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 · 12번우리말 번역

f(x)=2−x2f(x) = 2-x^2 이라 하자. 구간 [a,b][a,b] 에서 연속인 임의의 함수 ff 의 평균값은 1b−a∫abf(x) dx\frac{1}{b-a} \int_a^b f(x) \, dx 로 주어진다는 것을 기억하세요.

(a) 구간 [0,2][0,\sqrt{2}] 에서 f(x)=2−x2f(x) = 2-x^2 의 평균값을 구하세요. 이 값을 rr 이라 하세요. (b) y=f(x)y = f(x) 와 y=ry = r 의 그래프를 그리세요. 두 그래프의 교점을 구하세요. (c) 구간 [0,2][0,\sqrt{2}] 에서 y=f(x)y = f(x) 의 아래쪽이면서 y=ry = r 의 위쪽에 있는 부분의 넓이가, y=ry = r 의 아래쪽이면서 y=f(x)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−x2f(x) = 2-x^2. Recall that the average value of any continuous function ff on an interval [a,b][a,b] is given by 1b−a∫abf(x) dx\frac{1}{b-a} \int_a^b f(x) \, dx.

(a) Find the average value of f(x)=2−x2f(x) = 2-x^2 on the interval [0,2][0,\sqrt{2}]. Call this value rr. (b) Sketch a graph of y=f(x)y = f(x) and y=ry = r. Find their intersection point(s). (c) Show that on the interval [0,2][0,\sqrt{2}], the amount of area that lies below y=f(x)y = f(x) and above y=ry = r is equal to the amount of area that lies below y=ry = r and above y=f(x)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][0,\sqrt{2}] 에서 ff 의 평균값은 r=12∫022−x2 dx=12(2x−x33)∣02=12(22−233)=2−23=43 .\begin{aligned}r &= \frac{1}{\sqrt{2}} \int_0^{\sqrt{2}} 2-x^2 \, dx \\ &= \left. \frac{1}{\sqrt{2}}\left(2x - \frac{x^3}{3}\right) \right|_0^{\sqrt{2}} \\ &= \frac{1}{\sqrt{2}}\left( 2\sqrt{2} - \frac{\sqrt{2}^3}{3} \right) \\ &= 2 - \frac{2}{3} \\ &= \frac{4}{3}\end{aligned}\,. (b) y=f(x)y=f(x) 와 y=ry=r 의 교점은 양수 xx 에 대하여 2−x2=432-x^2 = \frac{4}{3} 일 때 생기며, 이로부터 x2=23x^2 = \frac{2}{3} 이므로 x=63x = \frac{\sqrt{6}}{3} 이다. ff 의 그래프, y=ry = r 의 그래프와 교점은 다음 그림과 같다. 구간 0, sqrt 2 에서 f(x) = 2-x 2 의 그래프와, 이 구간에서의 평균값 y = frac 4 3 의 그래프이다. 함수 f 는 0 lt x lt frac sqrt 6 3 에서 평균값보다 위에 있고 그 평균값보다 아래에 있 (c) 아래 그림과 같이, 구간 [0,63]\left[0, \frac{\sqrt{6}}{3}\right] 에서 y=f(x)y = f(x) 의 아래쪽이면서 y=ry = r 의 위쪽에 있는 부분의 넓이를 A1A_1, 구간 [63,2]\left[\frac{\sqrt{6}}{3}, \sqrt{2}\right] 에서 y=ry = r 의 아래쪽이면서 y=f(x)y = f(x) 의 위쪽에 있는 영역의 넓이를 A2A_2 라 하자. 그러면 A1=∫06/3(2−x2)−43 dx=∫06/323−x2 dx=(23x−x33)∣06/3=(23)(63)−(13)(63)3=269−6681=4627 .\begin{aligned}A_1 &= \int_0^{\sqrt{6}/3} (2-x^2) - \frac{4}{3} \ dx \\ &= \int_0^{\sqrt{6}/3} \frac{2}{3} - x^2 \ dx \\ &= \left. \left( \frac{2}{3}x - \frac{x^3}{3} \right) \right|_0^{\sqrt{6}/3} \\ &= \left(\frac{2}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right) - \left(\frac{1}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right)^3 \\ &= \frac{2\sqrt{6}}{9} - \frac{6 \sqrt{6}}{81} \\ &= \frac{4 \sqrt{6}}{27}\end{aligned}\,. 