문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

넓이(여러 가지 함수)

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

Active Calculus · 6.1절 · 10번우리말 번역

다음 각 영역의 넓이를 정확하게 구하세요.

(a) 곡선 x=y(y−2)x = y(y-2) 와 x=−(y−1)(y−3)x=-(y-1)(y-3) 사이의 유계인 영역. (b) 구간 [π4,3π4][\frac{\pi}{4}, \frac{3\pi}{4}] 에서 사인함수와 코사인함수 사이의 영역. (c) x=y2−y−2x = y^2 - y - 2 와 y=2x−1y = 2x-1 사이의 유계인 영역. (d) y=mxy = mx 와 y=x2−1y = x^2-1 사이의 유계인 영역. 단, mm 은 양의 상수이다.

영어 원문 보기

Find the exact area of each described region.

(a) The finite region between the curves x=y(y−2)x = y(y-2) and x=−(y−1)(y−3)x=-(y-1)(y-3). (b) The region between the sine and cosine functions on the interval [π4,3π4][\frac{\pi}{4}, \frac{3\pi}{4}]. (c) The finite region between x=y2−y−2x = y^2 - y - 2 and y=2x−1y = 2x-1. (d) The finite region between y=mxy = mx and y=x2−1y = x^2-1, where mm is a positive constant.

