문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

일

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Active Calculus · 6.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

곡선 f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3 \cos(\frac{x^3}{4}) 과 그 그래프 중 제1사분면에서 yy축과 f(x)=0f(x) = 0 을 만족하는 첫 번째 양의 xx 의 값 사이에 놓인 부분을 생각하세요. RR 을 ff 의 이 부분, xx축, yy축으로 둘러싸인 영역이라고 하세요. xx 와 yy 는 각각 피트 단위로 잰다고 가정하세요.

(a) 좌표축을 시계 방향으로 9090도 회전하여 양의 xx축이 곧바로 아래를 향하고 양의 yy축이 오른쪽을 향한다고 상상하세요. RR 을 xx축을 중심으로 회전시켜 회전체를 만들고, 이 회전체를 저장 탱크로 생각하세요. 이렇게 만들어진 탱크에 1세제곱피트당 62.462.4 파운드인 물이 1.51.5 피트 깊이까지 채워져 있다고 하세요. 물을 탱크 꼭대기까지 퍼 올려서 탱크 안의 물의 깊이가 0.50.5 피트가 될 때까지 물을 낮추는 데 필요한 일의 양을 구하세요. (b) 다시 좌표축을 시계 방향으로 90도 회전하여 양의 xx축이 곧바로 아래를 향하고 양의 yy축이 오른쪽을 향한다고 상상하세요. RR 과 RR 을 xx축에 대해 대칭이동한 도형이 함께 길이가 10 피트인 저장 탱크의 한쪽 끝면을 이룬다고 하세요. 이렇게 만들어진 탱크에 1세제곱피트당 62.462.4 파운드인 물이 가득 채워져 있다고 하세요. 물을 hh 피트만큼 낮추는 데 필요한 일의 양을 나타내는 함수의 식을 구하세요. (c) (b)의 탱크에 물이 가득 채워져 있다고 하세요. 탱크의 한쪽 끝면에 물이 가하는 수압에 의한 전체 힘을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the curve f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3 \cos(\frac{x^3}{4}) and the portion of its graph that lies in the first quadrant between the yy-axis and the first positive value of xx for which f(x)=0f(x) = 0. Let RR denote the region bounded by this portion of ff, the xx-axis, and the yy-axis. Assume that xx and yy are each measured in feet.

(a) Picture the coordinate axes rotated 9090 degrees clockwise so that the positive xx-axis points straight down, and the positive yy-axis points to the right. Suppose that RR is rotated about the xx axis to form a solid of revolution, and we consider this solid as a storage tank. Suppose that the resulting tank is filled to a depth of 1.51.5 feet with water weighing 62.462.4 pounds per cubic foot. Find the amount of work required to lower the water in the tank until it is 0.50.5 feet deep, by pumping the water to the top of the tank. (b) Again picture the coordinate axes rotated 90 degrees clockwise so that the positive xx-axis points straight down, and the positive yy-axis points to the right. Suppose that RR, together with its reflection across the xx-axis, forms one end of a storage tank that is 10 feet long. Suppose that the resulting tank is filled completely with water weighing 62.462.4 pounds per cubic foot. Find a formula for a function that tells the amount of work required to lower the water by hh feet. (c) Suppose that the tank described in (b) is completely filled with water. Find the total force due to hydrostatic pressure exerted by the water on one end of the tank.

