문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

적분의 활용 전체 문제

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32문제 · 2 / 2쪽

21.APEX · 7.3절 · 10번대학 수준우리말 번역

연습문제 9–12번에서는 직교좌표평면의 한 영역에 색이 칠해져 있다. 셸 방법을 이용하여, 이 영역을 xx축을 중심으로 회전시켜 만든 회전체의 부피를 구하세요.

그림

영어 원문 보기

In Exercises 9–12, a region of the Cartesian plane is shaded. Use the Shell Method to find the volume of the solid of revolution formed by revolving the region about the xx-axis.

figure

정답·풀이 보기

350π/3350\pi/3 단위3^3

원본 교재 풀이(영어)

350π/3350\pi/3 units3^3

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.3절 · 30번
# 원통 껍질법그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
22.APEX · 7.3절 · 11번대학 수준우리말 번역

9–12번 문제에서, 데카르트 좌표평면의 한 영역이 색칠되어 있습니다. 원통껍질법을 이용하여 이 영역을 xx축을 중심으로 회전시켜 만든 회전체의 부피를 구하세요.

그림

영어 원문 보기

In Exercises 9–12, a region of the Cartesian plane is shaded. Use the Shell Method to find the volume of the solid of revolution formed by revolving the region about the xx-axis.

figure

정답·풀이 보기

π2/4\pi^2/4 단위3^3

원본 교재 풀이(영어)

π2/4\pi^2/4 units3^3

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.3절 · 12번
# 원통 껍질법그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
23.CLP-2 · 2.1절 · 5번대학 수준우리말 번역

비행 전에 짐의 무게를 재려고 합니다. 저울이나 천칭은 없지만, 동네 공학 용품점에서 산 튼튼한 용수철이 있습니다. 이 용수철을 벽에 못으로 박아 고정하고, 용수철의 아래쪽 끝이 걸리는 위치를 표시합니다. 용수철에 1리터짜리 물주머니(질량 1킬로그램)를 매달았더니 용수철이 1 cm 늘어났습니다. 질량 10kg을 매달았을 때에 해당하는 용수철의 아래쪽 끝은 벽의 어느 위치에 표시해야 하는지 구하세요.

그림

용수철은 훅의 법칙을 따른다고 가정해도 됩니다.

영어 원문 보기

You want to weigh your luggage before a flight. You don't have a scale or balance, but you do have a heavy-duty spring from your local engineering-supply store. You nail it to your wall, marking where the bottom hangs. You hang a one-litre bag of water (with mass one kilogram) from the spring, and observe that the spring stretches 1 cm. Where on the wall should you mark the bottom of the spring corresponding to a hanging mass of 10kg?

figure

You may assume that the spring obeys Hooke's law.

정답·풀이 보기

훅의 법칙에 따르면 용수철을 원래 길이에서 xx 단위만큼 늘이는 데 필요한 힘은 xx 에 비례한다. 즉, 각 용수철마다 정해지는 어떤 상수 kk 가 있어서, 용수철을 원래 길이에서 xx m 만큼 늘이는 데 필요한 힘은 kxkx 이다.

  • 풀이 1: 용수철을 늘이는 데 필요한 힘은 늘어난 길이에 비례하고, 용수철에 작용하는 힘은 매달린 질량에 비례하므로, 용수철이 늘어나는 길이는 매단 질량에 비례한다고 결론지을 수 있다. 따라서 1 kg이 용수철을 1 cm 늘인다면 10 kg은 10 cm 늘일 것이다. 하중이 걸리지 않은 상태에서 …아래쪽 끝보다 10 cm 아래인 벽 위치에 표시를 해야 한다.
  • 풀이 2: 물주머니로 한 실험에서 kk 를 구할 수 있다. 물주머니가 가한 힘은 (1 kg)(9.8 m/sec2)=9.8(1\text{ kg})(9.8\text{ m/sec}^2) = 9.8 N=k(1 cm)=k(1 \text{ cm}) 이다. 따라서 k=9.8 kg⋅msec20.01 m=980kgsec2k = \frac{9.8~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}}{0.01\text{ m}} = 980 \frac{\text{kg}}{\text{sec}^2}

용수철에 10 kg을 매달면 중력이 (10 kg)(9.8 m/sec2)=98 kg⋅msec2(10 \text{ kg})(9.8 \text{ m/sec}^2) = 98~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2} 의 힘을 가한다. 이 힘은 용수철이 kxkx 뉴턴의 힘으로 맞서 균형을 이룬다. 여기서 kk 는 용수철 상수이고 xx 는 늘어난 길이이다.

kx=98 kg⋅msec2(980kgsec2)(x m)=98 kg⋅msec2x=110 m=10 cm\begin{aligned} kx&=98~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}\\ \left(980 \frac{\text{kg}}{\text{sec}^2}\right)\left(x\text{ m}\right)&=98~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}\\ x&=\frac{1}{10}\text{ m} = 10\text{ cm} \end{aligned}

따라서 용수철의 원래 길이에서 10 cm 아래에 표시를 해야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

Hooke's law says that the force required to stretch a spring xx units past its natural length is proportional to xx; that is, there is some constant kk associated with the individual spring such that the force required to stretch it xx m past its natural length is kxkx.

  • Solution 1: Since the force required to stretch the spring is proportional to the amount stretched, and the force acting on the spring is proportional to the mass hanging from it, we conclude the amount the spring stretches is proportional to the mass hung from it. So, if 1 kg stretches it 1 cm, then 10 kg will stretch it 10 cm. We should mark the wall 10 cm below the bottom of the spring as it hangs unloaded.
  • Solution 2: We can find kk from the test with the bag of water. The force exerted by the bag of water was (1 kg)(9.8 m/sec2)=9.8(1\text{ kg})(9.8\text{ m/sec}^2) = 9.8 N=k(1 cm)=k(1 \text{ cm}). So, k=9.8 kg⋅msec20.01 m=980kgsec2k = \frac{9.8~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}}{0.01\text{ m}} = 980 \frac{\text{kg}}{\text{sec}^2}

If we hang 10 kg from the spring, gravity exerts a force of (10 kg)(9.8 m/sec2)=98 kg⋅msec2(10 \text{ kg})(9.8 \text{ m/sec}^2) = 98~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}. This will be matched by the spring with a force of kxkx newtons, where kk is the spring constant and xx is the amount stretched.

kx=98 kg⋅msec2(980kgsec2)(x m)=98 kg⋅msec2x=110 m=10 cm\begin{aligned} kx&=98~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}\\ \left(980 \frac{\text{kg}}{\text{sec}^2}\right)\left(x\text{ m}\right)&=98~\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{sec}^2}\\ x&=\frac{1}{10}\text{ m} = 10\text{ cm} \end{aligned}

So, we should put the mark at 10 cm below the natural length of the spring.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 7.5절 · 21번
# 일그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
24.CLP-2 · 2.1절 · 20번대학 수준우리말 번역

일회용 종이컵이 반지름 5 cm, 높이 15 cm인 직원뿔 모양이고, 물이 가득 채워져 있습니다. 빨대로 원뿔 안의 물을 모두 빨아올릴 때 한 일은 얼마인지 구하세요.

그림

물 1 m3^3 의 질량은 1000 킬로그램이고, 중력 가속도는 −9.8-9.8 m/sec2^2 이며, 물은 컵의 맨 위까지만 올라가고 그보다 더 높이 올라가지는 않는다고 가정해도 됩니다.

영어 원문 보기

A disposable paper cup has the shape of a right circular cone with radius 5 cm and height 15 cm, and is completely filled with water. How much work is done sucking all the water out of the cone with a straw?

figure

You may assume that 1 m3^3 of water has mass 1000 kilograms, the acceleration due to gravity is −9.8-9.8 m/sec2^2, and that the water moves as high up as the very top of the cup and no higher.

답 쓰고 채점
J
정답·풀이 보기

수평인 얇은 물층 하나를 빨아올리는 경우를 생각하자. 물이 원뿔의 바닥에서 yy 미터 높이에 있으면, 0.15−y0.15-y 미터만큼 끌어올려야 한다. 따라서 그 질량이 mm kg 이면 그 물층에 작용하는 중력은 9.8m9.8m N 이고, 이를 원뿔의 맨 위까지 빨아올리는 데 드는 일은 9.8m(0.15−y)9.8m(0.15-y) J 이다. 그러므로 구해야 할 것은 원뿔의 바닥에서 yy 미터 높이에 있는 물층의 질량이다.

