유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

15문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 3.1절 · 37번우리말 풀이

[계산기 사용] 다음 위치함수 y=s(t)y=s(t) 로 직선 위를 움직이는 물체가 있어요. 여기서 tt 는 초, ss 는 미터 단위예요. 다음을 구하세요.

a. t=2t=2 에서 t=2+ht=2+h 까지의 평균속도를 간단히 나타낸 식 b. t=2t=2 와 t=2+ht=2+h 사이의 평균속도. 단, (i) h=0.1h=0.1, (ii) h=0.01h=0.01, (iii) h=0.001h=0.001, (iv) h=0.0001h=0.0001 c. a의 결과를 이용해 t=2t=2 초에서의 순간속도를 어림하기

s(t)=2t3+3s(t)=2t^3+3

영어 원문 보기

[T] For the following position functions y=s(t),y=s(t), an object is moving along a straight line, where tt is in seconds and ss is in meters. Find

a. the simplified expression for the average velocity from t=2t=2 to t=2+h;t=2+h; b. the average velocity between t=2t=2 and t=2+h,t=2+h, where (i) h=0.1,\text{(i)}\,h=0.1, (ii) h=0.01,\text{(ii)}\,h=0.01, (iii) h=0.001,\text{(iii)}\,h=0.001, and (iv) h=0.0001;\text{(iv)}\,h=0.0001; and c. use the answer from a. to estimate the instantaneous velocity at t=2t=2 second.

s(t)=2t3+3s(t)=2{t}^{3}+3

풀이 보기

평균속도는 (위치의 변화량)÷(걸린 시간)이고, 시간 간격 hh 를 0에 가깝게 하면 순간속도(미분계수)에 가까워져요.

  1. 1

    평균속도의 식을 세워요. 평균속도는 위치가 얼마나 변했는지를 걸린 시간으로 나눈 값이에요. t=2t=2 에서 t=2+ht=2+h 까지 걸린 시간은 hh 이므로 s(2+h)−s(2)h\frac{s(2+h)-s(2)}{h} 를 계산하면 돼요. 먼저 s(2)=2⋅23+3=19s(2)=2\cdot 2^3+3=19 예요.

  2. 2

    s(2+h)s(2+h) 를 전개해요. (2+h)3=8+12h+6h2+h3(2+h)^3=8+12h+6h^2+h^3 이므로 s(2+h)=2(8+12h+6h2+h3)+3=19+24h+12h2+2h3s(2+h)=2(8+12h+6h^2+h^3)+3=19+24h+12h^2+2h^3 예요. 그러면 s(2+h)−s(2)=24h+12h2+2h3s(2+h)-s(2)=24h+12h^2+2h^3 이에요.

  3. 3

    hh 로 나누어 간단히 해요. 분자의 모든 항에 hh 가 들어 있으니 약분할 수 있어요. 24h+12h2+2h3h=24+12h+2h2=2(h2+6h+12)\frac{24h+12h^2+2h^3}{h}=24+12h+2h^2=2(h^2+6h+12) 이것이 a의 답이에요.

  4. 4

    b: hh 값을 차례로 넣어요. 2(h2+6h+12)2(h^2+6h+12) 에 대입하면

    • h=0.1h=0.1: 2(0.01+0.6+12)=25.222(0.01+0.6+12)=25.22 (m/s)
    • h=0.01h=0.01: 2(0.0001+0.06+12)=24.1202≈24.122(0.0001+0.06+12)=24.1202\approx 24.12 (m/s)
    • h=0.001h=0.001: 24.012≈24.0124.012\approx 24.01 (m/s)
    • h=0.0001h=0.0001: 24.0012≈24.0024.0012\approx 24.00 (m/s)
  5. 5

    c: 값이 어디로 다가가는지 봐요. hh 가 작아질수록 평균속도가 2424 에 가까워져요. 식으로도 h→0h\to 0 이면 2(h2+6h+12)→2⋅12=242(h^2+6h+12)\to 2\cdot 12=24 예요. 그러므로 t=2t=2 초의 순간속도는 2424 m/s 예요.

답

a. 2(h2+6h+12)2(h^2+6h+12) b. (i) 25.2225.22 m/s (ii) 24.1224.12 m/s (iii) 24.0124.01 m/s (iv) 2424 m/s c. 2424 m/s

자주 하는 실수

(2+h)3(2+h)^3 을 8+h38+h^3 으로 잘못 전개하는 실수가 많아요. 12h+6h212h+6h^2 항을 꼭 챙기세요.

원본 교재 풀이(영어)

a. 2(h2+6h+12);2({h}^{2}+6h+12); b. (i) 25.22\text{(i)}\,25.22 m/s, (ii) 24.12\text{(ii)}\,24.12 m/s, (iii) 24.01\text{(iii)}\,24.01 m/s, (iv) 24\text{(iv)}\,24 m/s; c. 2424 m/s

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.1절 · 25번
2.OpenStax 1권 · 3.4절 · 18번우리말 풀이

[계산기 사용]

a. 계산기나 컴퓨터 프로그램으로 인구를 가장 잘 나타내는 일차함수(최적 직선)를 구하세요. b. a에서 구한 식을 미분하고, 그 물리적 의미를 설명하세요. c. 그 식의 이계도함수를 구하고, 그 물리적 의미를 설명하세요.

영어 원문 보기

[T]

a. Using a calculator or a computer program, find the best-fit linear function to measure the population. b. Find the derivative of the equation in a. and explain its physical meaning. c. Find the second derivative of the equation and explain its physical meaning.

풀이 보기

일차함수 P(t)=at+bP(t)=at+b의 도함수는 기울기 aa 하나뿐이고, 이계도함수는 00이에요.

