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 · 16번우리말 번역

구간 0≤x≤40\le x\le 4 에서 곡선 y=x25−x2y = x \sqrt{25-x^2} 과 y=3xy=3x 사이의 전체 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the total area between the curves y=x25−x2y = x \sqrt{25-x^2} and y=3xy=3x, on the interval 0≤x≤40\le x\le 4.

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어느 구간에서 어느 곡선이 위쪽에 있는지 알아내야 한다. 이를 위해 h(x)=3x−x25−x2h(x) = 3x - x\sqrt{25-x^2} 로 놓는다. h(x)>0h(x) > 0 이면 y=3xy=3x 가 위쪽 곡선이고, h(x)<0h(x)<0 이면 y=x25−x2y=x\sqrt{25-x^2} 이 위쪽 곡선이다.

h(x)=3x−x25−x2=x[3−25−x2]우리는 [0,4] 에 속하는 x 의 값만 다루므로 x 는 음이 아니다. 그러면 h(x) 가 양수가 되는 경우는:3>25−x29>25−x2x2>16x>4\begin{aligned} h(x) &= 3x - x\sqrt{25-x^2} = x\left[3-\sqrt{25-x^2}\right] \\ \text{우리는 $[0,4]$ 에 속하는 $x$ 의 값만 다루므로 $x$ 는 음이 아니다. 그러면 $h(x)$ 가 양수가 되는 경우는:} \\ 3&> \sqrt{25-x^2}\\ 9&> 25-x^2\\ x^2 & > 16\\ x&> 4 \end{aligned}

즉, 구간 [0,4][0,4] 에서 h(x)h(x) 는 양수가 되는 일이 없다. 따라서 0≤x≤40\le x\le 4 인 모든 xx 에 대해 y=x25−x2y = x \sqrt{25-x^2} 이 y=3xy=3x 보다 위에 있다.

그러므로 구하는 넓이는 다음과 같다.

A=∫04[x25−x2−3x] dx=∫04x25−x2 dx−∫043x dx=A1−A2.\begin{aligned} A &= \int_0^4 \left[x \sqrt{25-x^2} - 3x\right]\,\mathrm{d}x \\ &= \int_0^4 x \sqrt{25-x^2}\,\mathrm{d}x - \int_0^4 3x\,\mathrm{d}x \\&= A_1 - A_2. \end{aligned}

A1A_1 을 계산하기 위해 치환 u(x)=25−x2u(x) = 25-x^2 을 사용한다. 이때 du=u′(x) dx=−2x dx\mathrm{d}u = u'(x)\,\mathrm{d}x= -2x\,\mathrm{d}x 이고, x=4x=4 일 때 u(4)=25−42=9u(4)=25-4^2=9, x=0x=0 일 때 u(0)=25−02=25u(0)=25-0^2=25 이다. 따라서

A1=∫x=0x=4x25−x2 dx=−12∫u=25u=9u du=[−13u3/2]259=125−273=983\begin{aligned} A_1 &= \int_{x=0}^{x=4} x \sqrt{25-x^2}\,\mathrm{d}x = -\frac{1}{2} \int_{u=25}^{u=9} \sqrt{u}\,\mathrm{d}u = \left[-\frac{1}{3} u^{3/2} \right]_{25}^{9} = \frac{125 - 27}{3} = \frac{98}{3} \end{aligned}

A2A_2 는 부정적분을 직접 이용한다.

A2=∫043x dx=[3x22]04=24A_2 = \int_0^4 3x\,\mathrm{d}x =\left[ \frac{3x^2}{2} \right]_0^4 = 24

따라서 전체 넓이는 다음과 같다.