정답·풀이 보기

(a) 두 그래프의 교점은 y(y−2)=−(y−1)(y−3)y(y - 2) = -(y - 1)(y - 3) 일 때 생기므로, y2−2y=−(y2−4y+3)y^2 - 2y = -(y^2 - 4y + 3) 즉 2y2−6y+3=02y^2 - 6y + 3 = 0 을 만족하는 yy 를 구해야 한다. 근의 공식에 의해 y=6±(−6)2−(4)(2)(3)(2)(2)=6±36−244=6±124=3±32 .y = \frac{6 \pm \sqrt{(-6)^2 - (4)(2)(3)}}{(2)(2)} = \frac{6 \pm \sqrt{36 - 24}}{4} = \frac{6 \pm \sqrt{12}}{4} = \frac{3 \pm \sqrt{3}}{2}\,. 아래 그림과 같이 y=3−32≈0.63y = \frac{3 - \sqrt{3}}{2} \approx 0.63 과 y=3+32≈2.37y = \frac{3 + \sqrt{3}}{2} \approx 2.37 사이에서 곡선 x=−(y−1)(y−3)x = -(y - 1)(y - 3) 이 x=y(y−2)x = y(y - 2) 의 오른쪽에 있으므로(xx 값이 더 크므로), 두 곡선 사이의 넓이는 다음 적분으로 주어진다. ∫3−323+32−(y−1)(y−3)−y(y−2) dy .\int_{\frac{3 - \sqrt{3}}{2}}^{\frac{3 + \sqrt{3}}{2}} -(y - 1)(y - 3) - y(y - 2) \ dy\,. 이 적분의 값을 구하면 A=∫3−323+32−2y2+6y−3 dy=(−23y3+3y2−3y)∣3−323+32=[−23(3+32)3+3(3+32)2−3(3+32)]−[−23(3−32)3+3(3−32)2−3(3−32)]=−112(54+303)+112(54−303)+34(12+63)−34(12−63)−32(3+3)+32(3−3)=−53+93−33=3 .\begin{aligned}A &= \int_{\frac{3 - \sqrt{3}}{2}}^{\frac{3 + \sqrt{3}}{2}} -2y^2 + 6y - 3 \ dy \\ &= \left. \left(-\frac{2}{3}y^3 + 3y^2 - 3y \right) \right|_{\frac{3 - \sqrt{3}}{2}}^{\frac{3 + \sqrt{3}}{2}} \\ &= \left[-\frac{2}{3} \left(\frac{3 + \sqrt{3}}{2}\right)^3 + 3\left(\frac{3 + \sqrt{3}}{2}\right)^2 - 3\left(\frac{3 + \sqrt{3}}{2}\right)\right] \\ &\qquad - \left[-\frac{2}{3} \left(\frac{3 - \sqrt{3}}{2}\right)^3 + 3\left(\frac{3 - \sqrt{3}}{2}\right)^2 - 3\left(\frac{3 - \sqrt{3}}{2}\right)\right] \\ &= -\frac{1}{12}(54+30\sqrt{3}) + \frac{1}{12}(54-30\sqrt{3}) + \frac{3}{4}(12+6\sqrt{3}) \\ &\qquad - \frac{3}{4}(12-6\sqrt{3}) - \frac{3}{2}(3+\sqrt{3}) + \frac{3}{2}(3-\sqrt{3}) \\ &= -5\sqrt{3} + 9\sqrt{3} - 3\sqrt{3} \\ &= \sqrt{3}\end{aligned}\,. 곡선 x = y(y-2) 와 x=-(y-1)(y-3) 의 그래프로, 두 곡선은 대략 (-0.86603, 0.63397) 과 (0.86603, 2.36603) 에서 만난다. 두 곡선으로 둘러싸인 유계인 영역은 x = y(y- (b) 아래 그림에서 보듯이, 이 구간에서 y=sin⁡(x)y = \sin(x) 의 그래프가 y=cos⁡(x)y = \cos(x) 의 그래프보다 위에 있다. 따라서 두 곡선 사이의 넓이는 다음과 같다. A=∫π/43π/4sin⁡(x)−cos⁡(x) dx=(−cos⁡(x)−sin⁡(x))∣π/43π/4=[−cos⁡(3π4)−sin⁡(3π4)]−[−cos⁡(π4)−sin⁡(π4)]=[22−22]+[22+22]=2 .\begin{aligned}A &= \int_{\pi/4}^{3\pi/4} \sin(x) - \cos(x) \ dx \\ &= \left. \left(-\cos(x) - \sin(x) \right) \right|_{\pi/4}^{3\pi/4} \\ &= \left[-\cos\left(\frac{3\pi}{4}\right) - \sin\left(\frac{3\pi}{4}\right) \right] - \left[-\cos\left(\frac{\pi}{4}\right) - \sin\left(\frac{\pi}{4}\right) \right] \\ &= \left[ \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2} \right] + \left[ \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2} \right] \\ &= \sqrt{2}\end{aligned}\,. 구간 π/4 에서 3π/4 까지에서 곡선 y = sin(x) 와 y= cos(x) 의 그래프이다. 이 구간에서 두 곡선으로 둘러싸인 유계인 영역은 위쪽이 y = sin(x), 아래쪽이 y= cos(x) 이고, (c) y=2x−1y = 2x - 1 을 x=y+12x = \frac{y+1}{2} 로 고쳐 쓸 수 있다. 두 곡선은 y2−y−2=y+12y^2 - y - 2 = \frac{y+1}{2} 일 때 만난다. 