문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

입체도형의 부피

단면의 넓이를 적분해 부피를 구한다(원판·와셔로 회전체의 부피 포함)

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

18문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 6.2절 · 1번우리말 번역

단면을 이용한 방법을 이용하여 구의 부피 공식을 유도하세요.

영어 원문 보기

Derive the formula for the volume of a sphere using the slicing method.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.6절 · 13번
# 입체도형의 부피활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.OpenStax 1권 · 6.2절 · 2번우리말 번역

단면을 이용한 방법을 이용하여 원뿔의 부피 공식을 유도하세요.

영어 원문 보기

Use the slicing method to derive the formula for the volume of a cone.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.2절 · 54번
# 입체도형의 부피활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.OpenStax 1권 · 6.2절 · 3번우리말 번역

단면 자르기 방법을 이용하여 한 변의 길이가 aa 인 정사면체의 부피 공식을 유도하세요.

영어 원문 보기

Use the slicing method to derive the formula for the volume of a tetrahedron with side length a.a.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.6절 · 2번
# 입체도형의 부피활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.OpenStax 1권 · 6.2절 · 4번우리말 번역

원판 방법을 이용하여 사다리꼴 기둥의 부피 공식을 유도하세요.

영어 원문 보기

Use the disk method to derive the formula for the volume of a trapezoidal cylinder.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.2절 · 24번
# 입체도형의 부피활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.OpenStax 1권 · 6.2절 · 48번우리말 번역

타원 (x2/a2)+(y2/b2)=1({x}^{2}/{a}^{2})+({y}^{2}/{b}^{2})=1 을 y축을 중심으로 회전시켜 미식축구공의 부피를 어림하세요.

영어 원문 보기

Rotate the ellipse (x2/a2)+(y2/b2)=1({x}^{2}/{a}^{2})+({y}^{2}/{b}^{2})=1 around the y-axis to approximate the volume of a football.

정답·풀이 보기

4a2bπ3\frac{4{a}^{2}b\pi }{3} 단위3

원본 교재 풀이(영어)

4a2bπ3\frac{4{a}^{2}b\pi }{3} units3

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.2절 · 50번
# 입체도형의 부피활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.APEX · 7.2절 · 13번우리말 번역

연습문제 13–18번에서 데카르트 평면의 한 영역이 주어져 있습니다. 디스크/와셔 방법을 이용하여, 이 영역을 주어진 각 축을 중심으로 회전시켜 얻은 회전체의 부피를 구하세요.

다음으로 유계인 영역: y=xy=\sqrt{x}, y=0y=0, x=1x=1.

회전축:

(a) xx축 (b) y=1y=1

(a) yy축 (b) x=1x=1

영어 원문 보기

In Exercises 13–18, a region of the Cartesian plane is described. Use the Disk/Washer Method to find the volume of the solid of revolution formed by rotating the region about each of the given axes.

Region bounded by: y=xy=\sqrt{x}, y=0y=0 and x=1x=1.

Rotate about:

(a) the xx-axis (b) y=1y=1

(a) the yy-axis (b) x=1x=1

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
(d)
정답·풀이 보기

(a) π/2\pi/2 (b) 5π/65\pi/6 (c) 4π/54\pi/5 (d) 8π/158\pi/15

원본 교재 풀이(영어)

(a) π/2\pi/2 (b) 5π/65\pi/6 (c) 4π/54\pi/5 (d) 8π/158\pi/15

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 6.2절 · 8번
# 입체도형의 부피활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.APEX · 7.2절 · 14번우리말 번역

연습문제 13–18번에서 데카르트 평면의 한 영역이 주어져 있습니다. 디스크/와셔 방법을 이용하여, 이 영역을 주어진 각 축을 중심으로 회전시켜 얻은 회전체의 부피를 구하세요.

다음 두 곡선으로 유계인(둘러싸인) 영역: y=4−x2y=4-x^2, y=0y=0.

회전축:

(a) xx축 (b) y=4y=4

(a) y=−1y=-1 (b) x=2x=2

영어 원문 보기

In Exercises 13–18, a region of the Cartesian plane is described. Use the Disk/Washer Method to find the volume of the solid of revolution formed by rotating the region about each of the given axes.

Region bounded by: y=4−x2y=4-x^2 and y=0y=0.

Rotate about:

(a) the xx-axis (b) y=4y=4

(a) y=−1y=-1 (b) x=2x=2

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
(d)
정답·풀이 보기

(a) 512π/15512\pi/15 (b) 256π/5256\pi/5 (c) 832π/15832\pi/15 (d) 128π/3128\pi/3

원본 교재 풀이(영어)

(a) 512π/15512\pi/15 (b) 256π/5256\pi/5 (c) 832π/15832\pi/15 (d) 128π/3128\pi/3

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.2절 · 48번
# 입체도형의 부피활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.APEX · 7.2절 · 15번우리말 번역

연습문제 13–18에서는 좌표평면 위의 영역이 주어진다. 원판/와셔 방법을 이용하여, 그 영역을 주어진 각 축을 중심으로 회전시켜 만들어지는 회전체의 부피를 구하세요.

꼭짓점이 (1,1)(1,1), (1,2)(1,2), (2,1)(2,1)인 삼각형.

회전축:

(a) xx축 (b) y=2y=2

(a) yy축 (b) x=1x=1

영어 원문 보기

In Exercises 13–18, a region of the Cartesian plane is described. Use the Disk/Washer Method to find the volume of the solid of revolution formed by rotating the region about each of the given axes.

The triangle with vertices (1,1)(1,1), (1,2)(1,2) and (2,1)(2,1).

Rotate about:

(a) the xx-axis (b) y=2y=2

(a) the yy-axis (b) x=1x=1

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
(d)
정답·풀이 보기

(a) 4π/34\pi/3 (b) 2π/32\pi/3 (c) 4π/34\pi/3 (d) π/3\pi/3

원본 교재 풀이(영어)

(a) 4π/34\pi/3 (b) 2π/32\pi/3 (c) 4π/34\pi/3 (d) π/3\pi/3

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.2절 · 6번
# 입체도형의 부피활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.APEX · 7.2절 · 16번우리말 번역

연습문제 13–18에서는 좌표평면 위의 영역이 주어진다. 원판/와셔 방법을 이용하여, 그 영역을 주어진 각 축을 중심으로 회전시켜 만들어지는 회전체의 부피를 구하세요.

y=x2−2x+2y=x^2-2x+2 와 y=2x−1y=2x-1 로 유계인 영역.

회전축:

(a) xx축 (b) y=1y=1

(a) y=5y=5

영어 원문 보기

In Exercises 13–18, a region of the Cartesian plane is described. Use the Disk/Washer Method to find the volume of the solid of revolution formed by rotating the region about each of the given axes.

Region bounded by y=x2−2x+2y=x^2-2x+2 and y=2x−1y=2x-1.

Rotate about:

(a) the xx-axis (b) y=1y=1

(a) y=5y=5

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
정답·풀이 보기

(a) 104π/15104\pi/15 (b) 64π/1564\pi/15 (c) 32π/532\pi/5

원본 교재 풀이(영어)

(a) 104π/15104\pi/15 (b) 64π/1564\pi/15 (c) 32π/532\pi/5

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.2절 · 34번
# 입체도형의 부피활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.APEX · 7.2절 · 17번우리말 번역

연습문제 13–18에서는 좌표평면 위의 영역이 주어진다. 원판/와셔 방법을 이용하여, 그 영역을 주어진 각 축을 중심으로 회전시켜 만들어지는 회전체의 부피를 구하세요.

y=1/x2+1y=1/\sqrt{x^2+1}, x=−1x=-1, x=1x=1 및 xx축으로 유계인 영역.

