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.

49문제 · 3 / 3쪽

41.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)
42.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
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
43.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)
44.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.

그림

그림

그림

그림

그림

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.

figure

figure

figure

figure

figure

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.

그림

그림

(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.

figure

figure

(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)
45.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.

그림

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.

figure

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)
46.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)
47.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.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 6.3절 · 6번
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48.Active Calculus · 6.3절 · 6번대학 수준우리말 번역

단면적이 일정한 두 개의 가는 막대를 생각하세요. 두 막대의 길이는 각각 10 cm 이고, 질량 밀도 함수는 각각 ρ(x)=11+x2\rho(x) = \frac{1}{1+x^2} 과 p(x)=e−0.1xp(x) = e^{-0.1x} 입니다.

(a) 각 막대의 질량을 구하세요. (b) 각 막대의 질량 중심을 구하세요. (c) 이제 질량 밀도 함수가 f(x)=ρ(x)+p(x)f(x) = \rho(x) + p(x) 인 새로운 10 cm 막대를 생각하세요. (i) 추가 계산을 거의 하지 않고도 이 새 막대의 질량을 쉽게 구할 수 있는 방법을 설명하세요. (ii) 마찬가지로, 앞서 계산한 결과를 이용하여 ∫010xf(x) dx\int_0^{10} xf(x) \, dx 를 가능한 한 간단하게 계산하세요. (iii) 이 새 막대의 질량 중심이 앞의 두 막대의 질량 중심의 평균이라는 명제가 참인지 거짓인지 쓰세요. 그렇게 결론 내린 것이 타당한 이유를 적어도 한 문장으로 쓰세요.

영어 원문 보기

Consider two thin bars of constant cross-sectional area, each of length 10 cm, with respective mass density functions ρ(x)=11+x2\rho(x) = \frac{1}{1+x^2} and p(x)=e−0.1xp(x) = e^{-0.1x}.

(a) Find the mass of each bar. (b) Find the center of mass of each bar. (c) Now consider a new 10 cm bar whose mass density function is f(x)=ρ(x)+p(x)f(x) = \rho(x) + p(x). (i) Explain how you can easily find the mass of this new bar with little to no additional work. (ii) Similarly, compute ∫010xf(x) dx\int_0^{10} xf(x) \, dx as simply as possible, in light of earlier computations. (iii) True or false: the center of mass of this new bar is the average of the centers of mass of the two earlier bars. Write at least one sentence to say why your conclusion makes sense.