그림

그림

원뿔의 수평 단면은 원이다. 그 반지름을 구하기 위해 닮은 삼각형을 이용하면 ry=0.050.15\frac{r}{y} = \frac{0.05}{0.15} 이므로 r=13yr=\frac{1}{3}y 이다. 따라서 원뿔의 바닥에서 yy 미터 높이에 있는 단면의 넓이는 π(13y)2=π9y2\pi\left(\frac{1}{3}y\right)^2 = \frac{\pi}{9}y^2 m2^2 이다. 이 물층의 높이가 dy\mathrm{d}y 이면 부피는 π9y2 dy\frac{\pi}{9}y^2\,\mathrm{d}y m3^3 이고, 질량은 1000π9y2 dy1000\frac{\pi}{9}y^2\,\mathrm{d}y kg 이다.

이제 컵의 바닥에서 yy 미터 높이에 있는 물층을 빨아올리는 데 드는 일은 9.8(0.15−y)(1000π9y2 dy)9.8(0.15-y)\left(1000\frac{\pi}{9}y^2\,\mathrm{d}y\right) J 임을 알았다. 따라서 물을 모두 마시는 데 드는 일은 다음과 같다.

W=∫00.159.8(0.15−y)(1000π9y2) dy=9800π9∫00.15(0.15y2−y3) dy=9800π9[0.153y3−14y4]00.15=9800π9[0.05(0.15)3−14(0.15)4]≈0.144 J\begin{aligned} W&=\int_0^{0.15}9.8(0.15-y)\left(1000\frac{\pi}{9}y^2\right)\,\mathrm{d}y \\ &= \frac{9800\pi}{9}\int_0^{0.15}\big(0.15y^2-y^3\big)\,\mathrm{d}y\\ &= \frac{9800\pi}{9}\left[\frac{0.15}{3}y^3-\frac{1}{4}y^4 \right]_0^{0.15} \\&= \frac{9800\pi}{9}\left[{0.05} (0.15)^3-\frac{1}{4}(0.15)^4 \right]\\ &\approx 0.144\text{ J} \end{aligned}

물을 마시는 데에도 일이 필요하다. 삶은 고단하다.

원본 교재 풀이(영어)

Let's consider sucking up a flat, horizontal layer of water. If the water is yy metres above bottom of the cone, then it needs to be raised 0.15−y0.15-y metres. So, if its mass is mm kg, then the force of gravity acting on it is 9.8m9.8m N and the work involved in slurping it to the top of the cone is 9.8m(0.15−y)9.8m(0.15-y) J. So, what we need to find is the mass of a layer of water yy metres from the bottom of the cone.

figure

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A horizontal cross-section of the cone is a circle. To find its radius, we use similar triangles: ry=0.050.15\frac{r}{y} = \frac{0.05}{0.15}, so r=13yr=\frac{1}{3}y. Therefore, the area of the cross-section of the cone yy metres above its bottom is π(13y)2=π9y2\pi\left(\frac{1}{3}y\right)^2 = \frac{\pi}{9}y^2 m2^2. If this layer has height dy\mathrm{d}y, then its volume is π9y2 dy\frac{\pi}{9}y^2\,\mathrm{d}y m3^3, and its mass is 1000π9y2 dy1000\frac{\pi}{9}y^2\,\mathrm{d}y kg.

Now, we know that the work to suck up the layer of water yy metres from the bottom of the cup is 9.8(0.15−y)(1000π9y2 dy)9.8(0.15-y)\left(1000\frac{\pi}{9}y^2\,\mathrm{d}y\right) J. So, the work involved in drinking all the water is:

W=∫00.159.8(0.15−y)(1000π9y2) dy=9800π9∫00.15(0.15y2−y3) dy=9800π9[0.153y3−14y4]00.15=9800π9[0.05(0.15)3−14(0.15)4]≈0.144 J\begin{aligned} W&=\int_0^{0.15}9.8(0.15-y)\left(1000\frac{\pi}{9}y^2\right)\,\mathrm{d}y \\ &= \frac{9800\pi}{9}\int_0^{0.15}\big(0.15y^2-y^3\big)\,\mathrm{d}y\\ &= \frac{9800\pi}{9}\left[\frac{0.15}{3}y^3-\frac{1}{4}y^4 \right]_0^{0.15} \\&= \frac{9800\pi}{9}\left[{0.05} (0.15)^3-\frac{1}{4}(0.15)^4 \right]\\ &\approx 0.144\text{ J} \end{aligned}

Even drinking water takes work. Life is hard.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.1절 · 24번
# 일그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
25.CLP-2 · 2.1절 · 23번대학 수준우리말 번역

아래 그림과 같이, 직육면체 모양의 물탱크에는 밑면의 길이를 줄이거나 늘려서 수면의 높이를 올리거나 내릴 수 있는 플런저가 달려 있다. 이 탱크의 밑면의 너비는 1 m (변하지 않는다)이고, 3 m3^3의 물이 들어 있다.

그림

그림

플런저의 아주 작은 조각에 작용하는 물의 힘은 PAPA 이다. 여기서 PP 는 물의 압력이고, dA\mathrm{d}A 는 그 작은 조각의 넓이이다. 압력은 (수면 아래) 조각의 깊이에 따라 달라진다. 구체적으로 P=cDP=cD 이며, 여기서 DD 는 그 작은 조각의 깊이이고 cc 는 상수로, 이 경우 c=9800c=9800 N/m3^3 이다.

(a) 밑면의 길이가 3 m일 때, 플런저 전체에 작용하는 물의 힘을 구하세요. (적분으로 구할 수 있다. 플런저의 모든 작은 조각에 작용하는 힘의 합이다.) (b) 밑면의 길이가 xx m일 때, 플런저 전체에 작용하는 물의 힘을 구하세요. (c) 밑면의 길이가 3 m에서 1 m가 되도록 플런저를 안쪽으로 밀 때 필요한 일을 구하세요.

영어 원문 보기

A rectangular tank is fitted with a plunger that can raise and lower the water level by decreasing and increasing the length of its base, as in the diagrams below. The tank has base width 1 m (which does not change) and contains 3 m3^3 of water.

figure

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The force of the water acting on any tiny piece of the plunger is PAPA, where PP is the pressure of the water, and dA\mathrm{d}A is the area of the tiny piece. The pressure varies with the depth of the piece (below the surface of the water). Specifically, P=cDP=cD, where DD is the depth of the tiny piece and cc is a constant, in this case c=9800c=9800 N/m3^3.

(a) If the length of the base is 3 m, give the force of the water on the entire plunger. (You can do this with an integral: it's the sum of the force on all the tiny pieces of the plunger.) (b) If the length of the base is xx m, give the force of the water on the entire plunger. (c) Give the work required to move the plunger in so that the base length changes from 3 m to 1 m.

답 쓰고 채점
(a)
N
(b)
N
(c)
J
정답·풀이 보기

(a) 물의 힘은 깊이에 따라 달라지며, 깊이는 일정하지 않다. 따라서 깊이 yy 에 있는 플런저의 얇은 직사각형 조각을 생각하자. 이 조각의 높이는 dy\mathrm{d}y 이고 너비는 1 m (플런저 전체의 너비)이다. 이 직사각형의 넓이를 dA\mathrm{d}A 라 하자.

그림

이 직사각형의 넓이는 1dy1\mathrm{d}y m2^2 이므로, 이 조각에 작용하는 물의 힘은 F=P⋅dA=(9800 Nm3)⏟c(y m)⏟d(dy m2)⏟dA=9800y dyF=P\cdot\mathrm{d}A = \underbrace{\left(9800~\tfrac{\text{N}}{\text{m}^3}\right)}_c\underbrace{\left(y\text{ m}\right)}_d \underbrace{\left(\mathrm{d}y \text{ m}^2\right)}_{\mathrm{d}A} = 9800y\,\mathrm{d}y N 이다.

플런저 윗부분의 깊이는 y=0y=0 이다. 플런저 아랫부분의 깊이를 구하기 위해, 물의 부피가 3 m3^3 이고 밑면이 1 m × 3 m인 직육면체 용기에 담겨 있음에 주목하자. 따라서 물의 높이는 1 m 이다.

깊이 y=0y=0 부터 y=1y=1 까지 플런저 전체에 작용하는 힘은 다음과 같다. ∫019800y dy=[4900y2]01=4900 N\int_0^1 9800y\,\mathrm{d}y = \big[4900 y^2\big]_0^1 = 4900 \text{ N} (b) (a)의 풀이를 따라 하되, 밑면의 길이를 xx m 로 놓자.