회전축:

(a) xx축 (b) y=1y=1

(a) y=−1y=-1

영어 원문 보기

In Exercises 13–18, a region of the Cartesian plane is described. Use the Disk/Washer Method to find the volume of the solid of revolution formed by rotating the region about each of the given axes.

Region bounded by y=1/x2+1y=1/\sqrt{x^2+1}, x=−1x=-1, x=1x=1 and the xx-axis.

Rotate about:

(a) the xx-axis (b) y=1y=1

(a) y=−1y=-1

정답·풀이 보기

(a) π2/2\pi^2/2 (b) π2/2−4πsinh⁡−1(1)\pi^2/2-4\pi\sinh^{-1} (1) (c) π2/2+4πsinh⁡−1(1)\pi^2/2+4\pi\sinh^{-1} (1)

원본 교재 풀이(영어)

(a) π2/2\pi^2/2 (b) π2/2−4πsinh⁡−1(1)\pi^2/2-4\pi\sinh^{-1} (1) (c) π2/2+4πsinh⁡−1(1)\pi^2/2+4\pi\sinh^{-1} (1)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 6.2절 · 7번
# 입체도형의 부피활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
11.APEX · 7.2절 · 18번우리말 번역

연습문제 13–18에서는 좌표평면 위의 영역이 주어진다. 원판/와셔 방법을 이용하여, 그 영역을 주어진 각 축을 중심으로 회전시켜 만들어지는 회전체의 부피를 구하세요.

y=2xy=2x, y=xy=x, x=2x=2 로 유계인 영역.

회전축:

(a) xx축 (b) y=4y=4

(a) yy축 (b) x=2x=2

영어 원문 보기

In Exercises 13–18, a region of the Cartesian plane is described. Use the Disk/Washer Method to find the volume of the solid of revolution formed by rotating the region about each of the given axes.

Region bounded by y=2xy=2x, y=xy=x and x=2x=2.

Rotate about:

(a) the xx-axis (b) y=4y=4

(a) the yy-axis (b) x=2x=2

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
(d)
정답·풀이 보기

(a) 8π8\pi (b) 8π8\pi (c) 16π/316\pi/3 (d) 8π/38\pi/3

원본 교재 풀이(영어)

(a) 8π8\pi (b) 8π8\pi (c) 16π/316\pi/3 (d) 8π/38\pi/3

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.2절 · 32번
# 입체도형의 부피활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
12.CLP-2 · 1.6절 · 5번우리말 번역

다음 양을 나타내는 정적분을 쓰세요. 정적분의 값을 직접 계산하지 마세요.

(a) 곡선 y=1−x2y=1-x^2 과 y=4−4x2y=4-4x^2 으로 유계된 유한한 평면 영역을 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시켜 얻은 입체의 부피. (b) 곡선 y=x2−1y=x^2-1 과 직선 y=0y=0 으로 유계된 유한한 평면 영역을 직선 x=5x=5 를 축으로 회전시켜 얻은 입체의 부피.

영어 원문 보기

Write down definite integrals that represent the following quantities. Do not evaluate the integrals explicitly.

(a) The volume of the solid obtained by rotating the finite plane region bounded by the curves y=1−x2y=1-x^2 and y=4−4x2y=4-4x^2 about the line y=−1y=-1. (b) The volume of the solid obtained by rotating the finite plane region bounded by the curve y=x2−1y=x^2-1 and the line y=0y=0 about the line x=5x=5.

정답·풀이 보기

(a) 두 곡선은 (1,0)(1,0) 과 (−1,0)(-1,0) 에서 만난다. 그림

그림

과 같은 띠를 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시키면 다음과 같은 얇은 와셔(구멍 뚫린 원판)가 만들어진다.

  • 안쪽 반지름은 (1−x2)−(−1)=2−x2(1-x^2)-(-1)=2-x^2,
  • 바깥쪽 반지름은 (4−4x2)−(−1)=5−4x2(4-4x^2)-(-1)=5-4x^2,
  • 두께는 dx\mathrm{d}x 이다. 따라서
  • 단면의 넓이는 π[(5−4x2)2−(2−x2)2]\pi\big[{(5-4x^2)}^2-{(2-x^2)}^2\big] 이고
  • 부피는 π[(5−4x2)2−(2−x2)2] dx\pi\big[{(5-4x^2)}^2-({2-x^2)}^2\big]\,\mathrm{d}x 이다.

그러므로 입체의 부피는 다음과 같다.

∫−11π[(5−4x2)2−(2−x2)2] dx\begin{aligned} \int_{-1}^{1}\pi\big[{(5-4x^2)}^2-{(2-x^2)}^2\big]\,\mathrm{d}x \end{aligned}

(b) 곡선 y=x2−1y=x^2-1 은 y=0y=0 과 (1,0)(1,0), (−1,0)(-1,0) 에서 만난다.

그림

가로 방향 와셔를 이용한다.

  • 위 그림처럼 높이가 dy\mathrm{d}y 인 얇은 가로 띠를 이용한다.

  • 직선 x=5x=5 를 축으로 회전시키면 각 띠는 얇은 와셔를 만든다.

  • 안쪽 반지름은 rin=5−y+1r_{in}=5-\sqrt{y+1} 이고,

  • 바깥쪽 반지름은 rout=5−(−y+1)=5+y+1r_{out}= 5-(-\sqrt{y+1})=5+\sqrt{y+1} 이며,

  • 두께는 dy\mathrm{d}y 이므로

  • 부피는 π(rout2−rin2) dy=π[(5+y+1)2−(5−y+1)2] dy\pi(r_{out}^2 - r_{in}^2)\,\mathrm{d}y = \pi\big[\big(5+\sqrt{y+1}\big)^2-\big(5-\sqrt{y+1}\big)^2\big]\,\mathrm{d}y 이다.

  • 가장 위쪽 띠는 y=0y=0 에 있고 가장 아래쪽 띠는 (x=0x=0 일 때) y=−1y=-1 에 있으므로, 전체 부피는 다음과 같다.

∫−10π[(5+y+1)2−(5−y+1)2] dy\begin{aligned} \int _{-1}^0 \pi\left[\big(5+\sqrt{y+1}\big)^2-\big(5-\sqrt{y+1}\big)^2\right]\,\mathrm{d}y \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The curves intersect at (1,0)(1,0) and (−1,0)(-1,0). When the strip shown in the figure

figure

is rotated about the line y=−1y=-1, it forms a thin washer with:

  • inner radius (1−x2)−(−1)=2−x2(1-x^2)-(-1)=2-x^2,
  • outer radius (4−4x2)−(−1)=5−4x2(4-4x^2)-(-1)=5-4x^2 and
  • thickness dx\mathrm{d}x ; so, it has
  • cross sectional area π[(5−4x2)2−(2−x2)2]\pi\big[{(5-4x^2)}^2-{(2-x^2)}^2\big] and
  • volume π[(5−4x2)2−(2−x2)2] dx\pi\big[{(5-4x^2)}^2-({2-x^2)}^2\big]\,\mathrm{d}x.

So the volume of the solid is

∫−11π[(5−4x2)2−(2−x2)2] dx\begin{aligned} \int_{-1}^{1}\pi\big[{(5-4x^2)}^2-{(2-x^2)}^2\big]\,\mathrm{d}x \end{aligned}

(b) The curve y=x2−1y=x^2-1 intersects y=0y=0 at (1,0)(1,0) and (−1,0)(-1,0).

figure

We'll use horizontal washers.

