문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

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

5문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 1.5절 · 15번우리말 번역

곡선 x=0x=0, x=3x=3, y=x+2y=x+2, y=x2y=x^2 으로 유계인 유한한 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Compute the area of the finite region bounded by the curves x=0x=0, x=3x=3, y=x+2y=x+2 and y=x2y=x^2.

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먼저 영역의 개형은 다음과 같다. 개형을 그리라는 요구는 없었지만, 문제를 이해하는 데 매우 중요하다.

그림

두 곡선 y=x+2y=x+2 와 y=x2y=x^2 은 (2,4)(2,4) 에서 만난다. 0≤x≤20\le x\le 2 에서 두 곡선 사이 부분의 넓이는 다음과 같다.

∫02[x+2−x2] dx=[12x2+2x−13x3]02=2+4−83=103\begin{aligned} \int_0^2 \big[x+2-x^2\big]\,\mathrm{d}x=\Big[\frac{1}{2} x^2+2x-\frac{1}{3}x^3\Big]_0^2 =2+4-\frac{8}{3}=\frac{10}{3} \end{aligned}

2≤x≤32\le x\le 3 에서 두 곡선 사이 부분의 넓이는 다음과 같다.

∫23[x2−(x+2)] dx=[13x3−12x2−2x]23=9−92−6−83+2+4=116\begin{aligned} \int_2^3 \big[x^2-(x+2)\big]\,\mathrm{d}x=\Big[\frac{1}{3}x^3-\frac{1}{2} x^2-2x\Big]_2^3 =9-\frac{9}{2}-6-\frac{8}{3}+2+4=\frac{11}{6} \end{aligned}

전체 넓이는 103+116=316\dfrac{10}{3}+\dfrac{11}{6}=\dfrac{31}{6} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, here is a sketch of the region. We are not asked for it, but it is crucial for understanding the question.

figure

The two curves y=x+2y=x+2 and y=x2y=x^2 cross at (2,4)(2,4). The area of the part between them with 0≤x≤20\le x\le 2 is:

∫02[x+2−x2] dx=[12x2+2x−13x3]02=2+4−83=103\begin{aligned} \int_0^2 \big[x+2-x^2\big]\,\mathrm{d}x=\Big[\frac{1}{2} x^2+2x-\frac{1}{3}x^3\Big]_0^2 =2+4-\frac{8}{3}=\frac{10}{3} \end{aligned}

The area of the part between the two curves with 2≤x≤32\le x\le 3 is:

∫23[x2−(x+2)] dx=[13x3−12x2−2x]23=9−92−6−83+2+4=116\begin{aligned} \int_2^3 \big[x^2-(x+2)\big]\,\mathrm{d}x=\Big[\frac{1}{3}x^3-\frac{1}{2} x^2-2x\Big]_2^3 =9-\frac{9}{2}-6-\frac{8}{3}+2+4=\frac{11}{6} \end{aligned}

The total area is 103+116=316\dfrac{10}{3}+\dfrac{11}{6}=\dfrac{31}{6}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.1절 · 9번
# 넓이(여러 가지 함수)활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-2 · 1.5절 · 17번우리말 번역

y=9−x2y=\sqrt{9-x^2} 의 아래쪽, y=xy=x 의 아래쪽, 그리고 y=1−(x−1)2y=\sqrt{1-(x-1)^2} 의 위쪽에 있는 유한한 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of the finite region below y=9−x2y=\sqrt{9-x^2} and y=xy=x, and above y=1−(x−1)2y=\sqrt{1-(x-1)^2}.

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먼저 영역을 그려 보자. y=9−x2y=\sqrt{9-x^2} 은 원점을 중심으로 하고 반지름이 3인 원의 위쪽 반원이고, y=1−(x−1)2y=\sqrt{1-(x-1)^2} 은 (1,0)(1,0) 을 중심으로 하고 반지름이 1인 원의 위쪽 반원이다.

