문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

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7문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 5.4절 · 29번우리말 풀이

다음 표는 2012년 투르 드 프랑스 1구간 마지막 18초 동안 피터 사간의 초당 평균 출력(와트)을 추정한 자료예요.

평균 출력

초 와트 초 와트
1 600 10 1200
2 500 11 1170
3 575 12 1125
4 1050 13 1100
5 925 14 1075
6 950 15 1000
7 1050 16 950
8 950 17 900
9 1100 18 780

출처: sportsexercisengineering.com

1W=1J/s1\text{W}=1\text{J/s}임을 이용하여, 이 구간 동안 쓴 순 에너지를 킬로줄(kJ) 단위로 추정하고, 이 시간 동안의 평균 출력도 구하세요.

영어 원문 보기

The data in the following table are used to estimate the average power output produced by Peter Sagan for each of the last 18 sec of Stage 1 of the 2012 Tour de France.

Average Power Output

Second Watts Second Watts
1 600 10 1200
2 500 11 1170
3 575 12 1125
4 1050 13 1100
5 925 14 1075
6 950 15 1000
7 1050 16 950
8 950 17 900
9 1100 18 780

Source: sportsexercisengineering.com

Estimate the net energy used in kilojoules (kJ), noting that 1W = 1 J/s, and the average power output by Sagan during this time interval.

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kJ
풀이 보기

출력(와트=줄/초)을 시간에 대해 더하면 에너지(줄)가 돼요. 1초 간격이므로 와트 값을 모두 더하면 돼요.

  1. 1

    에너지는 출력을 시간에 대해 적분한 값이에요. 표는 1초마다 값이 있으므로 폭이 Δt=1\Delta t=1초인 직사각형의 합(리만 합)으로 근사해요. 각 칸의 에너지는 (와트)×(1초)=줄이에요.

  2. 2

    1초부터 9초까지의 합은 600+500+575+1050+925+950+1050+950+1100=7700600+500+575+1050+925+950+1050+950+1100=7700이에요.

  3. 3

    10초부터 18초까지의 합은 1200+1170+1125+1100+1075+1000+950+900+780=93001200+1170+1125+1100+1075+1000+950+900+780=9300이에요. 전체는 7700+9300=170007700+9300=17000줄, 즉 17 kJ17\text{ kJ}예요.

  4. 4

    평균 출력은 전체 에너지를 걸린 시간으로 나눈 값이에요. 17000 J18 s≈944 W\frac{17000\text{ J}}{18\text{ s}}\approx944\text{ W}예요.

답

순 에너지 약 17 kJ17\text{ kJ}, 평균 출력 약 944 W944\text{ W}

자주 하는 실수

킬로줄로 바꾸지 않고 1700017000이라고만 쓰거나, 평균을 구할 때 18이 아닌 다른 수로 나누는 실수가 있어요.

원본 교재 풀이(영어)

17 kJ

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.1절 · 59번
2.CLP-2 · 1.5절 · 8번우리말 번역

먼저 교점을 찾은 다음 적분하여, 두 곡선 y=xy=x 와 y=3x−x2y=3x-x^2 사이에 있는 유한한 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of the finite region between the curves y=xy=x and y=3x−x2y=3x-x^2, by first identifying the points of intersection and then integrating.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

두 곡선 y=f(x)=xy=f(x)=x 와 y=g(x)=3x−x2y=g(x)=3x-x^2 이 (x,y)(x,y) 에서 만난다면,

3x−x2=y=xx2−2x=0x(x−2)=0x=0또는x=2\begin{aligned} 3x-x^2&=y=x\\ x^2-2x&=0\\ x(x-2)&=0\\ x=0 \quad &\text{또는} \quad x=2 \end{aligned}

또한 g(x)−f(x)=2x−x2=x(2−x)g(x)-f(x) = 2x-x^2 = x(2-x) 는 모든 0≤x≤20\le x\le 2 에 대해 양수이다. 즉, 곡선 y=3x−x2y=3x-x^2 은 모든 0≤x≤20\le x\le 2 에 대해 직선 y=xy=x 보다 위쪽에 있다.

