문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

입체도형의 부피

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

Active Calculus · 6.2절 · 7번우리말 번역

곡선 y=sin⁡(x)y = \sin(x) 와 y=cos⁡(x)y = \cos(x) 를 생각하세요. 다음 각 문제에서 고려하는 영역/회전체의 그림과, 이름을 붙인 대표 조각을 함께 그리세요.

(a) yy축과 곡선 y=sin⁡(x)y = \sin(x), y=cos⁡(x)y = \cos(x) 로 둘러싸인 영역 RR 의 그래프를 그리세요. 단, 두 곡선이 처음으로 만나는 양의 xx 값까지로 합니다. 두 곡선의 교점의 정확한 좌표는 무엇인가요? (b) 영역 RR 의 정확한 넓이와 같은 값을 갖는 정적분을 세우세요. (c) RR 을 xx축을 중심으로 회전시켜 만들어진 회전체의 정확한 부피와 같은 값을 갖는 정적분을 세우세요. (d) RR 을 yy축을 중심으로 회전시켜 만들어진 회전체의 정확한 부피와 같은 값을 갖는 정적분을 세우세요. (e) RR 을 직선 y=2y = 2 를 중심으로 회전시켜 만들어진 회전체의 정확한 부피와 같은 값을 갖는 정적분을 세우세요. (f) RR 을 직선 x=−1x = -1 을 중심으로 회전시켜 만들어진 회전체의 정확한 부피와 같은 값을 갖는 정적분을 세우세요.

영어 원문 보기

Consider the curves given by y=sin⁡(x)y = \sin(x) and y=cos⁡(x)y = \cos(x). For each of the following problems, you should include a sketch of the region/solid being considered, as well as a labeled representative slice.

(a) Sketch the region RR bounded by the yy-axis and the curves y=sin⁡(x)y = \sin(x) and y=cos⁡(x)y = \cos(x) up to the first positive value of xx at which they intersect. What is the exact intersection point of the curves? (b) Set up a definite integral whose value is the exact area of RR. (c) Set up a definite integral whose value is the exact volume of the solid of revolution generated by revolving RR about the xx-axis. (d) Set up a definite integral whose value is the exact volume of the solid of revolution generated by revolving RR about the yy-axis. (e) Set up a definite integral whose value is the exact volume of the solid of revolution generated by revolving RR about the line y=2y = 2. (f) Set up a definite integral whose value is the exact volume of the solid of revolution generated by revolving RR about the line x=−1x = -1.