그림

y=xy=x 는 y=1−(x−1)2y=\sqrt{1-(x-1)^2} 과 (1,1)(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.

그림

  • 구하는 넓이는 A3−(A1+A2)A_3-(A_1+A_2) 이다.
  • A1A_1 은 밑변의 길이가 1이고 높이가 1인 직각삼각형의 넓이이므로 A1=12A_1 = \frac{1}{2} 이다.
  • A2A_2 는 반지름이 1인 원의 사분원의 넓이이므로 A2=π4A_2=\frac{\pi}{4} 이다.
  • A3A_3 은 반지름이 3인 원의 8분의 1의 넓이이므로 A3=9π8A_3 = \frac{9\pi}{8} 이다.

따라서 이 영역의 넓이는 9π8−12−π4=7π8−12\dfrac{9\pi}{8} - \dfrac{1}{2}-\dfrac{\pi}{4}=\dfrac{7\pi}{8}-\dfrac{1}{2} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let's begin by sketching our region. Note that y=9−x2y=\sqrt{9-x^2} is the top half of a circle centred at the origin with radius 3, while y=1−(x−1)2y=\sqrt{1-(x-1)^2} is the top half of a circle of radius 1 centred at (1,0)(1,0).

figure

Note y=xy=x intersects y=1−(x−1)2y=\sqrt{1-(x-1)^2} at (1,1)(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:

figure

  • The desired area is A3−(A1+A2)A_3-(A_1+A_2).
  • A1A_1 is the area of right a triangle with base 1 and height 1, so A1=12A_1 = \frac{1}{2}.
  • A2A_2 is the area of a quarter circle of radius 1, so A2=π4A_2=\frac{\pi}{4}.
  • A3A_3 is the area of an eighth of a circle of radius 3, so A3=9π8A_3 = \frac{9\pi}{8}

So, the area of our region is 9π8−12−π4=7π8−12\dfrac{9\pi}{8} - \dfrac{1}{2}-\dfrac{\pi}{4}=\dfrac{7\pi}{8}-\dfrac{1}{2}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.5절 · 7번
# 넓이(여러 가지 함수)활용도전자동 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 · 18번우리말 번역

곡선 y=x(x2−4)y=x(x^2-4) 와 직선 y=x−2y=x-2 에 의해 유계가 되는 유한한 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of the finite region bounded by the curve y=x(x2−4)y=x(x^2-4) and the line y=x−2y=x-2.

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정답·풀이 보기

첫 번째 함수는 삼차함수이며, x=0,±2x=0,\pm2 에서 축과 만난다. 두 번째 함수는 기울기가 양수인 직선이다.

이 함수들이 서로 어떤 위치 관계에 있는지 알아야 하므로, 교점을 구한다.

x(x2−4)=x−2x(x+2)(x−2)=x−2x−2=0또는x(x+2)=1x2+2x−1=0x=−2±4−4(1)(−1)2x=−1±2\begin{aligned} x(x^2-4)&=x-2\\ x(x+2)(x-2)&=x-2\\ \boxed{x-2=0} \quad\text{또는}\quad x(x+2)&=1\\ x^2+2x-1&=0\\ x &= \dfrac{-2\pm\sqrt{4-4(1)(-1)}}{2}\\ x&=\boxed{-1\pm \sqrt{2}} \end{aligned}

따라서 세 교점은 x=2x=2 일 때와 x=−1±2{x=-1\pm\sqrt{2}} 일 때이다. 다음이 성립한다. −1−2<−1+2<−1+4<2 .-1-\sqrt{2} < -1+\sqrt{2} < -1+\sqrt{4}< 2\ . 그러므로 두 구간 [−1−2,−1+2]\left[-1-\sqrt{2},-1+\sqrt{2}\right] 와 [−1+2,2]\left[-1+\sqrt{2},2\right] 에서 각각 어느 함수가 위에 있는지 알아보아야 한다. 각 구간의 한 점에서 확인하면 충분하다.

