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    • 정적분 구간에 미지수가 있고, solve 를 사용할 수 없을 때 그 값을 확인하려면?

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      • 세상의모든계산기
      • 2026.04.11 - 20:24 2026.04.10 - 11:15 2861 4

    1. 문제 상황

     

    - 표준형 공학용 계산기(Casio fx-570 시리즈 등)는 `SOLVE` 기능 내에 `∫(적분)` 기호를 사용할 수 없고, 

    - 그리고 계산기 한계로 부정적분이 불가능하므로

     

    어쩔 수 없이 수치적 방법으로 접근해야 함.

     

     

    2. 해결 방법: 뉴턴-랩슨(Newton-Raphson) 수동 구현

     

    https://losskatsu.github.io/statistics/newton-raphson/

    image.png

     

    미분적분학 기본 정리(FTC)를 이용하여, 적분 방정식의 해를 찾는 반복식을 계산기 메모리(`Ans`)를 이용해 실행합니다.

     

    ✦ 미분적분학의 기본 정리(Fundamental Theorem of Calculus, FTC)는 미분과 적분이라는 전혀 별개로 보이던 두 개념을 하나로 연결하는 수학의 핵심 정리입니다.

    이 정리는 크게 두 부분으로 나뉘며, 각각의 의미와 정의를 상세히 정리해 드립니다.

      ---

      1. 미분적분학의 제1 기본정리 (FTC 1)
      "적분한 함수를 미분하면 원래 함수가 된다"는 것을 증명합니다. 즉, 미분과 적분은 서로 역연산 관계임을 보여줍니다.

       * 정의: 함수 $f$가 닫힌 구간 $[a, b]$에서 연속이고, $x$가 $[a, b]$ 내의 임의의 점일 때, 다음과 같이 정의된 함수 $g(x)$는
          $$g(x) = \int_{a}^{x} f(t) \, dt$$
          구간 $[a, b]$에서 연속이고 $(a, b)$에서 미분 가능하며, 그 미분값은 다음과 같습니다.
          $$g'(x) = f(x)$$
       * 의미: 어떤 함수를 $a$부터 $x$까지 정적분하여 만든 새로운 함수(적분함수)를 미분하면, 적분 기호 내부의 피적분 함수 $f$에 $x$를 대입한 결과가 나옵니다.
       * 응용: 아래 계산기 우회법에서 사용할 원리가 바로 이것입니다. $\int_{0}^{A} x \, dx$를 $A$에 대해 미분하면 피적분 함수인 $A$가 그대로 튀어나오기 때문에,
         뉴턴-랩슨 법의 분모(미분값)로 $A$를 바로 사용할 수 있게 됩니다. 

      ---

      2. 미분적분학의 제2 기본정리 (FTC 2)
      "정적분을 부정적분의 함숫값 차이로 계산할 수 있다"는 것을 보여줍니다. 복잡한 리만 합(Riemann sum)의 극한을 구하지 않고도 적분 값을 쉽게 계산하게 해줍니다.

       * 정의: 함수 $f$가 구간 $[a, b]$에서 연속이고, $F$가 $f$의 임의의 부정적분(즉, $F' = f$)일 때 다음이 성립합니다.
          $$\int_{a}^{b} f(x) \, dx = F(b) - F(a)$$
       * 의미: 정적분 값은 피적분 함수의 부정적분을 구한 뒤, 상한($b$)을 대입한 값에서 하한($a$)을 대입한 값을 빼는 것만으로 구할 수 있습니다.
       * 중요성: 이 정리가 없었다면 우리는 정적분을 구할 때마다 무한급수의 극한을 계산해야 했을 것입니다. 이 정리는 기하학적 넓이(적분)와 변화율(미분) 사이의 강력한 다리를 놓았습니다.

      ---

      3. 두 정리의 관계와 물리적 직관

      이 두 정리를 물리적인 관점에서 이해하면 훨씬 쉽습니다.

       * 함수 $f(t)$를 '속도'라고 가정해 봅시다.
       * 제1정리: 속도를 시간($a$부터 $x$까지)에 대해 적분하면 '변위(위치)'가 됩니다. 이 변위 함수를 다시 미분(시간에 따른 변화율)하면 당연히 원래의 '속도'가 나옵니다.
       * 제2정리: 구간 $[a, b]$ 동안의 '전체 변위(정적분)'는 나중 위치($F(b)$)에서 처음 위치($F(a)$)를 뺀 것과 같습니다.

