문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 적분법

넓이(여러 가지 함수)

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

CLP-2 · 1.5절 · 11번우리말 번역

f(x)=x2x3+1f(x) = x^2\sqrt{x^3+1} 과 g(x)=3x2g(x) = 3x^2 의 그래프로 둘러싸인 유계인 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of the finite region that is bounded by the graphs of f(x)=x2x3+1f(x) = x^2\sqrt{x^3+1} and g(x)=3x2g(x) = 3x^2.

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계산을 위해서는 x2x3+1x^2\sqrt{x^3+1} 의 부정적분이 필요한데, 이는 치환 u=x3+1u=x^3+1, du=3x2 dx\mathrm{d}u = 3x^2\,\mathrm{d}x 를 이용하여 구할 수 있다:

∫x2x3+1 dx=∫u⋅13 du=13∫u1/2 du=13⋅u3/23/2+C=29(x3+1)3/2+C.\begin{aligned} \int x^2\sqrt{x^3+1} \, \mathrm{d}x = \int \sqrt u \cdot \frac13\,\mathrm{d}u = \frac13\int u^{1/2}\,\mathrm{d}u = \frac13\cdot \frac{u^{3/2}}{3/2}+C = \frac29(x^3+1)^{3/2} + C. \end{aligned}

두 함수 f(x)f(x) 와 g(x)g(x) 는 x=0x=0 에서 분명히 같다. x≠0x\ne0 이면, 두 함수는 다음과 같을 때 같아진다:

3x2=x2x3+13=x3+19=x3+18=x32=x.\begin{aligned} 3x^2 &= x^2\sqrt{x^3+1} \\ 3 &= \sqrt{x^3+1} \\ 9 &= x^3+1 \\ 8 &= x^3 \\ 2 &= x. \end{aligned}

구간 [0,2][0,2] 에서는 두 함수 중 g(x)=3x2g(x)=3x^2 이 더 크다. 이는 예를 들어 x=1x=1 을 대입해 보거나, xx 가 매우 작을 때 f(x)=x2x3+1≈x2f(x)=x^2\sqrt{x^3+1}\approx x^2 이고 g(x)=3x2g(x)=3x^2 임을 관찰하면 알 수 있다.

그림

따라서 구하는 넓이는 다음과 같다:

∫02(3x2−x2x3+1) dx=(x3−29(x3+1)3/2)∣02=(23−29(23+1)3/2)−(03−29(03+1)3/2)=(8−6)−(0−29)=209.\begin{aligned} \int_0^2 \big( 3x^2 - x^2\sqrt{x^3+1} \big) \, \mathrm{d}x &= \bigg( {x^3} - \frac29(x^3+1)^{3/2} \bigg) \bigg|_0^2 \\ &= \bigg( 2^3 - \frac2 9(2^3+1)^{3/2} \bigg) - \bigg( 0^3 - \frac29(0^3+1)^{3/2} \bigg) \\ &= \bigg( 8 - 6 \bigg) - \bigg( 0 - \frac 2 9 \bigg) =\frac{20}9. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

For our computation, we will need an antiderivative of x2x3+1x^2\sqrt{x^3+1}, which can be found using the substitution u=x3+1u=x^3+1, du=3x2 dx\mathrm{d}u = 3x^2\,\mathrm{d}x:

∫x2x3+1 dx=∫u⋅13 du=13∫u1/2 du=13⋅u3/23/2+C=29(x3+1)3/2+C.\begin{aligned} \int x^2\sqrt{x^3+1} \, \mathrm{d}x = \int \sqrt u \cdot \frac13\,\mathrm{d}u = \frac13\int u^{1/2}\,\mathrm{d}u = \frac13\cdot \frac{u^{3/2}}{3/2}+C = \frac29(x^3+1)^{3/2} + C. \end{aligned}

The two functions f(x)f(x) and g(x)g(x) are clearly equal at x=0x=0. If x≠0x\ne0, then the functions are equal when

3x2=x2x3+13=x3+19=x3+18=x32=x.\begin{aligned} 3x^2 &= x^2\sqrt{x^3+1} \\ 3 &= \sqrt{x^3+1} \\ 9 &= x^3+1 \\ 8 &= x^3 \\ 2 &= x. \end{aligned}

The function g(x)=3x2g(x)=3x^2 is the larger of the two on the interval [0,2][0,2], as can be seen by plugging in x=1x=1, say, or by observing that when xx is very small f(x)=x2x3+1≈x2f(x)=x^2\sqrt{x^3+1}\approx x^2 and g(x)=3x2g(x)=3x^2.

figure

The area in question is therefore:

∫02(3x2−x2x3+1) dx=(x3−29(x3+1)3/2)∣02=(23−29(23+1)3/2)−(03−29(03+1)3/2)=(8−6)−(0−29)=209.\begin{aligned} \int_0^2 \big( 3x^2 - x^2\sqrt{x^3+1} \big) \, \mathrm{d}x &= \bigg( {x^3} - \frac29(x^3+1)^{3/2} \bigg) \bigg|_0^2 \\ &= \bigg( 2^3 - \frac2 9(2^3+1)^{3/2} \bigg) - \bigg( 0^3 - \frac29(0^3+1)^{3/2} \bigg) \\ &= \bigg( 8 - 6 \bigg) - \bigg( 0 - \frac 2 9 \bigg) =\frac{20}9. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 1.5절 · 5번우리말 번역

y2=4axy^2=4ax 와 x2=4ayx^2=4ay 로 유계인 유한한 평면 영역의 넓이를 나타내는 정적분을 쓰세요. 단, a>0a>0 은 상수입니다. 정적분의 값을 직접 계산하지 마세요.

다 풀었으면 정답 확인

두 곡선이 (x,y)(x,y) 에서 만나면

(x2)2=(4a)2y2=(4a)24axx4=(4a)3xx4−(4a)3x=0x(x3−(4a)3)=0x=0또는x3=(4a)3\begin{aligned} \left(x^2\right)^2&=\left(4a\right)^2y^2 = (4a)^24ax\\ x^4&=(4a)^3 x\\ x^4&-(4a)^3x=0\\ x(&x^3-(4a)^3)=0\\ x&= 0 \quad\text{또는}\quad x^3=(4a)^3 \end{aligned}

이다. 두 곡선은 (0,0)(0,0) 과 (4a,4a)(4a,4a) 에서 만난다. (이 점들은 관찰만으로도 구할 수 있다.) 수직 띠를 사용하면 다음과 같다.

그림

각 함수의 yy 값이 필요하다. 위쪽 함수는 y=4axy =\sqrt{4ax} 로 쓰고(음의 제곱근이 아니라 양의 제곱근을 택한다), 아래쪽 함수는 y=x24ay=\frac{x^2}{4a} 로 쓴다. 그러면

넓이=∫04a[4ax−x24a] dx\begin{aligned} \text{넓이} = \int_0^{4a}\left[\sqrt{4ax}-\frac{x^2}{4a}\right]\ \mathrm{d}x \end{aligned}

이다.

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