We will compute the area by using thin vertical strips, as in
the sketch below:
By looking at the sketch above, we guess the line y=4+2π−2x intersects the curve
y=4+πsinx when x=2π,x=π, and x=23π. Let's make sure these are correct by plugging them into the two equations, and making sure the y-values match:
When 2π≤x≤π, the top of the strip is at
y=4+πsinx and the bottom of the strip is at y=4+2π−2x.
So the strip has height [(4+πsinx)−(4+2π−2x)]
and width dx, and hence area
[(4+πsinx)−(4+2π−2x)]dx.
When π≤x≤23π, the top of the strip is at
y=4+2π−2x and the bottom of the strip is at y=4+πsinx.
So the strip has height [(4+2π−2x)−(4+πsinx)]
and width dx, and hence area
[(4+2π−2x)−(4+πsinx)]dx.
We need to figure out which curve is on top, when. To do this, set h(x)=3x−x25−x2. If h(x)>0, then y=3x is the top curve; if h(x)<0, then y=x25−x2 is the top curve.
h(x)We only care about values of x in [0,4], so x is nonnegative. Then h(x) is positive when:39x2x=3x−x25−x2=x[3−25−x2]>25−x2>25−x2>16>4
That is, h(x) is never positive over the interval [0,4]. So, y=x25−x2 lies above y=3x for all 0≤x≤4.
y=9−x2 의 아래쪽, y=x 의 아래쪽, 그리고 y=1−(x−1)2 의 위쪽에 있는 유한한 영역의 넓이를 구하세요.
영어 원문 보기
Find the area of the finite region below y=9−x2 and y=x, and above y=1−(x−1)2.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
먼저 영역을 그려 보자. y=9−x2 은 원점을 중심으로 하고 반지름이 3인 원의 위쪽 반원이고, y=1−(x−1)2 은 (1,0) 을 중심으로 하고 반지름이 1인 원의 위쪽 반원이다.
y=x 는 y=1−(x−1)2 과 (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.
구하는 넓이는 A3−(A1+A2) 이다.
A1 은 밑변의 길이가 1이고 높이가 1인 직각삼각형의 넓이이므로 A1=21 이다.
A2 는 반지름이 1인 원의 사분원의 넓이이므로 A2=4π 이다.
A3 은 반지름이 3인 원의 8분의 1의 넓이이므로 A3=89π 이다.
따라서 이 영역의 넓이는 89π−21−4π=87π−21 이다.
원본 교재 풀이(영어)
Let's begin by sketching our region. Note that y=9−x2 is the top half of a circle centred at the origin with radius 3, while y=1−(x−1)2 is the top half of a circle of radius 1 centred at (1,0).
Note y=x intersects y=1−(x−1)2 at (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:
The desired area is A3−(A1+A2).
A1 is the area of right a triangle with base 1 and height 1, so A1=21.
A2 is the area of a quarter circle of radius 1, so A2=4π.
A3 is the area of an eighth of a circle of radius 3, so A3=89π
So, the area of our region is 89π−21−4π=87π−21.
따라서 세 교점은 x=2 일 때와 x=−1±2 일 때이다. 다음이 성립한다. −1−2<−1+2<−1+4<2. 그러므로 두 구간 [−1−2,−1+2] 와 [−1+2,2] 에서 각각 어느 함수가 위에 있는지 알아보아야 한다. 각 구간의 한 점에서 확인하면 충분하다.
x01x(x2−4)0-3x−2−2−1위쪽함수:x(x2−4)x−2
0 은 구간 [−1−2,−1+2] 에 속하므로, 이 구간에서는 x(x2−4) 가 위쪽 함수이다.
1 은 구간 [−1+2,2] 에 속하므로, 이 구간에서는 x−2 가 위쪽 함수이다. 이제 넓이를 구하는 적분을 세울 수 있다.
So, our three points of intersection are when x=2 and when x=−1±2. We note −1−2<−1+2<−1+4<2. So, we need to see which function is on top over the two intervals [−1−2,−1+2] and [−1+2,2]. It suffices to check points in these intervals.
x01x(x2−4)0-3x−2−2−1top function:x(x2−4)x−2
Since 0 is in the interval [−1−2,−1+2], x(x2−4) is the top function in that interval.
Since 1 is in the interval [−1+2,2], x−2 is the top function in that interval. Now we can set up the integral to evaluate the area:
AreaAfter some taxing but rudimentary algebra:=∫−1−2−1+2[x(x2−4)−(x−2)]dx=∫−1−2−1+2[x3−5x+2]dx=[41x4−25x2+2x]−1−2−1+2=(82)+(42−413)=122−413+++∫−1+22[(x−2)−x(x2−4)]dx∫−1+22[−x3+5x−2]dx[−41x4+25x2−2x]−1+22
(a) 곡선 x=y(y−2) 와 x=−(y−1)(y−3) 사이의 유계인 영역.