정답·풀이 보기

(a) 이 그림은 구간 0,1 에서 함수 y = cos(x) 와 y = sin(x) 의 그래프를 그린 것이며, 구간 0, frac pi 4 에서 이 두 곡선과 y축으로 둘러싸인 영역 R 을 함께 보여 준다(두 곡선은 점 p 위의 그림을 보라. 두 곡선의 교점은 제1사분면에서 cos⁡(x)=sin⁡(x)\cos(x) = \sin(x) 인 곳이므로 점 (π4,22)(\frac{\pi}{4}, \frac{\sqrt{2}}{2}) 이다. (b) RR 의 넓이는 다음 정적분으로 주어진다. A=∫0π4(cos⁡(x)−sin⁡(x)) dx .A = \int_0^{\frac{\pi}{4}} ( \cos(x) - \sin(x) ) \, dx\,. (c) RR 을 xx축을 중심으로 회전시키고, 축에 수직이며 두께가 △x\triangle x 인 조각으로 자르면, 생기는 와셔의 바깥쪽 반지름은 R(x)=cos⁡(x)R(x) = \cos(x) 이고 안쪽 반지름은 r(x)=sin⁡(x)r(x) = \sin(x) 이다. 대표 조각의 부피는 V조각≈π(cos⁡2(x)−sin⁡2(x))△xV_{\text{조각}} \approx \pi (\cos^2(x) - \sin^2(x)) \triangle x 이므로, 구간 x=0x = 0 부터 x=π/4x = \pi/4 까지 조각들을 정적분으로 더하면 회전체의 부피는 다음과 같다. V=∫0π4π(cos⁡2(x)−sin⁡2(x)) dx .V = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \pi (\cos^2(x) - \sin^2(x)) \, dx\,. (d) RR 을 yy축을 중심으로 회전시키면, 생기는 도형의 단면은 yy축에 수직이고 두께가 △x\triangle x 인 원판이다. 그런데 각 원판의 반지름을 결정하는 반지름 R(y)R(y) 는 y=0y = 0 부터 y=1y = 1 까지의 구간에서 높이 y=22y = \frac{\sqrt{2}}{2} 에서 바뀐다. 또한 영역을 둘러싸는 두 곡선을 yy의 함수로서 xx 로 나타내야 한다. y=0y = 0 부터 y=22y = \frac{\sqrt{2}}{2} 까지의 구간에서는 사인 함수가 경계를 이루며 이를 x=arcsin⁡(y)x = \arcsin(y) 로 쓴다. y=22y = \frac{\sqrt{2}}{2} 부터 y=1y = 1 까지의 구간에서는 코사인 함수가 경계를 이루며 이를 x=arccos⁡(y)x = \arccos(y) 로 쓴다. 아래쪽 구간에서 대표 조각의 부피는 V조각≈πarcsin⁡2(y)△y .V_{\text{조각}} \approx \pi \arcsin^2(y) \triangle y\,. 