  1. 1

    (a) 문제의 자료 표를 계산기에 입력해 일차 회귀(최소제곱 직선)를 구해요. 결과는 P(t)=0.03983t+0.4280P(t)=0.03983t+0.4280이에요.

  2. 2

    (b) 일차함수 at+bat+b를 미분하면 상수 aa예요. P′(t)=0.03983P'(t)=0.03983이고, 이 값은 양수이므로 인구가 시간에 따라 증가하고 있다는 뜻이에요. 증가 속도는 단위 시간당 약 0.039830.03983이에요.

  3. 3

    (c) 상수를 미분하면 00이므로 P′′(t)=0P''(t)=0이에요. 인구가 증가하는 속도가 변하지 않고 일정하다는 뜻이에요.

답

(a) P(t)=0.03983t+0.4280P(t)=0.03983t+0.4280 (b) P′(t)=0.03983P'(t)=0.03983, 인구가 증가하고 있다 (c) P′′(t)=0P''(t)=0, 증가 속도가 일정하다

자주 하는 실수

P′(t)P'(t)가 양수이니 P′′(t)P''(t)도 양수라고 착각해요. 이계도함수는 증가 속도가 변하는 정도이고, 직선이면 00이에요.

원본 교재 풀이(영어)

a. P(t)=0.03983+0.4280P(t)=0.03983+0.4280 b. P′(t)=0.03983.{P}^{'}(t)=0.03983. The population is increasing. c. P′′(t)=0.{P}^{''}(t)=0. The rate at which the population is increasing is constant.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.1절 · 1번
3.OpenStax 1권 · 4.7절 · 25번우리말 풀이

xx를 어떻게 정해야 두 도형의 넓이의 합이 최대가 되는지 구하세요.

영어 원문 보기

Choose xx to maximize the sum of their areas.

답 쓰고 채점
풀이 보기

넓이의 합이 아래로 볼록한 이차함수이면, 최댓값은 구간의 한쪽 끝에서 나와요.

  1. 1

    원문에는 앞 문제의 조건이 빠져 있어요. 길이 LL인 철사를 두 조각으로 잘라, 한 조각으로는 한 변의 길이가 xx인 정사각형을, 나머지로는 원을 만드는 상황으로 풀어 볼게요. 이때 xx의 범위는 0≤x≤L40\le x\le \frac{L}{4}이에요.

  2. 2

    먼저 넓이의 합을 xx로 나타내요. 정사각형의 둘레는 4x4x이므로 원의 둘레는 L−4xL-4x이고, 반지름은 r=L−4x2πr=\frac{L-4x}{2\pi}예요. 그래서 A(x)=x2+πr2=x2+(L−4x)24πA(x)=x^2+\pi r^2=x^2+\frac{(L-4x)^2}{4\pi}

  3. 3

    최대인 곳을 찾으려면 도함수를 봐요. A′(x)=2x−2(L−4x)πA'(x)=2x-\frac{2(L-4x)}{\pi}이고, 한 번 더 미분하면 A′′(x)=2+8π>0A''(x)=2+\frac{8}{\pi}>0이에요. 이계도함수가 항상 양수이므로 그래프는 아래로 볼록해요.

  4. 4

    아래로 볼록한 함수는 A′(x)=0A'(x)=0인 점에서 최솟값을 가지고, 최댓값은 구간의 양 끝점 중 하나에서 생겨요. 그래서 두 끝점의 값을 비교해요.

  5. 5

    x=0x=0이면 철사 전체로 원을 만든 것이라 A(0)=L24πA(0)=\frac{L^2}{4\pi}이고, x=L4x=\frac{L}{4}이면 정사각형만 만든 것이라 A(L4)=L216A\left(\frac{L}{4}\right)=\frac{L^2}{16}이에요. 14π>116\frac{1}{4\pi}>\frac{1}{16}이므로 A(0)A(0)이 더 커요. 따라서 x=0x=0일 때 넓이의 합이 최대예요.

답

x=0x=0

자주 하는 실수

도함수가 0인 점이 곧 최댓값이라고 생각하기 쉬워요. 아래로 볼록하면 그 점은 최솟값이고, 최댓값은 끝점에서 찾아야 해요.

원본 교재 풀이(영어)

00

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.7절 · 37번
4.OpenStax 1권 · 4.7절 · 37번우리말 풀이

[계산기 사용] 직선 y=5−2xy=5-2x 위에서 원점에 가장 가까운 점은 어디인가요?

영어 원문 보기

[T] Where is the line y=5−2xy=5-2x closest to the origin?

답 쓰고 채점
풀이 보기

거리 대신 거리의 제곱을 최소로 만들면 근호 없이 편하게 풀려요.

  1. 1

    왜 이렇게 할까요? 직선 위의 점은 (x, 5−2x)(x,\,5-2x) 로 쓸 수 있어서 변수가 xx 하나뿐이에요. 거리가 최소일 때 거리의 제곱도 최소이므로, 근호가 있는 거리 대신 제곱을 써요.

  2. 2

    거리의 제곱을 식으로 써요. D(x)=x2+(5−2x)2=5x2−20x+25D(x)=x^2+(5-2x)^2=5x^2-20x+25

  3. 3

    미분해서 0 이 되는 곳을 찾아요. D′(x)=10x−20=0  ⟹  x=2D'(x)=10x-20=0\;\Longrightarrow\;x=2

  4. 4

    최솟값인지 확인해요. D′′(x)=10>0D''(x)=10>0 이므로 아래로 볼록한 이차함수라서 x=2x=2 에서 최소예요.

