y=9−x2 의 아래쪽, y=x 의 아래쪽, 그리고 y=1−(x−1)2 의 위쪽에 있는 유한한 영역의 넓이를 구하세요.
영어 원문 보기
Find the area of the finite region below y=9−x2 and y=x, and above y=1−(x−1)2.
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정답·풀이 보기
먼저 영역을 그려 보자. y=9−x2 은 원점을 중심으로 하고 반지름이 3인 원의 위쪽 반원이고, y=1−(x−1)2 은 (1,0) 을 중심으로 하고 반지름이 1인 원의 위쪽 반원이다.
y=x 는 y=1−(x−1)2 과 (1,1) 에서 만나며, 이 점은 작은 반원의 가장 높은 점이다.
삼각형과 원의 부채꼴의 넓이는 쉽게 구할 수 있다. 이를 염두에 두고 영역을 다음과 같이 나눈다.
구하는 넓이는 A3−(A1+A2) 이다.
A1 은 밑변의 길이가 1이고 높이가 1인 직각삼각형의 넓이이므로 A1=21 이다.
A2 는 반지름이 1인 원의 사분원의 넓이이므로 A2=4π 이다.
A3 은 반지름이 3인 원의 8분의 1의 넓이이므로 A3=89π 이다.
따라서 이 영역의 넓이는 89π−21−4π=87π−21 이다.
원본 교재 풀이(영어)
Let's begin by sketching our region. Note that y=9−x2 is the top half of a circle centred at the origin with radius 3, while y=1−(x−1)2 is the top half of a circle of radius 1 centred at (1,0).
Note y=x intersects y=1−(x−1)2 at (1,1), the highest part of the smaller half-circle.
We can easily take the area of triangles and sectors of circles. With that in mind, we cut up our region the following way:
The desired area is A3−(A1+A2).
A1 is the area of right a triangle with base 1 and height 1, so A1=21.
A2 is the area of a quarter circle of radius 1, so A2=4π.
A3 is the area of an eighth of a circle of radius 3, so A3=89π
So, the area of our region is 89π−21−4π=87π−21.
따라서 세 교점은 x=2 일 때와 x=−1±2 일 때이다. 다음이 성립한다. −1−2<−1+2<−1+4<2. 그러므로 두 구간 [−1−2,−1+2] 와 [−1+2,2] 에서 각각 어느 함수가 위에 있는지 알아보아야 한다. 각 구간의 한 점에서 확인하면 충분하다.
x01x(x2−4)0-3x−2−2−1위쪽함수:x(x2−4)x−2
0 은 구간 [−1−2,−1+2] 에 속하므로, 이 구간에서는 x(x2−4) 가 위쪽 함수이다.
1 은 구간 [−1+2,2] 에 속하므로, 이 구간에서는 x−2 가 위쪽 함수이다. 이제 넓이를 구하는 적분을 세울 수 있다.
So, our three points of intersection are when x=2 and when x=−1±2. We note −1−2<−1+2<−1+4<2. So, we need to see which function is on top over the two intervals [−1−2,−1+2] and [−1+2,2]. It suffices to check points in these intervals.
x01x(x2−4)0-3x−2−2−1top function:x(x2−4)x−2
Since 0 is in the interval [−1−2,−1+2], x(x2−4) is the top function in that interval.
Since 1 is in the interval [−1+2,2], x−2 is the top function in that interval. Now we can set up the integral to evaluate the area:
AreaAfter some taxing but rudimentary algebra:=∫−1−2−1+2[x(x2−4)−(x−2)]dx=∫−1−2−1+2[x3−5x+2]dx=[41x4−25x2+2x]−1−2−1+2=(82)+(42−413)=122−413+++∫−1+22[(x−2)−x(x2−4)]dx∫−1+22[−x3+5x−2]dx[−41x4+25x2−2x]−1+22
지구의 모양은 구가 아니라 납작한 회전타원체로 어림되는 경우가 많습니다. 납작한 회전타원체는 타원을 단축(가장 짧은 지름)을 축으로 회전시켜 만든 도형입니다.
(a) 타원 (ax)2+(by)2=1 의 위쪽(양의) 절반을 x축을 중심으로 회전시켜 얻은 납작한 회전타원체의 부피를 구하세요. 단, a 와 b 는 a≥b 인 양의 상수입니다.
(b) (지구 개요 자료, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html, 2017년 7월 2일 접속) 지구의 적도 반지름이 6378.137 km 이고 극 반지름이 6356.752 km 라고 합시다. 지구를 타원 (ax)2+(by)2=1 의 위쪽 절반을 x축을 중심으로 회전시켜 얻은 납작한 회전타원체로 모형화하면, a 와 b 는 각각 얼마인지 구하세요.