xx(x2−4)x−2위쪽 함수:00−2x(x2−4)1-3−1x−2\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline x & x(x^2-4) & x-2 & \text{위쪽 함수:} \\ \hline \text{0} & \text{0} & -2 & x(x^2-4) \\ \hline \text{1} & \text{-3} & -1 & x-2 \\ \hline \end{array}

0 은 구간 [−1−2,−1+2]\left[-1-\sqrt{2},-1+\sqrt{2}\right] 에 속하므로, 이 구간에서는 x(x2−4)x(x^2-4) 가 위쪽 함수이다. 1 은 구간 [−1+2,2]\left[-1+\sqrt{2},2\right] 에 속하므로, 이 구간에서는 x−2x-2 가 위쪽 함수이다. 이제 넓이를 구하는 적분을 세울 수 있다.

넓이=∫−1−2−1+2[x(x2−4)−(x−2)] dx+∫−1+22[(x−2)−x(x2−4)] dx=∫−1−2−1+2[x3−5x+2] dx+∫−1+22[−x3+5x−2] dx=[14x4−52x2+2x]−1−2−1+2+[−14x4+52x2−2x]−1+22번거롭지만 기초적인 대수 계산을 하면:=(82)+(42−134)=122−134\begin{aligned} \text{넓이}&=\int_{-1-\sqrt{2}}^{-1+\sqrt{2}}\left[x(x^2-4) - (x-2)\right]\ \mathrm{d}x \quad&&+ \quad &&\int_{-1+\sqrt{2}}^{2}\left[(x-2)-x(x^2-4)\right]\ \mathrm{d}x\\ &=\int_{-1-\sqrt{2}}^{-1+\sqrt{2}}\left[x^3-5x+2\right]\ \mathrm{d}x \quad&&+ \quad &&\int_{-1+\sqrt{2}}^{2}\left[-x^3+5x-2\right]\ \mathrm{d}x \\&=\left[\frac{1}{4}x^4 - \frac{5}{2}x^2+2x\right]_{-1-\sqrt{2}}^{-1+\sqrt{2}} \quad&&+ \quad &&\left[-\frac{1}{4}x^4 + \frac{5}{2}x^2-2x\right]_{-1+\sqrt{2}}^{2} \\ \text{번거롭지만 기초적인 대수 계산을 하면:} \\ &=\left(8\sqrt{2}\right)+\left(4\sqrt{2}-\frac{13}{4}\right)=12\sqrt{2}-\frac{13}{4} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The first function is a cubic, with intercepts at x=0,±2x=0,\pm2. The second is a straight line with a positive slope.

We need to figure out what these functions look like in relation to one another, so let's find their points of intersection.

x(x2−4)=x−2x(x+2)(x−2)=x−2x−2=0orx(x+2)=1x2+2x−1=0x=−2±4−4(1)(−1)2x=−1±2\begin{aligned} x(x^2-4)&=x-2\\ x(x+2)(x-2)&=x-2\\ \boxed{x-2=0} \quad\text{or}\quad x(x+2)&=1\\ x^2+2x-1&=0\\ x &= \dfrac{-2\pm\sqrt{4-4(1)(-1)}}{2}\\ x&=\boxed{-1\pm \sqrt{2}} \end{aligned}

So, our three points of intersection are when x=2x=2 and when x=−1±2{x=-1\pm\sqrt{2}}. We note −1−2<−1+2<−1+4<2 .-1-\sqrt{2} < -1+\sqrt{2} < -1+\sqrt{4}< 2\ . So, we need to see which function is on top over the two intervals [−1−2,−1+2]\left[-1-\sqrt{2},-1+\sqrt{2}\right] and [−1+2,2]\left[-1+\sqrt{2},2\right]. It suffices to check points in these intervals.

xx(x2−4)x−2top function:00−2x(x2−4)1-3−1x−2\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline x & x(x^2-4) & x-2 & \text{top function:} \\ \hline \text{0} & \text{0} & -2 & x(x^2-4) \\ \hline \text{1} & \text{-3} & -1 & x-2 \\ \hline \end{array}

