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 · 14번우리말 번역

아래 그래프는 y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x 와 y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x 로 둘러싸인 유한한 영역을 나타낸다.

그림

이 영역의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

The graph below shows the finite region between y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x and y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x.

figure

Find the area of this region.

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아래 그림과 같이 가늘고 긴 세로 띠를 이용하여 넓이를 계산한다.

그림

위 그림을 보면 직선 y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x 가 곡선 y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x 와 x=π2,x=\frac{\pi}{2}, x=πx=\pi, x=3π2x=\frac{3\pi}{2} 에서 만난다고 짐작할 수 있다. 이것이 맞는지 두 식에 각각 대입하여 yy 값이 일치하는지 확인하자.

x4+2π−2x4+πsin⁡(x)일치?π24+π4+π✓π44✓3π24−π4−π✓\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline x & 4+2\pi-2x & 4+\pi\sin(x) & \text{일치?} \\ \hline \frac{\pi}{2} & 4+\pi & 4+\pi & \text{\checkmark} \\ \hline \pi & 4 & 4 & \text{\checkmark} \\ \hline \frac{3\pi}{2} & 4-\pi & 4-\pi & \text{\checkmark} \\ \hline \end{array}

또 그림에서 다음을 알 수 있다.

  • π2≤x≤π\frac{\pi}{2} \le x \le \pi 일 때, 띠의 위쪽 끝은 y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x 에 있고 아래쪽 끝은 y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x 에 있다. 따라서 띠의 높이는 [(4+πsin⁡x)−(4+2π−2x)]\big[(4 + \pi \sin x)-(4 + 2\pi - 2x)\big] 이고 너비는 dx\mathrm{d}x 이므로 넓이는 [(4+πsin⁡x)−(4+2π−2x)]dx\big[(4 + \pi \sin x)-(4 + 2\pi - 2x)\big]\mathrm{d}x 이다.
  • π≤x≤3π2\pi \le x \le \frac{3\pi}{2} 일 때, 띠의 위쪽 끝은 y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x 에 있고 아래쪽 끝은 y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x 에 있다. 따라서 띠의 높이는 [(4+2π−2x)−(4+πsin⁡x)]\big[(4 + 2\pi - 2x)-(4 + \pi \sin x)\big] 이고 너비는 dx\mathrm{d}x 이므로 넓이는 [(4+2π−2x)−(4+πsin⁡x)]dx\big[(4 + 2\pi - 2x)-(4 + \pi \sin x)\big]\mathrm{d}x 이다.

이제 계산하면 다음과 같다.

넓이=∫π/2π[(4+πsin⁡x)−(4+2π−2x)] dx+∫π3π/2[(4+2π−2x)−(4+πsin⁡x)] dx=∫π/2π[πsin⁡x−2π+2x] dx+∫π3π/2[2π−2x−πsin⁡x] dx=[−πcos⁡x−2πx+x2]π/2π+[2πx−x2+πcos⁡x]π3π/2=[π−π2+34π2]+[π2−54π2+π]=2[π−14π2]\begin{aligned} \text{넓이} &= \int_{\pi/2}^\pi \big[(4 + \pi \sin x)-(4 + 2\pi - 2x)\big]\ \mathrm{d}x +\int^{3\pi/2}_\pi \big[(4 + 2\pi - 2x)-(4 + \pi \sin x)\big]\ \mathrm{d}x\\ &= \int_{\pi/2}^\pi \big[\pi \sin x- 2\pi + 2x\big]\ \mathrm{d}x +\int^{3\pi/2}_\pi \big[2\pi - 2x- \pi \sin x\big]\ \mathrm{d}x\\ &=\Big[-\pi \cos x- 2\pi x + x^2\Big]_{\pi/2}^\pi +\Big[2\pi x - x^2+ \pi \cos x\Big]^{3\pi/2}_\pi\\ &=\left[\pi-\pi^2+\frac{3}{4}\pi^2\right] +\left[\pi^2-\frac{5}{4}\pi^2+\pi\right]\\ &=2\Big[\pi-\frac{1}{4}\pi^2\Big] \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We will compute the area by using thin vertical strips, as in the sketch below:

figure

By looking at the sketch above, we guess the line y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x intersects the curve y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x when x=π2,x=\frac{\pi}{2}, x=πx=\pi, and x=3π2x=\frac{3\pi}{2}. Let's make sure these are correct by plugging them into the two equations, and making sure the yy-values match:

x4+2π−2x4+πsin⁡(x)match?π24+π4+π✓π44✓3π24−π4−π✓\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline x & 4+2\pi-2x & 4+\pi\sin(x) & \text{match?} \\ \hline \frac{\pi}{2} & 4+\pi & 4+\pi & \text{\checkmark} \\ \hline \pi & 4 & 4 & \text{\checkmark} \\ \hline \frac{3\pi}{2} & 4-\pi & 4-\pi & \text{\checkmark} \\ \hline \end{array}