(b) 구간 [4π,43π] 에서 사인함수와 코사인함수 사이의 영역.
(c) x=y2−y−2 와 y=2x−1 사이의 유계인 영역.
(d) y=mx 와 y=x2−1 사이의 유계인 영역. 단, m 은 양의 상수이다.
영어 원문 보기
Find the exact area of each described region.
(a) The finite region between the curves x=y(y−2) and x=−(y−1)(y−3).
(b) The region between the sine and cosine functions on the interval [4π,43π].
(c) The finite region between x=y2−y−2 and y=2x−1.
(d) The finite region between y=mx and y=x2−1, where m is a positive constant.
정답·풀이 보기
(a) 두 그래프의 교점은 y(y−2)=−(y−1)(y−3) 일 때 생기므로, y2−2y=−(y2−4y+3) 즉 2y2−6y+3=0 을 만족하는 y 를 구해야 한다. 근의 공식에 의해
y=(2)(2)6±(−6)2−(4)(2)(3)=46±36−24=46±12=23±3. 아래 그림과 같이 y=23−3≈0.63 과 y=23+3≈2.37 사이에서 곡선 x=−(y−1)(y−3) 이 x=y(y−2) 의 오른쪽에 있으므로(x 값이 더 크므로), 두 곡선 사이의 넓이는 다음 적분으로 주어진다.
∫23−323+3−(y−1)(y−3)−y(y−2)dy. 이 적분의 값을 구하면
A=∫23−323+3−2y2+6y−3dy=(−32y3+3y2−3y)23−323+3=−32(23+3)3+3(23+3)2−3(23+3)−−32(23−3)3+3(23−3)2−3(23−3)=−121(54+303)+121(54−303)+43(12+63)−43(12−63)−23(3+3)+23(3−3)=−53+93−33=3.
(b) 아래 그림에서 보듯이, 이 구간에서 y=sin(x) 의 그래프가 y=cos(x) 의 그래프보다 위에 있다. 따라서 두 곡선 사이의 넓이는 다음과 같다.
A=∫π/43π/4sin(x)−cos(x)dx=(−cos(x)−sin(x))∣π/43π/4=[−cos(43π)−sin(43π)]−[−cos(4π)−sin(4π)]=[22−22]+[22+22]=2.
(c) y=2x−1 을 x=2y+1 로 고쳐 쓸 수 있다. 두 곡선은 y2−y−2=2y+1 일 때 만난다. 따라서 2y2−2y−4=y+1 이므로 2y2−3y−5=0 이고, 인수분해하면 (2y−5)(y+1)=0 이다. 그러므로 두 곡선은 y=−1 또는 y=25 에서 만난다. 아래 그림에서 보듯이 이 구간에서 x=2y+1 이 x=y2−y−2 의 오른쪽에 있으므로, 두 곡선 사이 영역의 넓이는 다음과 같다.
A=∫−15/22y+1−(y2−y−2)dy=∫−15/2−y2+23y+25dy=(−3y3+43y2+25y)−15/2=−31[(25)3+1]+43[(25)2−1]+25[(25)+1]=−24133+1663+435=48343.
(d) 대표적인 그림(m=2 인 경우)이 아래에 있다. 두 곡선은 x2−1=mx 일 때, 즉 x2−mx−1=0 일 때 만난다. 근의 공식에 의해
x=2m±m2−4(1)(−1)=2m±m2+4. 세로로 자른 조각으로 적분하면, y=mx 의 그래프가 항상 y=x2−1 의 그래프보다 위에 있으므로 두 그래프 사이 영역의 넓이는 다음과 같다.
A=∫2m−m2+42m+m2+4mx−(x2−1)dx=(−3x3+m2x2+x)2m−m2+42m+m2+4=−31(2m+m2+4)3−31(2m−m2+4)3+2m(2m+m2+4)2−2m(2m−m2+4)2+(2m+m2+4−2m−m2+4).
