The area between the curve y=(2x−4)21
and the x-axis, with x running from a=0 to
b=1, is exactly the definite integral of (2x−4)21 with limits 0 and 1.
The two functions f(x) and g(x) are clearly equal at x=0. If x=0, then the functions are equal when
3x23982=x2x3+1=x3+1=x3+1=x3=x.
The function g(x)=3x2 is the larger of the two on the interval [0,2], as can be seen by plugging in x=1, say, or by observing that when x
is very small f(x)=x2x3+1≈x2 and g(x)=3x2.
First, let's figure out what our curve x=y2+y=y(y+1) looks like.
The curve intercepts the y-axis when y=0 and y=−1.
The x-values of the curve are negative when −1<y<0, and positive elsewhere.
This leads to the figure below. We're evaluating the area from y=−1 to y=0. Since y2+y is negative there, the length of our (horizontal) slices are 0−(y2+y).
y=9−x2 의 아래쪽에 있고, y=∣x∣ 와 y=1−x2 의 위쪽에 모두 있는 유한한 영역의 넓이를 구하세요.
영어 원문 보기
Find the area of the finite region below y=9−x2 and above both
y=∣x∣ and y=1−x2.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
먼저 영역을 그려 보자. y=1−x2 과 y=9−x2 은 각각 원점을 중심으로 하고 반지름이 1, 3 인 원의 위쪽 절반임에 주의하자.
이 영역은 두 사분원의 차이므로, 기하를 이용해 넓이를 구한다.
Area=41(π⋅32)−41(π⋅12)=2π
원본 교재 풀이(영어)
Let's begin by sketching our region. Note that y=1−x2 and y=9−x2 are the top halves of circles centred at the origin with radii 1 and 3, respectively.
Our region is the difference of two quarter-circles, so we find its area using geometry:
Area=41(π⋅32)−41(π⋅12)=2π
We will compute the area by using thin vertical strips, as in
the sketch below:
By looking at the sketch above, we guess the line y=4+2π−2x intersects the curve
y=4+πsinx when x=2π,x=π, and x=23π. Let's make sure these are correct by plugging them into the two equations, and making sure the y-values match:
When 2π≤x≤π, the top of the strip is at
y=4+πsinx and the bottom of the strip is at y=4+2π−2x.
So the strip has height [(4+πsinx)−(4+2π−2x)]
and width dx, and hence area
[(4+πsinx)−(4+2π−2x)]dx.
When π≤x≤23π, the top of the strip is at
y=4+2π−2x and the bottom of the strip is at y=4+πsinx.
So the strip has height [(4+2π−2x)−(4+πsinx)]
and width dx, and hence area
[(4+2π−2x)−(4+πsinx)]dx.
We need to figure out which curve is on top, when. To do this, set h(x)=3x−x25−x2. If h(x)>0, then y=3x is the top curve; if h(x)<0, then y=x25−x2 is the top curve.
h(x)We only care about values of x in [0,4], so x is nonnegative. Then h(x) is positive when:39x2x=3x−x25−x2=x[3−25−x2]>25−x2>25−x2>16>4
That is, h(x) is never positive over the interval [0,4]. So, y=x25−x2 lies above y=3x for all 0≤x≤4.
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.
답 쓰고 채점
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
두 도예가가 높이가 h 단위인 점토 덩어리와 똑같은 정사각형 쿠키 커터를 가지고 시작한다. 이들은 정사각형 쿠키 커터를 점토 위에서 곧바로 눌러 내려, 단면이 쿠키 커터와 같은 정사각형인 기둥을 만든다. 도예가 A는 점토 덩어리가 탁자 위에 가만히 놓여 있는 상태에서 쿠키 커터를 눌러 내리고, 도예가 B는 점토 덩어리가 물레 위에서 회전하는 상태에서 쿠키 커터를 눌러 내리므로 기둥이 비틀려 보인다. 어느 기둥의 부피가 더 큰가?
영어 원문 보기
Two potters start with a block of clay h units tall, and identical square cookie cutters. They form columns by pushing the square cookie cutter straight down over the clay, so that its cross-section is the same square as the cookie cutter. Potter A pushes their cookie cutter down while their clay block is sitting motionless on a table; Potter B pushes their cookie cutter down while their clay block is rotating on a potter's wheel, so their column looks twisted. Which column has greater volume?
