문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

밀도·질량과 질량중심

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

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 문제Active Calculus · 6.3절 · 7번우리말 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.

다 풀었으면 정답 확인

(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.

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# 밀도·질량과 질량중심개념 확인자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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