문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

정적분과 급수(구분구적법)

직사각형 넓이의 합(리만 합)의 극한을 정적분으로 바꾸거나 넓이를 근사한다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

8문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 5.1절 · 59번우리말 풀이

단위원이 그림의 안쪽 부채꼴과 같은 꼴 nn개로 이루어져 있어요. 안쪽 삼각형의 밑변은 11이고 높이는 sin⁡(2πn)\sin\left(\frac{2\pi}{n}\right)예요. 바깥쪽 삼각형의 밑변은 B=cos⁡(πn)+sin⁡(πn)tan⁡(πn)B=\cos\left(\frac{\pi}{n}\right)+\sin\left(\frac{\pi}{n}\right)\tan\left(\frac{\pi}{n}\right)이고 높이는 H=Bsin⁡(2πn)H=B\sin\left(\frac{2\pi}{n}\right)예요. 이 정보를 이용해 단위원의 넓이가 π\pi임을 논증하세요.

중심각 \theta=\frac{2\pi}{n}인 부채꼴. 두 반지름의 끝을 잇는 선, 원에 접하는 평행선, 바깥쪽 삼각형 등이 그려져 있다.

영어 원문 보기

A unit circle is made up of n wedges equivalent to the inner wedge in the figure. The base of the inner triangle is 1 unit and its height is sin⁡(2πn).\sin \left(\frac{2\pi }{n}\right). The base of the outer triangle is B=cos⁡(πn)+sin⁡(πn)tan⁡(πn)B=\cos \left(\frac{\pi }{n}\right)+\sin \left(\frac{\pi }{n}\right)\tan \left(\frac{\pi }{n}\right) and the height is H=Bsin⁡(2πn).H=B\sin \left(\frac{2\pi }{n}\right). Use this information to argue that the area of a unit circle is equal to π.

A wedge of a circle cut at an acute angle theta = 2pi / n. Several extra lines are drawn. The first is a line A connecting the ends of the two radii, creating a triangle. The second is another line B parallel to the A, connecting the radii a few units in from each endpoint. A concentric curve C connects the endpoints of B and is tangent to A near its midpoint. The area between this curve C and the edge of the circle is shaded in pink, and the rest of the wedge is purple. A final concentric curve is drawn very close to angle theta.

풀이 보기

원 안쪽 삼각형 nn개의 넓이와 바깥쪽 삼각형 nn개의 넓이로 원의 넓이를 위아래에서 끼우고, n→∞n\to\infty로 보내요.

  1. 1

    단위원의 넓이를 AA라 해요. 원을 중심각 2πn\frac{2\pi}{n}인 nn개의 부채꼴로 나누면, 각 부채꼴 안에 들어가는 삼각형(밑변 11, 높이 sin⁡2πn\sin\frac{2\pi}{n})이 있어요. 그 넓이는 12sin⁡2πn\frac12\sin\frac{2\pi}{n}이고 nn개를 모으면 원 안에 들어가므로 n2sin⁡(2πn)≤A\frac n2\sin\left(\frac{2\pi}{n}\right)\le A

  2. 2

    반대로 각 부채꼴을 완전히 덮는 바깥쪽 삼각형의 넓이는 12BH=12B2sin⁡2πn\frac12BH=\frac12B^2\sin\frac{2\pi}{n}이에요. nn개를 모으면 원을 덮으므로 A≤n2sin⁡(2πn)B2A\le\frac n2\sin\left(\frac{2\pi}{n}\right)B^2

  3. 3

    왼쪽 값의 극한을 구해요. n2sin⁡2πn=π⋅sin⁡(2π/n)2π/n\frac n2\sin\frac{2\pi}{n}=\pi\cdot\frac{\sin(2\pi/n)}{2\pi/n}이고, n→∞n\to\infty이면 2πn→0\frac{2\pi}{n}\to0이므로 sin⁡xx→1\frac{\sin x}{x}\to1 덕분에 π\pi에 가까워져요. 그래서 π≤A\pi\le A예요.

  4. 4

    오른쪽 값의 극한을 구해요. n→∞n\to\infty이면 πn→0\frac{\pi}{n}\to0이므로 B=cos⁡πn+sin⁡πntan⁡πn→1+0⋅0=1B=\cos\frac{\pi}{n}+\sin\frac{\pi}{n}\tan\frac{\pi}{n}\to1+0\cdot0=1이에요. 따라서 n2sin⁡2πnB2→π⋅1=π\frac n2\sin\frac{2\pi}{n}B^2\to\pi\cdot1=\pi이고 A≤πA\le\pi예요.

  5. 5

    π≤A≤π\pi\le A\le\pi이므로 조임 정리에 의해 A=πA=\pi예요. 즉 단위원의 넓이는 π\pi예요.

답

단위원의 넓이 AA에 대해 π≤A≤π\pi\le A\le\pi이므로 A=πA=\pi

자주 하는 실수

안쪽 삼각형만 쓰고 바깥쪽을 빼먹으면 A≥πA\ge\pi만 나와요. 위아래 두 부등식이 모두 필요해요.

원본 교재 풀이(영어)

Let A be the area of the unit circle. The circle encloses n congruent triangles each of area sin⁡(2πn)2,\frac{\sin \left(\frac{2\pi }{n}\right)}{2}, so n2sin⁡(2πn)≤A.\frac{n}{2}\sin \left(\frac{2\pi }{n}\right)\le A. Similarly, the circle is contained inside n congruent triangles each of area BH2=12(cos⁡(πn)+sin⁡(πn)tan⁡(πn))2sin⁡(2πn),\frac{BH}{2}=\frac{1}{2}{\left( \cos \left( \frac{\pi }{n} \right)+\sin \left( \frac{\pi }{n} \right)\tan \left( \frac{\pi }{n} \right) \right)}^{2}\sin \left( \frac{2\pi }{n} \right), so A≤n2sin⁡(2πn)(cos⁡(πn)+sin⁡(πn)tan⁡(πn))2.A\le \frac{n}{2}\sin \left(\frac{2\pi }{n}\right)(\cos \left(\frac{\pi }{n}\right)+\sin \left(\frac{\pi }{n}\right)\tan {\left(\frac{\pi }{n}\right))}^{2}. As n→∞,n2sin⁡(2πn)=sin⁡(2πn)(2n)A→π,n\to \infty ,\frac{n}{2}\sin \left(\frac{2\pi }{n}\right)=\frac{\sin \left(\frac{2\pi }{n}\right)}{\left(\frac{2}{n}\right)}A\to \pi , so we conclude π≤A.\pi \le A. Also, as n→∞,cos⁡(πn)+sin⁡(πn)tan⁡(πn)→1,n\to \infty ,\cos \left(\frac{\pi }{n}\right)+\sin \left(\frac{\pi }{n}\right)\tan \left(\frac{\pi }{n}\right)\to 1, so we also have A≤π.A\le \pi . By the squeeze theorem for limits, we conclude that A=π.A=\pi .