그리고 A2=∫6/3243−(2−x2) dx=∫6/32x2−23 dx=(x33−23x)∣6/32=(223−232)−[(13)(63)3−(23)(63)]=4627 .\begin{aligned}A_2 &= \int_{\sqrt{6}/3}^{\sqrt{2}} \frac{4}{3} - (2-x^2) \ dx \\ &= \int_{\sqrt{6}/3}^{\sqrt{2}} x^2 - \frac{2}{3} \ dx \\ &= \left. \left(\frac{x^3}{3} - \frac{2}{3}x \right) \right|_{\sqrt{6}/3}^{\sqrt{2}} \\ &= \left(\frac{2\sqrt{2}}{3} - \frac{2}{3} \sqrt{2} \right) - \left[ \left(\frac{1}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right)^3 - \left(\frac{2}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right) \right] \\ &= \frac{4 \sqrt{6}}{27}\end{aligned}\,. 따라서 A1=A2A_1 = A_2 이다. (d) 답은 예이다. AVAV 를 구간 [a,b][a,b] 에서 함수 ff 의 평균값이라 하자. 평균값의 정의에 의해 AV(b−a)=∫abf(x) dx ,AV(b-a) = \int_a^b f(x) \ dx\,, 이며, 이는 밑변이 (b−a)(b-a) 이고 높이가 AVAV 인 직사각형의 넓이로 볼 수도 있다. 이제 구간 [a,b][a,b] 에서 ff 의 그래프의 위쪽이면서 직선 y=AVy=AV 의 아래쪽에 있는 영역의 넓이를 R1R_1, 구간 [a,b][a,b] 에서 ff 의 그래프의 아래쪽이면서 직선 y=AVy=AV 의 위쪽에 있는 영역의 넓이를 R2R_2 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 .\int_a^b f(x) \, dx = AV(b-a) + R_2 - R_1\,. 이미 AV(b−a)=∫abf(x) dxAV(b-a) = \int_a^b f(x) \ dx 임을 보였으므로 R2−R1=0R_2 - R_1 = 0 이다. 따라서 [a,b][a,b] 에서 y=f(x)y = f(x) 의 아래쪽이면서 y=AVy = AV 의 위쪽에 있는 영역의 넓이는, y=AVy = AV 의 아래쪽이면서 y=f(x)y = f(x) 의 위쪽에 있는 넓이와 같다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The average value of ff on the interval [0,2][0,\sqrt{2}] is r=12∫022−x2 dx=12(2x−x33)∣02=12(22−233)=2−23=43 .\begin{aligned}r &= \frac{1}{\sqrt{2}} \int_0^{\sqrt{2}} 2-x^2 \, dx \\ &= \left. \frac{1}{\sqrt{2}}\left(2x - \frac{x^3}{3}\right) \right|_0^{\sqrt{2}} \\ &= \frac{1}{\sqrt{2}}\left( 2\sqrt{2} - \frac{\sqrt{2}^3}{3} \right) \\ &= 2 - \frac{2}{3} \\ &= \frac{4}{3}\end{aligned}\,. (b) The intersection point of y=f(x)y=f(x) and y=ry=r occurs, for positive xx, when 2−x2=432-x^2 = \frac{4}{3}, from which it follows that x2=23x^2 = \frac{2}{3} and thus x=63x = \frac{\sqrt{6}}{3}. A graph of ff, y=ry = r, and the intersection point is shown in the following figure. A plot of f(x) = 2-x 2 on the interval 0, sqrt 2 , along with its average value on the interval, y = frac 4 3 . The function f lies above its average value for 0 lt x lt frac sqrt 6 3 and below its av (c) Let A1A_1 be the area that lies below y=f(x)y = f(x) and above y=ry = r on the interval [0,63]\left[0, \frac{\sqrt{6}}{3}\right] and A2A_2 the are of the region that lies below y=ry = r and above y=f(x)y = f(x) on [63,2]\left[\frac{\sqrt{6}}{3}, \sqrt{2}\right] as illustrated in the figure below. Then A1=∫06/3(2−x2)−43 dx=∫06/323−x2 dx=(23x−x33)∣06/3=(23)(63)−(13)(63)3=269−6681=4627 .