목차

이중 적분 계산

이중 적분을 계산하고 평가하는 예제들이 자세한 해결책과 함께 제시됩니다. 일반 영역에 대한 이중 적분극좌표에서의 이중 적분도 포함됩니다. \( \)\( \)\( \)

단일 및 이중 적분 검토

단일 적분은 주어진 함수 \( f(x) \)의 곡선 아래의 영역을 찾는 데 사용됩니다. 아래 그래프에서 \( x = a \)에서 \( x = b \)까지의 곡선 아래의 영역은 다음과 같습니다. \( \displaystyle \int_a^b f(x) \; dx \)
Area under curve
3D 모양의 경우, 우리는 두 변수 \( f(x, y) \)로 정의된 표면 아래의 체적을 계산하는 것에 관심이 있습니다. 기본이 \( R \) (녹색)인 그래프 a)에서 나타납니다.
volume of 3D shape
위 그래프에서 3D 모양의 기본 \( R \)은 정의됩니다. \( 0 \le x \le a \) 및 \( 0 \le y \le b \)로 되어 있지만, 일반적으로 \( R \)은 더 많은 예제에서 볼 수 있듯이 임의의 2D 모양을 가질 수 있습니다.
체적을 계산하는 두 가지 방법이 있습니다.
1)
그래프 b)에 표시된 것처럼 \( x \) 축에 수직인 무한한 개수의 단면 영역 \( A_1(x) \)을 3D 모양으로 나누고, 그런 다음 연속 합계인 단일 적분 개념을 사용하여 체적 \( V \)을 찾을 수 있습니다.
\( \displaystyle V = \int_0^a A_1(x) \; dx \)
단면 영역 \( A_1(x) \)은 평면 z-y에 평행하며 \( y \)를 대상으로 \( f(x,y) \)의 적분으로 찾을 수 있습니다. 이것은 곡선 아래의 영역을 찾기 위해 단일 적분을 사용하는 것과 동일합니다. 다음과 같습니다
\( \displaystyle A_1(x) = \int_0^b f(x,y) \; dy \)
이제 \( A_1(x) \)을 \( V \)에 대입하여 얻습니다.
\( \displaystyle V = \int_0^a \int_0^b f(x,y) \; dy \; dx \)

2)
그래프 c)에 표시된 것처럼 \( y \) 축에 수직인 무한한 개수의 단면 영역 \( A_2(y) \)을 3D 모양으로 나누고, 그런 다음 연속 합계인 단일 적분 개념을 사용하여 체적 \( V \)을 찾을 수 있습니다.
\( V = \displaystyle \int_0^b A_2(y) \; dy \)
단면 영역 \( A_2(y) \)은 평면 z-x에 평행하며 \( x \)를 대상으로 \( f(x,y) \)의 적분으로 찾을 수 있습니다. 이것은 곡선 아래의 영역을 찾기 위해 단일 적분을 사용하는 것과 동일합니다. 다음과 같습니다
\( \displaystyle A_2(y) = \int_0^a f(x,y) \; dx \)
이제 \( A_2(x) \)을 \( V \)에 대입하여 얻습니다.
\( \displaystyle V = \int_0^b \int_0^a f(x,y)\; dx \; dy \)
위의 내용은 푸비니의 정리로 요약됩니다.
\[ \iint_R f(x,y) \,dx\,dy = \int_0^b \int_0^a f(x,y) \; dx \; dy = \int_0^a \int_0^b f(x,y) \; dy \; dx \] 영역 R은 다음으로 정의됩니다. \( 0 \le x \le a \) 및 \( 0 \le y \le b \)
위의 적분을 반복 적분이라고 합니다.
모든 적분 공식 및 규칙을 사용하여 이러한 적분을 계산할 수 있습니다.