정답·풀이 보기

(a) 첫 번째 막대의 질량은 M=∫0aρ(x) dxM = \int_0^a \rho(x) \, dx 에 a=10a = 10, ρ(x)=11+x2\rho(x) = \frac{1}{1+x^2} 을 대입하여 구한다. 따라서 첫 번째 막대의 질량은 M1=∫01011+x2 dx=arctan⁡(x)∣010 ,M_1 = \int_0^{10} \frac{1}{1+x^2} \, dx = \left. \arctan(x) \right|_0^{10}\,, 이므로 M1=arctan⁡(10)≈1.47113M_1 = \arctan(10) \approx 1.47113 이다. 두 번째 막대도 같은 방법으로 계산하면 질량은 M2=∫010e−0.1x dx=−10e−0.1x∣010 ,M_2 = \int_0^{10} e^{-0.1x} \, dx = \left. -10e^{-0.1x} \right|_0^{10}\,, 이므로 M2=10−10e−1≈6.32121M_2 = 10 - 10e^{-1} \approx 6.32121 이다. (b) 각 막대의 질량 중심은 다음의 기본 공식을 이용하여 구한다. x‾=∫010xρ(x) dx∫010ρ(x) dx .\overline{x} = \frac{\int_0^{10} x \rho(x) \, dx}{\int_0^{10} \rho(x) \, dx}\,. 각 질량 분포에 대해 분모는 이미 계산했으므로 분자만 계산하면 된다. 다음이 성립함을 어렵지 않게 보일 수 있다. ∫010x11+x2 dx=12ln⁡(101)≈2.30756 ,\int_0^{10} x \frac{1}{1+x^2} \, dx = \frac{1}{2} \ln(101) \approx 2.30756\,, 따라서 첫 번째 막대의 질량 중심은 x1‾=arctan⁡(10)12ln⁡(101)≈2.307561.47113≈1.56857\overline{x_1} = \frac{\arctan(10)}{\frac{1}{2}\ln(101)} \approx \frac{2.30756}{1.47113} \approx 1.56857 이다. 두 번째 막대에서는 ∫010xe−0.1x dx=100−200e−1≈26.42411 ,\int_0^{10} x e^{-0.1x} \, dx = 100-200e^{-1} \approx 26.42411\,, 이므로 질량 중심은 x2‾=10−10e−1100−200e−1≈26.424116.32121≈4.18023\overline{x_2} = \frac{10 - 10e^{-1}}{100-200e^{-1}} \approx \frac{26.42411}{6.32121} \approx 4.18023 이다. (c) 질량 밀도 함수가 f(x)=ρ(x)+p(x)f(x) = \rho(x) + p(x) 인 새로운 10 cm 막대를 생각한다. (i) 이 새 막대의 질량은 M=∫010(ρ(x)+p(x)) dxM = \int_0^{10} (\rho(x) + p(x)) \, dx 이다. 정적분의 덧셈 성질을 이용하면 M=∫010ρ(x) dx+∫010p(x) dx≈1.47113+6.32121=7.79234M = \int_0^{10} \rho(x) \, dx + \int_0^{10} p(x) \, dx \approx 1.47113 + 6.32121 = 7.79234 이다. (ii) ∫010xf(x) dx\int_0^{10} xf(x) \, dx 에도 같은 방법을 적용하면 ∫010x(ρ(x)+p(x))) dx=∫010xρ(x) dx+∫010xp(x) dx≈2.30756+26.42411=28.73167\int_0^{10} x(\rho(x) + p(x))) \, dx = \int_0^{10} x \rho(x) \, dx + \int_0^{10} x p(x) \, dx \approx 2.30756 + 26.42411 = 28.73167 이다. (iii) 거짓이다. 새 막대의 질량 중심은 x‾=∫010x(ρ(x)+p(x)) dx∫010(ρ(x)+p(x)) dx≈2.30756+26.424111.47113+6.32121=3.68717\overline{x} = \frac{\int_0^{10} x(\rho(x) + p(x)) \, dx}{\int_0^{10} (\rho(x) + p(x)) \, dx} \approx \frac{2.30756 + 26.42411}{1.47113 + 6.32121} = 3.68717 이고, 두 막대의 질량 중심의 평균은 x1‾+x2‾2≈2.307561.47113+26.424116.321212=2.8744\frac{\overline{x_1} + \overline{x_2}}{2} \approx \frac{\frac{2.30756}{1.47113} + \frac{26.42411}{6.32121}}{2} = 2.8744 이다. 계산으로 결론이 증명되지만, 직관적으로도 이해할 수 있다. 평균은 두 막대를 똑같은 비중으로 취급하여, 한 막대의 질량이 다른 막대보다 훨씬 크다는 점을 고려하지 않는다. 실제로 질량 중심을 올바르게 계산하려면 가중평균이 필요하며, 앞의 (i)과 (ii)의 계산이 바로 그 일을 한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) To find the mass of the first bar, we use the fact that M=∫0aρ(x) dxM = \int_0^a \rho(x) \, dx, with a=10a = 10 and ρ(x)=11+x2\rho(x) = \frac{1}{1+x^2}. Thus, the mass of the first bar is M1=∫01011+x2 dx=arctan⁡(x)∣010 ,M_1 = \int_0^{10} \frac{1}{1+x^2} \, dx = \left. \arctan(x) \right|_0^{10}\,, so M1=arctan⁡(10)≈1.47113M_1 = \arctan(10) \approx 1.47113. Similar computations for the second bar shows that its mass is M2=∫010e−0.1x dx=−10e−0.1x∣010 ,M_2 = \int_0^{10} e^{-0.1x} \, dx = \left. -10e^{-0.1x} \right|_0^{10}\,, so M2=10−10e−1≈6.32121M_2 = 10 - 10e^{-1} \approx 6.32121. (b) To find the center of mass of each bar, we use the standard formula: x‾=∫010xρ(x) dx∫010ρ(x) dx .