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.

128문제 · 7 / 7쪽

121.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}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.5절 · 15번
# 넓이(여러 가지 함수)그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
122.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.

답 쓰고 채점
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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)
123.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)
124.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}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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)
125.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.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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}

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다음 각 영역의 넓이를 정확하게 구하세요.

(a) 곡선 x=y(y−2)x = y(y-2) 와 x=−(y−1)(y−3)x=-(y-1)(y-3) 사이의 유계인 영역. (b) 구간 [π4,3π4][\frac{\pi}{4}, \frac{3\pi}{4}] 에서 사인함수와 코사인함수 사이의 영역. (c) x=y2−y−2x = y^2 - y - 2 와 y=2x−1y = 2x-1 사이의 유계인 영역. (d) y=mxy = mx 와 y=x2−1y = x^2-1 사이의 유계인 영역. 단, mm 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)x = y(y-2) and x=−(y−1)(y−3)x=-(y-1)(y-3). (b) The region between the sine and cosine functions on the interval [π4,3π4][\frac{\pi}{4}, \frac{3\pi}{4}]. (c) The finite region between x=y2−y−2x = y^2 - y - 2 and y=2x−1y = 2x-1. (d) The finite region between y=mxy = mx and y=x2−1y = x^2-1, where mm is a positive constant.

정답·풀이 보기

(a) 두 그래프의 교점은 y(y−2)=−(y−1)(y−3)y(y - 2) = -(y - 1)(y - 3) 일 때 생기므로, y2−2y=−(y2−4y+3)y^2 - 2y = -(y^2 - 4y + 3) 즉 2y2−6y+3=02y^2 - 6y + 3 = 0 을 만족하는 yy 를 구해야 한다. 근의 공식에 의해 y=6±(−6)2−(4)(2)(3)(2)(2)=6±36−244=6±124=3±32 .y = \frac{6 \pm \sqrt{(-6)^2 - (4)(2)(3)}}{(2)(2)} = \frac{6 \pm \sqrt{36 - 24}}{4} = \frac{6 \pm \sqrt{12}}{4} = \frac{3 \pm \sqrt{3}}{2}\,. 아래 그림과 같이 y=3−32≈0.63y = \frac{3 - \sqrt{3}}{2} \approx 0.63 과 y=3+32≈2.37y = \frac{3 + \sqrt{3}}{2} \approx 2.37 사이에서 곡선 x=−(y−1)(y−3)x = -(y - 1)(y - 3) 이 x=y(y−2)x = y(y - 2) 의 오른쪽에 있으므로(xx 값이 더 크므로), 두 곡선 사이의 넓이는 다음 적분으로 주어진다. ∫3−323+32−(y−1)(y−3)−y(y−2) dy .\int_{\frac{3 - \sqrt{3}}{2}}^{\frac{3 + \sqrt{3}}{2}} -(y - 1)(y - 3) - y(y - 2) \ dy\,. 이 적분의 값을 구하면 A=∫3−323+32−2y2+6y−3 dy=(−23y3+3y2−3y)∣3−323+32=[−23(3+32)3+3(3+32)2−3(3+32)]−[−23(3−32)3+3(3−32)2−3(3−32)]=−112(54+303)+112(54−303)+34(12+63)−34(12−63)−32(3+3)+32(3−3)=−53+93−33=3 .\begin{aligned}A &= \int_{\frac{3 - \sqrt{3}}{2}}^{\frac{3 + \sqrt{3}}{2}} -2y^2 + 6y - 3 \ dy \\ &= \left. \left(-\frac{2}{3}y^3 + 3y^2 - 3y \right) \right|_{\frac{3 - \sqrt{3}}{2}}^{\frac{3 + \sqrt{3}}{2}} \\ &= \left[-\frac{2}{3} \left(\frac{3 + \sqrt{3}}{2}\right)^3 + 3\left(\frac{3 + \sqrt{3}}{2}\right)^2 - 3\left(\frac{3 + \sqrt{3}}{2}\right)\right] \\ &\qquad - \left[-\frac{2}{3} \left(\frac{3 - \sqrt{3}}{2}\right)^3 + 3\left(\frac{3 - \sqrt{3}}{2}\right)^2 - 3\left(\frac{3 - \sqrt{3}}{2}\right)\right] \\ &= -\frac{1}{12}(54+30\sqrt{3}) + \frac{1}{12}(54-30\sqrt{3}) + \frac{3}{4}(12+6\sqrt{3}) \\ &\qquad - \frac{3}{4}(12-6\sqrt{3}) - \frac{3}{2}(3+\sqrt{3}) + \frac{3}{2}(3-\sqrt{3}) \\ &= -5\sqrt{3} + 9\sqrt{3} - 3\sqrt{3} \\ &= \sqrt{3}\end{aligned}\,. 