  • We use thin horizontal strips of height dy\mathrm{d}y as in the figure above.

  • When we rotate about the line x=5x=5, each strip sweeps out a thin washer

  • whose inner radius is rin=5−y+1r_{in}=5-\sqrt{y+1}, and

  • whose outer radius is rout=5−(−y+1)=5+y+1r_{out}= 5-(-\sqrt{y+1})=5+\sqrt{y+1} and

  • whose thickness is dy\mathrm{d}y and hence

  • whose volume is π(rout2−rin2) dy=π[(5+y+1)2−(5−y+1)2] dy\pi(r_{out}^2 - r_{in}^2)\,\mathrm{d}y = \pi\big[\big(5+\sqrt{y+1}\big)^2-\big(5-\sqrt{y+1}\big)^2\big]\,\mathrm{d}y

  • As our topmost strip is at y=0y=0 and our bottommost strip is at y=−1y=-1 (when x=0x=0), the total volume is

∫−10π[(5+y+1)2−(5−y+1)2] dy\begin{aligned} \int _{-1}^0 \pi\left[\big(5+\sqrt{y+1}\big)^2-\big(5-\sqrt{y+1}\big)^2\right]\,\mathrm{d}y \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.6절 · 6번
# 입체도형의 부피활용기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
13.CLP-2 · 1.6절 · 6번우리말 번역

곡선 y=x2y=x^2 과 y=8−x2y=8-x^2 사이의 영역을 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시켜 얻은 입체의 부피를 나타내는 정적분을 쓰세요. 정적분의 값을 직접 계산하지 마세요.

영어 원문 보기

Write down a definite integral that represents the volume of the solid obtained by rotating around the line y=−1y=-1 the region between the curves y=x2y=x^2 and y=8−x2y=8-x^2. Do not evaluate the integrals explicitly.

정답·풀이 보기

두 곡선은 (−2,4)(-2,4) 와 (2,4)(2,4) 에서 만난다. 그림

그림

과 같은 띠를 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시키면 다음과 같은 얇은 와셔(구멍 뚫린 원판)가 만들어진다.

  • 안쪽 반지름은 x2+1x^2+1,
  • 바깥쪽 반지름은 9−x29-x^2,
  • 두께는 dx\mathrm{d}x 이므로
  • 단면의 넓이는 π[(9−x2)2−(x2+1)2]\pi\big[{(9-x^2)}^2-{(x^2+1)}^2\big] 이고
  • 부피는 π[(9−x2)2−(x2+1)2] dx\pi\big[{(9-x^2)}^2-{(x^2+1)}^2\big]\,\mathrm{d}x 이다.

그러므로 입체의 부피는 다음과 같다.

π∫−22[(9−x2)2−(x2+1)2] dx\begin{aligned} \pi\int_{-2}^{2}\big[{(9-x^2)}^2-{(x^2+1)}^2\big]\ \mathrm{d}x \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The curves intersect at (−2,4)(-2,4) and (2,4)(2,4). When the strip shown in the figure

figure

is rotated about the line y=−1y=-1, it forms a thin washer (punctured disc) of

  • inner radius x2+1x^2+1,
  • outer radius 9−x29-x^2 and
  • thickness dx\mathrm{d}x and hence of
  • cross sectional area π[(9−x2)2−(x2+1)2]\pi\big[{(9-x^2)}^2-{(x^2+1)}^2\big] and
  • volume π[(9−x2)2−(x2+1)2] dx\pi\big[{(9-x^2)}^2-{(x^2+1)}^2\big]\,\mathrm{d}x.

So the volume of the solid is

π∫−22[(9−x2)2−(x2+1)2] dx\begin{aligned} \pi\int_{-2}^{2}\big[{(9-x^2)}^2-{(x^2+1)}^2\big]\ \mathrm{d}x \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.6절 · 17번
# 입체도형의 부피활용기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
14.CLP-2 · 1.6절 · 9번우리말 번역

y=1/xy = 1/x 와 3x+3y=103x + 3y = 10 에 의해 유계인 유한한 영역을 xx축을 중심으로 회전시켜 생기는 입체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the volume of the solid generated by rotating the finite region bounded by y=1/xy = 1/x and 3x+3y=103x + 3y = 10 about the xx–axis.

정답·풀이 보기

곡선 y=1/xy=1/x 와 3x+3y=103x+3y=10, 즉 y=103−xy =\frac{10}{3}-x 는 다음과 같을 때 만난다.

1x=103−x  ⟺  3=10x−3x2  ⟺  3x2−10x+3=0  ⟺  (3x−1)(x−3)=0  ⟺  x=3 , 13\begin{aligned} \frac{1}{x} = \frac{10}{3}-x &\iff 3 = 10x-3x^2 \iff 3x^2-10x+3=0 \\ &\iff(3x-1)(x-3)=0 \\ &\iff x=3\,,\,\frac{1}{3} \end{aligned}

그림

이 영역을 xx축을 중심으로 회전시키면, 위 그림의 수직 띠는 두께가 dx\mathrm{d}x 이고 바깥쪽 반지름이 T(x)=103−xT(x)=\frac{10}{3}-x, 안쪽 반지름이 B(x)=1xB(x)=\frac{1}{x} 인 와셔(워셔) 모양을 만든다. 이 와셔의 부피는

π(T(x)2−B(x)2) dx=π(1009−203x+x2−1x2) dx\pi\big(T(x)^2- B(x)^2\big)\,\mathrm{d}x = \pi\Big(\frac{100}{9}-\frac{20}{3}x+x^2-\frac{1}{x^2}\Big)\,\mathrm{d}x

이다. 따라서 입체의 부피는

π∫1/33(1009−203x+x2−1x2) dx=π[100x9−103x2+13x3+1x]1/33=π[383−51434]=π51281\begin{aligned} \pi\int_{1/3}^3\Big(\frac{100}{9}-\frac{20}{3}x+x^2-\frac{1}{x^2}\Big)\,\mathrm{d}x &=\pi\Big[\frac{100x}{9}-\frac{10}{3}x^2+\frac{1}{3}x^3 +\frac{1}{x}\Big]_{1/3}^3 \\ &=\pi\Big[\frac{38}{3}-\frac{514}{3^4}\Big] = \pi\frac{512}{81} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The curves y=1/xy=1/x and 3x+3y=103x+3y=10, i.e. y=103−xy =\frac{10}{3}-x intersect when

1x=103−x  ⟺  3=10x−3x2  ⟺  3x2−10x+3=0  ⟺  (3x−1)(x−3)=0  ⟺  x=3 , 13\begin{aligned} \frac{1}{x} = \frac{10}{3}-x &\iff 3 = 10x-3x^2 \iff 3x^2-10x+3=0 \\ &\iff(3x-1)(x-3)=0 \\ &\iff x=3\,,\,\frac{1}{3} \end{aligned}

enterline figure

When the region is rotated about the xx–axis, the vertical strip in the figure above sweeps out a washer with thickness dx\mathrm{d}x, outer radius T(x)=103−xT(x)=\frac{10}{3}-x and inner radius B(x)=1xB(x)=\frac{1}{x}. This washer has volume

π(T(x)2−B(x)2) dx=π(1009−203x+x2−1x2) dx\pi\big(T(x)^2- B(x)^2\big)\,\mathrm{d}x = \pi\Big(\frac{100}{9}-\frac{20}{3}x+x^2-\frac{1}{x^2}\Big)\,\mathrm{d}x

Hence the volume of the solid is

π∫1/33(1009−203x+x2−1x2) dx=π[100x9−103x2+13x3+1x]1/33=π[383−51434]=π51281\begin{aligned} \pi\int_{1/3}^3\Big(\frac{100}{9}-\frac{20}{3}x+x^2-\frac{1}{x^2}\Big)\,\mathrm{d}x &=\pi\Big[\frac{100x}{9}-\frac{10}{3}x^2+\frac{1}{3}x^3 +\frac{1}{x}\Big]_{1/3}^3 \\ &=\pi\Big[\frac{38}{3}-\frac{514}{3^4}\Big] = \pi\frac{512}{81} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 6.2절 · 8번
# 입체도형의 부피활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
15.CLP-2 · 1.6절 · 10번우리말 번역

RR 을 원 x2+(y−2)2=1x^2 + (y-2)^2=1 의 내부 영역이라 하자. SS 를 RR 을 xx축을 중심으로 회전시켜 얻은 입체라 하자.

