문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

밀도·질량과 질량중심

밀도를 적분해 질량을 구하고, 모멘트로 질량중심(무게중심)을 찾는다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

33문제 · 2 / 2쪽

21.OpenStax 1권 · 6.6절 · 21번대학 수준우리말 번역

다음 연습 문제에서 계산기를 이용하여 영역을 그린 다음, 질량중심 (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) 를 계산하세요. 가능하면 언제나 대칭성을 이용하여 질량중심의 위치를 찾으세요.

[계산기 사용] y=2x2,y=2{x}^{2}, y=0,y=0, x=0,x=0, x=1x=1 사이의 영역

영어 원문 보기

For the following exercises, use a calculator to draw the region, then compute the center of mass (x−,y−).\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right). Use symmetry to help locate the center of mass whenever possible.

[T] The region between y=2x2,y=2{x}^{2}, y=0,y=0, x=0,x=0, and x=1x=1

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 2번
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
22.OpenStax 1권 · 6.6절 · 22번대학 수준우리말 번역

다음 연습 문제에서 계산기를 이용하여 영역을 그린 다음, 질량중심 (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) 를 계산하세요. 가능하면 언제나 대칭성을 이용하여 질량중심의 위치를 찾으세요.

[계산기 사용] y=54x2y=\frac{5}{4}{x}^{2} 과 y=5y=5 사이의 영역

영어 원문 보기

For the following exercises, use a calculator to draw the region, then compute the center of mass (x−,y−).\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right). Use symmetry to help locate the center of mass whenever possible.

[T] The region between y=54x2y=\frac{5}{4}{x}^{2} and y=5y=5

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(0,3)(0,3)

원본 교재 풀이(영어)

(0,3)(0,3)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.6절 · 24번
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
23.OpenStax 1권 · 6.6절 · 23번대학 수준우리말 번역

다음 연습 문제에서 계산기를 이용하여 영역을 그린 다음, 질량중심 (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) 를 계산하세요. 가능하면 언제나 대칭성을 이용하여 질량중심의 위치를 찾으세요.

[계산기 사용] y=x,y=\sqrt{x}, y=ln⁡(x),y=\ln (x), x=1,x=1, x=4x=4 사이의 영역

영어 원문 보기

For the following exercises, use a calculator to draw the region, then compute the center of mass (x−,y−).\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right). Use symmetry to help locate the center of mass whenever possible.

[T] Region between y=x,y=\sqrt{x}, y=ln⁡(x),y=\ln (x), x=1,x=1, and x=4x=4

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.6절 · 12번
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
24.OpenStax 1권 · 6.6절 · 24번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서 계산기를 사용하여 영역을 그린 다음, 질량중심 (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) 를 계산하세요. 가능하면 언제나 대칭성을 이용하여 질량중심의 위치를 찾으세요.

[계산기 사용] y=0,y=0, x24+y29=1\frac{{x}^{2}}{4}+\frac{{y}^{2}}{9}=1 로 둘러싸인 영역

영어 원문 보기

For the following exercises, use a calculator to draw the region, then compute the center of mass (x−,y−).\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right). Use symmetry to help locate the center of mass whenever possible.

[T] The region bounded by y=0,y=0, x24+y29=1\frac{{x}^{2}}{4}+\frac{{y}^{2}}{9}=1

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(0,4π)\left(0,\frac{4}{\pi }\right)

원본 교재 풀이(영어)

(0,4π)\left(0,\frac{4}{\pi }\right)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.6절 · 26번
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
25.OpenStax 1권 · 6.6절 · 25번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서 계산기를 사용하여 영역을 그린 다음, 질량중심 (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) 를 계산하세요. 가능하면 언제나 대칭성을 이용하여 질량중심의 위치를 찾으세요.

