문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

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745문제 · 36 / 38쪽

701.CLP-2 · 1.5절 · 7번우리말 번역

f(x)=1(2x−4)2f (x) = \dfrac{1}{(2x-4)^2} 의 그래프와 xx축으로 유계인 영역 중 x=0x = 0 과 x=1x = 1 사이에 있는 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of the region bounded by the graph of f(x)=1(2x−4)2f (x) = \dfrac{1}{(2x-4)^2} and the xx–axis between x=0x = 0 and x=1x = 1.

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그림

곡선 y=1(2x−4)2y= \frac{1}{(2x-4)^2} 과 xx축 사이의 넓이에서 xx 가 a=0a=0 부터 b=1b=1 까지 움직일 때, 이 넓이는 바로 1(2x−4)2\frac{1}{(2x-4)^2} 의 00 에서 11 까지의 정적분과 같다.

Area=∫01dx(2x−4)2u=2x−4,du=2 dx=12∫−4−21u2du=12[−1u]u=−4u=−2=12[12−14]=18\begin{aligned} \text{Area}&=\int_0^1 \frac{\mathrm{d}x}{(2x-4)^2}&u=2x-4,\quad\mathrm{d}u=2\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{2}\int_{-4}^{-2}\frac{1}{u^2}\mathrm{d}u = \frac{1}{2}\left[\frac{-1}{u}\right]_{u=-4}^{u=-2}\\ &=\frac{1}{2}\Big[\frac{1}{2}-\frac{1}{4}\Big] =\frac{1}{8} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

figure

The area between the curve y=1(2x−4)2y= \frac{1}{(2x-4)^2} and the xx-axis, with xx running from a=0a=0 to b=1b=1, is exactly the definite integral of 1(2x−4)2\frac{1}{(2x-4)^2} with limits 00 and 11.

Area=∫01dx(2x−4)2u=2x−4,du=2 dx=12∫−4−21u2du=12[−1u]u=−4u=−2=12[12−14]=18\begin{aligned} \text{Area}&=\int_0^1 \frac{\mathrm{d}x}{(2x-4)^2}&u=2x-4,\quad\mathrm{d}u=2\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{2}\int_{-4}^{-2}\frac{1}{u^2}\mathrm{d}u = \frac{1}{2}\left[\frac{-1}{u}\right]_{u=-4}^{u=-2}\\ &=\frac{1}{2}\Big[\frac{1}{2}-\frac{1}{4}\Big] =\frac{1}{8} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.1절 · 7번
# 넓이(여러 가지 함수)그래프·표 해석보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
702.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.

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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)
703.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.

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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)
704.CLP-2 · 1.5절 · 12번우리말 번역

yy축의 왼쪽이고 곡선 x=y2+yx=y^2+y 의 오른쪽에 있는 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area to the left of the yy–axis and to the right of the curve x=y2+yx=y^2+y.

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먼저 곡선 x=y2+y=y(y+1)x=y^2+y=y(y+1) 의 모양을 알아보자.

  • 곡선은 y=0y=0 일 때와 y=−1y=-1 일 때 yy축과 만난다.
  • 곡선의 xx값은 −1<y<0-1<y<0 일 때 음수이고, 그 밖에서는 양수이다.

이로부터 아래 그림을 얻는다. 우리는 y=−1y=-1 에서 y=0y=0 까지의 넓이를 구한다. 이 구간에서 y2+yy^2+y 가 음수이므로 (가로) 띠의 길이는 0−(y2+y)0-(y^2+y) 이다.

Area=∫−10(0−(y2+y)) dy=−[y33+y22]−10=−13+12=16![그림](clp/clp2−quiz2M1prob2.png)\begin{aligned} \text{Area}=\int_{-1}^0\big(0-(y^2+y)\big)\,\mathrm{d}y = -\bigg[\frac{y^3}{3}+\frac{y^2}{2}\bigg]_{-1}^0 =-\frac13+\frac12 =\frac{1}{6}\quad \smash{ ![그림](clp/clp2-quiz2M1prob2.png) } \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

First, let's figure out what our curve x=y2+y=y(y+1)x=y^2+y=y(y+1) looks like.

  • The curve intercepts the yy-axis when y=0y=0 and y=−1y=-1.
  • The xx-values of the curve are negative when −1<y<0-1<y<0, and positive elsewhere.

This leads to the figure below. We're evaluating the area from y=−1y=-1 to y=0y=0. Since y2+yy^2+y is negative there, the length of our (horizontal) slices are 0−(y2+y)0-(y^2+y).

Area=∫−10(0−(y2+y)) dy=−[y33+y22]−10=−13+12=16![figure](clp/clp2−quiz2M1prob2.png)\begin{aligned} \text{Area}=\int_{-1}^0\big(0-(y^2+y)\big)\,\mathrm{d}y = -\bigg[\frac{y^3}{3}+\frac{y^2}{2}\bigg]_{-1}^0 =-\frac13+\frac12 =\frac{1}{6}\quad \smash{ ![figure](clp/clp2-quiz2M1prob2.png) } \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.5절 · 4번
# 넓이(여러 가지 함수)계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
705.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}.

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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)
706.CLP-2 · 1.5절 · 14번우리말 번역

아래 그래프는 y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x 와 y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x 로 둘러싸인 유한한 영역을 나타낸다.

그림

이 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

The graph below shows the finite region between y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x and y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x.

figure

Find the area of this region.

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아래 그림과 같이 가늘고 긴 세로 띠를 이용하여 넓이를 계산한다.

그림

위 그림을 보면 직선 y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x 가 곡선 y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x 와 x=π2,x=\frac{\pi}{2}, x=πx=\pi, x=3π2x=\frac{3\pi}{2} 에서 만난다고 짐작할 수 있다. 이것이 맞는지 두 식에 각각 대입하여 yy 값이 일치하는지 확인하자.

x4+2π−2x4+πsin⁡(x)일치?π24+π4+π✓π44✓3π24−π4−π✓\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline x & 4+2\pi-2x & 4+\pi\sin(x) & \text{일치?} \\ \hline \frac{\pi}{2} & 4+\pi & 4+\pi & \text{\checkmark} \\ \hline \pi & 4 & 4 & \text{\checkmark} \\ \hline \frac{3\pi}{2} & 4-\pi & 4-\pi & \text{\checkmark} \\ \hline \end{array}

또 그림에서 다음을 알 수 있다.

  • π2≤x≤π\frac{\pi}{2} \le x \le \pi 일 때, 띠의 위쪽 끝은 y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x 에 있고 아래쪽 끝은 y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x 에 있다. 따라서 띠의 높이는 [(4+πsin⁡x)−(4+2π−2x)]\big[(4 + \pi \sin x)-(4 + 2\pi - 2x)\big] 이고 너비는 dx\mathrm{d}x 이므로 넓이는 [(4+πsin⁡x)−(4+2π−2x)]dx\big[(4 + \pi \sin x)-(4 + 2\pi - 2x)\big]\mathrm{d}x 이다.
  • π≤x≤3π2\pi \le x \le \frac{3\pi}{2} 일 때, 띠의 위쪽 끝은 y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x 에 있고 아래쪽 끝은 y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x 에 있다. 따라서 띠의 높이는 [(4+2π−2x)−(4+πsin⁡x)]\big[(4 + 2\pi - 2x)-(4 + \pi \sin x)\big] 이고 너비는 dx\mathrm{d}x 이므로 넓이는 [(4+2π−2x)−(4+πsin⁡x)]dx\big[(4 + 2\pi - 2x)-(4 + \pi \sin x)\big]\mathrm{d}x 이다.

이제 계산하면 다음과 같다.

넓이=∫π/2π[(4+πsin⁡x)−(4+2π−2x)] dx+∫π3π/2[(4+2π−2x)−(4+πsin⁡x)] dx=∫π/2π[πsin⁡x−2π+2x] dx+∫π3π/2[2π−2x−πsin⁡x] dx=[−πcos⁡x−2πx+x2]π/2π+[2πx−x2+πcos⁡x]π3π/2=[π−π2+34π2]+[π2−54π2+π]=2[π−14π2]\begin{aligned} \text{넓이} &= \int_{\pi/2}^\pi \big[(4 + \pi \sin x)-(4 + 2\pi - 2x)\big]\ \mathrm{d}x +\int^{3\pi/2}_\pi \big[(4 + 2\pi - 2x)-(4 + \pi \sin x)\big]\ \mathrm{d}x\\ &= \int_{\pi/2}^\pi \big[\pi \sin x- 2\pi + 2x\big]\ \mathrm{d}x +\int^{3\pi/2}_\pi \big[2\pi - 2x- \pi \sin x\big]\ \mathrm{d}x\\ &=\Big[-\pi \cos x- 2\pi x + x^2\Big]_{\pi/2}^\pi +\Big[2\pi x - x^2+ \pi \cos x\Big]^{3\pi/2}_\pi\\ &=\left[\pi-\pi^2+\frac{3}{4}\pi^2\right] +\left[\pi^2-\frac{5}{4}\pi^2+\pi\right]\\ &=2\Big[\pi-\frac{1}{4}\pi^2\Big] \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We will compute the area by using thin vertical strips, as in the sketch below:

figure

By looking at the sketch above, we guess the line y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x intersects the curve y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x when x=π2,x=\frac{\pi}{2}, x=πx=\pi, and x=3π2x=\frac{3\pi}{2}. Let's make sure these are correct by plugging them into the two equations, and making sure the yy-values match:

x4+2π−2x4+πsin⁡(x)match?π24+π4+π✓π44✓3π24−π4−π✓\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline x & 4+2\pi-2x & 4+\pi\sin(x) & \text{match?} \\ \hline \frac{\pi}{2} & 4+\pi & 4+\pi & \text{\checkmark} \\ \hline \pi & 4 & 4 & \text{\checkmark} \\ \hline \frac{3\pi}{2} & 4-\pi & 4-\pi & \text{\checkmark} \\ \hline \end{array}

Also from the sketch, we see that:

  • When π2≤x≤π\frac{\pi}{2} \le x \le \pi, the top of the strip is at y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x and the bottom of the strip is at y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x. So the strip has height [(4+πsin⁡x)−(4+2π−2x)]\big[(4 + \pi \sin x)-(4 + 2\pi - 2x)\big] and width dx\mathrm{d}x, and hence area [(4+πsin⁡x)−(4+2π−2x)]dx\big[(4 + \pi \sin x)-(4 + 2\pi - 2x)\big]\mathrm{d}x.
  • When π≤x≤3π2\pi \le x \le \frac{3\pi}{2}, the top of the strip is at y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x and the bottom of the strip is at y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x. So the strip has height [(4+2π−2x)−(4+πsin⁡x)]\big[(4 + 2\pi - 2x)-(4 + \pi \sin x)\big] and width dx\mathrm{d}x, and hence area [(4+2π−2x)−(4+πsin⁡x)]dx\big[(4 + 2\pi - 2x)-(4 + \pi \sin x)\big]\mathrm{d}x.

Now we can calculate:

Area=∫π/2π[(4+πsin⁡x)−(4+2π−2x)] dx+∫π3π/2[(4+2π−2x)−(4+πsin⁡x)] dx=∫π/2π[πsin⁡x−2π+2x] dx+∫π3π/2[2π−2x−πsin⁡x] dx=[−πcos⁡x−2πx+x2]π/2π+[2πx−x2+πcos⁡x]π3π/2=[π−π2+34π2]+[π2−54π2+π]=2[π−14π2]\begin{aligned} \text{Area} &= \int_{\pi/2}^\pi \big[(4 + \pi \sin x)-(4 + 2\pi - 2x)\big]\ \mathrm{d}x +\int^{3\pi/2}_\pi \big[(4 + 2\pi - 2x)-(4 + \pi \sin x)\big]\ \mathrm{d}x\\ &= \int_{\pi/2}^\pi \big[\pi \sin x- 2\pi + 2x\big]\ \mathrm{d}x +\int^{3\pi/2}_\pi \big[2\pi - 2x- \pi \sin x\big]\ \mathrm{d}x\\ &=\Big[-\pi \cos x- 2\pi x + x^2\Big]_{\pi/2}^\pi +\Big[2\pi x - x^2+ \pi \cos x\Big]^{3\pi/2}_\pi\\ &=\left[\pi-\pi^2+\frac{3}{4}\pi^2\right] +\left[\pi^2-\frac{5}{4}\pi^2+\pi\right]\\ &=2\Big[\pi-\frac{1}{4}\pi^2\Big] \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.5절 · 15번
# 넓이(여러 가지 함수)그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
707.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.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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)
708.CLP-2 · 1.5절 · 16번우리말 번역

구간 0≤x≤40\le x\le 4 에서 곡선 y=x25−x2y = x \sqrt{25-x^2} 과 y=3xy=3x 사이의 전체 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the total area between the curves y=x25−x2y = x \sqrt{25-x^2} and y=3xy=3x, on the interval 0≤x≤40\le x\le 4.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

어느 구간에서 어느 곡선이 위쪽에 있는지 알아내야 한다. 이를 위해 h(x)=3x−x25−x2h(x) = 3x - x\sqrt{25-x^2} 로 놓는다. h(x)>0h(x) > 0 이면 y=3xy=3x 가 위쪽 곡선이고, h(x)<0h(x)<0 이면 y=x25−x2y=x\sqrt{25-x^2} 이 위쪽 곡선이다.

h(x)=3x−x25−x2=x[3−25−x2]우리는 [0,4] 에 속하는 x 의 값만 다루므로 x 는 음이 아니다. 그러면 h(x) 가 양수가 되는 경우는:3>25−x29>25−x2x2>16x>4\begin{aligned} h(x) &= 3x - x\sqrt{25-x^2} = x\left[3-\sqrt{25-x^2}\right] \\ \text{우리는 $[0,4]$ 에 속하는 $x$ 의 값만 다루므로 $x$ 는 음이 아니다. 그러면 $h(x)$ 가 양수가 되는 경우는:} \\ 3&> \sqrt{25-x^2}\\ 9&> 25-x^2\\ x^2 & > 16\\ x&> 4 \end{aligned}

즉, 구간 [0,4][0,4] 에서 h(x)h(x) 는 양수가 되는 일이 없다. 따라서 0≤x≤40\le x\le 4 인 모든 xx 에 대해 y=x25−x2y = x \sqrt{25-x^2} 이 y=3xy=3x 보다 위에 있다.

그러므로 구하는 넓이는 다음과 같다.

A=∫04[x25−x2−3x] dx=∫04x25−x2 dx−∫043x dx=A1−A2.\begin{aligned} A &= \int_0^4 \left[x \sqrt{25-x^2} - 3x\right]\,\mathrm{d}x \\ &= \int_0^4 x \sqrt{25-x^2}\,\mathrm{d}x - \int_0^4 3x\,\mathrm{d}x \\&= A_1 - A_2. \end{aligned}

A1A_1 을 계산하기 위해 치환 u(x)=25−x2u(x) = 25-x^2 을 사용한다. 이때 du=u′(x) dx=−2x dx\mathrm{d}u = u'(x)\,\mathrm{d}x= -2x\,\mathrm{d}x 이고, x=4x=4 일 때 u(4)=25−42=9u(4)=25-4^2=9, x=0x=0 일 때 u(0)=25−02=25u(0)=25-0^2=25 이다. 따라서

A1=∫x=0x=4x25−x2 dx=−12∫u=25u=9u du=[−13u3/2]259=125−273=983\begin{aligned} A_1 &= \int_{x=0}^{x=4} x \sqrt{25-x^2}\,\mathrm{d}x = -\frac{1}{2} \int_{u=25}^{u=9} \sqrt{u}\,\mathrm{d}u = \left[-\frac{1}{3} u^{3/2} \right]_{25}^{9} = \frac{125 - 27}{3} = \frac{98}{3} \end{aligned}

A2A_2 는 부정적분을 직접 이용한다.

A2=∫043x dx=[3x22]04=24A_2 = \int_0^4 3x\,\mathrm{d}x =\left[ \frac{3x^2}{2} \right]_0^4 = 24

따라서 전체 넓이는 다음과 같다.

A=983−24=263\begin{aligned} A = \frac{98}{3} - 24 = \frac{26}{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We need to figure out which curve is on top, when. To do this, set h(x)=3x−x25−x2h(x) = 3x - x\sqrt{25-x^2}. If h(x)>0h(x) > 0, then y=3xy=3x is the top curve; if h(x)<0h(x)<0, then y=x25−x2y=x\sqrt{25-x^2} is the top curve.

h(x)=3x−x25−x2=x[3−25−x2]We only care about values of x in [0,4], so x is nonnegative. Then h(x) is positive when:3>25−x29>25−x2x2>16x>4\begin{aligned} h(x) &= 3x - x\sqrt{25-x^2} = x\left[3-\sqrt{25-x^2}\right] \\ \text{We only care about values of $x$ in $[0,4]$, so $x$ is nonnegative. Then $h(x)$ is positive when:} \\ 3&> \sqrt{25-x^2}\\ 9&> 25-x^2\\ x^2 & > 16\\ x&> 4 \end{aligned}

That is, h(x)h(x) is never positive over the interval [0,4][0,4]. So, y=x25−x2y = x \sqrt{25-x^2} lies above y=3xy=3x for all 0≤x≤40\le x\le 4.

The area we need to calculate is therefore:

A=∫04[x25−x2−3x] dx=∫04x25−x2 dx−∫043x dx=A1−A2.\begin{aligned} A &= \int_0^4 \left[x \sqrt{25-x^2} - 3x\right]\,\mathrm{d}x \\ &= \int_0^4 x \sqrt{25-x^2}\,\mathrm{d}x - \int_0^4 3x\,\mathrm{d}x \\&= A_1 - A_2. \end{aligned}

To evaluate A1A_1, we use the substitution u(x)=25−x2u(x) = 25-x^2, for which du=u′(x) dx=−2x dx\mathrm{d}u = u'(x)\,\mathrm{d}x= -2x\,\mathrm{d}x; and u(4)=25−42=9u(4)=25-4^2=9 when x=4x=4, while u(0)=25−02=25u(0)=25-0^2=25 when x=0x=0. Therefore

A1=∫x=0x=4x25−x2 dx=−12∫u=25u=9u du=[−13u3/2]259=125−273=983\begin{aligned} A_1 &= \int_{x=0}^{x=4} x \sqrt{25-x^2}\,\mathrm{d}x = -\frac{1}{2} \int_{u=25}^{u=9} \sqrt{u}\,\mathrm{d}u = \left[-\frac{1}{3} u^{3/2} \right]_{25}^{9} = \frac{125 - 27}{3} = \frac{98}{3} \end{aligned}

For A2A_2 we use the antiderivative directly:

A2=∫043x dx=[3x22]04=24A_2 = \int_0^4 3x\,\mathrm{d}x =\left[ \frac{3x^2}{2} \right]_0^4 = 24

Therefore the total area is:

A=983−24=263\begin{aligned} A = \frac{98}{3} - 24 = \frac{26}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.5절 · 8번
# 넓이(여러 가지 함수)계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
709.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}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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)
710.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.

답 쓰고 채점
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)
711.CLP-2 · 1.6절 · 2번우리말 번역

두 도예가가 높이가 hh 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?

그림

그림

영어 원문 보기

Two potters start with a block of clay hh 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?

figure

figure

정답·풀이 보기

두 기둥의 부피는 같다. 기둥을 수평 단면으로 잘게 나누어 보면 알 수 있다. 각 단면의 넓이는 쿠키 커터의 넓이 AA 와 같고 높이는 dy\mathrm{d}y 이다. 그러면 두 경우 모두 기둥의 부피는 ∫0hA dy=hA 세제곱단위\int_{0}^h A~\mathrm{d}y = hA \text{ 세제곱단위} 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, AA, and height dy\mathrm{d}y. Then in both cases, the volume of the column is ∫0hA dy=hA cubic units\int_{0}^h A~\mathrm{d}y = hA \text{ cubic units}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.6절 · 3번
# 입체도형의 부피그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
712.CLP-2 · 1.6절 · 3번우리말 번역

RR 를 아래 그림에 나타낸 y=f(x)y=f(x) 의 그래프로 위쪽이 막히고 xx축으로 아래쪽이 막힌, x=0x=0 에서 x=6x=6 까지의 영역이라고 하자. RR 를 yy축을 중심으로 회전시켜 만들어지는 와셔(워셔 모양의 속이 빈 원판)들을 그리세요. 스케치에 모든 반지름을 yy 에 대한 식으로 표시하고, 두께도 표시하세요.

그림

영어 원문 보기

Let RR be the region bounded above by the graph of y=f(x)y=f(x) shown below and bounded below by the xx-axis, from x=0x=0 to x=6x=6. Sketch the washers that are formed by rotating RR about the yy-axis. In your sketch, label all the radii in terms of yy, and label the thickness.

figure

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 는 구간별로 정의된 일차함수이므로 그래프에서 각 구간의 식을 구할 수 있다. 반지름은 xx의 값으로 정해지므로, 아래에서는 xx의 값을 yy 에 대한 함수로 나타낸다.

그림

그림의 영역을 yy축을 중심으로 회전시킨다고 생각하면 두 종류의 와셔가 만들어진다. y<1y<1 일 때는 중심이 같은 두 개의 고리, 즉 "이중 와셔"가 생기고, y>1y>1 일 때는 고리가 하나 생긴다.

  • 1<y≤6\mathbf{1<y \le 6} 일 때의 와셔: y>1y>1 이면 와셔의 안쪽 반지름은 2+23y2+\frac{2}{3}y, 바깥쪽 반지름은 6−23y6-\frac{2}{3}y, 높이는 dy\mathrm{d}y 이다.

그림

  • 0≤y<1\mathbf{0\le y <1} 일 때의 와셔: 0≤y<10 \le y < 1 이면 함수의 두 "봉우리"에 대응하는, 중심이 같은 두 개의 고리, 즉 "이중 와셔"가 생긴다. 안쪽 와셔의 안쪽 반지름은 r1=yr_1=y, 바깥쪽 반지름은 R1=2−yR_1=2-y 이다. 바깥쪽 와셔의 안쪽 반지름은 r2=2+23yr_2=2+\frac{2}{3}y, 바깥쪽 반지름은 R2=6−23yR_2=6-\frac{2}{3}y 이다. 와셔의 두께는 dy\mathrm{d}y 이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Notice f(x)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 xx-values, so below we give the xx-values as functions of yy.

figure

If we imagine rotating the region from the picture about the yy-axis, there will be two kinds of washers formed: when y<1y<1, we have a “double washer," two concentric rings. When y>1y>1, we have a single ring.

  • Washers when 1<y≤6\mathbf{1<y \le 6}: If y>1y>1, then our washer has inner radius 2+23y2+\frac{2}{3}y, outer radius 6−23y6-\frac{2}{3}y, and height dy\mathrm{d}y.

figure

  • Washers when 0≤y<1\mathbf{0\le y <1}: When 0≤y<10 \le 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=yr_1=y and outer radius R1=2−yR_1=2-y. The outer washer has inner radius r2=2+23yr_2=2+\frac{2}{3}y and outer radius R2=6−23yR_2=6-\frac{2}{3}y. The thickness of the washers is dy\mathrm{d}y.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.6절 · 13번
# 입체도형의 부피그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
713.CLP-2 · 1.6절 · 5번우리말 번역

다음 양을 나타내는 정적분을 쓰세요. 정적분의 값을 직접 계산하지 마세요.

(a) 곡선 y=1−x2y=1-x^2 과 y=4−4x2y=4-4x^2 으로 유계된 유한한 평면 영역을 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시켜 얻은 입체의 부피. (b) 곡선 y=x2−1y=x^2-1 과 직선 y=0y=0 으로 유계된 유한한 평면 영역을 직선 x=5x=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−x2y=1-x^2 and y=4−4x2y=4-4x^2 about the line y=−1y=-1. (b) The volume of the solid obtained by rotating the finite plane region bounded by the curve y=x2−1y=x^2-1 and the line y=0y=0 about the line x=5x=5.

정답·풀이 보기

(a) 두 곡선은 (1,0)(1,0) 과 (−1,0)(-1,0) 에서 만난다. 그림

그림

과 같은 띠를 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시키면 다음과 같은 얇은 와셔(구멍 뚫린 원판)가 만들어진다.

  • 안쪽 반지름은 (1−x2)−(−1)=2−x2(1-x^2)-(-1)=2-x^2,
  • 바깥쪽 반지름은 (4−4x2)−(−1)=5−4x2(4-4x^2)-(-1)=5-4x^2,
  • 두께는 dx\mathrm{d}x 이다. 따라서
  • 단면의 넓이는 π[(5−4x2)2−(2−x2)2]\pi\big[{(5-4x^2)}^2-{(2-x^2)}^2\big] 이고
  • 부피는 π[(5−4x2)2−(2−x2)2] dx\pi\big[{(5-4x^2)}^2-({2-x^2)}^2\big]\,\mathrm{d}x 이다.

그러므로 입체의 부피는 다음과 같다.

∫−11π[(5−4x2)2−(2−x2)2] dx\begin{aligned} \int_{-1}^{1}\pi\big[{(5-4x^2)}^2-{(2-x^2)}^2\big]\,\mathrm{d}x \end{aligned}

(b) 곡선 y=x2−1y=x^2-1 은 y=0y=0 과 (1,0)(1,0), (−1,0)(-1,0) 에서 만난다.

그림

가로 방향 와셔를 이용한다.

  • 위 그림처럼 높이가 dy\mathrm{d}y 인 얇은 가로 띠를 이용한다.

  • 직선 x=5x=5 를 축으로 회전시키면 각 띠는 얇은 와셔를 만든다.

  • 안쪽 반지름은 rin=5−y+1r_{in}=5-\sqrt{y+1} 이고,

  • 바깥쪽 반지름은 rout=5−(−y+1)=5+y+1r_{out}= 5-(-\sqrt{y+1})=5+\sqrt{y+1} 이며,

  • 두께는 dy\mathrm{d}y 이므로

  • 부피는 π(rout2−rin2) dy=π[(5+y+1)2−(5−y+1)2] dy\pi(r_{out}^2 - r_{in}^2)\,\mathrm{d}y = \pi\big[\big(5+\sqrt{y+1}\big)^2-\big(5-\sqrt{y+1}\big)^2\big]\,\mathrm{d}y 이다.

  • 가장 위쪽 띠는 y=0y=0 에 있고 가장 아래쪽 띠는 (x=0x=0 일 때) y=−1y=-1 에 있으므로, 전체 부피는 다음과 같다.

∫−10π[(5+y+1)2−(5−y+1)2] dy\begin{aligned} \int _{-1}^0 \pi\left[\big(5+\sqrt{y+1}\big)^2-\big(5-\sqrt{y+1}\big)^2\right]\,\mathrm{d}y \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The curves intersect at (1,0)(1,0) and (−1,0)(-1,0). When the strip shown in the figure

figure

is rotated about the line y=−1y=-1, it forms a thin washer with:

  • inner radius (1−x2)−(−1)=2−x2(1-x^2)-(-1)=2-x^2,
  • outer radius (4−4x2)−(−1)=5−4x2(4-4x^2)-(-1)=5-4x^2 and
  • thickness dx\mathrm{d}x ; so, it has
  • cross sectional area π[(5−4x2)2−(2−x2)2]\pi\big[{(5-4x^2)}^2-{(2-x^2)}^2\big] and
  • volume π[(5−4x2)2−(2−x2)2] dx\pi\big[{(5-4x^2)}^2-({2-x^2)}^2\big]\,\mathrm{d}x.

So the volume of the solid is

∫−11π[(5−4x2)2−(2−x2)2] dx\begin{aligned} \int_{-1}^{1}\pi\big[{(5-4x^2)}^2-{(2-x^2)}^2\big]\,\mathrm{d}x \end{aligned}

(b) The curve y=x2−1y=x^2-1 intersects y=0y=0 at (1,0)(1,0) and (−1,0)(-1,0).

figure

We'll use horizontal washers.

  • We use thin horizontal strips of height dy\mathrm{d}y as in the figure above.

  • When we rotate about the line x=5x=5, each strip sweeps out a thin washer

  • whose inner radius is rin=5−y+1r_{in}=5-\sqrt{y+1}, and

  • whose outer radius is rout=5−(−y+1)=5+y+1r_{out}= 5-(-\sqrt{y+1})=5+\sqrt{y+1} and

  • whose thickness is dy\mathrm{d}y and hence

  • whose volume is π(rout2−rin2) dy=π[(5+y+1)2−(5−y+1)2] dy\pi(r_{out}^2 - r_{in}^2)\,\mathrm{d}y = \pi\big[\big(5+\sqrt{y+1}\big)^2-\big(5-\sqrt{y+1}\big)^2\big]\,\mathrm{d}y

  • As our topmost strip is at y=0y=0 and our bottommost strip is at y=−1y=-1 (when x=0x=0), the total volume is

∫−10π[(5+y+1)2−(5−y+1)2] dy\begin{aligned} \int _{-1}^0 \pi\left[\big(5+\sqrt{y+1}\big)^2-\big(5-\sqrt{y+1}\big)^2\right]\,\mathrm{d}y \end{aligned}

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

곡선 y=x2y=x^2 과 y=8−x2y=8-x^2 사이의 영역을 직선 y=−1y=-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=−1y=-1 the region between the curves y=x2y=x^2 and y=8−x2y=8-x^2. Do not evaluate the integrals explicitly.

정답·풀이 보기

두 곡선은 (−2,4)(-2,4) 와 (2,4)(2,4) 에서 만난다. 그림

그림

과 같은 띠를 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시키면 다음과 같은 얇은 와셔(구멍 뚫린 원판)가 만들어진다.

  • 안쪽 반지름은 x2+1x^2+1,
  • 바깥쪽 반지름은 9−x29-x^2,
  • 두께는 dx\mathrm{d}x 이므로
  • 단면의 넓이는 π[(9−x2)2−(x2+1)2]\pi\big[{(9-x^2)}^2-{(x^2+1)}^2\big] 이고
  • 부피는 π[(9−x2)2−(x2+1)2] dx\pi\big[{(9-x^2)}^2-{(x^2+1)}^2\big]\,\mathrm{d}x 이다.

그러므로 입체의 부피는 다음과 같다.

π∫−22[(9−x2)2−(x2+1)2] dx\begin{aligned} \pi\int_{-2}^{2}\big[{(9-x^2)}^2-{(x^2+1)}^2\big]\ \mathrm{d}x \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The curves intersect at (−2,4)(-2,4) and (2,4)(2,4). When the strip shown in the figure

figure

is rotated about the line y=−1y=-1, it forms a thin washer (punctured disc) of

  • inner radius x2+1x^2+1,
  • outer radius 9−x29-x^2 and
  • thickness dx\mathrm{d}x and hence of
  • cross sectional area π[(9−x2)2−(x2+1)2]\pi\big[{(9-x^2)}^2-{(x^2+1)}^2\big] and
  • volume π[(9−x2)2−(x2+1)2] dx\pi\big[{(9-x^2)}^2-{(x^2+1)}^2\big]\,\mathrm{d}x.

So the volume of the solid is

π∫−22[(9−x2)2−(x2+1)2] dx\begin{aligned} \pi\int_{-2}^{2}\big[{(9-x^2)}^2-{(x^2+1)}^2\big]\ \mathrm{d}x \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.6절 · 17번
# 입체도형의 부피활용기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
715.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)
716.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)
717.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.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.6절 · 10번
# 입체도형의 부피활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
718.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)
719.CLP-2 · 1.7절 · 2번우리말 번역

부분적분을 이용하여 적분의 값을 구하려고 한다고 합시다. 피적분함수의 일부를 uu로, 나머지 일부를 dv\mathrm{d}v로 택합니다. uu로 택한 부분은 (미분된다, 부정적분된다). dv\mathrm{d}v로 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 uu, and part to be dv\mathrm{d}v. The part chosen as uu will be: (differentiated, antidifferentiated). The part chosen as dv\mathrm{d}v will be: (differentiated, antidifferentiated).

정답·풀이 보기

공식 ∫udv=uv−∫vdu\int u \mathrm{d}v = uv - \int v \mathrm{d}u 를 기억하자. uu를 이용하여 du\mathrm{d}u를 만드므로, 즉 uu를 미분한다. dv\mathrm{d}v를 이용하여 vv를 만드므로, 즉 dv\mathrm{d}v를 부정적분한다.

원본 교재 풀이(영어)

Remember our rule: ∫udv=uv−∫vdu\int u \mathrm{d}v = uv - \int v \mathrm{d}u. So, we take uu and use it to make du\mathrm{d}u–that is, we differentiate it. We take dv\mathrm{d}v and use it to make vv–that is, we antidifferentiate it.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.7절 · 4번
# 부분적분법계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
720.CLP-2 · 1.7절 · 4번우리말 번역

어떤 미분가능한 함수 uu 와 vv 에 대해 부분적분을 이용하여 ∫u(x)⋅v′(x)dx\displaystyle\int u(x)\cdot v'(x) \mathrm{d}x 의 값을 구하려고 한다고 하자. v′(x)v'(x) 의 부정적분을 구해야 하는데, 택할 수 있는 것이 무수히 많다. v′(x)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\displaystyle\int u(x)\cdot v'(x) \mathrm{d}x for some differentiable functions uu and vv. We need to find an antiderivative of v′(x)v'(x), but there are infinitely many choices. Show that every antiderivative of v′(x)v'(x) gives an equivalent final answer.

정답·풀이 보기

모든 부정적분은 상수만큼만 차이가 나므로, 어떤 CC 에 대해 모두 v(x)+Cv(x)+C 로 쓸 수 있다. 그러면 부분적분 공식에 의해

∫u(x)⋅v′(x)dx=u(x)⏟u[v(x)+C]⏟v−∫[v(x)+C]⏟vu′(x)dx⏟du=u(x)v(x)+Cu(x)−∫v(x)u′(x)dx−∫Cu′(x)dx=u(x)v(x)+Cu(x)−∫v(x)u′(x)dx−Cu(x)+D=u(x)v(x)−∫v(x)u′(x)dx+D\begin{aligned} \int u(x)\cdot v'(x) \mathrm{d}x&=\underbrace{u(x)}_u\underbrace{\big[ v(x)+C\big]}_v - \int \underbrace{\big[ v(x)+C\big]}_v \underbrace{u'(x)\mathrm{d}x}_{\mathrm{d}u}\\ &=u(x)v(x)+Cu(x) - \int v(x)u'(x)\mathrm{d}x - \int Cu'(x)\mathrm{d}x \\&=u(x)v(x)+Cu(x) - \int v(x)u'(x)\mathrm{d}x - Cu(x)+D \\&=u(x)v(x) - \int v(x)u'(x)\mathrm{d}x +D \end{aligned}

이다. 여기서 DD 는 임의의 상수이다.

CC 가 포함된 항이 서로 상쇄되므로 CC 를 무엇으로 택하든 상관없다. 어떻게 택해도 결과는 같다.

원본 교재 풀이(영어)

All the antiderivatives differ only by a constant, so we can write them all as v(x)+Cv(x)+C for some CC. Then, using the formula for integration by parts,

∫u(x)⋅v′(x)dx=u(x)⏟u[v(x)+C]⏟v−∫[v(x)+C]⏟vu′(x)dx⏟du=u(x)v(x)+Cu(x)−∫v(x)u′(x)dx−∫Cu′(x)dx=u(x)v(x)+Cu(x)−∫v(x)u′(x)dx−Cu(x)+D=u(x)v(x)−∫v(x)u′(x)dx+D\begin{aligned} \int u(x)\cdot v'(x) \mathrm{d}x&=\underbrace{u(x)}_u\underbrace{\big[ v(x)+C\big]}_v - \int \underbrace{\big[ v(x)+C\big]}_v \underbrace{u'(x)\mathrm{d}x}_{\mathrm{d}u}\\ &=u(x)v(x)+Cu(x) - \int v(x)u'(x)\mathrm{d}x - \int Cu'(x)\mathrm{d}x \\&=u(x)v(x)+Cu(x) - \int v(x)u'(x)\mathrm{d}x - Cu(x)+D \\&=u(x)v(x) - \int v(x)u'(x)\mathrm{d}x +D \end{aligned}

where DD is any constant.

Since the terms with CC cancel out, it didn't matter what we chose for CC–all choices end up the same.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 3.1절 · 7번
# 부분적분법증명·논술기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)