\overline{x} = \frac{\int_0^{10} x \rho(x) \, dx}{\int_0^{10} \rho(x) \, dx}\,. Having already evaluated the denominator for each mass distribution, we simply need to compute the numerator. It is straightforward to show that ∫010x11+x2 dx=12ln⁡(101)≈2.30756 ,\int_0^{10} x \frac{1}{1+x^2} \, dx = \frac{1}{2} \ln(101) \approx 2.30756\,, so the first bar's center of mass is x1‾=arctan⁡(10)12ln⁡(101)≈2.307561.47113≈1.56857 .\overline{x_1} = \frac{\arctan(10)}{\frac{1}{2}\ln(101)} \approx \frac{2.30756}{1.47113} \approx 1.56857\,. For the second bar, ∫010xe−0.1x dx=100−200e−1≈26.42411 ,\int_0^{10} x e^{-0.1x} \, dx = 100-200e^{-1} \approx 26.42411\,, so its center of mass is x2‾=10−10e−1100−200e−1≈26.424116.32121≈4.18023 .\overline{x_2} = \frac{10 - 10e^{-1}}{100-200e^{-1}} \approx \frac{26.42411}{6.32121} \approx 4.18023\,. (c) Consider a new 10 cm bar whose mass density function is f(x)=ρ(x)+p(x)f(x) = \rho(x) + p(x). (i) The mass of this new bar is M=∫010(ρ(x)+p(x)) dxM = \int_0^{10} (\rho(x) + p(x)) \, dx. Using the additive property of the definite integral, M=∫010ρ(x) dx+∫010p(x) dx≈1.47113+6.32121=7.79234 .M = \int_0^{10} \rho(x) \, dx + \int_0^{10} p(x) \, dx \approx 1.47113 + 6.32121 = 7.79234\,. (ii) Applying the same idea to ∫010xf(x) dx\int_0^{10} xf(x) \, dx, we have ∫010x(ρ(x)+p(x))) dx=∫010xρ(x) dx+∫010xp(x) dx≈2.30756+26.42411=28.73167 .\int_0^{10} x(\rho(x) + p(x))) \, dx = \int_0^{10} x \rho(x) \, dx + \int_0^{10} x p(x) \, dx \approx 2.30756 + 26.42411 = 28.73167\,. (iii) False. The center of mass of the new bar is x‾=∫010x(ρ(x)+p(x)) dx∫010(ρ(x)+p(x)) dx≈2.30756+26.424111.47113+6.32121=3.68717\overline{x} = \frac{\int_0^{10} x(\rho(x) + p(x)) \, dx}{\int_0^{10} (\rho(x) + p(x)) \, dx} \approx \frac{2.30756 + 26.42411}{1.47113 + 6.32121} = 3.68717 while the average of the two bars' centers of mass is x1‾+x2‾2≈2.307561.47113+26.424116.321212=2.8744 .\frac{\overline{x_1} + \overline{x_2}}{2} \approx \frac{\frac{2.30756}{1.47113} + \frac{26.42411}{6.32121}}{2} = 2.8744\,. Although the computations prove the conclusion, the result is also intuitive: the average treats the two bars as equal contributors and doesn't take into account that one bar has much more mass than the other. Indeed, a weighted average is needed to correctly compute the center of mass, which is what our earlier computations in (i) and (ii) accomplish.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 6.3절 · 7번
# 밀도·질량과 질량중심개념 확인자동 분류
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49.Active Calculus · 6.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

