수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

[문제 4]

(a) 원 x2+(y−r)2=r2\displaystyle x^{2} + \left( y - r \right)^{2} = r^{2}과 직선 y=h(0<h<2r)\displaystyle y = h \left( 0 < h < 2 r \right)로 둘러싸인 도형 중 아랫부분 도형을 y\displaystyle y축의 둘레로 회전시켜 생기는 회전체의 부피를 구하여라. (30점)

(b) 반지름의 길이가 8cm인 반구 모양의 용기에 반지름의 길이가 3cm인 쇠공 2개가 접하면서 놓여 있다. O1\displaystyle \mathrm{O}_{1}을 용기 반구의 중심, O2\displaystyle \mathrm{O}_{2}와 O3\displaystyle \mathrm{O}_{3}를 두 쇠공의 중심이라 하자. 세 중심을 포함하는 평면으로 잘랐을 때 생기는 용기 단면의 모양은 다음과 같다.

반지름 8cm인 반구 용기 안에서 서로 접하는 반지름 3cm의 두 쇠공

이 용기에 초당 21πcm3\displaystyle 21 \pi \mathrm{cm}^3의 일정한 비율로 물을 넣기 시작하여 채워진 물이 105πcm3\displaystyle 105 \pi \mathrm{cm}^3가 되는 순간의 수면 높이와 그 때 수면 높이의 속력을 구하여라. (70점)(단, 용기의 윗면과 O2O3‾\displaystyle \overline{O_{2} \mathrm{O}_{3}}는 바닥면과 평행하며, 물을 채울 때 쇠공은 움직이지 않는다.)

해설강의 준비중

(a)

x2+(y−r)2=r2\displaystyle x^2+(y-r)^2=r^2에서 x2=r2−(y−r)2=2ry−y2\displaystyle x^2=r^2-(y-r)^2=2ry-y^2이므로, 회전체의 부피 공식을 이용하면π∫0hx2 dy=π∫0h(2ry−y2) dy=π[ry2−13y3]0h=π(rh2−13h3)\displaystyle \pi\int_0^h x^2\,dy=\pi\int_0^h(2ry-y^2)\,dy=\pi\Biggl[ry^2-\frac13y^3\Biggr]_0^h=\pi\left(rh^2-\frac13h^3\right)

(b)

용기의 단면을 보면 작은 원 두 개가 서로 외접하고 동시에 큰 원에 내접하므로 삼각형 △O1O2O3\displaystyle \triangle \mathrm{O}_{1} \mathrm{O}_{2} \mathrm{O}_{3}는 밑변의 길이가 6cm, 빗변이 5cm인 이등변삼각형이다. 따라서 용기와 쇠공의 관계는 다음과 같다.

용기와 두 쇠공의 중심이 이루는 삼각형 및 바닥에서 1cm, 7cm 높이

용기 안의 물의 양은 105π\displaystyle 105 \pi이고 (a)번 결과에 의해서 높이 1일 때와 높이 7일 때의 용기의 부피는 각각23π3=π(8×12−13×13),617π3=π(8×72−13×73)−2π(3×62−13×63)\displaystyle \frac{{23 \pi}}{3} = \pi \left( 8 \times 1^{2} - \frac{{1}}{3} \times 1^{3} \right) , \frac{{617 \pi}}{3} = \pi \left( 8 \times 7^{2} - \frac{{1}}{3} \times 7^{3} \right) - 2 \pi \left( 3 \times 6^{2} - \frac{{1}}{3} \times 6^{3} \right)이다.

따라서 수면의 높이는 쇠공의 중간에 있고, 그 때의 높이를 h\displaystyle h라 하면 (a)로부터 부피는V=π(8h2−13h3)−2π{3(h−1)2−13(h−1)3}=π3(h3+42h−20)\displaystyle V = \pi \left( 8 h^{2} - \frac{{1}}{3} h^{3} \right) - 2 \pi \left\{ 3 \left( h - 1 \right)^{2} - \frac{{1}}{3} \left( h - 1 \right)^{3} \right\} = \frac{{\pi}}{3} \left( h^{3} + 42 h - 20 \right)이다.

따라서 채워진 물이 105π\displaystyle 105 \pi되는 순간, 수면의 높이는 방정식 105π=π3(h3+42h−20)\displaystyle 105 \pi = \frac{{\pi}}{3} \left( h^{3} + 42 h - 20 \right)의 해이므로 이것을 풀면h3+42h−335=(h−5)(h2+5h+67)=0\displaystyle h^{3} + 42 h - 335 = \left( h - 5 \right) \left( h^{2} + 5 h + 67 \right) = 0이고, h=5\displaystyle h = 5이다. 또한 V\displaystyle V의 식을 시간에 대해서 미분하면 dVdt=(πh2+14π)dhdt\displaystyle \frac{{d V}}{d t} = \left( \pi h^{2} + 14 \pi \right) \frac{{d h}}{d t}인데 dVdt=21π,h=5\displaystyle \frac{{d V}}{d t} = 21 \pi , h = 5이므로 수면 높이의 속력은 dhdt=713\displaystyle \frac{{d h}}{d t} = \frac{{7}}{13}이다.

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