곡선 x = y(y-2) 와 x=-(y-1)(y-3) 의 그래프로, 두 곡선은 대략 (-0.86603, 0.63397) 과 (0.86603, 2.36603) 에서 만난다. 두 곡선으로 둘러싸인 유계인 영역은 x = y(y- (b) 아래 그림에서 보듯이, 이 구간에서 y=sin⁡(x)y = \sin(x) 의 그래프가 y=cos⁡(x)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⁡(3π4)−sin⁡(3π4)]−[−cos⁡(π4)−sin⁡(π4)]=[22−22]+[22+22]=2 .\begin{aligned}A &= \int_{\pi/4}^{3\pi/4} \sin(x) - \cos(x) \ dx \\ &= \left. \left(-\cos(x) - \sin(x) \right) \right|_{\pi/4}^{3\pi/4} \\ &= \left[-\cos\left(\frac{3\pi}{4}\right) - \sin\left(\frac{3\pi}{4}\right) \right] - \left[-\cos\left(\frac{\pi}{4}\right) - \sin\left(\frac{\pi}{4}\right) \right] \\ &= \left[ \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2} \right] + \left[ \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2} \right] \\ &= \sqrt{2}\end{aligned}\,. 구간 π/4 에서 3π/4 까지에서 곡선 y = sin(x) 와 y= cos(x) 의 그래프이다. 이 구간에서 두 곡선으로 둘러싸인 유계인 영역은 위쪽이 y = sin(x), 아래쪽이 y= cos(x) 이고, (c) y=2x−1y = 2x - 1 을 x=y+12x = \frac{y+1}{2} 로 고쳐 쓸 수 있다. 두 곡선은 y2−y−2=y+12y^2 - y - 2 = \frac{y+1}{2} 일 때 만난다. 따라서 2y2−2y−4=y+12y^2 - 2y - 4 = y+1 이므로 2y2−3y−5=02y^2 - 3y - 5 = 0 이고, 인수분해하면 (2y−5)(y+1)=0(2y-5)(y+1) = 0 이다. 그러므로 두 곡선은 y=−1y = -1 또는 y=52y = \frac{5}{2} 에서 만난다. 아래 그림에서 보듯이 이 구간에서 x=y+12x = \frac{y+1}{2} 이 x=y2−y−2x = y^2 - y - 2 의 오른쪽에 있으므로, 두 곡선 사이 영역의 넓이는 다음과 같다. A=∫−15/2y+12−(y2−y−2) dy=∫−15/2−y2+32y+52 dy=(−y33+34y2+52y)∣−15/2=−13[(52)3+1]+34[(52)2−1]+52[(52)+1]=−13324+6316+354=34348 .\begin{aligned}A &= \int_{-1}{5/2} \frac{y+1}{2} - (y^2-y-2) \ dy \\ &= \int_{-1}{5/2} -y^2 + \frac{3}{2}y + \frac{5}{2} \ dy \\ &= \left. \left( -\frac{y^3}{3} + \frac{3}{4}y^2 + \frac{5}{2}y \right) \right|_{-1}{5/2} \\ &= -\frac{1}{3}\left[\left(\frac{5}{2}\right)^3 + 1 \right] + \frac{3}{4}\left[\left(\frac{5}{2}\right)^2 - 1 \right] + \frac{5}{2}\left[\left(\frac{5}{2}\right) + 1 \right] \\ &= -\frac{133}{24} + \frac{63}{16} + \frac{35}{4} \\ &= \frac{343}{48}\end{aligned}\,. 곡선 x = y 2-y-2 와 y=2x+1 의 그래프로, 두 곡선은 대략 (-0.84307, -0.68614) 와 (0.59307, 2.18614) 에서 만난다. 두 곡선으로 둘러싸인 유계인 영역은 x = y 2-y-2 가 (d) 대표적인 그림(m=2m = 2 인 경우)이 아래에 있다. 두 곡선은 x2−1=mxx^2 - 1 = mx 일 때, 즉 x2−mx−1=0x^2 - mx - 1 = 0 일 때 만난다. 근의 공식에 의해 x=m±m2−4(1)(−1)2=m±m2+42 .x = \frac{m \pm \sqrt{m^2-4(1)(-1)}}{2} = \frac{m \pm \sqrt{m^2+4}}{2}\,. 세로로 자른 조각으로 적분하면, y=mxy = mx 의 그래프가 항상 y=x2−1y = x^2 - 1 의 그래프보다 위에 있으므로 두 그래프 사이 영역의 넓이는 다음과 같다. A=∫m−m2+42m+m2+42mx−(x2−1) dx=(−x33+mx22+x)∣m−m2+42m+m2+42=−13(m+m2+42)3−13(m−m2+42)3+m2(m+m2+42)2−m2(m−m2+42)2+(m+m2+42−m−m2+42) .