곡선 와 를 생각하세요. 다음 각 문제에서 고려하는 영역/회전체의 그림과, 이름을 붙인 대표 조각을 함께 그리세요.
(a) 축과 곡선 , 로 둘러싸인 영역 의 그래프를 그리세요. 단, 두 곡선이 처음으로 만나는 양의 값까지로 합니다. 두 곡선의 교점의 정확한 좌표는 무엇인가요? (b) 영역 의 정확한 넓이와 같은 값을 갖는 정적분을 세우세요. (c) 을 축을 중심으로 회전시켜 만들어진 회전체의 정확한 부피와 같은 값을 갖는 정적분을 세우세요. (d) 을 축을 중심으로 회전시켜 만들어진 회전체의 정확한 부피와 같은 값을 갖는 정적분을 세우세요. (e) 을 직선 를 중심으로 회전시켜 만들어진 회전체의 정확한 부피와 같은 값을 갖는 정적분을 세우세요. (f) 을 직선 을 중심으로 회전시켜 만들어진 회전체의 정확한 부피와 같은 값을 갖는 정적분을 세우세요.
영어 원문 보기
Consider the curves given by and . 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 bounded by the -axis and the curves and up to the first positive value of 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 . (c) Set up a definite integral whose value is the exact volume of the solid of revolution generated by revolving about the -axis. (d) Set up a definite integral whose value is the exact volume of the solid of revolution generated by revolving about the -axis. (e) Set up a definite integral whose value is the exact volume of the solid of revolution generated by revolving about the line . (f) Set up a definite integral whose value is the exact volume of the solid of revolution generated by revolving about the line .
정답·풀이 보기
(a)
위의 그림을 보라. 두 곡선의 교점은 제1사분면에서 인 곳이므로 점 이다.
(b) 의 넓이는 다음 정적분으로 주어진다.
(c) 을 축을 중심으로 회전시키고, 축에 수직이며 두께가 인 조각으로 자르면, 생기는 와셔의 바깥쪽 반지름은 이고 안쪽 반지름은 이다. 대표 조각의 부피는
이므로, 구간 부터 까지 조각들을 정적분으로 더하면 회전체의 부피는 다음과 같다.
(d) 을 축을 중심으로 회전시키면, 생기는 도형의 단면은 축에 수직이고 두께가 인 원판이다. 그런데 각 원판의 반지름을 결정하는 반지름 는 부터 까지의 구간에서 높이 에서 바뀐다. 또한 영역을 둘러싸는 두 곡선을 의 함수로서 로 나타내야 한다. 부터 까지의 구간에서는 사인 함수가 경계를 이루며 이를 로 쓴다. 부터 까지의 구간에서는 코사인 함수가 경계를 이루며 이를 로 쓴다. 아래쪽 구간에서 대표 조각의 부피는
위쪽 구간에도 같은 방법으로 생각하고 알맞은 정적분으로 조각들을 더하면 다음을 얻는다.
(e) 그림을 그린다. 을 직선 를 중심으로 회전시키면, 직선 에 수직인 단면은 두께가 이고 바깥쪽 반지름이 , 안쪽 반지름이 인 와셔이다. 구간 에서 이기 때문이다. 따라서 대표 조각의 부피는
이고, 이를 적분하여 전체 부피를 구하면 다음과 같다.
(f) 을 직선 을 중심으로 회전시키면, 생기는 도형의 단면은 축에 수직이고 두께가 인 와셔이다. 안쪽 반지름은 항상 이지만, 각 와셔의 더 큰 반지름을 결정하는 바깥쪽 반지름 는 부터 까지의 구간에서 높이 에서 바뀐다. (d)와 마찬가지로 영역을 둘러싸는 두 곡선을 의 함수로서 로 나타낸다. 부터 까지의 구간에서는 이고, 부터 까지의 구간에서는 이다. 아래쪽 구간에서 대표 조각의 부피는
위쪽 구간에도 같은 방법으로 생각하고 알맞은 정적분으로 조각들을 더하면 다음을 얻는다.
