문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분 기법

수치적분

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Active Calculus · 5.6절 · 7번대학 수준우리말 번역

미주리주 브랜슨의 화이트 강에 있는 테이블 록 댐을 통과하는 물의 흐름 속도는 초당 세제곱피트(CFS)로 측정한다. 기술자들이 수문을 열면서 유량을 기록한 결과는 다음 표와 같다.

물의 유량 자료.

시간(초), tt 00 1010 2020 3030 4040 5050 6060
유량(CFS), r(t)r(t) 20002000 21002100 24002400 30003000 39003900 51005100 65006500

(a) 위 표에 주어진 60초 동안 댐을 통과한 물의 전체 부피를 나타내는 정적분은 무엇인가요? (b) 주어진 자료를 이용하여, (a)에서 구한 적분을 어림하기 위해 nn 이 가능한 가장 큰 값일 때의 MnM_n 을 계산하세요. MnM_n 이 적분의 정확한 값보다 크다고 생각하나요, 작다고 생각하나요? 그 이유는 무엇인가요? (c) 주어진 자료를 바탕으로, nn 이 가능한 가장 큰 값일 때의 SnS_n 을 계산하여 (a)에서 구한 적분을 어림하세요. (d) 160Sn\frac{1}{60} S_n 과 2000+2100+2400+3000+3900+5100+65007\frac{2000+2100+2400+3000+3900+5100+6500}{7} 을 계산하세요. 이 두 값은 모두 어떤 양을 어림한 것인가요? 어느 쪽이 더 정확한 어림값인가요?

영어 원문 보기

The rate at which water flows through Table Rock Dam on the White River in Branson, MO, is measured in cubic feet per second (CFS). As engineers open the floodgates, flow rates are recorded according to the following chart.

Water flow data.

seconds, tt 00 1010 2020 3030 4040 5050 6060
flow in CFS, r(t)r(t) 20002000 21002100 24002400 30003000 39003900 51005100 65006500

(a) What definite integral measures the total volume of water to flow through the dam in the 60 second time period provided by the table above? (b) Use the given data to calculate MnM_n for the largest possible value of nn to approximate the integral you stated in (a). Do you think MnM_n over- or under-estimates the exact value of the integral? Why? (c) Approximate the integral stated in (a) by calculating SnS_n for the largest possible value of nn, based on the given data. (d) Compute 160Sn\frac{1}{60} S_n and 2000+2100+2400+3000+3900+5100+65007\frac{2000+2100+2400+3000+3900+5100+6500}{7}. What quantity do both of these values estimate? Which is a more accurate approximation?