Since 0 is in the interval [−1−2,−1+2]\left[-1-\sqrt{2},-1+\sqrt{2}\right], x(x2−4)x(x^2-4) is the top function in that interval. Since 1 is in the interval [−1+2,2]\left[-1+\sqrt{2},2\right], x−2x-2 is the top function in that interval. Now we can set up the integral to evaluate the area:

Area=∫−1−2−1+2[x(x2−4)−(x−2)] dx+∫−1+22[(x−2)−x(x2−4)] dx=∫−1−2−1+2[x3−5x+2] dx+∫−1+22[−x3+5x−2] dx=[14x4−52x2+2x]−1−2−1+2+[−14x4+52x2−2x]−1+22After some taxing but rudimentary algebra:=(82)+(42−134)=122−134\begin{aligned} \text{Area}&=\int_{-1-\sqrt{2}}^{-1+\sqrt{2}}\left[x(x^2-4) - (x-2)\right]\ \mathrm{d}x \quad&&+ \quad &&\int_{-1+\sqrt{2}}^{2}\left[(x-2)-x(x^2-4)\right]\ \mathrm{d}x\\ &=\int_{-1-\sqrt{2}}^{-1+\sqrt{2}}\left[x^3-5x+2\right]\ \mathrm{d}x \quad&&+ \quad &&\int_{-1+\sqrt{2}}^{2}\left[-x^3+5x-2\right]\ \mathrm{d}x \\&=\left[\frac{1}{4}x^4 - \frac{5}{2}x^2+2x\right]_{-1-\sqrt{2}}^{-1+\sqrt{2}} \quad&&+ \quad &&\left[-\frac{1}{4}x^4 + \frac{5}{2}x^2-2x\right]_{-1+\sqrt{2}}^{2} \\ \text{After some taxing but rudimentary algebra:} \\ &=\left(8\sqrt{2}\right)+\left(4\sqrt{2}-\frac{13}{4}\right)=12\sqrt{2}-\frac{13}{4} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 6.1절 · 12번
# 넓이(여러 가지 함수)활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-2 · 1.6절 · 17번우리말 번역

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(ax)^2+(by)^2=1 의 위쪽(양의) 절반을 xx축을 중심으로 회전시켜 얻은 납작한 회전타원체의 부피를 구하세요. 단, aa 와 bb 는 a≥ba \geq 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(ax)^2+(by)^2=1 의 위쪽 절반을 xx축을 중심으로 회전시켜 얻은 납작한 회전타원체로 모형화하면, aa 와 bb 는 각각 얼마인지 구하세요. (c) 이 지구 모형의 부피를 구하세요. (계산기를 사용하세요.) (d) 지구를 반지름이 6378.1376378.137 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(ax)^2+(by)^2=1 about the xx-axis, where aa and bb are positive constants with a≥ba \geq 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(ax)^2+(by)^2=1 about the xx-axis, what are aa and bb? (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 6378.1376378.137 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(ax)^2+(by)^2=1 의 위쪽 절반의 그래프를 그린다. 절편만 알아도 대략적인 모양을 알 수 있다: (0,1b)(0,\frac{1}{b}) 와 (±1a,0)(\pm\frac{1}{a},0):

그림

처음에 몇 가지를 짚어 두자. 첫째, a≥ba \geq b 이므로 1a≤1b\frac{1}{a} \leq \frac{1}{b} 이고, 따라서 xx축이 단축이다. 즉, 납작한 회전타원체를 만들기 위해 알맞은 축을 중심으로 회전시키고 있다.

둘째, 방정식을 yy 에 대해 풀면 y=1b1−(ax)2y=\frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2} 이다. (타원의 위쪽 절반만 필요하므로 양의 제곱근만 생각하면 된다.)

