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홍익대 서울캠퍼스 2022학년도 수시 오후 자연계열 2번 · mathesis.kr/archive/hongik_seoul/2022su_pm/jayeon_2
4점 만점 · 단면의 넓이 S(x)를 주어진 식을 이용하여 구함 (2점)
물의 부피를 적분을 이용하여 구함 (2점)
(1) [그림 3a]에서 밑면에서 평면 α까지의 높이를 h라 하면 h=x+a1이다. [그림 3b]의 안쪽 원의 반지름을 r이라 하면 h=Ar2+a1이므로, x=Ar2 즉, r=Ax이다. 바깥쪽 원의 반지름은 1이므로 S(x)=π−πr2=π−Aπx 이다. 또한 0≤r≤1 이므로 0≤x≤A 이다.구하는 물의 부피는 점 P 아래쪽 부분의 부피와 점 P 위쪽 부분의 부피의 합이므로πa1+∫0AS(x)dx=πa1+πA−2AπA2=πa1+2πA 이다.
4점 만점 · 물의 부피는 놀이기구가 정지했을 때와 회전할 때 같음을 이용함 (2점)
위의 관계를 이용하여 A를 구함 (2점)
(2) 놀이기구가 정지했을 때 물의 부피는 2π인데 회전할 때도 물통 안의 물의 부피는 이와 동일하므로 (1)의 결과에서 πa1+2πA=2π 이다.a1=2−123 로부터 A=4−2a1=4−2(2−123)=63 이다.
4점 만점 · 식을 이용해 수면의 높이를 r에 대해 미분한 도함수를 구함 (2점)
도함수 값을 이용하여 tanθ1 값과 각의 크기 θ1을 구함 (2점)
(3) 수면의 높이는 h=Ar2+a1 이므로 drdh=2Ar 이고 점 Q에서 (즉, r=1일 때) 접선의 기울기는 2A=33 이다. tan(6π)=33 이므로 θ1=6π = 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 x인 지면과 평행한 평면으로 자른 단면은 [그림 3b]의 안쪽원과 같이 반지름 Ax 인 원이다. 단면적은 Aπx이고 0≤x≤A이므로 구하는 부피는 ∫0AAπxdx=2πA=12π3 이다.
4점 만점 · 앞의 결과가 물컵의 수면에도 적용이 가능함을 이해하고, 거리의 최댓값을 구함 (4점)
(5) 물컵 안의 수면의 높이는 h=Ar2+a2 이므로 (3)에서와 같이 놀이기구 중심축과 거리 r인 점에서 기울기는 2Ar=3r 이다. 물컵의 중심에서 수면이 지표면과 이루는 각이 60° 이하라면 3r≤tan60°=3 이므로 구하는 최댓값은 r=3 (m) 이다.