원본 교재 풀이(영어)
(a) The point of intersection of the graphs occurs when y(y−2)=−(y−1)(y−3), and thus we need to find where y2−2y=−(y2−4y+3) or 2y2−6y+3=0. By the quadratic formula, it follows that
y=(2)(2)6±(−6)2−(4)(2)(3)=46±36−24=46±12=23±3. Since the curve x=−(y−1)(y−3) lies to the right (has a greater x value) of x=y(y−2) between y=23−3≈0.63 and y=23+3≈2.37 as shown in the figure below, we see that the area between the two curves is given by the integral
∫23−323+3−(y−1)(y−3)−y(y−2)dy. Evaluating this integral, we find that
A=∫23−323+3−2y2+6y−3dy=(−32y3+3y2−3y)23−323+3=−32(23+3)3+3(23+3)2−3(23+3)−−32(23−3)3+3(23−3)2−3(23−3)=−121(54+303)+121(54−303)+43(12+63)−43(12−63)−23(3+3)+23(3−3)=−53+93−33=3.
(b) As the figure below shows, the graph of y=sin(x) lies above the graph of y=cos(x) on this interval. So the area between the two curves is given by
A=∫π/43π/4sin(x)−cos(x)dx=(−cos(x)−sin(x))∣π/43π/4=[−cos(43π)−sin(43π)]−[−cos(4π)−sin(4π)]=[22−22]+[22+22]=2.
(c) We can rewrite y=2x−1 as x=2y+1. The two curves intersect when y2−y−2=2y+1. It follows that 2y2−2y−4=y+1, so 2y2−3y−5=0 and thus factoring, (2y−5)(y+1)=0. Hence the two curves intersect when y=−1 or y=25. The figure below shows that x=2y+1 lies to the right of x=y2−y−2on this interval, so the area of the region between the two curves is
A=∫−15/22y+1−(y2−y−2)dy=∫−15/2−y2+23y+25dy=(−3y3+43y2+25y)−15/2=−31[(25)3+1]+43[(25)2−1]+25[(25)+1]=−24133+1663+435=48343.
(d) A representative picture (with m=2) is shown in the figure below. The two curves intersect when x2−1=mx, or when x2−mx−1=0. By the quadratic formula, it folows that
x=2m±m2−4(1)(−1)=2m±m2+4. If we integrate with vertical slices, then the graph of y=mx is always above the graph of y=x2−1 and so the area of the region between the two graphs is
A=∫2m−m2+42m+m2+4mx−(x2−1)dx=(−3x3+m2x2+x)2m−m2+42m+m2+4=−31(2m+m2+4)3−31(2m−m2+4)3+2m(2m+m2+4)2−2m(2m−m2+4)2+(2m+m2+4−2m−m2+4).
A=∫−11(1+a−(1+a)x2)dx=(1+a)x−31+ax3−11=(1+a)(1)−31+a(1)3−((1+a)(−1)−31+a(−1)3)=2(1+a)−32(1+a)=34(1+a).A=2 가 되는 a 의 값을 구해야 하므로 다음 방정식을 푼다.
2=34(1+a), 이로부터 a=21 이다. 따라서 아래 그림에서 두 곡선 사이의 넓이는 정확히 A=2 이다.
원본 교재 풀이(영어)
Both of these quadratic functions pass through the points (−1,0) and (1,0), and thus these are the two intersection points for all positive values of a. In addition, since 1−x2>ax2−a on −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. Evaluating the integral, we find that
A=∫−11(1+a−(1+a)x2)dx=(1+a)x−31+ax3−11=(1+a)(1)−31+a(1)3−((1+a)(−1)−31+a(−1)3)=2(1+a)−32(1+a)=34(1+a). We want to know for which value(s) of a it follows that A=2. Thus, we solve
2=34(1+a), from which it follows that a=21. Hence, in the figure below, the area between the two curves is exactly A=2.
f(x)=2−x2 이라 하자. 구간 [a,b] 에서 연속인 임의의 함수 f 의 평균값은 b−a1∫abf(x)dx 로 주어진다는 것을 기억하세요.
(a) 구간 [0,2] 에서 f(x)=2−x2 의 평균값을 구하세요. 이 값을 r 이라 하세요.
(b) y=f(x) 와 y=r 의 그래프를 그리세요. 두 그래프의 교점을 구하세요.
(c) 구간 [0,2] 에서 y=f(x) 의 아래쪽이면서 y=r 의 위쪽에 있는 부분의 넓이가, y=r 의 아래쪽이면서 y=f(x) 의 위쪽에 있는 부분의 넓이와 같음을 보이세요.
(d) (c)의 결과는 임의의 구간에서 임의의 연속함수와 그 평균값에 대해서도 성립하나요? 그 이유를 설명하세요.
영어 원문 보기
Let f(x)=2−x2. Recall that the average value of any continuous function f on an interval [a,b] is given by b−a1∫abf(x)dx.
