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.

63문제 · 4 / 4쪽

61.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)
62.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)
63.Active Calculus · 4.2절 · 9번우리말 번역

SS 를 다음과 같은 합이라고 하자.

S=((1.4)2+1)⋅0.4+((1.8)2+1)⋅0.4+((2.2)2+1)⋅0.4+((2.6)2+1)⋅0.4+((3.0)2+1)⋅0.4 .S = ((1.4)^2 + 1) \cdot 0.4 + ((1.8)^2 + 1) \cdot 0.4 + ((2.2)^2 + 1) \cdot 0.4 + ((2.6)^2 + 1) \cdot 0.4 +((3.0)^2 + 1) \cdot 0.4\,.

(a) SS 가 오른쪽 리만 합이라고 가정하세요. SS 가 어떤 함수 ff 와 어떤 구간 [a,b][a,b] 에 대한 이 함수의 리만 합인지 구하고, 그 이유를 설명하세요. (b) SS 가 왼쪽 리만 합이라면 (a)의 답은 어떻게 달라지는지 설명하세요. 중점 리만 합이라면 어떻게 달라지는지 설명하세요. (c) SS 가 정말로 오른쪽 리만 합이라고 하세요. SS 는 어떤 기하학적 양을 근사하는지 구하세요. (d) 시그마 기호를 사용하여, 같은 함수에 대한 오른쪽 리만 합이면서 SS 보다 부분구간의 개수가 두 배인 새로운 합 RR 을 나타내세요.

영어 원문 보기

Let SS be the sum given by

S=((1.4)2+1)⋅0.4+((1.8)2+1)⋅0.4+((2.2)2+1)⋅0.4+((2.6)2+1)⋅0.4+((3.0)2+1)⋅0.4 .S = ((1.4)^2 + 1) \cdot 0.4 + ((1.8)^2 + 1) \cdot 0.4 + ((2.2)^2 + 1) \cdot 0.4 + ((2.6)^2 + 1) \cdot 0.4 +((3.0)^2 + 1) \cdot 0.4\,.

(a) Assume that SS is a right Riemann sum. For what function ff and what interval [a,b][a,b] is SS this function's Riemann sum? Why? (b) How does your answer to (a) change if SS is a left Riemann sum? a middle Riemann sum? (c) Suppose that SS really is a right Riemann sum. What is geometric quantity does SS approximate? (d) Use sigma notation to write a new sum RR that is the right Riemann sum for the same function, but that uses twice as many subintervals as SS.

정답·풀이 보기

(a) 함수는 x1=1.4x_1 = 1.4, x2=1.8x_2 = 1.8, x3=2.2x_3 = 2.2, x4=2.6x_4 = 2.6, x5=3.0x_5 = 3.0 에서 계산되고 있다. 따라서 이것이 오른쪽 리만 합이므로 부분구간은 55개이고 △x=0.4\triangle x = 0.4 이며 x0=1.0x_0 = 1.0 이다. 이 규칙으로부터 함수는 구간 [1,3][1,3] 에서 f(x)=x2+1f(x) = x^2 + 1 이어야 함을 알 수 있다. (b) 대신 SS 가 왼쪽 리만 합이라면 xix_i 들이 왼쪽으로 이동하여 x0=1.4x_0 = 1.4, x1=1.8x_1 = 1.8, …\ldots, x5=3.4x_5 = 3.4 가 된다. 이 경우 함수는 같지만 구간은 [1.4,3.4][1.4, 3.4] 이다. SS 가 중점 리만 합이라면, 예를 들어 1.41.4 는 길이가 △x=0.4\triangle x = 0.4 인 구간의 중점이므로 x0=1.2x_0 = 1.2, x1=1.6x_1 = 1.6 이다. 이 규칙을 계속 적용하면 함수 f(x)=x2+1f(x) = x^2 + 1 을 구간 [1.2,3.2][1.2, 3.2] 에서 생각하게 된다. (c) SS 는 [1,3][1,3] 에서 f(x)=x2+1f(x) = x^2 + 1 의 그래프 아래쪽에 놓인 넓이를 근사한 값이다. (d) 부분구간을 두 배로 하려면 △x=0.2\triangle x = 0.2 로 바꾸므로 x1=1.2x_1 = 1.2, x2=1.4x_2 = 1.4, …이고, 일반적인 오른쪽 끝점은 xi=1+0.2⋅ix_i = 1 + 0.2 \cdot i 이다. 또한 n=10n = 10 이므로 R10=∑i=110((1+0.2i)2+1)⋅0.2 .R_{10} = \sum_{i=1}^{10} \left( (1+0.2i)^2 + 1 \right) \cdot 0.2\,.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The function is being evaluated at x1=1.4x_1 = 1.4, x2=1.8x_2 = 1.8, x3=2.2x_3 = 2.2, x4=2.6x_4 = 2.6, and x5=3.0x_5 = 3.0. Thus, since we know this is a right Riemann sum, we are using 55 subintervals with △x=0.4\triangle x = 0.4, and x0=1.0x_0 = 1.0. From the pattern, we observe that the function must be f(x)=x2+1f(x) = x^2 + 1 on the interval [1,3][1,3]. (b) If SS is a left Riemann sum instead, then the xix_i's shift left: x0=1.4x_0 = 1.4, x1=1.8x_1 = 1.8, …\ldots, x5=3.4x_5 = 3.4. In this setting, the function is identical, but we are considering it on the interval [1.4,3.4][1.4, 3.4]. If SS is a middle Riemann sum, then (for example) 1.41.4 is the midpoint of an interval △x=0.4\triangle x = 0.4 units long, so x0=1.2x_0 = 1.2 and x1=1.6x_1 = 1.6. Continuing that trend, we'd be considering the function f(x)=x2+1f(x) = x^2 + 1 on the interval [1.2,3.2][1.2, 3.2]. (c) SS is an approximation of the area that lies under f(x)=x2+1f(x) = x^2 + 1 on [1,3][1,3]. (d) To use twice as many subintervals, we move to △x=0.2\triangle x = 0.2 and thus x1=1.2x_1 = 1.2, x2=1.4x_2 = 1.4, and so on, with the general right endpoint being given by xi=1+0.2⋅ix_i = 1 + 0.2 \cdot i. We'll also have n=10n = 10, so R10=∑i=110((1+0.2i)2+1)⋅0.2 .R_{10} = \sum_{i=1}^{10} \left( (1+0.2i)^2 + 1 \right) \cdot 0.2\,.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 4.2절 · 8번
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)