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.1절 · 41번
# 정적분과 급수(구분구적법)증명·논술도전
2.CLP-2 · 1.1절 · 37번우리말 번역

(a) lim⁡n→∞∑i=1n2n4−(−2+2in)2\lim_{n\rightarrow\infty} \sum_{i=1}^n\frac{2}{n}\sqrt{4-\left(-2+\frac{2i}{n}\right)^2}

을 정적분으로 나타내세요.

(b) (a)의 적분의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Express

lim⁡n→∞∑i=1n2n4−(−2+2in)2\lim_{n\rightarrow\infty} \sum_{i=1}^n\frac{2}{n}\sqrt{4-\left(-2+\frac{2i}{n}\right)^2}

as a definite integal.

(b) Evaluate the integral of part (a).

정답·풀이 보기
  • 풀이 1: xi∗=−2+2inx_i^*=-2+\frac{2i}{n} 로 놓자. 그러면 a=x0=−2a=x_0=-2, b=xn=0b=x_n=0 이고 Δx=2n\Delta x=\frac{2}{n} 이다. 따라서

lim⁡n→∞∑i=1n2n4−(−2+2in)2=lim⁡n→∞∑i=1nf(xi∗)Δx with f(x)=4−x2 and Δx=2n =∫−204−x2  dx\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty} \sum_{i=1}^n\frac{2}{n}\sqrt{4-\left(-2+\frac{2i}{n}\right)^2} &= \lim_{n\rightarrow\infty} \sum_{i=1}^n f(x_i^*)\Delta x\qquad \text{ with $f(x) = \sqrt{4-x^2}$ and $\Delta x = \frac{2}{n}$ } \\ &=\int_{-2}^0 \sqrt{4-x^2}\,\,\mathrm{d}x \end{aligned}

적분 ∫−204−x2  dx\int_{-2}^0 \sqrt{4-x^2}\,\,\mathrm{d}x 에서 y=4−x2y=\sqrt{4-x^2} 은 x2+y2=4x^2+y^2=4, y≥0y\ge 0 과 같다. 따라서 이 적분은 원 x2+y2=4x^2+y^2=4 (반지름이 22 이다)의 위쪽 반원과 −2≤x≤0-2\le x\le 0 에서의 xx축 사이의 넓이를 나타내며, 이는 넓이가 14⋅π 22=π\frac{1}{4}\cdot \pi\, 2^2 = \pi 인 사분원이다.

그림

  • 풀이 2: xi∗=2inx_i^*=\frac{2i}{n} 로 놓자. 그러면 a=x0=0a=x_0=0, b=xn=2b=x_n=2 이고 Δx=2n\Delta x=\frac{2}{n} 이다. 따라서

lim⁡n→∞∑i=1n2n4−(−2+2in)2=lim⁡n→∞∑i=1nf(xi∗)Δx with f(x)=4−(−2+x)2, Δx=2n =∫024−(−2+x)2  dx\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty} \sum_{i=1}^n\frac{2}{n}\sqrt{4-\left(-2+\frac{2i}{n}\right)^2} &= \lim_{n\rightarrow\infty} \sum_{i=1}^n f(x_i^*)\Delta x\quad \text{ with $f(x) = \sqrt{4-(-2+x)^2}$, $\Delta x = \frac{2}{n}$ } \\ &=\int_0^2 \sqrt{4-(-2+x)^2}\,\,\mathrm{d}x \end{aligned}

적분 ∫024−(−2+x)2  dx\int_{0}^2 \sqrt{4-(-2+x)^2}\,\,\mathrm{d}x 에서 y=4−(x−2)2y=\sqrt{4-(x-2)^2} 은 (x−2)2+y2=4(x-2)^2+y^2=4, y≥0y\ge 0 과 같다. 따라서 이 적분은 원 (x−2)2+y2=4(x-2)^2+y^2=4 (중심이 (2,0)(2,0) 이고 반지름이 22 이다)의 위쪽 반원과 0≤x≤20\le x\le 2 에서의 xx축 사이의 넓이를 나타내며, 이는 넓이가 14⋅π 22=π\frac{1}{4}\cdot \pi\, 2^2 = \pi 인 사분원이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)
  • Solution #1: Set xi∗=−2+2inx_i^*=-2+\frac{2i}{n}. Then a=x0=−2a=x_0=-2 and b=xn=0b=x_n=0 and Δx=2n\Delta x=\frac{2}{n}. So

lim⁡n→∞∑i=1n2n4−(−2+2in)2=lim⁡n→∞∑i=1nf(xi∗)Δx with f(x)=4−x2 and Δx=2n =∫−204−x2  dx\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty} \sum_{i=1}^n\frac{2}{n}\sqrt{4-\left(-2+\frac{2i}{n}\right)^2} &= \lim_{n\rightarrow\infty} \sum_{i=1}^n f(x_i^*)\Delta x\qquad \text{ with $f(x) = \sqrt{4-x^2}$ and $\Delta x = \frac{2}{n}$ } \\ &=\int_{-2}^0 \sqrt{4-x^2}\,\,\mathrm{d}x \end{aligned}

For the integral ∫−204−x2  dx\int_{-2}^0 \sqrt{4-x^2}\,\,\mathrm{d}x, y=4−x2y=\sqrt{4-x^2} is equivalent to x2+y2=4x^2+y^2=4, y≥0y\ge 0. So the integral represents the area between the upper half of the circle x2+y2=4x^2+y^2=4 (which has radius 22) and the xx-axis with −2≤x≤0-2\le x\le 0, which is a quarter circle with area 14⋅π 22=π\frac{1}{4}\cdot \pi\, 2^2 = \pi.

