BETAInsomnia Studyroom정적분과 넓이
정적분과 넓이

22개정 교과과정

미적분Ⅰ

함수의 극한과 연속, 미분, 적분을 개념 설명과 계산 체크포인트로 학습합니다.

2022 개정 고등학교 수학의 미적분Ⅰ 흐름에 맞춰 극한에서 미분, 적분으로 이어지는 핵심 개념을 정리합니다.

22개정 · 적분

정적분과 넓이

넓이 문제의 핵심은 계산보다 먼저 어디에서 구간을 나누고 무엇에서 무엇을 뺄지 결정하는 것입니다. \(x\)축과의 넓이는 함수의 부호를, 두 곡선 사이의 넓이는 어느 함수가 위에 있는지를 확인합니다.

학습 목표

  • 정적분의 값과 실제 도형의 넓이를 구분할 수 있습니다.
  • 함수의 영점을 찾아 \(x\)축과 둘러싸인 넓이를 구할 수 있습니다.
  • 두 곡선의 교점과 위아래 관계를 확인하여 적절한 정적분을 세울 수 있습니다.
  • 함수의 부호나 순서가 바뀌는 지점에서 구간을 나누어 넓이를 계산할 수 있습니다.

1. 핵심 구분 — 정적분의 값과 넓이

\(\int_a^b f(x)\,dx\)는 \(x\)축 위 부분을 양수, 아래 부분을 음수로 센 부호 있는 누적값입니다. 반면 도형의 넓이는 음수가 될 수 없습니다.

\[ \text{넓이}=\int_a^b |f(x)|\,dx \]

구간 전체에서 \(f(x)\ge0\)이면 절댓값을 벗겨 \(\int_a^b f(x)\,dx\)로 계산할 수 있습니다. \(f(x)\le0\)이면 \(-\int_a^b f(x)\,dx\)입니다.

2. 넓이 문제의 공통 절차

  1. 경계 확인: 주어진 구간, 영점 또는 두 곡선의 교점을 찾습니다.
  2. 관계 판정: 각 구간에서 함수의 부호 또는 두 함수의 위아래 순서를 확인합니다.
  3. 식 세우기: \(x\)축과의 넓이는 절댓값, 두 곡선 사이는 ‘위쪽 함수−아래쪽 함수’로 씁니다.
  4. 구간 분할: 부호나 위아래 순서가 바뀌면 그 점에서 적분을 나눕니다.
  5. 계산과 점검: 정적분을 계산하고 결과가 0 이상인지 확인합니다.

3. 곡선과 \(x\)축 사이의 넓이

구간에서의 함수 부호넓이
\(f(x)\ge0\)\(\displaystyle A=\int_a^b f(x)\,dx\)
\(f(x)\le0\)\(\displaystyle A=-\int_a^b f(x)\,dx\)
부호가 바뀜영점에서 구간을 나누어 각 부분을 양수로 더함

함수의 부호가 확실하지 않으면 먼저 \(f(x)=0\)을 풀고, 영점 사이에서 시험값을 대입하거나 그래프의 위치를 확인합니다.

4. 절댓값 적분을 실제 계산식으로 바꾸기

\(f(x)\)가 \(x=c\)에서 부호를 바꾸고, \([a,c]\)에서 음수, \([c,b]\)에서 양수라면 다음과 같이 나눕니다.

\[ \int_a^b|f(x)|\,dx =-\int_a^c f(x)\,dx+\int_c^b f(x)\,dx \]

절댓값 기호를 그대로 둔 채 다항함수처럼 원시함수를 구하면 안 됩니다. 먼저 부호에 맞게 절댓값을 제거해야 합니다.

5. 두 곡선 사이 — 위쪽에서 아래쪽 빼기

\([a,b]\)에서 \(f(x)\ge g(x)\)이면 세로로 자른 작은 조각의 높이는 \(f(x)-g(x)\)입니다.

\[ A=\int_a^b\{\text{위쪽 함수}-\text{아래쪽 함수}\}\,dx =\int_a^b\{f(x)-g(x)\}\,dx \]

함수 이름이나 식의 차수가 아니라 실제 그래프의 높이를 비교해야 합니다.