\begin{aligned}A &= \int_{\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}}^{\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}} mx - \left(x^2-1\right) \ dx \\ &= \left. \left(-\frac{x^3}{3} + m\frac{x^2}{2} + x\right) \right|_{\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}}^{\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}} \\ &= - \frac{1}{3}\left(\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^3 - \frac{1}{3}\left(\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^3 + \frac{m}{2}\left(\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^2 \\ &\qquad - \frac{m}{2}\left(\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^2 + \left(\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2} - \frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2} \right)\end{aligned}\,. 곡선 y=mx 와 y=x 2-1 의 그래프로, m 이 임의의 양수인 경우를 나타낸다. 두 곡선으로 둘러싸인 유계인 영역은 위쪽이 y=mx, 아래쪽이 y=x 2-1 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The point of intersection of the graphs occurs when y(y−2)=−(y−1)(y−3)y(y - 2) = -(y - 1)(y - 3), and thus we need to find where y2−2y=−(y2−4y+3)y^2 - 2y = -(y^2 - 4y + 3) or 2y2−6y+3=02y^2 - 6y + 3 = 0. By the quadratic formula, it follows that y=6±(−6)2−(4)(2)(3)(2)(2)=6±36−244=6±124=3±32 .y = \frac{6 \pm \sqrt{(-6)^2 - (4)(2)(3)}}{(2)(2)} = \frac{6 \pm \sqrt{36 - 24}}{4} = \frac{6 \pm \sqrt{12}}{4} = \frac{3 \pm \sqrt{3}}{2}\,. Since the curve x=−(y−1)(y−3)x = -(y - 1)(y - 3) lies to the right (has a greater xx value) of x=y(y−2)x = y(y - 2) between y=3−32≈0.63y = \frac{3 - \sqrt{3}}{2} \approx 0.63 and y=3+32≈2.37y = \frac{3 + \sqrt{3}}{2} \approx 2.37 as shown in the figure below, we see that the area between the two curves is given by the integral ∫3−323+32−(y−1)(y−3)−y(y−2) dy .\int_{\frac{3 - \sqrt{3}}{2}}^{\frac{3 + \sqrt{3}}{2}} -(y - 1)(y - 3) - y(y - 2) \ dy\,. Evaluating this integral, we find that A=∫3−323+32−2y2+6y−3 dy=(−23y3+3y2−3y)∣3−323+32=[−23(3+32)3+3(3+32)2−3(3+32)]−[−23(3−32)3+3(3−32)2−3(3−32)]=−112(54+303)+112(54−303)+34(12+63)−34(12−63)−32(3+3)+32(3−3)=−53+93−33=3 .\begin{aligned}A &= \int_{\frac{3 - \sqrt{3}}{2}}^{\frac{3 + \sqrt{3}}{2}} -2y^2 + 6y - 3 \ dy \\ &= \left. \left(-\frac{2}{3}y^3 + 3y^2 - 3y \right) \right|_{\frac{3 - \sqrt{3}}{2}}^{\frac{3 + \sqrt{3}}{2}} \\ &= \left[-\frac{2}{3} \left(\frac{3 + \sqrt{3}}{2}\right)^3 + 3\left(\frac{3 + \sqrt{3}}{2}\right)^2 - 3\left(\frac{3 + \sqrt{3}}{2}\right)\right] \\ &\qquad - \left[-\frac{2}{3} \left(\frac{3 - \sqrt{3}}{2}\right)^3 + 3\left(\frac{3 - \sqrt{3}}{2}\right)^2 - 3\left(\frac{3 - \sqrt{3}}{2}\right)\right] \\ &= -\frac{1}{12}(54+30\sqrt{3}) + \frac{1}{12}(54-30\sqrt{3}) + \frac{3}{4}(12+6\sqrt{3}) \\ &\qquad - \frac{3}{4}(12-6\sqrt{3}) - \frac{3}{2}(3+\sqrt{3}) + \frac{3}{2}(3-\sqrt{3}) \\ &= -5\sqrt{3} + 9\sqrt{3} - 3\sqrt{3} \\ &= \sqrt{3}\end{aligned}\,. A plot of the curves x = y(y-2) and x=-(y-1)(y-3), which intersect at approximately left(-0.86603, 0.63397 right) and left(0.86603, 2.36603 right). The finite region bounded by the curves has x = y(y- (b) As the figure below shows, the graph of y=sin⁡(x)y = \sin(x) lies above the graph of y=cos⁡(x)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⁡(3π4)−sin⁡(3π4)]−[−cos⁡(π4)−sin⁡(π4)]=[22−22]+[22+22]=2 .