수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (총34점)

다음 그림과 같은 항아리에 물을 가득 채운다고 하자. 이 항아리의 아랫부분은 반지름이 20 cm\displaystyle 20\,\mathrm{cm}인 구의 일부이고, 윗부분은 밑면의 반지름이 103 cm\displaystyle 10\sqrt3\,\mathrm{cm}이고 높이가 10 cm\displaystyle 10\,\mathrm{cm}인 원기둥으로 되어있다. (단, 항아리의 두께는 무시한다.)

구의 일부와 원기둥으로 이루어진 항아리

[1.1] 항아리의 높이를 구하시오. (5점)

[1.2] 항아리에 물을 부어서 물의 깊이가 h cm\displaystyle h\,\mathrm{cm}일 때, 항아리에 담긴 물의 부피를 구하시오. (12점)

[1.3] 항아리에 물을 일정한 속도로 부으면, 물의 깊이 h\displaystyle h는 시간 t\displaystyle t에 따라 변한다. 물의 깊이가 가장 천천히 증가하는 때는 h\displaystyle h가 얼마인지 예측하시오. (단답형) (4점)

[1.4] 항아리에 분당 300π cm3\displaystyle 300\pi\,\mathrm{cm}^3의 일정한 속도로 물을 부을 때, 문항 [1.3]의 예측이 맞는지 수식으로 설명하고 이때 시간 t\displaystyle t에 따른 h\displaystyle h의 증가율을 구하시오. (13점)

해설강의 준비중

[1.1] 아래 그림과 같은 단면에서

항아리의 단면과 원의 중심 O 및 점 A, B

원의 중심을 O\displaystyle O, 원과 직사각형이 만나는 점을 A\displaystyle A, 직사각형의 밑변의 중점을 B\displaystyle B라 하면 피타고라스 정리에 의하여OB2=OA2−AB2=400−300=100\displaystyle OB^2=OA^2-AB^2=400-300=100이므로 OB=10\displaystyle OB=10이다. 따라서 높이는 20+10+10=40 cm\displaystyle 20+10+10=40\,\mathrm{cm}이다.

[1.2] 수면은 항상 원이다. 먼저 0≤h≤30\displaystyle 0\leq h\leq30이라 하자. 0≤x≤h\displaystyle 0\leq x\leq h일 때 수면의 반지름을 r\displaystyle r이라 하면 수면의 넓이 S(x)\displaystyle S(x)는S(x)=πr2=π[202−(20−x)2]=π(40x−x2)\displaystyle S(x)=\pi r^2=\pi[20^2-(20-x)^2]=\pi(40x-x^2)이므로V=∫0hπ(40x−x2) dx=π(20h2−13h3)\displaystyle V=\int_0^h\pi(40x-x^2)\,dx=\pi\left(20h^2-\frac13h^3\right)이다. 다음으로 30≤h≤40\displaystyle 30\leq h\leq40이라 하자. 30≤x≤h\displaystyle 30\leq x\leq h일 때 수면의 넓이 S(x)\displaystyle S(x)는S(x)=(103)2π=300π\displaystyle S(x)=(10\sqrt3)^2\pi=300\pi이므로V(h)=V(30)+300π(h−30)=π(20×302−13×303)+300π(h−30)=300πh\displaystyle \begin{aligned}V(h)&=V(30)+300\pi(h-30)\\&=\pi\left(20\times30^2-\frac13\times30^3\right)+300\pi(h-30)=300\pi h\end{aligned}이다. 따라서V(h)={π(20h2−13h3)(0≤h<30)300πh(30≤h≤40)\displaystyle V(h)=\begin{cases}\pi\left(20h^2-\frac13h^3\right)&(0\leq h<30)\\300\pi h&(30\leq h\leq40)\end{cases}이다.

[1.3] h=20 cm\displaystyle h=20\,\mathrm{cm}일 때이다.

[1.4] 문항 [1.3]에서 구한 V(h)\displaystyle V(h)를 t\displaystyle t로 미분하면dVdt={π(40hdhdt−h2dhdt)(0<h<30)300πdhdt(30<h<40)\displaystyle \frac{dV}{dt}=\begin{cases}\pi\left(40h\frac{dh}{dt}-h^2\frac{dh}{dt}\right)&(0<h<30)\\300\pi\frac{dh}{dt}&(30<h<40)\end{cases}이다. 그런데 dVdt=300π\displaystyle \frac{dV}{dt}=300\pi이므로dhdt={30040h−h2(0<h<30)1(30<h<40)\displaystyle \frac{dh}{dt}=\begin{cases}\frac{300}{40h-h^2}&(0<h<30)\\1&(30<h<40)\end{cases}이다. 여기서 0<h<30\displaystyle 0<h<30일 때 40h−h2=−(h−20)2+400\displaystyle 40h-h^2=-(h-20)^2+400이므로 dhdt\displaystyle \frac{dh}{dt}의 최솟값은 h=20\displaystyle h=20일 때 34\displaystyle \frac34이고, 30<h<40\displaystyle 30<h<40일 때 dhdt\displaystyle \frac{dh}{dt}의 값은 1\displaystyle 1이다. 따라서 dhdt\displaystyle \frac{dh}{dt}의 최솟값은 h=20\displaystyle h=20일 때이고, 이때 h\displaystyle h의 증가율은 34 cm/분\displaystyle \frac34\,\mathrm{cm}/\text{분}이다.

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