정답·풀이 보기

(a) r(t)r(t) 는 초당 세제곱피트로, △t\triangle t 는 초로 측정되므로 정적분 ∫060r(t) dt\int_0^{60} r(t) \, dt 은 60초 동안 댐을 통과한 물의 전체 양(세제곱피트)을 나타낸다. (b) 함숫값이 77 개이므로 사용할 수 있는 구간의 최대 개수는 66 이다. 함숫값을 계산할 때 자료를 하나씩 건너뛰어 써야 하므로 M3M_3 을 계산할 수 있다. 이렇게 계산하면 ∫060r(t) dt≈M3=r(10)⋅20+r(30)⋅20+r(50)⋅20=(2100+3000+5100)⋅20=204000 .\begin{aligned}\int_0^{60} r(t) \, dt &\approx M_3 \\ &= r(10) \cdot 20 + r(30) \cdot 20 + r(50) \cdot 20 \\ &= (2100 + 3000 + 5100) \cdot 20 \\ &= 204000\end{aligned}\,. 따라서 0≤t≤600 \le t \le 60 동안 댐을 통과한 물은 약 204000204 000 세제곱피트이다. 0≤t≤600 \le t \le 60 에서 rr 은 증가하는 비율이 점점 커지며 증가하는 것으로 보인다. 특히 자료로 보아 이 구간에서 rr 은 아래로 볼록이다. 따라서 사다리꼴 공식은 정적분의 참값보다 크게 어림하고, 중점 공식은 참값보다 작게 어림한다. 그러므로 ∫060r(t) dt>M3=204000 .\int_0^{60} r(t) \, dt > M_3 = 204000\,. (c) S6S_6 으로 적분을 어림하려면 M3M_3 과 함께 T3T_3 의 값을 알아야 한다. T3T_3 을 구하기 위해 L3L_3 과 R3R_3 을 계산한다. 먼저 L3=r(0)⋅20+r(20)⋅20+r(40)⋅20=(2000+2400+3900)⋅20=166000 .L_3 = r(0) \cdot 20 + r(20) \cdot 20 + r(40) \cdot 20 = (2000 + 2400 + 3900) \cdot 20 = 166000\,. 마찬가지로 R3=r(20)⋅20+r(40)⋅20+r(60)⋅20=(2400+3900+6500)⋅20=256000 .R_3 = r(20) \cdot 20 + r(40) \cdot 20 + r(60) \cdot 20 = (2400 + 3900 + 6500) \cdot 20 = 256000\,. 따라서 T3=L3+R32=166000+2560002=211000 .T_3 = \frac{L_3 + R_3}{2} = \frac{166000 + 256000}{2} = 211000\,. 이제 S6S_6 을 계산하는 데 필요한 값을 모두 구했다. 그러므로 ∫060r(t) dt≈S6=2M3+T33=2⋅204000+2110003=6190003≈206333.33 .\int_0^{60} r(t) \, dt \approx S_6 = \frac{2M_3 + T_3}{3} = \frac{2 \cdot 204000 + 211000}{3} = \frac{619000}{3} \approx 206333.33\,. (d) 먼저 160S6=206333.3360=309509≈3438.89 .\frac{1}{60} S_6 = \frac{206333.33}{60} = \frac{30950}{9} \approx 3438.89\,. 이 값은 [0,60][0,60] 에서 rr 의 평균값을 어림한 하나의 값이다. 그 이유는 rAVG⁡[0,60]=160−0∫060r(t) dt ,r_{\operatorname{AVG} [0,60]} = \frac{1}{60-0} \int_0^{60} r(t) \, dt\,, 이고 ∫060r(t) dt≈S6\int_0^{60} r(t) \, dt \approx S_6 이기 때문이다. 따라서 평균적으로 물은 초당 3438.893438.89 세제곱피트의 속도로 댐을 통과한다. 다음으로 2000+2100+2400+3000+3900+5100+65007=250007≈3571.43\frac{2000+2100+2400+3000+3900+5100+6500}{7} = \frac{25000}{7} \approx 3571.43 은 구간 [0,60][0,60] 에서 알려진 r(t)r(t) 의 값 77 개의 평균이므로, 이것도 rr 의 평균값을 어림한 하나의 값이다. 이 평균은 모든 값을 똑같이 취급한다. 반면 S6S_6 은 양 끝점보다 중점을 더 크게 반영하며, L6L_6 과 R6R_6 같은 단순한 어림값에 내재한 오차의 일부를 없애도록 만들어진 것이다. 77 개의 속도 값의 이 단순 평균은 왼쪽 또는 오른쪽 리만 합을 사용하는 것과 비슷하므로, S6S_6 으로 구한 rr 의 평균값 어림값이 댐을 통과하는 물의 평균 속도를 구하는 데 더 정확하다고 예상할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Because r(t)r(t) is measured in cubic feet per second and △t\triangle t is measured in seconds, the definite integral ∫060r(t) dt\int_0^{60} r(t) \, dt measures the total amount of water (in cubic feet) that flow through the dam in 60 seconds. (b) With 77 function values and thus 66 subintervals as the maximum number of intervals we can use, we can compute M3M_3 since we need to use every other data point to evaluate the function. Doing so, ∫060r(t) dt≈M3=r(10)⋅20+r(30)⋅20+r(50)⋅20=(2100+3000+5100)⋅20=204000 .\begin{aligned}\int_0^{60} r(t) \, dt &\approx M_3 \\ &= r(10) \cdot 20 + r(30) \cdot 20 + r(50) \cdot 20 \\ &= (2100 + 3000 + 5100) \cdot 20 \\ &= 204000\end{aligned}\,. Thus, approximately 204000204 000 cubic feet of water pass through the dam on the interval 0≤t≤600 \le t \le 60. We observe that rr appears to be increasing at an increasing rate on 0≤t≤600 \le t \le 60. In particular, the data suggests that rr is concave up on the interval. As such, the trapezoid rule will over-estimate the true value of the definite integral and the midpoint rule will under-estimate the value. Thus, ∫060r(t) dt>M3=204000 .\int_0^{60} r(t) \, dt > M_3 = 204000\,. (c) In order to estimate the integral using S6S_6, we need to know the value of T3T_3 along with M3M_3. To find T3T_3, we compute L3L_3 and R3R_3. First L3=r(0)⋅20+r(20)⋅20+r(40)⋅20=(2000+2400+3900)⋅20=166000 .L_3 = r(0) \cdot 20 + r(20) \cdot 20 + r(40) \cdot 20 = (2000 + 2400 + 3900) \cdot 20 = 166000\,. Similarly, R3=r(20)⋅20+r(40)⋅20+r(60)⋅20=(2400+3900+6500)⋅20=256000 .R_3 = r(20) \cdot 20 + r(40) \cdot 20 + r(60) \cdot 20 = (2400 + 3900 + 6500) \cdot 20 = 256000\,. Thus, T3=L3+R32=166000+2560002=211000 .T_3 = \frac{L_3 + R_3}{2} = \frac{166000 + 256000}{2} = 211000\,. Finally, we now have the information needed to compute S6S_6. We thus find that ∫060r(t) dt≈S6=2M3+T33=2⋅204000+2110003=6190003≈206333.33 .\int_0^{60} r(t) \, dt \approx S_6 = \frac{2M_3 + T_3}{3} = \frac{2 \cdot 204000 + 211000}{3} = \frac{619000}{3} \approx 206333.33\,. (d) First, 160S6=206333.3360=309509≈3438.89 .\frac{1}{60} S_6 = \frac{206333.33}{60} = \frac{30950}{9} \approx 3438.89\,. This is one estimate for the average value of rr on [0,60][0,60] since rAVG⁡[0,60]=160−0∫060r(t) dt ,r_{\operatorname{AVG} [0,60]} = \frac{1}{60-0} \int_0^{60} r(t) \, dt\,, and ∫060r(t) dt≈S6\int_0^{60} r(t) \, dt \approx S_6. Thus, on average, water is flowing through the dam at a rate of 3438.893438.89 cubic feet per second. Next, 2000+2100+2400+3000+3900+5100+65007=250007≈3571.43\frac{2000+2100+2400+3000+3900+5100+6500}{7} = \frac{25000}{7} \approx 3571.43 is the average of the 77 known values of r(t)r(t) on the interval [0,60][0,60], and thus is one estimate of the average value of rr. This average treats all of them equally, as opposed to S6S_6 which counts midpoints more than endpoints and is developed in such a way to remove some of the error inherent in using simple estimates like L6L_6 and R6R_6. This simple average of 77 rate values is analogous to using a left or right Riemann sum, and thus we expect that the estimate of the average value of rr that comes from S6S_6 is more accurate for computing the average rate at which water flows through the dam.

