수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 3번

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문제

[문제 3] 아래 그림과 같이 반지름의 길이가 r\displaystyle r인 구에서 윗부분이 r2\displaystyle \frac r2인 위치가 잘린 모양의 그릇에 물이 가득 담겨 있다. 아래 왼쪽 그림과 같이 그릇을 θ\displaystyle \theta의 각도로 기울였을 때, 그릇에 남아 있는 물의 부피를 V(θ)\displaystyle V(\theta)라고 하자. 다음 물음에 답하시오. [40점]

(1) 그릇에 남아 있는 물의 부피 V(θ)\displaystyle V(\theta)를 r\displaystyle r과 θ\displaystyle \theta의 식으로 나타내시오.

(2) 그릇에서 쏟아진 물의 부피 W(θ)\displaystyle W(\theta)의 변화율 dWdθ\displaystyle \frac{dW}{d\theta}가 최대가 되는 θ\displaystyle \theta를 구하고, 이때까지 쏟아진 물의 부피를 구하시오.

구를 잘라 만든 그릇을 기울였을 때의 물의 단면
해설강의 준비중

(1) (i) 0≤θ≤π6\displaystyle (i)\ 0\le\theta\le\frac\pi6인 경우, 그릇에 담긴 물의 깊이는 x0=r+rsin⁡θ~, θ~=π6−θ\displaystyle x_0=r+r\sin\tilde\theta,\ \tilde\theta=\frac\pi6-\theta가 된다. 이 때, 그릇에 담긴 물의 부피 V(θ)\displaystyle V(\theta)는 다음과 같이 구할 수 있다.

구를 잘라 만든 그릇을 기울였을 때의 물의 단면

V(θ)=∫−rsin⁡θ~rπ(r2−x2) dx=π(r2(r+rsin⁡θ~)−13(r3−(−rsin⁡θ~)3))=π3r3(3(1+sin⁡θ~)−(1+sin⁡3θ~))=π3r3(2+3sin⁡θ~−sin⁡3θ~)=π3r3(2+3sin⁡(π6−θ)−sin⁡3(π6−θ))\displaystyle \begin{aligned}V(\theta)&=\int_{-r\sin\tilde\theta}^r\pi(r^2-x^2)\,dx\\&=\pi\left(r^2(r+r\sin\tilde\theta)-\frac13(r^3-(-r\sin\tilde\theta)^3)\right)\\&=\frac\pi3r^3\left(3(1+\sin\tilde\theta)-(1+\sin^3\tilde\theta)\right)\\&=\frac\pi3r^3(2+3\sin\tilde\theta-\sin^3\tilde\theta)\\&=\frac\pi3r^3\left(2+3\sin\left(\frac\pi6-\theta\right)-\sin^3\left(\frac\pi6-\theta\right)\right)\end{aligned}

(ii) π6≤θ≤2π3\displaystyle (ii)\ \frac\pi6\le\theta\le\frac{2\pi}3인 경우, 그릇에 담긴 물의 깊이는 x0=r−rsin⁡θ~~, θ~~=θ−π6\displaystyle x_0=r-r\sin\tilde{\tilde\theta},\ \tilde{\tilde\theta}=\theta-\frac\pi6가 된다. 이 때, 그릇에 담긴 물의 부피 V(θ)\displaystyle V(\theta)는 다음과 같이 구할 수 있다.

구를 잘라 만든 그릇을 기울였을 때의 물의 단면

V(θ)=∫rsin⁡θ~~rπ(r2−x2) dx=π(r2(r−rsin⁡θ~~)−13(r3−r3sin⁡3θ~~))=π3r3(3(1−sin⁡θ~~)−(1−sin⁡3θ~~))=π3r3(2−3sin⁡θ~~+sin⁡3θ~~)=π3r3(2−3sin⁡(θ−π6)+sin⁡3(θ−π6))\displaystyle \begin{aligned}V(\theta)&=\int_{r\sin\tilde{\tilde\theta}}^r\pi(r^2-x^2)\,dx\\&=\pi\left(r^2(r-r\sin\tilde{\tilde\theta})-\frac13(r^3-r^3\sin^3\tilde{\tilde\theta})\right)\\&=\frac\pi3r^3\left(3(1-\sin\tilde{\tilde\theta})-(1-\sin^3\tilde{\tilde\theta})\right)\\&=\frac\pi3r^3(2-3\sin\tilde{\tilde\theta}+\sin^3\tilde{\tilde\theta})\\&=\frac\pi3r^3\left(2-3\sin\left(\theta-\frac\pi6\right)+\sin^3\left(\theta-\frac\pi6\right)\right)\end{aligned}따라서 그릇에 담긴 물의 부피V(θ)=π3r3(2−3sin⁡(θ−π6)+sin⁡3(θ−π6)), 0≤θ≤2π3\displaystyle V(\theta)=\frac\pi3r^3\left(2-3\sin\left(\theta-\frac\pi6\right)+\sin^3\left(\theta-\frac\pi6\right)\right),\ 0\le\theta\le\frac{2\pi}3가 된다.

(2) 그릇의 기울어진 각도가 θ\displaystyle \theta일 때, 그릇에서 쏟아진 물의 양 W(θ)=9π8r3−V(θ)\displaystyle W(\theta)=\frac{9\pi}8r^3-V(\theta)이 된다. 따라서 각도 θ\displaystyle \theta에 대한 쏟아진 물의 양의 변화율은 아래와 같다.ddθW(θ)=−ddθπ3r3(2−3sin⁡(θ−π6)+sin⁡3(θ−π6))=−πr3(−cos⁡(θ−π6)+sin⁡2(θ−π6)cos⁡(θ−π6))=πr3cos⁡3(θ−π6)\displaystyle \begin{aligned}\frac d{d\theta}W(\theta)&=-\frac d{d\theta}\frac\pi3r^3\left(2-3\sin\left(\theta-\frac\pi6\right)+\sin^3\left(\theta-\frac\pi6\right)\right)\\&=-\pi r^3\left(-\cos\left(\theta-\frac\pi6\right)+\sin^2\left(\theta-\frac\pi6\right)\cos\left(\theta-\frac\pi6\right)\right)\\&=\pi r^3\cos^3\left(\theta-\frac\pi6\right)\end{aligned}이고 0≤cos⁡(θ−π6)≤1\displaystyle 0\le\cos\left(\theta-\frac\pi6\right)\le1이므로, 이 구간에서 θ=π6\displaystyle \theta=\frac\pi6일 때, ddθW(θ)=πr3\displaystyle \frac d{d\theta}W(\theta)=\pi r^3으로 최대이다.한편, θ=π6\displaystyle \theta=\frac\pi6일 때까지 쏟아진 물의 부피는W(π6)=9π8r3−V(π6)=9π8r3−2π3r3=11π24r3\displaystyle W\left(\frac\pi6\right)=\frac{9\pi}8r^3-V\left(\frac\pi6\right)=\frac{9\pi}8r^3-\frac{2\pi}3r^3=\frac{11\pi}{24}r^3이다.

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