figure

  • Solution #2: Set xi∗=2inx_i^*=\frac{2i}{n}. Then a=x0=0a=x_0=0 and b=xn=2b=x_n=2 and Δx=2n\Delta x=\frac{2}{n}. So

lim⁡n→∞∑i=1n2n4−(−2+2in)2=lim⁡n→∞∑i=1nf(xi∗)Δx with f(x)=4−(−2+x)2, Δx=2n =∫024−(−2+x)2  dx\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty} \sum_{i=1}^n\frac{2}{n}\sqrt{4-\left(-2+\frac{2i}{n}\right)^2} &= \lim_{n\rightarrow\infty} \sum_{i=1}^n f(x_i^*)\Delta x\quad \text{ with $f(x) = \sqrt{4-(-2+x)^2}$, $\Delta x = \frac{2}{n}$ } \\ &=\int_0^2 \sqrt{4-(-2+x)^2}\,\,\mathrm{d}x \end{aligned}

For the integral ∫024−(−2+x)2  dx\int_{0}^2 \sqrt{4-(-2+x)^2}\,\,\mathrm{d}x , y=4−(x−2)2y=\sqrt{4-(x-2)^2} is equivalent to (x−2)2+y2=4(x-2)^2+y^2=4, y≥0y\ge 0. So the integral represents the area between the upper half of the circle (x−2)2+y2=4(x-2)^2+y^2=4 (which is centered at (2,0)(2,0) and has radius 22) and the xx-axis with 0≤x≤20\le x\le 2, which is a quarter circle with area 14⋅π 22=π\frac{1}{4}\cdot \pi\, 2^2 = \pi.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.1절 · 3번
# 정적분과 급수(구분구적법)계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-2 · 1.1절 · 38번우리말 번역

다음 적분을 생각하세요.

∫03(7+x3)  dx.         (∗)\begin{aligned} \int_0^3 (7 + x^3) \,\,\mathrm{d}x . ~~~~~~~~~ (*) \end{aligned}

(a) 구간의 수를 n=3n=3 으로 하여 왼쪽 리만 합으로 이 적분의 근삿값을 구하세요. (b) 구간의 수가 nn 일 때 오른쪽 리만 합을 식으로 나타내고, 그 합을 계산하세요. 이제 리만 합의 식에서 극한 n→∞n \to \infty 를 취하여 적분 (∗*) 의 값을 정확하게 구하세요.

다음 항등식을 이용해도 됩니다.

∑i=1ni3=n4+2n3+n24\begin{aligned} \sum_{i=1}^{n} i^3 = \frac{n^4 +2n^3 + n^2}{4} \end{aligned}

영어 원문 보기

Consider the integral:

∫03(7+x3)  dx.         (∗)\begin{aligned} \int_0^3 (7 + x^3) \,\,\mathrm{d}x . ~~~~~~~~~ (*) \end{aligned}

(a) Approximate this integral using the left Riemann sum with n=3n=3 intervals. (b) Write down the expression for the right Riemann sum with nn intervals and calculate the sum. Now take the limit n→∞n \to \infty in your expression for the Riemann sum, to evaluate the integral (∗*) exactly.

You may use the identity

∑i=1ni3=n4+2n3+n24\begin{aligned} \sum_{i=1}^{n} i^3 = \frac{n^4 +2n^3 + n^2}{4} \end{aligned}

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 왼쪽 리만 합은 다음과 같이 정의된다.

Ln=∑i=1nf(xi−1)Δx여기서 xi=a+iΔx\begin{aligned} L_n = \sum_{i=1}^{n} f(x_{i-1})\Delta x \qquad\text{여기서 }x_i=a+i\Delta x \end{aligned}

n=3n=3 개의 구간으로 나누면 Δx=b−an=3−03=1\Delta x = \frac{b-a}{n} =\frac{3-0}{3}=1 이고, x0=0x_0=0, x1=1x_1=1, x2=2x_2=2 이다. 함수 f(x)=7+x3f(x) = 7 + x^3 의 값은 f(x0)=7+03=7f(x_0) = 7+0^3=7, f(x1)=7+13=8f(x_1) = 7+1^3=8, f(x2)=7+23=15f(x_2) = 7+2^3=15 이므로 다음을 얻는다.

L3=[f(x0)+f(x1)+f(x2)]Δx=[7+8+15]×1=30\begin{aligned} L_3 = \big[f(x_0)+f(x_1)+f(x_2)\big]\Delta x = \big[7+8+15\big]\times 1= 30 \end{aligned}

(b) nn 개의 구간으로 나누면 Δx=b−an=3n\Delta x = \frac{b-a}{n}=\frac{3}{n} 이고 xi=a+iΔx=3inx_i = a+i\Delta x= \frac{3i}{n} 이다. 따라서 오른쪽 리만 합은 다음과 같다.

Rn=∑i=1nf(xi)Δx=∑i=1n[7+(3i)3n3]3n=∑i=1n[21n+81 i3n4]\begin{aligned} R_n = \sum_{i=1}^{n} f(x_i)\Delta x = \sum_{i=1}^{n} \left[ 7 + \frac{(3i)^3}{n^3} \right] \frac{3}{n} = \sum_{i=1}^{n} \left[ \frac{21}{n} + \frac{81\,i^3}{n^4} \right] \end{aligned}

합을 계산하면 다음과 같다.

Rn=(21n∑i=1n1)+(81n4∑i=1ni3)=(21n×n)+(81n4×n4+2n3+n24)=21+814(1+2/n+1/n2)\begin{aligned} R_n &= \left( \frac{21}{n} \sum_{i=1}^{n} 1 \right) + \left( \frac{81}{n^4} \sum_{i=1}^{n} i^3 \right)\\ &=\left( \frac{21}{n}\times n \right)+\left( \frac{81}{n^4} \times \frac{n^4 +2n^3 + n^2}{4} \right)\\ &= 21 + \frac{81}{4}(1 +2/n + 1/n^2) \end{aligned}

극한값을 정확하게 구하기 위해 n→∞n \to \infty 를 취한다. 1/n1/n 을 포함한 항은 0 으로 사라지므로 다음이 남는다.