한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 5.6절 · 5번우리말 번역

정적분 ∫01xtan⁡(x) dx\int_0^1 x \tan(x) \, dx 를 생각하세요.

(a) 이 적분을 uu-치환이나 부분적분으로는 정확하게 계산할 수 없는 이유를 설명하세요. (b) 적절한 부분구간을 사용하여 L4L_4, R4R_4, M4M_4, T4T_4, S8S_8 을 계산하세요. (c) (b)의 근삿값 중 ∫01xtan⁡(x) dx\int_0^1 x \tan(x) \, dx 의 참값보다 큰 값은 어느 것입니까? 작은 값은 어느 것입니까? 그 이유는 무엇인지 설명하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) 함수와 그 도함수의 쌍이 없으므로(합성함수조차 없으므로) uu-치환을 사용할 수 없다. 부분적분이 되지 않음을 보이는 것은 더 복잡하지만, 결국 다음 사실로 귀결된다. 자연스러운 선택인 u=xu = x, dv=tan⁡(x) dxdv = \tan(x) \, dx 를 쓰면 적분 ∫ln⁡(sec⁡(x)) dx\int \ln(\sec(x)) \, dx 를 계산해야 하는데, 이 적분은 초등함수로 나타낼 수 있는 원시함수를 갖지 않는 것으로 보인다. 대신 u=tan⁡(x)u = \tan(x), dv=x dxdv = x \, dx 로 놓으면 적분 ∫x2⋅sec⁡2(x) dx\int x^2 \cdot \sec^2(x) \, dx 를 계산해야 하는데, 이는 처음 적분보다 더 복잡하고 다시 부분적분을 시도하면 처음 상태로 되돌아가는 것처럼 보인다. (b) 계산 도구를 사용하여 다음 근삿값을 구한다. 값은 소수 55 째 자리까지 정확하게 나타낸 것이다.

  • L4=0.25892L_4 = 0.25892
  • R4=0.64827R_4 = 0.64827
  • M4=0.41550M_4 = 0.41550
  • T4=L4+R42=0.45360T_4 = \frac{L_4 + R_4}{2} = 0.45360
  • S8=2M4+T43=0.42820S_8 = \frac{2M_4 + T_4}{3} = 0.42820 (c) 이 근삿값들이나 f(x)=xtan⁡(x)f(x) = x\tan(x) 의 그래프로부터, 이 구간에서 ff 는 항상 증가하고 아래로 볼록임을 알 수 있다. 따라서 L4L_4 와 M4M_4 는 참값보다 작은 값이고, R4R_4 와 M4M_4 는 참값보다 큰 값이다.
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