수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중

(2-1) s\displaystyle s초 동안에 주입된 기름은 다음과 같다.0st1+t2dt=[12ln(1+t2)]0s=12ln(1+s2)\displaystyle \int_0^s\frac t{1+t^2}\,dt=\Biggl[\frac12\ln(1+t^2)\Biggr]_0^s=\frac12\ln(1+s^2)

(2-2) s\displaystyle s초 동안에 기름을 주입했더니 [그림 3]과 같이 탱크의 반이 채워지지 않았고, s\displaystyle s초 동안에 유입된 기름의 높이를 h\displaystyle h라 하자. 제시문 [나]에 의해 s\displaystyle s초 동안에 유입된 기름은 (20hyady)×L\displaystyle \left(2\int_0^h\sqrt{\frac ya}\,dy\right)\times L으로 주어진다. (2-1)의 결과를 이용하면2L0hyady=12ln(1+s2)\displaystyle 2L\int_0^h\sqrt{\frac ya}\,dy=\frac12\ln(1+s^2)이 성립한다. 좌변을 적분하면2L0hyady=2La0hy12dy=4L3ah32\displaystyle 2L\int_0^h\sqrt{\frac ya}\,dy=\frac{2L}{\sqrt a}\int_0^h y^{\frac12}\,dy=\frac{4L}{3\sqrt a}h^{\frac32}가 된다. 따라서 4L3ah32=12ln(1+s2)\displaystyle \frac{4L}{3\sqrt a}h^{\frac32}=\frac12\ln(1+s^2)이므로h=(3a8Lln(1+s2))23\displaystyle h=\left(\frac{3\sqrt a}{8L}\ln(1+s^2)\right)^{\frac23}이 된다.

(2-3) 높이가 2aA02\displaystyle 2aA_0^2이므로 이 높이의 23\displaystyle \frac234aA023\displaystyle \frac{4aA_0^2}3이 된다. 두 곡선이 y=aA02\displaystyle y=aA_0^2에 대해서 대칭이므로 구하는 부피는 전체 탱크의 부피에서 높이가 2aA023\displaystyle \frac{2aA_0^2}3까지의 부피를 빼면 된다. 우선 전체 탱크의 부피를 V0\displaystyle V_0라고 하면V0=4L0aA02yady=8L3a(aA02)32=83aLA03\displaystyle V_0=4L\int_0^{aA_0^2}\sqrt{\frac ya}\,dy=\frac{8L}{3\sqrt a}(aA_0^2)^{\frac32}=\frac83aLA_0^3이 된다. 높이가 2aA023\displaystyle \frac{2aA_0^2}3까지의 탱크의 부피 V1\displaystyle V_1V1=2L02aA023yady=4L3a(2aA023)32=8293aLA03\displaystyle V_1=2L\int_0^{\frac{2aA_0^2}3}\sqrt{\frac ya}\,dy=\frac{4L}{3\sqrt a}\left(\frac{2aA_0^2}3\right)^{\frac32}=\frac{8\sqrt2}{9\sqrt3}aLA_0^3이 된다. 따라서 구하려는 부피는V0V1=8aLA03382aLA0393=8aLA033(1233)=8aLA033(169)=8(96)27aLA03\displaystyle \begin{aligned}V_0-V_1&=\frac{8aLA_0^3}3-\frac{8\sqrt2aLA_0^3}{9\sqrt3}\\&=\frac{8aLA_0^3}3\left(1-\frac{\sqrt2}{3\sqrt3}\right)\\&=\frac{8aLA_0^3}3\left(1-\frac{\sqrt6}9\right)\\&=\frac{8(9-\sqrt6)}{27}aLA_0^3\end{aligned}이 된다.

평가 기준
삼각함수의 정의를 정확하게 이해하고 논제에서 요구한 계산을 올바르게 수행할 수 있는 능력
적분의 개념 및 응용을 정확하게 이해하고 기본적인 적분 관련 계산을 올바르게 수행할 수 있는 능력

첨삭 사례

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