여전히 플런저의 얇은 직사각형 조각의 너비는 1 m 이고 높이는 dy\mathrm{d}y m 이므로, 넓이는 dy\mathrm{d}y m2^2 이다. 깊이 yy 에서 이 조각이 물로부터 받는 힘은 9800y dy9800y\,\mathrm{d}y N 이다. 이것은 (a)와 달라지지 않았다.

이제 물의 깊이를 생각해 보자. 물의 부피는 3 m3^3 이고, 밑면이 1 m × xx m 인 직육면체 용기에 담겨 있다. 따라서 물의 깊이는 3/x3/x m 이다. 그러므로 플런저 전체에 작용하는 힘은 y=0y=0 부터 y=3/xy=3/x 까지 계산해야 한다. F(x)=∫03/x9800y dy=[4900y2]03/x=9x24900=44100x2 NF(x)=\int_0^{3/x} 9800y\,\mathrm{d}y = \big[4900 y^2\big]_0^{3/x} = \frac{9}{x^2}4900 = \frac{44100}{x^2}\text{ N}

이 답이 타당한지 확인해 보자. F(3)=4900F(3)=4900 N 이므로 (a)의 답과 일치한다. (c) 밑면의 길이가 xx 미터일 때 플런저에 작용하는 물의 힘이 F(x)F(x) 라면, 우리는 −F(x)-F(x) 의 힘으로 플런저를 밀게 된다. 그러면 우리가 구하려는 일은 다음과 같다.

W=∫31−F(x) dx=∫13F(x) dx F(x) 는 (b)에서 구한 것과 정확히 같다: F(x)=44100x2 N.W=∫13F(x) dx=∫1344100x2 dx=44100[−1x]13=44100⋅23=29 400 J\begin{aligned} W &= \int_3^1 -F(x)\,\mathrm{d}x = \int_1^3 F(x)\,\mathrm{d}x \\ \text{ $F(x)$ 는 (b)에서 구한 것과 정확히 같다: $F(x) = \frac{44100}{x^2}\text{ N}$.} \\ W&= \int_1^3 F(x)\,\mathrm{d}x = \int_1^3 \frac{44100}{x^2}\,\mathrm{d}x = 44100\left[-\frac{1}{x}\right]_1^3 = 44100\cdot \frac{2}{3} = 29\,400\text{ J} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The force of the depends on depth, which varies. So, consider a thin rectangle of the plunger at depth yy, with height dy\mathrm{d}y and width 1 m (the width of the entire plunger). Let the area of this rectangle be dA\mathrm{d}A.

figure

The area of this rectangle is 1dy1\mathrm{d}y m2^2, so the force of the water acting on it is F=P⋅dA=(9800 Nm3)⏟c(y m)⏟d(dy m2)⏟dA=9800y dyF=P\cdot\mathrm{d}A = \underbrace{\left(9800~\tfrac{\text{N}}{\text{m}^3}\right)}_c\underbrace{\left(y\text{ m}\right)}_d \underbrace{\left(\mathrm{d}y \text{ m}^2\right)}_{\mathrm{d}A} = 9800y\,\mathrm{d}y N.

The depth at the top of the plunger is y=0y=0. To find the depth at the bottom of the plunger, note that the water has a volume of 3 m3^3, and is in a rectangular container with base 1 m by 3 m. So, its height is 1 m.

The force over the entire plunger, from depth y=0y=0 to y=1y=1, is ∫019800y dy=[4900y2]01=4900 N\int_0^1 9800y\,\mathrm{d}y = \big[4900 y^2\big]_0^1 = 4900 \text{ N} (b) Let's follow our work from part (a), but with the width of the length of the base as xx m.

Still, a thin rectangle of plunger has width 1 m and height dy\mathrm{d}y m, so it has area dy\mathrm{d}y m2^2. At depth yy, it has a force from the water of 9800y dy9800y\,\mathrm{d}y N. This hasn't changed from (a).

Now, let's consider the depth of the water. The volume of water is 3 m3^3, and it is in a rectangular container with base 1 m by xx m. So, its depth is 3/x3/x m. Therefore, the force on the entire plunger must be calculated from y=0y=0 to y=3/xy=3/x. F(x)=∫03/x9800y dy=[4900y2]03/x=9x24900=44100x2 NF(x)=\int_0^{3/x} 9800y\,\mathrm{d}y = \big[4900 y^2\big]_0^{3/x} = \frac{9}{x^2}4900 = \frac{44100}{x^2}\text{ N}

Let's check that this answer makes sense: F(3)=4900F(3)=4900 N, which matches our answer from (a). (c) If the force of water acting on the plunger, when the length of the base is xx metres, is given by F(x)F(x), then we push the plunger with a force of −F(x)-F(x). Then the work we're looking for is

W=∫31−F(x) dx=∫13F(x) dx F(x) is exactly what we found in (b): F(x)=44100x2 N.W=∫13F(x) dx=∫1344100x2 dx=44100[−1x]13=44100⋅23=29 400 J\begin{aligned} W &= \int_3^1 -F(x)\,\mathrm{d}x = \int_1^3 F(x)\,\mathrm{d}x \\ \text{ $F(x)$ is exactly what we found in (b): $F(x) = \frac{44100}{x^2}\text{ N}$.} \\ W&= \int_1^3 F(x)\,\mathrm{d}x = \int_1^3 \frac{44100}{x^2}\,\mathrm{d}x = 44100\left[-\frac{1}{x}\right]_1^3 = 44100\cdot \frac{2}{3} = 29\,400\text{ J} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.1절 · 20번
# 일그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
26.CLP-2 · 2.1절 · 28번대학 수준우리말 번역

모래시계의 높이는 0.2 m이고, 수직 중심에서 위쪽이나 아래쪽으로 yy 미터 떨어진 곳의 반지름이 y2+0.01y^2+0.01 m가 되는 모양이다.

이 모래시계에는 모래가 정확히 절반만큼 차 있으며, 모래의 질량은 M=17M=\frac{1}{7} 킬로그램이다.

모래시계를 재빨리 뒤집을 때 모래에 해 준 일은 얼마인지 구하세요.

그림

그림

한 일은 중력을 거슬러 움직이는 데 든 것뿐이라고 가정하고, g=9.8g=9.8 m/sec2^2 이며 모래의 밀도는 균일하다고 하자. 또한 위 그림과 같이 모래시계를 뒤집는 순간에는 모래가 아직 떨어지기 시작하지 않았다고 가정하세요.

영어 원문 보기

An hourglass is 0.2 m tall and shaped such that that yy metres above or below its vertical centre it has a radius of y2+0.01y^2+0.01 m.

It is exactly half-full of sand, which has mass M=17M=\frac{1}{7} kilograms.

How much work is done on the sand by quickly flipping the hourglass over?

figure

figure

Assume that the work done is only moving against gravity, with g=9.8g=9.8 m/sec2^2, and the sand has uniform density. Also assume that at the instant the hourglass is flipped over, the sand has not yet begun to fall, as in the picture above.

정답·풀이 보기

한 일은 중력을 거스르는 일뿐이므로, 모래가 얼마나 높이 들어 올려졌는지만 알면 되고 어떻게 그곳에 도달했는지는 알 필요가 없다. 따라서 모래의 반원 모양 경로는 신경 쓰지 않아도 된다. 모래알 하나하나가 원래 위치에서 새 위치로 들어 올려졌다고 생각하면 된다.

모래시계의 수직 중심에서 yy 미터 아래에 있는 얇고 수평인 모래층을 생각하자.

  • 이 층의 나중 위치는 모래시계의 중심에서 yy 미터 위이다. 즉, 중력을 거슬러 2y2y 미터만큼 들어 올려졌다.
  • 이 층은 반지름이 y2+0.01y^2+0.01 이고 높이가 dy\mathrm{d}y 인 원기둥 모양이므로, 부피는 π(y2+0.01)2 dy\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y 세제곱미터이다.
  • 이 층의 질량을 구하려면 모래의 밀도를 알아야 한다. 모래시계 안 모래의 부피를 VV 라 하자. 질량 MM 은 주어져 있다. 그러면 π(y2+0.01)2 dy\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y 세제곱미터의 질량은 MVπ(y2+0.01)2 dy\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y 킬로그램이다.
  • 따라서 이 층에 작용하는 중력은 9.8MVπ(y2+0.01)2 dy9.8\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y N이며, 수직 아래 방향으로 작용한다.
  • 이 층을 나중 위치로 들어 올리려면 2y2y 미터의 거리에 걸쳐 중력을 상쇄하는 힘을 가해야 하므로, 한 일의 총량은 9.8MVπ(y2+0.01)22y dy9.8\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^22y\,\mathrm{d}y J이다.
  • 모래시계의 높이가 0.20.2 m이고 정확히 절반이 모래로 차 있으므로, 맨 위 모래층은 모래시계의 수직 중심에 정확히 놓이고, 맨 아래 모래층은 그 아래 0.1 미터에 있다.