\begin{aligned}A &= \int_{\pi/4}^{3\pi/4} \sin(x) - \cos(x) \ dx \\ &= \left. \left(-\cos(x) - \sin(x) \right) \right|_{\pi/4}^{3\pi/4} \\ &= \left[-\cos\left(\frac{3\pi}{4}\right) - \sin\left(\frac{3\pi}{4}\right) \right] - \left[-\cos\left(\frac{\pi}{4}\right) - \sin\left(\frac{\pi}{4}\right) \right] \\ &= \left[ \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2} \right] + \left[ \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2} \right] \\ &= \sqrt{2}\end{aligned}\,. A plot of the curves y = sin(x) and y= cos(x) on the interval frac pi 4 , frac 3 pi 4 .The finite region bounded by the curves on this interval has y = sin(x) on top, y= cos(x) on the bottom, and the (c) We can rewrite y=2x−1y = 2x - 1 as x=y+12x = \frac{y+1}{2}. The two curves intersect when y2−y−2=y+12y^2 - y - 2 = \frac{y+1}{2}. It follows that 2y2−2y−4=y+12y^2 - 2y - 4 = y+1, so 2y2−3y−5=02y^2 - 3y - 5 = 0 and thus factoring, (2y−5)(y+1)=0(2y-5)(y+1) = 0. Hence the two curves intersect when y=−1y = -1 or y=52y = \frac{5}{2}. The figure below shows that x=y+12x = \frac{y+1}{2} lies to the right of x=y2−y−2x = y^2 - y - 2on this interval, so the area of the region between the two curves is A=∫−15/2y+12−(y2−y−2) dy=∫−15/2−y2+32y+52 dy=(−y33+34y2+52y)∣−15/2=−13[(52)3+1]+34[(52)2−1]+52[(52)+1]=−13324+6316+354=34348 .\begin{aligned}A &= \int_{-1}{5/2} \frac{y+1}{2} - (y^2-y-2) \ dy \\ &= \int_{-1}{5/2} -y^2 + \frac{3}{2}y + \frac{5}{2} \ dy \\ &= \left. \left( -\frac{y^3}{3} + \frac{3}{4}y^2 + \frac{5}{2}y \right) \right|_{-1}{5/2} \\ &= -\frac{1}{3}\left[\left(\frac{5}{2}\right)^3 + 1 \right] + \frac{3}{4}\left[\left(\frac{5}{2}\right)^2 - 1 \right] + \frac{5}{2}\left[\left(\frac{5}{2}\right) + 1 \right] \\ &= -\frac{133}{24} + \frac{63}{16} + \frac{35}{4} \\ &= \frac{343}{48}\end{aligned}\,. A plot of the curves x = y 2-y-2 and y=2x+1, which intersect at approximately left(-0.84307, -0.68614 right) and left(0.59307, 2.18614 right). The finite region bounded by the curves has x = y 2-y-2 o (d) A representative picture (with m=2m = 2) is shown in the figure below. The two curves intersect when x2−1=mxx^2 - 1 = mx, or when x2−mx−1=0x^2 - mx - 1 = 0. By the quadratic formula, it folows that x=m±m2−4(1)(−1)2=m±m2+42 .x = \frac{m \pm \sqrt{m^2-4(1)(-1)}}{2} = \frac{m \pm \sqrt{m^2+4}}{2}\,. If we integrate with vertical slices, then the graph of y=mxy = mx is always above the graph of y=x2−1y = x^2 - 1 and so the area of the region between the two graphs is A=∫m−m2+42m+m2+42mx−(x2−1) dx=(−x33+mx22+x)∣m−m2+42m+m2+42=−13(m+m2+42)3−13(m−m2+42)3+m2(m+m2+42)2−m2(m−m2+42)2+(m+m2+42−m−m2+42) .