이제 표준적인 회전체의 부피 문제이다. 너비가 dx\mathrm{d}x 이고 높이가 y=1b1−(ax)2y=\frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2} 인 세로 조각으로 나눈다. 이 조각들을 xx축을 중심으로 회전시키면 부피가 π[1b1−(ax)2]2dx\pi\left[\frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2}\right]^2\mathrm{d}x 인 얇은 원판이 된다. xx 는 −1a-\frac{1}{a} 에서 1a\frac{1}{a} 까지 변하므로, 납작한 회전타원체의 부피는 다음과 같다:

부피=∫−1a1aπ[1b1−(ax)2]2dx=πb2∫−1a1a1−(ax)2 dx=2πb2∫01a1−(ax)2 dx(우함수)=2πb2[x−a2x33]01a=2πb2[1a−13a]=4π3b2a\begin{aligned} \text{부피}&=\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}} \pi \left[\frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2}\right]^2\mathrm{d}x\\ &=\frac{\pi}{b^2}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}} 1-(ax)^2\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{2\pi}{b^2}\int_{0}^{\frac{1}{a}} 1-(ax)^2\ \mathrm{d}x&\text{(우함수)}\\ &=\frac{2\pi}{b^2}\left[x - \frac{a^2x^3}{3}\right]_{0}^{\frac{1}{a}}\\ &=\frac{2\pi}{b^2}\left[\frac{1}{a} - \frac{1}{3a} \right] = \frac{4\pi}{3b^2a} \end{aligned}

(b) (a)의 그래프에서 보았듯이 타원의 가장 짧은 반지름은 1a\frac{1}{a} 이고 가장 긴 반지름은 1b\frac{1}{b} 이다. 따라서 1a=6356.752\frac{1}{a} = 6356.752 이고 1b=6378.137\frac{1}{b} = 6378.137 이다. 즉, a=16356.752a = \dfrac{1}{6356.752} 이고 b=16378.137b=\dfrac{1}{6378.137} 이다.

(a)에서 주어진 대로 a≥ba \geq b 임에 유의한다.

(c) (a)와 (b)의 답을 결합하면, 지구와 거의 같은 크기의 납작한 회전타원체의 부피는 다음과 같다:

4π3b2a=4π3(1b)2(1a)=4π3(6378.137)2(6356.752)≈1.08321×1012km3≈1.08321×1021m3\begin{aligned} \frac{4\pi}{3b^2a} &= \frac{4\pi}{3}\left(\frac{1}{b}\right)^2\left(\frac{1}{a}\right)\\ &=\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\left(6356.752\right)\\ &\approx 1.08321\times 10^{12} \quad\mathrm{km}^3\\ &\approx 1.08321\times 10^{21} \quad\mathrm{m}^3 \end{aligned}

(d) 반지름이 6378.137 인 구의 부피는

43π(6378.137)3따라서 절대오차는 다음과 같다:∣4π3(6378.137)2(6356.752)−43π(6378.137)3∣=4π3(6378.137)2∣6356.752−6378.137∣=4π3(6378.137)2(21.385)≈ 3.64×109 km3그리고 상대오차는 다음과 같다:절대오차참값=4π3(6378.137)2∣6356.752−6378.137∣4π3(6378.137)2(6356.752)=∣6356.752−6378.137∣6356.752=6378.1376356.752−1≈ 0.00336\begin{aligned} &\dfrac{4}{3}\pi\left(6378.137\right)^3 \\ \text{따라서 절대오차는 다음과 같다:} \\ &\left|\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\left(6356.752\right) - \dfrac{4}{3}\pi\left(6378.137\right)^3 \right|\\ =&\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\big|6356.752 - 6378.137\big|\\ =&\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2(21.385)\\ \approx&~3.64 \times 10^{9}~\mathrm{km}^3 \\ \text{그리고 상대오차는 다음과 같다:} \\ \frac{\text{절대오차}}{\text{참값}}&=\frac{\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\big|6356.752 - 6378.137\big|}{\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\left(6356.752\right)}\\ &=\frac{\big|6356.752 - 6378.137\big|}{6356.752}\\ &=\frac{6378.137}{6356.752}-1\\ &\approx ~0.00336 \end{aligned}