여러 변수를 가진 피적분함수의 적분 계산

이중 적분을 계산하기 위한 예제를 시작하기 전에 먼저 이중 및 삼중 적분을 평가하는 기본적인 기술인 피적분함수가 두 개 이상의 변수를 가질 때 적분을 평가하는 방법을 살펴보겠습니다.
예제 1
다음 적분을 평가하십시오.
a) \( \displaystyle \int_0^3 (x^2 + y^2) \; dx \) , b) \( \displaystyle \int_3^5 (\dfrac{1}{x} + \dfrac{1}{y}) \; dy \) , c) \( \displaystyle \int_{y+1}^{y^2} ( x y + y) \; dx \) , d) \( \displaystyle \int_0^{x-1} \sin( x y) \; dy \)
예제 1의 해결책
a)
\( \displaystyle \int_0^3 (x^2 + y^2) \; dx \)를 계산하기 위해서는 적분이 \( x \)에 대해 이루어지므로 \( y \)를 상수로 고려합니다.
주의하십시오. \( \displaystyle \int (x^2) \; dx = \dfrac{1}{3} x^3\) 이며 \( \displaystyle \int ( y^2) \; dx = y^2 x\) 이므로 \( y \) 및 따라서 \( y^2 \)은 상수로 간주됩니다. 따라서
\( \displaystyle \int_0^3 (x^2 + y^2) \; dx = \left[ \dfrac{1}{3}x^3 + y^2 x \right]_0^3 \)
적분을 평가하기 위해 대입합니다.
\( = (\dfrac{1}{3}(3)^3 + y^2 (3)) - (\dfrac{1}{3}(0)^3 + y^2 (0)) \)
간단히 하십시오.
\( = 3 y^2 + 9 \)
b)
\( \displaystyle \int_3^5 (\dfrac{1}{x} + \dfrac{1}{y}) \; dy \)를 계산하기 위해서는 적분이 \( y \)에 대해 이루어지므로 \( x \)를 상수로 고려합니다.
주의하십시오. \( \displaystyle \int \dfrac{1}{x} \; dy = \dfrac{1}{x} y \) 이므로 \( x \) 및 따라서 \( 1/x \)는 상수로 간주되고 \( \displaystyle \int \dfrac{1}{y} \; dy = \ln |y|\) 입니다. 따라서
\( \displaystyle \int_3^5 (\dfrac{1}{x} + \dfrac{1}{y}) \; dy = \left[ \dfrac{1}{x} y + \ln |y| \right]_3^5 \)
적분을 평가하기 위해 대입합니다.
\( = ( \dfrac{1}{x} (5) + \ln|5|) - ( \dfrac{1}{x} (3) + \ln|3| ) \)
간단히 하십시오
\( = \dfrac{2}{x} + \ln(5/3) \)
c)
\( \displaystyle \int_{y+1}^{y^2} ( x y + y) \; dx\)를 계산하기 위해서는 적분이 \( x \)에 대해 이루어지므로 \( y \)를 상수로 고려합니다.
주의: \( \displaystyle \int x y \; dx = \dfrac{1}{2} x^2 y \) 이고 \( \displaystyle \int y \; dx = y x \)이므로 \( y \)는 상수로 간주됩니다. 따라서
\( \displaystyle \int_{y+1}^{y^2} ( x y + y ) \; dx = \left[ \dfrac{1}{2} x^2 y + y x \right]_{y+1}^{y^2} \)
적분을 평가하기 위해 \( y \)의 적분 한계가 함수임을 고려하여 대체합니다.
\( = ( \dfrac{1}{2} (y^2)^2 y + y (y^2) ) - ( \dfrac{1}{2} (y+1)^2 y + y (y+1) ) \)
간단히 하십시오
\( = \dfrac{y^5+y^3-4y^2-3y}{2} \)
d)
\( \displaystyle \int_0^{x-1} \sin( x y) \; dy \)를 계산하기 위해서는 적분이 \( y \)에 대해 이루어지므로 \( x \)를 상수로 고려합니다.
주의: \( \displaystyle \int \sin( x y) \; dy = - \dfrac{1}{x} \cos(xy) \)이므로 \( x \)는 상수로 간주됩니다. 따라서
\( \displaystyle \int_0^{x-1} \sin( x y) \; dy = \left[ - \dfrac{1}{x} \cos(xy) \right]_0^{x-1} \)
적분을 평가하기 위해 \( x \)의 적분 한계가 함수임을 고려하여 대체합니다.
\( = ( - \dfrac{1}{x} \cos(x(x-1)) ) - ( - \dfrac{1}{x} \cos(x(0)) ) \)
간단히 하십시오
\( = - \dfrac{1}{x} \cos(x^2 - x) + 1/x\)


이중 적분 계산

이중 적분을 계산하는 주요 아이디어는 이중 적분을 두 개의 단일 적분으로 분할하는 것입니다. 이중 적분을 계산하는 두 가지 방법이 있습니다.
1) 먼저 \( x \)에 대한 적분 계산:
\( \displaystyle \int_0^b \int_0^a f(x,y) dx dy = \int_0^b \left(\int_0^a f(x,y) \;dx\right) \;dy \)
2) 먼저 \( y \)에 대한 적분 계산:
\( \displaystyle \int_c^d \int_a^b f(x,y) dx dy = \int_0^a \left(\int_0^b f(x,y) \;dy\right) \;dx \)
참고 이중 적분을 평가하는 한 가지 방법은 내부 적분과 외부 적분을 따로 평가하는 것입니다.