  5. 5

    점의 좌표를 구해요. y=5−2⋅2=1y=5-2\cdot2=1 이므로 가장 가까운 점은 (2,1)(2,1) 이에요.

답

(2,1)(2,1)

자주 하는 실수

거리 x2+y2\sqrt{x^2+y^2} 을 그대로 미분하느라 식이 복잡해지거나, xx 만 구하고 yy 좌표를 쓰지 않아요.

원본 교재 풀이(영어)

(2,1)(2,1)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 4.3절 · 9번
5.CLP-1 · 2.3절 · 2번우리말 번역

p(t)p(t) 가 위젯 tt 개를 판매하여 얻는 이익을 나타내는 함수라고 하자. p′(t)p'(t) 의 실제적인 의미는 무엇인지 설명하세요.

영어 원문 보기

Suppose p(t)p(t) is a function that gives the profit generated by selling tt widgets. What is the practical interpretation of p′(t)p'(t)?

정답·풀이 보기

p′(t)=lim⁡h→0p(t+h)−p(t)h≈p(t+1)−p(t)1=p(t+1)−p(t)p'(t) = \displaystyle\lim_{h \rightarrow 0}\frac{p(t+h)-p(t)}{h} \approx \frac{p(t+1)-p(t)}{1} = p(t+1)-p(t) 이므로, (t+1)st(t+1)^{\mathrm{st}} 번째 위젯을 판매함으로써 생기는 이익의 차이이다. 따라서 p′(t)p'(t) 는 (t+1)st(t+1)^{\mathrm{st}} 번째 위젯에서 얻는 이익이다. 즉, p′(t)p'(t) 는 tt 개의 위젯이 판매되고 있을 때 위젯 한 개를 추가로 판매할 때마다 늘어나는 이익이다. 이를 tt 개의 위젯이 판매되고 있을 때의 위젯당 한계이익이라고 한다.

원본 교재 풀이(영어)

p′(t)=lim⁡h→0p(t+h)−p(t)h≈p(t+1)−p(t)1=p(t+1)−p(t)p'(t) = \displaystyle\lim_{h \rightarrow 0}\frac{p(t+h)-p(t)}{h} \approx \frac{p(t+1)-p(t)}{1} = p(t+1)-p(t), or the difference in profit caused by the sale of the (t+1)st(t+1)^{\mathrm{st}} widget. So, p′(t)p'(t) is the profit from the (t+1)st(t+1)^{\mathrm{st}} widget. That is, p′(t)p'(t) is the profit per additional widget sold, when tt widgets are being sold. This is called the marginal profit per widget, when tt widgets are being sold.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 2.1절 · 3번
# 평균변화율과 미분계수활용보통자동 분류
6.CLP-1 · 2.3절 · 3번우리말 번역

T(d)T(d) 는 수면 아래 dd 미터의 특정 위치에서 물의 온도를 나타낸다. T′(d)T'(d) 의 물리적 의미는 무엇인지 설명하세요. T′(d)T'(d) 의 크기는 dd 가 0 에 가까울 때와 dd 가 매우 클 때 중 어느 쪽에서 더 클 것으로 예상하는지 설명하세요.

영어 원문 보기

T(d)T(d) gives the temperature of water at a particular location dd metres below the surface. What is the physical interpretation of T′(d)T'(d)? Would you expect the magnitude of T′(d)T'(d) to be larger when dd is near 0, or when dd is very large?

정답·풀이 보기

깊이가 단위 길이만큼 변할 때 온도가 얼마나 빠르게 변하는지를 나타내며, 단위는 도/미터이다. 보통의 물에서는 수면(d=0d=0) 근처의 온도는 햇빛에 따라 꽤 변하지만, 깊은 곳에서는 (열원이 없는 한) 더 안정적이다. 따라서 ∣T′(d)∣|T'(d)| 는 dd 가 0 에 가까울 때 더 클 것이라고 예상하는 것이 합리적이다.

원본 교재 풀이(영어)

How quickly the temperature is changing per unit change of depth, measured in degrees per metre. In an ordinary body of water, the temperature near the surface (d=0d=0) is pretty variable, depending on the sun, but deep down it is more stable (unless there are heat sources). So, one might reasonably expect that ∣T′(d)∣|T'(d)| is larger when dd is near 0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.3절 · 2번
# 평균변화율과 미분계수활용보통자동 분류
7.CLP-1 · 2.3절 · 5번우리말 번역

시각 tt 에서 움직이는 물체의 속도가 v(t)v(t) 로 주어진다. v′(t)v'(t) 는 무엇인가요?

영어 원문 보기

The velocity of a moving object at time tt is given by v(t)v(t). What is v′(t)v'(t)?

정답·풀이 보기

속도의 변화율은 가속도이다. (속도가 증가하면 가속하고 있는 것이고, 속도가 감소하면 음의 가속도를 가진다.)

원본 교재 풀이(영어)

The rate of change of velocity is acceleration. (If your velocity is increasing, you're accelerating; if your velocity is decreasing, you have negative acceleration.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.3절 · 4번
# 평균변화율과 미분계수활용보통자동 분류
8.CLP-1 · 2.3절 · 6번우리말 번역

함수 T(j)T(j) 는 물 한 컵에 jj 줄의 열을 가했을 때의 물의 온도를 섭씨 온도(도)로 나타낸다. T′(j)T'(j) 는 무엇인가요?

영어 원문 보기

The function T(j)T(j) gives the temperature in degrees Celsius of a cup of water after jj joules of heat have been added. What is T′(j)T'(j)?

