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.

1문제 · 1 / 1쪽

1.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.

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