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.

26문제 · 2 / 2쪽

21.APEX · 7.1절 · 19번우리말 번역

연습문제 13–20에서, 함수 ff 와 gg 로 둘러싸인 전체 넓이를 구하세요.

함수 f(x)=cos⁡(x)f(x) = \cos (x) 와 g(x)=sin⁡xg(x) = \sin x 는 무한히 많은 점에서 만나, 반복되는 둘러싸인 영역을 무수히 많이 만든다. 이 영역들의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

In Exercises 13–20, find the total area enclosed by the functions ff and gg.

The functions f(x)=cos⁡(x)f(x) = \cos (x) and g(x)=sin⁡xg(x) = \sin x intersect infinitely many times, forming an infinite number of repeated, enclosed regions. Find the areas of these regions.

정답·풀이 보기

둘러싸인 모든 영역의 넓이는 같으며, 이웃한 영역끼리는 서로 대칭이다. 한 영역은 [π/4,5π/4][\pi/4,5\pi/4] 에서 만들어지고, 그 넓이는 222\sqrt{2} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

All enclosed regions have the same area, with regions being the reflection of adjacent regions. One region is formed on [π/4,5π/4][\pi/4,5\pi/4], with area 222\sqrt{2}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.1절 · 29번
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
22.APEX · 7.1절 · 20번우리말 번역

연습문제 13~20번에서 함수 ff 와 gg 로 둘러싸인 전체 넓이를 구하세요.

함수 f(x)=cos⁡(2x)f(x) = \cos (2x) 와 g(x)=sin⁡xg(x) = \sin x 는 무수히 많은 점에서 만나며, 반복되는 둘러싸인 영역이 무수히 많이 생깁니다. 이 영역들의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

In Exercises 13–20, find the total area enclosed by the functions ff and gg.

The functions f(x)=cos⁡(2x)f(x) = \cos (2x) and g(x)=sin⁡xg(x) = \sin x intersect infinitely many times, forming an infinite number of repeated, enclosed regions. Find the areas of these regions.

정답·풀이 보기

[π/6,5π/6][\pi/6,5\pi/6] 와 같은 영역에서 넓이는 33/23\sqrt{3}/2 이다. [−π/2,π/6][-\pi/2,\pi/6] 와 같은 영역에서 넓이는 33/43\sqrt{3}/4 이다.

원본 교재 풀이(영어)

On regions such as [π/6,5π/6][\pi/6,5\pi/6], the area is 33/23\sqrt{3}/2. On regions such as [−π/2,π/6][-\pi/2,\pi/6], the area is 33/43\sqrt{3}/4.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.1절 · 31번
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
23.CLP-2 · 1.5절 · 3번우리말 번역

x≥0x\ge 0 에서 곡선 y=x3−xy=x^3-x 와 y=xy=x 로 둘러싸인 유한한 넓이를 나타내는 정적분을 쓰세요. 정적분의 값을 직접 구하지는 마세요.

영어 원문 보기

Write down a definite integral that represents the finite area bounded by the curves y=x3−xy=x^3-x and y=xy=x for x≥0x\ge 0. Do not evaluate the integral explicitly.

정답·풀이 보기

두 곡선은 y=xy=x 이고 y=x3−xy=x^3-x 인 점에서 만난다. 이 점들을 구하기 위해 다음과 같이 놓는다.

x=x3−x0=x3−2x0=x(x2−2)0=x또는0=x2−2\begin{aligned} x&=x^3-x\\ 0&=x^3-2x\\ 0&=x(x^2-2)\\ 0&= x \quad\text{또는}\quad 0=x^2-2 \end{aligned}

x≥0x\ge 0 에서 두 곡선은 (0,0)(0,0) 과 (2,2)(\sqrt{2},\sqrt{2}) 에서 만난다.

유용한 관찰로, 두 곡선이 모두 연속이고 x=0x=0 과 x=2x=\sqrt{2} 사이에서 서로 만나지 않으므로, 넓이를 두 영역으로 나누는 것을 걱정할 필요가 없다. 한 함수가 항상 위에 있고, 다른 함수가 항상 아래에 있기 때문이다.

수직 띠를 사용하면:

그림

주어진 영역의 위쪽 경계와 아래쪽 경계는 각각 y=T(x)=xy=T(x)=x 와 y=B(x)=x3−xy=B(x)=x^3-x 이다. 따라서

Area=∫02[T(x)−B(x)] dx=∫02[x−(x3−x)] dx=∫022x−x3 dx\begin{aligned} {\rm Area} = \int_0^{\sqrt{2}}\big[T(x)-B(x)\big]\ \mathrm{d}x = \int_0^{\sqrt{2}}\big[x-(x^3-x)\big]\ \mathrm{d}x = \int_0^{\sqrt{2}} 2x-x^3 \ \mathrm{d}x \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The curves intersect when y=xy=x and y=x3−xy=x^3-x. To find these points, we set:

x=x3−x0=x3−2x0=x(x2−2)0=xor0=x2−2\begin{aligned} x&=x^3-x\\ 0&=x^3-2x\\ 0&=x(x^2-2)\\ 0&= x \quad\text{or}\quad 0=x^2-2 \end{aligned}

For x≥0x\ge 0, the curves intersect at (0,0)(0,0) and (2,2)(\sqrt{2},\sqrt{2}).

A handy observation is that, since both curves are continuous and they do not meet each other between x=0x=0 and x=2x=\sqrt{2}, we don't have to worry about dividing our area into two regions: one of the functions is always on the top, and the other is always on the bottom.