∫03(7+x3)  dx=lim⁡n→∞Rn=21+814=4114\begin{aligned} \int_0^3 (7 + x^3) \,\,\mathrm{d}x = \lim_{n \to \infty} R_n = 21 + \frac{81}{4} = 41 \frac{1}{4} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The left Riemann sum is defined as

Ln=∑i=1nf(xi−1)Δxwith xi=a+iΔx\begin{aligned} L_n = \sum_{i=1}^{n} f(x_{i-1})\Delta x \qquad\text{with }x_i=a+i\Delta x \end{aligned}

We subdivide into n=3n=3 intervals, so that Δx=b−an=3−03=1\Delta x = \frac{b-a}{n} =\frac{3-0}{3}=1, x0=0x_0=0, x1=1x_1=1 and x2=2x_2=2. The function f(x)=7+x3f(x) = 7 + x^3 has the values f(x0)=7+03=7f(x_0) = 7+0^3=7, f(x1)=7+13=8f(x_1) = 7+1^3=8, and f(x2)=7+23=15f(x_2) = 7+2^3=15, from which we evaluate

L3=[f(x0)+f(x1)+f(x2)]Δx=[7+8+15]×1=30\begin{aligned} L_3 = \big[f(x_0)+f(x_1)+f(x_2)\big]\Delta x = \big[7+8+15\big]\times 1= 30 \end{aligned}

(b) We divide into nn intervals so that Δx=b−an=3n\Delta x = \frac{b-a}{n}=\frac{3}{n} and xi=a+iΔx=3inx_i = a+i\Delta x= \frac{3i}{n}. The right Riemann sum is therefore:

Rn=∑i=1nf(xi)Δx=∑i=1n[7+(3i)3n3]3n=∑i=1n[21n+81 i3n4]\begin{aligned} R_n = \sum_{i=1}^{n} f(x_i)\Delta x = \sum_{i=1}^{n} \left[ 7 + \frac{(3i)^3}{n^3} \right] \frac{3}{n} = \sum_{i=1}^{n} \left[ \frac{21}{n} + \frac{81\,i^3}{n^4} \right] \end{aligned}

To calculate the sum:

Rn=(21n∑i=1n1)+(81n4∑i=1ni3)=(21n×n)+(81n4×n4+2n3+n24)=21+814(1+2/n+1/n2)\begin{aligned} R_n &= \left( \frac{21}{n} \sum_{i=1}^{n} 1 \right) + \left( \frac{81}{n^4} \sum_{i=1}^{n} i^3 \right)\\ &=\left( \frac{21}{n}\times n \right)+\left( \frac{81}{n^4} \times \frac{n^4 +2n^3 + n^2}{4} \right)\\ &= 21 + \frac{81}{4}(1 +2/n + 1/n^2) \end{aligned}

To evaluate the limit exactly, we take n→∞n \to \infty. The expressions involving 1/n1/n vanish leaving:

∫03(7+x3)  dx=lim⁡n→∞Rn=21+814=4114\begin{aligned} \int_0^3 (7 + x^3) \,\,\mathrm{d}x = \lim_{n \to \infty} R_n = 21 + \frac{81}{4} = 41 \frac{1}{4} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.1절 · 39번
# 정적분과 급수(구분구적법)계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-2 · 1.1절 · 39번우리말 번역

오른쪽 끝점 리만 합의 극한을 이용하여 ∫24x2  dx\displaystyle\int_2^4 x^2\ \,\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

공식 ∑i=1ni=n(n+1)2\sum\limits_{i=1}^n i = \frac{n(n + 1)}{2} 과 ∑i=1ni2=n(n+1)(2n+1)6\sum\limits_{i=1}^n i^2 = \frac{n(n + 1)(2n + 1)}{6} 을 사용해도 됩니다.

영어 원문 보기

Using a limit of right–endpoint Riemann sums, evaluate ∫24x2  dx\displaystyle\int_2^4 x^2\ \,\mathrm{d}x.

You may use the formulas ∑i=1ni=n(n+1)2\sum\limits_{i=1}^n i = \frac{n(n + 1)}{2} and ∑i=1ni2=n(n+1)(2n+1)6\sum\limits_{i=1}^n i^2 = \frac{n(n + 1)(2n + 1)}{6}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

일반적으로 nn 개의 직사각형을 사용하여 적분 ∫abf(x)  dx\int_a^b f(x)\,\,\mathrm{d}x 를 오른쪽 끝점 리만 합으로 근사한 값은

∑i=1nf(a+iΔx)Δx\begin{aligned} \sum_{i=1}^n f(a+i\Delta x) \Delta x \end{aligned}

이다. 여기서 Δx=b−an\Delta x=\frac{b-a}{n} 이다. 이 문제에서 a=2a=2, b=4b=4, f(x)=x2f(x)=x^2 이므로 Δx=2n\Delta x=\frac{2}{n} 이고, 오른쪽 끝점 리만 합 근삿값은 다음과 같다.

∑i=1nf(2+2in)2n=∑i=1n(2+2in)22n=∑i=1n(4+8in+4i2n2)2n=∑i=1n(8n+16in2+8i2n3)=∑i=1n8n+∑i=1n16in2+∑i=1n8i2n3=8n∑i=1n1+16n2∑i=1ni+8n3∑i=1ni2=8nn+16n2⋅n(n+1)2+8n3⋅n(n+1)(2n+1)6=8+8(1+1n)+43(1+1n)(2+1n)\begin{aligned} \sum_{i=1}^n f\Big(2+\frac{2i}{n}\Big) \frac{2}{n}&= \sum_{i=1}^n \Big(2+\frac{2i}{n}\Big)^2 \frac{2}{n}\\ &=\sum_{i=1}^n \left(4+\frac{8i}{n}+\frac{4i^2}{n^2}\right)\frac{2}{n} \\&=\sum_{i=1}^n \left(\frac{8}{n}+\frac{16i}{n^2}+\frac{8i^2}{n^3}\right) \\&=\sum_{i=1}^n \frac{8}{n}+\sum_{i=1}^n \frac{16i}{n^2} +\sum_{i=1}^n \frac{8i^2}{n^3} \\ &=\frac{8}{n}\sum_{i=1}^n 1+\frac{16}{n^2}\sum_{i=1}^n i +\frac{8}{n^3}\sum_{i=1}^n i^2\\ &=\frac{8}{n}n + \frac{16}{n^2}\cdot\frac{n(n+1)}{2} +\frac{8}{n^3}\cdot\frac{n(n + 1)(2n + 1)}{6} \\ &=8 + 8\Big(1+\frac{1}{n}\Big) +\frac{4}{3}\Big(1+\frac{1}{n}\Big)\Big(2+\frac{1}{n}\Big) \\ \end{aligned}

