문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

넓이(여러 가지 함수)

지수·로그·삼각함수 등이 만드는 곡선 사이의 넓이를 구한다

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

7문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 6.1절 · 27번우리말 풀이

다음 문제에서 방정식의 그래프를 그리고 두 곡선 사이 영역에 색칠하세요. xx축 또는 yy축 중 편한 쪽으로 적분하여 그 넓이를 구하세요.

y=xexy=xe^x, y=exy=e^x, x=0x=0, x=1x=1

영어 원문 보기

For the following exercises, graph the equations and shade the area of the region between the curves. Determine its area by integrating over the x-axis or y-axis, whichever seems more convenient.

y=xex,y=ex,x=0, and x=1y=x{e}^{x},y={e}^{x},x=0,\,\text{and}\,x=1

풀이 보기

구간 [0,1][0,1]에서 어느 곡선이 위인지 확인하고, xexxe^x는 부분적분으로 적분해요.

  1. 1

    ex>0e^x>0이므로 xex≤exxe^x\le e^x인지는 x≤1x\le1인지로 정해져요. 0≤x≤10\le x\le1에서 x≤1x\le1이므로 y=exy=e^x가 위, y=xexy=xe^x가 아래예요. 그림에서도 x=1x=1에서 두 곡선이 만나요.

  2. 2

    넓이는 ∫01(ex−xex) dx\int_0^1(e^x-xe^x)\,dx예요. 먼저 ∫01exdx=e−1\int_0^1e^xdx=e-1이에요.

  3. 3

    ∫01xex dx\int_0^1xe^x\,dx는 부분적분으로 구해요. u=xu=x, v′=exv'=e^x로 놓으면 ∫xexdx=xex−∫exdx=xex−ex\int xe^xdx=xe^x-\int e^xdx=xe^x-e^x이므로 [xex−ex]01=(e−e)−(0−1)=1\left[xe^x-e^x\right]_0^1=(e-e)-(0-1)=1이에요.

  4. 4

    따라서 넓이는 (e−1)−1=e−2(e-1)-1=e-2예요.

답

e−2e-2

자주 하는 실수

x=1x=1에서 두 곡선이 만난다는 것을 놓치고 위아래를 바꿔서 음수 넓이가 나오는 실수가 있어요.

원본 교재 풀이(영어)

This figure is has two graphs. They are the equations y=xe^x and y=e^x. The graphs intersect, forming a region in between them in the first quadrant.

e−2e-2

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.1절 · 41번
# 넓이(여러 가지 함수)계산보통
2.OpenStax 1권 · 6.1절 · 31번우리말 풀이

다음 문제에서 두 식의 그래프를 그리고 두 곡선 사이 영역에 색칠한 뒤, xx 축 또는 yy 축 중 더 편한 쪽으로 적분하여 넓이를 구하세요.

y=4−3xy=4-3x 와 y=1xy=\frac1x

영어 원문 보기

For the following exercises, graph the equations and shade the area of the region between the curves. Determine its area by integrating over the x-axis or y-axis, whichever seems more convenient.

y=4−3x and y=1xy=4-3x\,\text{and}\,y=\frac{1}{x}

풀이 보기

먼저 교점을 구하고, 구간에서 어느 그래프가 위에 있는지 확인한 뒤 (위 −- 아래)를 적분해요.

  1. 1

    두 그래프를 그려요. y=4−3xy=4-3x 는 기울기 −3-3, yy 절편 44 인 직선이고, y=1xy=\frac1x 는 제1사분면에서 감소하는 곡선이에요. 직선이 곡선과 두 점에서 만나 그 사이에 영역이 생겨요.

  2. 2

    교점을 구해요. 4−3x=1x4-3x=\frac1x 의 양변에 xx 를 곱하면 4x−3x2=14x-3x^2=1, 즉 3x2−4x+1=03x^2-4x+1=0 이고 (3x−1)(x−1)=0(3x-1)(x-1)=0 이므로 x=13, 1x=\frac13,\ 1 이에요.

  3. 3

    두 교점 사이의 한 점 x=12x=\frac12 에서 직선은 4−32=524-\frac32=\frac52, 곡선은 22 이므로 직선이 위에 있어요.

  4. 4

    넓이는 (위 −- 아래)의 정적분이에요. A=∫1/31(4−3x−1x)dx=[4x−32x2−ln⁡x]1/31A=\int_{1/3}^{1}\left(4-3x-\frac1x\right)dx=\left[4x-\frac32x^2-\ln x\right]_{1/3}^{1}

  5. 5

    x=1x=1 에서의 값은 4−32−0=524-\frac32-0=\frac52 이고, x=13x=\frac13 에서의 값은 43−16−ln⁡13=76+ln⁡3\frac43-\frac16-\ln\frac13=\frac76+\ln3 이에요. 따라서 A=52−76−ln⁡3=43−ln⁡3A=\frac52-\frac76-\ln3=\frac43-\ln3

답

43−ln⁡3\frac43-\ln 3 (약 0.2350.235)

자주 하는 실수

x=13x=\frac13 에서 −ln⁡13=+ln⁡3-\ln\frac13=+\ln3 의 부호를 틀리기 쉬워요.

원본 교재 풀이(영어)

This figure is has two graphs. They are the equations y=4-3x and y=1/x. The graphs intersect, having region between them shaded. The region is in the first quadrant.

43−ln⁡(3)\frac{4}{3}-\ln (3)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.1절 · 27번
# 넓이(여러 가지 함수)그래프·표 해석보통
3.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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정답·풀이 보기

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)
4.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.

답 쓰고 채점
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)
5.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.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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)
6.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.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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)
7.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}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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)