\begin{aligned}A &= \int_{\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}}^{\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}} mx - \left(x^2-1\right) \ dx \\ &= \left. \left(-\frac{x^3}{3} + m\frac{x^2}{2} + x\right) \right|_{\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}}^{\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}} \\ &= - \frac{1}{3}\left(\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^3 - \frac{1}{3}\left(\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^3 + \frac{m}{2}\left(\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^2 \\ &\qquad - \frac{m}{2}\left(\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^2 + \left(\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2} - \frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2} \right)\end{aligned}\,. A plot of the curves y=mx and y=x 2-1, representing an arbitrary positive value of m. The finite region bounded by the curves has y=mx on the top and y=x 2-1 on the bottom.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.5절 · 18번
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127.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
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128.Active Calculus · 6.1절 · 12번우리말 번역

f(x)=2−x2f(x) = 2-x^2 이라 하자. 구간 [a,b][a,b] 에서 연속인 임의의 함수 ff 의 평균값은 1b−a∫abf(x) dx\frac{1}{b-a} \int_a^b f(x) \, dx 로 주어진다는 것을 기억하세요.

(a) 구간 [0,2][0,\sqrt{2}] 에서 f(x)=2−x2f(x) = 2-x^2 의 평균값을 구하세요. 이 값을 rr 이라 하세요. (b) y=f(x)y = f(x) 와 y=ry = r 의 그래프를 그리세요. 두 그래프의 교점을 구하세요. (c) 구간 [0,2][0,\sqrt{2}] 에서 y=f(x)y = f(x) 의 아래쪽이면서 y=ry = r 의 위쪽에 있는 부분의 넓이가, y=ry = r 의 아래쪽이면서 y=f(x)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−x2f(x) = 2-x^2. Recall that the average value of any continuous function ff on an interval [a,b][a,b] is given by 1b−a∫abf(x) dx\frac{1}{b-a} \int_a^b f(x) \, dx.

(a) Find the average value of f(x)=2−x2f(x) = 2-x^2 on the interval [0,2][0,\sqrt{2}]. Call this value rr. (b) Sketch a graph of y=f(x)y = f(x) and y=ry = r. Find their intersection point(s). (c) Show that on the interval [0,2][0,\sqrt{2}], the amount of area that lies below y=f(x)y = f(x) and above y=ry = r is equal to the amount of area that lies below y=ry = r and above y=f(x)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][0,\sqrt{2}] 에서 ff 의 평균값은 r=12∫022−x2 dx=12(2x−x33)∣02=12(22−233)=2−23=43 .\begin{aligned}r &= \frac{1}{\sqrt{2}} \int_0^{\sqrt{2}} 2-x^2 \, dx \\ &= \left. \frac{1}{\sqrt{2}}\left(2x - \frac{x^3}{3}\right) \right|_0^{\sqrt{2}} \\ &= \frac{1}{\sqrt{2}}\left( 2\sqrt{2} - \frac{\sqrt{2}^3}{3} \right) \\ &= 2 - \frac{2}{3} \\ &= \frac{4}{3}\end{aligned}\,. (b) y=f(x)y=f(x) 와 y=ry=r 의 교점은 양수 xx 에 대하여 2−x2=432-x^2 = \frac{4}{3} 일 때 생기며, 이로부터 x2=23x^2 = \frac{2}{3} 이므로 x=63x = \frac{\sqrt{6}}{3} 이다. ff 의 그래프, y=ry = r 의 그래프와 교점은 다음 그림과 같다. 