      요약 및 결론

    구분 핵심 내용 수학적 표현
    제1정리 적분과 미분의 역연산 관계 $\frac{d}{dx} \int_{a}^{x} f(t) dt = f(x)$
    제2정리 정적분의 효율적 계산법 $\int_{a}^{b} f(x) dx = F(b) - F(a)$

      이 정리는 현대 공학에서 제어 시스템, 신호 처리, 구조 해석 등 모든 수치 해석의 기초가 됩니다. 계산기에서 SOLVE를 적분과 함께 쓸 수 없는 상황에서도 이 FTC
      제1정리 덕분에 우리는 수동으로 해를 추적할 수 있는 것입니다.

     

     

    풀이 대상 방정식

    $$\int_{0}^{A} f(x) dx = K$$
    를 만족하는 $A$ 찾기.

     

    계산기 입력 공식 (Newton's Method)

    $$A_{next} = Ans - \frac{(\int_{0}^{Ans} f(x) dx) - K}{f(Ans)}$$

     

     

    "왜 분모에 그냥 함수 $f(Ans)$를 넣는 것만으로 미분값이 해결되는가?"

    "이 식이 어떻게 정답을 향해 이동하는가?"


      1. 뉴턴-랩슨법의 기본 원리: "접선을 따라가면 해가 나온다"

      뉴턴-랩슨법은 어떤 함수 $H(x) = 0$이 되는 $x$를 찾기 위해, 현재 위치에서의 접선을 그려서 그 접선이 $x$축과 만나는 지점을 다음 후보로 삼는 방법입니다.

      그 공식은 다음과 같습니다.
      $$x_{next} = x_{curr} - \frac{H(x_{curr})}{H'(x_{curr})}$$
       - $H(x_{curr})$: 현재 위치에서의 함수 값 (얼마나 0에서 멀리 있는가?)
       - $H'(x_{curr})$: 현재 위치에서의 기울기 (어느 방향으로 얼마나 가파르게 변하는가?)

     

    저 위의 (녹색 칠판) 그림으로 생각해 보면

    $$ 삼각형의 빗변 기울기 = \dfrac{높이}{밑변} $$  이고 

    $$ f'(x_{n}) = \dfrac{f(x_{n})}{x_{n}-x_{n+1}} $$ 로 표현되는데

    이걸 $ x_{n+1} $ 에 대해 정리하면 위의 뉴튼 랩슨 표현과 같아집니다.

     

      ---

      2. 우리가 풀려는 '적분 방정식'에 적용하기

      우리가 풀고 싶은 식은 $\int_{0}^{A} f(x) dx = K$ 입니다.
      이를 뉴턴-랩슨법을 쓸 수 있게 $H(A) = 0$ 꼴로 만들면 다음과 같습니다.

      $$H(A) = \left( \int_{0}^{A} f(x) dx \right) - K = 0$$

      이제 공식에 넣기 위해 $H(A)$를 $A$에 대해 미분($H'(A)$) 해야 합니다.

      ---

      3. 왜 FTC가 '마법의 열쇠'인가? (가장 중요한 부분)

      여기서 미분적분학의 제1 기본정리(FTC 1)가 등장합니다.

      > FTC 1의 정의: $g(A) = \int_{0}^{A} f(t) dt$ 라면, $g'(A) = f(A)$ 이다.

      이 정리는 "적분으로 정의된 함수를 상한($A$)에 대해 미분하면, 그 결과는 단순히 피적분 함수에 $A$를 대입한 것과 같다"는 것을 보장합니다.

      따라서 우리의 $H(A)$를 미분해 보면:
       1. $\int_{0}^{A} f(x) dx$ 를 $A$로 미분하면? $\rightarrow f(A)$ (FTC에 의해)
       2. 상수 $-K$ 를 $A$로 미분하면? $\rightarrow 0$ (상수는 미분하면 사라짐)

      결과적으로 $H'(A) = f(A)$ 가 됩니다!

      ---

      4. 최종 공식의 탄생

      뉴턴-랩슨 기본 공식에 우리가 구한 값들을 대입해 봅시다.

       - $x$ 대신 $A$를 사용
       - $H(A) = \int_{0}^{A} f(x) dx - K$
       - $H'(A) = f(A)$

      이를 합치면 계산기에 입력하는 바로 그 공식이 나옵니다.
      $$A_{next} = A_{curr} - \frac{\int_{0}^{A_{curr}} f(x) dx - K}{f(A_{curr})}$$

      ---

      5. 직관적인 이해: "면적 조절하기"

      수학 기호를 떠나서 물리적인 직관으로 이해해 보겠습니다.