[계산기 사용] y=0,y=0, x=0x=0, 그리고 x24+y29=1\frac{{x}^{2}}{4}+\frac{{y}^{2}}{9}=1 로 둘러싸인 영역

영어 원문 보기

For the following exercises, use a calculator to draw the region, then compute the center of mass (x−,y−).\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right). Use symmetry to help locate the center of mass whenever possible.

[T] The region bounded by y=0,y=0, x=0,x=0, and x24+y29=1\frac{{x}^{2}}{4}+\frac{{y}^{2}}{9}=1

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.6절 · 24번
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
26.OpenStax 1권 · 6.6절 · 26번대학 수준우리말 번역

[계산기 사용] 제1사분면에서 y=x2y={x}^{2} 과 y=x4y={x}^{4} 으로 둘러싸인 영역

영어 원문 보기

[T] The region bounded by y=x2y={x}^{2} and y=x4y={x}^{4} in the first quadrant

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(58,13)\left(\frac{5}{8},\frac{1}{3}\right)

원본 교재 풀이(영어)

(58,13)\left(\frac{5}{8},\frac{1}{3}\right)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.6절 · 28번
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
27.OpenStax 1권 · 6.6절 · 32번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 계산기를 사용하여 곡선으로 둘러싸인 영역을 그리세요. 주어진 도형의 넓이 MM 과 무게중심 (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) 를 구하세요. 가능하면 대칭성을 이용하여 질량중심의 위치를 찾으세요.

[계산기 사용] 사분원: y=1−x2,y=\sqrt{1-{x}^{2}}, y=0,y=0, x=0x=0

영어 원문 보기

For the following exercises, use a calculator to draw the region enclosed by the curve. Find the area MM and the centroid (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) for the given shapes. Use symmetry to help locate the center of mass whenever possible.

[T] Quarter-circle: y=1−x2,y=\sqrt{1-{x}^{2}}, y=0,y=0, and x=0x=0

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(43π,43π)\left(\frac{4}{3\pi },\frac{4}{3\pi }\right)

원본 교재 풀이(영어)

(43π,43π)\left(\frac{4}{3\pi },\frac{4}{3\pi }\right)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.6절 · 30번
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
28.OpenStax 1권 · 6.6절 · 33번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 계산기를 사용하여 곡선으로 둘러싸인 영역을 그리세요. 주어진 도형의 넓이 MM 과 무게중심 (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) 를 구하세요. 가능하면 대칭성을 이용하여 질량중심의 위치를 찾으세요.

[계산기 사용] 삼각형: y=x,y=x, y=2−x,y=2-x, y=0y=0

영어 원문 보기

For the following exercises, use a calculator to draw the region enclosed by the curve. Find the area MM and the centroid (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) for the given shapes. Use symmetry to help locate the center of mass whenever possible.

[T] Triangle: y=x,y=x, y=2−x,y=2-x, and y=0y=0

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.6절 · 14번
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
29.OpenStax 1권 · 6.6절 · 34번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 계산기를 사용하여 곡선으로 둘러싸인 영역을 그리세요. 주어진 도형의 넓이 MM 과 무게중심 (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) 을 구하세요. 가능하면 언제든지 대칭성을 이용하여 질량중심의 위치를 찾으세요.

[계산기 사용] 렌즈 모양: y=x2y={x}^{2} 과 y=xy=x

영어 원문 보기

For the following exercises, use a calculator to draw the region enclosed by the curve. Find the area MM and the centroid (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) for the given shapes. Use symmetry to help locate the center of mass whenever possible.

[T] Lens: y=x2y={x}^{2} and y=xy=x

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(12,25)\left(\frac{1}{2},\frac{2}{5}\right)

원본 교재 풀이(영어)

(12,25)\left(\frac{1}{2},\frac{2}{5}\right)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.6절 · 32번
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
30.OpenStax 1권 · 6.6절 · 35번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 계산기를 사용하여 곡선으로 둘러싸인 영역을 그리세요. 주어진 도형의 넓이 MM 과 무게중심 (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) 을 구하세요. 가능하면 언제든지 대칭성을 이용하여 질량중심의 위치를 찾으세요.