예제 2
위의 두 방법을 사용하여 이중 적분을 계산하십시오. \( V = \displaystyle \int_1^3 \int_0^4 (x^2-y+2) \;dx \;dy \)
예제 2의 해결책
1) 먼저 \( x \)에 대한 적분을 계산한 다음 \( y \)에 대한 적분을 계산합니다.
\( \displaystyle V = \int_1^3 \int_0^4 (x^2-y+2) dx dy = \int_1^3 \left(\int_0^4 (x^2-y+2) \;dx\right) \;dy \)
먼저 내부 적분 \( I = \displaystyle \int_0^4 (x^2-y+2) dx \)를 계산합니다. \( y \)가 상수로 간주될 때와 마찬가지로 부분 미분을 계산할 때와 비슷한 방식으로 진행합니다.
\( I = \displaystyle \int_0^4 (x^2-y+2) dx = \left[ \dfrac{1}{3} x^3 - y x + 2 x \right]_{x = 0}^{x=4} \)
위를 평가합니다.
\( I = \displaystyle (\dfrac{1}{3} 4^3 - 4y + 2\cdot4) - (\dfrac{1}{3} 0^3 - y (0) + 2 (0)) \)
간단히 하십시오
\( I = \left[ -4y+\dfrac{88}{3} \right] \)
\( I \)를 \( V \)에 대입하고 외부 적분을 계산합니다.
\( \displaystyle V = \int_1^3 \left( -4y +\dfrac{88}{3} \right) \;dy \)
위의 적분을 계산합니다.
\( \displaystyle V = \left[ -2 y^2 + \dfrac{88}{ 3} y \right]_{y= 1}^{y=3} \)
\( \displaystyle V = (-2 (3)^2 + \dfrac{88}{3} (3)) - (-2 (1)^2 + \dfrac{88}{3} (1)) \)
\( \displaystyle V = \dfrac{128}{3} \)

2) 먼저 \( y \)에 대한 적분을 계산한 다음 \( x \)에 대한 적분을 계산합니다.

\( V = \displaystyle \int_1^3 \int_0^4 (x^2-y+2) dx dy = \int_0^4 \left(\int_1^3 (x^2-y+2) dy\right) \; dx \)
내부 적분 \( I = \displaystyle \int_1^3 (x^2-y+2) dy \)를 계산합니다. \( x \)가 상수로 간주될 때 진행합니다.
\( I = \left[ x^2 y - \dfrac{1}{2} y^2 x + 2 x y \right]_{y = 1}^{y=3} \)
\( = \displaystyle \left( ( x^2 (3) - \dfrac{1}{2} (3)^2 x + 2 x (3) ) - (x^2 (1) - \dfrac{1}{2} (1)^2 x + 2 x (1)) \right) \)
간단히 하십시오
\( I = 2x^2 \)
\( I \)를 \( V \)에 대입합니다.
\( \displaystyle V = \int_0^4 2x^2 dx \)
위의 적분을 계산합니다.
\(V = \displaystyle \left[ \dfrac{2}{3} x^3 \right]_{x=0}^{x=4} \)
\( V = \dfrac{128}{3} \)
참고
1) 적분을 분할하는 두 가지 방법은 동일한 답변을 제공합니다.
2) 우리가 이중 적분을 계산하고 있었지만 사실상 단일 적분을 다루고 있었으며 물론 모든 적분의 공식과 속성을 사용할 수 있습니다.


