second sample, then, is at x=a+b−anx=a+\frac{b-a}{n}, this third is at x=1+2b−anx=1+2\frac{b-a}{n}, and the fourth is at a+3b−ana+3\frac{b-a}{n}. (c) The yy-value of the fourth sample is simply f(a+3b−an)f\left(a+3\frac{b-a}{n}\right). Note this is the number we use in our average, not the xx-value. (d) Our samples are f(a)f(a), f(a+b−an)f\left(a+\frac{b-a}{n}\right), f(a+2b−an)f\left(a+2\frac{b-a}{n}\right), f(a+3b−an)f\left(a+3\frac{b-a}{n}\right), etc. Since there are nn of them, we divide their sum by nn. So, the average is:

 f(a)+f(a+b−an)+f(a+2b−an)+⋯+f(a+(n−1)b−an)n=1n[f(a)+f(a+b−an)f(a+2b−an)+⋯+f(a+(n−1)b−an)]=1n∑i=1nf(a+(i−1)b−an)Remark: if we multiply and divide by b−a, we see this expression is equivalent to a left Riemann sum, divided by the length of our interval.=1b−a∑i=1nf(a+(i−1)b−an)b−an=1b−a∑i=1nf(a+(i−1)Δx)Δx\begin{aligned} &~\frac{f(a)+f\left(a+\frac{b-a}{n}\right)+ f\left(a+2\frac{b-a}{n}\right)+\cdots + f\left(a+(n-1)\frac{b-a}{n}\right)}{n}\\ &=\frac{1}{n}\left[f(a)+f\left(a+\frac{b-a}{n}\right)f\left(a+2\frac{b-a}{n}\right)+\cdots + f\left(a+(n-1)\frac{b-a}{n}\right)\right]\\ &= \frac{1}{n}\sum_{i=1}^nf\left(a+(i-1)\frac{b-a}{n}\right) \\ \text{Remark: if we multiply and divide by $b-a$, we see this expression is equivalent to a left Riemann sum, divided by the length of our interval.} \\ &= \frac{1}{b-a}\sum_{i=1}^nf\left(a+(i-1)\frac{b-a}{n}\right)\frac{b-a}{n}\\ &= \frac{1}{b-a}\sum_{i=1}^nf\left(a+(i-1)\Delta x\right)\Delta x \end{aligned}

As nn gets larger and larger, using the definition of a definite integral, this expression gets closer and closer to 1b−a∫abf(x) dx\frac{1}{b-a}\int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x. This is one way of justifying our definition of an average of a function on an interval.

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