정답·풀이 보기
두 기둥의 부피는 같다. 기둥을 수평 단면으로 잘게 나누어 보면 알 수 있다. 각 단면의 넓이는 쿠키 커터의 넓이 A 와 같고 높이는 dy 이다. 그러면 두 경우 모두 기둥의 부피는
∫0hAdy=hA세제곱단위
이다.
원본 교재 풀이(영어)
The columns have the same volume. We can see this by chopping up the columns into horizontal cross-sections. Each cross-section has the same area as the cookie cutter, A, and height dy. Then in both cases, the volume of the column is
∫0hAdy=hA cubic units
R 를 아래 그림에 나타낸 y=f(x) 의 그래프로 위쪽이 막히고 x축으로 아래쪽이 막힌, x=0 에서 x=6 까지의 영역이라고 하자. R 를 y축을 중심으로 회전시켜 만들어지는 와셔(워셔 모양의 속이 빈 원판)들을 그리세요.
스케치에 모든 반지름을 y 에 대한 식으로 표시하고, 두께도 표시하세요.
영어 원문 보기
Let R be the region bounded above by the graph of y=f(x) shown below and bounded below by the x-axis, from x=0 to x=6. Sketch the washers that are formed by rotating R about the y-axis.
In your sketch, label all the radii in terms of y, and label the thickness.
정답·풀이 보기
f(x) 는 구간별로 정의된 일차함수이므로 그래프에서 각 구간의 식을 구할 수 있다. 반지름은 x의 값으로 정해지므로, 아래에서는 x의 값을 y 에 대한 함수로 나타낸다.
그림의 영역을 y축을 중심으로 회전시킨다고 생각하면 두 종류의 와셔가 만들어진다. y<1 일 때는 중심이 같은 두 개의 고리, 즉 "이중 와셔"가 생기고, y>1 일 때는 고리가 하나 생긴다.
1<y≤6 일 때의 와셔:y>1 이면 와셔의 안쪽 반지름은 2+32y, 바깥쪽 반지름은 6−32y, 높이는 dy 이다.
0≤y<1 일 때의 와셔:0≤y<1 이면 함수의 두 "봉우리"에 대응하는, 중심이 같은 두 개의 고리, 즉 "이중 와셔"가 생긴다. 안쪽 와셔의 안쪽 반지름은 r1=y, 바깥쪽 반지름은 R1=2−y 이다. 바깥쪽 와셔의 안쪽 반지름은 r2=2+32y, 바깥쪽 반지름은 R2=6−32y 이다. 와셔의 두께는 dy 이다.
원본 교재 풀이(영어)
Notice f(x) is a piecewise linear function, so we can find explicit equations for each of its pieces from the graph. The radii will be determined by the x-values, so below we give the x-values as functions of y.
If we imagine rotating the region from the picture about the y-axis, there will be two kinds of washers formed: when y<1, we have a “double washer," two concentric rings. When y>1, we have a single ring.
Washers when 1<y≤6: If y>1, then our washer has inner radius 2+32y, outer radius 6−32y, and height dy.
Washers when 0≤y<1: When 0≤y<1, we have a “double washer," two concentric rings corresponding to the two “humps" in the function. The inner washer has inner radius r1=y and outer radius R1=2−y. The outer washer has inner radius r2=2+32y and outer radius R2=6−32y. The thickness of the washers is dy.
(a) 곡선 y=1−x2 과 y=4−4x2 으로 유계된 유한한 평면 영역을 직선 y=−1 을 축으로 회전시켜 얻은 입체의 부피.
(b) 곡선 y=x2−1 과 직선 y=0 으로 유계된 유한한 평면 영역을 직선 x=5 를 축으로 회전시켜 얻은 입체의 부피.
영어 원문 보기
Write down definite integrals that represent the following quantities.
Do not evaluate the integrals explicitly.
(a) The volume of the solid obtained by rotating the finite plane
region bounded by the curves y=1−x2 and y=4−4x2 about the line y=−1.
(b) The volume of the solid obtained by rotating the finite plane
region bounded by the curve y=x2−1 and the line y=0 about the line x=5.
