수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
4점 만점 · 단면의 넓이 S(x)\displaystyle S(x)를 주어진 식을 이용하여 구함 (2점) 물의 부피를 적분을 이용하여 구함 (2점)

(1) [그림 3a]에서 밑면에서 평면 α\displaystyle \alpha까지의 높이를 h\displaystyle h라 하면 h=x+a1\displaystyle h=x+a_{1}이다. [그림 3b]의 안쪽 원의 반지름을 r\displaystyle r이라 하면 h=Ar2+a1\displaystyle h=Ar^{2}+a_{1}이므로, x=Ar2\displaystyle x=Ar^{2} 즉, r=xA\displaystyle r=\sqrt{\frac{x}{A}}이다. 바깥쪽 원의 반지름은 1이므로 S(x)=ππr2=ππxA\displaystyle S(x)=\pi-\pi r^{2}=\pi-\frac{\pi x}{A} 이다. 또한 0r1\displaystyle 0\le r\le1 이므로 0xA\displaystyle 0\le x\le A 이다.구하는 물의 부피는 점 P 아래쪽 부분의 부피와 점 P 위쪽 부분의 부피의 합이므로πa1+0AS(x)dx=πa1+πAπA22A=πa1+πA2\displaystyle \pi a_{1}+\int_{0}^{A}S(x)\,dx=\pi a_{1}+\pi A-\frac{\pi A^{2}}{2A}=\pi a_{1}+\frac{\pi A}{2} 이다.

4점 만점 · 물의 부피는 놀이기구가 정지했을 때와 회전할 때 같음을 이용함 (2점) 위의 관계를 이용하여 A\displaystyle A를 구함 (2점)

(2) 놀이기구가 정지했을 때 물의 부피는 2π\displaystyle 2\pi인데 회전할 때도 물통 안의 물의 부피는 이와 동일하므로 (1)의 결과에서 πa1+πA2=2π\displaystyle \pi a_{1}+\frac{\pi A}{2}=2\pi 이다.a1=2312\displaystyle a_{1}=2-\frac{\sqrt{3}}{12} 로부터 A=42a1=42(2312)=36\displaystyle A=4-2a_{1}=4-2\left(2-\frac{\sqrt{3}}{12}\right)=\frac{\sqrt{3}}{6} 이다.

4점 만점 · 식을 이용해 수면의 높이를 r\displaystyle r에 대해 미분한 도함수를 구함 (2점) 도함수 값을 이용하여 tanθ1\displaystyle \tan\theta_{1} 값과 각의 크기 θ1\displaystyle \theta_{1}을 구함 (2점)

(3) 수면의 높이는 h=Ar2+a1\displaystyle h=Ar^{2}+a_{1} 이므로 dhdr=2Ar\displaystyle \frac{dh}{dr}=2Ar 이고 점 Q에서 (즉, r=1\displaystyle r=1일 때) 접선의 기울기는 2A=33\displaystyle 2A=\frac{\sqrt{3}}{3} 이다. tan(π6)=33\displaystyle \tan\left(\frac{\pi}{6}\right)=\frac{\sqrt{3}}{3} 이므로 θ1=π6\displaystyle \theta_{1}=\frac{\pi}{6} = 30° 이다.

4점 만점 · 물이 넘친 빈공간의 부피를 구함 (4점)

(4) 물이 넘친 부분의 부피는 회전으로 인해 움푹 파이게 되는 부분의 부피와 같다. 이 부분의 부피를 (1)에서와 같이 구한다. 움푹 파인 부분의 바닥에서부터 높이가 x\displaystyle x인 지면과 평행한 평면으로 자른 단면은 [그림 3b]의 안쪽원과 같이 반지름 xA\displaystyle \sqrt{\frac{x}{A}} 인 원이다. 단면적은 πxA\displaystyle \frac{\pi x}{A}이고 0xA\displaystyle 0\le x\le A이므로 구하는 부피는 0AπxAdx=πA2=π312\displaystyle \int_{0}^{A}\frac{\pi x}{A}dx=\frac{\pi A}{2}=\frac{\pi\sqrt{3}}{12} 이다.

4점 만점 · 앞의 결과가 물컵의 수면에도 적용이 가능함을 이해하고, 거리의 최댓값을 구함 (4점)

(5) 물컵 안의 수면의 높이는 h=Ar2+a2\displaystyle h=Ar^{2}+a_{2} 이므로 (3)에서와 같이 놀이기구 중심축과 거리 r\displaystyle r인 점에서 기울기는 2Ar=r3\displaystyle 2Ar=\frac{r}{\sqrt{3}} 이다. 물컵의 중심에서 수면이 지표면과 이루는 각이 60° 이하라면 r3tan60°=3\displaystyle \frac{r}{\sqrt{3}}\le\tan60°=\sqrt{3} 이므로 구하는 최댓값은 r=3\displaystyle r=3 (m) 이다.

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