수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 II 3번

문제

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(1) (i) 0θπ6\displaystyle (i)\ 0\le\theta\le\frac\pi6인 경우, 그릇에 담긴 물의 깊이는 x0=r+rsinθ~, θ~=π6θ\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)=rsinθ~rπ(r2x2)dx=π(r2(r+rsinθ~)13(r3(rsinθ~)3))=π3r3(3(1+sinθ~)(1+sin3θ~))=π3r3(2+3sinθ~sin3θ~)=π3r3(2+3sin(π6θ)sin3(π6θ))\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) π6θ2π3\displaystyle (ii)\ \frac\pi6\le\theta\le\frac{2\pi}3인 경우, 그릇에 담긴 물의 깊이는 x0=rrsinθ~~, θ~~=θπ6\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)=rsinθ~~rπ(r2x2)dx=π(r2(rrsinθ~~)13(r3r3sin3θ~~))=π3r3(3(1sinθ~~)(1sin3θ~~))=π3r3(23sinθ~~+sin3θ~~)=π3r3(23sin(θπ6)+sin3(θπ6))\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(23sin(θπ6)+sin3(θπ6)), 0θ2π3\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)=9π8r3V(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(23sin(θπ6)+sin3(θπ6))=πr3(cos(θπ6)+sin2(θπ6)cos(θπ6))=πr3cos3(θπ6)\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 0cos(θπ6)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)=9π8r3V(π6)=9π8r32π3r3=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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