따라서 2y2−2y−4=y+12y^2 - 2y - 4 = y+1 이므로 2y2−3y−5=02y^2 - 3y - 5 = 0 이고, 인수분해하면 (2y−5)(y+1)=0(2y-5)(y+1) = 0 이다. 그러므로 두 곡선은 y=−1y = -1 또는 y=52y = \frac{5}{2} 에서 만난다. 아래 그림에서 보듯이 이 구간에서 x=y+12x = \frac{y+1}{2} 이 x=y2−y−2x = y^2 - y - 2 의 오른쪽에 있으므로, 두 곡선 사이 영역의 넓이는 다음과 같다. A=∫−15/2y+12−(y2−y−2) dy=∫−15/2−y2+32y+52 dy=(−y33+34y2+52y)∣−15/2=−13[(52)3+1]+34[(52)2−1]+52[(52)+1]=−13324+6316+354=34348 .\begin{aligned}A &= \int_{-1}{5/2} \frac{y+1}{2} - (y^2-y-2) \ dy \\ &= \int_{-1}{5/2} -y^2 + \frac{3}{2}y + \frac{5}{2} \ dy \\ &= \left. \left( -\frac{y^3}{3} + \frac{3}{4}y^2 + \frac{5}{2}y \right) \right|_{-1}{5/2} \\ &= -\frac{1}{3}\left[\left(\frac{5}{2}\right)^3 + 1 \right] + \frac{3}{4}\left[\left(\frac{5}{2}\right)^2 - 1 \right] + \frac{5}{2}\left[\left(\frac{5}{2}\right) + 1 \right] \\ &= -\frac{133}{24} + \frac{63}{16} + \frac{35}{4} \\ &= \frac{343}{48}\end{aligned}\,. 곡선 x = y 2-y-2 와 y=2x+1 의 그래프로, 두 곡선은 대략 (-0.84307, -0.68614) 와 (0.59307, 2.18614) 에서 만난다. 두 곡선으로 둘러싸인 유계인 영역은 x = y 2-y-2 가 (d) 대표적인 그림(m=2m = 2 인 경우)이 아래에 있다. 두 곡선은 x2−1=mxx^2 - 1 = mx 일 때, 즉 x2−mx−1=0x^2 - mx - 1 = 0 일 때 만난다. 근의 공식에 의해 x=m±m2−4(1)(−1)2=m±m2+42 .x = \frac{m \pm \sqrt{m^2-4(1)(-1)}}{2} = \frac{m \pm \sqrt{m^2+4}}{2}\,. 세로로 자른 조각으로 적분하면, y=mxy = mx 의 그래프가 항상 y=x2−1y = x^2 - 1 의 그래프보다 위에 있으므로 두 그래프 사이 영역의 넓이는 다음과 같다. A=∫m−m2+42m+m2+42mx−(x2−1) dx=(−x33+mx22+x)∣m−m2+42m+m2+42=−13(m+m2+42)3−13(m−m2+42)3+m2(m+m2+42)2−m2(m−m2+42)2+(m+m2+42−m−m2+42) .\begin{aligned}A &= \int_{\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}}^{\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}} mx - \left(x^2-1\right) \ dx \\ &= \left. \left(-\frac{x^3}{3} + m\frac{x^2}{2} + x\right) \right|_{\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}}^{\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}} \\ &= - \frac{1}{3}\left(\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^3 - \frac{1}{3}\left(\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^3 + \frac{m}{2}\left(\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^2 \\ &\qquad - \frac{m}{2}\left(\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^2 + \left(\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2} - \frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2} \right)\end{aligned}\,. 곡선 y=mx 와 y=x 2-1 의 그래프로, m 이 임의의 양수인 경우를 나타낸다. 두 곡선으로 둘러싸인 유계인 영역은 위쪽이 y=mx, 아래쪽이 y=x 2-1 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The point of intersection of the graphs occurs when y(y−2)=−(y−1)(y−3)y(y - 2) = -(y - 1)(y - 3), and thus we need to find where y2−2y=−(y2−4y+3)y^2 - 2y = -(y^2 - 4y + 3) or 2y2−6y+3=02y^2 - 6y + 3 = 0. By the quadratic formula, it follows that y=6±(−6)2−(4)(2)(3)(2)(2)=6±36−244=6±124=3±32 .y = \frac{6 \pm \sqrt{(-6)^2 - (4)(2)(3)}}{(2)(2)} = \frac{6 \pm \sqrt{36 - 24}}{4} = \frac{6 \pm \sqrt{12}}{4} = \frac{3 \pm \sqrt{3}}{2}\,. Since the curve x=−(y−1)(y−3)x = -(y - 1)(y - 3) lies to the right (has a greater xx value) of x=y(y−2)x = y(y - 2) between y=3−32≈0.63y = \frac{3 - \sqrt{3}}{2} \approx 0.63 and y=3+32≈2.37y = \frac{3 + \sqrt{3}}{2} \approx 2.37 as shown in the figure below, we see that the area between the two curves is given by the integral ∫3−323+32−(y−1)(y−3)−y(y−2) dy .