숭실대 2023학년도 수시 자연계열 II 3번 · mathesis.kr/archive/ssu/2023su/jayeon2_3
문제
아래 논제에 답하시오. (25점)
오른쪽 그림과 같이 높이가 12인 용기가 있다. 이 용기를 밑면에 평행한 평면으로 자른 단면은 원이며, 밑면으로부터 높이가 인 지점에서 단면의 반지름 는 다음과 같이 주어져 있다.용기의 높이가 인 부분과 인 부분에는 각각 물과 기름이 가득 차 있다.

이제 용기의 바닥, 즉 높이 인 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.
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기름의 부피를 라고 하면1) 기름층의 윗면의 높이가 8보다 크거나 같다고 하자. 일 때 기름층의 윗면의 높이를 , 아랫면의 높이를 () 라고 하면로 치환하여 계산하면이고, 인데 일 때 이므로 일 때 이 된다. 따라서그러므로 기름층의 윗면의 높이가 ()일 때 기름층의 두께는이때 기름층의 두께를 에 대한 함수 () 로 나타내면이면 , 이때 이고, 이므로 는 에서 극값을 갖는다.일 때 이므로 함수 의 증감을 다음과 같이 표로 나타낼 수 있다.
| 0 | 2 | 4 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| + | 0 | − | |||
| ↗ | 6 | ↘ | 4 |
기름층의 윗면의 높이가 8일 때 기름층의 두께는 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.
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