(a) SS 의 부피를 나타내는 적분을 쓰세요. (b) (a)에서 쓴 적분의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let RR be the region inside the circle x2+(y−2)2=1x^2 + (y-2)^2=1. Let SS be the solid obtained by rotating RR about the xx-axis.

(a) Write down an integral representing the volume of SS. (b) Evaluate the integral you wrote down in part (a).

정답·풀이 보기

(a) 원의 위쪽 부분과 아래쪽 부분의 방정식은 각각 y=T(x)=2+1−x2y=T(x)=2+\sqrt{1-x^2} 와 y=B(x)=2−1−x2y=B(x) = 2-\sqrt{1-x^2} 이다.

그림

RR 을 xx축을 중심으로 회전시키면, 위 그림에서 RR 의 세로 띠는 두께가 dx\mathrm{d}x 이고 바깥쪽 반지름이 T(x)T(x), 안쪽 반지름이 B(x)B(x) 인 와셔(가운데가 뚫린 원판) 모양을 만든다. 이 와셔의 부피는

π(T(x)2−B(x)2) dx=π(T(x)+B(x))(T(x)−B(x)) dx=π×4×21−x2 dx\pi\big(T(x)^2- B(x)^2\big)\,\mathrm{d}x = \pi\big(T(x)+ B(x)\big)\big(T(x)- B(x)\big)\,\mathrm{d}x = \pi\times 4\times 2\sqrt{1-x^2}\,\mathrm{d}x

이다.

따라서 입체의 부피는

8π∫−111−x2 dx8\pi\int_{-1}^1\sqrt{1-x^2}\,\mathrm{d}x

이다.

(b) y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 은 x2+y2=1x^2+y^2=1, y≥0y\ge 0 과 같으므로, 이 적분은 원 x2+y2=1x^2+y^2=1 의 위쪽 반원의 넓이의 8π8\pi배이다. 따라서 적분의 값은 8π×12π12=4π28\pi\times \frac{1}{2}\pi 1^2 = 4\pi^2 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The top and the bottom of the circle have equations y=T(x)=2+1−x2y=T(x)=2+\sqrt{1-x^2} and y=B(x)=2−1−x2y=B(x) = 2-\sqrt{1-x^2}, respectively.

enterline figure

When RR is rotated about the xx–axis, the vertical strip of RR in the figure above sweeps out a washer with thickness dx\mathrm{d}x, outer radius T(x)T(x) and inner radius B(x)B(x). This washer has volume

π(T(x)2−B(x)2) dx=π(T(x)+B(x))(T(x)−B(x)) dx=π×4×21−x2 dx\pi\big(T(x)^2- B(x)^2\big)\,\mathrm{d}x = \pi\big(T(x)+ B(x)\big)\big(T(x)- B(x)\big)\,\mathrm{d}x = \pi\times 4\times 2\sqrt{1-x^2}\,\mathrm{d}x

Hence the volume of the solid is

8π∫−111−x2 dx8\pi\int_{-1}^1\sqrt{1-x^2}\,\mathrm{d}x

(b) Since y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} is equivalent to x2+y2=1x^2+y^2=1, y≥0y\ge 0, the integral is 8π8\pi times the area of the upper half of the circle x2+y2=1x^2+y^2=1 and hence is 8π×12π12=4π28\pi\times \frac{1}{2}\pi 1^2 = 4\pi^2.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.2절 · 14번
# 입체도형의 부피활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
16.CLP-2 · 1.6절 · 13번우리말 번역

곡선 y=cos⁡(x2)y = \cos(\frac x2) 와 y=x2−π2y = x^2 - \pi^2 으로 둘러싸인 유한한 영역을 직선 y=−π2y=-{\pi^2} 을 축으로 하여 회전시킨다. 수직 조각(원판 또는 와셔)을 이용하여 이때 생기는 회전체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

The finite region between the curves y=cos⁡(x2)y = \cos(\frac x2) and y=x2−π2y = x^2 - \pi^2 is rotated about the line y=−π2y=-{\pi^2}. Using vertical slices (disks and/or washers), find the volume of the resulting solid.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

다음은 곡선 y=cos⁡(x2)y = \cos(\frac x2) 와 y=x2−π2y = x^2 - \pi^2 의 그래프이다.

그림

살펴보면 두 곡선은 x=±πx = \pm {\pi} 에서 만나며, 이때 cos⁡(x2)\cos(\frac x2) 와 x2−π2x^2 - \pi^2 은 모두 값이 0이다. 문제에서 지정한 대로 수직 와셔를 사용한다.

  • 위 그림과 같이 주어진 영역을 너비가 dx\mathrm{d}x 인 얇은 수직 띠로 자른다.

  • 직선 y=−π2y=-\pi^2 을 축으로 회전시키면, 각 띠는 얇은 와셔를 만든다.

  • 이 와셔의 안쪽 반지름은 rin=(x2−π2)−(−π2)=x2r_{in}= (x^2 - {\pi^2} ) - ( {-} {\pi^2} )=x^2 이고 바깥쪽 반지름은 rout=cos⁡(x2)−(−π2)=cos⁡(x2)+π2r_{out}=\cos(\frac x2) - ( {-} {\pi^2}) =\cos(\frac x2) +\pi^2 이며,

  • 두께는 dx\mathrm{d}x 이고, 따라서

  • 부피는 π(rout2−rin2)dx=π((cos⁡(x2)+π2)2−(x2)2)dx\pi(r_{out}^2 - r_{in}^2)\mathrm{d}x = \pi\big( {(\cos(\frac x2) +\pi^2)}^2 - {(x^2)}^2\big)\mathrm{d}x 이다.

  • 가장 왼쪽 띠는 x=−πx=-\pi 에 있고 가장 오른쪽 띠는 x=πx=\pi 에 있으므로,

전체 부피는 다음과 같다.