       1. 분자 ($\int_{0}^{A} f(x) dx - K$): 현재까지 쌓인 면적이 목표값 $K$보다 얼마나 모자라거나 남는지 나타내는 '오차'입니다.
       2. 분모 ($f(A)$): 현재 위치 $A$에서의 '높이'입니다. 면적은 가로 × 세로인데, 상한 $A$를 아주 살짝 움직일 때 면적이 변하는 속도는 바로 그 지점의 높이($f(A)$)와 같습니다.
       3. 나눗셈 (오차 / 높이): 면적 오차 / 높이를 하면, 목표 면적에 도달하기 위해 가로($A$)를 얼마나 더 이동해야 하는지에 대한 근사치가 나옵니다.

      즉, "현재 면적이 부족하네? 그럼 현재 높이로 나눠서 가로를 이만큼 더 가보자!"라고 계산기가 계속 보정해 나가는 과정이 $Ans$ 버튼을 연타하는 행위입니다.

      ---

      6. 요약

       - Q: 왜 $Ans$를 쓰는가?
         - A: 뉴턴-랩슨은 반복법입니다. 한 번 계산된 결과($A_{next}$)를 다시 입력값($A_{curr}$)으로 써서 점점 정답에 수렴해야 하기 때문에 계산기의 Ans 메모리를 이용하는 것입니다.
       - Q: 왜 분모가 $f(Ans)$인가?
         - A: 미분적분학 기본 정리(FTC) 덕분에, 적분 함수의 변화율(미분값)이 바로 그 지점의 함수값(높이)이라는 사실을 우리가 알고 있기 때문입니다. 덕분에 복잡한 미분 계산 없이 함수 대입만으로 미분값을 대신할 수 있습니다.

      이 원리 덕분에 공학용 계산기에서 SOLVE 기능이 적분을 지원하지 않더라도, 우리가 직접 "미분값 자리에 원래 함수를 넣음으로써" 계산기를 속여서(?) 도와서(!) 정답을 찾아낼 수 있는 것입니다.

     

     

    3. 예제 풀이: $$ \int_{0}^{A} x dx = 10 $$

     

    1. 초기값 입력: 【5】 누르고 【=】
    2. 반복식 입력: `Ans - ( (∫(X, 0, Ans)) - 10 ) / Ans`
      Casio Line IO 적분 입력 시: `∫(X, 0, Ans)` (함수, 하한, 상한 순서)
    3. 반복: 【=】 버튼을 Ans 값이 변하지 않을 때까지 연타.

     

    4. 검증 파이썬 스크립트


    아래 코드는 계산기가 수행하는 수치 해석 과정을 시뮬레이션합니다.

     

    def f(x):
        return x
    
    def integral_f(a):
        # \int_{0}^{a} x dx = 0.5 * a^2
        return 0.5 * a**2
    
    def solve_integral():
        target = 10
        a = 5.0  # 초기값
        print(f"초기값: {a}")
        
        for i in range(1, 6):
            # f(a)는 미분적분학 기본 정리에 의해 적분 함수의 미분값임
            numerator = integral_f(a) - target
            denominator = f(a)
            a = a - numerator / denominator
            print(f"반복 {i}회차: {a:.10f}")
    
    if __name__ == "__main__":
        solve_integral()

     

     

    5. 결론

     

    이 방법을 사용하면 계산기의 제약을 우회하여 모든 정적분 형태의 방정식을 소수점 10자리 이상의 정밀도로 풀 수 있습니다.
     