정답·풀이 보기

(a) 먼저 주어진 탱크의 그림을 그린다. 아래는 양의 xx축이 아래를 향하도록 한 f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) 의 그래프이다. 이 함수는 약 1.845271.84527 에서 처음으로 xx축과 만난다. 제1사분면에 있는 곡선을 양의 xx축에 대해 대칭이동하여 회전체를 만든다. xx축에 수직인 단면은 두께가 △x\triangle x 인 원판이다. 좌표축은 일반적인 방향에서 시계 방향으로 90도 회전되어 있어서, 양의 y축은 오른쪽을 향하고 양의 x축은 아래쪽을 향한다. 제1사분면에서 함수 f(x) 이제 탱크에 1세제곱피트당 62.462.4 파운드인 물이 1.51.5 피트 깊이까지 채워져 있다고 하자. 탱크의 바닥이 1.845271.84527 에 있으므로, 1.51.5 피트 깊이까지 채워져 있다는 것은 x=0.34527x = 0.34527 부터 x=1.84527x = 1.84527 까지 물이 있다는 뜻이다. 탱크에 0.50.5 피트가 남을 때까지(즉 x=1.34527x = 1.34527 인 높이까지) 물을 퍼 올리는 데 필요한 일을 구하려면, 먼저 대표적인 조각의 무게를 구해야 하고, 이를 위해서는 그 조각의 부피를 알아야 한다. 깊이 xx 에 있는 조각에 대해 V조각≈π(3cos⁡(x34))2△x .V_{\text{조각}} \approx \pi \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right)^2 \triangle x\,. 물은 1세제곱피트당 62.462.4 파운드이므로, 이 조각의 무게(따라서 가해야 하는 힘)는 F조각≈62.4⋅9⋅πcos⁡2(x34)△x .F_{\text{조각}} \approx 62.4 \cdot 9 \cdot \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 마지막으로, 이 조각을 탱크 꼭대기까지 퍼 올리려면 조각을 xx 단위만큼 옮겨야 하므로 그 조각에 대한 일은 W조각≈x⋅561.6πcos⁡2(x34)△x .W_{\text{조각}} \approx x \cdot 561.6 \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 전체 일의 양을 구하기 위해, x=0.34527x = 0.34527 (탱크가 처음에 1.845271.84527 피트까지 가득 차 있을 때 물의 윗면)부터 x=1.34527x = 1.34527 (11 피트를 비운 뒤 물의 높이)까지 각 조각에 한 일을 정적분으로 더한다. 따라서 W=∫0.345271.34527561.6π⋅xcos⁡2(x34) dx .W = \int_{0.34527}^{1.34527} 561.6 \pi \cdot x \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. 이 적분의 값을 구하면 W≈1353.55W \approx 1353.55 피트파운드이다. (b) 탱크를 회전체가 아니라 길이가 10 피트인 탱크의 한쪽 끝면이 위의 이차원 도형인 여물통 모양으로 생각하면, 비슷한 문제가 되지만 조각은 얇은 원판이 아니라 얇은 직육면체 판이 된다. 각 조각은 너비가 2f(x)2 f(x), 길이가 1010 피트, 두께가 △x\triangle x 임에 주목하자. 따라서 깊이 xx 에 있는 조각에 대해 V조각≈2(3cos⁡(x34))⋅10⋅△x .V_{\text{조각}} \approx 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \cdot 10 \cdot \triangle x\,. 물은 1세제곱피트당 62.462.4 파운드이므로, 이 조각의 무게(따라서 가해야 하는 힘)는 F조각≈62.4⋅60cos⁡(x34)△x .F_{\text{조각}} \approx 62.4 \cdot 60 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 마지막으로, 이 조각을 탱크 꼭대기까지 퍼 올리려면 조각을 xx 단위만큼 옮겨야 하므로 그 조각에 대한 일은 W조각≈x⋅3744cos⁡(x34)△x .W_{\text{조각}} \approx x \cdot 3744 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 탱크가 가득 차 있다고 가정하고 물을 hh 피트만큼 낮추려면 x=0x = 0 부터 x=hx = h 까지의 조각을 생각하면 된다. 각 조각에 필요한 일을 정적분으로 더하면 전체 일은 W=∫0h3744xcos⁡(x34) dx .W = \int_0^h 3744 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. (c) (b)의 여물통에 대해, 탱크가 가득 찼을 때 한쪽 끝면에 작용하는 전체 수압에 의한 힘을 구하려 한다. 먼저, 위치 xx 에 있는 대표적인 조각은 수면 아래 xx 피트의 깊이에 있고 넓이는 A조각≈2f(x)△x=2(3cos⁡(x34))△xA_{\text{조각}} \approx 2 f(x) \triangle x = 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \triangle x 이다. 이 조각 위의 어느 점이든 깊이가 xx 이므로 작용하는 압력은 P조각≈62.4xP_{\text{조각}} \approx 62.4 x 이다. 압력은 물의 무게 밀도에 깊이를 곱한 것이기 때문이다. 마지막으로 F=P⋅AF = P \cdot A 이므로, 물이 이 조각에 가하는 전체 힘은 F조각=P조각⋅A조각≈62.4x⋅6cos⁡(x34)△x .F_{\text{조각}} = P_{\text{조각}} \cdot A_{\text{조각}} \approx 62.4 x \cdot 6 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. 전체 힘을 구하기 위해 적분하여 더하면 F=∫01.84527374.4xcos⁡(x34) dx≈462.637F = \int_0^{1.84527} 374.4 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx \approx 462.637 파운드이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) First, we construct a picture of the tank as described. Below we see a sketch of f(x)=3cos⁡(x34)f(x) = 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) in the setting where the positive xx-axis points down; note that this function first crosses the xx-axis at about 1.845271.84527. We reflect the curve from the first quadrant across the positive xx-axis to generate a solid of revolution. Cross-sections perpendicular to the xx-axis have thickness △x\triangle x and are circular disks. The coordinate axes are oriented 90 degrees clockwise from what is typical so that the positive y-axis points to the right and the positive x-axis points down. In the first quadrant, the function f(x) We now suppose that the resulting tank is filled to a depth of 1.51.5 feet with water weighing 62.462.4 pounds per cubic foot. Since the bottom of the tank is at 1.845271.84527, being full to a depth of 1.51.5 feet means that there is water from x=0.34527x = 0.34527 to x=1.84527x = 1.84527. To find the work done to pump the water until 0.50.5 feet remain in the tank (i.e. to a level where x=1.34527x = 1.34527), we have to first find the weight of a typical slice, which requires us to know the volume of such a slice. Observe that for a slice at depth xx, Vslice≈π(3cos⁡(x34))2△x .V_{\text{slice}} \approx \pi \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right)^2 \triangle x\,. Since water weighs 62.462.4 pounds per cubic foot, the weight (and thus force to be exerted) of such a slice is Fslice≈62.4⋅9⋅πcos⁡2(x34)△x .F_{\text{slice}} \approx 62.4 \cdot 9 \cdot \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Finally, the work done to pump such a slice to the top of the tank requires the slice to move xx units, and thus work for that slice is Wslice≈x⋅561.6πcos⁡2(x34)△x .W_{\text{slice}} \approx x \cdot 561.6 \pi \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. To find the total work accomplished, we use a definite integral to sum the work done on each slice from x=0.34527x = 0.34527 (the top of the water when the tank is initially full to 1.845271.84527 feet) to x=1.34527x = 1.34527 (the height of the water after 11 foot has been emptied). Thus, W=∫0.345271.34527561.6π⋅xcos⁡2(x34) dx .W = \int_{0.34527}^{1.34527} 561.6 \pi \cdot x \cos^2 \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. Evaluating the integral, we find W≈1353.55W \approx 1353.55 foot-pounds. (b) If instead we envision the tank not as a solid of revolution but as a trough, where the two-dimensional figure above forms one end of a tank that is 10 feet long, we now have a similar problem but with slices that are thin rectangular slabs, rather than thin cylindrical disks. Note that each such slice is 2f(x)2 f(x) wide, 1010 feet long, and △x\triangle x thick. Thus, for a slice at depth xx, Vslice≈2(3cos⁡(x34))⋅10⋅△x .V_{\text{slice}} \approx 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \cdot 10 \cdot \triangle x\,. Since water weighs 62.462.4 pounds per cubic foot, the weight (and thus force to be exerted) of such a slice is Fslice≈62.4⋅60cos⁡(x34)△x .F_{\text{slice}} \approx 62.4 \cdot 60 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Finally, the work done to pump such a slice to the top of the tank requires the slice to move xx units, and thus work for that slice is Wslice≈x⋅3744cos⁡(x34)△x .W_{\text{slice}} \approx x \cdot 3744 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Assuming that the tank is completely full, to lower the tank by hh feet, we consider slices from x=0x = 0 to x=hx = h, and thus using a definite integral to sum the work required for each slice, we find that the total work is W=∫0h3744xcos⁡(x34) dx .W = \int_0^h 3744 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx\,. (c) For the trough described in (b), we now seek to find the total hydrostatic force on one of the ends of the tank when it is completely full. First, we note that a typical slice at location xx will be at a depth of xx feet below the water and have area Aslice≈2f(x)△x=2(3cos⁡(x34))△x .A_{\text{slice}} \approx 2 f(x) \triangle x = 2 \left( 3\cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \right) \triangle x\,. At any point on this slice, which again lies at depth xx, the pressure exerted is Pslice≈62.4xP_{\text{slice}} \approx 62.4 x since pressure is the weight density of water times depth. Finally, since F=P⋅AF = P \cdot A, the total force water is exerting on this slice is Fslice=Pslice⋅Aslice≈62.4x⋅6cos⁡(x34)△x .F_{\text{slice}} = P_{\text{slice}} \cdot A_{\text{slice}} \approx 62.4 x \cdot 6 \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \triangle x\,. Integrating to sum the total force, we find that F=∫01.84527374.4xcos⁡(x34) dx≈462.637F = \int_0^{1.84527} 374.4 x \cos \left( \frac{x^3}{4} \right) \, dx \approx 462.637 pounds.

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 1권 · 6.5절 · 18번우리말 번역

어떤 용수철의 자연 길이는 1010 cm 이다. 이 용수철을 1515 cm 까지 늘이는 데 22 J 의 일이 필요하다. 이 용수철을 1515 cm 에서 2020 cm 까지 늘이는 데 필요한 일은 얼마입니까?

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