정답·풀이 보기

이 경우 변화율은 가해 준 열과 온도 변화 사이의 관계가 된다. lim⁡h→0T(j+h)−T(j)h≈T(j+1)−T(j)1=T(j+1)−T(j)\displaystyle\lim_{h \rightarrow 0} \dfrac{T(j+h)-T(j)}{h} \approx \dfrac{T(j+1)-T(j)}{1}=T(j+1)-T(j) 이므로, 1줄의 열을 가한 뒤의 온도 변화량이다. (이것은 열용량 및 비열과 밀접하게 관련되어 있으며, 위키백과에 이에 대한 좋은 설명이 있다.)

원본 교재 풀이(영어)

The rate of change in this case will be the relationship between the heat added and the temperature change. lim⁡h→0T(j+h)−T(j)h≈T(j+1)−T(j)1=T(j+1)−T(j)\displaystyle\lim_{h \rightarrow 0} \dfrac{T(j+h)-T(j)}{h} \approx \dfrac{T(j+1)-T(j)}{1}=T(j+1)-T(j), or the change in temperature after the application of one joule. (This is closely related to heat capacity and to specific heat — there's a nice explanation of this on Wikipedia.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.3절 · 3번
# 평균변화율과 미분계수활용보통자동 분류
9.CLP-1 · 2.3절 · 7번우리말 번역

일정한 시간 동안 온도 TT 에 둔 세균 집단이 P(T)P(T) 개체로 늘어난다. P′(T)P'(T) 의 의미를 해석하세요.

영어 원문 보기

A population of bacteria, left for a fixed amount of time at temperature TT, grows to P(T)P(T) individuals. Interpret P′(T)P'(T).

정답·풀이 보기

늘 그렇듯이 도함수의 정의를 생각해 보면 도움이 된다. P′(T)=lim⁡h→0P(T+h)=P(T)h≈P(T+1)−P(t)1=P(T+1)−P(T).P'(T) = \displaystyle\lim_{h \rightarrow 0}\dfrac{P(T+h)=P(T)}{h} \approx \dfrac{P(T+1)-P(t)}{1} = P(T+1)-P(T). 이것은 온도가 1도 차이 나는 두 가상의 집단 사이의 개체 수 차이이다. 따라서 이는 온도가 더 높은 실험에서 추가로 존재하는 개체의 수이다(세균이 좋아하는 온도보다 더 높은 조건에서는 예상할 수 있듯이 이 수가 음수일 수도 있다). 그러므로 P′(T)P'(T) 는 온도 1도당 집단에 추가되는 세균의 수이다.

원본 교재 풀이(영어)

As usual, it is instructive to think about the definition of the derivative: P′(T)=lim⁡h→0P(T+h)=P(T)h≈P(T+1)−P(t)1=P(T+1)−P(T).P'(T) = \displaystyle\lim_{h \rightarrow 0}\dfrac{P(T+h)=P(T)}{h} \approx \dfrac{P(T+1)-P(t)}{1} = P(T+1)-P(T). This is the difference in population between two hypothetical populations, raised one degree in temperature apart. So, it is the number of extra individuals that exist in the hotter experiment (with the understanding that this number could be negative, as one would expect in conditions that are hotter than the bacteria prefer). So P′(T)P'(T) is the number of bacteria added to the colony per degree.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.3절 · 6번
# 평균변화율과 미분계수활용보통자동 분류
10.CLP-1 · 3.1절 · 7번우리말 번역

이 절에서는 지구에서 떨어지는 물체와 관련된 여러 문제를 낸다. 달리 언급하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력 가속도는 초당 초당 9.8미터(9.8 m/s²)라고 가정하세요.

당신은 2미터 떨어진 곳에 서 있는 친구에게 열쇠를 던집니다. 열쇠는 처음에 초속 2미터로 친구를 향해 움직이지만, 초당 초당 0.25미터의 비율로 느려집니다. 친구가 열쇠를 받으려고 반응할 수 있는 시간은 얼마인지 구하세요. 즉, 열쇠가 친구에게 닿기까지 날아가는 시간은 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.

You toss a key to your friend, standing two metres away. The keys initially move towards your friend at 2 metres per second, but slow at a rate of 0.25 metres per second per second. How much time does your friend have to react to catch the keys? That is–how long are the keys flying before they reach your friend?

답 쓰고 채점
초
정답·풀이 보기

s(t)s(t) 를 열쇠가 손을 떠난 뒤 이동한 거리라고 하자. 열쇠가 움직이는 속력 s′(t)s'(t) 는 초당 0.25미터씩 감소한다. 즉, s′′(t)=−0.25s''(t)=-0.25 이다. 따라서 어떤 상수 cc 에 대해 s′(t)=−0.25t+cs'(t)=-0.25t+c 이다. c=s′(0)=2c=s'(0)=2 이므로 s′(t)=2−0.25ts'(t)=2-0.25t 이다. 그러면 s(t)s(t) 는 2−0.25t2-0.25t 를 도함수로 가지므로, 어떤 상수 dd 에 대해 s(t)=2t−18t2+ds(t)=2t-\frac{1}{8}t^2+d 이다. 시각 t=0t=0 에서 열쇠는 아직 어디로도 움직이지 않았으므로 0=s(0)=d0=s(0)=d 이다. 따라서 s(t)=2t−18t2s(t)=2t-\frac{1}{8}t^2 이다.

