길이가 인 가느다란 막대의 밀도 분포 함수가 라고 하자. 여기서 의 단위는 cm 이고 의 단위는 센티미터당 그램이다.
(a) 막대의 질량이 30 g 이면 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 의 어떤 값에서 잘라야 합니까?
영어 원문 보기
Let a thin rod of length have density distribution function , where is measured in cm and in grams per centimeter.
(a) If the mass of the rod is 30 g, what is the value of ? (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 should the 30g rod be cut in order to form two pieces of equal mass?
정답·풀이 보기
(a) 질량을 구하기 위해 막대를 길이가 로 균일한 조각들로 나누고, 번째 조각의 밀도를 상수 밀도 로 근사한다. 그러면 번째 조각의 질량은 근사적으로 이다. 이 근삿값들을 더하고 조각의 수를 무한히 늘릴 때의 극한을 취하면, 막대의 질량을 나타내는 정적분 를 얻는다. 치환 , 를 사용하면 따라서 질량이 g 이면 이므로 이고, 이다. 그러면 이므로 이다. (b) 밀도가 감소 함수이므로, 막대의 무게중심은 중점의 왼쪽에 있을 것으로 예상할 수 있다. (c) 무게중심을 구하기 위해, (a)에서처럼 막대를 길이가 로 균일한 조각들로 나누고, 번째 조각의 질량을 상수 밀도 로 근사하여 라 한다. 번째 조각의 위치는 근사적으로 이다. 막대를 개의 이산적인 질량(조각들)의 모임으로 보면, 무게중심 는 근사적으로 이다. 조각의 수를 무한히 늘리면 막대의 무게중심의 정확한 위치 를 얻는다. 막대의 질량이 g 이므로, 이제 의 값만 구하면 된다. , , , 로 놓고 부분적분하면 따라서 무게중심은 이고, 이는 예상대로 길이 cm 인 막대의 중간보다 작다. (d) 각 조각의 질량은 g 이어야 한다. 구간 에서 막대의 질량이 15 가 되도록 하는, 0 과 사이의 값을 라 하자. 치환 , 를 사용하면 구간 에서 막대의 질량은 이다. 이 질량이 g 이 되어야 하므로 를 만족하는 를 구한다. 보통의 방법으로 에 대해 풀면 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 and approximate the density on the th slice with the constant density . Then the approximate mass of the th slice is . Adding the approximations and taking the limit as the number of slices goes to infinity gives us the definite integral to represent the mass of the rod. Using the substitution and we have So if the mass is g, then , so , and . It follows that , and thus, . (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 and approximate the mass on the th slice with the constant density to be as in (a). The position of the th slice is approximately . Treating the rod as a collection of discrete masses (the slices), the center of mass is approximately Letting the number of slices go to infinity gives us the exact location of the center of mass of the rod, The mass of the rod is g, so now we just need to evaluate . Integrating by parts with , , , and gives us So the center of mass is , which is less than midway across the cm rod as expected. (d) Each piece would have mass grams. Let be a value of between 0 and so the the mass of the rod on the interval is 15. Using the substitution and we have that the mass of the rod on the interval is We want this mass to be grams, so we find such that . Solving for in the usual way, we find 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 문제Active Calculus · 6.3절 · 6번우리말 번역
단면적이 일정한 두 개의 가는 막대를 생각하세요. 두 막대의 길이는 각각 10 cm 이고, 질량 밀도 함수는 각각 과 입니다.
(a) 각 막대의 질량을 구하세요. (b) 각 막대의 질량 중심을 구하세요. (c) 이제 질량 밀도 함수가 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 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.
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(a) 첫 번째 막대의 질량은 에 , 을 대입하여 구한다. 따라서 첫 번째 막대의 질량은 이므로 이다. 두 번째 막대도 같은 방법으로 계산하면 질량은 이므로 이다. (b) 각 막대의 질량 중심은 다음의 기본 공식을 이용하여 구한다. 각 질량 분포에 대해 분모는 이미 계산했으므로 분자만 계산하면 된다. 다음이 성립함을 어렵지 않게 보일 수 있다. 따라서 첫 번째 막대의 질량 중심은 이다. 두 번째 막대에서는 이므로 질량 중심은 이다. (c) 질량 밀도 함수가 인 새로운 10 cm 막대를 생각한다. (i) 이 새 막대의 질량은 이다. 정적분의 덧셈 성질을 이용하면 이다. (ii) 에도 같은 방법을 적용하면 이다. (iii) 거짓이다. 새 막대의 질량 중심은 이고, 두 막대의 질량 중심의 평균은 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.