미적분Ⅱ여러 가지 미분법수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

물통 수면 높이 변화율

문제

그림과 같이 높이가 100cm100 \mathrm{cm}이고 윗면은 반지름이 50cm50 \mathrm{cm}, 아랫면은 반지름이 30cm30 \mathrm{cm}인 원으로 된 원뿔대 모양의 물통에 물이 가득 차 있었다. 이 물통의 바닥에 구멍이 나서 바닥에서부터 수면까지의 높이가 hcmh \mathrm{cm}일 때 매초 4hcm3\displaystyle 4 \sqrt{h} \mathrm{cm} ^{3}의 양으로 물이 새어 나가고 있다. h=50h = 50일 때 높이의 순간 변화율은? (단위는 cm/sec\mathrm{cm} / \sec)

[4점] 202π×102\displaystyle - \frac{20 \sqrt{2}}{\pi} \times 10 ^{- 2}52π×102\displaystyle - \frac{5 \sqrt{2}}{\pi} \times 10 ^{- 2}2029π×102\displaystyle - \frac{20 \sqrt{2}}{9 \pi} \times 10 ^{- 2}524π×102\displaystyle - \frac{5 \sqrt{2}}{4 \pi} \times 10 ^{- 2}425π×102\displaystyle - \frac{4 \sqrt{2}}{5 \pi} \times 10 ^{- 2}

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해설

높이가 hh일 때 수면의 반지름을 rr, 부피를 VV라 하자. 그림에서 50:30=(100+x):x50 : 30 = ( 100 + x ) : x x=150\therefore x = 150 r:(h+150)=50:250r : ( h + 150 ) = 50 : 250 r=15(h+150)\displaystyle \therefore r = \frac{1}{5} ( h + 150 ) V=13π125(h+150)313π302150\displaystyle V = \frac{1}{3} \pi \cdot \frac{1}{25} ( h + 150 ) ^{3} - \frac{1}{3} \pi \cdot 30 ^{2} \cdot 150 dVdt=125π(h+150)2dhdt\displaystyle \frac{dV}{dt} = \frac{1}{25} \pi \left( h + 150 \right) ^{2} \cdot \frac{dh}{dt} 4h=125π(h+150)2dhdt\displaystyle - 4 \sqrt{h} = \frac{1}{25} \pi \left( h + 150 \right) ^{2} \cdot \frac{dh}{dt} dhdt=100hπ(h+150)2\displaystyle \therefore \frac{dh}{dt} = \frac{- 100 \sqrt{h}}{\pi \left( h + 150 \right) ^{2}} (dhdt)h=50=10050π2002=524π×102\displaystyle \therefore \left( \frac{dh}{dt} \right) _{h = 50} = \frac{- 100 \sqrt{50}}{\pi \cdot 200 ^{2}} = - \frac{5 \sqrt{2}}{4 \pi} \times 10 ^{- 2} [별해]

30:150=r:(150+h)30 : 150 = r : ( 150 + h ) r=30+h5\displaystyle \therefore r = 30 + \frac{h}{5} V=π3{(30+h5)2(h+150)302×150}\displaystyle V = \frac{\pi}{3} \left\{ \left( 30 + \frac{h}{5} \right) ^{2} ( h + 150 ) - 30 ^{2} \times 150 \right\} dVdt=π3{2(30+h5)×15(h+150)\displaystyle \frac{dV}{dt} = \frac{\pi}{3} \left\{ 2 \left( 30 + \frac{h}{5} \right) \times \frac{1}{5} ( h + 150 ) \right.+(30+h5)2}dhdt\displaystyle + \left( 30 + \frac{h}{5} \right) ^{2} \} \frac{dh}{dt} h=50h = 50일 때, 450=π3×4800×dhdt\displaystyle - 4 \sqrt{50} = \frac{\pi}{3} \times 4800 \times \frac{dh}{dt} dhdt=1π×4×5×21600\displaystyle \therefore \frac{dh}{dt} = - \frac{1}{\pi} \times \frac{4 \times 5 \times \sqrt{2}}{1600}=524π×102\displaystyle = - \frac{5 \sqrt{2}}{4 \pi} \times 10 ^{-2}

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