문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

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1문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 1.1절 · 47번우리말 번역

f(x)f(x) 를 일차함수, a<ba<b 를 정수, nn 을 0 이상의 정수라고 하자. 참 또는 거짓: ∫abf(x) dx\displaystyle\int_a^b f(x)\ \mathrm{d}x 에 대해 직사각형 nn 개를 사용한 왼쪽 리만 합과 오른쪽 리만 합의 평균을 구하면, 직사각형 nn 개를 사용한 중점 리만 합과 같은 값이 된다.

영어 원문 보기

Let f(x)f(x) be a linear function, let a<ba<b be integers, and let nn be a whole number. True or false: if we average the left and right Riemann sums for ∫abf(x) dx\displaystyle\int_a^b f(x)\ \mathrm{d}x using nn rectangles, we get the same value as the midpoint Riemann sum using nn rectangles.

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 가 일차함수이므로 f(x)=mx+cf(x)=mx+c 를 만족시키는 실수 mm, cc 가 존재한다. 이제 계산해 보자. 리만 합의 직사각형 하나가 구간 [x,x+w][x,x+w] 를 차지한다고 하자.

  • 왼쪽 리만 합을 사용하면 직사각형의 높이는 f(x)=mx+cf(x)=mx+c 이다. 따라서 넓이는 w(mx+c)w(mx+c) 이다.
  • 오른쪽 리만 합을 사용하면 직사각형의 높이는 f(x+w)=m(x+w)+c=mx+c+mwf(x+w)=m(x+w)+c=mx+c+mw 이다. 따라서 넓이는 w(mx+c+mw)w(mx+c+mw) 이다.
  • 중점 리만 합을 사용하면 직사각형의 높이는 f(x+12w)=m(x+12w)+c=mx+c+12mwf(x+\frac{1}{2}w)=m(x+\frac{1}{2}w)+c=mx+c+\frac{1}{2}mw 이다. 따라서 넓이는 w(mx+c+12w)w\left(mx+c+\frac{1}{2}w\right) 이다.

그러므로 각 직사각형마다 중점 직사각형의 넓이는 왼쪽 직사각형과 오른쪽 직사각형 넓이의 평균과 같다. w(mx+c+12mw)=w(mx+c)+w(mx+c+mw)2w\left(mx+c+\frac{1}{2}mw\right) = \dfrac{ w(mx+c)+ w(mx+c+mw)}{2} 따라서 중점 리만 합의 값은 왼쪽 리만 합과 오른쪽 리만 합의 값의 평균과 같다. 이를 확인하기 위해, 중점 리만 합의 직사각형들의 넓이를 M1,M2,…,MnM_1,M_2,\ldots,M_n 이라 하고, 왼쪽 리만 합의 직사각형들의 넓이를 L1,L2,…,Ln L_1,L_2,\ldots,L_n 이라 하며, 오른쪽 리만 합의 직사각형들의 넓이를 R1,R2,…,Rn R_1,R_2,\ldots,R_n 이라 하자. 그러면 중점 리만 합의 값은 M1+M2+⋯+MnM_1+M_2+\cdots+M_n 이고,

[L1+L2+…+Ln]+[R1+R2+…+Rn]2=L1+R12+L2+R22+⋯+Ln+Rn2=M1+M2+⋯+Mn\begin{aligned}\dfrac{ [L_1+L_2+\ldots+L_n]+ [R_1+R_2+\ldots+R_n] }{2} &= \dfrac{ L_1+ R_1 }{2}+ \dfrac{ L_2+ R_2 }{2}+ \cdots + \dfrac{ L_n+ R_n }{2} \\ &=M_1+M_2+\cdots+M_n\end{aligned}

이다. 따라서 주어진 명제는 참이다.

(그러나 일차함수가 아닌 많은 함수 f(x)f(x) 에 대해서는 거짓이다.)

원본 교재 풀이(영어)

Since f(x)f(x) is linear, there exist real numbers mm and cc such that f(x)=mx+cf(x)=mx+c. Now we can do some calculations. Suppose we have a rectangle in our Riemann sum that takes up the interval [x,x+w][x,x+w].

  • If we are using a left Riemann sum, our rectangle has height f(x)=mx+cf(x)=mx+c. Then it has area w(mx+c)w(mx+c).
  • If we are using a right Riemann sum, our rectangle has height f(x+w)=m(x+w)+c=mx+c+mwf(x+w)=m(x+w)+c=mx+c+mw. Then it has area w(mx+c+mw)w(mx+c+mw).
  • If we are using a midpoint Riemann sum, our rectangle has height f(x+12w)=m(x+12w)+c=mx+c+12mwf(x+\frac{1}{2}w)=m(x+\frac{1}{2}w)+c=mx+c+\frac{1}{2}mw. Then it has area w(mx+c+12w)w\left(mx+c+\frac{1}{2}w\right).

So, for each rectangle in our sums, the midpoint rectangle has the same area as the average of the left and right rectangles: w(mx+c+12mw)=w(mx+c)+w(mx+c+mw)2w\left(mx+c+\frac{1}{2}mw\right) = \dfrac{ w(mx+c)+ w(mx+c+mw)}{2} It follows that the midpoint Riemann sum has a value equal to the average of the values of the left and right Riemann sums. To see this, let the rectangles in the midpoint Riemann sum have areas M1,M2,…,MnM_1,M_2,\ldots,M_n, let the rectangles in the left Riemann sum have areas L1,L2,…,Ln L_1,L_2,\ldots,L_n, and let the rectangles in the right Riemann sum have areas R1,R2,…,Rn R_1,R_2,\ldots,R_n. Then the midpoint Riemann sum evaluates to M1+M2+⋯+MnM_1+M_2+\cdots+M_n, and:

[L1+L2+…+Ln]+[R1+R2+…+Rn]2=L1+R12+L2+R22+⋯+Ln+Rn2=M1+M2+⋯+Mn\begin{aligned}\dfrac{ [L_1+L_2+\ldots+L_n]+ [R_1+R_2+\ldots+R_n] }{2} &= \dfrac{ L_1+ R_1 }{2}+ \dfrac{ L_2+ R_2 }{2}+ \cdots + \dfrac{ L_n+ R_n }{2} \\ &=M_1+M_2+\cdots+M_n\end{aligned}

So, the statement is true.

(Note, however, it is false for many non-linear functions f(x)f(x).)

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CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)