수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 3번

오류 제보

문제

아래 논제에 답하시오. (25점)

오른쪽 그림과 같이 높이가 12인 용기가 있다. 이 용기를 밑면에 평행한 평면으로 자른 단면은 원이며, 밑면으로부터 높이가 x\displaystyle x인 지점에서 단면의 반지름 R(x)\displaystyle R(x)는 다음과 같이 주어져 있다.R(x)={8−x2+1(0≤x≤8)x−7(8≤x≤12)\displaystyle R(x)=\begin{cases}\sqrt{\frac{8-x}2+1}&(0\le x\le8)\\\sqrt{x-7}&(8\le x\le12)\end{cases}용기의 높이가 0≤x≤8\displaystyle 0\le x\le8인 부분과 8≤x≤12\displaystyle 8\le x\le12인 부분에는 각각 물과 기름이 가득 차 있다.

높이 12인 용기의 아래쪽에는 물, 위쪽에는 기름이 차 있는 그림

이제 용기의 바닥, 즉 높이 x=0\displaystyle x=0인 부분에 구멍을 뚫어 천천히 물을 용기 밖으로 내보낸다고 하자. 물을 내보냄에 따라 기름층도 아래로 이동하면서 기름층의 두께가 변하게 된다. (단, 기름층의 두께는 기름층의 윗면의 높이와 아랫면의 높이의 차이를 의미한다. 기름과 물은 항상 위와 아래로 분리되어 층을 이루며 기름층의 윗면과 아랫면은 항상 밑면과 평행하다고 가정하자.)

이때 기름층의 두께의 최댓값을 구하시오.

해설강의 준비중
+25점 · 주어진 기름의 부피로부터 기름층의 두께를 기름이 용기의 윗부분에서 차지하는 높이에 대한 함수로 나타낸 후 도함수 및 최댓값을 계산할 수 있다.

기름의 부피를 V\displaystyle V라고 하면V=∫812π(x−7)2 dx=∫812π(x−7) dx=π[12x2−7x]812=12π\displaystyle V=\int_8^{12}\pi(\sqrt{x-7})^2\,dx=\int_8^{12}\pi(x-7)\,dx=\pi\Biggl[\frac12x^2-7x\Biggr]_8^{12}=12\pi1) 기름층의 윗면의 높이가 8보다 크거나 같다고 하자. 0≤a≤4\displaystyle 0\le a\le4일 때 기름층의 윗면의 높이를 8+a\displaystyle 8+a, 아랫면의 높이를 8−b\displaystyle 8-b (b≥0\displaystyle b\ge0) 라고 하면12π=∫88+aπ(x−7)2 dx+∫8−b8π(8−x2+1)2 dx\displaystyle 12\pi=\int_8^{8+a}\pi(\sqrt{x-7})^2\,dx+\int_{8-b}^8\pi\left(\sqrt{\frac{8-x}2+1}\right)^2\,dxx−8=t\displaystyle x-8=t로 치환하여 계산하면12π=∫0aπ(t+1)2 dt+∫−b0π(−t2+1)2 dt=π[t22+t]0a+π[−t24+t]−b0=π(a22+a+b24+b)\displaystyle \begin{aligned}12\pi&=\int_0^a\pi(\sqrt{t+1})^2\,dt+\int_{-b}^0\pi\left(\sqrt{-\frac t2+1}\right)^2\,dt\\&=\pi\Biggl[\frac{t^2}2+t\Biggr]_0^a+\pi\Biggl[-\frac{t^2}4+t\Biggr]_{-b}^0\\&=\pi\left(\frac{a^2}2+a+\frac{b^2}4+b\right)\end{aligned}b2+4b+2a2+4a−48=0\displaystyle b^2+4b+2a^2+4a-48=0이고, b=−2±−2a2−4a+52\displaystyle b=-2\pm\sqrt{-2a^2-4a+52}인데 0≤a≤4\displaystyle 0\le a\le4일 때 −2a2−4a+52≥4\displaystyle -2a^2-4a+52\ge4이므로 b=−2+−2a2−4a+52\displaystyle b=-2+\sqrt{-2a^2-4a+52}일 때 b≥0\displaystyle b\ge0이 된다. 따라서b=−2+−2a2−4a+52\displaystyle b=-2+\sqrt{-2a^2-4a+52}그러므로 기름층의 윗면의 높이가 8+a\displaystyle 8+a (a≥0\displaystyle a\ge0)일 때 기름층의 두께는a+b=a−2+−2a2−4a+52\displaystyle a+b=a-2+\sqrt{-2a^2-4a+52}이때 기름층의 두께를 a\displaystyle a에 대한 함수 h(a)=a−2+−2a2−4a+52\displaystyle h(a)=a-2+\sqrt{-2a^2-4a+52} (0≤a≤4\displaystyle 0\le a\le4) 로 나타내면h′(a)=1−2a+2−2a2−4a+52\displaystyle h^{\prime}(a)=1-\frac{2a+2}{\sqrt{-2a^2-4a+52}}h′(a)=0\displaystyle h^{\prime}(a)=0이면 2a+2=−2a2−4a+52\displaystyle 2a+2=\sqrt{-2a^2-4a+52}, 4(a+1)2=−2a2−4a+52\displaystyle 4(a+1)^2=-2a^2-4a+52이때 a2+2a−8=(a+4)(a−2)=0\displaystyle a^2+2a-8=(a+4)(a-2)=0이고, 0≤a≤4\displaystyle 0\le a\le4이므로 h(a)\displaystyle h(a)는 a=2\displaystyle a=2에서 극값을 갖는다.0≤a≤4\displaystyle 0\le a\le4일 때 −2a2−4a+52≥0\displaystyle \sqrt{-2a^2-4a+52}\ge0이므로 함수 h(a)\displaystyle h(a)의 증감을 다음과 같이 표로 나타낼 수 있다.

aa00<a<20<a<222<a<42<a<44
h′(a)h^{\prime}(a) +0− 
h(a)h(a)−2+213-2+2\sqrt{13}↗6↘4

기름층의 윗면의 높이가 8일 때 기름층의 두께는 −2+52=−2+213\displaystyle -2+\sqrt{52}=-2+2\sqrt{13}이고 6보다 작다.2) 기름층의 윗면의 높이가 8보다 작으면 기름층이 아래로 이동할수록 용기의 단면적이 점점 커지게 되므로 기름층의 두께가 감소한다.1), 2)로부터 기름층의 두께의 최댓값은 6 이다.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.