π∫−ππ(cos⁡2(x2)+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dx=π∫−ππ(1+cos⁡(x)2+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dx피적분함수가 우함수이므로,=2π∫0π(1+cos⁡(x)2+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dx=2π[12x+12sin⁡(x)+4π2sin⁡(x2)+π4x−15x5]0π=2π[π2+0+4π2+π5−π55]=π2+8π3+8π65\begin{aligned} &\pi \int_{-\pi}^{\pi} \left( \cos^2 (\tfrac x2) +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ & = \pi \int_{-\pi}^{\pi} \left(\frac{1+\cos(x)}{2} +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ \text{피적분함수가 우함수이므로,} \\ & = 2\pi \int_0^{\pi} \left(\frac{1+\cos(x)}{2} +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ & = {2\pi \left[ \frac{1}{2}x + \frac{1}{2}\sin(x) + 4{\pi^2}\sin (\tfrac x2) +{\pi^4} x -\frac{1}{5}x^5 \right]} _0^\pi\\ & = 2\pi \left[\frac{\pi}{2} + 0 + 4{\pi^2} +{\pi^5} - \frac{\pi^5}{5} \right] \\ & = {\pi^2} + 8\pi^3 + \frac{8\pi^6}{5} \end{aligned}

피적분함수가 우함수이고 적분 구간 [−π,π][-\pi, \pi] 가 대칭이라는 사실을 이용했지만, 직접 계산할 수도 있다.

원본 교재 풀이(영어)

Here is a sketch of the curves y=cos⁡(x2)y = \cos(\frac x2) and y=x2−π2y = x^2 - \pi^2.

figure

By inspection, the curves meet at x=±πx = \pm {\pi} where both cos⁡(x2)\cos(\frac x2) and x2−π2x^2 - \pi^2 take the value zero. We'll use vertical washers as specified in the question.

  • We cut the specified region into thin vertical strips of width dx\mathrm{d}x as in the figure above.

  • When we rotate about the line y=−π2y=-\pi^2, each strip sweeps out a thin washer

  • whose inner radius is rin=(x2−π2)−(−π2)=x2r_{in}= (x^2 - {\pi^2} ) - ( {-} {\pi^2} )=x^2 and outer radius is rout=cos⁡(x2)−(−π2)=cos⁡(x2)+π2r_{out}=\cos(\frac x2) - ( {-} {\pi^2}) =\cos(\frac x2) +\pi^2 , and

  • whose thickness is dx\mathrm{d}x and hence

  • whose volume π(rout2−rin2)dx=π((cos⁡(x2)+π2)2−(x2)2)dx\pi(r_{out}^2 - r_{in}^2)\mathrm{d}x = \pi\big( {(\cos(\frac x2) +\pi^2)}^2 - {(x^2)}^2\big)\mathrm{d}x.

  • As our leftmost strip is at x=−πx=-\pi and our rightmost strip is at x=πx=\pi,

the total volume is

π∫−ππ(cos⁡2(x2)+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dx=π∫−ππ(1+cos⁡(x)2+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dxBecause the integrand is even,=2π∫0π(1+cos⁡(x)2+2π2cos⁡(x2)+π4−x4) dx=2π[12x+12sin⁡(x)+4π2sin⁡(x2)+π4x−15x5]0π=2π[π2+0+4π2+π5−π55]=π2+8π3+8π65\begin{aligned} &\pi \int_{-\pi}^{\pi} \left( \cos^2 (\tfrac x2) +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ & = \pi \int_{-\pi}^{\pi} \left(\frac{1+\cos(x)}{2} +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ \text{Because the integrand is even,} \\ & = 2\pi \int_0^{\pi} \left(\frac{1+\cos(x)}{2} +2{\pi^2}\cos (\tfrac x2) +{\pi^4} -x^4\right)\,\mathrm{d}x \\ & = {2\pi \left[ \frac{1}{2}x + \frac{1}{2}\sin(x) + 4{\pi^2}\sin (\tfrac x2) +{\pi^4} x -\frac{1}{5}x^5 \right]} _0^\pi\\ & = 2\pi \left[\frac{\pi}{2} + 0 + 4{\pi^2} +{\pi^5} - \frac{\pi^5}{5} \right] \\ & = {\pi^2} + 8\pi^3 + \frac{8\pi^6}{5} \end{aligned}

We used the fact that the integrand is an even function and the interval of integration [−π,π][-\pi, \pi] is symmetric, but one can also compute directly.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.6절 · 10번
# 입체도형의 부피활용보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
17.CLP-2 · 1.6절 · 17번우리말 번역

지구의 모양은 구가 아니라 납작한 회전타원체로 어림되는 경우가 많습니다. 납작한 회전타원체는 타원을 단축(가장 짧은 지름)을 축으로 회전시켜 만든 도형입니다.

(a) 타원 (ax)2+(by)2=1(ax)^2+(by)^2=1 의 위쪽(양의) 절반을 xx축을 중심으로 회전시켜 얻은 납작한 회전타원체의 부피를 구하세요. 단, aa 와 bb 는 a≥ba \geq b 인 양의 상수입니다. (b) (지구 개요 자료, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html, 2017년 7월 2일 접속) 지구의 적도 반지름이 6378.137 km 이고 극 반지름이 6356.752 km 라고 합시다. 지구를 타원 (ax)2+(by)2=1(ax)^2+(by)^2=1 의 위쪽 절반을 xx축을 중심으로 회전시켜 얻은 납작한 회전타원체로 모형화하면, aa 와 bb 는 각각 얼마인지 구하세요. (c) 이 지구 모형의 부피를 구하세요. (계산기를 사용하세요.) (d) 지구를 반지름이 6378.1376378.137 km 인 구로 모형화하여 부피를 계산했다고 합시다. 납작한 회전타원체로 계산한 값과 비교할 때 절대오차와 상대오차는 각각 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

The shape of the earth is often approximated by an oblate spheroid, rather than a sphere. An oblate spheroid is formed by rotating an ellipse about its minor axis (its shortest diameter).

(a) Find the volume of the oblate spheroid obtained by rotating the upper (positive) half of the ellipse (ax)2+(by)2=1(ax)^2+(by)^2=1 about the xx-axis, where aa and bb are positive constants with a≥ba \geq b. (b) Suppose (Earth Fact Sheet, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html, accessed 2 July 2017) the earth has radius at the equator of 6378.137 km, and radius at the poles of 6356.752 km. If we model the earth as an oblate spheroid formed by rotating the upper half of the ellipse (ax)2+(by)2=1(ax)^2+(by)^2=1 about the xx-axis, what are aa and bb? (c) What is the volume of this model of the earth? (Use a calculator.) (d) Suppose we had calculated the volume of the earth by modelling it as a sphere with radius 6378.1376378.137 km. What would our absolute and relative errors be, compared to our oblate spheroid calculation?

정답·풀이 보기

(a)

먼저 타원 (ax)2+(by)2=1(ax)^2+(by)^2=1 의 위쪽 절반의 그래프를 그린다. 절편만 알아도 대략적인 모양을 알 수 있다: (0,1b)(0,\frac{1}{b}) 와 (±1a,0)(\pm\frac{1}{a},0):

그림

처음에 몇 가지를 짚어 두자. 첫째, a≥ba \geq b 이므로 1a≤1b\frac{1}{a} \leq \frac{1}{b} 이고, 따라서 xx축이 단축이다. 즉, 납작한 회전타원체를 만들기 위해 알맞은 축을 중심으로 회전시키고 있다.

둘째, 방정식을 yy 에 대해 풀면 y=1b1−(ax)2y=\frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2} 이다. (타원의 위쪽 절반만 필요하므로 양의 제곱근만 생각하면 된다.)

