문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

밀도·질량과 질량중심

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

CLP-2 · 2.3절 · 26번대학 수준우리말 번역

(a) y=exy = e^x, x=0x = 0, x=1x = 1, y=−1y = -1 로 둘러싸인 영역의 무게중심의 yy 좌표를 구하세요.

(b) (a)의 영역을 직선 y=−1y = -1 을 축으로 회전시켜 생기는 회전체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find the yy–coordinate of the centroid of the region bounded by y=exy = e^x, x=0x = 0, x=1x = 1, and y=−1y = -1.

(b) Calculate the volume of the solid generated by rotating the region from part (a) about the line y=−1y = -1.

정답·풀이 보기

(a) 다음은 주어진 영역의 그림이며, 이 영역을 RR 라 하자.

그림

RR 의 위쪽 경계는 방정식 y=T(x)=exy=T(x)=e^x 이고, 아래쪽 경계는 방정식 y=B(x)=−1y=B(x)=-1 이며 xx 는 00 에서 11 까지 변한다. 따라서 세로로 가느다란 띠를 이용하면 RR 의 넓이는 다음과 같다.

A=∫01[T(x)−B(x)] dx=∫01[ex−(−1)] dx=∫01[ex+1] dx=[ex+x]01=e\begin{aligned} A & = \int_0^1 \big[T(x)-B(x)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x-(-1)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x+1\big]\,\mathrm{d}x = \big[e^x+x\big]_0^1 = e \end{aligned}

그리고

yˉ=12A∫01[T(x)2−B(x)2] dx=12e∫01[e2x−1 ] dx=12e[e2x2−x]01=12e(e22−1−12)=e4−34e\begin{aligned} \bar y &=\frac{1}{2A} \int_0^1 \big[T(x)^2-B(x)^2\big]\,\mathrm{d}x \\ &= \frac{1}{2e}\int_0^1 \big[ e^{2x} - 1\ \big] \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2e} \bigg[\frac{e^{2x}}{2} - x \bigg]_0^1 \\ &=\frac{1}{2e} \bigg(\frac{e^2}{2} - 1 - \frac{1}{2} \bigg) = \frac{e}{4} - \frac{3}{4e} \end{aligned}

(b) RR 를 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시킬 때의 부피를 계산하기 위해

  • 위 그림과 같이 폭이 dx\mathrm{d}x 인 가느다란 세로 띠를 이용한다.

  • 직선 y=−1y=-1 을 축으로 회전시키면 각 띠는 얇은 원판을 만들어 내며,

  • 이 원판의 반지름은 r=T(x)−B(x)=ex+1r=T(x)-B(x)=e^x+1 이고,

  • 두께는 dx\mathrm{d}x 이며, 따라서

  • 부피는 πr2 dx=π(ex+1)2 dx\pi r^2\,\mathrm{d}x = \pi(e^x+1)^2\,\mathrm{d}x 이다.

  • 가장 왼쪽 띠가 x=0x=0 에 있고 가장 오른쪽 띠가 x=1x=1 에 있으므로, 전체 부피는 다음과 같다.

π∫01(ex+1)2 dx=π∫01(e2x+2ex+1) dx=π[e2x2+2ex+x]01=π[(e22+2e+1)−(12+2+0)]=π(e22+2e−32)\begin{aligned} \pi \int_0^1 (e^x+1)^2\,\mathrm{d}x &=\pi \int_0^1 (e^{2x}+2e^x+1)\,\mathrm{d}x =\pi\bigg[\frac{e^{2x}}{2}+2e^x + x\bigg]_0^1 \\ &=\pi\bigg[\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e + 1\Big) -\Big(\frac{1}{2}+2 + 0\Big)\bigg] \\ &=\pi\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e -\frac{3}{2}\Big) \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Here is a sketch of the specified region, which we shall call RR.

figure

The top of RR has equation y=T(x)=exy=T(x)=e^x, the bottom has equation y=B(x)=−1y=B(x)=-1 and xx runs from 00 to 11. So, using vertical strips, we see that RR has area

A=∫01[T(x)−B(x)] dx=∫01[ex−(−1)] dx=∫01[ex+1] dx=[ex+x]01=e\begin{aligned} A & = \int_0^1 \big[T(x)-B(x)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x-(-1)\big]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \big[e^x+1\big]\,\mathrm{d}x = \big[e^x+x\big]_0^1 = e \end{aligned}

and

yˉ=12A∫01[T(x)2−B(x)2] dx=12e∫01[e2x−1 ] dx=12e[e2x2−x]01=12e(e22−1−12)=e4−34e\begin{aligned} \bar y &=\frac{1}{2A} \int_0^1 \big[T(x)^2-B(x)^2\big]\,\mathrm{d}x \\ &= \frac{1}{2e}\int_0^1 \big[ e^{2x} - 1\ \big] \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2e} \bigg[\frac{e^{2x}}{2} - x \bigg]_0^1 \\ &=\frac{1}{2e} \bigg(\frac{e^2}{2} - 1 - \frac{1}{2} \bigg) = \frac{e}{4} - \frac{3}{4e} \end{aligned}

(b) To compute the volume when RR is rotated about the line y=−1y=-1

  • we use thin vertical strips of width dx\mathrm{d}x as in the figure above.

  • When we rotate about the line y=−1y=-1, each strip sweeps out a thin disk

  • whose radius is r=T(x)−B(x)=ex+1r=T(x)-B(x)=e^x+1 and

  • whose thickness is dx\mathrm{d}x and hence

  • whose volume is πr2 dx=π(ex+1)2 dx\pi r^2\,\mathrm{d}x = \pi(e^x+1)^2\,\mathrm{d}x.

  • As our leftmost strip is at x=0x=0 and our rightmost strip is at x=1x=1, the total volume is

π∫01(ex+1)2 dx=π∫01(e2x+2ex+1) dx=π[e2x2+2ex+x]01=π[(e22+2e+1)−(12+2+0)]=π(e22+2e−32)\begin{aligned} \pi \int_0^1 (e^x+1)^2\,\mathrm{d}x &=\pi \int_0^1 (e^{2x}+2e^x+1)\,\mathrm{d}x =\pi\bigg[\frac{e^{2x}}{2}+2e^x + x\bigg]_0^1 \\ &=\pi\bigg[\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e + 1\Big) -\Big(\frac{1}{2}+2 + 0\Big)\bigg] \\ &=\pi\Big(\frac{e^{2}}{2}+2e -\frac{3}{2}\Big) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 2.3절 · 2번우리말 번역

대칭성을 이용하여, 원점을 중심으로 하는 단위원의 내부이면서 역시 원점을 중심으로 하는 가로 1, 세로 0.5인 직사각형의 외부에 있는 영역의 무게중심을 구하세요.

그림

답 쓰고 채점
다 풀었으면 정답 확인

원과 잘라 낸 직사각형은 xx 축에 대해서도, yy 축에 대해서도 대칭이므로 무게중심은 원점이다.

참고: 영역의 무게중심이 반드시 그 영역에 속하는 점일 필요는 없다!

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CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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