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.

1문제 · 1 / 1쪽

1.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.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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}

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