[계산기 사용] 고리 모양: y2+x2=1{y}^{2}+{x}^{2}=1 과 y2+x2=4{y}^{2}+{x}^{2}=4

영어 원문 보기

For the following exercises, use a calculator to draw the region enclosed by the curve. Find the area MM and the centroid (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) for the given shapes. Use symmetry to help locate the center of mass whenever possible.

[T] Ring: y2+x2=1{y}^{2}+{x}^{2}=1 and y2+x2=4{y}^{2}+{x}^{2}=4

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 1번
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
31.OpenStax 1권 · 6.6절 · 36번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 계산기를 사용하여 곡선으로 둘러싸인 영역을 그리세요. 주어진 도형의 넓이 MM 과 무게중심 (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) 을 구하세요. 가능하면 언제든지 대칭성을 이용하여 질량중심의 위치를 찾으세요.

[계산기 사용] 반원 고리 모양: y2+x2=1,{y}^{2}+{x}^{2}=1, y2+x2=4{y}^{2}+{x}^{2}=4 와 y=0y=0

영어 원문 보기

For the following exercises, use a calculator to draw the region enclosed by the curve. Find the area MM and the centroid (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) for the given shapes. Use symmetry to help locate the center of mass whenever possible.

[T] Half-ring: y2+x2=1,{y}^{2}+{x}^{2}=1, y2+x2=4,{y}^{2}+{x}^{2}=4, and y=0y=0

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정답·풀이 보기

(0,289π)\left(0,\frac{28}{9\pi }\right)

원본 교재 풀이(영어)

(0,289π)\left(0,\frac{28}{9\pi }\right)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 6.6절 · 34번
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
32.OpenStax 1권 · 6.6절 · 41번대학 수준우리말 번역

단위 질량을 가진 가는 철사가 반원 y=1−x2y=\sqrt{1-{x}^{2}} 을 따라 놓여 있을 때, 질량 중심 (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) 을 구하세요. (힌트: 파푸스의 정리를 이용하세요.)

영어 원문 보기

Find the center of mass (x−,y−)\left(\overset{-}{x},\overset{-}{y}\right) for a thin wire along the semicircle y=1−x2y=\sqrt{1-{x}^{2}} with unit mass. (Hint: Use the theorem of Pappus.)

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 6.3절 · 7번
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
33.Active Calculus · 6.3절 · 5번대학 수준우리말 번역

길이가 aa 인 가느다란 막대의 밀도 분포 함수가 ρ(x)=10e−0.1x\rho(x) = 10e^{-0.1x} 라고 하자. 여기서 xx 의 단위는 cm 이고 ρ\rho 의 단위는 센티미터당 그램이다.

(a) 막대의 질량이 30 g 이면 aa 의 값은 얼마입니까? (b) 질량이 30g 인 이 막대에서 무게중심은 중점에 있을까요, 중점의 왼쪽에 있을까요, 아니면 중점의 오른쪽에 있을까요? 그 이유는 무엇입니까? (c) 질량이 30g 인 이 막대의 무게중심을 구하고, (b)에서 예측한 것과 비교하세요. (d) 질량이 30g 인 이 막대를 같은 질량의 두 조각으로 만들려면 xx 의 어떤 값에서 잘라야 합니까?

영어 원문 보기

Let a thin rod of length aa have density distribution function ρ(x)=10e−0.1x\rho(x) = 10e^{-0.1x}, where xx is measured in cm and ρ\rho in grams per centimeter.

(a) If the mass of the rod is 30 g, what is the value of aa? (b) For the 30g rod, will the center of mass lie at its midpoint, to the left of the midpoint, or to the right of the midpoint? Why? (c) For the 30g rod, find the center of mass, and compare your prediction in (b). (d) At what value of xx should the 30g rod be cut in order to form two pieces of equal mass?

