문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 적분

미적분의 기본정리

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

Active Calculus · 4.4절 · 11번우리말 번역

함수 ff 가 다음과 같이 구간별로 정의되어 있습니다.

f(x)={−x2+2x+1, ( 0≤x<2 일 때)−x+3, ( 2≤x<3 일 때)x2−8x+15, ( 3≤x≤5 일 때) .f(x) = \begin{cases} -x^2 + 2x + 1, \ \text{(}\ 0 \le x < 2\text{ 일 때)}\\ -x + 3, \ \text{(}\ 2 \le x < 3\text{ 일 때)}\\ x^2 - 8x + 15, \ \text{(}\ 3 \le x \le 5\text{ 일 때)}\end{cases}\,.

(a) 구간 [2,5][2,5] 에서 ff 와 xx축으로 둘러싸인 영역의 부호 있는 넓이의 합을 정확한 값으로 구하세요. (b) 구간 [0,5][0,5] 에서 ff 의 평균값을 정확한 값으로 구하세요. (c) 위의 ff 의 정의를 5≤x≤75 \le x \le 7 일 때 f(x)=g(x)f(x) = g(x) 가 되도록 확장했을 때 ∫07f(x) dx=0\int_0^7 f(x) \, dx = 0 이 성립하도록 하는, 5≤x≤75 \le x \le 7 에서의 함수 gg 의 식을 구하세요.

영어 원문 보기

A function ff is given piecewise by the formula

f(x)={−x2+2x+1, if 0≤x<2−x+3, if 2≤x<3x2−8x+15, if 3≤x≤5 .f(x) = \begin{cases} -x^2 + 2x + 1, \ \text{if} \ 0 \le x < 2 \\ -x + 3, \ \text{if} \ 2 \le x < 3 \\ x^2 - 8x + 15, \ \text{if} \ 3 \le x \le 5 \end{cases}\,.

(a) Determine the exact value of the net signed area enclosed by ff and the xx-axis on the interval [2,5][2,5]. (b) Compute the exact average value of ff on [0,5][0,5]. (c) Find a formula for a function gg on 5≤x≤75 \le x \le 7 so that if we extend the above definition of ff so that f(x)=g(x)f(x) = g(x) if 5≤x≤75 \le x \le 7, it follows that ∫07f(x) dx=0\int_0^7 f(x) \, dx = 0.

