곡선 과 그 그래프 중 제1사분면에서 축과 을 만족하는 첫 번째 양의 의 값 사이에 놓인 부분을 생각하세요. 을 의 이 부분, 축, 축으로 둘러싸인 영역이라고 하세요. 와 는 각각 피트 단위로 잰다고 가정하세요.
(a) 좌표축을 시계 방향으로 도 회전하여 양의 축이 곧바로 아래를 향하고 양의 축이 오른쪽을 향한다고 상상하세요. 을 축을 중심으로 회전시켜 회전체를 만들고, 이 회전체를 저장 탱크로 생각하세요. 이렇게 만들어진 탱크에 1세제곱피트당 파운드인 물이 피트 깊이까지 채워져 있다고 하세요. 물을 탱크 꼭대기까지 퍼 올려서 탱크 안의 물의 깊이가 피트가 될 때까지 물을 낮추는 데 필요한 일의 양을 구하세요. (b) 다시 좌표축을 시계 방향으로 90도 회전하여 양의 축이 곧바로 아래를 향하고 양의 축이 오른쪽을 향한다고 상상하세요. 과 을 축에 대해 대칭이동한 도형이 함께 길이가 10 피트인 저장 탱크의 한쪽 끝면을 이룬다고 하세요. 이렇게 만들어진 탱크에 1세제곱피트당 파운드인 물이 가득 채워져 있다고 하세요. 물을 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 and the portion of its graph that lies in the first quadrant between the -axis and the first positive value of for which . Let denote the region bounded by this portion of , the -axis, and the -axis. Assume that and are each measured in feet.
(a) Picture the coordinate axes rotated degrees clockwise so that the positive -axis points straight down, and the positive -axis points to the right. Suppose that is rotated about the 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 feet with water weighing pounds per cubic foot. Find the amount of work required to lower the water in the tank until it is 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 -axis points straight down, and the positive -axis points to the right. Suppose that , together with its reflection across the -axis, forms one end of a storage tank that is 10 feet long. Suppose that the resulting tank is filled completely with water weighing pounds per cubic foot. Find a formula for a function that tells the amount of work required to lower the water by 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 축이 아래를 향하도록 한 의 그래프이다. 이 함수는 약 에서 처음으로 축과 만난다. 제1사분면에 있는 곡선을 양의 축에 대해 대칭이동하여 회전체를 만든다. 축에 수직인 단면은 두께가 인 원판이다.
이제 탱크에 1세제곱피트당 파운드인 물이 피트 깊이까지 채워져 있다고 하자. 탱크의 바닥이 에 있으므로, 피트 깊이까지 채워져 있다는 것은 부터 까지 물이 있다는 뜻이다. 탱크에 피트가 남을 때까지(즉 인 높이까지) 물을 퍼 올리는 데 필요한 일을 구하려면, 먼저 대표적인 조각의 무게를 구해야 하고, 이를 위해서는 그 조각의 부피를 알아야 한다. 깊이 에 있는 조각에 대해
물은 1세제곱피트당 파운드이므로, 이 조각의 무게(따라서 가해야 하는 힘)는
마지막으로, 이 조각을 탱크 꼭대기까지 퍼 올리려면 조각을 단위만큼 옮겨야 하므로 그 조각에 대한 일은
전체 일의 양을 구하기 위해, (탱크가 처음에 피트까지 가득 차 있을 때 물의 윗면)부터 ( 피트를 비운 뒤 물의 높이)까지 각 조각에 한 일을 정적분으로 더한다. 따라서
이 적분의 값을 구하면 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 , 길이가 피트, 두께가 임에 주목하자. 따라서 깊이 에 있는 조각에 대해
물은 1세제곱피트당 파운드이므로, 이 조각의 무게(따라서 가해야 하는 힘)는
마지막으로, 이 조각을 탱크 꼭대기까지 퍼 올리려면 조각을 단위만큼 옮겨야 하므로 그 조각에 대한 일은
탱크가 가득 차 있다고 가정하고 물을 피트만큼 낮추려면 부터 까지의 조각을 생각하면 된다. 각 조각에 필요한 일을 정적분으로 더하면 전체 일은
(c) (b)의 여물통에 대해, 탱크가 가득 찼을 때 한쪽 끝면에 작용하는 전체 수압에 의한 힘을 구하려 한다. 먼저, 위치 에 있는 대표적인 조각은 수면 아래 피트의 깊이에 있고 넓이는
이다. 이 조각 위의 어느 점이든 깊이가 이므로 작용하는 압력은
이다. 압력은 물의 무게 밀도에 깊이를 곱한 것이기 때문이다. 마지막으로 이므로, 물이 이 조각에 가하는 전체 힘은
전체 힘을 구하기 위해 적분하여 더하면
파운드이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) First, we construct a picture of the tank as described. Below we see a sketch of in the setting where the positive -axis points down; note that this function first crosses the -axis at about . We reflect the curve from the first quadrant across the positive -axis to generate a solid of revolution. Cross-sections perpendicular to the -axis have thickness and are circular disks.
We now suppose that the resulting tank is filled to a depth of feet with water weighing pounds per cubic foot. Since the bottom of the tank is at , being full to a depth of feet means that there is water from to . To find the work done to pump the water until feet remain in the tank (i.e. to a level where ), 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 ,
Since water weighs pounds per cubic foot, the weight (and thus force to be exerted) of such a slice is
Finally, the work done to pump such a slice to the top of the tank requires the slice to move units, and thus work for that slice is
To find the total work accomplished, we use a definite integral to sum the work done on each slice from (the top of the water when the tank is initially full to feet) to (the height of the water after foot has been emptied). Thus,
Evaluating the integral, we find 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 wide, feet long, and thick. Thus, for a slice at depth ,
Since water weighs pounds per cubic foot, the weight (and thus force to be exerted) of such a slice is
Finally, the work done to pump such a slice to the top of the tank requires the slice to move units, and thus work for that slice is
Assuming that the tank is completely full, to lower the tank by feet, we consider slices from to , and thus using a definite integral to sum the work required for each slice, we find that the total work is
(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 will be at a depth of feet below the water and have area
At any point on this slice, which again lies at depth , the pressure exerted is
since pressure is the weight density of water times depth. Finally, since , the total force water is exerting on this slice is
Integrating to sum the total force, we find that
pounds.
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어떤 용수철의 자연 길이는 cm 이다. 이 용수철을 cm 까지 늘이는 데 J 의 일이 필요하다. 이 용수철을 cm 에서 cm 까지 늘이는 데 필요한 일은 얼마입니까?
다 풀었으면 정답 확인
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