정답·풀이 보기
(a)
두 곡선은 (1,0) 과 (−1,0) 에서 만난다. 그림
과 같은 띠를 직선 y=−1 을 축으로 회전시키면 다음과 같은 얇은 와셔(구멍 뚫린 원판)가 만들어진다.
안쪽 반지름은 (1−x2)−(−1)=2−x2,
바깥쪽 반지름은 (4−4x2)−(−1)=5−4x2,
두께는 dx 이다. 따라서
단면의 넓이는 π[(5−4x2)2−(2−x2)2] 이고
부피는 π[(5−4x2)2−(2−x2)2]dx 이다.
그러므로 입체의 부피는 다음과 같다.
∫−11π[(5−4x2)2−(2−x2)2]dx
(b)
곡선 y=x2−1 은 y=0 과 (1,0), (−1,0) 에서 만난다.
가로 방향 와셔를 이용한다.
위 그림처럼 높이가 dy 인 얇은 가로 띠를 이용한다.
직선 x=5 를 축으로 회전시키면 각 띠는 얇은 와셔를 만든다.
안쪽 반지름은 rin=5−y+1 이고,
바깥쪽 반지름은 rout=5−(−y+1)=5+y+1 이며,
두께는 dy 이므로
부피는
π(rout2−rin2)dy=π[(5+y+1)2−(5−y+1)2]dy 이다.
가장 위쪽 띠는 y=0 에 있고 가장 아래쪽 띠는 (x=0 일 때) y=−1 에 있으므로, 전체 부피는 다음과 같다.
∫−10π[(5+y+1)2−(5−y+1)2]dy
원본 교재 풀이(영어)
(a)
The curves intersect at (1,0) and (−1,0). When the strip shown in the
figure
is rotated about the line y=−1, it forms a thin washer with:
inner radius (1−x2)−(−1)=2−x2,
outer radius (4−4x2)−(−1)=5−4x2 and
thickness dx ; so, it has
cross sectional area π[(5−4x2)2−(2−x2)2] and
volume π[(5−4x2)2−(2−x2)2]dx.
So the volume of the solid is
∫−11π[(5−4x2)2−(2−x2)2]dx
(b)
The curve y=x2−1 intersects y=0 at (1,0) and (−1,0).
We'll use horizontal washers.
We use thin horizontal strips of height dy as in the figure above.
When we rotate about the line x=5, each strip sweeps out a thin washer
whose inner radius is rin=5−y+1, and
whose outer radius is rout=5−(−y+1)=5+y+1 and
whose thickness is dy and hence
whose volume is
π(rout2−rin2)dy=π[(5+y+1)2−(5−y+1)2]dy
As our topmost strip is at y=0 and our bottommost
strip is at y=−1 (when x=0), the total volume is
곡선 y=x2 과 y=8−x2 사이의 영역을 직선 y=−1 을 축으로 회전시켜 얻은 입체의 부피를 나타내는 정적분을 쓰세요.
정적분의 값을 직접 계산하지 마세요.
영어 원문 보기
Write down a definite integral that represents the volume of the solid
obtained by rotating around the line y=−1 the region between the
curves y=x2 and y=8−x2.
Do not evaluate the integrals explicitly.
정답·풀이 보기
두 곡선은 (−2,4) 와 (2,4) 에서 만난다. 그림
과 같은 띠를 직선 y=−1 을 축으로 회전시키면 다음과 같은 얇은 와셔(구멍 뚫린 원판)가 만들어진다.
안쪽 반지름은 x2+1,
바깥쪽 반지름은 9−x2,
두께는 dx 이므로
단면의 넓이는 π[(9−x2)2−(x2+1)2] 이고
부피는 π[(9−x2)2−(x2+1)2]dx 이다.
그러므로 입체의 부피는 다음과 같다.
π∫−22[(9−x2)2−(x2+1)2]dx
원본 교재 풀이(영어)
The curves intersect at (−2,4) and (2,4). When the strip
shown in the figure
is rotated about the line y=−1, it forms
a thin washer (punctured disc) of
When the region is rotated about the x–axis, the vertical strip
in the figure above sweeps out a washer with thickness dx,
outer radius T(x)=310−x and inner radius B(x)=x1.