정답·풀이 보기

(a) 질량을 구하기 위해 막대를 길이가 Δx\Delta x 로 균일한 조각들로 나누고, ii 번째 조각의 밀도를 상수 밀도 ρ(xi)\rho(x_i) 로 근사한다. 그러면 ii 번째 조각의 질량은 근사적으로 ρ(xi)Δx\rho(x_i) \Delta x 이다. 이 근삿값들을 더하고 조각의 수를 무한히 늘릴 때의 극한을 취하면, 막대의 질량을 나타내는 정적분 ∫0aρ(x) dx\int_0^a \rho(x) \ dx 를 얻는다. 치환 u=−0.1xu = -0.1x, du=−0.1 dxdu = -0.1 \ dx 를 사용하면 ∫0aρ(x) dx=∫0a10e−0.1x dx=∫0−0.1a−100eu du=−100eu∣0−0.1a=−100(e−0.1a−1)=100(1−e−0.1a) .\begin{aligned}\int_0^a \rho(x) \ dx &= \int_0^a 10e^{-0.1x} \ dx \\ &= \int_0^{-0.1a} -100 e^u \ du \\ &= -100e^u \biggm|_0^{-0.1a} \\ &= -100\left(e^{-0.1a} - 1\right) \\ &= 100\left(1-e^{-0.1a}\right)\end{aligned}\,. 따라서 질량이 3030 g 이면 100(1−e−0.1a)=30100\left(1-e^{-0.1a}\right) = 30 이므로 1−e−0.1a=0.31-e^{-0.1a} = 0.3 이고, e−0.1a=0.7e^{-0.1a} = 0.7 이다. 그러면 −0.1a=ln⁡(0.7)-0.1a = \ln(0.7) 이므로 a=−10ln⁡(0.7)≈3.567 cma = -10 \ln(0.7) \approx 3.567 \text{ cm} 이다. (b) 밀도가 감소 함수이므로, 막대의 무게중심은 중점의 왼쪽에 있을 것으로 예상할 수 있다. (c) 무게중심을 구하기 위해, (a)에서처럼 막대를 길이가 Δx\Delta x 로 균일한 조각들로 나누고, ii 번째 조각의 질량을 상수 밀도 ρ(xi)\rho(x_i) 로 근사하여 ρ(xi)Δx\rho(x_i) \Delta x 라 한다. ii 번째 조각의 위치는 근사적으로 xi/x_i/ 이다. 막대를 nn 개의 이산적인 질량(조각들)의 모임으로 보면, 무게중심 x‾\overline{x} 는 근사적으로 x‾≈∑i=1nxiρ(xi)Δx∑i=1nρ(xi)Δx \overline{x} \approx \frac{\sum_{i=1}^n x_i \rho(x_i) \Delta x}{\sum_{i=1}^n \rho(x_i) \Delta x}\, 이다. 조각의 수를 무한히 늘리면 막대의 무게중심의 정확한 위치 x‾=∫0axρ(x) dx∫0aρ(x) dx \overline{x} = \frac{\int_0^a x \rho(x) \ dx}{\int_0^a \rho(x) \ dx}\, 를 얻는다. 막대의 질량이 3030 g 이므로, 이제 ∫0axρ(x) dx=∫0a10xe−0.1x dx\int_0^a x \rho(x) \ dx = \int_0^a 10xe^{-0.1x} \ dx 의 값만 구하면 된다. u=xu = x, du=dxdu = dx, dv=e−0.1x dxdv = e^{-0.1x} \ dx, v=−10e−0.1xv = -10e^{-0.1x} 로 놓고 부분적분하면 ∫0a10xe−0.1x dx=10(−10xe−0.1x∣0a+∫0a−10e−0.1x dx)=10(−10ae−0.1a+100(1−e−0.1a))≈10(−10(3.567)ae−0.1(3.567)+100(1−e−0.1(3.567)))≈50.3338 .\begin{aligned}\int_0^a 10xe^{-0.1x} \ dx &= 10\left(-10xe^{-0.1x}\biggm|_0^a + \int_0^a -10e^{-0.1x} \ dx \right) \\ &= 10\left(-10ae^{-0.1a} + 100(1-e^{-0.1a})\right) \\ &\approx 10\left(-10(3.567)ae^{-0.1(3.567)} + 100(1-e^{-0.1(3.567)})\right) \\ &\approx 50.3338\end{aligned}\,. 따라서 무게중심은 x‾≈50.333830≈1.687\overline{x} \approx \frac{50.3338}{30} \approx 1.687 이고, 이는 예상대로 길이 3.5673.567 cm 인 막대의 중간보다 작다. (d) 각 조각의 질량은 1515 g 이어야 한다. 구간 [0,q][0, q] 에서 막대의 질량이 15 가 되도록 하는, 0 과 aa 사이의 xx 값을 qq 라 하자. 