곡선 y=f(x)=2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x)y = f(x) = 2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)} 을 생각하세요.

(a) 이 곡선을 창 x=0…30x = 0 \ldots 30, y=0…3y = 0 \ldots 3 에서 (눈금 비율을 고정하여 xx축과 yy축의 단위 길이가 같도록) 그리고, 이를 xx축을 중심으로 회전시켜 회전체를 만드세요. 이 곡선이 야구 방망이의 적절한 모형이 될 수 있는 이유를 설명하세요. (b) xx와 yy를 인치 단위로 측정한다고 하세요. 주어진 곡선을 xx축을 중심으로 회전시켜 만든 야구 방망이의 전체 부피를 구하세요. 답에 단위를 쓰세요. (c) 야구 방망이의 무게 밀도가 일정하고, 그 무게 밀도가 세제곱인치당 0.60.6 온스라고 하세요. (b)에서 구한 부피를 갖는 방망이의 전체 무게를 구하세요. (d) 야구 방망이는 단면의 넓이가 일정하지 않으므로, 방망이를 따라 위치 xx 에 집중된 무게는 위치 xx 에서의 얇은 조각의 부피에 의해 정해짐을 알 수 있다. 함수 ρ(x)=0.6πf(x)2\rho(x) = 0.6 \pi f(x)^2 (여기서 ff 는 문제 처음에 주어진 함수이다)을 x=0x = 0 에서 x=30x = 30 까지 야구 방망이의 무게가 분포하는 방식을 나타내는 무게 밀도 함수로 생각할 수 있는 이유를 설명하세요. (e) 야구 방망이의 질량중심을 계산하세요.

영어 원문 보기

Consider the curve given by y=f(x)=2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x)y = f(x) = 2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)}.

(a) Plot this curve in the window x=0…30x = 0 \ldots 30, y=0…3y = 0 \ldots 3 (with constrained scaling so the units on the xx and yy axis are equal), and use it to generate a solid of revolution about the xx-axis. Explain why this curve could generate a reasonable model of a baseball bat. (b) Let xx and yy be measured in inches. Find the total volume of the baseball bat generated by revolving the given curve about the xx-axis. Include units on your answer. (c) Suppose that the baseball bat has constant weight density, and that the weight density is 0.60.6 ounces per cubic inch. Find the total weight of the bat whose volume you found in (b). (d) Because the baseball bat does not have constant cross-sectional area, we see that the amount of weight concentrated at a location xx along the bat is determined by the volume of a slice at location xx. Explain why we can think about the function ρ(x)=0.6πf(x)2\rho(x) = 0.6 \pi f(x)^2 (where ff is the function given at the start of the problem) as being the weight density function for how the weight of the baseball bat is distributed from x=0x = 0 to x=30x = 30. (e) Compute the center of mass of the baseball bat.