Using vertical strips:

figure

The top and bottom boundaries of the specified region are y=T(x)=xy=T(x)=x and y=B(x)=x3−xy=B(x)=x^3-x, respectively. So,

Area=∫02[T(x)−B(x)] dx=∫02[x−(x3−x)] dx=∫022x−x3 dx\begin{aligned} {\rm Area} = \int_0^{\sqrt{2}}\big[T(x)-B(x)\big]\ \mathrm{d}x = \int_0^{\sqrt{2}}\big[x-(x^3-x)\big]\ \mathrm{d}x = \int_0^{\sqrt{2}} 2x-x^3 \ \mathrm{d}x \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.1절 · 3번
# 넓이(여러 가지 함수)계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
24.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)
25.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)
26.Active Calculus · 6.1절 · 11번우리말 번역

f(x)=1−x2f(x) = 1-x^2, g(x)=ax2−ag(x) = ax^2 - a 라 하자. 여기서 aa 는 알려지지 않은 양의 실수이다. 두 곡선 ff 와 gg 사이의 넓이가 2가 되는 aa 의 값을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=1−x2f(x) = 1-x^2 and g(x)=ax2−ag(x) = ax^2 - a, where aa is an unknown positive real number. For what value(s) of aa is the area between the curves ff and gg equal to 2?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

이 두 이차함수는 모두 점 (−1,0)(-1,0) 과 (1,0)(1,0) 을 지나므로, 모든 양수 aa 에 대해 이 두 점이 두 그래프의 교점이다. 또한 −1<x<1-1 < x < 1 에서 1−x2>ax2−a1 - x^2 > ax^2 - a 이므로, 두 곡선 사이의 넓이는 다음과 같다.

A=∫−11(1−x2−(ax2−a)) dx=∫−11((1+a)−(1+a)x2) dx .A = \int_{-1}^{1} \left( 1 - x^2 - (ax^2 - a) \right) \, dx = \int_{-1}^{1} \left( (1+a) - (1+a)x^2 \right) \, dx\,. 적분을 계산하면

A=∫−11(1+a−(1+a)x2) dx=(1+a)x−1+a3x3∣−11=(1+a)(1)−1+a3(1)3−((1+a)(−1)−1+a3(−1)3)=2(1+a)−2(1+a)3=4(1+a)3 .\begin{aligned}A &= \int_{-1}^{1} \left( 1 + a - (1+a)x^2 \right) \, dx \\ &= \left. (1+a)x - \frac{1+a}{3}x^3 \right|_{-1}^{1} \\ &= (1+a)(1) - \frac{1+a}{3}(1)^3 - \left( (1+a)(-1) - \frac{1+a}{3}(-1)^3 \right) \\ &= 2(1+a) - \frac{2(1+a)}{3} \\ &= \frac{4(1+a)}{3}\end{aligned}\,. A=2A = 2 가 되는 aa 의 값을 구해야 하므로 다음 방정식을 푼다.

2=4(1+a)3 ,2 = \frac{4(1+a)}{3}\,, 이로부터 a=12a = \frac{1}{2} 이다. 따라서 아래 그림에서 두 곡선 사이의 넓이는 정확히 A=2A = 2 이다.

a = 1/2 일 때 함수 f(x) = 1-x 2 와 g(x) = ax 2 - a 의 그래프. 이 두 포물선은 (-1,0) 과 (1,0) 에서 만나며, 두 포물선이 둘러싼 유한한 영역에서 f 는 위쪽 함수이고 g 는 아래

원본 교재 풀이(영어)

Both of these quadratic functions pass through the points (−1,0)(-1,0) and (1,0)(1,0), and thus these are the two intersection points for all positive values of aa. In addition, since 1−x2>ax2−a1 - x^2 > ax^2 - a on −1<x<1-1 < x < 1, it follows that the area between the curves is given by

A=∫−11(1−x2−(ax2−a)) dx=∫−11((1+a)−(1+a)x2) dx .A = \int_{-1}^{1} \left( 1 - x^2 - (ax^2 - a) \right) \, dx = \int_{-1}^{1} \left( (1+a) - (1+a)x^2 \right) \, dx\,. Evaluating the integral, we find that

A=∫−11(1+a−(1+a)x2) dx=(1+a)x−1+a3x3∣−11=(1+a)(1)−1+a3(1)3−((1+a)(−1)−1+a3(−1)3)=2(1+a)−2(1+a)3=4(1+a)3 .\begin{aligned}A &= \int_{-1}^{1} \left( 1 + a - (1+a)x^2 \right) \, dx \\ &= \left. (1+a)x - \frac{1+a}{3}x^3 \right|_{-1}^{1} \\ &= (1+a)(1) - \frac{1+a}{3}(1)^3 - \left( (1+a)(-1) - \frac{1+a}{3}(-1)^3 \right) \\ &= 2(1+a) - \frac{2(1+a)}{3} \\ &= \frac{4(1+a)}{3}\end{aligned}\,. We want to know for which value(s) of aa it follows that A=2A = 2. Thus, we solve

2=4(1+a)3 ,2 = \frac{4(1+a)}{3}\,, from which it follows that a=12a = \frac{1}{2}. Hence, in the figure below, the area between the two curves is exactly A=2A = 2.

A plot of the functions f(x) = 1-x 2 and g(x) = ax 2 - a, with a = frac 1 2 . These two parabolas intersect at (-1,0) and (1,0); on the finite region they bound, f is the top function and g is the bot

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 6.1절 · 10번
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)