VV 는 모래시계 안 모래의 부피이고 MM 은 그 질량이므로(M=17M =\frac{1}{7} kg 이 주어져 있다), 모래 전체를 뒤집는 데 한 일의 총량은 다음과 같다.

W=∫00.19.8MVπ(y2+0.01)22y dy=19.6MπV∫00.1(y5+0.02y3+0.0001y) dy=19.6MπV∫01/10(y5+2102y3+1104y) dy=19.6MπV[16y6+12⋅102y4+12⋅104y2]01/10=19.6MπV[(16⋅106+12⋅106+12⋅106)−0]=19.6MπV[76⋅106](∗)\begin{aligned} W &= \int_0^{0.1} 9.8\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^22y\,\mathrm{d}y = \frac{19.6M\pi}{V}\int_0^{0.1}\big(y^5+0.02y^3+0.0001y\big)\,\mathrm{d}y\\ &= \frac{19.6M\pi}{V}\int_0^{1/10}\left(y^5+\frac{2}{10^2}y^3+\frac{1}{10^4}y\right)\,\mathrm{d}y = \frac{19.6M\pi}{V}\left[\frac{1}{6}y^6+\frac{1}{2\cdot10^2}y^4+\frac{1}{2\cdot 10^4}y^2\right]_0^{1/10}\\ &= \frac{19.6M\pi}{V}\left[\left(\frac{1}{6\cdot 10^6}+\frac{1}{2\cdot10^6}+\frac{1}{2\cdot 10^6}\right) - 0\right]\\ &= \frac{19.6M\pi}{V}\left[\frac{7}{6\cdot 10^6}\right]\tag{$*$} \end{aligned}

이제 모래시계 안 모래의 부피 VV 를 구해야 한다. 모래는 회전체 모양이다. 1.6절에서 이러한 입체의 부피는 얇은 원판으로 잘라서 구할 수 있음을 배웠다.

그림

위 그림에서는 우리가 입체를 설명해 온 방식에 맞게 축을 잡았다. 00 은 모래시계의 수직 중심이며 모래의 윗면이 있는 곳이고, 모래의 바닥은 0에서 0.10.1 미터 떨어져 있다.

이 입체의 부피를 구하기 위해 수평인 원판으로 자른다. 모래시계의 중심에서 xx 미터 떨어진 원판은 반지름이 x2+0.01x^2+0.01 이고 두께가 dx\mathrm{d}x 이므로 부피는 π(x2+0.01)2 dx\pi(x^2+0.01)^2\,\mathrm{d}x 이다. 입체 전체의 부피, 즉 모래의 부피는 다음과 같다.

V=∫00.1π(x2+0.01)2 dx=π∫00.1(x4+0.02x2+0.0001) dx=π[15x5+23×102x3+1104x]00.1=π[(15×105+23×105+1105)−0]=28π15×105=28π1.5×106\begin{aligned}V &= \int_0^{0.1}\pi(x^2+0.01)^2\,\mathrm{d}x = \pi\int_0^{0.1}(x^4+0.02x^2+0.0001)\,\mathrm{d}x\\ &= \pi\left[\frac{1}{5}x^5+\frac{2}{ 3\times10^2}x^3+\frac{1}{10^4}x\right]_0^{0.1} \\&= \pi\left[\left(\frac{1}{5\times 10^5}+\frac{2}{3\times 10^5}+\frac{1}{10^5}\right)-0\right] \\&= \frac{28\pi}{15\times 10^5}= \frac{28\pi}{1.5\times 10^6} \end{aligned}

따라서 모래시계 안 모래의 부피는 V=28π1.5×106V=\frac{28\pi}{1.5\times 10^6} 세제곱미터이다.

(∗*)를 이용하면 모래시계를 재빨리 뒤집는 데 한 일의 총량을 구할 수 있다.

W=19.6MπV[76⋅106]=19.6×17π28π1.5×106[76⋅106]=19.6×1.528×6=29.4168=740=0.175 J\begin{aligned} W&=\frac{19.6M\pi}{V}\left[\frac{7}{6\cdot 10^6} \right]\\ &=\frac{19.6 \times \frac{1}{7} \pi}{\frac{28\pi}{1.5\times 10^6}}\left[\frac{7}{6\cdot 10^6} \right] \\&=\frac{19.6 \times 1.5 }{28 \times 6} = \frac{29.4}{168} =\frac{7}{40}= 0.175 \text{ J} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Since the only work done is against the force of gravity, we only need to know how high the sand was lifted, not how it got there. So, we don't really need to worry about its semicircular path: we can imagine that every grain of sand was lifted from its old position to its new position.

Consider a thin, horizontal layer of sand in the hourglass, yy metres below the vertical centre of the hourglass.

  • Its final position is yy metres above the centre of the hourglass. That is, it was lifted 2y2y metres against the force of gravity.
  • The layer is shaped like a circle with radius y2+0.01y^2+0.01 and height dy\mathrm{d}y, so its volume is π(y2+0.01)2 dy\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y cubic metres.
  • To find the mass of the layer, we need to know the density of the sand. Let the volume of sand in the hourglass be VV. We are given its mass MM. Then π(y2+0.01)2 dy\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y cubic metres has a mass of MVπ(y2+0.01)2 dy\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y kilograms.
  • So, the force of gravity acting on the layer is 9.8MVπ(y2+0.01)2 dy9.8\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^2\,\mathrm{d}y N, acting vertically downwards.
  • To lift the layer to its final position, we apply a compensating force over a distance of 2y2y metres, for a total work of 9.8MVπ(y2+0.01)22y dy9.8\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^22y\,\mathrm{d}y J.
  • Since the hourglass has height 0.20.2 m, and exactly half of it is filled with sand, the top layer of sand is exactly at the vertical centre of the hourglass, and the bottom layer of sand is 0.1 metres below.

Using VV is the volume of sand in the hourglass, and MM is its mass (we're given M=17M =\frac{1}{7} kg) then the total work flipping all the sand is:

W=∫00.19.8MVπ(y2+0.01)22y dy=19.6MπV∫00.1(y5+0.02y3+0.0001y) dy=19.6MπV∫01/10(y5+2102y3+1104y) dy=19.6MπV[16y6+12⋅102y4+12⋅104y2]01/10=19.6MπV[(16⋅106+12⋅106+12⋅106)−0]=19.6MπV[76⋅106](∗)\begin{aligned} W &= \int_0^{0.1} 9.8\frac{M}{V}\pi\left(y^2+0.01\right)^22y\,\mathrm{d}y = \frac{19.6M\pi}{V}\int_0^{0.1}\big(y^5+0.02y^3+0.0001y\big)\,\mathrm{d}y\\ &= \frac{19.6M\pi}{V}\int_0^{1/10}\left(y^5+\frac{2}{10^2}y^3+\frac{1}{10^4}y\right)\,\mathrm{d}y = \frac{19.6M\pi}{V}\left[\frac{1}{6}y^6+\frac{1}{2\cdot10^2}y^4+\frac{1}{2\cdot 10^4}y^2\right]_0^{1/10}\\ &= \frac{19.6M\pi}{V}\left[\left(\frac{1}{6\cdot 10^6}+\frac{1}{2\cdot10^6}+\frac{1}{2\cdot 10^6}\right) - 0\right]\\ &= \frac{19.6M\pi}{V}\left[\frac{7}{6\cdot 10^6}\right]\tag{$*$} \end{aligned}

It remains to find VV: the volume of sand in the hourglass. We know the sand is in the shape of a solid of rotation. Recall from Section 1.6 that we can find the volume of such shapes by slicing them into thin disks.

figure

In the picture above, we've used an axis that matches the way we've been describing our solid: 00 is the vertical centre of the hourglass, which is where the top of the sand is, and the bottom of the sand is 0.10.1 metres from 0.