열쇠가 친구에게 닿는 때는 s(t)=2s(t)=2 이고 t>0t>0 일 때이다. 즉:

2=2t−18t20=18t2−2t+2t=8±43\begin{aligned} 2&=2t-\frac{1}{8}t^2\\ 0&=\frac{1}{8}t^2-2t+2\\ t&=8\pm4\sqrt{3} \end{aligned}

이 tt 의 값 중 어느 것이 실제로 열쇠가 친구에게 닿는 시각인지 가려내야 한다. 열쇠는 t=0t=0 부터 친구에게 닿는 시각까지 이렇게 움직인다. (그 뒤에는 s(t)s(t) 가 열쇠의 움직임을 나타내지 않는다.) 그러므로 s(t)=2s(t)=2 를 만족하는 양수 tt 중 처음 값을 찾아야 한다. 8−43>08-4\sqrt{3}>0 이므로 이 값이 s(t)=2s(t)=2 이고 t>0t>0 인 첫 번째 시각이다. 따라서 열쇠가 친구에게 닿기까지 걸리는 시간은 8−43≈1 초8-4\sqrt{3}\approx 1~\text{초} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let s(t)s(t) be the distance your keys have travelled since they left your hand. The rate at which they are travelling, s′(t)s'(t), is decreasing by 0.25 metres per second. That is, s′′(t)=−0.25s''(t)=-0.25. Therefore, s′(t)=−0.25t+cs'(t)=-0.25t+c for some constant cc. Since c=s′(0)=2c=s'(0)=2, we see s′(t)=2−0.25ts'(t)=2-0.25t Then s(t)s(t) has 2−0.25t2-0.25t as its derivative, so s(t)=2t−18t2+ds(t)=2t-\frac{1}{8}t^2+d for some constant dd. At time t=0t=0, the keys have not yet gone anywhere, so 0=s(0)=d0=s(0)=d. Therefore, s(t)=2t−18t2s(t)=2t-\frac{1}{8}t^2

The keys reach your friend when s(t)=2s(t)=2 and t>0t>0. That is:

2=2t−18t20=18t2−2t+2t=8±43\begin{aligned} 2&=2t-\frac{1}{8}t^2\\ 0&=\frac{1}{8}t^2-2t+2\\ t&=8\pm4\sqrt{3} \end{aligned}

We need to figure out which of these values of tt is really the time when the keys reach your friend. The keys travel this way from t=0t=0 to the time they reach your friend. (Then s(t)s(t) no longer describes their motion.) So, we need to find the first value of tt that is positive with s(t)=2s(t)=2. Since 8−43>08-4\sqrt{3}>0, this is the first time s(t)=2s(t)=2 and t>0t>0. So, the keys take 8−43≈1 second8-4\sqrt{3}\approx 1~\text{second} to reach your friend.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 17번
# 속도와 가속도활용보통자동 분류
11.CLP-1 · 3.1절 · 9번우리말 번역

이 절에서는 지구에서 낙하하는 물체와 관련된 여러 문제를 낸다. 달리 언급하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력에 의한 가속도는 매초 매초 9.8미터라고 가정하세요.

당신은 시속 120 km로 달리고 있으며, 100미터 안에 멈춰야 합니다. 브레이크는 얼마만큼의 감속도를 내야 하는지 구하세요. 브레이크가 일정한 감속도를 만든다고 가정해도 됩니다.

영어 원문 보기

For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.

You are driving at 120 kph, and need to stop in 100 metres. How much deceleration do your brakes need to provide? You may assume the brakes cause a constant deceleration.

정답·풀이 보기

브레이크가 내는 감속도를 d kmhr2d~\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{hr}^2} 이라 하자. 그러면 v(t)v(t) 가 자동차의 속도일 때 v(t)=120−dtv(t)=120-dt 이다 (t=0t=0 에서 속도는 120이고, 1시간마다 시속 dd km씩 감소한다). 자동차는 0=v(t)0=v(t) 일 때 멈추므로 t=120dt=\frac{120}{d} 시간이다.

s(t)s(t) 를 브레이크를 밟은 지 tt 시간 후까지 자동차가 이동한 거리라 하자. 그러면 s′(t)=v(t)s'(t)=v(t) 이므로 어떤 상수 cc 에 대해 s(t)=120t−d2t2+cs(t)=120t-\frac{d}{2}t^2+c 이다. 0=s(0)=c0=s(0)=c 이므로

s(t)=120t−d2t2s(t)=120t-\frac{d}{2}t^2

자동차는 100미터, 즉 110\frac{1}{10} 킬로미터 안에 멈춰야 한다. 앞에서 정지하는 데 걸리는 시간이 t=120dt=\frac{120}{d} 임을 구했다. 따라서

110=s(120d)110=120(120d)−d2(120d)2양변에 d 를 곱하면:d10=1202−12022d=5⋅1202\begin{aligned} \frac{1}{10}&=s\left(\frac{120}{d}\right)\\ \frac{1}{10}&=120\left(\frac{120}{d}\right)-\frac{d}{2}\left(\frac{120}{d}\right)^2\\ \\ \text{양변에 $d$ 를 곱하면:} \\ \frac{d}{10}&=120^2-\frac{120^2}{2}\\ d&=5\cdot 120^2 \end{aligned}

따라서 브레이크는 1시간당 시속 72 000 km의 감속도를 내야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

Suppose the deceleration provided by the brakes is d kmhr2d~\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{hr}^2}. Then if v(t)v(t) is the velocity of the car, v(t)=120−dtv(t)=120-dt (at t=0t=0, the velocity is 120, and it decreases by dd kph per hour). The car stops when 0=v(t)0=v(t), so t=120dt=\frac{120}{d} hours.

