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적분을 이용한 타원의 넓이 구하기 📂기하학

적분을 이용한 타원의 넓이 구하기

공식

타원 x2a2+y2b2=1\displaystyle {x^2 \over a^2} + {y^2 \over b^2} = 1 의 넓이는 abπab \pi 이다.

설명

특히 a=b=ra=b=r, 즉 반지름이 rr x2+y2=r2x^2 + y^2=r^2 의 넓이는 익히 아는대로 r2πr^2 \pi 다.

증명

ellipse.png

타원의 넓이를 구하기 위해선 색칠된 영역의 넓이만 구하면 충분하다. 영역의 넓이는 0ab2b2a2x2dx \int _{0} ^{a} \sqrt{b^2-{b^2 \over a^2} x^2} dx 로 주어진다. x=asinθx = a \sin \theta 로 치환을 하면 0π2b1sin2θacosθdθ=ab0π2cos2θdθ=ab[14(2θ+sin2θ)]0π2=ab4π \begin{align*} \int _{0} ^{ \pi \over 2 } b \sqrt{1 - \sin ^ 2 \theta } a \cos \theta d \theta =& ab \int _{0} ^{ \pi \over 2 } \cos ^2 \theta d \theta \\ =& ab \left[ {1 \over 4} (2\theta + \sin 2\theta)\right]_{0}^{\pi \over 2} \\ =& {ab \over 4} \pi \end{align*} 여기에 44 를 곱하면 타원의 넓이 abπab \pi 를 얻는다.

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