수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중

[문제 2] 밀도(ρ\displaystyle \rho)가 상수이므로, 용기에 가득 담긴 물의 질량은M=0aρA(z)dz=ρ0aA(z)dz=2π3ρ(a32b3)\displaystyle M=\int_0^a\rho A(z)\,dz=\rho\int_0^a A(z)\,dz=\frac{2\pi}3\rho(a^3-2b^3)이다. 한편0azA(z)dz=02bzA(z)dz+2bazA(z)dz=02b2π(ab)z2dz+2baπ(2az2z3)dz=2πa0az2dz2πb02bz2dzπ2baz3dz=2π3a416π3b4π4a4+4πb4=5π12a44π3b4\displaystyle \begin{aligned}\int_0^a zA(z)\,dz&=\int_0^{2b}zA(z)\,dz+\int_{2b}^a zA(z)\,dz\\&=\int_0^{2b}2\pi(a-b)z^2\,dz+\int_{2b}^a\pi(2az^2-z^3)\,dz\\&=2\pi a\int_0^a z^2\,dz-2\pi b\int_0^{2b}z^2\,dz-\pi\int_{2b}^a z^3\,dz\\&=\frac{2\pi}3a^4-\frac{16\pi}3b^4-\frac\pi4a^4+4\pi b^4\\&=\frac{5\pi}{12}a^4-\frac{4\pi}3b^4\end{aligned}이므로 0aρzA(z)dz=ρπ12(5a416b4)\displaystyle \int_0^a\rho zA(z)\,dz=\rho\frac\pi{12}(5a^4-16b^4)이다. 따라서 질량중심의 z\displaystyle z좌표 zˉ\displaystyle \bar zzˉ=0aρzA(z)dz0aρA(z)dz=5a416b48(a32b3)\displaystyle \bar z=\frac{\int_0^a\rho zA(z)\,dz}{\int_0^a\rho A(z)\,dz}=\frac{5a^4-16b^4}{8(a^3-2b^3)}이다.

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