Let s(t)s(t) be the distance the car has travelled tt hours after applying the brakes. Then s′(t)=v(t)s'(t)=v(t), so s(t)=120t−d2t2+cs(t)=120t-\frac{d}{2}t^2+c for some constant cc. Since 0=s(0)=c0=s(0)=c, s(t)=120t−d2t2s(t)=120t-\frac{d}{2}t^2

The car needs to stop in 100 metres, which is 110\frac{1}{10} kilometres. We already found that the stopping time is t=120dt=\frac{120}{d}. So:

110=s(120d)110=120(120d)−d2(120d)2Multiplying both sides by d:d10=1202−12022d=5⋅1202\begin{aligned} \frac{1}{10}&=s\left(\frac{120}{d}\right)\\ \frac{1}{10}&=120\left(\frac{120}{d}\right)-\frac{d}{2}\left(\frac{120}{d}\right)^2\\ \\ \text{Multiplying both sides by $d$:} \\ \frac{d}{10}&=120^2-\frac{120^2}{2}\\ d&=5\cdot 120^2 \end{aligned}

So, the brakes need to apply 72 000 kph per hour of deceleration.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.4절 · 10번
# 속도와 가속도활용보통자동 분류
12.CLP-1 · 3.1절 · 11번우리말 번역

이 절에서는 지구에서 떨어지는 물체와 관련된 여러 문제를 다룹니다. 따로 언급하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력 가속도는 초당 초당 9.8미터라고 가정하세요.

이륙 약 8.5분 후 미국 우주왕복선은 궤도 속도인 시속 17 500마일에 도달했습니다. 가속도가 상수였다고 가정할 때, 그 8.5분 동안 얼마나 멀리 이동했는지 구하세요.

(출처: https://www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/shuttlemissions/sts121/launch/qa-leinbach.html)

영어 원문 보기

For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.

About 8.5 minutes after liftoff, the US space shuttle has reached orbital velocity, 17 500 miles per hour. Assuming its acceleration was constant, how far did it travel in those 8.5 minutes?

(Source: https://www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/shuttlemissions/sts121/launch/qa-leinbach.html)

정답·풀이 보기

가속도가 상수였다면 가속도는 17500 mph8.560 hr≈123500 mileshr2\frac{17 500~\mathrm{mph}}{\frac{8.5}{60}~\mathrm{hr}} \approx 123 500 ~\frac{\mathrm{miles}}{\mathrm{hr}^2} 이다.

따라서 이륙 tt시간 후의 속도는 v(t)=123500tv(t)=123500t 이다. 그러므로 이륙 tt시간 후 왕복선의 위치는 (초기 위치를 s(0)=0s(0)=0으로 놓으면) s(t)=1235002t2=61750t2s(t)=\frac{123500}{2}t^2=61750t^2 이다. 따라서 8.560\frac{8.5}{60}시간 후 왕복선이 이동한 거리는 s(8.560)=(61750)(8.560)2≈1240 miless\left(\frac{8.5}{60}\right)=(61750)\left(\frac{8.5}{60}\right)^2\approx 1240 ~\mathrm{miles} 이며, 이는 2000킬로미터보다 조금 짧은 거리이다.

원본 교재 풀이(영어)

If the acceleration was constant, then it was 17500 mph8.560 hr≈123500 mileshr2\frac{17 500~\mathrm{mph}}{\frac{8.5}{60}~\mathrm{hr}} \approx 123 500 ~\frac{\mathrm{miles}}{\mathrm{hr}^2}

So, the velocity tt hours from liftoff is v(t)=123500tv(t)=123500t Therefore, the position of the shuttle tt hours from liftoff (taking s(0)=0s(0)=0 to be its initial position) is s(t)=1235002t2=61750t2s(t)=\frac{123500}{2}t^2=61750t^2 So, after 8.560\frac{8.5}{60} hours, the shuttle has travelled s(8.560)=(61750)(8.560)2≈1240 miless\left(\frac{8.5}{60}\right)=(61750)\left(\frac{8.5}{60}\right)^2\approx 1240 ~\mathrm{miles} or a little less than 2000 kilometres.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 13번
# 속도와 가속도활용보통자동 분류
13.CLP-1 · 3.1절 · 13번우리말 번역

이 절에서는 지구에서 떨어지는 물체에 관한 여러 문제를 다룹니다. 따로 말하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력 가속도는 초당 초당 9.8미터라고 가정하세요.

송골매는 시속 325 km의 속력으로 급강하할 수 있습니다. 돌을 떨어뜨린다면, 그 돌이 떨어지면서 같은 속력에 이르려면 얼마나 높은 곳에 있어야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.

A peregrine falcon can dive at a speed of 325 kph. If you were to drop a stone, how high up would you have to be so that the stone reached the same speed in its fall?

정답·풀이 보기

중력에 의해 낙하하는 물체의 가속도는 초의 제곱당 9.89.8 미터이다. 따라서 떨어뜨린 지 tt초 후 물체의 속도는 v(t)=9.8t msv(t)=9.8t~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 이다. v(t)v(t) 가 송골매의 급강하 속력과 같아지게 하려면, 그 속력을 초속 미터로 바꾸어야 한다. 325 kmhr⋅(1000 m1 km)(1 hr3600 sec)=162518 ms325~\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{hr}}\cdot \left(\frac{1000~\mathrm{m}}{1~\mathrm{km}}\right)\left(\frac{1~\mathrm{hr}}{3600~\mathrm{sec}}\right)=\frac{1625}{18}~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 돌이 이 속도에 이르는 때는 9.8t=162518⇒t=162518(9.8)9.8t=\frac{1625}{18}\qquad\Rightarrow\qquad t=\frac{1625}{18(9.8)} 일 때이다.