즉, 약 0.336%0.336\% 로, 1퍼센트의 약 3분의 1이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a)

We'll want to start by graphing the upper half of the ellipse (ax)2+(by)2=1(ax)^2+(by)^2=1. Its intercepts will be enough to get us an idea: (0,1b)(0,\frac{1}{b}) and (±1a,0)(\pm\frac{1}{a},0):

figure

We note a few things at the outset: first, since a≥ba \geq b, then 1a≤1b\frac{1}{a} \leq \frac{1}{b}, so indeed the xx-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 yy, we get y=1b1−(ax)2y=\frac{1}{b}\sqrt{1-(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\mathrm{d}x and height y=1b1−(ax)2y=\frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2}. When we rotate these slices about the xx-axis, they form thin disks of volume π[1b1−(ax)2]2dx\pi\left[\frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2}\right]^2\mathrm{d}x . Since xx runs from −1a-\frac{1}{a} to 1a\frac{1}{a}, the volume of our oblate spheroid is:

Volume=∫−1a1aπ[1b1−(ax)2]2dx=πb2∫−1a1a1−(ax)2 dx=2πb2∫01a1−(ax)2 dx(even function)=2πb2[x−a2x33]01a=2πb2[1a−13a]=4π3b2a\begin{aligned} \text{Volume}&=\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}} \pi \left[\frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2}\right]^2\mathrm{d}x\\ &=\frac{\pi}{b^2}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}} 1-(ax)^2\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{2\pi}{b^2}\int_{0}^{\frac{1}{a}} 1-(ax)^2\ \mathrm{d}x&\text{(even function)}\\ &=\frac{2\pi}{b^2}\left[x - \frac{a^2x^3}{3}\right]_{0}^{\frac{1}{a}}\\ &=\frac{2\pi}{b^2}\left[\frac{1}{a} - \frac{1}{3a} \right] = \frac{4\pi}{3b^2a} \end{aligned}

(b) As we saw in the sketch from part (a), the shortest radius of the ellipse is 1a\frac{1}{a}, while the largest is 1b\frac{1}{b}. So, 1a=6356.752\frac{1}{a} = 6356.752, and 1b=6378.137\frac{1}{b} = 6378.137. That is, a=16356.752a = \dfrac{1}{6356.752} and b=16378.137b=\dfrac{1}{6378.137}.

Note a≥ba \geq 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:

4π3b2a=4π3(1b)2(1a)=4π3(6378.137)2(6356.752)≈1.08321×1012km3≈1.08321×1021m3\begin{aligned} \frac{4\pi}{3b^2a} &= \frac{4\pi}{3}\left(\frac{1}{b}\right)^2\left(\frac{1}{a}\right)\\ &=\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\left(6356.752\right)\\ &\approx 1.08321\times 10^{12} \quad\mathrm{km}^3\\ &\approx 1.08321\times 10^{21} \quad\mathrm{m}^3 \end{aligned}

(d) A sphere of radius 6378.137 has volume

43π(6378.137)3So, our absolute error is:∣4π3(6378.137)2(6356.752)−43π(6378.137)3∣=4π3(6378.137)2∣6356.752−6378.137∣=4π3(6378.137)2(21.385)≈ 3.64×109 km3And our relative error is:abs erroractual value=4π3(6378.137)2∣6356.752−6378.137∣4π3(6378.137)2(6356.752)=∣6356.752−6378.137∣6356.752=6378.1376356.752−1≈ 0.00336\begin{aligned} &\dfrac{4}{3}\pi\left(6378.137\right)^3 \\ \text{So, our absolute error is:} \\ &\left|\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\left(6356.752\right) - \dfrac{4}{3}\pi\left(6378.137\right)^3 \right|\\ =&\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\big|6356.752 - 6378.137\big|\\ =&\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2(21.385)\\ \approx&~3.64 \times 10^{9}~\mathrm{km}^3 \\ \text{And our relative error is:} \\ \frac{\text{abs error}}{\text{actual value}}&=\frac{\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\big|6356.752 - 6378.137\big|}{\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\left(6356.752\right)}\\ &=\frac{\big|6356.752 - 6378.137\big|}{6356.752}\\ &=\frac{6378.137}{6356.752}-1\\ &\approx ~0.00336 \end{aligned}