그림

따라서 다음 적분의 값을 구한다.

∫02[(3x−x2)−x] dx=∫02[2x−x2] dx=[x2−x33]02=[4−83]−0=43\begin{aligned} \int_0^2 \big[ (3x-x^2) - x \big] \,\mathrm{d}x = \int_0^2 [2x-x^2]\,\mathrm{d}x = \bigg[x^2 - \frac{x^3}{3}\bigg]^{2}_{0} = \bigg[ 4-\frac{8}{3} \bigg] -0 = \frac{4}{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

If the curves y=f(x)=xy=f(x)=x and y=g(x)=3x−x2y=g(x)=3x-x^2 intersect at (x,y)(x,y), then

3x−x2=y=xx2−2x=0x(x−2)=0x=0orx=2\begin{aligned} 3x-x^2&=y=x\\ x^2-2x&=0\\ x(x-2)&=0\\ x=0 \quad &\text{or} \quad x=2 \end{aligned}

Furthermore, g(x)−f(x)=2x−x2=x(2−x)g(x)-f(x) = 2x-x^2 = x(2-x) is positive for all 0≤x≤20\le x\le 2. That is, the curve y=3x−x2y=3x-x^2 lies above the line y=xy=x for all 0≤x≤20\le x\le 2.

figure

We therefore evaluate the integral:

∫02[(3x−x2)−x] dx=∫02[2x−x2] dx=[x2−x33]02=[4−83]−0=43\begin{aligned} \int_0^2 \big[ (3x-x^2) - x \big] \,\mathrm{d}x = \int_0^2 [2x-x^2]\,\mathrm{d}x = \bigg[x^2 - \frac{x^3}{3}\bigg]^{2}_{0} = \bigg[ 4-\frac{8}{3} \bigg] -0 = \frac{4}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.5절 · 17번
# 넓이(여러 가지 함수)활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-2 · 1.5절 · 11번우리말 번역

f(x)=x2x3+1f(x) = x^2\sqrt{x^3+1} 과 g(x)=3x2g(x) = 3x^2 의 그래프로 둘러싸인 유계인 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of the finite region that is bounded by the graphs of f(x)=x2x3+1f(x) = x^2\sqrt{x^3+1} and g(x)=3x2g(x) = 3x^2.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

계산을 위해서는 x2x3+1x^2\sqrt{x^3+1} 의 부정적분이 필요한데, 이는 치환 u=x3+1u=x^3+1, du=3x2 dx\mathrm{d}u = 3x^2\,\mathrm{d}x 를 이용하여 구할 수 있다:

∫x2x3+1 dx=∫u⋅13 du=13∫u1/2 du=13⋅u3/23/2+C=29(x3+1)3/2+C.\begin{aligned} \int x^2\sqrt{x^3+1} \, \mathrm{d}x = \int \sqrt u \cdot \frac13\,\mathrm{d}u = \frac13\int u^{1/2}\,\mathrm{d}u = \frac13\cdot \frac{u^{3/2}}{3/2}+C = \frac29(x^3+1)^{3/2} + C. \end{aligned}

두 함수 f(x)f(x) 와 g(x)g(x) 는 x=0x=0 에서 분명히 같다. x≠0x\ne0 이면, 두 함수는 다음과 같을 때 같아진다:

3x2=x2x3+13=x3+19=x3+18=x32=x.\begin{aligned} 3x^2 &= x^2\sqrt{x^3+1} \\ 3 &= \sqrt{x^3+1} \\ 9 &= x^3+1 \\ 8 &= x^3 \\ 2 &= x. \end{aligned}

구간 [0,2][0,2] 에서는 두 함수 중 g(x)=3x2g(x)=3x^2 이 더 크다. 이는 예를 들어 x=1x=1 을 대입해 보거나, xx 가 매우 작을 때 f(x)=x2x3+1≈x2f(x)=x^2\sqrt{x^3+1}\approx x^2 이고 g(x)=3x2g(x)=3x^2 임을 관찰하면 알 수 있다.