이제 남은 것은 이 시간 동안 돌이 얼마나 떨어지는지 구하는 것이다. 돌의 위치 s(t)s(t) 의 도함수가 9.8t9.8t 이므로, s(0)=0s(0)=0 으로 잡으면 s(t)=4.9t2s(t)=4.9t^2 이다. 따라서 돌이 162518(9.8)\frac{1625}{18(9.8)} 초 동안 떨어지면, 그 시간 동안 이동한 거리는 s(162518(9.8))=4.9(162518(9.8))2≈416 ms\left(\frac{1625}{18(9.8)}\right)=4.9\left(\frac{1625}{18(9.8)}\right)^2\approx 416 ~\mathrm{m} 이다. 그러므로 돌이 송골매만큼 빠르게 떨어지게 하려면 약 416미터 높이에서 떨어뜨려야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

The acceleration of a falling object due to gravity is 9.89.8 metres per second squared. So, the object's velocity tt seconds after being dropped is v(t)=9.8t msv(t)=9.8t~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} We want v(t)v(t) to be the speed of the peregrine's dive, so we should convert that to metres per second: 325 kmhr⋅(1000 m1 km)(1 hr3600 sec)=162518 ms325~\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{hr}}\cdot \left(\frac{1000~\mathrm{m}}{1~\mathrm{km}}\right)\left(\frac{1~\mathrm{hr}}{3600~\mathrm{sec}}\right)=\frac{1625}{18}~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} The stone will reach this velocity when 9.8t=162518⇒t=162518(9.8)9.8t=\frac{1625}{18}\qquad\Rightarrow\qquad t=\frac{1625}{18(9.8)}

What is left to figure out is how far the stone will fall in this time. The position of the stone s(t)s(t) has derivative 9.8t9.8t, so s(t)=4.9t2s(t)=4.9t^2 if we take s(0)=0s(0)=0. So, if the stone falls for 162518(9.8)\frac{1625}{18(9.8)} seconds, in that time it travels s(162518(9.8))=4.9(162518(9.8))2≈416 ms\left(\frac{1625}{18(9.8)}\right)=4.9\left(\frac{1625}{18(9.8)}\right)^2\approx 416 ~\mathrm{m} So, you would have to drop a stone from about 416 metres for it to fall as fast as the falcon.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 9번
# 속도와 가속도활용보통자동 분류
14.CLP-1 · 3.1절 · 14번우리말 번역

이 절에서는 지구에서 떨어지는 물체와 관련된 여러 문제를 낸다. 달리 말하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력 가속도는 초당 초당 9.8 미터(9.8 m/s²)이라고 가정한다.

대포알을 초기 속도 v0v_0 로 공중에 쏘면 중력이 (다른 모든 힘은 무시할 때) 대포알을 다시 아래로 끌어내린다. 대포알이 100m 높이까지 올라갔다면 v0v_0 은 얼마였는지 구하세요.

영어 원문 보기

For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.

You shoot a cannon ball into the air with initial velocity v0v_0, and then gravity brings it back down (neglecting all other forces). If the cannon ball made it to a height of 100m, what was v0v_0?

답 쓰고 채점
m/s
정답·풀이 보기

중력만이 대포알을 끌어내리므로 대포알의 가속도는 상수 −9.8 ms2-9.8~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2} 이다. 따라서 v(t)=v0−9.8tv(t)=v_0-9.8t 이고, (s(0)=0s(0)=0 으로 두면) 높이는 s(t)=v0t−4.9t2s(t)=v_0t-4.9t^2 으로 주어진다.

최고 높이가 100 미터가 되도록 하는 v0v_0 의 값을 구하려 한다. 최고 높이에 도달하는 때는 v(t)=0v(t)=0 일 때이며, 그 시각은 t=v09.8t=\frac{v_0}{9.8} 이다. 그러므로 다음을 푼다.

100=s(v09.8)100=v0(v09.8)−4.9(v09.8)2100=(19.8−4.99.82)v02100=12⋅9.8v02v02=1960v0=1960≈44 ms\begin{aligned} 100&=s\left(\frac{v_0}{9.8}\right)\\ 100&=v_0\left(\frac{v_0}{9.8}\right)-4.9\left(\frac{v_0}{9.8}\right)^2\\ 100&=\left(\frac{1}{9.8}-\frac{4.9}{9.8^2}\right)v_0^2\\ 100&=\frac{1}{2\cdot 9.8}v_0^2\\ v_0^2&=1960\\ v_0&=\sqrt{1960}\approx 44~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} \end{aligned}

대포알이 땅에서 떠오르려면 v0v_0 이 양수여야 하므로 양의 제곱근을 택한다.

원본 교재 풀이(영어)

Since gravity alone brings your cannon ball down, its acceleration is a constant −9.8 ms2-9.8~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}. So, v(t)=v0−9.8tv(t)=v_0-9.8t and thus its height is given by s(t)=v0t−4.9t2s(t)=v_0t-4.9t^2 (if we set s(0)=0s(0)=0).

We want to know what value of v0v_0 makes the maximum height 100 metres. The maximum height is reached when v(t)=0v(t)=0, which is at time t=v09.8t=\frac{v_0}{9.8}. So, we solve:

100=s(v09.8)100=v0(v09.8)−4.9(v09.8)2100=(19.8−4.99.82)v02100=12⋅9.8v02v02=1960v0=1960≈44 ms\begin{aligned} 100&=s\left(\frac{v_0}{9.8}\right)\\ 100&=v_0\left(\frac{v_0}{9.8}\right)-4.9\left(\frac{v_0}{9.8}\right)^2\\ 100&=\left(\frac{1}{9.8}-\frac{4.9}{9.8^2}\right)v_0^2\\ 100&=\frac{1}{2\cdot 9.8}v_0^2\\ v_0^2&=1960\\ v_0&=\sqrt{1960}\approx 44~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} \end{aligned}

where we choose the positive square root because v0v_0 must be positive for the cannon ball to get off the ground.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 7번
# 속도와 가속도활용보통자동 분류
15.CLP-1 · 3.1절 · 15번우리말 번역

이 절에서는 지구에서 물체가 떨어지는 것과 관련된 여러 가지 문제를 냅니다. 달리 언급하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력에 의한 가속도는 1초당 초속 9.8미터라고 가정하세요.

