문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 적분

정적분의 뜻과 성질

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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 문제OpenStax 1권 · 5.2절 · 24번우리말 번역

다음 연습문제에서 넓이 공식을 이용하여 적분의 값을 구하세요.

∫−23(3−∣x∣)dx{\int }_{-2}^{3}(3-|x|)dx

다 풀었으면 정답 확인

이 적분은 "큰" 삼각형의 넓이에서 "빠진" 삼각형의 넓이를 뺀 값, 9−129-\frac{1}{2} 이다.

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