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Active Calculus · 6.1절 · 12번우리말 번역
f(x)=2−x2 이라 하자. 구간 [a,b] 에서 연속인 임의의 함수 f 의 평균값은 b−a1∫abf(x)dx 로 주어진다는 것을 기억하세요.
(a) 구간 [0,2] 에서 f(x)=2−x2 의 평균값을 구하세요. 이 값을 r 이라 하세요.
(b) y=f(x) 와 y=r 의 그래프를 그리세요. 두 그래프의 교점을 구하세요.
(c) 구간 [0,2] 에서 y=f(x) 의 아래쪽이면서 y=r 의 위쪽에 있는 부분의 넓이가, y=r 의 아래쪽이면서 y=f(x) 의 위쪽에 있는 부분의 넓이와 같음을 보이세요.
(d) (c)의 결과는 임의의 구간에서 임의의 연속함수와 그 평균값에 대해서도 성립하나요? 그 이유를 설명하세요.
영어 원문 보기
Let f(x)=2−x2. Recall that the average value of any continuous function f on an interval [a,b] is given by b−a1∫abf(x)dx.
(a) Find the average value of f(x)=2−x2 on the interval [0,2]. Call this value r.
(b) Sketch a graph of y=f(x) and y=r. Find their intersection point(s).
(c) Show that on the interval [0,2], the amount of area that lies below y=f(x) and above y=r is equal to the amount of area that lies below y=r and above y=f(x).
(d) Will the result of (c) be true for any continuous function and its average value on any interval? Why?
정답·풀이 보기
(a) 구간 [0,2] 에서 f 의 평균값은
r=21∫022−x2dx=21(2x−3x3)02=21(22−323)=2−32=34.
(b) y=f(x) 와 y=r 의 교점은 양수 x 에 대하여 2−x2=34 일 때 생기며, 이로부터 x2=32 이므로 x=36 이다. f 의 그래프, y=r 의 그래프와 교점은 다음 그림과 같다.
(c) 아래 그림과 같이, 구간 [0,36] 에서 y=f(x) 의 아래쪽이면서 y=r 의 위쪽에 있는 부분의 넓이를 A1, 구간 [36,2] 에서 y=r 의 아래쪽이면서 y=f(x) 의 위쪽에 있는 영역의 넓이를 A2 라 하자. 그러면
A1=∫06/3(2−x2)−34dx=∫06/332−x2dx=(32x−3x3)06/3=(32)(36)−(31)(36)3=926−8166=2746. 그리고
A2=∫6/3234−(2−x2)dx=∫6/32x2−32dx=(3x3−32x)6/32=(322−322)−(31)(36)3−(32)(36)=2746. 따라서 A1=A2 이다.
(d) 답은 예이다. AV 를 구간 [a,b] 에서 함수 f 의 평균값이라 하자. 평균값의 정의에 의해
AV(b−a)=∫abf(x)dx, 이며, 이는 밑변이 (b−a) 이고 높이가 AV 인 직사각형의 넓이로 볼 수도 있다. 이제 구간 [a,b] 에서 f 의 그래프의 위쪽이면서 직선 y=AV 의 아래쪽에 있는 영역의 넓이를 R1, 구간 [a,b] 에서 f 의 그래프의 아래쪽이면서 직선 y=AV 의 위쪽에 있는 영역의 넓이를 R2 라 하자. 아래 그림은 정적분의 값이 직사각형의 넓이에 직사각형 위쪽의 넓이를 더하고 직사각형 아래쪽의 넓이를 뺀 것과 같음을 보여 주며, 즉
∫abf(x)dx=AV(b−a)+R2−R1. 이미 AV(b−a)=∫abf(x)dx 임을 보였으므로 R2−R1=0 이다. 따라서 [a,b] 에서 y=f(x) 의 아래쪽이면서 y=AV 의 위쪽에 있는 영역의 넓이는, y=AV 의 아래쪽이면서 y=f(x) 의 위쪽에 있는 넓이와 같다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) The average value of f on the interval [0,2] is
r=21∫022−x2dx=21(2x−3x3)02=21(22−323)=2−32=34.
(b) The intersection point of y=f(x) and y=r occurs, for positive x, when 2−x2=34, from which it follows that x2=32 and thus x=36. A graph of f, y=r, and the intersection point is shown in the following figure.
(c) Let A1 be the area that lies below y=f(x) and above y=r on the interval [0,36] and A2 the are of the region that lies below y=r and above y=f(x) on [36,2] as illustrated in the figure below. Then
A1=∫06/3(2−x2)−34dx=∫06/332−x2dx=(32x−3x3)06/3=(32)(36)−(31)(36)3=926−8166=2746. and
A2=∫6/3234−(2−x2)dx=∫6/32x2−32dx=(3x3−32x)6/32=(322−322)−(31)(36)3−(32)(36)=2746. Hence A1=A2 as desired.
(d) The answer is yes. Let AV is the average value of a function f on an interval [a,b]. By the definition of average value,
AV(b−a)=∫abf(x)dx, which can also be viewed as the area of the rectangle with base (b−a) and height AV. Now suppose that the area of the region above the graph of f and below the line y=AV on the interval [a,b] is R1 and the area of the region below the graph of f and above the line y=AV on the interval [a,b] is R2. The figure below illustrates that the value of the definite integral is the area of the rectangle plus the area above the rectangle minus the area below the rectangle, or
∫abf(x)dx=AV(b−a)+R2−R1. Having already established that AV(b−a)=∫abf(x)dx, it follows that R2−R1=0. So the area of the region that lies below y=f(x) and above y=AV is equal to the amount of area that lies below y=AV and above y=f(x) on [a,b].
한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 1권 · 6.1절 · 19번우리말 번역
다음 연습문제에서, 방정식의 그래프를 그리고 두 곡선 사이 영역을 색칠하고. 필요하면 영역을 부분 영역으로 나누어 전체 넓이를 구하세요.