따라서

∫24x2  dx=lim⁡n→∞[8+8(1+1n)+43(1+1n)(2+1n)]=8+8+43×2=563\begin{aligned} \int_2^4 x^2\ \,\mathrm{d}x=\lim_{n\rightarrow\infty} \Big[8 + 8\Big(1+\frac{1}{n}\Big) +\frac{4}{3}\Big(1+\frac{1}{n}\Big) \big(2+\frac{1}{n}\Big)\Big] =8+8+\frac{4}{3}\times 2 =\frac{56}{3} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

In general, the right–endpoint Riemann sum approximation to the integral ∫abf(x)  dx\int_a^b f(x)\,\,\mathrm{d}x using nn rectangles is

∑i=1nf(a+iΔx)Δx\begin{aligned} \sum_{i=1}^n f(a+i\Delta x) \Delta x \end{aligned}

where Δx=b−an\Delta x=\frac{b-a}{n}. In this problem, a=2a=2, b=4b=4, and f(x)=x2f(x)=x^2, so that Δx=2n\Delta x=\frac{2}{n} and the right–endpoint Riemann sum approximation becomes

∑i=1nf(2+2in)2n=∑i=1n(2+2in)22n=∑i=1n(4+8in+4i2n2)2n=∑i=1n(8n+16in2+8i2n3)=∑i=1n8n+∑i=1n16in2+∑i=1n8i2n3=8n∑i=1n1+16n2∑i=1ni+8n3∑i=1ni2=8nn+16n2⋅n(n+1)2+8n3⋅n(n+1)(2n+1)6=8+8(1+1n)+43(1+1n)(2+1n)\begin{aligned} \sum_{i=1}^n f\Big(2+\frac{2i}{n}\Big) \frac{2}{n}&= \sum_{i=1}^n \Big(2+\frac{2i}{n}\Big)^2 \frac{2}{n}\\ &=\sum_{i=1}^n \left(4+\frac{8i}{n}+\frac{4i^2}{n^2}\right)\frac{2}{n} \\&=\sum_{i=1}^n \left(\frac{8}{n}+\frac{16i}{n^2}+\frac{8i^2}{n^3}\right) \\&=\sum_{i=1}^n \frac{8}{n}+\sum_{i=1}^n \frac{16i}{n^2} +\sum_{i=1}^n \frac{8i^2}{n^3} \\ &=\frac{8}{n}\sum_{i=1}^n 1+\frac{16}{n^2}\sum_{i=1}^n i +\frac{8}{n^3}\sum_{i=1}^n i^2\\ &=\frac{8}{n}n + \frac{16}{n^2}\cdot\frac{n(n+1)}{2} +\frac{8}{n^3}\cdot\frac{n(n + 1)(2n + 1)}{6} \\ &=8 + 8\Big(1+\frac{1}{n}\Big) +\frac{4}{3}\Big(1+\frac{1}{n}\Big)\Big(2+\frac{1}{n}\Big) \\ \end{aligned}

So

∫24x2  dx=lim⁡n→∞[8+8(1+1n)+43(1+1n)(2+1n)]=8+8+43×2=563\begin{aligned} \int_2^4 x^2\ \,\mathrm{d}x=\lim_{n\rightarrow\infty} \Big[8 + 8\Big(1+\frac{1}{n}\Big) +\frac{4}{3}\Big(1+\frac{1}{n}\Big) \big(2+\frac{1}{n}\Big)\Big] =8+8+\frac{4}{3}\times 2 =\frac{56}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 4.2절 · 10번
# 정적분과 급수(구분구적법)계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-2 · 1.1절 · 40번우리말 번역

정적분의 정의를 이용하여 ∫02(x3+x)  dx\displaystyle\int_0^2 (x^3+x)\,\,\mathrm{d}x 의 값을 구하세요. 합의 공식 ∑i=1ni3=n4+2n3+n24\sum\limits_{i=1}^{n}i^3 = \frac{n^4+2n^3+n^2}4 과 ∑i=1ni=n2+n2\sum\limits_{i=1}^{n} i = \frac{n^2+n}{2} 을 이용해도 됩니다.

영어 원문 보기

Find ∫02(x3+x)  dx\displaystyle\int_0^2 (x^3+x)\,\,\mathrm{d}x using the definition of the definite integral. You may use the summation formulas ∑i=1ni3=n4+2n3+n24\sum\limits_{i=1}^{n}i^3 = \frac{n^4+2n^3+n^2}4 and ∑i=1ni=n2+n2\sum\limits_{i=1}^{n} i = \frac{n^2+n}{2}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

a=0a=0, b=2b=2 인 오른쪽 리만 합을 이용한다. 직사각형이 nn 개일 때 Δx=b−an=2n\Delta x = \frac{b-a}{n}=\frac{2}{n} 이고 xi=a+iΔx=2i/nx_i = a+i\Delta x=2i/n 이다. 따라서 다음의 값을 구해야 한다.