(c) 이 지구 모형의 부피를 구하세요. (계산기를 사용하세요.)
(d) 지구를 반지름이 6378.137 km 인 구로 모형화하여 부피를 계산했다고 합시다. 납작한 회전타원체로 계산한 값과 비교할 때 절대오차와 상대오차는 각각 얼마인지 구하세요.
영어 원문 보기
The shape of the earth is often approximated by an oblate spheroid, rather than a sphere. An oblate spheroid is formed by rotating an ellipse about its minor axis (its shortest diameter).
(a) Find the volume of the oblate spheroid obtained by rotating the upper (positive) half of the ellipse (ax)2+(by)2=1 about the x-axis, where a and b are positive constants with a≥b.
(b) Suppose (Earth Fact Sheet, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html, accessed 2 July 2017) the earth has radius at the equator of 6378.137 km, and radius at the poles of 6356.752 km. If we model the earth as an oblate spheroid formed by rotating the upper half of the ellipse (ax)2+(by)2=1 about the x-axis, what are a and b?
(c) What is the volume of this model of the earth? (Use a calculator.)
(d) Suppose we had calculated the volume of the earth by modelling it as a sphere with radius 6378.137 km. What would our absolute and relative errors be, compared to our oblate spheroid calculation?
정답·풀이 보기
(a)
먼저 타원 (ax)2+(by)2=1 의 위쪽 절반의 그래프를 그린다. 절편만 알아도 대략적인 모양을 알 수 있다: (0,b1) 와 (±a1,0):
처음에 몇 가지를 짚어 두자. 첫째, a≥b 이므로 a1≤b1 이고, 따라서 x축이 단축이다. 즉, 납작한 회전타원체를 만들기 위해 알맞은 축을 중심으로 회전시키고 있다.
둘째, 방정식을 y 에 대해 풀면 y=b11−(ax)2 이다. (타원의 위쪽 절반만 필요하므로 양의 제곱근만 생각하면 된다.)
이제 표준적인 회전체의 부피 문제이다. 너비가 dx 이고 높이가 y=b11−(ax)2 인 세로 조각으로 나눈다. 이 조각들을 x축을 중심으로 회전시키면 부피가 π[b11−(ax)2]2dx 인 얇은 원판이 된다. x 는 −a1 에서 a1 까지 변하므로, 납작한 회전타원체의 부피는 다음과 같다:
We'll want to start by graphing the upper half of the ellipse (ax)2+(by)2=1. Its intercepts will be enough to get us an idea: (0,b1) and (±a1,0):
We note a few things at the outset: first, since a≥b, then a1≤b1, so indeed the x-axis is the minor axis. That is, we're rotating about the proper axis to create an oblate spheroid.
Second, if we solve our equation for y, we get y=b11−(ax)2. (Since we only want the upper half of the ellipse, we only need to consider the positive square root.)
Now, we have a standard volume-of-revolution problem. We make vertical slices, of width dx and height y=b11−(ax)2. When we rotate these slices about the x-axis, they form thin disks of volume π[b11−(ax)2]2dx . Since x runs from −a1 to a1, the volume of our oblate spheroid is:
(b) As we saw in the sketch from part (a), the shortest radius of the ellipse is a1, while the largest is b1. So, a1=6356.752, and b1=6378.137. That is, a=6356.7521 and b=6378.1371.
Note a≥b, as specified in part (a).
(c) Combining our answers from (a) and (b), the volume of an oblate spheroid with approximately the same dimensions as the earth is:
R 을 구간 0≤x≤3 에서 곡선 T(x)=xe3x 과 B(x)=x(1+2x) 사이의 영역이라 하자. (모든 0≤x≤3 에 대해 T(x)≥B(x) 임이 알려져 있다.) R 을 x축을 중심으로 회전시켜 만든 입체의 부피를 구하세요.
영어 원문 보기
Let R be the region between the curves T(x)=xe3x and B(x)=x(1+2x) on the interval 0≤x≤3. (It is true that T(x)≥B(x) for all 0≤x≤3.) Compute the volume of the solid formed by rotating R about the x-axis.
정답·풀이 보기
x 의 값을 고정하고 x축을 중심으로 회전시키면, 안쪽 반지름이 B(x) 이고
바깥쪽 반지름이 T(x) 인 워셔(속이 빈 원판)가 만들어지므로 그 넓이는 π[T(x)2−B(x)2] 이다.
이 함수를 x=0 에서 x=3 까지 적분하여 전체 부피 V 를 구한다:
For a fixed value of x, if we rotate about the x-axis, we form a washer of
inner radius B(x) and outer radius T(x) and hence of area π[T(x)2−B(x)2].
We integrate this function from x=0 to x=3 to find the total volume V: