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.

3문제 · 1 / 1쪽

1.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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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)
2.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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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)
3.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
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