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.

25문제 · 2 / 2쪽

21.OpenStax 1권 · 5.4절 · 45번우리말 번역

[계산기 사용] 앞 문제의 속도 방정식을 이용하여, 처음 거리가 0 mi라고 가정하고 이에 대응하는 거리 방정식을 구하세요. 자동차가 가속하는 동안 얼마나 멀리 이동했는지 구하세요. (힌트: 시간 단위를 바꾸어야 합니다.)

영어 원문 보기

[T] Using your velocity equation from the previous exercise, find the corresponding distance equation, assuming your initial distance is 0 mi. How far did you travel while you accelerated your car? (Hint: You will need to convert time units.)

정답·풀이 보기

s(t)=v(t)dt=∫(−730t3+0.72t2+10.44t+23.967)dt=−7120t4+0.723t3+10.442t2+23.967t+C=174.24 feets(t)=v(t)dt=\int \left(-\frac{7}{30}{t}^{3}+0.72{t}^{2}+10.44t+23.967\right)dt=-\frac{7}{120}{t}^{4}+\frac{0.72}{3}{t}^{3}+\frac{10.44}{2}{t}^{2}+23.967t+C=174.24\,\text{feet}

원본 교재 풀이(영어)

s(t)=v(t)dt=∫(−730t3+0.72t2+10.44t+23.967)dt=−7120t4+0.723t3+10.442t2+23.967t+C=174.24 feets(t)=v(t)dt=\int \left(-\frac{7}{30}{t}^{3}+0.72{t}^{2}+10.44t+23.967\right)dt=-\frac{7}{120}{t}^{4}+\frac{0.72}{3}{t}^{3}+\frac{10.44}{2}{t}^{2}+23.967t+C=174.24\,\text{feet}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.2절 · 72번
# 정적분의 뜻과 성질활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
22.APEX · 5.2절 · 17번우리말 번역

물체가 48피트의 높이에서 똑바로 위로 던져졌으며, 속도(단위: ft/s)는 v(t)=−32t+64v(t) = -32t+64 로 주어진다. 여기서 tt 의 단위는 초이다.

(a) 물체의 최대 속도를 구하세요. (b) 물체의 최대 변위를 구하세요. (c) 최대 변위가 일어나는 때는 언제인지 구하세요. (d) 물체의 높이가 0이 되는 때는 언제인지 구하세요. (힌트: 변위가 −48-48ft 가 되는 때를 구하세요.)

영어 원문 보기

An object is thrown straight up with a velocity, in ft/s, given by v(t)=−32t+64v(t) = -32t+64, where tt is in seconds, from a height of 48 feet.

(a) What is the object's maximum velocity? (b) What is the object's maximum displacement? (c) When does the maximum displacement occur? (d) When will the object reach a height of 0? (Hint: find when the displacement is −48-48ft.)

정답·풀이 보기

(a) 64ft/s (b) 64ft (c) t=2t=2 (d) t=2+7≈4.65t=2+\sqrt{7}\approx 4.65초

원본 교재 풀이(영어)

(a) 64ft/s (b) 64ft (c) t=2t=2 (d) t=2+7≈4.65t=2+\sqrt{7}\approx 4.65 seconds

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 5.2절 · 4번
# 정적분의 뜻과 성질활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
23.APEX · 5.2절 · 18번우리말 번역

물체가 64피트의 높이에서 똑바로 위로 던져졌으며, 속도(단위: ft/s)는 v(t)=−32t+96v(t) = -32t+96 로 주어진다. 여기서 tt 의 단위는 초이다.

(a) 물체의 처음 속도를 구하세요. (b) 물체의 변위가 0이 되는 때는 언제인지 구하세요. (c) 물체가 처음 높이로 되돌아오는 데 걸리는 시간을 구하세요. (d) 물체의 높이가 210피트에 도달하는 때는 언제인지 구하세요.

영어 원문 보기

An object is thrown straight up with a velocity, in ft/s, given by v(t)=−32t+96v(t) = -32t+96, where tt is in seconds, from a height of 64 feet.

(a) What is the object's initial velocity? (b) When is the object's displacement 0? (c) How long does it take for the object to return to its initial height? (d) When will the object reach a height of 210 feet?

정답·풀이 보기

(a) 96ft/s (b) 6초 (c) 6초 (d) 도달하지 않는다; 최대 높이는 208ft이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) 96ft/s (b) 6 seconds (c) 6 seconds (d) Never; the maximum height is 208ft.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 5.2절 · 1번
# 정적분의 뜻과 성질활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
24.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} .
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.2절 · 15번
# 정적분의 뜻과 성질활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
25.Active Calculus · 4.3절 · 10번우리말 번역

움직이는 물체의 속도가 v(t)=t(t−1)(t−3)v(t) = t(t-1)(t-3) (단위: 피트/초)로 주어지고, 이 함수는 0≤t≤40 \le t \le 4 에서 성립한다고 하자.