(a) Find the average value of f(x)=2−x2 on the interval [0,2]. Call this value r.
(b) Sketch a graph of y=f(x) and y=r. Find their intersection point(s).
(c) Show that on the interval [0,2], the amount of area that lies below y=f(x) and above y=r is equal to the amount of area that lies below y=r and above y=f(x).
(d) Will the result of (c) be true for any continuous function and its average value on any interval? Why?
정답·풀이 보기
(a) 구간 [0,2] 에서 f 의 평균값은
r=21∫022−x2dx=21(2x−3x3)02=21(22−323)=2−32=34.
(b) y=f(x) 와 y=r 의 교점은 양수 x 에 대하여 2−x2=34 일 때 생기며, 이로부터 x2=32 이므로 x=36 이다. f 의 그래프, y=r 의 그래프와 교점은 다음 그림과 같다.
(c) 아래 그림과 같이, 구간 [0,36] 에서 y=f(x) 의 아래쪽이면서 y=r 의 위쪽에 있는 부분의 넓이를 A1, 구간 [36,2] 에서 y=r 의 아래쪽이면서 y=f(x) 의 위쪽에 있는 영역의 넓이를 A2 라 하자. 그러면
A1=∫06/3(2−x2)−34dx=∫06/332−x2dx=(32x−3x3)06/3=(32)(36)−(31)(36)3=926−8166=2746. 그리고
A2=∫6/3234−(2−x2)dx=∫6/32x2−32dx=(3x3−32x)6/32=(322−322)−(31)(36)3−(32)(36)=2746. 따라서 A1=A2 이다.
(d) 답은 예이다. AV 를 구간 [a,b] 에서 함수 f 의 평균값이라 하자. 평균값의 정의에 의해
AV(b−a)=∫abf(x)dx, 이며, 이는 밑변이 (b−a) 이고 높이가 AV 인 직사각형의 넓이로 볼 수도 있다. 이제 구간 [a,b] 에서 f 의 그래프의 위쪽이면서 직선 y=AV 의 아래쪽에 있는 영역의 넓이를 R1, 구간 [a,b] 에서 f 의 그래프의 아래쪽이면서 직선 y=AV 의 위쪽에 있는 영역의 넓이를 R2 라 하자. 아래 그림은 정적분의 값이 직사각형의 넓이에 직사각형 위쪽의 넓이를 더하고 직사각형 아래쪽의 넓이를 뺀 것과 같음을 보여 주며, 즉
∫abf(x)dx=AV(b−a)+R2−R1. 이미 AV(b−a)=∫abf(x)dx 임을 보였으므로 R2−R1=0 이다. 따라서 [a,b] 에서 y=f(x) 의 아래쪽이면서 y=AV 의 위쪽에 있는 영역의 넓이는, y=AV 의 아래쪽이면서 y=f(x) 의 위쪽에 있는 넓이와 같다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) The average value of f on the interval [0,2] is
r=21∫022−x2dx=21(2x−3x3)02=21(22−323)=2−32=34.
(b) The intersection point of y=f(x) and y=r occurs, for positive x, when 2−x2=34, from which it follows that x2=32 and thus x=36. A graph of f, y=r, and the intersection point is shown in the following figure.
(c) Let A1 be the area that lies below y=f(x) and above y=r on the interval [0,36] and A2 the are of the region that lies below y=r and above y=f(x) on [36,2] as illustrated in the figure below. Then
A1=∫06/3(2−x2)−34dx=∫06/332−x2dx=(32x−3x3)06/3=(32)(36)−(31)(36)3=926−8166=2746. and
A2=∫6/3234−(2−x2)dx=∫6/32x2−32dx=(3x3−32x)6/32=(322−322)−(31)(36)3−(32)(36)=2746. Hence A1=A2 as desired.
(d) The answer is yes. Let AV is the average value of a function f on an interval [a,b]. By the definition of average value,
AV(b−a)=∫abf(x)dx, which can also be viewed as the area of the rectangle with base (b−a) and height AV. Now suppose that the area of the region above the graph of f and below the line y=AV on the interval [a,b] is R1 and the area of the region below the graph of f and above the line y=AV on the interval [a,b] is R2. The figure below illustrates that the value of the definite integral is the area of the rectangle plus the area above the rectangle minus the area below the rectangle, or
∫abf(x)dx=AV(b−a)+R2−R1. Having already established that AV(b−a)=∫abf(x)dx, it follows that R2−R1=0. So the area of the region that lies below y=f(x) and above y=AV is equal to the amount of area that lies below y=AV and above y=f(x) on [a,b].