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 · 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.

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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)
2.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}.

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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)
3.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.

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