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), | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 유량(CFS), |
(a) 위 표에 주어진 60초 동안 댐을 통과한 물의 전체 부피를 나타내는 정적분은 무엇인가요? (b) 주어진 자료를 이용하여, (a)에서 구한 적분을 어림하기 위해 이 가능한 가장 큰 값일 때의 을 계산하세요. 이 적분의 정확한 값보다 크다고 생각하나요, 작다고 생각하나요? 그 이유는 무엇인가요? (c) 주어진 자료를 바탕으로, 이 가능한 가장 큰 값일 때의 을 계산하여 (a)에서 구한 적분을 어림하세요. (d) 과 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, | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| flow in CFS, |
(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 for the largest possible value of to approximate the integral you stated in (a). Do you think over- or under-estimates the exact value of the integral? Why? (c) Approximate the integral stated in (a) by calculating for the largest possible value of , based on the given data. (d) Compute and . What quantity do both of these values estimate? Which is a more accurate approximation?
정답·풀이 보기
(a) 는 초당 세제곱피트로, 는 초로 측정되므로 정적분 은 60초 동안 댐을 통과한 물의 전체 양(세제곱피트)을 나타낸다. (b) 함숫값이 개이므로 사용할 수 있는 구간의 최대 개수는 이다. 함숫값을 계산할 때 자료를 하나씩 건너뛰어 써야 하므로 을 계산할 수 있다. 이렇게 계산하면 따라서 동안 댐을 통과한 물은 약 세제곱피트이다. 에서 은 증가하는 비율이 점점 커지며 증가하는 것으로 보인다. 특히 자료로 보아 이 구간에서 은 아래로 볼록이다. 따라서 사다리꼴 공식은 정적분의 참값보다 크게 어림하고, 중점 공식은 참값보다 작게 어림한다. 그러므로 (c) 으로 적분을 어림하려면 과 함께 의 값을 알아야 한다. 을 구하기 위해 과 을 계산한다. 먼저 마찬가지로 따라서 이제 을 계산하는 데 필요한 값을 모두 구했다. 그러므로 (d) 먼저 이 값은 에서 의 평균값을 어림한 하나의 값이다. 그 이유는 이고 이기 때문이다. 따라서 평균적으로 물은 초당 세제곱피트의 속도로 댐을 통과한다. 다음으로 은 구간 에서 알려진 의 값 개의 평균이므로, 이것도 의 평균값을 어림한 하나의 값이다. 이 평균은 모든 값을 똑같이 취급한다. 반면 은 양 끝점보다 중점을 더 크게 반영하며, 과 같은 단순한 어림값에 내재한 오차의 일부를 없애도록 만들어진 것이다. 개의 속도 값의 이 단순 평균은 왼쪽 또는 오른쪽 리만 합을 사용하는 것과 비슷하므로, 으로 구한 의 평균값 어림값이 댐을 통과하는 물의 평균 속도를 구하는 데 더 정확하다고 예상할 수 있다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) Because is measured in cubic feet per second and is measured in seconds, the definite integral measures the total amount of water (in cubic feet) that flow through the dam in 60 seconds. (b) With function values and thus subintervals as the maximum number of intervals we can use, we can compute since we need to use every other data point to evaluate the function. Doing so, Thus, approximately cubic feet of water pass through the dam on the interval . We observe that appears to be increasing at an increasing rate on . In particular, the data suggests that 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, (c) In order to estimate the integral using , we need to know the value of along with . To find , we compute and . First Similarly, Thus, Finally, we now have the information needed to compute . We thus find that (d) First, This is one estimate for the average value of on since and . Thus, on average, water is flowing through the dam at a rate of cubic feet per second. Next, is the average of the known values of on the interval , and thus is one estimate of the average value of . This average treats all of them equally, as opposed to 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 and . This simple average of rate values is analogous to using a left or right Riemann sum, and thus we expect that the estimate of the average value of that comes from 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 를 생각하세요.
(a) 이 적분을 -치환이나 부분적분으로는 정확하게 계산할 수 없는 이유를 설명하세요. (b) 적절한 부분구간을 사용하여 , , , , 을 계산하세요. (c) (b)의 근삿값 중 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) -치환을 사용할 수 없다. 부분적분이 되지 않음을 보이는 것은 더 복잡하지만, 결국 다음 사실로 귀결된다. 자연스러운 선택인 , 를 쓰면 적분 를 계산해야 하는데, 이 적분은 초등함수로 나타낼 수 있는 원시함수를 갖지 않는 것으로 보인다. 대신 , 로 놓으면 적분 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 째 자리까지 정확하게 나타낸 것이다.
- (c) 이 근삿값들이나 의 그래프로부터, 이 구간에서 는 항상 증가하고 아래로 볼록임을 알 수 있다. 따라서 와 는 참값보다 작은 값이고, 와 는 참값보다 큰 값이다.