위쪽 구간에도 같은 방법으로 생각하고 알맞은 정적분으로 조각들을 더하면 다음을 얻는다. V=∫022πarcsin⁡2(y) dy+∫221πarccos⁡2(y) dyV = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \pi \arcsin^2(y) \, dy + \int_{\frac{\sqrt{2}}{2}}^1 \pi \arccos^2(y) \, dy (e) 그림을 그린다. RR 을 직선 y=2y = 2 를 중심으로 회전시키면, 직선 y=2y = 2 에 수직인 단면은 두께가 △x\triangle x 이고 바깥쪽 반지름이 R(x)=2−sin⁡(x)R(x) = 2 - \sin(x), 안쪽 반지름이 r(x)=2−cos⁡(x)r(x) = 2 - \cos(x) 인 와셔이다. 구간 [0,π4][0, \frac{\pi}{4}] 에서 2−sin⁡(x)≥2−cos⁡(x)2 - \sin(x) \ge 2 - \cos(x) 이기 때문이다. 따라서 대표 조각의 부피는 V조각≈π[(2−sin⁡(x))2−(2−cos⁡(x))2]△xV_{\text{조각}} \approx \pi [(2 - \sin(x))^2 - (2 - \cos(x))^2] \triangle x 이고, 이를 적분하여 전체 부피를 구하면 다음과 같다. V=∫0π4π[(2−sin⁡(x))2−(2−cos⁡(x))2] dx .V = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \pi [(2 - \sin(x))^2 - (2 - \cos(x))^2] \, dx\,. (f) RR 을 직선 x=−1x = -1 을 중심으로 회전시키면, 생기는 도형의 단면은 yy축에 수직이고 두께가 △x\triangle x 인 와셔이다. 안쪽 반지름은 항상 r(y)=1r(y) = 1 이지만, 각 와셔의 더 큰 반지름을 결정하는 바깥쪽 반지름 R(y)R(y) 는 y=0y = 0 부터 y=1y = 1 까지의 구간에서 높이 y=22y = \frac{\sqrt{2}}{2} 에서 바뀐다. (d)와 마찬가지로 영역을 둘러싸는 두 곡선을 yy의 함수로서 xx 로 나타낸다. y=0y = 0 부터 y=22y = \frac{\sqrt{2}}{2} 까지의 구간에서는 R(y)=1+arcsin⁡(y)R(y) = 1 + \arcsin(y) 이고, y=22y = \frac{\sqrt{2}}{2} 부터 y=1y = 1 까지의 구간에서는 R(y)=1+arccos⁡(y)R(y) = 1 + \arccos(y) 이다. 아래쪽 구간에서 대표 조각의 부피는 V조각≈π[(1+arcsin⁡(y))2−12]△y .V_{\text{조각}} \approx \pi [ (1+\arcsin(y))^2 - 1^2 ] \triangle y\,. 위쪽 구간에도 같은 방법으로 생각하고 알맞은 정적분으로 조각들을 더하면 다음을 얻는다. V=∫022π[(1+arcsin⁡(y))2−12] dy+∫221π[(1+arccos⁡(y))2−12] dyV = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \pi [ (1+\arcsin(y))^2 - 1^2 ] \, dy + \int_{\frac{\sqrt{2}}{2}}^1 \pi [ (1+\arccos(y))^2 - 1^2 ] \, dy