해결책과 함께 더 많은 예제

예제 3
다음 이중 적분을 계산하십시오. \( V = \displaystyle \int_1^3 \int_0^4 \sqrt {2+x+y} \; dx \; dy \)
예제 3의 해결책
내부 적분부터 시작하십시오.
\( \displaystyle I = \int_0^4 \sqrt {2+x+y} \; dx \)
\( I \)를 평가하십시오
\( \displaystyle I = \left[ \dfrac{2}{3} (2+x+y)^{3/2} \right]_0^4 \)
위를 계산하십시오
\( \displaystyle I = \left( \dfrac{2}{3} (2+4+y)^{3/2} - \dfrac{2}{3} (2+0+y)^{3/2} \right) \)
간단히 하십시오
\( \displaystyle I = \dfrac{2}{3} \left( (6+y)^{3/2} - (2+y)^{3/2} \right) \)
내부 적분 \( I \)를 \( V \)에 대입하고 외부 적분을 계산하십시오.
\( \displaystyle V = \int_1^3 \dfrac{2}{3} \left( (6+y)^{3/2} - (2+y)^{3/2} \right) \; dy \)
위의 적분을 계산하십시오
\( \displaystyle V = \dfrac{4}{15} \left[ (6+y)^{5/2} - (2+y)^{5/2} \right]_1^3 \)
적분 한계를 사용하여 계산하십시오
\( \displaystyle V = \dfrac{4}{15} \left[ (6+3)^{5/2} - (2+3)^{5/2} \right] - \dfrac{4}{15} \left[ (6+1)^{5/2} - (2+1)^{5/2} \right] \)
\( \displaystyle \approx 19.48 \)


예제 4 적분 한계에 변수가 있을 수 있습니다.
다음 이중 적분을 계산하십시오. \( \displaystyle V = \int _{1\:}^2\:\int _{y-1}^{y}\:\:\left(x+\dfrac{1}{y}\right) \; dx \; dy \)
예제 4의 해결책
내부 적분을 \( \displaystyle I = \int _y^{y+1}\:\:\left(x+\dfrac{1}{y}\right) \; dx \)라고 가정하겠습니다.
위의 적분을 계산하십시오.
\( I = \left[ \dfrac{x^2}{2}+ \dfrac {x}{y} \right]_{y-1}^{y} \)
적분의 한계를 사용하여 \( I \)를 계산하십시오.
\( I = \left( \dfrac{(y)^2}{2}+ \dfrac {y}{y} \right) - \left( \dfrac{(y-1)^2}{2}+ \dfrac {y-1}{y} \right) \)
간단히 하십시오.
\( I = y - 1/2 + \dfrac{1}{y} \)
\( I \)를 \( V \)에 대입하고 외부 적분을 계산하십시오.
\( \displaystyle V = \int _{1\:}^2 ( y - 1/2 + \dfrac{1}{y} ) \; dy \)
위의 적분을 계산하십시오.
\( \displaystyle V = \left [\dfrac{y^2}{2} - \dfrac{y}{2} + \ln |y| \right]_1^2 \)
\( \displaystyle V = (\dfrac{(2)^2}{2} - \dfrac{(2)}{2} + \ln |(2)|) - (\dfrac{(1)^2}{2} - \dfrac{(1)}{2} + \ln |(1)|) \)
간단히 하십시오.
\( V = \ln 2 + 1 \)


예제 5
다음 이중 적분을 계산하십시오. \( \displaystyle V = \int _0^{\pi}\:\int _0^1\left(x \sin(x^2)+y\:\right)dy\:dx \)
예제 5의 해결책
내부 적분을 \( \displaystyle I = \int _0^1\left(x\sin\left(x^2\right)+y\:\right)dy \)라고 가정하겠습니다.
위의 적분을 계산하십시오.
\( I = \left[ x\sin(x^2) y + \dfrac{y^2}{2} \right]_{0}^{1} \)
적분의 한계를 사용하여 \( I \)를 계산하십시오.
\( I = x\sin(x^2) + \dfrac{1}{2} \)
\( I \)를 \( V \)에 대입하고 외부 적분을 계산하십시오.
\( \displaystyle V = \int _{0\:}^{\pi} ( x\sin(x^2) + \dfrac{1}{2} ) \; dx \)
위의 적분을 계산하십시오.
\( \displaystyle V = \left [ -\dfrac{1}{2} \cos (x^2) + \dfrac{1}{2} x\right]_0^{\pi} \)
간단히 하십시오.
\( \displaystyle V = \dfrac{-\cos(\pi^2)+\pi+1}{2} \)