lim⁡n→∞∑i=1nf(xi)Δx=lim⁡n→∞∑i=1n((xi)3+xi)Δx=lim⁡n→∞∑i=1n((2in)3+2in)2n=lim⁡n→∞2n∑i=1n(8i3n3+2in)=lim⁡n→∞(16n4∑i=1ni3+4n2∑i=1ni)=lim⁡n→∞(16(n4+2n3+n2)n4⋅4+4(n2+n)n2⋅2)=lim⁡n→∞(164(1+2n+1n2)+42(1+1n))=164+42=6.\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \sum_{i=1}^{n} f(x_i)\Delta x &=\lim_{n\to\infty} \sum_{i=1}^{n} \left( (x_i)^3 + x_i\right) \Delta x\\ &=\lim_{n\to\infty} \sum_{i=1}^{n} \left( \left(\frac{2i}{n}\right)^3 + \frac{2i}{n}\right) \frac{2}{n} \\ & = \lim_{n\to\infty} \frac{2}{n} \sum_{i=1}^{n} \left(\frac{8i^3}{n^3} + \frac{2i}{n}\right) \\ &= \lim_{n\to\infty} \left( \frac{16}{n^4} \sum_{i=1}^{n} i^3 + \frac{4}{n^2} \sum_{i=1}^{n} i \right) \\ & = \lim_{n\to\infty} \left( \frac{16(n^4+2n^3+n^2)}{n^4 \cdot 4} + \frac{4(n^2+n)}{n^2 \cdot 2} \right) \\ &= \lim_{n\to\infty} \left( \frac{16}{4}\left(1+\frac{2}{n} + \frac1{n^2} \right) + \frac{4}{2}\left(1+\frac{1}{n}\right)\right) \\ & = \frac{16}{4} + \frac{4}{2} = 6. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We'll use right Riemann sums with a=0a=0 and b=2b=2. When there are nn rectangles, Δx=b−an=2n\Delta x = \frac{b-a}{n}=\frac{2}{n} and xi=a+iΔx=2i/nx_i = a+i\Delta x=2i/n. So we need to evaluate

lim⁡n→∞∑i=1nf(xi)Δx=lim⁡n→∞∑i=1n((xi)3+xi)Δx=lim⁡n→∞∑i=1n((2in)3+2in)2n=lim⁡n→∞2n∑i=1n(8i3n3+2in)=lim⁡n→∞(16n4∑i=1ni3+4n2∑i=1ni)=lim⁡n→∞(16(n4+2n3+n2)n4⋅4+4(n2+n)n2⋅2)=lim⁡n→∞(164(1+2n+1n2)+42(1+1n))=164+42=6.\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \sum_{i=1}^{n} f(x_i)\Delta x &=\lim_{n\to\infty} \sum_{i=1}^{n} \left( (x_i)^3 + x_i\right) \Delta x\\ &=\lim_{n\to\infty} \sum_{i=1}^{n} \left( \left(\frac{2i}{n}\right)^3 + \frac{2i}{n}\right) \frac{2}{n} \\ & = \lim_{n\to\infty} \frac{2}{n} \sum_{i=1}^{n} \left(\frac{8i^3}{n^3} + \frac{2i}{n}\right) \\ &= \lim_{n\to\infty} \left( \frac{16}{n^4} \sum_{i=1}^{n} i^3 + \frac{4}{n^2} \sum_{i=1}^{n} i \right) \\ & = \lim_{n\to\infty} \left( \frac{16(n^4+2n^3+n^2)}{n^4 \cdot 4} + \frac{4(n^2+n)}{n^2 \cdot 2} \right) \\ &= \lim_{n\to\infty} \left( \frac{16}{4}\left(1+\frac{2}{n} + \frac1{n^2} \right) + \frac{4}{2}\left(1+\frac{1}{n}\right)\right) \\ & = \frac{16}{4} + \frac{4}{2} = 6. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 5.3절 · 4번
# 정적분과 급수(구분구적법)계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.CLP-2 · 1.1절 · 42번우리말 번역

n=10n=10, Δ(x)=10\Delta(x)=10, a=−5a=-5 일 때 다음 식이 오른쪽 리만 합이 되도록 하는 함수 f(x)f(x) 를 하나 구하세요: ∑i=1103(7+2i)2sin⁡(4i) .\sum_{i=1}^{10} 3(7+2i)^2\sin(4i)\,.

영어 원문 보기

Give a function f(x)f(x) that has the following expression as a right Riemann sum when n=10n=10, Δ(x)=10\Delta(x)=10 and a=−5a=-5: ∑i=1103(7+2i)2sin⁡(4i) .\sum_{i=1}^{10} 3(7+2i)^2\sin(4i)\,.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

오른쪽 리만 합의 정의에 의해

∑i=1103(7+2i)2sin⁡(4i)=∑i=110Δxf(a+iΔx)Δx=10 이고 a=−5 이므로,∑i=1103(7+2i)2sin⁡(4i)=∑i=11010f(−5+10i)두 식을 모두 10으로 나누면,∑i=110310(7+2i)2sin⁡(4i)=∑i=110f(−5+10i)따라서 f(−5+10i) 에 대한 식을 얻는다:f(−5+10i)=310(7+2i)2sin⁡(4i)f(x) 를 구하기 위해 x=−5+10i 로 놓으면 i=x10+12 이다.f(x)=310(7+2(x10+12))2sin⁡(4(x10+12))=310(x5+8)2sin⁡(2x5+2) .\begin{aligned} \displaystyle\sum_{i=1}^{10} 3(7+2i)^2\sin(4i) &= \displaystyle\sum_{i=1}^{10} \Delta x f(a+i\Delta x) \\ \text{$\Delta x = 10$ 이고 $a=-5$ 이므로,} \\ \displaystyle\sum_{i=1}^{10} 3(7+2i)^2\sin(4i) &= \displaystyle\sum_{i=1}^{10} 10 f(-5+10i) \\ \text{두 식을 모두 10으로 나누면,} \\ \displaystyle\sum_{i=1}^{10} \frac{3}{10}(7+2i)^2\sin(4i) &= \displaystyle\sum_{i=1}^{10} f(-5+10i) \\ \text{따라서 $f(-5+10i)$ 에 대한 식을 얻는다:} \\ f(-5+10i) &= \frac{3}{10}(7+2i)^2\sin(4i) \\ \text{$f(x)$ 를 구하기 위해 $x=-5+10i$ 로 놓으면 $i=\frac{x}{10}+\frac{1}{2}$ 이다.} \\ f(x) &= \frac{3}{10}\left(7+2\left(\frac{x}{10}+\frac{1}{2}\right)\right)^2\sin\left(4\left(\frac{x}{10}+\frac{1}{2}\right)\right)\\ &=\frac{3}{10}\left(\frac{x}{5}+8\right)^2\sin\left(\frac{2x}{5}+2\right)\ . \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Using the definition of a right Riemann sum,