이제 표준적인 회전체의 부피 문제이다. 너비가 dx\mathrm{d}x 이고 높이가 y=1b1−(ax)2y=\frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2} 인 세로 조각으로 나눈다. 이 조각들을 xx축을 중심으로 회전시키면 부피가 π[1b1−(ax)2]2dx\pi\left[\frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2}\right]^2\mathrm{d}x 인 얇은 원판이 된다. xx 는 −1a-\frac{1}{a} 에서 1a\frac{1}{a} 까지 변하므로, 납작한 회전타원체의 부피는 다음과 같다:

부피=∫−1a1aπ[1b1−(ax)2]2dx=πb2∫−1a1a1−(ax)2 dx=2πb2∫01a1−(ax)2 dx(우함수)=2πb2[x−a2x33]01a=2πb2[1a−13a]=4π3b2a\begin{aligned} \text{부피}&=\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}} \pi \left[\frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2}\right]^2\mathrm{d}x\\ &=\frac{\pi}{b^2}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}} 1-(ax)^2\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{2\pi}{b^2}\int_{0}^{\frac{1}{a}} 1-(ax)^2\ \mathrm{d}x&\text{(우함수)}\\ &=\frac{2\pi}{b^2}\left[x - \frac{a^2x^3}{3}\right]_{0}^{\frac{1}{a}}\\ &=\frac{2\pi}{b^2}\left[\frac{1}{a} - \frac{1}{3a} \right] = \frac{4\pi}{3b^2a} \end{aligned}

(b) (a)의 그래프에서 보았듯이 타원의 가장 짧은 반지름은 1a\frac{1}{a} 이고 가장 긴 반지름은 1b\frac{1}{b} 이다. 따라서 1a=6356.752\frac{1}{a} = 6356.752 이고 1b=6378.137\frac{1}{b} = 6378.137 이다. 즉, a=16356.752a = \dfrac{1}{6356.752} 이고 b=16378.137b=\dfrac{1}{6378.137} 이다.

(a)에서 주어진 대로 a≥ba \geq b 임에 유의한다.

(c) (a)와 (b)의 답을 결합하면, 지구와 거의 같은 크기의 납작한 회전타원체의 부피는 다음과 같다:

4π3b2a=4π3(1b)2(1a)=4π3(6378.137)2(6356.752)≈1.08321×1012km3≈1.08321×1021m3\begin{aligned} \frac{4\pi}{3b^2a} &= \frac{4\pi}{3}\left(\frac{1}{b}\right)^2\left(\frac{1}{a}\right)\\ &=\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\left(6356.752\right)\\ &\approx 1.08321\times 10^{12} \quad\mathrm{km}^3\\ &\approx 1.08321\times 10^{21} \quad\mathrm{m}^3 \end{aligned}

(d) 반지름이 6378.137 인 구의 부피는

43π(6378.137)3따라서 절대오차는 다음과 같다:∣4π3(6378.137)2(6356.752)−43π(6378.137)3∣=4π3(6378.137)2∣6356.752−6378.137∣=4π3(6378.137)2(21.385)≈ 3.64×109 km3그리고 상대오차는 다음과 같다:절대오차참값=4π3(6378.137)2∣6356.752−6378.137∣4π3(6378.137)2(6356.752)=∣6356.752−6378.137∣6356.752=6378.1376356.752−1≈ 0.00336\begin{aligned} &\dfrac{4}{3}\pi\left(6378.137\right)^3 \\ \text{따라서 절대오차는 다음과 같다:} \\ &\left|\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\left(6356.752\right) - \dfrac{4}{3}\pi\left(6378.137\right)^3 \right|\\ =&\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\big|6356.752 - 6378.137\big|\\ =&\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2(21.385)\\ \approx&~3.64 \times 10^{9}~\mathrm{km}^3 \\ \text{그리고 상대오차는 다음과 같다:} \\ \frac{\text{절대오차}}{\text{참값}}&=\frac{\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\big|6356.752 - 6378.137\big|}{\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\left(6356.752\right)}\\ &=\frac{\big|6356.752 - 6378.137\big|}{6356.752}\\ &=\frac{6378.137}{6356.752}-1\\ &\approx ~0.00336 \end{aligned}

즉, 약 0.336%0.336\% 로, 1퍼센트의 약 3분의 1이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a)

We'll want to start by graphing the upper half of the ellipse (ax)2+(by)2=1(ax)^2+(by)^2=1. Its intercepts will be enough to get us an idea: (0,1b)(0,\frac{1}{b}) and (±1a,0)(\pm\frac{1}{a},0):

figure

We note a few things at the outset: first, since a≥ba \geq b, then 1a≤1b\frac{1}{a} \leq \frac{1}{b}, so indeed the xx-axis is the minor axis. That is, we're rotating about the proper axis to create an oblate spheroid.

Second, if we solve our equation for yy, we get y=1b1−(ax)2y=\frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2}. (Since we only want the upper half of the ellipse, we only need to consider the positive square root.)

Now, we have a standard volume-of-revolution problem. We make vertical slices, of width dx\mathrm{d}x and height y=1b1−(ax)2y=\frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2}. When we rotate these slices about the xx-axis, they form thin disks of volume π[1b1−(ax)2]2dx\pi\left[\frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2}\right]^2\mathrm{d}x . Since xx runs from −1a-\frac{1}{a} to 1a\frac{1}{a}, the volume of our oblate spheroid is:

Volume=∫−1a1aπ[1b1−(ax)2]2dx=πb2∫−1a1a1−(ax)2 dx=2πb2∫01a1−(ax)2 dx(even function)=2πb2[x−a2x33]01a=2πb2[1a−13a]=4π3b2a\begin{aligned} \text{Volume}&=\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}} \pi \left[\frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2}\right]^2\mathrm{d}x\\ &=\frac{\pi}{b^2}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}} 1-(ax)^2\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{2\pi}{b^2}\int_{0}^{\frac{1}{a}} 1-(ax)^2\ \mathrm{d}x&\text{(even function)}\\ &=\frac{2\pi}{b^2}\left[x - \frac{a^2x^3}{3}\right]_{0}^{\frac{1}{a}}\\ &=\frac{2\pi}{b^2}\left[\frac{1}{a} - \frac{1}{3a} \right] = \frac{4\pi}{3b^2a} \end{aligned}

(b) As we saw in the sketch from part (a), the shortest radius of the ellipse is 1a\frac{1}{a}, while the largest is 1b\frac{1}{b}. So, 1a=6356.752\frac{1}{a} = 6356.752, and 1b=6378.137\frac{1}{b} = 6378.137. That is, a=16356.752a = \dfrac{1}{6356.752} and b=16378.137b=\dfrac{1}{6378.137}.

Note a≥ba \geq b, as specified in part (a).

(c) Combining our answers from (a) and (b), the volume of an oblate spheroid with approximately the same dimensions as the earth is:

4π3b2a=4π3(1b)2(1a)=4π3(6378.137)2(6356.752)≈1.08321×1012km3≈1.08321×1021m3\begin{aligned} \frac{4\pi}{3b^2a} &= \frac{4\pi}{3}\left(\frac{1}{b}\right)^2\left(\frac{1}{a}\right)\\ &=\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\left(6356.752\right)\\ &\approx 1.08321\times 10^{12} \quad\mathrm{km}^3\\ &\approx 1.08321\times 10^{21} \quad\mathrm{m}^3 \end{aligned}