치환 u=−0.1xu = -0.1x, du=−0.1 dxdu = -0.1 \ dx 를 사용하면 구간 [0,q][0, q] 에서 막대의 질량은 ∫0qρ(x) dx=∫0q10e−0.1x dx=∫0−0.1q−100eu du=−100eu∣0−0.1q=100(1−e−0.1q)\begin{aligned}\int_0^q \rho(x) \ dx &= \int_0^q 10e^{-0.1x} \ dx \\ &= \int_0^{-0.1q} -100e^{u} \ du \\ &= -100e^u\biggm|_0^{-0.1q} \\ &= 100\left(1-e^{-0.1q}\right)\end{aligned} 이다. 이 질량이 1515 g 이 되어야 하므로 100(1−e−0.1q)=15100\left(1-e^{-0.1q}\right) = 15 를 만족하는 qq 를 구한다. 보통의 방법으로 qq 에 대해 풀면 q=−10ln⁡(0.85)≈1.625q = -10\ln(0.85) \approx 1.625 cm 이다. 이 값은 무게중심과 같지 않음에 주의한다. 무게중심은 (무게중심으로부터의 거리로 정해지는) 돌림힘을 고려하지만, 물체를 같은 질량의 두 조각으로 나누는 지점을 계산할 때에는 돌림힘이 반영되지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) To find mass we slice the rod horizontally into uniform slices of length Δx\Delta x and approximate the density on the iith slice with the constant density ρ(xi)\rho(x_i). Then the approximate mass of the iith slice is ρ(xi)Δx\rho(x_i) \Delta x. Adding the approximations and taking the limit as the number of slices goes to infinity gives us the definite integral ∫0aρ(x) dx\int_0^a \rho(x) \ dx to represent the mass of the rod. Using the substitution u=−0.1xu = -0.1x and du=−0.1 dxdu = -0.1 \ dx we have ∫0aρ(x) dx=∫0a10e−0.1x dx=∫0−0.1a−100eu du=−100eu∣0−0.1a=−100(e−0.1a−1)=100(1−e−0.1a) .\begin{aligned}\int_0^a \rho(x) \ dx &= \int_0^a 10e^{-0.1x} \ dx \\ &= \int_0^{-0.1a} -100 e^u \ du \\ &= -100e^u \biggm|_0^{-0.1a} \\ &= -100\left(e^{-0.1a} - 1\right) \\ &= 100\left(1-e^{-0.1a}\right)\end{aligned}\,. So if the mass is 3030 g, then 100(1−e−0.1a)=30100\left(1-e^{-0.1a}\right) = 30, so 1−e−0.1a=0.31-e^{-0.1a} = 0.3, and e−0.1a=0.7e^{-0.1a} = 0.7. It follows that −0.1a=ln⁡(0.7)-0.1a = \ln(0.7), and thus, a=−10ln⁡(0.7)≈3.567 cma = -10 \ln(0.7) \approx 3.567 \text{ cm}. (b) Since the density is a decreasing function, we should expect that the center of mass of the rod will lie to the left of the midpoint. (c) To find the center of mass, we slice the rod horizontally into uniform slices of length Δx\Delta x and approximate the mass on the iith slice with the constant density ρ(xi)\rho(x_i) to be ρ(xi)Δx\rho(x_i) \Delta x as in (a). The position of the iith slice is approximately xi/x_i/. Treating the rod as a collection of nn discrete masses (the slices), the center of mass x‾\overline{x} is approximately x‾≈∑i=1nxiρ(xi)Δx∑i=1nρ(xi)Δx .