그림

따라서 구하는 넓이는 다음과 같다:

∫02(3x2−x2x3+1) dx=(x3−29(x3+1)3/2)∣02=(23−29(23+1)3/2)−(03−29(03+1)3/2)=(8−6)−(0−29)=209.\begin{aligned} \int_0^2 \big( 3x^2 - x^2\sqrt{x^3+1} \big) \, \mathrm{d}x &= \bigg( {x^3} - \frac29(x^3+1)^{3/2} \bigg) \bigg|_0^2 \\ &= \bigg( 2^3 - \frac2 9(2^3+1)^{3/2} \bigg) - \bigg( 0^3 - \frac29(0^3+1)^{3/2} \bigg) \\ &= \bigg( 8 - 6 \bigg) - \bigg( 0 - \frac 2 9 \bigg) =\frac{20}9. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

For our computation, we will need an antiderivative of x2x3+1x^2\sqrt{x^3+1}, which can be found using the substitution u=x3+1u=x^3+1, du=3x2 dx\mathrm{d}u = 3x^2\,\mathrm{d}x:

∫x2x3+1 dx=∫u⋅13 du=13∫u1/2 du=13⋅u3/23/2+C=29(x3+1)3/2+C.\begin{aligned} \int x^2\sqrt{x^3+1} \, \mathrm{d}x = \int \sqrt u \cdot \frac13\,\mathrm{d}u = \frac13\int u^{1/2}\,\mathrm{d}u = \frac13\cdot \frac{u^{3/2}}{3/2}+C = \frac29(x^3+1)^{3/2} + C. \end{aligned}

The two functions f(x)f(x) and g(x)g(x) are clearly equal at x=0x=0. If x≠0x\ne0, then the functions are equal when

3x2=x2x3+13=x3+19=x3+18=x32=x.\begin{aligned} 3x^2 &= x^2\sqrt{x^3+1} \\ 3 &= \sqrt{x^3+1} \\ 9 &= x^3+1 \\ 8 &= x^3 \\ 2 &= x. \end{aligned}

The function g(x)=3x2g(x)=3x^2 is the larger of the two on the interval [0,2][0,2], as can be seen by plugging in x=1x=1, say, or by observing that when xx is very small f(x)=x2x3+1≈x2f(x)=x^2\sqrt{x^3+1}\approx x^2 and g(x)=3x2g(x)=3x^2.

figure

The area in question is therefore:

∫02(3x2−x2x3+1) dx=(x3−29(x3+1)3/2)∣02=(23−29(23+1)3/2)−(03−29(03+1)3/2)=(8−6)−(0−29)=209.\begin{aligned} \int_0^2 \big( 3x^2 - x^2\sqrt{x^3+1} \big) \, \mathrm{d}x &= \bigg( {x^3} - \frac29(x^3+1)^{3/2} \bigg) \bigg|_0^2 \\ &= \bigg( 2^3 - \frac2 9(2^3+1)^{3/2} \bigg) - \bigg( 0^3 - \frac29(0^3+1)^{3/2} \bigg) \\ &= \bigg( 8 - 6 \bigg) - \bigg( 0 - \frac 2 9 \bigg) =\frac{20}9. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.5절 · 5번
# 넓이(여러 가지 함수)활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-2 · 1.5절 · 13번우리말 번역

y=9−x2y=\sqrt{9-x^2} 의 아래쪽에 있고, y=∣x∣y=|x| 와 y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 의 위쪽에 모두 있는 유한한 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of the finite region below y=9−x2y=\sqrt{9-x^2} and above both y=∣x∣y=|x| and y=1−x2y=\sqrt{1-x^2}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

먼저 영역을 그려 보자. y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 과 y=9−x2y=\sqrt{9-x^2} 은 각각 원점을 중심으로 하고 반지름이 1, 3 인 원의 위쪽 절반임에 주의하자.