\int_{\frac{3 - \sqrt{3}}{2}}^{\frac{3 + \sqrt{3}}{2}} -(y - 1)(y - 3) - y(y - 2) \ dy\,. Evaluating this integral, we find that A=∫3−323+32−2y2+6y−3 dy=(−23y3+3y2−3y)∣3−323+32=[−23(3+32)3+3(3+32)2−3(3+32)]−[−23(3−32)3+3(3−32)2−3(3−32)]=−112(54+303)+112(54−303)+34(12+63)−34(12−63)−32(3+3)+32(3−3)=−53+93−33=3 .\begin{aligned}A &= \int_{\frac{3 - \sqrt{3}}{2}}^{\frac{3 + \sqrt{3}}{2}} -2y^2 + 6y - 3 \ dy \\ &= \left. \left(-\frac{2}{3}y^3 + 3y^2 - 3y \right) \right|_{\frac{3 - \sqrt{3}}{2}}^{\frac{3 + \sqrt{3}}{2}} \\ &= \left[-\frac{2}{3} \left(\frac{3 + \sqrt{3}}{2}\right)^3 + 3\left(\frac{3 + \sqrt{3}}{2}\right)^2 - 3\left(\frac{3 + \sqrt{3}}{2}\right)\right] \\ &\qquad - \left[-\frac{2}{3} \left(\frac{3 - \sqrt{3}}{2}\right)^3 + 3\left(\frac{3 - \sqrt{3}}{2}\right)^2 - 3\left(\frac{3 - \sqrt{3}}{2}\right)\right] \\ &= -\frac{1}{12}(54+30\sqrt{3}) + \frac{1}{12}(54-30\sqrt{3}) + \frac{3}{4}(12+6\sqrt{3}) \\ &\qquad - \frac{3}{4}(12-6\sqrt{3}) - \frac{3}{2}(3+\sqrt{3}) + \frac{3}{2}(3-\sqrt{3}) \\ &= -5\sqrt{3} + 9\sqrt{3} - 3\sqrt{3} \\ &= \sqrt{3}\end{aligned}\,. A plot of the curves x = y(y-2) and x=-(y-1)(y-3), which intersect at approximately left(-0.86603, 0.63397 right) and left(0.86603, 2.36603 right). The finite region bounded by the curves has x = y(y- (b) As the figure below shows, the graph of y=sin⁡(x)y = \sin(x) lies above the graph of y=cos⁡(x)y = \cos(x) on this interval. So the area between the two curves is given by A=∫π/43π/4sin⁡(x)−cos⁡(x) dx=(−cos⁡(x)−sin⁡(x))∣π/43π/4=[−cos⁡(3π4)−sin⁡(3π4)]−[−cos⁡(π4)−sin⁡(π4)]=[22−22]+[22+22]=2 .\begin{aligned}A &= \int_{\pi/4}^{3\pi/4} \sin(x) - \cos(x) \ dx \\ &= \left. \left(-\cos(x) - \sin(x) \right) \right|_{\pi/4}^{3\pi/4} \\ &= \left[-\cos\left(\frac{3\pi}{4}\right) - \sin\left(\frac{3\pi}{4}\right) \right] - \left[-\cos\left(\frac{\pi}{4}\right) - \sin\left(\frac{\pi}{4}\right) \right] \\ &= \left[ \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2} \right] + \left[ \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2} \right] \\ &= \sqrt{2}\end{aligned}\,. A plot of the curves y = sin(x) and y= cos(x) on the interval frac pi 4 , frac 3 pi 4 .The finite region bounded by the curves on this interval has y = sin(x) on top, y= cos(x) on the bottom, and the (c) We can rewrite y=2x−1y = 2x - 1 as x=y+12x = \frac{y+1}{2}. The two curves intersect when y2−y−2=y+12y^2 - y - 2 = \frac{y+1}{2}. It