문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

함수의 평균값

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CLP-2 · 2.2절 · 9번대학 수준우리말 번역

구간 0≤x≤π20\le x\le\frac\pi2 에서 함수 f(x)=3cos⁡3x+2cos⁡2xf(x) = 3\cos^3x + 2\cos^2x 의 평균값을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the average value of the function f(x)=3cos⁡3x+2cos⁡2xf(x) = 3\cos^3x + 2\cos^2x on the interval 0≤x≤π20\le x\le\frac\pi2.

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정의에 따라, 구하는 평균값은 다음과 같다.

1π/2−0∫0π/2(3cos⁡3x+2cos⁡2x) dx=2π(∫0π/23cos⁡3x dx+∫0π/22cos⁡2x dx)\frac1{\pi/2-0} \int_0^{\pi/2} ( 3\cos^3x + 2\cos^2x ) \,\mathrm{d}x = \frac2\pi \bigg( \int_0^{\pi/2} 3\cos^3x \,\mathrm{d}x + \int_0^{\pi/2} 2\cos^2x \,\mathrm{d}x \bigg)

첫 번째 적분에서는 치환 u=sin⁡xu = \sin x, du=cos⁡x dx\mathrm{d}u=\cos x\,\mathrm{d}x, cos⁡2x=1−sin⁡2x=1−u2\cos^2 x=1-\sin^2 x = 1-u^2 을 사용한다. 적분 구간의 양 끝 x=0x=0 과 x=π2x=\frac\pi2 는 각각 u=0u=0 과 u=1u=1 로 바뀜에 유의한다.

∫0π/23cos⁡3x dx=∫0π/23cos⁡2xcos⁡x dx=∫013(1−u2) du=(3u−u3)∣01=2.\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} 3 \cos^3x \,\mathrm{d}x &= \int_0^{\pi/2} 3 \cos^2 x \cos x \,\mathrm{d}x \\ &= \int_0^{1} 3(1-u^2) \,\mathrm{d}u \\ &= (3u-u^3)\Big|_0^1 = 2. \end{aligned}

두 번째 적분에서는 삼각함수 항등식 cos⁡2x dx=1+cos⁡(2x)2\cos^2x\,\mathrm{d}x = \frac{1 + \cos(2x)}{2} 을 사용한다.

2∫0π/2cos⁡2x dx=∫0π/2(1+cos⁡(2x)) dx=[x+12sin⁡(2x)]0π/2=π2\begin{aligned} 2 \int_0^{\pi/2} \cos^2x\,\mathrm{d}x &= \int_0^{\pi/2} \big(1 + \cos(2x) \big) \,\mathrm{d}x \\ &= \bigg[ x + \frac{1}{2}\sin(2x) \bigg]_0^{\pi/2} = \frac\pi2 \end{aligned}

따라서 구하는 평균값은 다음과 같다.

2π(∫0π/23cos⁡3x dx+∫0π/22cos⁡2x dx)=2π(2+π2)=4π+1.\frac2\pi \bigg( \int_0^{\pi/2} 3\cos^3x \,\mathrm{d}x + \int_0^{\pi/2} 2\cos^2x \,\mathrm{d}x \bigg) = \frac2\pi \bigg( 2 + \frac\pi2 \bigg) = \frac{4}{\pi}+1.

원본 교재 풀이(영어)

By definition, the average value in question equals

1π/2−0∫0π/2(3cos⁡3x+2cos⁡2x) dx=2π(∫0π/23cos⁡3x dx+∫0π/22cos⁡2x dx)\frac1{\pi/2-0} \int_0^{\pi/2} ( 3\cos^3x + 2\cos^2x ) \,\mathrm{d}x = \frac2\pi \bigg( \int_0^{\pi/2} 3\cos^3x \,\mathrm{d}x + \int_0^{\pi/2} 2\cos^2x \,\mathrm{d}x \bigg)

For the first integral we use the substitution u=sin⁡xu = \sin x, du=cos⁡x dx\mathrm{d}u=\cos x\,\mathrm{d}x, cos⁡2x=1−sin⁡2x=1−u2\cos^2 x=1-\sin^2 x = 1-u^2. Note that the endpoints x=0x=0 and x=π2x=\frac\pi2 become u=0u=0 and u=1u=1, respectively.

∫0π/23cos⁡3x dx=∫0π/23cos⁡2xcos⁡x dx=∫013(1−u2) du=(3u−u3)∣01=2.\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} 3 \cos^3x \,\mathrm{d}x &= \int_0^{\pi/2} 3 \cos^2 x \cos x \,\mathrm{d}x \\ &= \int_0^{1} 3(1-u^2) \,\mathrm{d}u \\ &= (3u-u^3)\Big|_0^1 = 2. \end{aligned}

For the second integral we use the trigonometric identity cos⁡2x dx=1+cos⁡(2x)2\cos^2x\,\mathrm{d}x = \frac{1 + \cos(2x)}{2}.

2∫0π/2cos⁡2x dx=∫0π/2(1+cos⁡(2x)) dx=[x+12sin⁡(2x)]0π/2=π2\begin{aligned} 2 \int_0^{\pi/2} \cos^2x\,\mathrm{d}x &= \int_0^{\pi/2} \big(1 + \cos(2x) \big) \,\mathrm{d}x \\ &= \bigg[ x + \frac{1}{2}\sin(2x) \bigg]_0^{\pi/2} = \frac\pi2 \end{aligned}

Therefore, the average value in question is

2π(∫0π/23cos⁡3x dx+∫0π/22cos⁡2x dx)=2π(2+π2)=4π+1.\frac2\pi \bigg( \int_0^{\pi/2} 3\cos^3x \,\mathrm{d}x + \int_0^{\pi/2} 2\cos^2x \,\mathrm{d}x \bigg) = \frac2\pi \bigg( 2 + \frac\pi2 \bigg) = \frac{4}{\pi}+1.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 2.2절 · 8번우리말 번역

구간 1≤x≤e1 \le x\le e 에서 함수 y=x2log⁡xy= x^2\log x 의 평균값을 구하세요.

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정의에 따라 평균은

1e−1∫1ex2log⁡x dxTo antidifferentiate, we use integration by parts with u=log⁡x and dv=x2 dx, hence du=1x dx and v=13x3.1e−1∫1ex2log⁡x dx=1e−1([13x3log⁡x]1e−∫1e13x2 dx)=1e−1[x33log⁡x−x39]x=1x=e=1e−1[e33−e39+19]=1e−1[29e3+19]\begin{aligned} \frac{1}{e-1}\int_1^e x^2\log x\ \mathrm{d}x & \\ \text{To antidifferentiate, we use integration by parts with $u=\log x$ and $\mathrm{d}v=x^2\,\mathrm{d}x$, hence $\mathrm{d}u=\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x$ and $v=\frac{1}{3}x^3$.} \\ \frac{1}{e-1}\int_1^e x^2\log x\ \mathrm{d}x&= \frac{1}{e-1}\left(\left[\frac{1}{3}x^3\log x\right]_1^e - \int_1^e \frac{1}{3}x^2\,\mathrm{d}x \right) \\&= \frac{1}{e-1}\bigg[\frac{x^3}{3}\log x-\frac{x^3}{9}\bigg]_{x=1}^{x=e}\\ &=\frac{1}{e-1}\bigg[\frac{e^3}{3}-\frac{e^3}{9}+\frac{1}{9}\bigg]\\ &=\frac{1}{e-1}\bigg[\frac{2}{9}e^3+\frac{1}{9}\bigg] \end{aligned}

이 문제로 이어서 풀기
# 함수의 평균값계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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