그림

이 영역은 두 사분원의 차이므로, 기하를 이용해 넓이를 구한다. Area=14(π⋅32)−14(π⋅12)=2π\text{Area}=\frac{1}{4}\left(\pi\cdot 3^2\right)-\frac{1}{4}\left(\pi\cdot 1^2\right)=2\pi

원본 교재 풀이(영어)

Let's begin by sketching our region. Note that y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} and y=9−x2y=\sqrt{9-x^2} are the top halves of circles centred at the origin with radii 1 and 3, respectively.

figure

Our region is the difference of two quarter-circles, so we find its area using geometry: Area=14(π⋅32)−14(π⋅12)=2π\text{Area}=\frac{1}{4}\left(\pi\cdot 3^2\right)-\frac{1}{4}\left(\pi\cdot 1^2\right)=2\pi

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.5절 · 3번
# 넓이(여러 가지 함수)활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-2 · 1.6절 · 9번우리말 번역

y=1/xy = 1/x 와 3x+3y=103x + 3y = 10 에 의해 유계인 유한한 영역을 xx축을 중심으로 회전시켜 생기는 입체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the volume of the solid generated by rotating the finite region bounded by y=1/xy = 1/x and 3x+3y=103x + 3y = 10 about the xx–axis.

정답·풀이 보기

곡선 y=1/xy=1/x 와 3x+3y=103x+3y=10, 즉 y=103−xy =\frac{10}{3}-x 는 다음과 같을 때 만난다.

1x=103−x  ⟺  3=10x−3x2  ⟺  3x2−10x+3=0  ⟺  (3x−1)(x−3)=0  ⟺  x=3 , 13\begin{aligned} \frac{1}{x} = \frac{10}{3}-x &\iff 3 = 10x-3x^2 \iff 3x^2-10x+3=0 \\ &\iff(3x-1)(x-3)=0 \\ &\iff x=3\,,\,\frac{1}{3} \end{aligned}

그림

이 영역을 xx축을 중심으로 회전시키면, 위 그림의 수직 띠는 두께가 dx\mathrm{d}x 이고 바깥쪽 반지름이 T(x)=103−xT(x)=\frac{10}{3}-x, 안쪽 반지름이 B(x)=1xB(x)=\frac{1}{x} 인 와셔(워셔) 모양을 만든다. 이 와셔의 부피는

π(T(x)2−B(x)2) dx=π(1009−203x+x2−1x2) dx\pi\big(T(x)^2- B(x)^2\big)\,\mathrm{d}x = \pi\Big(\frac{100}{9}-\frac{20}{3}x+x^2-\frac{1}{x^2}\Big)\,\mathrm{d}x

이다. 따라서 입체의 부피는

π∫1/33(1009−203x+x2−1x2) dx=π[100x9−103x2+13x3+1x]1/33=π[383−51434]=π51281\begin{aligned} \pi\int_{1/3}^3\Big(\frac{100}{9}-\frac{20}{3}x+x^2-\frac{1}{x^2}\Big)\,\mathrm{d}x &=\pi\Big[\frac{100x}{9}-\frac{10}{3}x^2+\frac{1}{3}x^3 +\frac{1}{x}\Big]_{1/3}^3 \\ &=\pi\Big[\frac{38}{3}-\frac{514}{3^4}\Big] = \pi\frac{512}{81} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The curves y=1/xy=1/x and 3x+3y=103x+3y=10, i.e. y=103−xy =\frac{10}{3}-x intersect when