This washer has volume
(b)
y=1−x2 은 x2+y2=1, y≥0 과 같으므로,
이 적분은 원 x2+y2=1 의 위쪽 반원의 넓이의 8π배이다. 따라서 적분의 값은
8π×21π12=4π2 이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a)
The top and the bottom of the circle have equations
y=T(x)=2+1−x2 and y=B(x)=2−1−x2, respectively.
enterline
When R is rotated about the x–axis, the vertical strip of
R in the figure above sweeps out a washer with thickness dx,
outer radius T(x) and inner radius B(x). This washer has
volume
곡선 y=cos(2x) 와 y=x2−π2 으로 둘러싸인 유한한 영역을 직선 y=−π2 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(2x)
and y=x2−π2 is rotated about the line y=−π2.
Using vertical slices (disks and/or washers), find the volume of
the resulting solid.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
다음은 곡선 y=cos(2x) 와 y=x2−π2 의 그래프이다.
살펴보면 두 곡선은 x=±π 에서 만나며, 이때 cos(2x) 와 x2−π2 은 모두 값이 0이다.
문제에서 지정한 대로 수직 와셔를 사용한다.
위 그림과 같이 주어진 영역을 너비가 dx 인 얇은 수직 띠로 자른다.
직선 y=−π2 을 축으로 회전시키면, 각 띠는 얇은 와셔를 만든다.
이 와셔의 안쪽 반지름은 rin=(x2−π2)−(−π2)=x2 이고 바깥쪽 반지름은 rout=cos(2x)−(−π2)=cos(2x)+π2 이며,
두께는 dx 이고, 따라서
부피는
π(rout2−rin2)dx=π((cos(2x)+π2)2−(x2)2)dx 이다.
As our leftmost strip is at x=−π and our rightmost
strip is at x=π,
the total volume is
Because the integrand is even,π∫−ππ(cos2(2x)+2π2cos(2x)+π4−x4)dx=π∫−ππ(21+cos(x)+2π2cos(2x)+π4−x4)dx=2π∫0π(21+cos(x)+2π2cos(2x)+π4−x4)dx=2π[21x+21sin(x)+4π2sin(2x)+π4x−51x5]0π=2π[2π+0+4π2+π5−5π5]=π2+8π3+58π6
We used the fact that the integrand is an even function and the interval of integration [−π,π] is symmetric, but one can also compute directly.
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:
부분적분을 이용하여 적분의 값을 구하려고 한다고 합시다. 피적분함수의 일부를 u로, 나머지 일부를 dv로 택합니다. u로 택한 부분은 (미분된다, 부정적분된다). dv로 택한 부분은 (미분된다, 부정적분된다).
영어 원문 보기
Suppose you want to evaluate an integral using integration by parts. You choose part of your integrand to be u, and part to be dv. The part chosen as u will be: (differentiated, antidifferentiated). The part chosen as dv will be: (differentiated, antidifferentiated).
정답·풀이 보기
공식 ∫udv=uv−∫vdu 를 기억하자. u를 이용하여 du를 만드므로, 즉 u를 미분한다. dv를 이용하여 v를 만드므로, 즉 dv를 부정적분한다.
원본 교재 풀이(영어)
Remember our rule: ∫udv=uv−∫vdu. So, we take u and use it to make du–that is, we differentiate it. We take dv and use it to make v–that is, we antidifferentiate it.
어떤 미분가능한 함수 u 와 v 에 대해 부분적분을 이용하여 ∫u(x)⋅v′(x)dx 의 값을 구하려고 한다고 하자. v′(x) 의 부정적분을 구해야 하는데, 택할 수 있는 것이 무수히 많다. v′(x) 의 모든 부정적분이 서로 같은 최종 결과를 준다는 것을 보이세요.
영어 원문 보기
Suppose we want to use integration by parts to evaluate ∫u(x)⋅v′(x)dx for some differentiable functions u and v. We need to find an antiderivative of v′(x), but there are infinitely many choices. Show that every antiderivative of v′(x) gives an equivalent final answer.
정답·풀이 보기
모든 부정적분은 상수만큼만 차이가 나므로, 어떤 C 에 대해 모두 v(x)+C 로 쓸 수 있다. 그러면 부분적분 공식에 의해