(a) 구간 [0,4][0,4] 에서 물체의 위치 변화량의 총합과 값이 같은, 정적분을 이용한 식을 쓰세요. (b) 적절한 도구(애플릿 등)를 사용하여 리만 합을 계산해 구간 [0,4][0,4] 에서 물체의 위치 변화량의 총합을 어림하세요. 어림값이 소수 둘째 자리까지 정확하도록 계산하고, 그렇다고 판단한 근거를 설명하세요. (c) 구간 [0,4][0,4] 에서 물체가 이동한 총 거리와 값이 같은, 정적분을 이용한 식을 쓰세요. (d) 적절한 도구를 사용하여 리만 합을 계산해 구간 [0,4][0,4] 에서 물체가 이동한 총 거리를 어림하세요. 어림값이 소수 둘째 자리까지 정확하도록 계산하고, 그렇다고 판단한 근거를 설명하세요. (e) 구간 [0,4][0,4] 에서 물체의 평균 속도를 소수 둘째 자리까지 정확하게 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose that the velocity of a moving object is given by v(t)=t(t−1)(t−3)v(t) = t(t-1)(t-3), measured in feet per second, and that this function is valid for 0≤t≤40 \le t \le 4.

(a) Write an expression involving definite integrals whose value is the total change in position of the object on the interval [0,4][0,4]. (b) Use appropriate technology (such as an applet) to compute Riemann sums to estimate the object's total change in position on [0,4][0,4]. Work to ensure that your estimate is accurate to two decimal places, and explain how you know this to be the case. (c) Write an expression involving definite integrals whose value is the total distance traveled by the object on [0,4][0,4]. (d) Use appropriate technology to compute Riemann sums to estimate the object's total distance travelled on [0,4][0,4]. Work to ensure that your estimate is accurate to two decimal places, and explain how you know this to be the case. (e) What is the object's average velocity on [0,4][0,4], accurate to two decimal places?

정답·풀이 보기

(a) v(t)=0v(t) = 0 인 때는 t=0t = 0, t=1t = 1, t=3t = 3 이고, 구간 0<t<10 < t < 1 과 3<t<43 < t < 4 에서는 v(t)v(t) 가 양수이며, 1<t<31 < t < 3 에서는 v(t)v(t) 가 음수이다. 따라서 물체의 위치 변화량의 총합 PP 는 다음과 같다. P=∫01v(t) dt+∫13v(t) dt+∫34v(t) dt=∫04v(t) dt .P = \int_0^1 v(t) \, dt + \int_1^3 v(t) \, dt + \int_3^4 v(t) \, dt = \int_0^4 v(t) \, dt\,. (b) 계산 도구를 이용하여 중점 규칙으로 위치 변화량의 총합 ∫04v(t) dt\int_0^4 v(t) \, dt 를 어림한다. M25=2.6496M_{25} = 2.6496, M50=2.6624M_{50} = 2.6624, M75=2.66477M_{75} = 2.66477, M100=2.6656M_{100} = 2.6656 을 얻는다. 소구간의 수를 늘려도 소수 첫째 자리와 둘째 자리가 변하지 않는 것으로 보이므로, P=∫04v(t) dt≈2.665P = \int_0^4 v(t) \, dt \approx 2.665 는 소수 둘째 자리까지 정확하다고 할 수 있다. (c) (a)에서 v(t)v(t) 의 부호를 살펴보았다. 특히 1<t<31 < t < 3 에서 v(t)<0v(t) < 0 이므로 ∫13v(t) dt\int_1^3 v(t) \, dt 는 음의 위치 변화량을 준다. 따라서 이 구간에서 이동한 거리는 −∫13v(t) dt-\int_1^3 v(t) \, dt 이고, 구간 [0,4][0,4] 에서 이동한 총 거리 DD 는 다음과 같다. D=∫01v(t) dt−∫13v(t) dt+∫34v(t) dt .D = \int_0^1 v(t) \, dt - \int_1^3 v(t) \, dt + \int_3^4 v(t) \, dt\,. (d) 리만 합으로 DD 를 어림하려면 세 정적분을 각각 어림해야 한다. 그 결과는 다음과 같다.