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    2) 고정기준값 41에 대한 오차 제곱합 계산방법   이건 통계메뉴에서는 딱히 방법이 떠오르지 않네요.  질문하신 것과 같이 적은 갯수의 data라면 직접 입력하시는게 최선입니다.      하지만 DATA 갯수가 수십개 이상이라면? ㄴ 스프레드시트 기능을 이용하시는게 좋겠습니다.  【MENU】【8】   A열에 DATA 입력하고  B로 이동한 후 OPTN 【1】 Fill Formula 【ALPHA】키 방향키 숫자키 등을 이용해 수식 완성   C로 이동후 Formula 수식 입력   D의 빈공간으로 이동 후 OPTN 방향키 아래 누르다보면 Sum 보임 ALPHA 키 이용해서 수식 완성. : 기호는 MENU 버튼 바로 아래 있음 (ALPHA키로 입력) 【=】입력하면  최종결과 확인 * 주의 (B열, C열과 달리) D1 셀은 계산 결과인 951이 직접 입력된 상태이므로 DATA 수정후 recalculation 하여도 자동계산되지 않음.  자동계산을 위해서는 formula 형식으로 입력해야 함.  2026 10.27 1) 통계적 편차제곱합(평균 50.25기준) 입력 방법   【MENU】 【6】 【1】 로 1-var Stat 모드로 진입하여  【48】 【=】 【66】 【=】 【32】 【=】 【55】【=】  DATA 입력  【OPTN】 【3】 【▼】 【▼】   fx-570EX 기종에도 편차제곱합을 바로 보여주진 않습니다.  본문에 나온 것처럼 앞서 계산되어 저장된 각종 변수를 이용해 계산합니다.    【AC】【OPTN】【4】Statistics Calc   이 화면에서 다시  OPTN 하고 (메뉴가 3개로 줄어 있죠?)  여기서 방향키로 【▼】 아래를 내려보면 추가 메뉴가 있습니다.  4개 메뉴에는 각각 아래 하위 메뉴가 있습니다.      이 중에서 필요로 하는 것을 골라 계산하시면 되겠습니다.  Variable 에 있는 값을 이용하면  다른 공식을 쓰셔도 됩니다.  2026 10.27 질문자님, 48,66,32,55 네 개 DATA 의 평균은 50.25라서 41은 평균이 아닙니다. 그래서 식을 두 가지 경우로 나누어 설명하겠습니다.  1) 통계적 편차제곱합(평균 50.25기준)이면 답은 608.75 입니다. 2) 만약 41이라는 고정 기준값에 대한 제곱합을 구하시는 거면 식은 (48-41)²+... 이고 답은 951입니다. 원문에 +로 쓰신 건 -의 오타로 보입니다. 2026 10.27 본문의 변환 위젯에 사용된 전서체 폰트는 대만의 최고 학술 연구 기관인 중앙연구원(Academia Sinica)에서 제공하는 ‘숭희전체(崇羲篆體)’로 전통 한자 서체인 소전(小篆)을 현대 컴퓨터 폰트(글꼴)로 구축한 오픈소스 프로젝트로 개발되었습니다. https://xiaoxue.iis.sinica.edu.tw/chongxi/download.htm 2026 10.20 예제1)      예제2)       예제3)      추가옵션    2026 10.18
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    댓글4

    • Profile 0
      세상의모든계산기
      2026.04.10 - 11:22 2026.04.10 - 11:16 #57088

      파이썬 코드 검증 결과


      초기값: 5.0
      반복 1회차: 4.5000000000
      반복 2회차: 4.4722222222
      반복 3회차: 4.4721359558
      반복 4회차: 4.4721359550
      반복 5회차: 4.4721359550

      초기값: 10.0
      반복 1회차: 6.0000000000
      반복 2회차: 4.6666666667
      반복 3회차: 4.4761904762
      반복 4회차: 4.4721377913
      반복 5회차: 4.4721359550

      댓글
    • Profile 0
      세상의모든계산기
      2026.04.10 - 11:48 2026.04.10 - 11:28 #57103

      참값 : A = ±2√5
      근사값 : A≈±4.472135954999579392818347

       

      image.png

      Attached file
      image.png 51.8KB 38
      댓글
    • Profile 0
      세상의모든계산기
      2026.04.10 - 11:21 2026.04.10 - 11:17 #57091

      fx-570 ES 입력 결과


      초기값 입력

      image.png

       

      반복 수식 입력 

      image.png

       

      반복 결과

      image.png image.png image.png 

      image.png image.png

      Attached file
      image.png 1.7KB 35 image.png 2.2KB 38 image.png 2.2KB 38 image.png 2.1KB 37 image.png 2.1KB 43 image.png 2.2KB 34 image.png 2.4KB 37
      댓글
    • Profile 0
      세상의모든계산기
      2026.04.11 - 14:02 #57120
      뉴턴-랩슨 적분 방정식 시각화 v1.0

      📊 Newton-Raphson 적분 방정식 시뮬레이터

      미분적분학의 기본 정리(FTC)를 이용한 수치해석 시각화

      목표 방정식: ∫₀ᴬ (2√x) dx = 20 을 만족하는 A를 찾아라!
      현재 반복: 0회

      💡 시각적 동작 원리 (Newton-Raphson & FTC)

      • Step 1 (오차 측정): 현재 A까지 쌓인 파란색 면적이 목표치(20)와 얼마나 차이나는지 계산합니다.
      • Step 2 (FTC의 마법): 면적의 변화율(미분)은 그 지점의 그래프 높이 f(A)와 같습니다.
      • Step 3 (보정): 다음 A = 현재 A - (면적 오차 / 현재 높이) 공식을 사용하여 A를 이동시킵니다.
      • 결론: 오차를 현재 높이로 나누면, 오차를 메우기 위해 필요한 가로 길이(ΔA)가 나옵니다. 이 과정을 반복하면 정답에 도달합니다!
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