follows that 2y2−2y−4=y+12y^2 - 2y - 4 = y+1, so 2y2−3y−5=02y^2 - 3y - 5 = 0 and thus factoring, (2y−5)(y+1)=0(2y-5)(y+1) = 0. Hence the two curves intersect when y=−1y = -1 or y=52y = \frac{5}{2}. The figure below shows that x=y+12x = \frac{y+1}{2} lies to the right of x=y2−y−2x = y^2 - y - 2on this interval, so the area of the region between the two curves is A=∫−15/2y+12−(y2−y−2) dy=∫−15/2−y2+32y+52 dy=(−y33+34y2+52y)∣−15/2=−13[(52)3+1]+34[(52)2−1]+52[(52)+1]=−13324+6316+354=34348 .\begin{aligned}A &= \int_{-1}{5/2} \frac{y+1}{2} - (y^2-y-2) \ dy \\ &= \int_{-1}{5/2} -y^2 + \frac{3}{2}y + \frac{5}{2} \ dy \\ &= \left. \left( -\frac{y^3}{3} + \frac{3}{4}y^2 + \frac{5}{2}y \right) \right|_{-1}{5/2} \\ &= -\frac{1}{3}\left[\left(\frac{5}{2}\right)^3 + 1 \right] + \frac{3}{4}\left[\left(\frac{5}{2}\right)^2 - 1 \right] + \frac{5}{2}\left[\left(\frac{5}{2}\right) + 1 \right] \\ &= -\frac{133}{24} + \frac{63}{16} + \frac{35}{4} \\ &= \frac{343}{48}\end{aligned}\,. A plot of the curves x = y 2-y-2 and y=2x+1, which intersect at approximately left(-0.84307, -0.68614 right) and left(0.59307, 2.18614 right). The finite region bounded by the curves has x = y 2-y-2 o (d) A representative picture (with m=2m = 2) is shown in the figure below. The two curves intersect when x2−1=mxx^2 - 1 = mx, or when x2−mx−1=0x^2 - mx - 1 = 0. By the quadratic formula, it folows that x=m±m2−4(1)(−1)2=m±m2+42 .x = \frac{m \pm \sqrt{m^2-4(1)(-1)}}{2} = \frac{m \pm \sqrt{m^2+4}}{2}\,. If we integrate with vertical slices, then the graph of y=mxy = mx is always above the graph of y=x2−1y = x^2 - 1 and so the area of the region between the two graphs is A=∫m−m2+42m+m2+42mx−(x2−1) dx=(−x33+mx22+x)∣m−m2+42m+m2+42=−13(m+m2+42)3−13(m−m2+42)3+m2(m+m2+42)2−m2(m−m2+42)2+(m+m2+42−m−m2+42) .\begin{aligned}A &= \int_{\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}}^{\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}} mx - \left(x^2-1\right) \ dx \\ &= \left. \left(-\frac{x^3}{3} + m\frac{x^2}{2} + x\right) \right|_{\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}}^{\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}} \\ &= - \frac{1}{3}\left(\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^3 - \frac{1}{3}\left(\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^3 + \frac{m}{2}\left(\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^2 \\ &\qquad - \frac{m}{2}\left(\frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2}\right)^2 + \left(\frac{m + \sqrt{m^2+4}}{2} - \frac{m - \sqrt{m^2+4}}{2} \right)\end{aligned}\,. A plot of the curves y=mx and y=x 2-1, representing an arbitrary positive value of m. The finite region bounded by the curves has y=mx on the top and y=x 2-1 on the bottom.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 1.5절 · 18번우리말 번역