  • ∫01v(t) dt≈M100=0.41669\int_0^1 v(t) \, dt \approx M_{100} = 0.41669,
  • ∫13v(t) dt≈M100=−2.6668\int_1^3 v(t) \, dt \approx M_{100} = -2.6668, 그리고
  • ∫14v(t) dt≈M100=4.91667\int_1^4 v(t) \, dt \approx M_{100} = 4.91667 MnM_n 에서 여러 가지 nn 의 값으로 계산해 보면, 이 각각의 어림값은 적어도 소수 33 째 자리까지 정확함을 알 수 있다. 따라서 이들의 합은 적어도 소수 22 째 자리까지 정확하리라 기대할 수 있다. 그러므로 D=∫01v(t) dt−∫13v(t) dt+∫34v(t) dt≈0.41669−(−2.6668)+4.91667=8.00016 .D = \int_0^1 v(t) \, dt - \int_1^3 v(t) \, dt + \int_3^4 v(t) \, dt \approx 0.41669 - (-2.6668) + 4.91667 = 8.00016\,. 따라서 D≈8.00016D \approx 8.00016 은 적어도 소수 22 째 자리까지 정확한 이동 거리의 어림값이다. (e) 구간 [0,4][0,4] 에서의 평균 속도는 다음 적분식으로 주어진다. vAVG⁡[0,4]=14−0∫04v(t) dt .v_{\operatorname{AVG} [0,4]} = \frac{1}{4-0} \int_0^4 v(t) \, dt\,. (b)에서 이 정적분을 어림했으므로 그 결과를 이용하면 vAVG⁡[0,4]≈14−02.665=0.66625v_{\operatorname{AVG} [0,4]} \approx \frac{1}{4-0} 2.665 = 0.66625 피트/초가 물체의 평균 속도이며, 적어도 소수 둘째 자리까지 정확하다. 위치 변화량의 총합이 양수이므로 평균 속도가 양수인 것은 타당하다.
원본 교재 풀이(영어)

(a) We observe that v(t)=0v(t) = 0 at t=0t = 0, t=1t = 1, and t=3t = 3, and v(t)v(t) is positive on the intervals 0<t<10 < t < 1 and 3<t<43 < t < 4, while v(t)v(t) is negative on 1<t<31 < t < 3. The total change in position, PP, of the object is thus given by P=∫01v(t) dt+∫13v(t) dt+∫34v(t) dt=∫04v(t) dt .P = \int_0^1 v(t) \, dt + \int_1^3 v(t) \, dt + \int_3^4 v(t) \, dt = \int_0^4 v(t) \, dt\,. (b) Using computational technology, we use the midpoint rule to estimate the total change of position, ∫04v(t) dt\int_0^4 v(t) \, dt. We find that M25=2.6496M_{25} = 2.6496, M50=2.6624M_{50} = 2.6624, M75=2.66477M_{75} = 2.66477, and M100=2.6656M_{100} = 2.6656. Since it appears that neither of the first two decimal places are changing as we increase the number of subintervals, it looks like P=∫04v(t) dt≈2.665P = \int_0^4 v(t) \, dt \approx 2.665 is accurate to two decimal places. (c) We noted in (a) where v(t)v(t) is positive and negative. In particular, on 1<t<31 < t < 3, v(t)<0v(t) < 0, and thus ∫13v(t) dt\int_1^3 v(t) \, dt will give us a negative change in position; the distance traveled on this interval is therefore −∫13v(t) dt-\int_1^3 v(t) \, dt, and hence the total distance traveled, DD, on [0,4][0,4] is D=∫01v(t) dt−∫13v(t) dt+∫34v(t) dt .D = \int_0^1 v(t) \, dt - \int_1^3 v(t) \, dt + \int_3^4 v(t) \, dt\,. (d) To use Riemann sums to estimate DD, we have to estimate each of the three integrals individually. We find that

  • ∫01v(t) dt≈M100=0.41669\int_0^1 v(t) \, dt \approx M_{100} = 0.41669,
  • ∫13v(t) dt≈M100=−2.6668\int_1^3 v(t) \, dt \approx M_{100} = -2.6668, and
  • ∫14v(t) dt≈M100=4.91667\int_1^4 v(t) \, dt \approx M_{100} = 4.91667 From experimenting with different nn-values in MnM_n, it is apparent that each of these individual estimates is accurate to at least 33 decimal places, and thus we expect their sum to be accurate to at least 22. Hence, D=∫01v(t) dt−∫13v(t) dt+∫34v(t) dt≈0.41669−(−2.6668)+4.91667=8.00016 .D = \int_0^1 v(t) \, dt - \int_1^3 v(t) \, dt + \int_3^4 v(t) \, dt \approx 0.41669 - (-2.6668) + 4.91667 = 8.00016\,. Therefore D≈8.00016D \approx 8.00016 is an estimate of distance traveled accurate to at least 22 decimal places. (e) We know that the average velocity on [0,4][0,4] is given by the integral expression vAVG⁡[0,4]=14−0∫04v(t) dt .v_{\operatorname{AVG} [0,4]} = \frac{1}{4-0} \int_0^4 v(t) \, dt\,. We estimated the definite integral in (b), so using that result, vAVG⁡[0,4]≈14−02.665=0.66625v_{\operatorname{AVG} [0,4]} \approx \frac{1}{4-0} 2.665 = 0.66625 feet per second is the object's average velocity, accurate to at least two decimal places. It makes sense that the average velocity is positive since the total change in position is positive.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.2절 · 24번
# 정적분의 뜻과 성질활용자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)