6. 그래프로 보는 ‘위쪽−아래쪽’

직선 y=2x와 포물선 y=x² 사이의 넓이 0과 2에서 만나는 두 곡선 사이에서 직선 y=2x가 위쪽이고 포물선 y=x²이 아래쪽인 영역이 표시되어 있습니다. 위: y = 2x 아래: y = x² 0 2
두 그래프의 교점은 \(x=0,2\)이고, 그 사이에서는 \(2x\ge x^2\)이므로 높이는 \(2x-x^2\)입니다.

7. 교점과 위아래 관계 확인하기

두 곡선이 둘러싸는 영역의 좌우 경계는 보통 \(f(x)=g(x)\)의 해입니다. 교점을 찾은 뒤 차 \(f(x)-g(x)\)의 부호를 조사하면 어느 함수가 위인지 알 수 있습니다.

\[ f(x)-g(x)>0\Rightarrow f\text{가 위},\qquad f(x)-g(x)<0\Rightarrow g\text{가 위} \]

교점이 세 개 이상이거나 주어진 구간 안에서 순서가 바뀌면 각 교점에서 적분을 나눕니다.

8. 완전한 예제 1 — 곡선이 \(x\)축 위에 있을 때

문제: \(0\le x\le2\)에서 \(y=2x-x^2\)과 \(x\)축으로 둘러싸인 넓이를 구하세요.

부호 확인: \(2x-x^2=x(2-x)\ge0\)이므로 정적분이 그대로 넓이입니다.

\[ \begin{aligned} A&=\int_0^2(2x-x^2)\,dx\\ &=\left[x^2-\frac{x^3}{3}\right]_0^2 =4-\frac83=\frac43 \end{aligned} \]

답: \(\boxed{\frac43}\)

9. 완전한 예제 2 — \(x\)축을 가로지를 때

문제: \(0\le x\le3\)에서 \(y=x-1\)과 \(x\)축 사이의 넓이를 구하세요.

경계 확인: \(x-1=0\)의 해는 \(x=1\)입니다. \([0,1]\)에서는 함수가 음수이고 \([1,3]\)에서는 양수입니다.

\[ \begin{aligned} A&=-\int_0^1(x-1)\,dx+\int_1^3(x-1)\,dx\\ &=\frac12+2=\frac52 \end{aligned} \]

답: \(\boxed{\frac52}\)

\(\int_0^3(x-1)\,dx=\frac32\)는 부호 있는 누적값이므로 실제 넓이 \(\frac52\)와 다릅니다.

10. 완전한 예제 3 — 두 곡선이 둘러싼 영역

문제: \(y=2x\)와 \(y=x^2\)으로 둘러싸인 넓이를 구하세요.

1단계: \(2x=x^2\)에서 \(x=0,2\)를 얻습니다.

2단계: \(0<x<2\)에서 \(2x-x^2=x(2-x)>0\)이므로 직선이 위쪽입니다.

\[ \begin{aligned} A&=\int_0^2(2x-x^2)\,dx\\ &=\left[x^2-\frac{x^3}{3}\right]_0^2 =\frac43 \end{aligned} \]

답: \(\boxed{\frac43}\)

11. 완전한 예제 4 — 위아래가 바뀌는 두 곡선

문제: \(0\le x\le2\)에서 \(y=x\)와 \(y=x^2\) 사이의 넓이를 구하세요.

