문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 적분

정적분의 뜻과 성질

정적분을 넓이로 이해하고, 구간 나누기·대칭 같은 성질로 값을 구한다

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

1문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 1.2절 · 16번우리말 번역

어떤 (양의 값이라고 하자) 상수 aa, bb에 대하여 타원 (ax)2+(by)2=1(ax)^2+(by)^2=1 의 넓이를 구하려고 한다.

(a) 이 방정식을 타원의 위쪽 절반에 대해 푸세요. 답은 “y=⋯y=\cdots" 꼴이어야 합니다. (b) 타원의 위쪽 절반의 넓이를 나타내는 적분을 쓰세요. 적분의 성질을 이용하여 피적분함수가 원의 위쪽 절반처럼 보이게 하세요. (c) 기하학적 방법과 (b)의 답을 이용하여 타원의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

We want to compute the area of an ellipse, (ax)2+(by)2=1(ax)^2+(by)^2=1 for some (let's say positive) constants aa and bb.

(a) Solve the equation for the upper half of the ellipse. It should have the form “y=⋯y=\cdots" (b) Write an integral for the area of the upper half of the ellipse. Using properties of integrals, make the integrand look like the upper half of a circle. (c) Using geometry and your answer to part (b), find the area of the ellipse.

정답·풀이 보기

(a) (ax)2+(by)2=1by=1−(ax)2y=1b1−(ax)2\begin{aligned} (ax)^2+(by)^2&=1\\ by&=\sqrt{1-(ax)^2}\\ y &= \frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2} \end{aligned} (b) 위 함수의 정의역에 속하는 xx의 값은 1−(ax)2≥01-(ax)^2 \geq 0 을 만족하는 값이다. 즉 −1a≤x≤1a-\frac{1}{a}\leq x \leq \frac{1}{a} 이다. 따라서 타원의 위쪽 절반의 넓이는 다음과 같다.

1b∫−1a1a1−(ax)2 dx원의 위쪽 절반의 방정식은 y=r2−x2 이다. =1b∫−1a1aa2(1a2−x2) dx=1b∫−1a1aa1a2−x2 dx=ab∫−1a1a1a2−x2 dx\begin{aligned} \displaystyle\frac{1}{b}&\displaystyle\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}\sqrt{1-(ax)^2}\ \mathrm{d}x \\ \text{원의 위쪽 절반의 방정식은 $y=\sqrt{r^2-x^2}$ 이다. } \\ &=\frac{1}{b}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}\sqrt{a^2\left(\frac{1}{a^2}-x^2\right)}\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{b}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}a\sqrt{\frac{1}{a^2}-x^2}\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{a}{b}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}\sqrt{\frac{1}{a^2}-x^2}\ \mathrm{d}x \end{aligned} (c) 함수 y=1a2−x2y=\sqrt{\dfrac{1}{a^2}-x^2} 은 원점을 중심으로 하고 반지름이 1a\dfrac{1}{a} 인 원의 위쪽 절반이다. 따라서 (b)의 식의 값은 (ab)π2a2=π2ab\left(\dfrac{a}{b}\right)\dfrac{\pi}{2a^2} = \dfrac{\pi}{2ab} 이다.

(b)의 식은 타원의 절반이었으므로, 타원의 넓이는 πab\dfrac{\pi}{ab} 이다.

참고: 이 방법은 결과를 얻기에는 다소 길게 돌아가는 방법이었다. 기본적인 추론은 다음과 같다.

  • 단위원 x2+y2=1x^2+y^2=1 의 넓이는 π\pi 이다.
  • 타원 (ax)2+y2=1(ax)^2+y^2=1 은 단위원을 가로 방향으로 aa배만큼 줄인 것이다. 따라서 그 넓이는 πa\dfrac{\pi}{a} 이다.
  • 또한 타원 (ax)2+(by)2=1(ax)^2+(by)^2=1 은 앞의 타원을 세로 방향으로 bb배만큼 줄인 것이다. 따라서 그 넓이는 πab\dfrac{\pi}{ab} 이다.
원본 교재 풀이(영어)

(a) (ax)2+(by)2=1by=1−(ax)2y=1b1−(ax)2\begin{aligned} (ax)^2+(by)^2&=1\\ by&=\sqrt{1-(ax)^2}\\ y &= \frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2} \end{aligned} (b) The values of xx in the domain of the function above are those that satisfy 1−(ax)2≥01-(ax)^2 \geq 0. That is, −1a≤x≤1a-\frac{1}{a}\leq x \leq \frac{1}{a}. Therefore, the upper half of the ellipse has area

1b∫−1a1a1−(ax)2 dxThe upper half of a circle has equation y=r2−x2. =1b∫−1a1aa2(1a2−x2) dx=1b∫−1a1aa1a2−x2 dx=ab∫−1a1a1a2−x2 dx\begin{aligned} \displaystyle\frac{1}{b}&\displaystyle\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}\sqrt{1-(ax)^2}\ \mathrm{d}x \\ \text{The upper half of a circle has equation $y=\sqrt{r^2-x^2}$. } \\ &=\frac{1}{b}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}\sqrt{a^2\left(\frac{1}{a^2}-x^2\right)}\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{b}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}a\sqrt{\frac{1}{a^2}-x^2}\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{a}{b}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}\sqrt{\frac{1}{a^2}-x^2}\ \mathrm{d}x \end{aligned} (c) The function y=1a2−x2y=\sqrt{\dfrac{1}{a^2}-x^2} is the upper-half of the circle centred at the origin with radius 1a\dfrac{1}{a}. So, the expression from (b) evaluates to (ab)π2a2=π2ab\left(\dfrac{a}{b}\right)\dfrac{\pi}{2a^2} = \dfrac{\pi}{2ab}.

The expression from (b) was half of the ellipse, so the area of the ellipse is πab\dfrac{\pi}{ab}.

Remark: this was a slightly long-winded way of getting the result. The reasoning is basically this:

  • The area of the unit circle x2+y2=1x^2+y^2=1 is π\pi .
  • The ellipse (ax)2+y2=1(ax)^2+y^2=1 is obtained by shrinking the unit circle horizontally by a factor of aa. So, its area is πa\dfrac{\pi}{a} .
  • Further, the ellipse (ax)2+(by)2=1(ax)^2+(by)^2=1 is obtained from the previous ellipse by shrinking it vertically by a factor of bb. So, its area is πab\dfrac{\pi}{ab} .
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