문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

밀도·질량과 질량중심

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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 문제Active Calculus · 6.3절 · 6번우리말 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.

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(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.

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