(d) A sphere of radius 6378.137 has volume

43π(6378.137)3So, our absolute error is:∣4π3(6378.137)2(6356.752)−43π(6378.137)3∣=4π3(6378.137)2∣6356.752−6378.137∣=4π3(6378.137)2(21.385)≈ 3.64×109 km3And our relative error is:abs erroractual value=4π3(6378.137)2∣6356.752−6378.137∣4π3(6378.137)2(6356.752)=∣6356.752−6378.137∣6356.752=6378.1376356.752−1≈ 0.00336\begin{aligned} &\dfrac{4}{3}\pi\left(6378.137\right)^3 \\ \text{So, our absolute error is:} \\ &\left|\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\left(6356.752\right) - \dfrac{4}{3}\pi\left(6378.137\right)^3 \right|\\ =&\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\big|6356.752 - 6378.137\big|\\ =&\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2(21.385)\\ \approx&~3.64 \times 10^{9}~\mathrm{km}^3 \\ \text{And our relative error is:} \\ \frac{\text{abs error}}{\text{actual value}}&=\frac{\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\big|6356.752 - 6378.137\big|}{\frac{4\pi}{3}\left(6378.137\right)^2\left(6356.752\right)}\\ &=\frac{\big|6356.752 - 6378.137\big|}{6356.752}\\ &=\frac{6378.137}{6356.752}-1\\ &\approx ~0.00336 \end{aligned}

That is, about 0.336%0.336\%, or about one-third of one percent.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.6절 · 2번
# 입체도형의 부피활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
18.Active Calculus · 6.2절 · 8번우리말 번역

곡선 y=1+12(x−2)2y = 1+\frac{1}{2}(x-2)^2, y=12x2y=\frac{1}{2}x^2, 그리고 x=0x = 0 으로 유계인 유한한 영역 RR 을 생각하세요.

(a) 두 곡선으로 둘러싸인 영역의 넓이를 값으로 갖는 정적분을 구하세요. (b) 영역 RR 을 직선 y=−1y = -1 을 축으로 회전시켜 만든 회전체의 부피를 값으로 갖는, 하나 이상의 정적분을 포함한 식을 구하세요. (c) 영역 RR 을 yy축을 축으로 회전시켜 만든 회전체의 부피를 값으로 갖는, 하나 이상의 정적분을 포함한 식을 구하세요. (d) 영역 RR 의 둘레를 값으로 갖는, 하나 이상의 정적분을 포함한 식을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the finite region RR that is bounded by the curves y=1+12(x−2)2y = 1+\frac{1}{2}(x-2)^2, y=12x2y=\frac{1}{2}x^2, and x=0x = 0.

(a) Determine a definite integral whose value is the area of the region enclosed by the two curves. (b) Find an expression involving one or more definite integrals whose value is the volume of the solid of revolution generated by revolving the region RR about the line y=−1y = -1. (c) Determine an expression involving one or more definite integrals whose value is the volume of the solid of revolution generated by revolving the region RR about the yy-axis. (d) Find an expression involving one or more definite integrals whose value is the perimeter of the region RR.