To find the volume of this solid, we slice it into horizontal disks. The disk that is xx metres from the centre of the hourglass has radius x2+0.01x^2+0.01 and thickness dx\mathrm{d}x, so it has volume π(x2+0.01)2 dx\pi(x^2+0.01)^2\,\mathrm{d}x. The volume of the entire solid, i.e. the volume of the sand, is:

V=∫00.1π(x2+0.01)2 dx=π∫00.1(x4+0.02x2+0.0001) dx=π[15x5+23×102x3+1104x]00.1=π[(15×105+23×105+1105)−0]=28π15×105=28π1.5×106\begin{aligned}V &= \int_0^{0.1}\pi(x^2+0.01)^2\,\mathrm{d}x = \pi\int_0^{0.1}(x^4+0.02x^2+0.0001)\,\mathrm{d}x\\ &= \pi\left[\frac{1}{5}x^5+\frac{2}{ 3\times10^2}x^3+\frac{1}{10^4}x\right]_0^{0.1} \\&= \pi\left[\left(\frac{1}{5\times 10^5}+\frac{2}{3\times 10^5}+\frac{1}{10^5}\right)-0\right] \\&= \frac{28\pi}{15\times 10^5}= \frac{28\pi}{1.5\times 10^6} \end{aligned}

So, the volume of sand in the hourglass is V=28π1.5×106V=\frac{28\pi}{1.5\times 10^6} cubic metres.

Using (∗*), we can find the total work done quickly flipping the hourglass.

W=19.6MπV[76⋅106]=19.6×17π28π1.5×106[76⋅106]=19.6×1.528×6=29.4168=740=0.175 J\begin{aligned} W&=\frac{19.6M\pi}{V}\left[\frac{7}{6\cdot 10^6} \right]\\ &=\frac{19.6 \times \frac{1}{7} \pi}{\frac{28\pi}{1.5\times 10^6}}\left[\frac{7}{6\cdot 10^6} \right] \\&=\frac{19.6 \times 1.5 }{28 \times 6} = \frac{29.4}{168} =\frac{7}{40}= 0.175 \text{ J} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.1절 · 23번
# 일그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
27.CLP-2 · 2.2절 · 4번대학 수준우리말 번역

함수 f(x)f(x) 의 구간 [a,b][a,b] 에서의 평균값을 어림하려고 한다. 이를 위해 구간 [a,b][a,b] 를 nn 개의 조각으로 자르고, aa 에서 시작하여 각 조각의 왼쪽 끝점에서 함수의 출력값을 구함으로써 nn 개의 표본을 얻는다. 그런 다음 이 nn 개의 표본의 평균을 구한다. (아래 예에서는 n=4n=4 이다.)

그림

(a) nn 개의 표본을 사용할 때, 이웃한 두 표본점 xix_i 와 xi+1x_{i+1} 사이의 거리를 구하세요. (b) n≥4n \geq 4 라고 할 때, 네 번째 표본의 xx 좌표를 구하세요. (c) n≥4n \geq 4 라고 할 때, 네 번째 표본의 yy 값을 구하세요. (d) 구간 [a,b][a,b] 에서 f(x)f(x) 의 평균값의 어림값을 시그마 기호를 사용하여 나타내세요.

영어 원문 보기

Suppose we want to approximate the average value of the function f(x)f(x) on the interval [a,b][a,b]. To do this, we cut the interval [a,b][a,b] into nn pieces, then take nn samples by finding the function's output at the left endpoint of each piece, starting with aa. Then, we average those nn samples. (In the example below, n=4n=4.)

figure

(a) Using nn samples, what is the distance between two consecutive sample points xix_i and xi+1x_{i+1}? (b) Assuming n≥4n \geq 4, what is the xx-coordinate of the fourth sample? (c) Assuming n≥4n \geq 4, what is the yy-value of the fourth sample? (d) Write the approximation of the average value of f(x)f(x) over the interval [a,b][a,b] using sigma notation.

정답·풀이 보기

(a) 전체 구간의 길이는 b−ab-a 이고 이를 nn 개의 조각으로 자르므로, 한 조각의 길이(따라서 이웃한 두 표본 사이의 거리)는 b−an\frac{b-a}{n} 이다. (b) 문제에서 주어진 대로 첫 번째 표본은 x=ax=a 에서 얻는다. 그러면 두 번째 표본은 x=a+b−anx=a+\frac{b-a}{n} 에서, 세 번째 표본은 x=1+2b−anx=1+2\frac{b-a}{n} 에서, 네 번째 표본은 a+3b−ana+3\frac{b-a}{n} 에서 얻는다. (c) 네 번째 표본의 yy 값은 간단히 f(a+3b−an)f\left(a+3\frac{b-a}{n}\right) 이다. 평균을 구할 때 사용하는 값은 xx 값이 아니라 이 값임에 주의한다. (d) 표본은 f(a)f(a), f(a+b−an)f\left(a+\frac{b-a}{n}\right), f(a+2b−an)f\left(a+2\frac{b-a}{n}\right), f(a+3b−an)f\left(a+3\frac{b-a}{n}\right), ... 이다. 표본이 nn 개이므로 이들의 합을 nn 으로 나눈다. 따라서 평균은 다음과 같다.

 f(a)+f(a+b−an)+f(a+2b−an)+⋯+f(a+(n−1)b−an)n=1n[f(a)+f(a+b−an)f(a+2b−an)+⋯+f(a+(n−1)b−an)]=1n∑i=1nf(a+(i−1)b−an)참고: b−a 를 곱하고 나누면, 이 식은 왼쪽 리만 합을 구간의 길이로 나눈 것과 같음을 알 수 있다.=1b−a∑i=1nf(a+(i−1)b−an)b−an=1b−a∑i=1nf(a+(i−1)Δx)Δx\begin{aligned} &~\frac{f(a)+f\left(a+\frac{b-a}{n}\right)+ f\left(a+2\frac{b-a}{n}\right)+\cdots + f\left(a+(n-1)\frac{b-a}{n}\right)}{n}\\ &=\frac{1}{n}\left[f(a)+f\left(a+\frac{b-a}{n}\right)f\left(a+2\frac{b-a}{n}\right)+\cdots + f\left(a+(n-1)\frac{b-a}{n}\right)\right]\\ &= \frac{1}{n}\sum_{i=1}^nf\left(a+(i-1)\frac{b-a}{n}\right) \\ \text{참고: $b-a$ 를 곱하고 나누면, 이 식은 왼쪽 리만 합을 구간의 길이로 나눈 것과 같음을 알 수 있다.} \\ &= \frac{1}{b-a}\sum_{i=1}^nf\left(a+(i-1)\frac{b-a}{n}\right)\frac{b-a}{n}\\ &= \frac{1}{b-a}\sum_{i=1}^nf\left(a+(i-1)\Delta x\right)\Delta x \end{aligned}

nn 이 점점 커지면, 정적분의 정의에 따라 이 식은 1b−a∫abf(x) dx\frac{1}{b-a}\int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x 에 점점 가까워진다. 이것은 구간에서 함수의 평균값을 이렇게 정의하는 것이 타당함을 보이는 한 가지 방법이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The entire interval has length b−ab-a, and we're cutting it into nn pieces, so the length of one piece (and hence the distance between two consecutive samples) is b−an\frac{b-a}{n}. (b) The first sample, as given in the question statement, is taken at x=ax=a. The second sample, then, is at x=a+b−anx=a+\frac{b-a}{n}, this third is at x=1+2b−anx=1+2\frac{b-a}{n}, and the fourth is at a+3b−ana+3\frac{b-a}{n}. (c) The yy-value of the fourth sample is simply f(a+3b−an)f\left(a+3\frac{b-a}{n}\right). Note this is the number we use in our average, not the xx-value. (d) Our samples are f(a)f(a), f(a+b−an)f\left(a+\frac{b-a}{n}\right), f(a+2b−an)f\left(a+2\frac{b-a}{n}\right), f(a+3b−an)f\left(a+3\frac{b-a}{n}\right), etc. Since there are nn of them, we divide their sum by nn. So, the average is:

 f(a)+f(a+b−an)+f(a+2b−an)+⋯+f(a+(n−1)b−an)n=1n[f(a)+f(a+b−an)f(a+2b−an)+⋯+f(a+(n−1)b−an)]=1n∑i=1nf(a+(i−1)b−an)Remark: if we multiply and divide by b−a, we see this expression is equivalent to a left Riemann sum, divided by the length of our interval.=1b−a∑i=1nf(a+(i−1)b−an)b−an=1b−a∑i=1nf(a+(i−1)Δx)Δx\begin{aligned} &~\frac{f(a)+f\left(a+\frac{b-a}{n}\right)+ f\left(a+2\frac{b-a}{n}\right)+\cdots + f\left(a+(n-1)\frac{b-a}{n}\right)}{n}\\ &=\frac{1}{n}\left[f(a)+f\left(a+\frac{b-a}{n}\right)f\left(a+2\frac{b-a}{n}\right)+\cdots + f\left(a+(n-1)\frac{b-a}{n}\right)\right]\\ &= \frac{1}{n}\sum_{i=1}^nf\left(a+(i-1)\frac{b-a}{n}\right) \\ \text{Remark: if we multiply and divide by $b-a$, we see this expression is equivalent to a left Riemann sum, divided by the length of our interval.} \\ &= \frac{1}{b-a}\sum_{i=1}^nf\left(a+(i-1)\frac{b-a}{n}\right)\frac{b-a}{n}\\ &= \frac{1}{b-a}\sum_{i=1}^nf\left(a+(i-1)\Delta x\right)\Delta x \end{aligned}

As nn gets larger and larger, using the definition of a definite integral, this expression gets closer and closer to 1b−a∫abf(x) dx\frac{1}{b-a}\int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x. This is one way of justifying our definition of an average of a function on an interval.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.2절 · 13번
# 함수의 평균값그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
28.CLP-2 · 2.3절 · 1번대학 수준우리말 번역

대칭성을 이용하여 두 곡선 y=(x−1)2y=(x-1)^2 과 y=−x2+2x+1y=-x^2+2x+1 사이에 있는 유한한 영역의 무게중심을 구하세요.