∑i=1103(7+2i)2sin⁡(4i)=∑i=110Δxf(a+iΔx)Since Δx=10 and a=−5,∑i=1103(7+2i)2sin⁡(4i)=∑i=11010f(−5+10i)Dividing both expressions by 10,∑i=110310(7+2i)2sin⁡(4i)=∑i=110f(−5+10i)So, we have an expression for f(−5+10i):f(−5+10i)=310(7+2i)2sin⁡(4i)In order to find f(x), let x=−5+10i. Then i=x10+12.f(x)=310(7+2(x10+12))2sin⁡(4(x10+12))=310(x5+8)2sin⁡(2x5+2) .\begin{aligned} \displaystyle\sum_{i=1}^{10} 3(7+2i)^2\sin(4i) &= \displaystyle\sum_{i=1}^{10} \Delta x f(a+i\Delta x) \\ \text{Since $\Delta x = 10$ and $a=-5$,} \\ \displaystyle\sum_{i=1}^{10} 3(7+2i)^2\sin(4i) &= \displaystyle\sum_{i=1}^{10} 10 f(-5+10i) \\ \text{Dividing both expressions by 10,} \\ \displaystyle\sum_{i=1}^{10} \frac{3}{10}(7+2i)^2\sin(4i) &= \displaystyle\sum_{i=1}^{10} f(-5+10i) \\ \text{So, we have an expression for $f(-5+10i)$:} \\ f(-5+10i) &= \frac{3}{10}(7+2i)^2\sin(4i) \\ \text{In order to find $f(x)$, let $x=-5+10i$. Then $i=\frac{x}{10}+\frac{1}{2}$.} \\ f(x) &= \frac{3}{10}\left(7+2\left(\frac{x}{10}+\frac{1}{2}\right)\right)^2\sin\left(4\left(\frac{x}{10}+\frac{1}{2}\right)\right)\\ &=\frac{3}{10}\left(\frac{x}{5}+8\right)^2\sin\left(\frac{2x}{5}+2\right)\ . \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.1절 · 40번
# 정적분과 급수(구분구적법)계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.CLP-2 · 1.1절 · 45번우리말 번역

0≤a≤10 \leq a \leq 1 일 때, 기하를 이용하여 ∫0a1−x2 dx\displaystyle\int_0^a \sqrt{1-x^2}\ \mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫0a1−x2 dx\displaystyle\int_0^a \sqrt{1-x^2}\ \mathrm{d}x using geometry, if 0≤a≤10 \leq a \leq 1.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

먼저 y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 은 원점을 중심으로 하고 반지름이 1인 원의 위쪽 반원임에 주목한다. 0에서 aa 까지 곡선 아래의 넓이를 구하므로, 구하려는 영역은 아래 그림과 같다.

그림

기하를 이용하여 이 넓이를 구하기 위해, 아래와 같이 원의 부채꼴과 삼각형, 두 부분으로 나눈다.

그림

  • 부채꼴의 넓이: 부채꼴은 반지름이 1인 원의 일부이고 중심각은 θ\theta 이다. 따라서 그 넓이는 θ2π(원의 넓이)=θ2π(π)=θ2\frac{\theta}{2\pi}\left(\text{원의 넓이}\right) = \frac{\theta}{2\pi}\left(\pi\right) = \frac{\theta}{2} 이다.

이제 θ\theta 를 aa 에 대해 나타내야 한다. π2−θ\frac{\pi}{2}-\theta 는 단위원 안에 있는 빨간 삼각형의 한 내각임에 주목한다. 따라서 cos⁡(π2−θ)=a\cos\left(\frac{\pi}{2}-\theta\right)=a 이다. 그러면 π2−θ=arccos⁡(a)\frac{\pi}{2}-\theta= \arccos(a) 이므로 θ=π2−arccos⁡(a)\theta = \frac{\pi}{2} - \arccos(a) 이다.

그러므로 부채꼴의 넓이는 π4−12arccos⁡(a)\frac{\pi}{4} - \frac{1}{2}\arccos(a) 제곱단위이다.

  • 삼각형의 넓이: 삼각형의 밑변은 aa 이다. 높이는 x=ax=a 일 때 함수의 yy 값이므로 1−a2\sqrt{1-a^2} 이다. 그러면 삼각형의 넓이는 12a1−a2\frac{1}{2}a\sqrt{1-a^2} 이다.

따라서 ∫0a1−x2 dx=π4−12arccos⁡(a)+12a1−a2\displaystyle\int_0^a \sqrt{1-x^2}\ \mathrm{d}x = \frac{\pi}{4} -\frac{1}{2} \arccos(a) + \frac{1}{2}a\sqrt{1-a^2} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, we note y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} is the upper half of a circle of radius 1, centred at the origin. We're taking the area under the curve from 0 to aa, so the area in question is as shown in the picture below.

figure

In order to use geometry to find this area, we break it up into two pieces: a sector of a circle, and a triangle, shown below.

figure

  • Area of sector: The sector is a portion of a circle with radius 1, with inner angle θ\theta. So, its area is θ2π(area of circle)=θ2π(π)=θ2\frac{\theta}{2\pi}\left(\text{area of circle}\right) = \frac{\theta}{2\pi}\left(\pi\right) = \frac{\theta}{2}.

Our job now is to find θ\theta in terms of aa. Note π2−θ\frac{\pi}{2}-\theta is the inner angle of the red triangle, which lies in the unit circle. So, cos⁡(π2−θ)=a\cos\left(\frac{\pi}{2}-\theta\right)=a. Then π2−θ=arccos⁡(a)\frac{\pi}{2}-\theta= \arccos(a), and so θ=π2−arccos⁡(a)\theta = \frac{\pi}{2} - \arccos(a).

Then the area of the sector is π4−12arccos⁡(a)\frac{\pi}{4} - \frac{1}{2}\arccos(a) square units.

  • Area of triangle: The triangle has base aa. Its height is the yy-value of the function when x=ax=a, so its height is 1−a2\sqrt{1-a^2}. Then the area of the triangle is 12a1−a2\frac{1}{2}a\sqrt{1-a^2}.

We conclude ∫0a1−x2 dx=π4−12arccos⁡(a)+12a1−a2\displaystyle\int_0^a \sqrt{1-x^2}\ \mathrm{d}x = \frac{\pi}{4} -\frac{1}{2} \arccos(a) + \frac{1}{2}a\sqrt{1-a^2}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.1절 · 42번
# 정적분과 급수(구분구적법)계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.CLP-2 · 1.1절 · 47번우리말 번역

f(x)f(x) 를 일차함수, a<ba<b 를 정수, nn 을 0 이상의 정수라고 하자. 참 또는 거짓: ∫abf(x) dx\displaystyle\int_a^b f(x)\ \mathrm{d}x 에 대해 직사각형 nn 개를 사용한 왼쪽 리만 합과 오른쪽 리만 합의 평균을 구하면, 직사각형 nn 개를 사용한 중점 리만 합과 같은 값이 된다.