정답·풀이 보기

(a) 이 그래프는 구간 0,30 에서 함수 y = f(x) = 2xe -1.25x + (30-x) e -0.25(30-x) 의 그래프와, 설명된 회전체를 만들기 위해 이 그래프를 x축에 대해 대칭이동한 그래프를 보여 준다. 위에 나타낸 그래프(회전체를 만들기 위해 곡선을 xx축에 대해 대칭이동한 것 포함)는 이 회전체가 야구 방망이의 적절한 근사인 이유를 보여 준다(다만 x=3x = 3 과 x=9x = 9 사이에서는 약간 가늘 수도 있다). (b) 원판법을 사용하여 회전체의 부피를 구한다. 통상적인 방법으로 대표적인 조각의 부피는 V조각≈π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2△xV_{\text{조각}} \approx \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \triangle x 이므로, 정적분을 사용하여 조각들의 부피를 더하면 V=∫030π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx V = \int_0^{30} \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \, dx\, 를 얻는다. 계산 도구로 이 적분을 계산하면 V≈52.0666V \approx 52.0666 세제곱인치이다. (c) 방망이의 (일정한) 무게 밀도가 세제곱인치당 0.60.6 온스이므로, 방망이의 전체 무게는 W≈0.6⋅52.0666=31.23996W \approx 0.6 \cdot 52.0666 = 31.23996 온스이다. (d) 야구 방망이를 수평축에 수직으로 자르면 단면은 얇은 원기둥 모양의 원판이 된다. 주어진 xx 위치에 집중된 무게는 대략 무게 밀도(세제곱인치당 0.60.6 온스)에 조각의 부피를 곱한 값이며, 조각의 부피는 Vtextslice≈πf(x)2V_{text{slice}} \approx \pi f(x)^2 이다. 따라서 방망이를 따라 위치 xx 에 집중된 무게는 ρ(x)=0.6πf(x)2\rho(x) = 0.6 \pi f(x)^2 으로 주어지므로, 이것을 x=0x = 0 에서 x=30x = 30 까지 야구 방망이의 무게가 분포하는 방식을 나타내는 무게 밀도 함수로 볼 수 있다. (e) “질량”이 아닌 “무게”를 다루고 있지만, 무게는 질량과 중력 상수만큼만 차이가 나고 이 상수는 질량중심의 분자와 분모에 모두 들어 있으므로, 통상적인 방법으로 질량중심을 계산할 수 있다. 따라서 표준 공식 x‾=∫030xρ(x) dx∫030ρ(x) dx\overline{x} = \frac{\int_0^{30} x \rho(x) \ dx}{\int_0^{30} \rho(x) \ dx} 을 사용하면 x‾=∫030x⋅0.6π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2) dx∫0300.6π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx=∫030x⋅(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2) dx∫030(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx≈384.73516.5733=23.21415 \begin{aligned}\overline{x} &= \frac{\int_0^{30} x \cdot 0.6 \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2) \ dx}{\int_0^{30} 0.6 \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \ dx} \\ &= \frac{\int_0^{30} x \cdot (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2) \ dx}{\int_0^{30} (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \ dx} \\ &\approx \frac{384.735}{16.5733} = 23.21415\end{aligned}\, 이므로, 질량중심은 방망이 길이의 약 2/3 지점을 조금 넘은 곳에 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) This plot shows the function y = f(x) = 2xe -1.25x + (30-x) e -0.25(30-x) on the interval 0,30 and its reflection across the x-axis to form the described solid of revolution. The plot shown above (with the curve reflected across the xx-axis to generate the solid of revolution) shows why this solid of revolution is a reasonable approximation to a baseball bat (if perhaps a bit thin between x=3x = 3 and x=9x = 9. (b) We use the disk method to find the volume of the solid of revolution. In the usual way, the volume of a typical slice is Vslice≈π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2△xV_{\text{slice}} \approx \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \triangle x and thus using a definite integral to sum the volumes of the slices, we get V=∫030π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx .V = \int_0^{30} \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \, dx\,. Using technology to evaluate the integral, we find that V≈52.0666V \approx 52.0666 cubic inches. (c) Given that the bat has (constant) weight density 0.60.6 ounces per cubic inch, it follows that the total weight of the bat is W≈0.6⋅52.0666=31.23996W \approx 0.6 \cdot 52.0666 = 31.23996 ounces. (d) If we slice the baseball bat perpendicular to the horizontal axes, we get thin cylindrical disks as cross-sections. At a given xx-location, the amount of weight concentrated there is approximately the weight density (0.60.6 ounces per cubic inch) times the volume of the slice, which is Vtextslice≈πf(x)2V_{text{slice}} \approx \pi f(x)^2. Thus, we see that the amount of weight concentrated at a location xx along the bat is given by ρ(x)=0.6πf(x)2\rho(x) = 0.6 \pi f(x)^2, which we can therefore view as being the weight density function for how the weight of the baseball bat is distributed from x=0x = 0 to x=30x = 30. (e) Even though we are dealing with “weight” instead of “mass”, we can compute the center of mass in the usual way since weight differs from mass only by the gravitational constant, and this constant is present in both the numerator and denominator of the center of mass. Thus, using the standard formula, x‾=∫030xρ(x) dx∫030ρ(x) dx\overline{x} = \frac{\int_0^{30} x \rho(x) \ dx}{\int_0^{30} \rho(x) \ dx} so x‾=∫030x⋅0.6π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2) dx∫0300.6π(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx=∫030x⋅(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2) dx∫030(2xe−1.25x+(30−x)e−0.25(30−x))2 dx≈384.73516.5733=23.21415 ,\begin{aligned}\overline{x} &= \frac{\int_0^{30} x \cdot 0.6 \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2) \ dx}{\int_0^{30} 0.6 \pi (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \ dx} \\ &= \frac{\int_0^{30} x \cdot (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2) \ dx}{\int_0^{30} (2xe^{-1.25x} + (30-x) e^{-0.25(30-x)})^2 \ dx} \\ &\approx \frac{384.735}{16.5733} = 23.21415\end{aligned}\,, so the center of mass is just over 2/3 along the length of the bat.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 2.3절 · 26번
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