곡선 y=x(x2−4)y=x(x^2-4) 와 직선 y=x−2y=x-2 에 의해 유계가 되는 유한한 영역의 넓이를 구하세요.

답 쓰고 채점
다 풀었으면 정답 확인

첫 번째 함수는 삼차함수이며, x=0,±2x=0,\pm2 에서 축과 만난다. 두 번째 함수는 기울기가 양수인 직선이다.

이 함수들이 서로 어떤 위치 관계에 있는지 알아야 하므로, 교점을 구한다.

x(x2−4)=x−2x(x+2)(x−2)=x−2x−2=0또는x(x+2)=1x2+2x−1=0x=−2±4−4(1)(−1)2x=−1±2\begin{aligned} x(x^2-4)&=x-2\\ x(x+2)(x-2)&=x-2\\ \boxed{x-2=0} \quad\text{또는}\quad x(x+2)&=1\\ x^2+2x-1&=0\\ x &= \dfrac{-2\pm\sqrt{4-4(1)(-1)}}{2}\\ x&=\boxed{-1\pm \sqrt{2}} \end{aligned}

따라서 세 교점은 x=2x=2 일 때와 x=−1±2{x=-1\pm\sqrt{2}} 일 때이다. 다음이 성립한다. −1−2<−1+2<−1+4<2 .-1-\sqrt{2} < -1+\sqrt{2} < -1+\sqrt{4}< 2\ . 그러므로 두 구간 [−1−2,−1+2]\left[-1-\sqrt{2},-1+\sqrt{2}\right] 와 [−1+2,2]\left[-1+\sqrt{2},2\right] 에서 각각 어느 함수가 위에 있는지 알아보아야 한다. 각 구간의 한 점에서 확인하면 충분하다.

xx(x2−4)x−2위쪽 함수:00−2x(x2−4)1-3−1x−2\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline x & x(x^2-4) & x-2 & \text{위쪽 함수:} \\ \hline \text{0} & \text{0} & -2 & x(x^2-4) \\ \hline \text{1} & \text{-3} & -1 & x-2 \\ \hline \end{array}

0 은 구간 [−1−2,−1+2]\left[-1-\sqrt{2},-1+\sqrt{2}\right] 에 속하므로, 이 구간에서는 x(x2−4)x(x^2-4) 가 위쪽 함수이다. 1 은 구간 [−1+2,2]\left[-1+\sqrt{2},2\right] 에 속하므로, 이 구간에서는 x−2x-2 가 위쪽 함수이다. 이제 넓이를 구하는 적분을 세울 수 있다.

넓이=∫−1−2−1+2[x(x2−4)−(x−2)] dx+∫−1+22[(x−2)−x(x2−4)] dx=∫−1−2−1+2[x3−5x+2] dx+∫−1+22[−x3+5x−2] dx=[14x4−52x2+2x]−1−2−1+2+[−14x4+52x2−2x]−1+22번거롭지만 기초적인 대수 계산을 하면:=(82)+(42−134)=122−134\begin{aligned} \text{넓이}&=\int_{-1-\sqrt{2}}^{-1+\sqrt{2}}\left[x(x^2-4) - (x-2)\right]\ \mathrm{d}x \quad&&+ \quad &&\int_{-1+\sqrt{2}}^{2}\left[(x-2)-x(x^2-4)\right]\ \mathrm{d}x\\ &=\int_{-1-\sqrt{2}}^{-1+\sqrt{2}}\left[x^3-5x+2\right]\ \mathrm{d}x \quad&&+ \quad &&\int_{-1+\sqrt{2}}^{2}\left[-x^3+5x-2\right]\ \mathrm{d}x \\&=\left[\frac{1}{4}x^4 - \frac{5}{2}x^2+2x\right]_{-1-\sqrt{2}}^{-1+\sqrt{2}} \quad&&+ \quad &&\left[-\frac{1}{4}x^4 + \frac{5}{2}x^2-2x\right]_{-1+\sqrt{2}}^{2} \\ \text{번거롭지만 기초적인 대수 계산을 하면:} \\ &=\left(8\sqrt{2}\right)+\left(4\sqrt{2}-\frac{13}{4}\right)=12\sqrt{2}-\frac{13}{4} \end{aligned}

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