문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

적분의 활용 전체 문제

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2문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 2.1절 · 24번대학 수준우리말 번역

물이 새는 양동이가 우물에서 물 5 L를 담아 올리는데, 10초마다 1 L씩 물이 떨어져 나갑니다. 이 양동이를 2초에 1미터씩 일정한 속력으로 5미터 끌어올렸다면, 한 일의 양은 얼마인지 구하세요.

밧줄과 양동이의 질량은 무시할 수 있고 물 1리터의 질량은 1 kg이라고 가정하며, 중력가속도는 9.89.8 m/sec2^2을 사용하세요.

영어 원문 보기

A leaky bucket picks up 5 L of water from a well, but drips out 1 L every ten seconds. If the bucket was hauled up 5 metres at a constant speed of 1 metre every two seconds, how much work was done?

Assume the rope and bucket have negligible mass and one litre of water has 1 kg mass, and use 9.89.8 m/sec2^2 for the acceleration due to gravity.

답 쓰고 채점
J
정답·풀이 보기

먼저 끌어올린 시간을 끌어올린 길이로 바꾸어 보자. 밧줄을 yy 미터 끌어올렸을 때 2y2y 초가 지났으므로 양동이에서 15y\frac{1}{5}y 리터의 물이 새어 나갔고, 5−15y5-\frac{1}{5}y 리터가 남는다. (이는 15y≤5\frac{1}{5}y \leq 5 일 때만 의미가 있지만, 여기서는 yy 가 0에서 5까지인 경우만 생각하므로 문제가 되지 않는다. 즉, 더 이상 샐 물이 없는 빈 양동이를 끌어올리는 경우는 없다.)

밧줄을 yy 미터 끌어올렸을 때 양동이 속 물의 질량은 (5−15y)(5-\frac{1}{5}y) kg이므로, 물에 작용하는 중력은 9.8(5−15y)9.8(5-\frac{1}{5}y) N이다. 밧줄을 5미터 끌어올리므로 한 일의 양은 다음과 같다. W=∫059.8(5−15y) dy=9.8[5y−110y2]05=9.8[25−2.5]=220.5 JW = \int_0^5 9.8\left(5-\frac{1}{5}y\right) \,\mathrm{d}y = 9.8\left[5y-\frac{1}{10}y^2\right]_0^5 = 9.8\left[25-2.5\right]=220.5\text{ J}

원본 교재 풀이(영어)

Let's start by converting from time spent pulling to amount pulled. When yy metres of rope have been pulled up, 2y2y seconds have passed, so 15y\frac{1}{5}y litres of water have leaked out of the bucket, leaving 5−15y5-\frac{1}{5}y litres. (This only makes sense when 15y≤5\frac{1}{5}y \leq 5, but we only consider values of yy from 0 to 5, so it's not a problem. That is, we're never hauling up an empty bucket that can't leak any more.)

When we've pulled up yy metres of rope, the mass in the bucket is (5−15y)(5-\frac{1}{5}y) kg, so the force of gravity acting on it is 9.8(5−15y)9.8(5-\frac{1}{5}y) N. Since we pull up 5 metres of rope, the work done is: W=∫059.8(5−15y) dy=9.8[5y−110y2]05=9.8[25−2.5]=220.5 JW = \int_0^5 9.8\left(5-\frac{1}{5}y\right) \,\mathrm{d}y = 9.8\left[5y-\frac{1}{10}y^2\right]_0^5 = 9.8\left[25-2.5\right]=220.5\text{ J}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.1절 · 25번
# 일활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-2 · 2.3절 · 26번대학 수준우리말 번역

(a) y=exy = e^x, x=0x = 0, x=1x = 1, y=−1y = -1 로 둘러싸인 영역의 무게중심의 yy 좌표를 구하세요.

(b) (a)의 영역을 직선 y=−1y = -1 을 축으로 회전시켜 생기는 회전체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find the yy–coordinate of the centroid of the region bounded by y=exy = e^x, x=0x = 0, x=1x = 1, and y=−1y = -1.

(b) Calculate the volume of the solid generated by rotating the region from part (a) about the line y=−1y = -1.

정답·풀이 보기

(a) 다음은 주어진 영역의 그림이며, 이 영역을 RR 라 하자.

그림

RR 의 위쪽 경계는 방정식 y=T(x)=exy=T(x)=e^x 이고, 아래쪽 경계는 방정식 y=B(x)=−1y=B(x)=-1 이며 xx 는 00 에서 11 까지 변한다. 따라서 세로로 가느다란 띠를 이용하면 RR 의 넓이는 다음과 같다.