그림

영어 원문 보기

Using symmetry, find the centroid of the finite region between the curves y=(x−1)2y=(x-1)^2 and y=−x2+2x+1y=-x^2+2x+1.

figure

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

−x2+2x+1=2−(x−1)2-x^2+2x+1 = 2-(x-1)^2 임에 주목한다. 따라서 두 포물선은 모두 직선 x=1x=1 에 대해 대칭이므로, 무게중심의 xx 좌표는 x=1x=1 이다.

그림

두 포물선은 다음과 같을 때 만난다.

(x−1)2=2−(x−1)22(x−1)2=2∣x−1∣=1x=0,x=2\begin{aligned} (x-1)^2&=2-(x-1)^2\\ 2(x-1)^2&=2\\ |x-1|&=1\\ x=0,\quad x&=2 \end{aligned}

이 두 점에서 모두 y=1y=1 이므로 이 도형은 직선 y=1y=1 에 대해 대칭이다. 그러면 무게중심의 yy 좌표는 11 이다.

그림

따라서 무게중심은 (1,1)(1,1) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Note −x2+2x+1=2−(x−1)2-x^2+2x+1 = 2-(x-1)^2. So, both parabolas are symmetric about the line x=1x=1, and the xx-coordinate of the centroid is x=1x=1.

figure

The parabolas meet when:

(x−1)2=2−(x−1)22(x−1)2=2∣x−1∣=1x=0,x=2\begin{aligned} (x-1)^2&=2-(x-1)^2\\ 2(x-1)^2&=2\\ |x-1|&=1\\ x=0,\quad x&=2 \end{aligned}

At both these points, y=1y=1, so we see the figure is symmetric about the line y=1y=1. Then the yy-coordinate of the centroid is 11.

figure

Therefore, the centroid is at (1,1)(1,1).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 6번
# 밀도·질량과 질량중심그래프·표 해석기본자동 분류
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29.CLP-2 · 2.3절 · 2번대학 수준우리말 번역

대칭성을 이용하여, 원점을 중심으로 하는 단위원의 내부이면서 역시 원점을 중심으로 하는 가로 1, 세로 0.5인 직사각형의 외부에 있는 영역의 무게중심을 구하세요.

그림

영어 원문 보기

Using symmetry, find the centroid of the region inside the unit circle, centred on the origin, and outside a rectangle, also centred on the origin, with width 1 and height 0.5.

figure

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

원과 잘라 낸 직사각형은 xx 축에 대해서도, yy 축에 대해서도 대칭이므로 무게중심은 원점이다.

참고: 영역의 무게중심이 반드시 그 영역에 속하는 점일 필요는 없다!

원본 교재 풀이(영어)

The circle and the cut-out rectangle are symmetric about the xx-axis, and about the yy-axis, so the centroid is the origin.

Remark: the centroid of a region doesn't have to be a point in the region!

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 1번
# 밀도·질량과 질량중심그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
30.CLP-2 · 2.3절 · 5번대학 수준우리말 번역

아래 각 그림에 대해, 질량중심이 직선 x=ax=a 의 왼쪽에 있는지, 오른쪽에 있는지, 직선 위에 있는지, 아니면 알 수 있는 정보가 충분하지 않은지 판단하세요. 영역의 음영은 밀도를 나타내며, 더 어두운 음영은 더 밀도가 높은 부분에 해당합니다. (d)에서 오른쪽에 있는 B×AB\times A 직사각형의 오른쪽 변은 x=2ax=2a 위에 있습니다.

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영어 원문 보기

For each picture below, determine whether the centre of mass is to the left of, to the right of, or along the line x=ax=a, or whether there is not enough information to tell. The shading of a region indicates density: darker shading corresponds to a denser area. In part (d), the right hand side of the right hand B×AB\times A rectangle has x=2ax=2a.

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정답·풀이 보기

(a) 이 도형을 직선 x=ax=a 에 맞춰 세운 연필 위에 올려놓는다면, 도형이 왼쪽으로 쓰러질 것이 분명해 보인다. 따라서 질량중심은 직선 x=ax=a 의 왼쪽에 있다. (b)도 마찬가지이다. 왼쪽의 밀도가 더 높아서 한쪽으로 더 치우쳐 있기 때문이다. 그러나 (c)에서는 오른쪽이 왼쪽보다 밀도가 높아서 왼쪽을 상쇄할 수 있다. 치수와 밀도에 대해 더 많은 정보가 없으면 질량중심이 직선 x=ax=a 에 대해 어디에 있는지 알 수 없다.

(d) 도형 안의 점 (x,y)(x,y) 중 b≤x≤cb\le x\le c 인 모든 점으로 이루어진 도형의 한 부분과, 직선 x=ax=a 의 반대편에 있는 그 “거울상" 부분을 생각하자. 아래 그림에 빨간색으로 그려진 이 두 부분은 넓이가 같고 x=ax=a 로부터의 거리도 같다. 질량중심의 xx 좌표만 관심이 있으므로, 두 부분의 yy 좌표가 서로 다르다는 것은 문제가 되지 않는다. 질량중심은 직선 x=ax=a 위에 있다.

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(e) (d)에서와 같이 직선 x=ax=a 의 왼쪽과 오른쪽의 넓이는 같다. 그러나 오른쪽의 넓이는 더 “늘어져" 있어서 직선 x=ax=a 로부터 더 멀리 떨어진 공간을 차지한다. 따라서 질량중심은 직선 x=ax=a 의 오른쪽에 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If we were to set this figure on a pencil lined up along the vertical line x=ax=a, it seems pretty clear that it would fall to the left. So, the centre of mass is to the left of the line x=ax=a. The same is true in (b): the added density on the left makes it only more lopsided. However, in (c), the right side is denser than the left, which could counterbalance the left. Without knowing more about the dimensions and the density, we can't say where the centre of mass is in relation to the line x=ax=a.

(d) Consider a section of the figure, consisting of all points (x,y)(x,y) in the figure with b≤x≤cb\le x\le c, and its “mirror" section on the other side of the line x=ax=a. These two sections, which are drawn in red in the sketches below, will have the same area, at the same distance from x=ax=a. Since we only care about the xx-coordinate of the centre of mass, it doesn't matter that the two halves are at different yy-coordinates. The centre of mass falls along the line x=ax=a.

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(e) There is the same amount of area to the left and right of the line x=ax=a, as in part (d). However, the area to the right is “stretched out" more, so that it occupies space farther away from the line x=ax=a. So, the centre of mass will be to the right of the line x=ax=a.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.6절 · 8번
# 밀도·질량과 질량중심그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
31.CLP-2 · 2.3절 · 6번대학 수준우리말 번역

탱크 AA는 반지름이 1미터인 구 모양이고 물이 가득 차 있다. 탱크 AA의 바닥은 지면에서 3미터 위에 있고, 지면에는 탱크 BB가 놓여 있다. 탱크 BB는 밑면의 크기가 2미터 × 1미터인 키가 큰 직육면체 모양이며 비어 있다. 물과 질량이 같은 질점을 AA의 질량 중심 높이에서 물이 BB로 옮겨진 뒤의 물의 질량 중심 높이까지 이동시키는 것으로 상황을 모형화하여, 탱크 AA의 물을 모두 탱크 BB로 빼낼 때 중력이 하는 일을 구하세요.