영어 원문 보기

Let f(x)f(x) be a linear function, let a<ba<b be integers, and let nn be a whole number. True or false: if we average the left and right Riemann sums for ∫abf(x) dx\displaystyle\int_a^b f(x)\ \mathrm{d}x using nn rectangles, we get the same value as the midpoint Riemann sum using nn rectangles.

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 가 일차함수이므로 f(x)=mx+cf(x)=mx+c 를 만족시키는 실수 mm, cc 가 존재한다. 이제 계산해 보자. 리만 합의 직사각형 하나가 구간 [x,x+w][x,x+w] 를 차지한다고 하자.

  • 왼쪽 리만 합을 사용하면 직사각형의 높이는 f(x)=mx+cf(x)=mx+c 이다. 따라서 넓이는 w(mx+c)w(mx+c) 이다.
  • 오른쪽 리만 합을 사용하면 직사각형의 높이는 f(x+w)=m(x+w)+c=mx+c+mwf(x+w)=m(x+w)+c=mx+c+mw 이다. 따라서 넓이는 w(mx+c+mw)w(mx+c+mw) 이다.
  • 중점 리만 합을 사용하면 직사각형의 높이는 f(x+12w)=m(x+12w)+c=mx+c+12mwf(x+\frac{1}{2}w)=m(x+\frac{1}{2}w)+c=mx+c+\frac{1}{2}mw 이다. 따라서 넓이는 w(mx+c+12w)w\left(mx+c+\frac{1}{2}w\right) 이다.

그러므로 각 직사각형마다 중점 직사각형의 넓이는 왼쪽 직사각형과 오른쪽 직사각형 넓이의 평균과 같다. w(mx+c+12mw)=w(mx+c)+w(mx+c+mw)2w\left(mx+c+\frac{1}{2}mw\right) = \dfrac{ w(mx+c)+ w(mx+c+mw)}{2} 따라서 중점 리만 합의 값은 왼쪽 리만 합과 오른쪽 리만 합의 값의 평균과 같다. 이를 확인하기 위해, 중점 리만 합의 직사각형들의 넓이를 M1,M2,…,MnM_1,M_2,\ldots,M_n 이라 하고, 왼쪽 리만 합의 직사각형들의 넓이를 L1,L2,…,Ln L_1,L_2,\ldots,L_n 이라 하며, 오른쪽 리만 합의 직사각형들의 넓이를 R1,R2,…,Rn R_1,R_2,\ldots,R_n 이라 하자. 그러면 중점 리만 합의 값은 M1+M2+⋯+MnM_1+M_2+\cdots+M_n 이고,

[L1+L2+…+Ln]+[R1+R2+…+Rn]2=L1+R12+L2+R22+⋯+Ln+Rn2=M1+M2+⋯+Mn\begin{aligned}\dfrac{ [L_1+L_2+\ldots+L_n]+ [R_1+R_2+\ldots+R_n] }{2} &= \dfrac{ L_1+ R_1 }{2}+ \dfrac{ L_2+ R_2 }{2}+ \cdots + \dfrac{ L_n+ R_n }{2} \\ &=M_1+M_2+\cdots+M_n\end{aligned}

이다. 따라서 주어진 명제는 참이다.

(그러나 일차함수가 아닌 많은 함수 f(x)f(x) 에 대해서는 거짓이다.)

원본 교재 풀이(영어)

Since f(x)f(x) is linear, there exist real numbers mm and cc such that f(x)=mx+cf(x)=mx+c. Now we can do some calculations. Suppose we have a rectangle in our Riemann sum that takes up the interval [x,x+w][x,x+w].

  • If we are using a left Riemann sum, our rectangle has height f(x)=mx+cf(x)=mx+c. Then it has area w(mx+c)w(mx+c).
  • If we are using a right Riemann sum, our rectangle has height f(x+w)=m(x+w)+c=mx+c+mwf(x+w)=m(x+w)+c=mx+c+mw. Then it has area w(mx+c+mw)w(mx+c+mw).
  • If we are using a midpoint Riemann sum, our rectangle has height f(x+12w)=m(x+12w)+c=mx+c+12mwf(x+\frac{1}{2}w)=m(x+\frac{1}{2}w)+c=mx+c+\frac{1}{2}mw. Then it has area w(mx+c+12w)w\left(mx+c+\frac{1}{2}w\right).

So, for each rectangle in our sums, the midpoint rectangle has the same area as the average of the left and right rectangles: w(mx+c+12mw)=w(mx+c)+w(mx+c+mw)2w\left(mx+c+\frac{1}{2}mw\right) = \dfrac{ w(mx+c)+ w(mx+c+mw)}{2} It follows that the midpoint Riemann sum has a value equal to the average of the values of the left and right Riemann sums. To see this, let the rectangles in the midpoint Riemann sum have areas M1,M2,…,MnM_1,M_2,\ldots,M_n, let the rectangles in the left Riemann sum have areas L1,L2,…,Ln L_1,L_2,\ldots,L_n, and let the rectangles in the right Riemann sum have areas R1,R2,…,Rn R_1,R_2,\ldots,R_n. Then the midpoint Riemann sum evaluates to M1+M2+⋯+MnM_1+M_2+\cdots+M_n, and:

[L1+L2+…+Ln]+[R1+R2+…+Rn]2=L1+R12+L2+R22+⋯+Ln+Rn2=M1+M2+⋯+Mn\begin{aligned}\dfrac{ [L_1+L_2+\ldots+L_n]+ [R_1+R_2+\ldots+R_n] }{2} &= \dfrac{ L_1+ R_1 }{2}+ \dfrac{ L_2+ R_2 }{2}+ \cdots + \dfrac{ L_n+ R_n }{2} \\ &=M_1+M_2+\cdots+M_n\end{aligned}

So, the statement is true.

(Note, however, it is false for many non-linear functions f(x)f(x).)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.1절 · 45번
# 정적분과 급수(구분구적법)개념 확인도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)