원본 교재 풀이(영어)
(a)
See the sketch above. The exact intersection point of the curves is where in the first quadrant, and thus at the point .
(b) The area of is given by the definite integral
(c) Revolving about the -axis and using slices perpendicular to the axis with thickness , the outer radius of the resulting washers is , while the inner radius of the washers is . The volume of a typical slice is
and thus using an integral to sum the slices over the interval to , we find the volume of the solid is
(d) Revolving about the -axis, the resulting figure has solid cross sections that are disks perpendicular to the -axis with thickness , but the radius that governs the radius of each disk changes at the height where in the interval from to . We also need to express the two curves that bound the region with as a function of . On the interval from to , the sine function provides the boundary, which we write as ; on the interval from to , the cosine function provides the boundary, which we write as . On the lower interval, a typical slice has volume
Using similar reasoning for the upper interval and summing the slices using appropriate definite integrals, we find that
(e) Draw a picture. Revolving about the line , we see that cross-sections perpendicular to the line are washers with thickness , outer radius , and inner radius , since on the interval . Thus, the volume of a typical slice is
and hence integrating to sum the total volume, we find
(f) Revolving about the line , the resulting figure has solid cross sections that are washers perpendicular to the -axis with thickness ; the inner radius is always , but the outer radius that governs the larger radius of each washer changes at the height where in the interval from to . As in (d), we express the two curves that bound the region with as a function of . On the interval from to , ; on the interval from to ,. On the lower interval, a typical slice has volume
Using similar reasoning for the upper interval and summing the slices using appropriate definite integrals, we find that
한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 6.2절 · 6번우리말 번역
곡선 과, 이 그래프 중 제1사분면에서 축과 을 만족하는 첫 번째 양의 값 사이에 놓인 부분을 생각하세요. 을 의 이 부분, 축, 축으로 둘러싸인 영역이라고 하세요.
(a) 의 위쪽 경계를 따라 놓인 의 정확한 곡선의 길이를 값으로 갖는 정적분을 세우세요. 적절한 공학 도구를 사용하여 구한 정적분의 값을 계산하세요. (b) 의 정확한 넓이를 값으로 갖는 정적분을 세우세요. 적절한 공학 도구를 사용하여 구한 정적분의 값을 계산하세요. (c) 영역 을 축을 중심으로 회전시킨다고 하세요. 이때 생기는 회전체의 정확한 부피를 값으로 갖는 정적분을 세우세요. 적절한 공학 도구를 사용하여 구한 정적분의 값을 계산하세요. (d) 대신 을 축을 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 가 축과 만나는 지점을 찾으면, 영역 은 다음 그림과 같다.
곡선의 길이 공식을 적용하려면 의 도함수가 필요하다. 합성함수의 미분법에 의해 이므로, 의 위쪽 경계를 따라 놓인 의 곡선의 길이는 다음과 같다.
공학 도구로 이 정적분의 값을 계산하면 이다.
(b) 의 넓이는 다음과 같다.
(c) 을 축을 중심으로 회전시키면, 축에 수직인 단면으로 자른 원판법을 사용하여 생기는 입체의 부피를 구할 수 있다. 각 원판의 반지름이 이고 각 원판의 두께가 이므로, 각 조각의 부피는 다음과 같다.
따라서 전체 부피는 다음과 같다.
(d) 대신 을 축을 중심으로 회전시키면, 원판법을 적용하기 위해 두께가 인 수평 원판을 사용해야 한다. 그러려면 주어진 대로 를 의 함수로 나타내는 대신 를 의 함수로 나타내야 한다. 따라서 주어진 함수 에서 에 대해 방정식을 푼다. 먼저 다음을 얻는다.
그러므로 역코사인을 사용하면
이고, 따라서 이므로
이제 대표적인 조각은 반지름이 이고 두께가 이며, 부피는 다음과 같다.
부터 까지 조각들을 더하기 위해 적분하면, 회전체의 부피는 다음과 같다.