원본 교재 풀이(영어)

(a) This figure shows the functions y = cos(x) and y = sin(x) plotted on the interval 0,1 with the region R they bound along with the y-axis on the interval 0, frac pi 4 (the two curves intersect at the p See the sketch above. The exact intersection point of the curves is where cos⁡(x)=sin⁡(x)\cos(x) = \sin(x) in the first quadrant, and thus at the point (π4,22)(\frac{\pi}{4}, \frac{\sqrt{2}}{2}). (b) The area of RR is given by the definite integral A=∫0π4(cos⁡(x)−sin⁡(x)) dx .A = \int_0^{\frac{\pi}{4}} ( \cos(x) - \sin(x) ) \, dx\,. (c) Revolving RR about the xx-axis and using slices perpendicular to the axis with thickness △x\triangle x, the outer radius of the resulting washers is R(x)=cos⁡(x)R(x) = \cos(x), while the inner radius of the washers is r(x)=sin⁡(x)r(x) = \sin(x). The volume of a typical slice is Vslice≈π(cos⁡2(x)−sin⁡2(x))△xV_{\text{slice}} \approx \pi (\cos^2(x) - \sin^2(x)) \triangle x and thus using an integral to sum the slices over the interval x=0x = 0 to x=π/4x = \pi/4, we find the volume of the solid is V=∫0π4π(cos⁡2(x)−sin⁡2(x)) dx .V = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \pi (\cos^2(x) - \sin^2(x)) \, dx\,. (d) Revolving RR about the yy-axis, the resulting figure has solid cross sections that are disks perpendicular to the yy-axis with thickness △x\triangle x, but the radius R(y)R(y) that governs the radius of each disk changes at the height where y=22y = \frac{\sqrt{2}}{2} in the interval from y=0y = 0 to y=1y = 1. We also need to express the two curves that bound the region with xx as a function of yy. On the interval from y=0y = 0 to y=22y = \frac{\sqrt{2}}{2}, the sine function provides the boundary, which we write as x=arcsin⁡(y)x = \arcsin(y); on the interval from y=22y = \frac{\sqrt{2}}{2} to y=1y = 1, the cosine function provides the boundary, which we write as x=arccos⁡(y)x = \arccos(y). On the lower interval, a typical slice has volume Vslice≈πarcsin⁡2(y)△y .V_{\text{slice}} \approx \pi \arcsin^2(y) \triangle y\,. Using similar reasoning for the upper interval and summing the slices using appropriate definite integrals, we find that V=∫022πarcsin⁡2(y) dy+∫221πarccos⁡2(y) dyV = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \pi \arcsin^2(y) \, dy + \int_{\frac{\sqrt{2}}{2}}^1 \pi \arccos^2(y) \, dy (e) Draw a picture. Revolving RR about the line y=2y = 2, we see that cross-sections perpendicular to the line y=2y = 2 are washers with thickness △x\triangle x, outer radius R(x)=2−sin⁡(x)R(x) = 2 - \sin(x), and inner radius r(x)=2−cos⁡(x)r(x) = 2 - \cos(x), since 2−sin⁡(x)≥2−cos⁡(x)2 - \sin(x) \ge 2 - \cos(x) on the interval [0,π4][0, \frac{\pi}{4}]. Thus, the volume of a typical slice is Vslice≈π[(2−sin⁡(x))2−(2−cos⁡(x))2]△xV_{\text{slice}} \approx \pi [(2 - \sin(x))^2 - (2 - \cos(x))^2] \triangle x and hence integrating to sum the total volume, we find V=∫0π4π[(2−sin⁡(x))2−(2−cos⁡(x))2] dx .V = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \pi [(2 - \sin(x))^2 - (2 - \cos(x))^2] \, dx\,. (f) Revolving RR about the line x=−1x = -1, the resulting figure has solid cross sections that are washers perpendicular to the yy-axis with thickness △x\triangle x; the inner radius is always r(y)=1r(y) = 1, but the outer radius R(y)R(y) that governs the larger radius of each washer changes at the height where y=22y = \frac{\sqrt{2}}{2} in the interval from y=0y = 0 to y=1y = 1. As in (d), we express the two curves that bound the region with xx as a function of yy. On the interval from y=0y = 0 to y=22y = \frac{\sqrt{2}}{2}, R(y)=1+arcsin⁡(y)R(y) = 1 + \arcsin(y); on the interval from y=22y = \frac{\sqrt{2}}{2} to y=1y = 1,R(y)=1+arccos⁡(y)R(y) = 1 + \arccos(y). On the lower interval, a typical slice has volume Vslice≈π[(1+arcsin⁡(y))2−12]△y .V_{\text{slice}} \approx \pi [ (1+\arcsin(y))^2 - 1^2 ] \triangle y\,. Using similar reasoning for the upper interval and summing the slices using appropriate definite integrals, we find that V=∫022π[(1+arcsin⁡(y))2−12] dy+∫221π[(1+arccos⁡(y))2−12] dyV = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \pi [ (1+\arcsin(y))^2 - 1^2 ] \, dy + \int_{\frac{\sqrt{2}}{2}}^1 \pi [ (1+\arccos(y))^2 - 1^2 ] \, dy

