다음 그림과 같은 항아리에 물을 가득 채운다고 하자. 이 항아리의 아랫부분은 반지름이 20cm인 구의 일부이고, 윗부분은 밑면의 반지름이 103cm이고 높이가 10cm인 원기둥으로 되어있다. (단, 항아리의 두께는 무시한다.)
[1.1] 항아리의 높이를 구하시오. (5점)
[1.2] 항아리에 물을 부어서 물의 깊이가 hcm일 때, 항아리에 담긴 물의 부피를 구하시오. (12점)
[1.3] 항아리에 물을 일정한 속도로 부으면, 물의 깊이 h는 시간 t에 따라 변한다. 물의 깊이가 가장 천천히 증가하는 때는 h가 얼마인지 예측하시오. (단답형) (4점)
[1.4] 항아리에 분당 300πcm3의 일정한 속도로 물을 부을 때, 문항 [1.3]의 예측이 맞는지 수식으로 설명하고 이때 시간 t에 따른 h의 증가율을 구하시오. (13점)
해설강의 준비중
서울과학기술대 2017학년도 수시 오후 자연계열 1번 · mathesis.kr/archive/seoultech/2017su_pm/jayeon_1
[1.1] 아래 그림과 같은 단면에서
원의 중심을 O, 원과 직사각형이 만나는 점을 A, 직사각형의 밑변의 중점을 B라 하면 피타고라스 정리에 의하여OB2=OA2−AB2=400−300=100이므로 OB=10이다. 따라서 높이는 20+10+10=40cm이다.
[1.2] 수면은 항상 원이다. 먼저 0≤h≤30이라 하자. 0≤x≤h일 때 수면의 반지름을 r이라 하면 수면의 넓이 S(x)는S(x)=πr2=π[202−(20−x)2]=π(40x−x2)이므로V=∫0hπ(40x−x2)dx=π(20h2−31h3)이다. 다음으로 30≤h≤40이라 하자. 30≤x≤h일 때 수면의 넓이 S(x)는S(x)=(103)2π=300π이므로V(h)=V(30)+300π(h−30)=π(20×302−31×303)+300π(h−30)=300πh이다. 따라서V(h)={π(20h2−31h3)300πh(0≤h<30)(30≤h≤40)이다.
[1.3] h=20cm일 때이다.
[1.4] 문항 [1.3]에서 구한 V(h)를 t로 미분하면dtdV={π(40hdtdh−h2dtdh)300πdtdh(0<h<30)(30<h<40)이다. 그런데 dtdV=300π이므로dtdh={40h−h23001(0<h<30)(30<h<40)이다. 여기서 0<h<30일 때 40h−h2=−(h−20)2+400이므로 dtdh의 최솟값은 h=20일 때 43이고, 30<h<40일 때 dtdh의 값은 1이다. 따라서 dtdh의 최솟값은 h=20일 때이고, 이때 h의 증가율은 43cm/분이다.