문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

정적분과 급수(구분구적법)

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

Active Calculus · 4.2절 · 8번우리말 번역

함수 f(x)=3x+4f(x) = 3x + 4 를 생각하세요.

(a) 구간 [2,5][2,5] 에서 y=f(x)y=f(x) 에 대한 M4M_4 를 구하세요. Δx\Delta x 의 값과 x0,x1,…,x4x_0, x_1, \ldots, x_4 의 위치를 분명하게 밝히세요. 함수의 그래프와 합에 사용된 직사각형들을 정확하게 그려 넣으세요. (b) 익숙한 기하 공식을 사용하여, [2,5][2,5] 에서 y=f(x)y = f(x) 와 xx축으로 유계인 영역의 넓이의 정확한 값을 구하세요. (c) (a)와 (b)에서 구한 값이 같게 나오는 이유를 설명하세요. n=4n = 4 가 아닌 다른 수를 사용하여 MnM_n 을 구해도 이것이 참일까요? L4L_4 나 R4R_4 는 (b)에서 구한 영역의 정확한 넓이와 같은 값을 가질까요? (d) 구간 [a,b][a,b] 에서 함수 gg 와 xx축 사이에 유계인 부호 있는 순넓이를, nn 의 값에 상관없이 MnM_n 이 항상 정확하게 주는 함수 gg 들의 모임을 설명하세요.

영어 원문 보기

Consider the function f(x)=3x+4f(x) = 3x + 4.

(a) Compute M4M_4 for y=f(x)y=f(x) on the interval [2,5][2,5]. Be sure to clearly identify the value of Δx\Delta x, as well as the locations of x0,x1,…,x4x_0, x_1, \ldots, x_4. Include a careful sketch of the function and the corresponding rectangles being used in the sum. (b) Use a familiar geometric formula to determine the exact value of the area of the region bounded by y=f(x)y = f(x) and the xx-axis on [2,5][2,5]. (c) Explain why the values you computed in (a) and (b) turn out to be the same. Will this be true if we use a number different than n=4n = 4 and compute MnM_n? Will L4L_4 or R4R_4 have the same value as the exact area of the region found in (b)? (d) Describe the collection of functions gg for which it will always be the case that MnM_n, regardless of the value of nn, gives the exact net signed area bounded between the function gg and the xx-axis on the interval [a,b][a,b].