1x=103−x  ⟺  3=10x−3x2  ⟺  3x2−10x+3=0  ⟺  (3x−1)(x−3)=0  ⟺  x=3 , 13\begin{aligned} \frac{1}{x} = \frac{10}{3}-x &\iff 3 = 10x-3x^2 \iff 3x^2-10x+3=0 \\ &\iff(3x-1)(x-3)=0 \\ &\iff x=3\,,\,\frac{1}{3} \end{aligned}

enterline figure

When the region is rotated about the xx–axis, the vertical strip in the figure above sweeps out a washer with thickness dx\mathrm{d}x, outer radius T(x)=103−xT(x)=\frac{10}{3}-x and inner radius B(x)=1xB(x)=\frac{1}{x}. This washer has volume

π(T(x)2−B(x)2) dx=π(1009−203x+x2−1x2) dx\pi\big(T(x)^2- B(x)^2\big)\,\mathrm{d}x = \pi\Big(\frac{100}{9}-\frac{20}{3}x+x^2-\frac{1}{x^2}\Big)\,\mathrm{d}x

Hence the volume of the solid is

π∫1/33(1009−203x+x2−1x2) dx=π[100x9−103x2+13x3+1x]1/33=π[383−51434]=π51281\begin{aligned} \pi\int_{1/3}^3\Big(\frac{100}{9}-\frac{20}{3}x+x^2-\frac{1}{x^2}\Big)\,\mathrm{d}x &=\pi\Big[\frac{100x}{9}-\frac{10}{3}x^2+\frac{1}{3}x^3 +\frac{1}{x}\Big]_{1/3}^3 \\ &=\pi\Big[\frac{38}{3}-\frac{514}{3^4}\Big] = \pi\frac{512}{81} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 6.2절 · 8번
# 입체도형의 부피활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.CLP-2 · 1.6절 · 10번우리말 번역

RR 을 원 x2+(y−2)2=1x^2 + (y-2)^2=1 의 내부 영역이라 하자. SS 를 RR 을 xx축을 중심으로 회전시켜 얻은 입체라 하자.

(a) SS 의 부피를 나타내는 적분을 쓰세요. (b) (a)에서 쓴 적분의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let RR be the region inside the circle x2+(y−2)2=1x^2 + (y-2)^2=1. Let SS be the solid obtained by rotating RR about the xx-axis.

(a) Write down an integral representing the volume of SS. (b) Evaluate the integral you wrote down in part (a).

정답·풀이 보기

(a) 원의 위쪽 부분과 아래쪽 부분의 방정식은 각각 y=T(x)=2+1−x2y=T(x)=2+\sqrt{1-x^2} 와 y=B(x)=2−1−x2y=B(x) = 2-\sqrt{1-x^2} 이다.

그림

RR 을 xx축을 중심으로 회전시키면, 위 그림에서 RR 의 세로 띠는 두께가 dx\mathrm{d}x 이고 바깥쪽 반지름이 T(x)T(x), 안쪽 반지름이 B(x)B(x) 인 와셔(가운데가 뚫린 원판) 모양을 만든다. 이 와셔의 부피는

π(T(x)2−B(x)2) dx=π(T(x)+B(x))(T(x)−B(x)) dx=π×4×21−x2 dx\pi\big(T(x)^2- B(x)^2\big)\,\mathrm{d}x = \pi\big(T(x)+ B(x)\big)\big(T(x)- B(x)\big)\,\mathrm{d}x = \pi\times 4\times 2\sqrt{1-x^2}\,\mathrm{d}x

이다.

따라서 입체의 부피는

8π∫−111−x2 dx8\pi\int_{-1}^1\sqrt{1-x^2}\,\mathrm{d}x

이다.