정답·풀이 보기

(a) 이 그림은 제1사분면에 있는 영역 R 을 보여 준다. 이 영역은 곡선 g(x) = 1+ frac 1 2 (x-2) 2 와 f(x)= frac 1 2 x 2, 그리고 세로축 x = 0 으로 유계이다. 함수 g 가 위쪽을 이룬다. 영역의 모양은 위의 그림과 같다. 두 곡선의 교점은 1+12(x−2)2=12x2 ,1+\frac{1}{2}(x-2)^2 = \frac{1}{2}x^2\,, 일 때 생기므로 2+(x−2)2=x22+(x-2)^2 = x^2 이고, 이로부터 2+(x2−4x+4)=x22+(x^2-4x+4) = x^2 이므로 4x=64x=6 에서 x=32x = \frac{3}{2} 이다. 구간 [0,32]\left[0, \frac{3}{2} \right] 에서 g(x)=1+12(x−2)2≥12x2=f(x)g(x) = 1+\frac{1}{2}(x-2)^2 \ge \frac{1}{2}x^2 = f(x) 이므로, 두 곡선 사이 영역의 넓이는 A==∫01.51+12(x−2)2−12x2 dx=∫01.51+12(x2−4x+4)−12x2 dx=∫01.53−2x dx=(3x−x2)∣01.5=4.5−2.25=2.25 .\begin{aligned}A = &= \int_0^{1.5} 1+\frac{1}{2}(x-2)^2 - \frac{1}{2}x^2 \ dx \\ &= \int_0^{1.5} 1+\frac{1}{2}(x^2-4x+4) - \frac{1}{2}x^2 \ dx \\ &= \int_0^{1.5} 3-2x \ dx \\ &= \left(3x-x^2\right)\biggm|_{0}^{1.5} \\ &= 4.5-2.25 \\ &= 2.25\end{aligned}\,. (b) (위의 그림을 바탕으로 영역 RR 을 y=−1y = -1 을 축으로 회전시킨 회전체의 그림을 직접 그려 보아야 한다.) 두께가 △x\triangle x 인 수직 단면으로 자르면 단면은 워셔(속이 빈 원판) 모양이 된다. y=−1y = -1 을 축으로 회전시키므로 바깥쪽 반지름은 R(x)=2+12(x−2)2R(x) = 2+\frac{1}{2}(x-2)^2 이고, 안쪽 반지름은 1+12x21+\frac{1}{2}x^2 이다. 따라서 두께가 △x\triangle x 인 대표적인 조각의 부피는 V조각≈π(R(x)2−r(x)2)△x=π[(2+12(x−2)2)2−(1+12x2)2]△x .V_{\text{조각}} \approx \pi \left( R(x)^2 - r(x)^2 \right) \triangle x = \pi\left[\left(2+\frac{1}{2}(x-2)^2\right)^2 - \left(1+\frac{1}{2}x^2\right)^2 \right] \triangle x\,. 로 주어진다. 그러므로 영역 RR 을 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시켜 얻은 회전체의 부피는 V=∫01.5π[(2+12(x−2)2)2−(1+12x2)2] dx=31532πV = \int_0^{1.5} \pi\left[\left(2+\frac{1}{2}(x-2)^2\right)^2 - \left(1+\frac{1}{2}x^2\right)^2 \right] \ dx = \frac{315}{32} \pi 이다. (c) (영역 RR 을 yy축을 축으로 회전시킨 회전체의 그림을 직접 그려 보아야 한다.) 수평으로 자르면 단면은 두께가 △y\triangle y 인 원기둥 모양(원판)이 된다. yy 가 f(32)=98=1.125f\left(\frac{3}{2}\right) = \frac{9}{8} = 1.125 를 지나면서 원판의 반지름이 달라지므로 전체 부피를 구하려면 서로 다른 두 정적분이 필요하다. 수평으로 자르므로 yy 에 대해 적분하게 되고, 따라서 두 방정식을 모두 yy 의 함수로서 xx 에 대해 풀어야 한다. y=1+12(x−2)2y = 1+\frac{1}{2}(x-2)^2 에서 2(y−1)=(x−2)22(y-1) = (x-2)^2 이므로 x−2=±2(y−1)x-2 = \pm \sqrt{2(y-1)} 이고 따라서 x=2±2(y−1)x = 2 \pm \sqrt{2(y-1)} 이며, 마찬가지로 y=12x2y = \frac{1}{2}x^2 에서 x=±2yx = \pm \sqrt{2y} 이다. 곡선 y=1+12(x−2)2y = 1+\frac{1}{2}(x-2)^2 중에서 경계 하나를 이루는 부분은 포물선의 왼쪽 부분이므로 x=2−2(y−1)x = 2 - \sqrt{2(y-1)} 이고, 곡선 y=12x2y = \frac{1}{2}x^2 중에서 다른 경계를 이루는 부분은 포물선의 오른쪽 부분이므로 x=2yx = \sqrt{2y} 이다. 이 두 곡선이 원판의 반지름을 정하며(y<1.125y < 1.125 일 때는 하나, y>1.125y > 1.125 일 때는 다른 하나), 영역의 가장 낮은 점은 (0,0)(0,0) 이고 가장 높은 점은 (0,3)(0,3) 이다. 따라서 영역 RR 을 yy축을 축으로 회전시켜 얻은 회전체의 부피를 나타내는 적분의 합은 V=∫01.125π(2y)2 dy+∫1.1253π(2−2(y−1))2 dy≈7.06858347V = \int_{0}^{1.125} \pi \left(\sqrt{2y}\right)^2 \ dy + \int_{1.125}^3 \pi \left(2 - \sqrt{2(y-1)}\right)^2 \ dy \approx 7.06858347 이다. (d) 구간 [a,b][a,b] 에서 함수 ff 로 정의된 곡선의 길이는 ∫ab1+(f′(x))2 dx .\int_a^b \sqrt{1+(f'(x))^2} \ dx\,. 로 주어짐을 기억하자. 영역 RR 의 둘레를 구하려면 구간 [0,1.5][0,1.5] 에서 y=1+12(x−2)2y = 1+\frac{1}{2}(x-2)^2 (이때 y′=x−2y' = x-2) 과 y=12x2y=\frac{1}{2}x^2 (이때 y′=xy' = x) 로 정의된 곡선의 길이와, yy 가 00 에서 33 까지 변할 때 x=0x=0 을 따라 놓인 선분의 길이를 계산한다. 이 마지막 길이는 33 이므로 영역 RR 의 둘레는 P=3+∫01.51+(x−2)2+1+x2 dx≈7.387234642 .P = 3 + \int_0^{1.5} \sqrt{1+(x-2)^2} + \sqrt{1+x^2} \ dx \approx 7.387234642\,. 로 주어진다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) This image shows the region R in the first quadrant that is bounded by the curves g(x) = 1+ frac 1 2 (x-2) 2 and f(x)= frac 1 2 x 2, along with the vertical axis, x = 0. The function g bounds the top A picture of the region is shown in the figure above. The point of intersection occurs when 1+12(x−2)2=12x2 ,1+\frac{1}{2}(x-2)^2 = \frac{1}{2}x^2\,, so 2+(x−2)2=x22+(x-2)^2 = x^2, which implies 2+(x2−4x+4)=x22+(x^2-4x+4) = x^2 and thus 4x=64x=6 so x=32x = \frac{3}{2}. Since g(x)=1+12(x−2)2≥12x2=f(x)g(x) = 1+\frac{1}{2}(x-2)^2 \ge \frac{1}{2}x^2 = f(x) on the interval [0,32]\left[0, \frac{3}{2} \right], the area of the region between the two curves is A==∫01.51+12(x−2)2−12x2 dx=∫01.51+12(x2−4x+4)−12x2 dx=∫01.53−2x dx=(3x−x2)∣01.5=4.5−2.25=2.25 .\begin{aligned}A = &= \int_0^{1.5} 1+\frac{1}{2}(x-2)^2 - \frac{1}{2}x^2 \ dx \\ &= \int_0^{1.5} 1+\frac{1}{2}(x^2-4x+4) - \frac{1}{2}x^2 \ dx \\ &= \int_0^{1.5} 3-2x \ dx \\ &= \left(3x-x^2\right)\biggm|_{0}^{1.5} \\ &= 4.5-2.25 \\ &= 2.25\end{aligned}\,. (b) (You should draw a picture of the solid, based on the figure above, with the region RR revolved about y=−1y = -1.) We slice vertically so that our cross sections are washers with thickness △x\triangle x. Because we are revolving about y=−1y = -1, the outer radius is R(x)=2+12(x−2)2R(x) = 2+\frac{1}{2}(x-2)^2, while the inner radius is 1+12x21+\frac{1}{2}x^2. Hence the volume of a typical slice, which has thickness △x\triangle x is given by Vslice≈π(R(x)2−r(x)2)△x=π[(2+12(x−2)2)2−(1+12x2)2]△x .V_{\text{slice}} \approx \pi \left( R(x)^2 - r(x)^2 \right) \triangle x = \pi\left[\left(2+\frac{1}{2}(x-2)^2\right)^2 - \left(1+\frac{1}{2}x^2\right)^2 \right] \triangle x\,. Hence, the volume of the solid obtained by revolving the region RR around the line y=−1y=-1 is given by V=∫01.5π[(2+12(x−2)2)2−(1+12x2)2] dx=31532πV = \int_0^{1.5} \pi\left[\left(2+\frac{1}{2}(x-2)^2\right)^2 - \left(1+\frac{1}{2}x^2\right)^2 \right] \ dx = \frac{315}{32} \pi (c) (Draw a picture of the solid, based on revolving the region RR about the yy-axis.) We slice horizontally and thus the resulting cross sections are cylinders with thickness △y\triangle y. The radius of the disks changes as yy passes through f(32)=98=1.125f\left(\frac{3}{2}\right) = \frac{9}{8} = 1.125, so we need two different integrals to find the total volume. Since we are slicing horizontally, we will integrate with respect to yy, so we need to solve both of our equations for xx as functions of yy. Observe that y=1+12(x−2)2y = 1+\frac{1}{2}(x-2)^2 implies 2(y−1)=(x−2)22(y-1) = (x-2)^2, so x−2=±2(y−1)x-2 = \pm \sqrt{2(y-1)} and thus x=2±2(y−1)x = 2 \pm \sqrt{2(y-1)}, and similarly y=12x2y = \frac{1}{2}x^2 implies x=±2yx = \pm \sqrt{2y}. The portion of the curve defined by y=1+12(x−2)2y = 1+\frac{1}{2}(x-2)^2 that determines one of the boundaries is the left hand portion of the parabola, so x=2−2(y−1)x = 2 - \sqrt{2(y-1)}, while the portion of the curve y=12x2y = \frac{1}{2}x^2 that determines the other boundary is the right hand portion of the parabola, so x=2yx = \sqrt{2y}. These two curves define the radius of the disk (one for y<1.125y < 1.125, the other for y>1.125y > 1.125) and the lowest point on the region is (0,0)(0,0) while the highest is (0,3)(0,3). So a sum of integrals that represents the volume of the solid obtained by revolving the region RR around the yy-axis is V=∫01.125π(2y)2 dy+∫1.1253π(2−2(y−1))2 dy≈7.06858347V = \int_{0}^{1.125} \pi \left(\sqrt{2y}\right)^2 \ dy + \int_{1.125}^3 \pi \left(2 - \sqrt{2(y-1)}\right)^2 \ dy \approx 7.06858347 (d) Recall that the length of a curve defined by a function ff on an interval [a,b][a,b] is given by ∫ab1+(f′(x))2 dx .\int_a^b \sqrt{1+(f'(x))^2} \ dx\,. To find the perimeter of the region RR we calculate the length of the curves defined by y=1+12(x−2)2y = 1+\frac{1}{2}(x-2)^2 (for which y′=x−2y' = x-2) and y=12x2y=\frac{1}{2}x^2 (for which y′=xy' = x) on the interval [0,1.5][0,1.5] and the length of the segment along x=0x=0 as yy goes from 00 to 33. This last length is 33, so the perimeter of the region RR is given by P=3+∫01.51+(x−2)2+1+x2 dx≈7.387234642 .P = 3 + \int_0^{1.5} \sqrt{1+(x-2)^2} + \sqrt{1+x^2} \ dx \approx 7.387234642\,.

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