수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 I 3번

문제

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해설강의 준비중

(1) 왼쪽 그릇의 높이 h\displaystyle h인 지점에서 밑면에 평행하게 자른 단면은 반지름 12+2h4h2+4h3\displaystyle \sqrt{\frac12+2h-4h^2+4h^3}인 원이므로, 왼쪽 그릇의 부피는V=03π(12+2x4x2+4x3)dx=1112π\displaystyle V=\int_0^3\pi\left(\frac12+2x-4x^2+4x^3\right)dx=\frac{111}2\pi이다. 오른쪽 그릇은 반지름이 2인 구에서 윗부분이 1인 위치가 밑면에 평행하게 잘린 모양이므로, 오른쪽 그릇의 부피는W=21π(4x2)dx=9π\displaystyle W=\int_{-2}^1\pi(4-x^2)\,dx=9\pi이다.

(2) 왼쪽 그릇의 높이 h\displaystyle h인 지점에서 밑면에 평행하게 자른 단면은 반지름 12+2h4h2+4h3\displaystyle \sqrt{\frac12+2h-4h^2+4h^3}인 원이므로, 높이가 h\displaystyle h인 지점까지 그릇의 부피는V(h)=0hπ(12+2x4x2+4x3)dx=πh(12+h43h2+h3)\displaystyle V(h)=\int_0^h\pi\left(\frac12+2x-4x^2+4x^3\right)dx=\pi h\left(\frac12+h-\frac43h^2+h^3\right)이다. 따라서 h=1\displaystyle h=1를 대입하면 왼쪽 그릇에 담긴 물의 부피는 V(1)=76π\displaystyle V(1)=\frac76\pi 이다.

오른쪽 그릇은 반지름이 2인 구에서 윗부분이 1인 위치가 밑면에 평행하게 잘린 모양이므로, 높이가 h\displaystyle h인 지점까지 그릇의 부피는W(h)=2h2π(4x2)dx=π(4h13h3+2h24h)=πh2(213h)\displaystyle W(h)=\int_{-2}^{h-2}\pi(4-x^2)\,dx=\pi\left(4h-\frac13h^3+2h^2-4h\right)=\pi h^2\left(2-\frac13h\right)이다. 따라서 h=1\displaystyle h=1를 대입하면 오른쪽 그릇에 담긴 물의 부피는 W(1)=53π\displaystyle W(1)=\frac53\pi 이다.

(3) 함수 f(h)=V(h)W(h)=πh(12hh2+h3)\displaystyle f(h)=V(h)-W(h)=\pi h\left(\frac12-h-h^2+h^3\right)이라 하자. 두 그릇에 담긴 물의 부피가 같아지는 높이 h\displaystyle h, 즉 V(h)=W(h)\displaystyle V(h)=W(h)를 만족하는 h\displaystyle h가 0과 3사이에 존재한다는 것은g(h)=12hh2+h3=0\displaystyle g(h)=\frac12-h-h^2+h^3=0이 0과 3사이에서 근을 갖는다는 것과 같다.g(h)=12h+3h2=0\displaystyle g^{\prime}(h)=-1-2h+3h^2=0이므로 g(h)\displaystyle g(h)h=1,13\displaystyle h=1,-\frac13에서 극점을 갖는다. 극솟값이 g(1)=12<0\displaystyle g(1)=-\frac12<0이고 g(3)=312>0\displaystyle g(3)=\frac{31}2>0이므로, g(h)\displaystyle g(h)는 1과 3사이에서 근을 갖는다. 따라서 V(h)=W(h)\displaystyle V(h)=W(h)를 만족하는 h\displaystyle h가 0과 3사이에 적어도 하나 존재한다.

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