구간 0, sqrt 2 에서 f(x) = 2-x 2 의 그래프와, 이 구간에서의 평균값 y = frac 4 3 의 그래프이다. 함수 f 는 0 lt x lt frac sqrt 6 3 에서 평균값보다 위에 있고 그 평균값보다 아래에 있 (c) 아래 그림과 같이, 구간 [0,63]\left[0, \frac{\sqrt{6}}{3}\right] 에서 y=f(x)y = f(x) 의 아래쪽이면서 y=ry = r 의 위쪽에 있는 부분의 넓이를 A1A_1, 구간 [63,2]\left[\frac{\sqrt{6}}{3}, \sqrt{2}\right] 에서 y=ry = r 의 아래쪽이면서 y=f(x)y = f(x) 의 위쪽에 있는 영역의 넓이를 A2A_2 라 하자. 그러면 A1=∫06/3(2−x2)−43 dx=∫06/323−x2 dx=(23x−x33)∣06/3=(23)(63)−(13)(63)3=269−6681=4627 .\begin{aligned}A_1 &= \int_0^{\sqrt{6}/3} (2-x^2) - \frac{4}{3} \ dx \\ &= \int_0^{\sqrt{6}/3} \frac{2}{3} - x^2 \ dx \\ &= \left. \left( \frac{2}{3}x - \frac{x^3}{3} \right) \right|_0^{\sqrt{6}/3} \\ &= \left(\frac{2}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right) - \left(\frac{1}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right)^3 \\ &= \frac{2\sqrt{6}}{9} - \frac{6 \sqrt{6}}{81} \\ &= \frac{4 \sqrt{6}}{27}\end{aligned}\,. 그리고 A2=∫6/3243−(2−x2) dx=∫6/32x2−23 dx=(x33−23x)∣6/32=(223−232)−[(13)(63)3−(23)(63)]=4627 .\begin{aligned}A_2 &= \int_{\sqrt{6}/3}^{\sqrt{2}} \frac{4}{3} - (2-x^2) \ dx \\ &= \int_{\sqrt{6}/3}^{\sqrt{2}} x^2 - \frac{2}{3} \ dx \\ &= \left. \left(\frac{x^3}{3} - \frac{2}{3}x \right) \right|_{\sqrt{6}/3}^{\sqrt{2}} \\ &= \left(\frac{2\sqrt{2}}{3} - \frac{2}{3} \sqrt{2} \right) - \left[ \left(\frac{1}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right)^3 - \left(\frac{2}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right) \right] \\ &= \frac{4 \sqrt{6}}{27}\end{aligned}\,. 따라서 A1=A2A_1 = A_2 이다. (d) 답은 예이다. AVAV 를 구간 [a,b][a,b] 에서 함수 ff 의 평균값이라 하자. 평균값의 정의에 의해 AV(b−a)=∫abf(x) dx ,AV(b-a) = \int_a^b f(x) \ dx\,, 이며, 이는 밑변이 (b−a)(b-a) 이고 높이가 AVAV 인 직사각형의 넓이로 볼 수도 있다. 이제 구간 [a,b][a,b] 에서 ff 의 그래프의 위쪽이면서 직선 y=AVy=AV 의 아래쪽에 있는 영역의 넓이를 R1R_1, 구간 [a,b][a,b] 에서 ff 의 그래프의 아래쪽이면서 직선 y=AVy=AV 의 위쪽에 있는 영역의 넓이를 R2R_2 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 .\int_a^b f(x) \, dx = AV(b-a) + R_2 - R_1\,. 이미 AV(b−a)=∫abf(x) dxAV(b-a) = \int_a^b f(x) \ dx 임을 보였으므로 R2−R1=0R_2 - R_1 = 0 이다. 따라서 [a,b][a,b] 에서 y=f(x)y = f(x) 의 아래쪽이면서 y=AVy = AV 의 위쪽에 있는 영역의 넓이는, y=AVy = AV 의 아래쪽이면서 y=f(x)y = f(x) 의 위쪽에 있는 넓이와 같다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The average value of ff on the interval [0,2][0,\sqrt{2}] is r=12∫022−x2 dx=12(2x−x33)∣02=12(22−233)=2−23=43 .\begin{aligned}r &= \frac{1}{\sqrt{2}} \int_0^{\sqrt{2}} 2-x^2 \, dx \\ &= \left. \frac{1}{\sqrt{2}}\left(2x - \frac{x^3}{3}\right) \right|_0^{\sqrt{2}} \\ &= \frac{1}{\sqrt{2}}\left( 2\sqrt{2} - \frac{\sqrt{2}^3}{3} \right) \\ &= 2 - \frac{2}{3} \\ &= \frac{4}{3}\end{aligned}\,. (b) The intersection point of y=f(x)y=f(x) and y=ry=r occurs, for positive xx, when 2−x2=432-x^2 = \frac{4}{3}, from which it follows that x2=23x^2 = \frac{2}{3} and thus x=63x = \frac{\sqrt{6}}{3}. A graph of ff, y=ry = r, and the intersection point is shown in the following figure. A plot of f(x) = 2-x 2 on the interval 0, sqrt 2 , along with its average value on the interval, y = frac 4 3 . The function f lies above its average value for 0 lt x lt frac sqrt 6 3 and below its av (c) Let A1A_1 be the area that lies below y=f(x)y = f(x) and above y=ry = r on the interval [0,63]\left[0, \frac{\sqrt{6}}{3}\right] and A2A_2 the are of the region that lies below y=ry = r and above y=f(x)y = f(x) on [63,2]\left[\frac{\sqrt{6}}{3}, \sqrt{2}\right] as illustrated in the figure below. Then A1=∫06/3(2−x2)−43 dx=∫06/323−x2 dx=(23x−x33)∣06/3=(23)(63)−(13)(63)3=269−6681=4627 .\begin{aligned}A_1 &= \int_0^{\sqrt{6}/3} (2-x^2) - \frac{4}{3} \ dx \\ &= \int_0^{\sqrt{6}/3} \frac{2}{3} - x^2 \ dx \\ &= \left. \left( \frac{2}{3}x - \frac{x^3}{3} \right) \right|_0^{\sqrt{6}/3} \\ &= \left(\frac{2}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right) - \left(\frac{1}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right)^3 \\ &= \frac{2\sqrt{6}}{9} - \frac{6 \sqrt{6}}{81} \\ &= \frac{4 \sqrt{6}}{27}\end{aligned}\,. and A2=∫6/3243−(2−x2) dx=∫6/32x2−23 dx=(x33−23x)∣6/32=(223−232)−[(13)(63)3−(23)(63)]=4627 .\begin{aligned}A_2 &= \int_{\sqrt{6}/3}^{\sqrt{2}} \frac{4}{3} - (2-x^2) \ dx \\ &= \int_{\sqrt{6}/3}^{\sqrt{2}} x^2 - \frac{2}{3} \ dx \\ &= \left. \left(\frac{x^3}{3} - \frac{2}{3}x \right) \right|_{\sqrt{6}/3}^{\sqrt{2}} \\ &= \left(\frac{2\sqrt{2}}{3} - \frac{2}{3} \sqrt{2} \right) - \left[ \left(\frac{1}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right)^3 - \left(\frac{2}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right) \right] \\ &= \frac{4 \sqrt{6}}{27}\end{aligned}\,. Hence A1=A2A_1 = A_2 as desired. (d) The answer is yes. Let AVAV is the average value of a function ff on an interval [a,b][a,b]. By the definition of average value, AV(b−a)=∫abf(x) dx ,AV(b-a) = \int_a^b f(x) \ dx\,, which can also be viewed as the area of the rectangle with base (b−a)(b-a) and height AVAV. Now suppose that the area of the region above the graph of ff and below the line y=AVy=AV on the interval [a,b][a,b] is R1R_1 and the area of the region below the graph of ff and above the line y=AVy=AV on the interval [a,b][a,b] is R2R_2. 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 .\int_a^b f(x) \, dx = AV(b-a) + R_2 - R_1\,. Having already established that AV(b−a)=∫abf(x) dxAV(b-a) = \int_a^b f(x) \ dx, it follows that R2−R1=0R_2 - R_1 = 0. So the area of the region that lies below y=f(x)y = f(x) and above y=AVy = AV is equal to the amount of area that lies below y=AVy = AV and above y=f(x)y = f(x) on [a,b][a,b].

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.1절 · 19번
# 넓이(여러 가지 함수)증명·논술자동 분류
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