(b) y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 은 x2+y2=1x^2+y^2=1, y≥0y\ge 0 과 같으므로, 이 적분은 원 x2+y2=1x^2+y^2=1 의 위쪽 반원의 넓이의 8π8\pi배이다. 따라서 적분의 값은 8π×12π12=4π28\pi\times \frac{1}{2}\pi 1^2 = 4\pi^2 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The top and the bottom of the circle have equations y=T(x)=2+1−x2y=T(x)=2+\sqrt{1-x^2} and y=B(x)=2−1−x2y=B(x) = 2-\sqrt{1-x^2}, respectively.

enterline figure

When RR is rotated about the xx–axis, the vertical strip of RR in the figure above sweeps out a washer with thickness dx\mathrm{d}x, outer radius T(x)T(x) and inner radius B(x)B(x). This washer has volume

π(T(x)2−B(x)2) dx=π(T(x)+B(x))(T(x)−B(x)) dx=π×4×21−x2 dx\pi\big(T(x)^2- B(x)^2\big)\,\mathrm{d}x = \pi\big(T(x)+ B(x)\big)\big(T(x)- B(x)\big)\,\mathrm{d}x = \pi\times 4\times 2\sqrt{1-x^2}\,\mathrm{d}x

Hence the volume of the solid is

8π∫−111−x2 dx8\pi\int_{-1}^1\sqrt{1-x^2}\,\mathrm{d}x

(b) Since y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} is equivalent to x2+y2=1x^2+y^2=1, y≥0y\ge 0, the integral is 8π8\pi times the area of the upper half of the circle x2+y2=1x^2+y^2=1 and hence is 8π×12π12=4π28\pi\times \frac{1}{2}\pi 1^2 = 4\pi^2.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.2절 · 14번
# 입체도형의 부피활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.CLP-2 · 1.6절 · 13번우리말 번역

곡선 y=cos⁡(x2)y = \cos(\frac x2) 와 y=x2−π2y = x^2 - \pi^2 으로 둘러싸인 유한한 영역을 직선 y=−π2y=-{\pi^2} 을 축으로 하여 회전시킨다. 수직 조각(원판 또는 와셔)을 이용하여 이때 생기는 회전체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

The finite region between the curves y=cos⁡(x2)y = \cos(\frac x2) and y=x2−π2y = x^2 - \pi^2 is rotated about the line y=−π2y=-{\pi^2}. Using vertical slices (disks and/or washers), find the volume of the resulting solid.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

다음은 곡선 y=cos⁡(x2)y = \cos(\frac x2) 와 y=x2−π2y = x^2 - \pi^2 의 그래프이다.

그림

살펴보면 두 곡선은 x=±πx = \pm {\pi} 에서 만나며, 이때 cos⁡(x2)\cos(\frac x2) 와 x2−π2x^2 - \pi^2 은 모두 값이 0이다. 문제에서 지정한 대로 수직 와셔를 사용한다.

  • 위 그림과 같이 주어진 영역을 너비가 dx\mathrm{d}x 인 얇은 수직 띠로 자른다.

  • 직선 y=−π2y=-\pi^2 을 축으로 회전시키면, 각 띠는 얇은 와셔를 만든다.

  • 이 와셔의 안쪽 반지름은 rin=(x2−π2)−(−π2)=x2r_{in}= (x^2 - {\pi^2} ) - ( {-} {\pi^2} )=x^2 이고 바깥쪽 반지름은 rout=cos⁡(x2)−(−π2)=cos⁡(x2)+π2r_{out}=\cos(\frac x2) - ( {-} {\pi^2}) =\cos(\frac x2) +\pi^2 이며,

  • 두께는 dx\mathrm{d}x 이고, 따라서

  • 부피는 π(rout2−rin2)dx=π((cos⁡(x2)+π2)2−(x2)2)dx\pi(r_{out}^2 - r_{in}^2)\mathrm{d}x = \pi\big( {(\cos(\frac x2) +\pi^2)}^2 - {(x^2)}^2\big)\mathrm{d}x 이다.

  • 가장 왼쪽 띠는 x=−πx=-\pi 에 있고 가장 오른쪽 띠는 x=πx=\pi 에 있으므로,

전체 부피는 다음과 같다.