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물의 밀도는 10001000 kg/m3^3, 중력가속도는 g=9.8g=9.8 m/sec2^2 을 사용해도 됩니다.

영어 원문 보기

Tank AA is spherical, of radius 1 metre, and filled completely with water. The bottom of tank AA is three metres above the ground, where Tank BB sits. Tank BB is tall and rectangular, with base dimensions 2 metres by 1 metre, and empty. Calculate the work done by gravity to drain all the water from Tank AA to Tank BB by modelling the situation as a point mass, of the same mass as the water, being moved from the height of the centre of mass of AA to the height of the centre of mass of the water after it has been moved to BB.

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You may use 10001000 kg/m3^3 for the density of water, and g=9.8g=9.8 m/sec2^2 for the acceleration due to gravity.

정답·풀이 보기
  • 탱크 A에 든 물의 부피는 43π(1)3=43π\frac{4}{3}\pi(1)^3 = \frac{4}{3}\pi 세제곱미터이다.
  • 물의 질량은 40003π\frac{4000}{3}\pi kg이다.
  • 대칭성에 의해 탱크 AA를 가득 채운 물의 질량 중심은 구의 중심에 있으며, 지면으로부터의 높이는 yˉ1=4\bar y_1=4 미터이다(지면에서 3미터 위에 있는 탱크 AA의 바닥보다 1미터 위).
  • 물이 모두 탱크 BB에 있을 때 물의 높이는 23π\frac{2}{3}\pi 미터이다. (탱크 BB의 밑면의 넓이는 2 m2^2 이고 물의 부피는 43π\frac{4}{3}\pi m3^3 이다.) 대칭성에 의해 질량 중심은 정확히 절반 높이에 있으므로 높이는 yˉ2=13π\bar y_2=\frac{1}{3}\pi 미터이다.
  • 따라서 모형의 질점은 중력에 의해 yˉ1=4\bar y_1=4 에서 yˉ2=13π\bar y_2=\frac{1}{3}\pi 까지, 즉 4−13π4-\frac{1}{3}\pi 미터만큼 이동한다.
  • 이때의 일은 다음과 같다: (40003π kg)×(4−13π m)×(9.8 msec2)=39200π9(12−π)≈121,212 J\left(\frac{4000}{3}\pi~\text{kg}\right)\times\left(4-\frac{1}{3}\pi~\text{m}\right)\times\left(9.8~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) = \frac{39200\pi}{9}(12-\pi)\approx 121,212~\text{J}
원본 교재 풀이(영어)
  • The volume of water in Tank A is 43π(1)3=43π\frac{4}{3}\pi(1)^3 = \frac{4}{3}\pi cubic metres.
  • The mass of water is 40003π\frac{4000}{3}\pi kg.
  • By symmetry, the centre of mass of the water when it fills Tank AA is exactly in the centre of the sphere, at height yˉ1=4\bar y_1=4 metres above the ground (one metre above the bottom of Tank AA, which is three metres above the ground).
  • When the water is entirely in Tank BB, its height is 23π\frac{2}{3}\pi metres. (The base of Tank BB has area 2 m2^2, and the volume of water is 43π\frac{4}{3}\pi m3^3.) By symmetry, the centre of mass is exactly halfway up, at height yˉ2=13π\bar y_2=\frac{1}{3}\pi metres.
  • So, the point mass in our model is moved from yˉ1=4\bar y_1=4 to yˉ2=13π\bar y_2=\frac{1}{3}\pi, a distance of 4−13π4-\frac{1}{3}\pi metres, by gravity.
  • The work involved is: (40003π kg)×(4−13π m)×(9.8 msec2)=39200π9(12−π)≈121,212 J\left(\frac{4000}{3}\pi~\text{kg}\right)\times\left(4-\frac{1}{3}\pi~\text{m}\right)\times\left(9.8~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) = \frac{39200\pi}{9}(12-\pi)\approx 121,212~\text{J}
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 5번
# 밀도·질량과 질량중심그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
32.Active Calculus · 6.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

곡선 f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3 \cos(\frac{x^3}{4}) 과 그 그래프 중 제1사분면에서 yy축과 f(x)=0f(x) = 0 을 만족하는 첫 번째 양의 xx 의 값 사이에 놓인 부분을 생각하세요. RR 을 ff 의 이 부분, xx축, yy축으로 둘러싸인 영역이라고 하세요. xx 와 yy 는 각각 피트 단위로 잰다고 가정하세요.

(a) 좌표축을 시계 방향으로 9090도 회전하여 양의 xx축이 곧바로 아래를 향하고 양의 yy축이 오른쪽을 향한다고 상상하세요. RR 을 xx축을 중심으로 회전시켜 회전체를 만들고, 이 회전체를 저장 탱크로 생각하세요. 이렇게 만들어진 탱크에 1세제곱피트당 62.462.4 파운드인 물이 1.51.5 피트 깊이까지 채워져 있다고 하세요. 물을 탱크 꼭대기까지 퍼 올려서 탱크 안의 물의 깊이가 0.50.5 피트가 될 때까지 물을 낮추는 데 필요한 일의 양을 구하세요. (b) 다시 좌표축을 시계 방향으로 90도 회전하여 양의 xx축이 곧바로 아래를 향하고 양의 yy축이 오른쪽을 향한다고 상상하세요. RR 과 RR 을 xx축에 대해 대칭이동한 도형이 함께 길이가 10 피트인 저장 탱크의 한쪽 끝면을 이룬다고 하세요. 이렇게 만들어진 탱크에 1세제곱피트당 62.462.4 파운드인 물이 가득 채워져 있다고 하세요. 물을 hh 피트만큼 낮추는 데 필요한 일의 양을 나타내는 함수의 식을 구하세요. (c) (b)의 탱크에 물이 가득 채워져 있다고 하세요. 탱크의 한쪽 끝면에 물이 가하는 수압에 의한 전체 힘을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the curve f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3 \cos(\frac{x^3}{4}) and the portion of its graph that lies in the first quadrant between the yy-axis and the first positive value of xx for which f(x)=0f(x) = 0. Let RR denote the region bounded by this portion of ff, the xx-axis, and the yy-axis. Assume that xx and yy are each measured in feet.

(a) Picture the coordinate axes rotated 9090 degrees clockwise so that the positive xx-axis points straight down, and the positive yy-axis points to the right. Suppose that RR is rotated about the xx axis to form a solid of revolution, and we consider this solid as a storage tank. Suppose that the resulting tank is filled to a depth of 1.51.5 feet with water weighing 62.462.4 pounds per cubic foot. Find the amount of work required to lower the water in the tank until it is 0.50.5 feet deep, by pumping the water to the top of the tank. (b) Again picture the coordinate axes rotated 90 degrees clockwise so that the positive xx-axis points straight down, and the positive yy-axis points to the right. Suppose that RR, together with its reflection across the xx-axis, forms one end of a storage tank that is 10 feet long. Suppose that the resulting tank is filled completely with water weighing 62.462.4 pounds per cubic foot. Find a formula for a function that tells the amount of work required to lower the water by hh feet. (c) Suppose that the tank described in (b) is completely filled with water. Find the total force due to hydrostatic pressure exerted by the water on one end of the tank.