정답·풀이 보기

(a) 구간 [2,5][2,5] 에서 ff 와 xx축으로 둘러싸인 영역의 부호 있는 넓이의 합은 ∫25f(x) dx\int_2^5 f(x) \, dx 이다. 아래 그림은 구간 [0,5][0,5] 에서 ff 의 그래프를 나타낸 것이다. 구간 [2,5][2,5] 에서 ff 의 정적분을 계산하기 위해 부분구간 [2,3][2,3] 과 [3,5][3,5] 에서의 적분을 생각한다. 이렇게 하고 미적분의 기본정리를 이용하면 ∫25f(x) dx=∫23f(x) dx+∫35f(x) dx=∫23−x+3 dx+∫35x2−8x+15 dx=(−12x2+3x)∣23+(13x3−4x2+15x)∣35=(92−4)+(503−18)=1276−22=−56 .\begin{aligned}\int_2^5 f(x) \, dx &= \int_2^3 f(x) \, dx + \int_3^5 f(x) \, dx \\ &= \int_2^3 -x+3 \, dx + \int_3^5 x^2-8x+15 \, dx \\ &= \left. \left( -\frac{1}{2}x^2 + 3x \right)\right|_2^3 + \left. \left( \frac{1}{3}x^3 - 4x^2 + 15x \right)\right|_3^5 \\ &= \left(\frac{9}{2}-4\right) + \left( \frac{50}{3}-18 \right) \\ &= \frac{127}{6} - 22 = -\frac{5}{6}\end{aligned}\,. 이 이미지에 대체 텍스트를 추가하세요. (b) 구간 [0,5][0,5] 에서 ff 의 평균값을 구하려면 먼저 ∫05f(x) dx\int_0^5 f(x) \, dx 를 계산해야 한다. (a)의 결과를 이용하고 부분구간 [0,2][0,2] 와 [2,5][2,5] 를 생각하면 ∫05f(x) dx=∫02f(x) dx+∫25f(x) dx=∫02−x2+2x+1 dx−56=(−13x3+x2+x)∣02−56=103−56=52 .\begin{aligned}\int_0^5 f(x) \, dx &= \int_0^2 f(x) \, dx + \int_2^5 f(x) \, dx \\ &= \int_0^2 -x^2 + 2x + 1 \, dx - \frac{5}{6} \\ &= \left. \left( -\frac{1}{3}x^3 + x^2 + x \right)\right|_0^2 - \frac{5}{6} \\ &= \frac{10}{3} - \frac{5}{6} \\ &= \frac{5}{2}\end{aligned}\,. 따라서 구간 [0,5][0,5] 에서 ff 의 평균값은 fAVG⁡[0,5]=15−0∫05f(x) dx=(15)(52)=12 .\displaystyle f_{\operatorname{AVG} [0,5]} = \frac{1}{5-0} \int_0^5 f(x) \, dx = \left(\frac{1}{5}\right) \left(\frac{5}{2}\right) = \frac{1}{2}\,. (c) ∫05f(x) dx=52\int_0^5 f(x) \, dx = \frac{5}{2} 이므로, ff 와 같으면서 [5,7][5,7] 에서도 정의되어 ∫57g(x) dx=−52\int_5^7 g(x) \, dx = -\frac{5}{2} 를 만족하는 함수 gg 가 필요하다. 연속성을 유지하기 위해 g(5)=0g(5) = 0 도 만족하도록 gg 의 식을 택한다. 그래프가 둘러싸는 넓이가 5/25/2 단위가 되는 일차함수를 고르는 것이 자연스러우며, 이는 기울기의 크기가 5/45/4 인 함수이다. 확인을 위해 계산하면 ∫57−54(x−5) dx=−(54)(x22−5x)∣57=−(54)(49−252−5(7−5))=−(54)(12−10)=−(54)(2)=−52 .\begin{aligned}\int_5^7 -\frac{5}{4}(x - 5) \, dx &= -\left(\frac{5}{4}\right) \left. \left(\frac{x^2}{2} - 5x\right) \right|_5^7 \\ &= -\left(\frac{5}{4}\right) \left( \frac{49-25}{2} - 5(7-5) \right) \\ &= -\left(\frac{5}{4}\right) \left( 12 - 10 \right) \\ &= -\left(\frac{5}{4}\right) \left( 2 \right) = -\frac{5}{2}\end{aligned}\,. 따라서 0≤x<50 \le x < 5 에서 g(x)=f(x)g(x) = f(x) 이고 5≤x≤75 \le x \le 7 에서 g(x)=−54(x−5)g(x) = -\frac{5}{4}(x - 5) 로 정의한 gg 는 원하는 성질을 가진다. gg 의 그래프는 아래 그림과 같다. 이 이미지에 대체 텍스트를 추가하세요.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The net signed area enclosed by ff and the xx-axis on the interval [2,5][2,5] is ∫25f(x) dx\int_2^5 f(x) \, dx. The figure below shows a graph of ff on the interval [0,5][0,5]. To calculate the definite integral of ff on the interval [2,5][2,5], we consider the integrals on the subintervals [2,3][2,3] and [3,5][3,5]. Doing so and using the Fundamental Theorem of Calculus, ∫25f(x) dx=∫23f(x) dx+∫35f(x) dx=∫23−x+3 dx+∫35x2−8x+15 dx=(−12x2+3x)∣23+(13x3−4x2+15x)∣35=(92−4)+(503−18)=1276−22=−56 .