예제 6
상수 \( k \)를 찾아 \( \displaystyle \int _0^1\:\int _0^3 k x^2 (y+1) dy\:dx = 5 \) 가 되도록 하십시오.
예제 6의 해결책
\( \displaystyle V = \int _0^1\:\int _0^3 k x^2 (y+1) dy\:dx \) 라고 가정하겠습니다.
내부 적분을 \( \displaystyle I = \int _0^3 k x^2 (y+1) dy \)라고 가정하겠습니다.
\( I \)를 계산하십시오.
\( I = \left [k x^2 (\dfrac{y^2}{2}+y) \right]_0^3 = k \dfrac{15}{2} x^2 \)
\( I \)를 \( V \)에 대입하십시오.
\( \displaystyle V = \int _0^1 k \dfrac{15}{2} x^2 dx \)
\( V = \left [ \dfrac{5 k}{2} x^3 \right]_0^1 = \dfrac{5 k}{2} \)
방정식을 푸는 것으로부터 \( k = 2 \)를 얻습니다.


예제 7
\( \displaystyle \int _1^2\:\int _0^b (2x+y )dy\:dx = 10 \)이 되도록 상수 \( b \)를 찾으십시오. \( b \gt 0\)
예제 7의 해결책
\( \displaystyle V = \int _1^2\:\int _0^b (2x+y )dy\:dx \)라고 가정하겠습니다.
내부 적분을 \( I \)로 가정하겠습니다.
\( I = \displaystyle \int _0^b (2x+y )dy \)
\( I \)를 계산하십시오.
\( \displaystyle I = \left[\dfrac{y^2}{2}+2xy\right]_0^b = \dfrac{b^2}{2}+2bx \)
\( I \)를 \( V \)에 대입하고 \( V \)를 계산하십시오.
\( \displaystyle V = \int _1^2\ \left(\dfrac{b^2}{2}+2bx \right) dx \)
\( = \left[ \dfrac{b^2}{2}x+bx^2 \right]_1^2 \)
\( = \dfrac{b^2}{2}+3b \)
\( b \)를 찾기 위해 방정식을 풉니다.
\( \dfrac{b^2}{2}+3b = 10 \)
위의 방정식을 풀고 양수 해 \( b = -3+\sqrt{29} \)를 선택하십시오.


더 많은 문제와 해답

Part 1: 적분 계산
  1. \( \displaystyle \int _1^2\:\int _0^4\left( x^2+y^2 \right)dy\:dx \)
  2. \( \displaystyle \int _2^4\:\int _1^4\left(\:\:x^2\:\:+\dfrac{1}{y^{\:}}\right)dy\:dx \)
  3. \( \displaystyle \int _2^3\:\int _1^5\:\left(\dfrac{x}{y}+\dfrac{y}{x}\right)dx \: dy \)
  4. \( \displaystyle \int _0^{\frac{\pi }{2}}\:\int _0^{\frac{\pi }{2}}\left(\sin\left(x+y\right)\right)dy\:dx \)
Part 2: \( b \)를 찾아주세요 \( -1 \) 또는 \( -2 \)가 아닌 경우 \( \displaystyle \int _{-1}^b\:\int _{-2}^b\left(\:\:x\:y\:e^{x^2+y^2}\:\:\right)dy\:dx = 0 \)


위의 문제에 대한 답변

Part 1:
  1. \( \dfrac{92}{3} \)
  2. \( 4\ln (2) +56 \)
  3. \( \dfrac{5}{2} \ln (5)+12 \ln (3/2) \)
  4. \( 2 \)
Part 2: \( \displaystyle \int _{-1}^b\:\int _{-2}^b\left(\:\:x\:y\:e^{x^2+y^2}\:\:\right)dy\:dx = \dfrac{1}{4}\left(e^{b^2}-e^4\right)\left(e^{b^2}-e\right) \)
방정식을 풉니다: \( \dfrac{1}{4}\left(e^{b^2}-e^4\right)\left(e^{b^2}-e \right) = 0 \)
위의 방정식을 풀면 두 해 \( b = 1\)와 \( b = 2 \)를 얻을 수 있습니다.



더 많은 참고자료와 링크

곡선 아래의 면적
적분 계산
미적분학의 적분에 대한 공식과 규칙
푸빈의 정리
Gilbert Strang; MIT, Calculus, Wellesley-Cambridge Press, 1991
Joel Hass, University of California, Davis; Maurice D. Weir Naval Postgraduate School; George B. Thomas, Jr.Massachusetts Institute of Technology ; University Calculus , Early Transcendentals, Third Edition , Boston Columbus , 2016, Pearson.
예제 및 해결책과 함께하는 공학 수학