π∫−ππ(cos⁡2(x2)+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dx=π∫−ππ(1+cos⁡(x)2+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dx피적분함수가 우함수이므로,=2π∫0π(1+cos⁡(x)2+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dx=2π[12x+12sin⁡(x)+4π2sin⁡(x2)+π4x−15x5]0π=2π[π2+0+4π2+π5−π55]=π2+8π3+8π65\begin{aligned} &\pi \int_{-\pi}^{\pi} \left( \cos^2 (\tfrac x2) +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ & = \pi \int_{-\pi}^{\pi} \left(\frac{1+\cos(x)}{2} +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ \text{피적분함수가 우함수이므로,} \\ & = 2\pi \int_0^{\pi} \left(\frac{1+\cos(x)}{2} +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ & = {2\pi \left[ \frac{1}{2}x + \frac{1}{2}\sin(x) + 4{\pi^2}\sin (\tfrac x2) +{\pi^4} x -\frac{1}{5}x^5 \right]} _0^\pi\\ & = 2\pi \left[\frac{\pi}{2} + 0 + 4{\pi^2} +{\pi^5} - \frac{\pi^5}{5} \right] \\ & = {\pi^2} + 8\pi^3 + \frac{8\pi^6}{5} \end{aligned}

피적분함수가 우함수이고 적분 구간 [−π,π][-\pi, \pi] 가 대칭이라는 사실을 이용했지만, 직접 계산할 수도 있다.

원본 교재 풀이(영어)

Here is a sketch of the curves y=cos⁡(x2)y = \cos(\frac x2) and y=x2−π2y = x^2 - \pi^2.

figure

By inspection, the curves meet at x=±πx = \pm {\pi} where both cos⁡(x2)\cos(\frac x2) and x2−π2x^2 - \pi^2 take the value zero. We'll use vertical washers as specified in the question.

  • We cut the specified region into thin vertical strips of width dx\mathrm{d}x as in the figure above.

  • When we rotate about the line y=−π2y=-\pi^2, each strip sweeps out a thin washer

  • whose inner radius is rin=(x2−π2)−(−π2)=x2r_{in}= (x^2 - {\pi^2} ) - ( {-} {\pi^2} )=x^2 and outer radius is rout=cos⁡(x2)−(−π2)=cos⁡(x2)+π2r_{out}=\cos(\frac x2) - ( {-} {\pi^2}) =\cos(\frac x2) +\pi^2 , and

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

  • whose volume π(rout2−rin2)dx=π((cos⁡(x2)+π2)2−(x2)2)dx\pi(r_{out}^2 - r_{in}^2)\mathrm{d}x = \pi\big( {(\cos(\frac x2) +\pi^2)}^2 - {(x^2)}^2\big)\mathrm{d}x.

  • As our leftmost strip is at x=−πx=-\pi and our rightmost strip is at x=πx=\pi,

the total volume is

π∫−ππ(cos⁡2(x2)+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dx=π∫−ππ(1+cos⁡(x)2+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dxBecause the integrand is even,=2π∫0π(1+cos⁡(x)2+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dx=2π[12x+12sin⁡(x)+4π2sin⁡(x2)+π4x−15x5]0π=2π[π2+0+4π2+π5−π55]=π2+8π3+8π65\begin{aligned} &\pi \int_{-\pi}^{\pi} \left( \cos^2 (\tfrac x2) +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ & = \pi \int_{-\pi}^{\pi} \left(\frac{1+\cos(x)}{2} +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ \text{Because the integrand is even,} \\ & = 2\pi \int_0^{\pi} \left(\frac{1+\cos(x)}{2} +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ & = {2\pi \left[ \frac{1}{2}x + \frac{1}{2}\sin(x) + 4{\pi^2}\sin (\tfrac x2) +{\pi^4} x -\frac{1}{5}x^5 \right]} _0^\pi\\ & = 2\pi \left[\frac{\pi}{2} + 0 + 4{\pi^2} +{\pi^5} - \frac{\pi^5}{5} \right] \\ & = {\pi^2} + 8\pi^3 + \frac{8\pi^6}{5} \end{aligned}

We used the fact that the integrand is an even function and the interval of integration [−π,π][-\pi, \pi] is symmetric, but one can also compute directly.

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