한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 6.2절 · 6번우리말 번역

곡선 f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3 \cos(\frac{x^3}{4}) 과, 이 그래프 중 제1사분면에서 yy축과 f(x)=0f(x) = 0 을 만족하는 첫 번째 양의 xx 값 사이에 놓인 부분을 생각하세요. RR 을 ff 의 이 부분, xx축, yy축으로 둘러싸인 영역이라고 하세요.

(a) RR 의 위쪽 경계를 따라 놓인 ff 의 정확한 곡선의 길이를 값으로 갖는 정적분을 세우세요. 적절한 공학 도구를 사용하여 구한 정적분의 값을 계산하세요. (b) RR 의 정확한 넓이를 값으로 갖는 정적분을 세우세요. 적절한 공학 도구를 사용하여 구한 정적분의 값을 계산하세요. (c) 영역 RR 을 xx축을 중심으로 회전시킨다고 하세요. 이때 생기는 회전체의 정확한 부피를 값으로 갖는 정적분을 세우세요. 적절한 공학 도구를 사용하여 구한 정적분의 값을 계산하세요. (d) 대신 RR 을 yy축을 중심으로 회전시킨다고 하세요. 가능하다면, 회전체의 정확한 부피를 값으로 갖는 적분식을 세우고 적절한 공학 도구를 사용하여 그 적분의 값을 계산하세요. 가능하지 않다면, 그 이유를 설명하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) 함수의 그래프를 그리고 공학 도구를 사용하여 f(x)f(x) 가 xx축과 만나는 지점을 찾으면, 영역 RR 은 다음 그림과 같다. 이 그림은 구간 0,3 에서 함수 f(x) = 3 cos( frac x 3 4 ) 의 그래프를 나타내며, x축 위쪽에서 y축부터 함수의 첫 번째 영점(대략 곡선의 길이 공식을 적용하려면 ff 의 도함수가 필요하다. 합성함수의 미분법에 의해 f′(x)=−3sin⁡(x34)⋅34x2f'(x) = -3 \sin(\frac{x^3}{4}) \cdot \frac{3}{4}x^2 이므로, RR 의 위쪽 경계를 따라 놓인 ff 의 곡선의 길이는 다음과 같다. L=∫01.842571+(−3sin⁡(x34)⋅34x2)2 dx .L = \int_0^{1.84257} \sqrt{1+\left( -3 \sin \left(\frac{x^3}{4}\right) \cdot \frac{3}{4}x^2 \right)^2} \, dx\,. 공학 도구로 이 정적분의 값을 계산하면 L≈4.10521L \approx 4.10521 이다. (b) RR 의 넓이는 다음과 같다. A=∫01.845273cos⁡(x34) dx≈4.6623 .A = \int_0^{1.84527} 3 \cos\left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx \approx 4.6623\,. (c) RR 을 xx축을 중심으로 회전시키면, xx축에 수직인 단면으로 자른 원판법을 사용하여 생기는 입체의 부피를 구할 수 있다. 각 원판의 반지름이 r(x)=3cos⁡(x34)r(x) = 3 \cos(\frac{x^3}{4}) 이고 각 원판의 두께가 △x\triangle x 이므로, 각 조각의 부피는 다음과 같다. V조각≈πr(x)2△x=π(3cos⁡(x34))2△xV_{\text{조각}} \approx \pi r(x)^2 \triangle x = \pi \left( 3 \cos\left( \frac{x^3}{4} \right) \right)^2 \triangle x 따라서 전체 부피는 다음과 같다. V=∫01.84527π⋅9cos⁡2(x34) dx≈40.31965V = \int_0^{1.84527} \pi \cdot 9 \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx \approx 40.31965 (d) 대신 RR 을 yy축을 중심으로 회전시키면, 원판법을 적용하기 위해 두께가 △y\triangle y 인 수평 원판을 사용해야 한다. 그러려면 주어진 대로 yy 를 xx 의 함수로 나타내는 대신 xx 를 yy 의 함수로 나타내야 한다. 따라서 주어진 함수 y=3cos⁡(x34)y = 3 \cos(\frac{x^3}{4}) 에서 xx 에 대해 방정식을 푼다. 먼저 다음을 얻는다. cos⁡(x34)=y3\cos\left( \frac{x^3}{4} \right) = \frac{y}{3} 그러므로 역코사인을 사용하면 x34=arccos⁡(y3)\frac{x^3}{4} = \arccos \left( \frac{y}{3} \right) 이고, 따라서 x3=4arccos⁡(y3)x^3 = 4\arccos \left(\frac{y}{3} \right) 이므로 x=4arccos⁡(y3)3 .x = \sqrt[3]{4\arccos \left(\frac{y}{3} \right)}\,. 이제 대표적인 조각은 반지름이 r(y)=4arccos⁡(y3)3r(y) = \sqrt[3]{4\arccos \left(\frac{y}{3} \right)} 이고 두께가 △y\triangle y 이며, 부피는 다음과 같다. V조각≈π⋅(4arccos⁡(y3)3)2△y .V_{\text{조각}} \approx \pi \cdot \left( \sqrt[3]{4\arccos \left(\frac{y}{3} \right)} \right)^2 \triangle y\,. y=0y = 0 부터 y=3y = 3 까지 조각들을 더하기 위해 적분하면, 회전체의 부피는 다음과 같다. V=∫03π(4arccos⁡(y3))2/3 dy≈23.29194 .V = \int_0^3 \pi \left( 4\arccos \left(\frac{y}{3} \right) \right)^{2/3} \, dy \approx 23.29194\,.

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# 입체도형의 부피그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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