\overline{x} \approx \frac{\sum_{i=1}^n x_i \rho(x_i) \Delta x}{\sum_{i=1}^n \rho(x_i) \Delta x}\,. Letting the number of slices go to infinity gives us the exact location of the center of mass of the rod, x‾=∫0axρ(x) dx∫0aρ(x) dx .\overline{x} = \frac{\int_0^a x \rho(x) \ dx}{\int_0^a \rho(x) \ dx}\,. The mass of the rod is 3030 g, so now we just need to evaluate ∫0axρ(x) dx=∫0a10xe−0.1x dx\int_0^a x \rho(x) \ dx = \int_0^a 10xe^{-0.1x} \ dx. Integrating by parts with u=xu = x, du=dxdu = dx, dv=e−0.1x dxdv = e^{-0.1x} \ dx, and v=−10e−0.1xv = -10e^{-0.1x} gives us ∫0a10xe−0.1x dx=10(−10xe−0.1x∣0a+∫0a−10e−0.1x dx)=10(−10ae−0.1a+100(1−e−0.1a))≈10(−10(3.567)ae−0.1(3.567)+100(1−e−0.1(3.567)))≈50.3338 .\begin{aligned}\int_0^a 10xe^{-0.1x} \ dx &= 10\left(-10xe^{-0.1x}\biggm|_0^a + \int_0^a -10e^{-0.1x} \ dx \right) \\ &= 10\left(-10ae^{-0.1a} + 100(1-e^{-0.1a})\right) \\ &\approx 10\left(-10(3.567)ae^{-0.1(3.567)} + 100(1-e^{-0.1(3.567)})\right) \\ &\approx 50.3338\end{aligned}\,. So the center of mass is x‾≈50.333830≈1.687\overline{x} \approx \frac{50.3338}{30} \approx 1.687, which is less than midway across the 3.5673.567 cm rod as expected. (d) Each piece would have mass 1515 grams. Let qq be a value of xx between 0 and aa so the the mass of the rod on the interval [0,q][0, q] is 15. Using the substitution u=−0.1xu = -0.1x and du=−0.1 dxdu = -0.1 \ dx we have that the mass of the rod on the interval [0,q][0, q] is ∫0qρ(x) dx=∫0q10e−0.1x dx=∫0−0.1q−100eu du=−100eu∣0−0.1q=100(1−e−0.1q)\begin{aligned}\int_0^q \rho(x) \ dx &= \int_0^q 10e^{-0.1x} \ dx \\ &= \int_0^{-0.1q} -100e^{u} \ du \\ &= -100e^u\biggm|_0^{-0.1q} \\ &= 100\left(1-e^{-0.1q}\right)\end{aligned} We want this mass to be 1515 grams, so we find qq such that 100(1−e−0.1q)=15100\left(1-e^{-0.1q}\right) = 15. Solving for qq in the usual way, we find q=−10ln⁡(0.85)≈1.625q = -10\ln(0.85) \approx 1.625 cm. Note that this is not the same as the center of mass. The center of mass takes into account the torque (determined by distance from the center of mass), which is not incorporated into the calculation of the point to split the object into two pieces of equal mass.

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