A=983−24=263\begin{aligned} A = \frac{98}{3} - 24 = \frac{26}{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We need to figure out which curve is on top, when. To do this, set h(x)=3x−x25−x2h(x) = 3x - x\sqrt{25-x^2}. If h(x)>0h(x) > 0, then y=3xy=3x is the top curve; if h(x)<0h(x)<0, then y=x25−x2y=x\sqrt{25-x^2} is the top curve.

h(x)=3x−x25−x2=x[3−25−x2]We only care about values of x in [0,4], so x is nonnegative. Then h(x) is positive when:3>25−x29>25−x2x2>16x>4\begin{aligned} h(x) &= 3x - x\sqrt{25-x^2} = x\left[3-\sqrt{25-x^2}\right] \\ \text{We only care about values of $x$ in $[0,4]$, so $x$ is nonnegative. Then $h(x)$ is positive when:} \\ 3&> \sqrt{25-x^2}\\ 9&> 25-x^2\\ x^2 & > 16\\ x&> 4 \end{aligned}

That is, h(x)h(x) is never positive over the interval [0,4][0,4]. So, y=x25−x2y = x \sqrt{25-x^2} lies above y=3xy=3x for all 0≤x≤40\le x\le 4.

The area we need to calculate is therefore:

A=∫04[x25−x2−3x] dx=∫04x25−x2 dx−∫043x dx=A1−A2.\begin{aligned} A &= \int_0^4 \left[x \sqrt{25-x^2} - 3x\right]\,\mathrm{d}x \\ &= \int_0^4 x \sqrt{25-x^2}\,\mathrm{d}x - \int_0^4 3x\,\mathrm{d}x \\&= A_1 - A_2. \end{aligned}

To evaluate A1A_1, we use the substitution u(x)=25−x2u(x) = 25-x^2, for which du=u′(x) dx=−2x dx\mathrm{d}u = u'(x)\,\mathrm{d}x= -2x\,\mathrm{d}x; and u(4)=25−42=9u(4)=25-4^2=9 when x=4x=4, while u(0)=25−02=25u(0)=25-0^2=25 when x=0x=0. Therefore

A1=∫x=0x=4x25−x2 dx=−12∫u=25u=9u du=[−13u3/2]259=125−273=983\begin{aligned} A_1 &= \int_{x=0}^{x=4} x \sqrt{25-x^2}\,\mathrm{d}x = -\frac{1}{2} \int_{u=25}^{u=9} \sqrt{u}\,\mathrm{d}u = \left[-\frac{1}{3} u^{3/2} \right]_{25}^{9} = \frac{125 - 27}{3} = \frac{98}{3} \end{aligned}

For A2A_2 we use the antiderivative directly:

A2=∫043x dx=[3x22]04=24A_2 = \int_0^4 3x\,\mathrm{d}x =\left[ \frac{3x^2}{2} \right]_0^4 = 24

Therefore the total area is:

A=983−24=263\begin{aligned} A = \frac{98}{3} - 24 = \frac{26}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 1.5절 · 8번우리말 번역

먼저 교점을 찾은 다음 적분하여, 두 곡선 y=xy=x 와 y=3x−x2y=3x-x^2 사이에 있는 유한한 영역의 넓이를 구하세요.

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두 곡선 y=f(x)=xy=f(x)=x 와 y=g(x)=3x−x2y=g(x)=3x-x^2 이 (x,y)(x,y) 에서 만난다면,

3x−x2=y=xx2−2x=0x(x−2)=0x=0또는x=2\begin{aligned} 3x-x^2&=y=x\\ x^2-2x&=0\\ x(x-2)&=0\\ x=0 \quad &\text{또는} \quad x=2 \end{aligned}

또한 g(x)−f(x)=2x−x2=x(2−x)g(x)-f(x) = 2x-x^2 = x(2-x) 는 모든 0≤x≤20\le x\le 2 에 대해 양수이다. 즉, 곡선 y=3x−x2y=3x-x^2 은 모든 0≤x≤20\le x\le 2 에 대해 직선 y=xy=x 보다 위쪽에 있다.

그림

따라서 다음 적분의 값을 구한다.

∫02[(3x−x2)−x] dx=∫02[2x−x2] dx=[x2−x33]02=[4−83]−0=43\begin{aligned} \int_0^2 \big[ (3x-x^2) - x \big] \,\mathrm{d}x = \int_0^2 [2x-x^2]\,\mathrm{d}x = \bigg[x^2 - \frac{x^3}{3}\bigg]^{2}_{0} = \bigg[ 4-\frac{8}{3} \bigg] -0 = \frac{4}{3} \end{aligned}

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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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