A=∫01[T(x)−B(x)] dx=∫01[ex−(−1)] dx=∫01[ex+1] dx=[ex+x]01=e\begin{aligned} A & = \int_0^1 \big[T(x)-B(x)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x-(-1)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x+1\big]\,\mathrm{d}x = \big[e^x+x\big]_0^1 = e \end{aligned}

그리고

yˉ=12A∫01[T(x)2−B(x)2] dx=12e∫01[e2x−1 ] dx=12e[e2x2−x]01=12e(e22−1−12)=e4−34e\begin{aligned} \bar y &=\frac{1}{2A} \int_0^1 \big[T(x)^2-B(x)^2\big]\,\mathrm{d}x \\ &= \frac{1}{2e}\int_0^1 \big[ e^{2x} - 1\ \big] \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2e} \bigg[\frac{e^{2x}}{2} - x \bigg]_0^1 \\ &=\frac{1}{2e} \bigg(\frac{e^2}{2} - 1 - \frac{1}{2} \bigg) = \frac{e}{4} - \frac{3}{4e} \end{aligned}

(b) RR 를 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시킬 때의 부피를 계산하기 위해

  • 위 그림과 같이 폭이 dx\mathrm{d}x 인 가느다란 세로 띠를 이용한다.

  • 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시키면 각 띠는 얇은 원판을 만들어 내며,

  • 이 원판의 반지름은 r=T(x)−B(x)=ex+1r=T(x)-B(x)=e^x+1 이고,

  • 두께는 dx\mathrm{d}x 이며, 따라서

  • 부피는 πr2 dx=π(ex+1)2 dx\pi r^2\,\mathrm{d}x = \pi(e^x+1)^2\,\mathrm{d}x 이다.

  • 가장 왼쪽 띠가 x=0x=0 에 있고 가장 오른쪽 띠가 x=1x=1 에 있으므로, 전체 부피는 다음과 같다.

π∫01(ex+1)2 dx=π∫01(e2x+2ex+1) dx=π[e2x2+2ex+x]01=π[(e22+2e+1)−(12+2+0)]=π(e22+2e−32)\begin{aligned} \pi \int_0^1 (e^x+1)^2\,\mathrm{d}x &=\pi \int_0^1 (e^{2x}+2e^x+1)\,\mathrm{d}x =\pi\bigg[\frac{e^{2x}}{2}+2e^x + x\bigg]_0^1 \\ &=\pi\bigg[\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e + 1\Big) -\Big(\frac{1}{2}+2 + 0\Big)\bigg] \\ &=\pi\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e -\frac{3}{2}\Big) \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Here is a sketch of the specified region, which we shall call RR.

figure

The top of RR has equation y=T(x)=exy=T(x)=e^x, the bottom has equation y=B(x)=−1y=B(x)=-1 and xx runs from 00 to 11. So, using vertical strips, we see that RR has area

A=∫01[T(x)−B(x)] dx=∫01[ex−(−1)] dx=∫01[ex+1] dx=[ex+x]01=e\begin{aligned} A & = \int_0^1 \big[T(x)-B(x)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x-(-1)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x+1\big]\,\mathrm{d}x = \big[e^x+x\big]_0^1 = e \end{aligned}

and

yˉ=12A∫01[T(x)2−B(x)2] dx=12e∫01[e2x−1 ] dx=12e[e2x2−x]01=12e(e22−1−12)=e4−34e\begin{aligned} \bar y &=\frac{1}{2A} \int_0^1 \big[T(x)^2-B(x)^2\big]\,\mathrm{d}x \\ &= \frac{1}{2e}\int_0^1 \big[ e^{2x} - 1\ \big] \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2e} \bigg[\frac{e^{2x}}{2} - x \bigg]_0^1 \\ &=\frac{1}{2e} \bigg(\frac{e^2}{2} - 1 - \frac{1}{2} \bigg) = \frac{e}{4} - \frac{3}{4e} \end{aligned}

(b) To compute the volume when RR is rotated about the line y=−1y=-1

  • we use thin vertical strips of width dx\mathrm{d}x as in the figure above.

  • When we rotate about the line y=−1y=-1, each strip sweeps out a thin disk

  • whose radius is r=T(x)−B(x)=ex+1r=T(x)-B(x)=e^x+1 and

  • whose thickness is dx\mathrm{d}x and hence

  • whose volume is πr2 dx=π(ex+1)2 dx\pi r^2\,\mathrm{d}x = \pi(e^x+1)^2\,\mathrm{d}x.

  • As our leftmost strip is at x=0x=0 and our rightmost strip is at x=1x=1, the total volume is

π∫01(ex+1)2 dx=π∫01(e2x+2ex+1) dx=π[e2x2+2ex+x]01=π[(e22+2e+1)−(12+2+0)]=π(e22+2e−32)\begin{aligned} \pi \int_0^1 (e^x+1)^2\,\mathrm{d}x &=\pi \int_0^1 (e^{2x}+2e^x+1)\,\mathrm{d}x =\pi\bigg[\frac{e^{2x}}{2}+2e^x + x\bigg]_0^1 \\ &=\pi\bigg[\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e + 1\Big) -\Big(\frac{1}{2}+2 + 0\Big)\bigg] \\ &=\pi\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e -\frac{3}{2}\Big) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 2번
# 밀도·질량과 질량중심활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)