어느 지역의 1년 동안 공기 중 이산화탄소 농도는 백만분율(ppm)로 근사된다. 여기서 는 시간 단위로 측정한다.
(a) 그 지역의 그해 평균 이산화탄소 농도는 얼마입니까? (b) 첫째 날의 평균 농도는 얼마입니까? (c) 측정을 매일 정오에만 했다고 하자. 즉 일 때만 측정했고, 여기서 은 0 이상 364 이하의 임의의 정수이다. 그러면 하루 중의 변화는 사라진다: . 따라서 대기 중 이산화탄소 농도의 근삿값은 다음과 같이 나타낼 수 있다. 대신 를 사용할 때 연평균 이산화탄소 농도에 생기는 상대오차는 얼마입니까?
하루는 정확히 24시간, 1년은 정확히 8760시간이라고 가정해도 됩니다.
영어 원문 보기
The carbon dioxide concentration in the air at a particular location over one year is approximated by parts per million, where is measured in hours.
(a) What is the average carbon dioxide concentration for that location for that year? (b) What is the average over the first day? (c) Suppose measurements were only made at noon every day: that is, when , where is any whole number between 0 and 364. Then the daily variation would cease: . So, the approximation for the concentration of carbon dioxide in the atmosphere might be given as What is the relative error in the yearly average concentration of carbon dioxide involved in using , instead of ?
You may assume a day has exactly 24 hours, and a year has exactly 8760 hours.
정답·풀이 보기
문제에 답하기 전에 주어진 함수를 조금 더 자세히 살펴보자. 항 의 주기는 24시간이고, 항 의 주기는 1년이다. 따라서 앞의 항은 하루 중의 일반적인 변화를 나타내고, 뒤의 항은 1년에 걸친 계절별 변화를 나타낸다.
(a) 평균의 정의를 이용하면, 1년(부터 까지) 동안의 평균 농도는 다음과 같다.
참고: 적분에서 빨간색과 파란색으로 표시된 부분은, 피적분함수가 정수 번의 주기를 지난다는 점에 주목해도 된다. 한 주기마다 곡선과 축 사이의 부호 있는 넓이의 합은 0이므로, 처음부터 이 항들이 최종 평균에 0을 더한다는 것을 알 수 있다.
(b) 평균의 정의를 이용하면, 첫째 날(부터 까지) 동안의 평균 농도는 다음과 같다.
참고: 이다. 빨간색 항은 하루 중의 변화에서 나오며, 첫째 날 동안 이 항의 평균은 0이다. 파란색 항은 계절별 변화에서 나오는데, 이는 1년 전체에 걸쳐서는 크게 변하지만 하루 동안에는 그다지 많이 변하지 않는다. 따라서 첫째 날의 평균 농도가 (정확히는 아니지만) ppm에 가까운 것은 타당하다.
(c) 에서 의 평균은 다음과 같다.
의 평균이 400이었으므로, 절대오차는 ppm이고 상대오차는 즉 12.5%이다.
다시 말해, 하루 중 계속 측정하지 않고 매일 같은 시각에 측정하면 연평균 이산화탄소 농도에 12.5%의 오차가 생긴다.
원본 교재 풀이(영어)
Before we start answering questions, let's look at our function a little more carefully. The term has a period of 24 hours, while the term has a period of one year. So, the former term describes a standard daily variation, while the latter gives a seasonal variation over the year.
(a) Using the definition of an average, the average concentration over one year ( to ) is:
Remark: for the portions of the integral in red and blue, we also could have noticed that the integrand goes through a whole (integer) number of periods. For every period, the net signed area between the curve and the -axis is zero, so we could have seen from the very beginning these terms would contribute 0 to the final average.
(b) Using the definition of an average, the average concentration over the first day ( to ) is:
Remark: . The red term comes from the daily variation, and over the first day this will have an average of 0. The blue term comes from the seasonal variation, which changes dramatically over the course of an entire year but won't change very much over the course of a single day. So, it is reasonable that the average concentration over the first day should be close to (but not exactly) ppm.
(c) The average of over is:
Since the average of was 400, this gives us an absolute error of ppm, for a relative error of or 12.5%.
That is: sampling at the same time every day, rather than throughout the day, lead to an error of 12.5% in the yearly average concentration of carbon dioxide.
한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 2.2절 · 10번우리말 번역
를 양의 상수라 하자. 구간 에서 함수 의 평균값을 구하세요.
다 풀었으면 정답 확인
정의에 따라, 구하는 평균값은 다음과 같다.
이 적분을 계산하기 위해 치환 , 를 사용한다. 적분 구간의 양 끝 과 는 각각 과 로 바뀜에 유의한다. 따라서
참고: 평균값은 에 의존하지 않는다. 그 이유를 보기 위해, 가 변할 때 는 과 사이의 값을 가짐에 주목하자. 일 때 이고, 일 때 이다. 따라서 함수 는 에서 까지 올라갔다가, 다시 까지 내려온다.