정답·풀이 보기

(a) [2,5][2,5] 에서 부분구간을 44개 사용하므로 △x=5−24=0.75\triangle x = \frac{5-2}{4} = 0.75 이다. 따라서 x0=2x_0 = 2, x1=2.75x_1 = 2.75, x2=3.5x_2 = 3.5, x3=4.25x_3 = 4.25, 그리고 x4=5x_4 = 5 이다. 각 부분구간의 중점은 x1‾=2+2.752=2.375\overline{x_1} = \frac{2+2.75}{2} = 2.375, x2‾=3.125\overline{x_2} = 3.125, x3‾=3.875\overline{x_3} = 3.875, 그리고 x4‾=4.625\overline{x_4} = 4.625 이다. 그러므로 M4=f(x1‾)⋅△x+f(x2‾)⋅△x+f(x3‾)⋅△x+f(x4‾)⋅△x=(f(2.375)+f(3.125)+f(3.875)+f(4.625))⋅(0.75)=(11.125+13.375+15.625+17.875)⋅(0.75)=58⋅0.75=43.5\begin{aligned}M_4 &= f(\overline{x_1}) \cdot \triangle x + f(\overline{x_2}) \cdot \triangle x + f(\overline{x_3}) \cdot \triangle x + f(\overline{x_4}) \cdot \triangle x \\ &= \left(f(2.375) + f(3.125) + f(3.875) + f(4.625) \right) \cdot (0.75) \\ &= \left(11.125 + 13.375 + 15.625 + 17.875 \right) \cdot (0.75) \\ &= 58 \cdot 0.75 \\ &= 43.5\end{aligned} M4M_4 의 핵심 부분을 나타낸 전체 그림은 아래 그림과 같다. 이 이미지에 대체 텍스트를 추가하세요 (b) f(2)=10f(2) = 10 이고 f(5)=19f(5) = 19 임을 알 수 있다. 함수, xx축, 그리고 양 끝점으로 유계인 영역은 사다리꼴이다. 사다리꼴의 넓이는 두 밑변의 평균에 높이를 곱한 것임을 떠올리면, 이 유계인 영역의 넓이는 A=12(10+19)(5−2)=872 A = \frac{1}{2}(10 + 19)(5-2) = \frac{87}{2}\, 이다. (c) M4M_4 가 직선과 xx축 사이의 정확한 넓이를 주는 이유는, 중점에서의 함숫값을 높이로 하는 직사각형이 각 부분구간의 두 끝점에서의 함숫값으로 만들어지는 사다리꼴과 넓이가 같기 때문이다. 다음 그림에서 보듯이, 중점 직사각형이 둘러싸는 "넘치는 넓이"가 중점 직사각형에서 빠져 있는 "모자란 넓이"와 정확히 일치한다는 점에서도 이를 알 수 있다. 이 두 양이 서로 상쇄되므로, 중점 직사각형들의 넓이는 곡선 아래의 정확한 넓이를 준다. 이 이미지에 대체 텍스트를 추가하세요 실제로 MnM_n 의 값은 nn 의 어떤 값에 대해서도 [2,5][2,5] 에서 gg 아래의 정확한 넓이를 준다. 그러나 LnL_n 과 RnR_n 은 정확하지 않다. LnL_n 은 모든 직사각형이 함수 gg 의 아래에 완전히 놓이므로 실제 넓이보다 작게 어림하고, RnR_n 은 모든 직사각형이 함수 위에 놓이므로 실제 넓이보다 크게 어림한다. (d) g(x)=mx+bg(x) = mx + b 꼴의 일차함수 gg 중에서, 다루는 구간에서 g(x)≥0g(x) \ge 0 이면 중점 법칙은 함수와 xx축으로 유계인 영역의 넓이의 정확한 값을 준다. 이는 주어진 부분구간에서 두 끝점으로 만들어지는 사다리꼴의 넓이가, 그 부분구간의 중점에서의 함숫값을 높이로 하는 직사각형의 넓이와 같기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since we are using 44 subintervals on [2,5][2,5], it follows that △x=5−24=0.75\triangle x = \frac{5-2}{4} = 0.75. Thus, x0=2x_0 = 2, x1=2.75x_1 = 2.75, x2=3.5x_2 = 3.5, x3=4.25x_3 = 4.25, and x4=5x_4 = 5. The midpoints of the respective subintervals are thus x1‾=2+2.752=2.375\overline{x_1} = \frac{2+2.75}{2} = 2.375, x2‾=3.125\overline{x_2} = 3.125, x3‾=3.875\overline{x_3} = 3.875, and x4‾=4.625\overline{x_4} = 4.625. Thus, M4=f(x1‾)⋅△x+f(x2‾)⋅△x+f(x3‾)⋅△x+f(x4‾)⋅△x=(f(2.375)+f(3.125)+f(3.875)+f(4.625))⋅(0.75)=(11.125+13.375+15.625+17.875)⋅(0.75)=58⋅0.75=43.5\begin{aligned}M_4 &= f(\overline{x_1}) \cdot \triangle x + f(\overline{x_2}) \cdot \triangle x + f(\overline{x_3}) \cdot \triangle x + f(\overline{x_4}) \cdot \triangle x \\ &= \left(f(2.375) + f(3.125) + f(3.875) + f(4.625) \right) \cdot (0.75) \\ &= \left(11.125 + 13.375 + 15.625 + 17.875 \right) \cdot (0.75) \\ &= 58 \cdot 0.75 \\ &= 43.5\end{aligned} An overall sketch of the key parts of M4M_4 is seen in the figure below. ADD ALT TEXT TO THIS IMAGE (b) Observe that f(2)=10f(2) = 10 and f(5)=19f(5) = 19. The region bounded by the function, the xx-axis, and the endpoints is a trapezoid. Recalling that the area of a trapezoid is the average of the bases times the height, we see that the bounded region has area A=12(10+19)(5−2)=872 .A = \frac{1}{2}(10 + 19)(5-2) = \frac{87}{2}\,. (c) The reason that M4M_4 gives the exact area between the line and the xx-axis is the rectangles with heights that come from the midpoint have the same area as the trapezoids that are formed by the function values at the two endpoints of each subinterval. We can also see this by observing that the “extra area” bounded by the midpoint rectangle exactly matches the “missing area” that is absent from the midpoint rectangle, as seen in the following figure. Since these two quantities balance out, the areas of the midpoint rectangles give us the exact area under the curve. ADD ALT TEXT TO THIS IMAGE Indeed, the value of MnM_n will give the exact area under gg on [2,5][2,5] for any value of nn. But neither LnL_n nor RnR_n will be exact: LnL_n will underestimate the true area since every rectangle will lie completely under the function gg, whereas RnR_n will overestimate because every rectangle lies above the function. (d) For any linear function gg of the form g(x)=mx+bg(x) = mx + b such that g(x)≥0g(x) \ge 0 on the interval of interest, the midpoint rule will give the exact value of the area bounded by the function and the xx-axis. This is true because the area of the trapezoid formed by the two endpoints on a given subinterval will be the same as the area of the rectangle whose height is given by the function at the midpoint of the subinterval.

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 1권 · 5.1절 · 11번우리말 번역

다음 연습문제에서 합의 성질과 공식을 이용하여 합을 다시 쓰고 값을 구하세요.

∑k=125[(2k)2−100k]\sum_{k=1}^{25}[{(2k)}^{2}-100k]

다 풀었으면 정답 확인

4∑k=125k2−100∑k=125k=4(25)(26)(51)6−50(25)(26)=−10,4004\sum_{k=1}^{25}{k}^{2}-100\sum_{k=1}^{25}k=\frac{4(25)(26)(51)}{6}-50(25)(26)=-10,400

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