시속 120 km로 달리고 있다가 1시간당 시속 5000050 000 km의 감속도로 브레이크를 밟기 시작했다고 합시다. 3초 동안 감속도를 1시간당 시속 6000060 000 km까지 꾸준히 늘립니다. (즉, 3초 동안 감속도의 변화율은 일정합니다.) 이 3초가 끝났을 때 시속 몇 km로 달리고 있는지 구하세요.

영어 원문 보기

For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.

Suppose you are driving at 120 kph, and you start to brake at a deceleration of 5000050 000 kph per hour. For three seconds you steadily increase your deceleration to 6000060 000 kph per hour. (That is, for three seconds, the rate of change of your deceleration is constant.) How fast are you driving at the end of those three seconds?

답 쓰고 채점
km/h
정답·풀이 보기

가속도의 도함수는 상수이므로 가속도 a(t)a(t) 는 mt+bmt+b 꼴이다. a(0)=−50 000a(0)=-50~000 이고 a(33600)=−60 000a\left(\frac{3}{3600}\right)=-60~000 이다. (여기서 33초는 33600\frac{3}{3600}시간임에 주목한다.) 따라서 a(t)a(t) 의 기울기는 −60 000+50 00033600=−12 000 000\frac{-60~000+50~000}{\frac{3}{3600}}=-12~000~000 이고, 이로부터 a(t)=−50 000−(12 000 000)ta(t)=-50~000-(12~000~000)t 를 얻는다. 여기서 tt 는 시간 단위로 잰 값이다.

v′(t)=a(t)=−50 000−(12 000 000)tv'(t)=a(t)=-50~000-(12~000~000)t 이므로 v(t)=−12 000 0002t2−50 000t+c=−6 000 000t2−50 000t+cv(t)=\frac{-12~ 000~000}{2}t^2-50~000t+c=-6~000~000t^2-50~000t+c 이다. 여기서 cc 는 어떤 상수이다. 120=v(0)=c120=v(0)=c 이므로 v(t)=−6 000 000t2−50 000t+120v(t)=-6~000~000t^2-50~000t+120 이다.

그러면 3초 동안 브레이크를 밟은 뒤의 속도는

v(33600)=−6 000 000(33600)2−50 000(33600)+120=−256−1253+120≈74.2 kph\begin{aligned}v\left(\frac{3}{3600}\right) &=-6~000~000\left(\frac{3}{3600}\right)^2-50~000\left(\frac{3}{3600}\right)+120\\ &=-\frac{25}{6}-\frac{125}{3}+120\\ &\approx 74.2 \text{ kph} \end{aligned}

이다.

참고: 가속도가 일정할 때 위치 함수는 이차함수이지만, 위치 함수가 항상 이차함수라고 생각하게 하려는 것은 아니다. 방금 푼 예에서는 속도 함수가 이차함수였다. 위치 함수, 속도 함수, 가속도 함수가 반드시 다항식일 필요는 전혀 없다. 가장 단순한 경우를 다루는 이 절에서만 그렇게 보일 뿐이다.

원본 교재 풀이(영어)

The derivative of acceleration is constant, so the acceleration a(t)a(t) has the form mt+bmt+b. We know a(0)=−50 000a(0)=-50~000 and a(33600)=−60 000a\left(\frac{3}{3600}\right)=-60~000 (where we note that 33 seconds is 33600\frac{3}{3600} hours). So, the slope of a(t)a(t) is −60 000+50 00033600=−12 000 000\frac{-60~000+50~000}{\frac{3}{3600}}=-12~000~000, which leads us to a(t)=−50 000−(12 000 000)ta(t)=-50~000-(12~000~000)t where tt is measured in hours.

Since v′(t)=a(t)=−50 000−(12 000 000)tv'(t)=a(t)=-50~000-(12~000~000)t, we see v(t)=−12 000 0002t2−50 000t+c=−6 000 000t2−50 000t+cv(t)=\frac{-12~ 000~000}{2}t^2-50~000t+c=-6~000~000t^2-50~000t+c for some constant cc. Since 120=v(0)=c120=v(0)=c: v(t)=−6 000 000t2−50 000t+120v(t)=-6~000~000t^2-50~000t+120

Then after three seconds of braking,

v(33600)=−6 000 000(33600)2−50 000(33600)+120=−256−1253+120≈74.2 kph\begin{aligned}v\left(\frac{3}{3600}\right) &=-6~000~000\left(\frac{3}{3600}\right)^2-50~000\left(\frac{3}{3600}\right)+120\\ &=-\frac{25}{6}-\frac{125}{3}+120\\ &\approx 74.2 \text{ kph} \end{aligned}

Remark: When acceleration is constant, the position function is a quadratic function, but we don't want you to get the idea that position functions are always quadratic functions–in the example you just did, it was the velocity function that was quadratic. Position, velocity, and acceleration functions don't have to be polynomial at all–it's only in this section, where we're dealing with the simplest cases, that they seem that way.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.4절 · 4번
# 속도와 가속도활용보통자동 분류