교점: \(x=x^2\)에서 \(x=0,1\)입니다. 주어진 오른쪽 경계 \(x=2\)까지 살펴보면 \(x=1\)에서 위아래가 바뀝니다.

\[ \begin{aligned} A&=\int_0^1(x-x^2)\,dx+\int_1^2(x^2-x)\,dx\\ &=\frac16+\frac56=1 \end{aligned} \]

답: \(\boxed{1}\)

12. 식을 세운 뒤 빠르게 점검하기

점검 질문확인할 내용
경계가 맞는가?주어진 구간과 교점이 적분의 상하한에 반영되었는지 확인합니다.
높이가 음수가 아닌가?각 구간에서 ‘위−아래’가 0 이상인지 시험값으로 확인합니다.
순서가 바뀌는가?영점이나 교점에서 부호가 실제로 변하는지 확인합니다.
답이 넓이인가?최종값이 음수라면 식의 순서나 부호 처리를 다시 봅니다.
단위가 맞는가?좌표의 단위가 길이라면 넓이 단위는 제곱 단위입니다.

13. 자주 하는 실수

  • 정적분 값을 그대로 넓이로 사용: \(x\)축 아래 부분이 있으면 음의 누적을 양의 넓이로 바꾸어야 합니다.
  • 교점을 찾지 않음: 두 곡선이 둘러싼 영역의 경계는 먼저 연립방정식으로 구합니다.
  • 아래쪽에서 위쪽을 뺌: 세로 조각의 높이는 항상 ‘위쪽−아래쪽’입니다.
  • 한 번에 적분: 함수의 부호나 위아래 순서가 바뀌면 구간을 나눕니다.
  • 절댓값을 다항식처럼 적분: 절댓값 내부의 부호를 조사한 뒤 구간별 식으로 바꿉니다.
  • 그림만 보고 순서를 단정: 교점 사이의 시험값으로 대수적으로 확인합니다.

14. 핵심 정리

  • 넓이는 항상 0 이상이며, 정적분의 부호 있는 값과 구별해야 합니다.
  • \(x\)축과의 넓이는 \(\int |f(x)|\,dx\)로 표현하고 영점에서 구간을 나눕니다.
  • 두 곡선 사이에서는 교점을 찾고 각 구간에서 ‘위쪽 함수−아래쪽 함수’를 적분합니다.
  • 부호나 위아래 순서가 바뀌면 하나의 정적분으로 처리하지 않습니다.
  • 정답이 음수라면 넓이 식의 부호와 함수 순서를 다시 확인합니다.
Checkpoint
  1. \(-1\le x\le2\)에서 \(y=x^2-1\)과 \(x\)축 사이의 넓이를 구하세요.
  2. \(y=3x\)와 \(y=x^2\)으로 둘러싸인 넓이를 구하세요.
  3. \(-1\le x\le2\)에서 \(y=x\)와 \(y=x^2\) 사이의 넓이를 구하세요.
  4. \(\int_a^b\{f(x)-g(x)\}\,dx<0\)이 나왔을 때 실제 넓이를 구하려면 무엇을 확인해야 하는지 설명하세요.
풀이와 답 확인
  1. 영점은 \(-1,1\)입니다. \([-1,1]\)에서는 \(x^2-1\le0\), \([1,2]\)에서는 \(x^2-1\ge0\)이므로 \(A=-\int_{-1}^1(x^2-1)\,dx+\int_1^2(x^2-1)\,dx=\frac43+\frac43=\frac83\)입니다.
  2. 교점은 \(x=0,3\)이고 그 사이에서 \(3x\ge x^2\)입니다. \(A=\int_0^3(3x-x^2)\,dx=\frac92\)입니다.
  3. 교점은 \(x=0,1\)이고 구간별 위쪽 함수가 바뀝니다. \(A=\int_{-1}^0(x^2-x)\,dx+\int_0^1(x-x^2)\,dx+\int_1^2(x^2-x)\,dx=\frac56+\frac16+\frac56=\frac{11}{6}\)입니다.
  4. 각 구간에서 \(f\)와 \(g\) 중 어느 함수가 위에 있는지 확인합니다. 순서가 전체에서 반대라면 \(g-f\)로 바꾸고, 중간에 순서가 바뀐다면 교점에서 구간을 나눕니다.