Also from the sketch, we see that:

  • When π2≤x≤π\frac{\pi}{2} \le x \le \pi, the top of the strip is at y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x and the bottom of the strip is at y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x. So the strip has height [(4+πsin⁡x)−(4+2π−2x)]\big[(4 + \pi \sin x)-(4 + 2\pi - 2x)\big] and width dx\mathrm{d}x, and hence area [(4+πsin⁡x)−(4+2π−2x)]dx\big[(4 + \pi \sin x)-(4 + 2\pi - 2x)\big]\mathrm{d}x.
  • When π≤x≤3π2\pi \le x \le \frac{3\pi}{2}, the top of the strip is at y=4+2π−2xy = 4 + 2\pi - 2x and the bottom of the strip is at y=4+πsin⁡xy = 4 + \pi \sin x. So the strip has height [(4+2π−2x)−(4+πsin⁡x)]\big[(4 + 2\pi - 2x)-(4 + \pi \sin x)\big] and width dx\mathrm{d}x, and hence area [(4+2π−2x)−(4+πsin⁡x)]dx\big[(4 + 2\pi - 2x)-(4 + \pi \sin x)\big]\mathrm{d}x.

Now we can calculate:

Area=∫π/2π[(4+πsin⁡x)−(4+2π−2x)] dx+∫π3π/2[(4+2π−2x)−(4+πsin⁡x)] dx=∫π/2π[πsin⁡x−2π+2x] dx+∫π3π/2[2π−2x−πsin⁡x] dx=[−πcos⁡x−2πx+x2]π/2π+[2πx−x2+πcos⁡x]π3π/2=[π−π2+34π2]+[π2−54π2+π]=2[π−14π2]\begin{aligned} \text{Area} &= \int_{\pi/2}^\pi \big[(4 + \pi \sin x)-(4 + 2\pi - 2x)\big]\ \mathrm{d}x +\int^{3\pi/2}_\pi \big[(4 + 2\pi - 2x)-(4 + \pi \sin x)\big]\ \mathrm{d}x\\ &= \int_{\pi/2}^\pi \big[\pi \sin x- 2\pi + 2x\big]\ \mathrm{d}x +\int^{3\pi/2}_\pi \big[2\pi - 2x- \pi \sin x\big]\ \mathrm{d}x\\ &=\Big[-\pi \cos x- 2\pi x + x^2\Big]_{\pi/2}^\pi +\Big[2\pi x - x^2+ \pi \cos x\Big]^{3\pi/2}_\pi\\ &=\left[\pi-\pi^2+\frac{3}{4}\pi^2\right] +\left[\pi^2-\frac{5}{4}\pi^2+\pi\right]\\ &=2\Big[\pi-\frac{1}{4}\pi^2\Big] \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 1.5절 · 15번우리말 번역

곡선 x=0x=0, x=3x=3, y=x+2y=x+2, y=x2y=x^2 으로 유계인 유한한 영역의 넓이를 구하세요.

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먼저 영역의 개형은 다음과 같다. 개형을 그리라는 요구는 없었지만, 문제를 이해하는 데 매우 중요하다.

그림

두 곡선 y=x+2y=x+2 와 y=x2y=x^2 은 (2,4)(2,4) 에서 만난다. 0≤x≤20\le x\le 2 에서 두 곡선 사이 부분의 넓이는 다음과 같다.

∫02[x+2−x2] dx=[12x2+2x−13x3]02=2+4−83=103\begin{aligned} \int_0^2 \big[x+2-x^2\big]\,\mathrm{d}x=\Big[\frac{1}{2} x^2+2x-\frac{1}{3}x^3\Big]_0^2 =2+4-\frac{8}{3}=\frac{10}{3} \end{aligned}

2≤x≤32\le x\le 3 에서 두 곡선 사이 부분의 넓이는 다음과 같다.

∫23[x2−(x+2)] dx=[13x3−12x2−2x]23=9−92−6−83+2+4=116\begin{aligned} \int_2^3 \big[x^2-(x+2)\big]\,\mathrm{d}x=\Big[\frac{1}{3}x^3-\frac{1}{2} x^2-2x\Big]_2^3 =9-\frac{9}{2}-6-\frac{8}{3}+2+4=\frac{11}{6} \end{aligned}

전체 넓이는 103+116=316\dfrac{10}{3}+\dfrac{11}{6}=\dfrac{31}{6} 이다.

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CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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