\begin{aligned}\int_2^5 f(x) \, dx &= \int_2^3 f(x) \, dx + \int_3^5 f(x) \, dx \\ &= \int_2^3 -x+3 \, dx + \int_3^5 x^2-8x+15 \, dx \\ &= \left. \left( -\frac{1}{2}x^2 + 3x \right)\right|_2^3 + \left. \left( \frac{1}{3}x^3 - 4x^2 + 15x \right)\right|_3^5 \\ &= \left(\frac{9}{2}-4\right) + \left( \frac{50}{3}-18 \right) \\ &= \frac{127}{6} - 22 = -\frac{5}{6}\end{aligned}\,. ADD ALT TEXT TO THIS IMAGE (b) To find the average value of ff on [0,5][0,5] we need to first calculate ∫05f(x) dx .\int_0^5 f(x) \, dx\,. Using our work in (a) and considering the subintervals [0,2][0,2] and [2,5][2,5], ∫05f(x) dx=∫02f(x) dx+∫25f(x) dx=∫02−x2+2x+1 dx−56=(−13x3+x2+x)∣02−56=103−56=52 .\begin{aligned}\int_0^5 f(x) \, dx &= \int_0^2 f(x) \, dx + \int_2^5 f(x) \, dx \\ &= \int_0^2 -x^2 + 2x + 1 \, dx - \frac{5}{6} \\ &= \left. \left( -\frac{1}{3}x^3 + x^2 + x \right)\right|_0^2 - \frac{5}{6} \\ &= \frac{10}{3} - \frac{5}{6} \\ &= \frac{5}{2}\end{aligned}\,. Therefore, the average value of ff on [0,5][0,5] is fAVG⁡[0,5]=15−0∫05f(x) dx=(15)(52)=12 .\displaystyle f_{\operatorname{AVG} [0,5]} = \frac{1}{5-0} \int_0^5 f(x) \, dx = \left(\frac{1}{5}\right) \left(\frac{5}{2}\right) = \frac{1}{2}\,. (c) Since ∫05f(x) dx=52\int_0^5 f(x) \, dx = \frac{5}{2}, we need a function gg that matches ff but that is also defined on [5,7][5,7] so that ∫57g(x) dx=−52\int_5^7 g(x) \, dx = -\frac{5}{2}. To preserve continuity, we will choose a formula for gg that also satisfies g(5)=0g(5) = 0. It's natural to pick a linear function whose graph encloses 5/25/2 units of area, so one that has a slope of 5/45/4. To check, we compute ∫57−54(x−5) dx=−(54)(x22−5x)∣57=−(54)(49−252−5(7−5))=−(54)(12−10)=−(54)(2)=−52 .\begin{aligned}\int_5^7 -\frac{5}{4}(x - 5) \, dx &= -\left(\frac{5}{4}\right) \left. \left(\frac{x^2}{2} - 5x\right) \right|_5^7 \\ &= -\left(\frac{5}{4}\right) \left( \frac{49-25}{2} - 5(7-5) \right) \\ &= -\left(\frac{5}{4}\right) \left( 12 - 10 \right) \\ &= -\left(\frac{5}{4}\right) \left( 2 \right) = -\frac{5}{2}\end{aligned}\,. So gg defined so that g(x)=f(x)g(x) = f(x) for 0≤x<50 \le x < 5 and g(x)=−54(x−5)g(x) = -\frac{5}{4}(x - 5) on 5≤x≤75 \le x \le 7 has the desired property. A graph of gg is shown in the figure below. ADD ALT TEXT TO THIS IMAGE

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 1.3절 · 7번우리말 번역

F(x)=∫2xe1/t dtF(x) = \displaystyle\int_{2}^x e^{1/t}\ \mathrm{d}t 라 하자. x=3x=3 일 때 y=F(x)y=F(x) 의 접선의 기울기를 구하세요.

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x=3x=3 일 때 y=F(x)y=F(x) 의 접선의 기울기는 바로 F′(3)F'(3) 이다. 미적분학의 기본정리 제1부에 의해 F′(x)=e1/xF'(x) = e^{1/x} 이다. 따라서 F′(3)=e1/3=e3F'(3) = e^{1/3} = \sqrt[3]{e} 이다.

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