\begin{aligned}A_1 &= \int_0^{\sqrt{6}/3} (2-x^2) - \frac{4}{3} \ dx \\ &= \int_0^{\sqrt{6}/3} \frac{2}{3} - x^2 \ dx \\ &= \left. \left( \frac{2}{3}x - \frac{x^3}{3} \right) \right|_0^{\sqrt{6}/3} \\ &= \left(\frac{2}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right) - \left(\frac{1}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right)^3 \\ &= \frac{2\sqrt{6}}{9} - \frac{6 \sqrt{6}}{81} \\ &= \frac{4 \sqrt{6}}{27}\end{aligned}\,. and A2=∫6/3243−(2−x2) dx=∫6/32x2−23 dx=(x33−23x)∣6/32=(223−232)−[(13)(63)3−(23)(63)]=4627 .\begin{aligned}A_2 &= \int_{\sqrt{6}/3}^{\sqrt{2}} \frac{4}{3} - (2-x^2) \ dx \\ &= \int_{\sqrt{6}/3}^{\sqrt{2}} x^2 - \frac{2}{3} \ dx \\ &= \left. \left(\frac{x^3}{3} - \frac{2}{3}x \right) \right|_{\sqrt{6}/3}^{\sqrt{2}} \\ &= \left(\frac{2\sqrt{2}}{3} - \frac{2}{3} \sqrt{2} \right) - \left[ \left(\frac{1}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right)^3 - \left(\frac{2}{3}\right) \left(\frac{\sqrt{6}}{3} \right) \right] \\ &= \frac{4 \sqrt{6}}{27}\end{aligned}\,. Hence A1=A2A_1 = A_2 as desired. (d) The answer is yes. Let AVAV is the average value of a function ff on an interval [a,b][a,b]. By the definition of average value, AV(b−a)=∫abf(x) dx ,AV(b-a) = \int_a^b f(x) \ dx\,, which can also be viewed as the area of the rectangle with base (b−a)(b-a) and height AVAV. Now suppose that the area of the region above the graph of ff and below the line y=AVy=AV on the interval [a,b][a,b] is R1R_1 and the area of the region below the graph of ff and above the line y=AVy=AV on the interval [a,b][a,b] is R2R_2. 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 .\int_a^b f(x) \, dx = AV(b-a) + R_2 - R_1\,. Having already established that AV(b−a)=∫abf(x) dxAV(b-a) = \int_a^b f(x) \ dx, it follows that R2−R1=0R_2 - R_1 = 0. So the area of the region that lies below y=f(x)y = f(x) and above y=AVy = AV is equal to the amount of area that lies below y=AVy = AV and above y=f(x)y = f(x) on [a,b][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.

y=x3+3xy={x}^{3}+3x 와 y=4xy=4x

다 풀었으면 정답 확인

이 그림에는 두 개의 그래프가 있다. 두 그래프는 함수 f(x)=x^3+3x 와 g(x)=4x 이다. 두 그래프 사이에 색칠된 영역이 두 개 있다. 첫 번째 영역은 위로는 f(x), 아래로는 g(x) 로 둘러싸인 영역이다. 두 번째 영역은 위쪽이 g(x), 아래쪽이 f(x) 로 유계이다.

12\frac{1}{2}

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