That is, about 0.336%0.336\%, or about one-third of one percent.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.6절 · 2번
# 입체도형의 부피활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-2 · 1.7절 · 27번우리말 번역

RR 을 구간 0≤x≤30 \le x \le 3 에서 곡선 T(x)=xe3xT(x) = \sqrt{x}e^{3x} 과 B(x)=x(1+2x)B(x) = \sqrt{x}(1+2x) 사이의 영역이라 하자. (모든 0≤x≤30\le x\le 3 에 대해 T(x)≥B(x)T(x)\ge B(x) 임이 알려져 있다.) RR 을 xx축을 중심으로 회전시켜 만든 입체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Let RR be the region between the curves T(x)=xe3xT(x) = \sqrt{x}e^{3x} and B(x)=x(1+2x)B(x) = \sqrt{x}(1+2x) on the interval 0≤x≤30 \le x \le 3. (It is true that T(x)≥B(x)T(x)\ge B(x) for all 0≤x≤30\le x\le 3.) Compute the volume of the solid formed by rotating RR about the xx-axis.

정답·풀이 보기

xx 의 값을 고정하고 xx축을 중심으로 회전시키면, 안쪽 반지름이 B(x)B(x) 이고 바깥쪽 반지름이 T(x)T(x) 인 워셔(속이 빈 원판)가 만들어지므로 그 넓이는 π[T(x)2−B(x)2]\pi [T(x)^2 - B(x)^2] 이다. 이 함수를 x=0x=0 에서 x=3x=3 까지 적분하여 전체 부피 VV 를 구한다:

V=∫03π[T(x)2−B(x)2] dx=π∫03(xe3x)2−(x(1+2x))2 dx=π∫03(xe6x−(x+4x2+4x3)) dx=π∫03xe6x dx−π[x22+4x33+x4]03=π∫03xe6x dx−π[322+4⋅333+34]\begin{aligned} V &= \int_0^3 \pi [T(x)^2 - B(x)^2]\,\mathrm{d}x \\ &= \pi \int_0^3 (\sqrt{x}e^{3x})^2 - (\sqrt{x}(1+2x))^2 \,\mathrm{d}x \\ &= \pi \int_0^3 \big( xe^{6x} - (x+4x^2+4x^3) \big) \,\mathrm{d}x \\ &= \pi \int_0^3 xe^{6x} \,\mathrm{d}x - \pi \Big[ \frac{x^2}{2} + \frac{4x^3}{3} + x^4\Big]_{0}^3 \\ &= \pi \int_0^3 xe^{6x} \,\mathrm{d}x - \pi \Big[\frac{3^2}{2} + \frac{4\cdot3^3}{3} + 3^4\Big] \end{aligned}

첫 번째 적분에는 u(x)=xu(x) = x, dv=e6xdx\mathrm{d}v = e^{6x}\mathrm{d}x 로 놓고 부분적분을 사용한다. 그러면 du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x 이고 v(x)=16e6xv(x)=\frac16e^{6x} 이다:

∫03xe6x dx=xe6x6⏟uv∣03−∫0316e6x dx⏟vdu=3e186−0−136e6x∣03=e182−(e1836−136).\begin{aligned} \int_0^3 xe^{6x} \,\mathrm{d}x &=\underbrace{ \frac{xe^{6x}}{6}}_{uv}\bigg|_{0}^3 - \int_0^3 \underbrace{\frac{1}{6}e^{6x} \,\mathrm{d}x }_{v\mathrm{d}u}\\ &= \frac{3e^{18}}{6} - 0 - \frac{1}{36} e^{6x} \bigg|_{0}^3 = \frac{e^{18}}{2} - \bigg( \frac{e^{18}}{36} - \frac1{36} \bigg). \end{aligned}

따라서 전체 부피는

V=π[e182−(e1836−136)]−π[322+4⋅333+34]=π(17e18−437336).\begin{aligned} V = \pi \bigg[\frac{e^{18}}{2} - \bigg( \frac{e^{18}}{36} - \frac1{36} \bigg) \bigg] - \pi \bigg[\frac{3^2}{2} + \frac{4\cdot3^3}{3} + 3^4 \bigg] = \pi \bigg( \frac{17 e^{18}-4373}{36} \bigg). \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

For a fixed value of xx, if we rotate about the xx-axis, we form a washer of inner radius B(x)B(x) and outer radius T(x)T(x) and hence of area π[T(x)2−B(x)2]\pi [T(x)^2 - B(x)^2]. We integrate this function from x=0x=0 to x=3x=3 to find the total volume VV:

V=∫03π[T(x)2−B(x)2] dx=π∫03(xe3x)2−(x(1+2x))2 dx=π∫03(xe6x−(x+4x2+4x3)) dx=π∫03xe6x dx−π[x22+4x33+x4]03=π∫03xe6x dx−π[322+4⋅333+34]\begin{aligned} V &= \int_0^3 \pi [T(x)^2 - B(x)^2]\,\mathrm{d}x \\ &= \pi \int_0^3 (\sqrt{x}e^{3x})^2 - (\sqrt{x}(1+2x))^2 \,\mathrm{d}x \\ &= \pi \int_0^3 \big( xe^{6x} - (x+4x^2+4x^3) \big) \,\mathrm{d}x \\ &= \pi \int_0^3 xe^{6x} \,\mathrm{d}x - \pi \Big[ \frac{x^2}{2} + \frac{4x^3}{3} + x^4\Big]_{0}^3 \\ &= \pi \int_0^3 xe^{6x} \,\mathrm{d}x - \pi \Big[\frac{3^2}{2} + \frac{4\cdot3^3}{3} + 3^4\Big] \end{aligned}

For the first integral, we use integration by parts with u(x)=xu(x) = x, dv=e6xdx\mathrm{d}v = e^{6x}\mathrm{d}x, so that du=dx\mathrm{d}u=\mathrm{d}x and v(x)=16e6xv(x)=\frac16e^{6x}:

∫03xe6x dx=xe6x6⏟uv∣03−∫0316e6x dx⏟vdu=3e186−0−136e6x∣03=e182−(e1836−136).\begin{aligned} \int_0^3 xe^{6x} \,\mathrm{d}x &=\underbrace{ \frac{xe^{6x}}{6}}_{uv}\bigg|_{0}^3 - \int_0^3 \underbrace{\frac{1}{6}e^{6x} \,\mathrm{d}x }_{v\mathrm{d}u}\\ &= \frac{3e^{18}}{6} - 0 - \frac{1}{36} e^{6x} \bigg|_{0}^3 = \frac{e^{18}}{2} - \bigg( \frac{e^{18}}{36} - \frac1{36} \bigg). \end{aligned}

Therefore, the total volume is

V=π[e182−(e1836−136)]−π[322+4⋅333+34]=π(17e18−437336).\begin{aligned} V = \pi \bigg[\frac{e^{18}}{2} - \bigg( \frac{e^{18}}{36} - \frac1{36} \bigg) \bigg] - \pi \bigg[\frac{3^2}{2} + \frac{4\cdot3^3}{3} + 3^4 \bigg] = \pi \bigg( \frac{17 e^{18}-4373}{36} \bigg). \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.7절 · 25번
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