정답·풀이 보기

(a) 먼저 주어진 탱크의 그림을 그린다. 아래는 양의 xx축이 아래를 향하도록 한 f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) 의 그래프이다. 이 함수는 약 1.845271.84527 에서 처음으로 xx축과 만난다. 제1사분면에 있는 곡선을 양의 xx축에 대해 대칭이동하여 회전체를 만든다. xx축에 수직인 단면은 두께가 △x\triangle x 인 원판이다. 좌표축은 일반적인 방향에서 시계 방향으로 90도 회전되어 있어서, 양의 y축은 오른쪽을 향하고 양의 x축은 아래쪽을 향한다. 제1사분면에서 함수 f(x) 이제 탱크에 1세제곱피트당 62.462.4 파운드인 물이 1.51.5 피트 깊이까지 채워져 있다고 하자. 탱크의 바닥이 1.845271.84527 에 있으므로, 1.51.5 피트 깊이까지 채워져 있다는 것은 x=0.34527x = 0.34527 부터 x=1.84527x = 1.84527 까지 물이 있다는 뜻이다. 탱크에 0.50.5 피트가 남을 때까지(즉 x=1.34527x = 1.34527 인 높이까지) 물을 퍼 올리는 데 필요한 일을 구하려면, 먼저 대표적인 조각의 무게를 구해야 하고, 이를 위해서는 그 조각의 부피를 알아야 한다. 깊이 xx 에 있는 조각에 대해 V조각≈π(3cos⁡(x34))2△x .V_{\text{조각}} \approx \pi \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right)^2 \triangle x\,. 물은 1세제곱피트당 62.462.4 파운드이므로, 이 조각의 무게(따라서 가해야 하는 힘)는 F조각≈62.4⋅9⋅πcos⁡2(x34)△x .F_{\text{조각}} \approx 62.4 \cdot 9 \cdot \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 마지막으로, 이 조각을 탱크 꼭대기까지 퍼 올리려면 조각을 xx 단위만큼 옮겨야 하므로 그 조각에 대한 일은 W조각≈x⋅561.6πcos⁡2(x34)△x .W_{\text{조각}} \approx x \cdot 561.6 \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 전체 일의 양을 구하기 위해, x=0.34527x = 0.34527 (탱크가 처음에 1.845271.84527 피트까지 가득 차 있을 때 물의 윗면)부터 x=1.34527x = 1.34527 (11 피트를 비운 뒤 물의 높이)까지 각 조각에 한 일을 정적분으로 더한다. 따라서 W=∫0.345271.34527561.6π⋅xcos⁡2(x34) dx .W = \int_{0.34527}^{1.34527} 561.6 \pi \cdot x \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. 이 적분의 값을 구하면 W≈1353.55W \approx 1353.55 피트파운드이다. (b) 탱크를 회전체가 아니라 길이가 10 피트인 탱크의 한쪽 끝면이 위의 이차원 도형인 여물통 모양으로 생각하면, 비슷한 문제가 되지만 조각은 얇은 원판이 아니라 얇은 직육면체 판이 된다. 각 조각은 너비가 2f(x)2 f(x), 길이가 1010 피트, 두께가 △x\triangle x 임에 주목하자. 따라서 깊이 xx 에 있는 조각에 대해 V조각≈2(3cos⁡(x34))⋅10⋅△x .V_{\text{조각}} \approx 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \cdot 10 \cdot \triangle x\,. 물은 1세제곱피트당 62.462.4 파운드이므로, 이 조각의 무게(따라서 가해야 하는 힘)는 F조각≈62.4⋅60cos⁡(x34)△x .F_{\text{조각}} \approx 62.4 \cdot 60 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 마지막으로, 이 조각을 탱크 꼭대기까지 퍼 올리려면 조각을 xx 단위만큼 옮겨야 하므로 그 조각에 대한 일은 W조각≈x⋅3744cos⁡(x34)△x .W_{\text{조각}} \approx x \cdot 3744 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 탱크가 가득 차 있다고 가정하고 물을 hh 피트만큼 낮추려면 x=0x = 0 부터 x=hx = h 까지의 조각을 생각하면 된다. 각 조각에 필요한 일을 정적분으로 더하면 전체 일은 W=∫0h3744xcos⁡(x34) dx .W = \int_0^h 3744 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. (c) (b)의 여물통에 대해, 탱크가 가득 찼을 때 한쪽 끝면에 작용하는 전체 수압에 의한 힘을 구하려 한다. 먼저, 위치 xx 에 있는 대표적인 조각은 수면 아래 xx 피트의 깊이에 있고 넓이는 A조각≈2f(x)△x=2(3cos⁡(x34))△xA_{\text{조각}} \approx 2 f(x) \triangle x = 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \triangle x 이다. 이 조각 위의 어느 점이든 깊이가 xx 이므로 작용하는 압력은 P조각≈62.4xP_{\text{조각}} \approx 62.4 x 이다. 압력은 물의 무게 밀도에 깊이를 곱한 것이기 때문이다. 마지막으로 F=P⋅AF = P \cdot A 이므로, 물이 이 조각에 가하는 전체 힘은 F조각=P조각⋅A조각≈62.4x⋅6cos⁡(x34)△x .F_{\text{조각}} = P_{\text{조각}} \cdot A_{\text{조각}} \approx 62.4 x \cdot 6 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 전체 힘을 구하기 위해 적분하여 더하면 F=∫01.84527374.4xcos⁡(x34) dx≈462.637F = \int_0^{1.84527} 374.4 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx \approx 462.637 파운드이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) First, we construct a picture of the tank as described. Below we see a sketch of f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) in the setting where the positive xx-axis points down; note that this function first crosses the xx-axis at about 1.845271.84527. We reflect the curve from the first quadrant across the positive xx-axis to generate a solid of revolution. Cross-sections perpendicular to the xx-axis have thickness △x\triangle x and are circular disks. The coordinate axes are oriented 90 degrees clockwise from what is typical so that the positive y-axis points to the right and the positive x-axis points down. In the first quadrant, the function f(x) We now suppose that the resulting tank is filled to a depth of 1.51.5 feet with water weighing 62.462.4 pounds per cubic foot. Since the bottom of the tank is at 1.845271.84527, being full to a depth of 1.51.5 feet means that there is water from x=0.34527x = 0.34527 to x=1.84527x = 1.84527. To find the work done to pump the water until 0.50.5 feet remain in the tank (i.e. to a level where x=1.34527x = 1.34527), we have to first find the weight of a typical slice, which requires us to know the volume of such a slice. Observe that for a slice at depth xx, Vslice≈π(3cos⁡(x34))2△x .V_{\text{slice}} \approx \pi \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right)^2 \triangle x\,. Since water weighs 62.462.4 pounds per cubic foot, the weight (and thus force to be exerted) of such a slice is Fslice≈62.4⋅9⋅πcos⁡2(x34)△x .F_{\text{slice}} \approx 62.4 \cdot 9 \cdot \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Finally, the work done to pump such a slice to the top of the tank requires the slice to move xx units, and thus work for that slice is Wslice≈x⋅561.6πcos⁡2(x34)△x .W_{\text{slice}} \approx x \cdot 561.6 \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. To find the total work accomplished, we use a definite integral to sum the work done on each slice from x=0.34527x = 0.34527 (the top of the water when the tank is initially full to 1.845271.84527 feet) to x=1.34527x = 1.34527 (the height of the water after 11 foot has been emptied). Thus, W=∫0.345271.34527561.6π⋅xcos⁡2(x34) dx .W = \int_{0.34527}^{1.34527} 561.6 \pi \cdot x \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. Evaluating the integral, we find W≈1353.55W \approx 1353.55 foot-pounds. (b) If instead we envision the tank not as a solid of revolution but as a trough, where the two-dimensional figure above forms one end of a tank that is 10 feet long, we now have a similar problem but with slices that are thin rectangular slabs, rather than thin cylindrical disks. Note that each such slice is 2f(x)2 f(x) wide, 1010 feet long, and △x\triangle x thick. Thus, for a slice at depth xx, Vslice≈2(3cos⁡(x34))⋅10⋅△x .V_{\text{slice}} \approx 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \cdot 10 \cdot \triangle x\,. Since water weighs 62.462.4 pounds per cubic foot, the weight (and thus force to be exerted) of such a slice is Fslice≈62.4⋅60cos⁡(x34)△x .F_{\text{slice}} \approx 62.4 \cdot 60 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Finally, the work done to pump such a slice to the top of the tank requires the slice to move xx units, and thus work for that slice is Wslice≈x⋅3744cos⁡(x34)△x .W_{\text{slice}} \approx x \cdot 3744 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Assuming that the tank is completely full, to lower the tank by hh feet, we consider slices from x=0x = 0 to x=hx = h, and thus using a definite integral to sum the work required for each slice, we find that the total work is W=∫0h3744xcos⁡(x34) dx .W = \int_0^h 3744 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. (c) For the trough described in (b), we now seek to find the total hydrostatic force on one of the ends of the tank when it is completely full. First, we note that a typical slice at location xx will be at a depth of xx feet below the water and have area Aslice≈2f(x)△x=2(3cos⁡(x34))△x .A_{\text{slice}} \approx 2 f(x) \triangle x = 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \triangle x\,. At any point on this slice, which again lies at depth xx, the pressure exerted is Pslice≈62.4xP_{\text{slice}} \approx 62.4 x since pressure is the weight density of water times depth. Finally, since F=P⋅AF = P \cdot A, the total force water is exerting on this slice is Fslice=Pslice⋅Aslice≈62.4x⋅6cos⁡(x34)△x .F_{\text{slice}} = P_{\text{slice}} \cdot A_{\text{slice}} \approx 62.4 x \cdot 6 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Integrating to sum the total force, we find that F=∫01.84527374.4xcos⁡(x34) dx≈462.637F = \int_0^{1.84527} 374.4 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx \approx 462.637 pounds.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.5절 · 18번
# 일그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)