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

99문제 · 5 / 5쪽

81.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
82.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
83.CLP-1 · 2.3절 · 8번우리말 번역

나무 수레바퀴에 작은 못을 박습니다. R(t)R(t) 는 수레가 구르기 시작한 지 tt초 후까지 못이 회전한 횟수를 나타냅니다. 못이 얼마나 빠르게 회전하는지를 초당 도 단위로 나타내는 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

You hammer a small nail into a wooden wagon wheel. R(t)R(t) gives the number of rotations the nail has undergone tt seconds after the wagon started to roll. Give an equation for how quickly the nail is rotating, measured in degrees per second.

정답·풀이 보기

R′(t)R'(t) 는 바퀴가 회전하는 속도(변화율)을 초당 회전수로 나타낸 것이다. 이를 도 단위로 바꾸려면 360을 곱하면 되므로 360R′(t)\boxed{360R'(t)} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

R′(t)R'(t) is the rate at which the wheel is rotating measured in rotations per second. To convert to degrees, we multiply by 360: 360R′(t)\boxed{360R'(t)}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.3절 · 5번
# 평균변화율과 미분계수활용도전자동 분류
84.CLP-1 · 2.4절 · 12번우리말 번역

한 마을이 2000년에 세워졌다. tt 년이 지난 뒤 이 마을에서는 출생이 b(t)b(t) 명, 사망이 d(t)d(t) 명 있었다. 출생이나 사망 외에는 이 마을에 들어오거나 떠나는 사람이 없다(어이쿠). 이 마을의 인구가 증가하는 변화율을 나타내는 식을 쓰세요.

영어 원문 보기

A town is founded in the year 2000. After tt years, it has had b(t)b(t) births and d(t)d(t) deaths. Nobody enters or leaves the town except by birth or death (whoa). Give an expression for the rate the population of the town is growing.

정답·풀이 보기

인구 증가는 인구의 변화율이다. 2000+t2000+t 년의 인구는 P(t)=P0+b(t)−d(t)P(t)=P_0+b(t)-d(t) 로 주어진다. 여기서 P0P_0 는 마을의 처음 인구이다. 그러면 P′(t)P'(t) 가 우리가 구하는 식이고, P′(t)=b′(t)−d′(t)P'(t)=b'(t)-d'(t) 이다.

처음 인구가 이 계산에 뚜렷하게 나타나지 않는다는 점은 흥미롭다. 처음 인구는 아마 b(t)b(t) 와 d(t)d(t) 에 영향을 주겠지만, 이 둘을 알고 있다면 문제에 답하기 위해 P0P_0 를 알 필요는 없다.

원본 교재 풀이(영어)

Population growth is rate of change of population. Population in year 2000+t2000+t is given by P(t)=P0+b(t)−d(t)P(t)=P_0+b(t)-d(t), where P0P_0 is the initial population of the town. Then P′(t)P'(t) is the expression we're looking for, and P′(t)=b′(t)−d′(t)P'(t)=b'(t)-d'(t).

It is interesting to note that the initial population does not obviously show up in this calculation. It would probably affect b(t)b(t) and d(t)d(t), but if we know these we do not need to know P0P_0 to answer our question.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.4절 · 12번
# 다항함수의 미분법활용도전자동 분류
85.CLP-1 · 2.4절 · 15번우리말 번역

직사각형이 커지고 있습니다. 시각 t=0t=0 일 때 이 직사각형은 한 변의 길이가 1미터인 정사각형입니다. 가로의 길이는 초당 2미터의 일정한 비율로 증가하고, 세로의 길이는 초당 5미터의 일정한 비율로 증가합니다. 시각 t>0t>0 일 때 이 직사각형의 넓이는 얼마나 빠르게 증가하고 있는지 구하세요.

영어 원문 보기

A rectangle is growing. At time t=0t=0, it is a square with side length 1 metre. Its width increases at a constant rate of 2 metres per second, and its length increases at a constant rate of 5 metres per second. How fast is its area increasing at time t>0t>0?

답 쓰고 채점
m²/s
정답·풀이 보기

w(t)w(t) 와 l(t)l(t) 을 각각 직사각형의 가로와 세로의 길이라고 하자. 문제에서 w′(t)=2w'(t)=2 이고 l′(t)=5l'(t)=5 로 주어졌다. 두 함수의 기울기가 모두 상수이므로 두 함수는 모두 직선이다. 기울기는 주어져 있고 절편은 w(0)=l(0)=1w(0)=l(0)=1 이다. 따라서 w(t)=2t+1w(t)=2t+1 이고 l(t)=5t+1l(t)=5t+1 이다.

직사각형의 넓이는 A(t)=w(t)⋅l(t)A(t)=w(t)\cdot l(t) 이므로, 곱의 미분법을 이용하면 넓이가 증가하는 비율은 A′(t)=w′(t)l(t)+w(t)l′(t)=2(5t+1)+5(2t+1)=20t+7A'(t)=w'(t)l(t)+w(t)l'(t)=2(5t+1)+5(2t+1)=20t+7 제곱미터/초이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let w(t)w(t) and l(t)l(t) be the width and length of the rectangle. Given in the problem is that w′(t)=2w'(t)=2 and l′(t)=5l'(t)=5. Since both functions have constant slopes, both must be lines. Their slopes are given, and their intercepts are w(0)=l(0)=1w(0)=l(0)=1. So, w(t)=2t+1w(t)=2t+1 and l(t)=5t+1l(t)=5t+1.

The area of the rectangle is A(t)=w(t)⋅l(t)A(t)=w(t)\cdot l(t), so using the product rule, the rate at which the area is increasing is A′(t)=w′(t)l(t)+w(t)l′(t)=2(5t+1)+5(2t+1)=20t+7A'(t)=w'(t)l(t)+w(t)l'(t)=2(5t+1)+5(2t+1)=20t+7 square metres per second.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.4절 · 14번
# 다항함수의 미분법활용도전자동 분류
86.CLP-1 · 2.13절 · 1번우리말 번역

어떤 순록의 최고 속력이 시속 70 km이고, 1년 동안 5000 km를 이동한다고 합시다. 이 순록이 이동하는 동안 걸은 시간에 대해 무엇을 알 수 있나요?

영어 원문 보기

Suppose a particular caribou has a top speed of 70 kph, and in one year it migrates 5000 km. What do you know about the amount of time the caribou spent travelling during its migration?

정답·풀이 보기

순록의 최고 속력을 알고 있으므로, 이를 이용하여 순록이 이동하는 데 쓴 시간의 가능한 최솟값을 구할 수 있다. 순록이 시속 70 km로 이동하면 5000킬로미터를 이동하는 데 (5000km)(1hr70km)≈71.4hrs(5000 \mathrm{km})\left(\dfrac{1 \mathrm{hr}}{70 \mathrm{km}}\right) \approx 71.4 \mathrm{hrs} 가 걸린다. 순록이 내내 전속력으로 달리지는 않았을 것이므로 아마 그보다 더 오래 걸렸겠지만, 순록이 이동하는 데 적어도 약 71.4시간을 썼다는 것만은 확실하게 말할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

We know the top speed of the caribou, so we can use this to give the minimum possible number of hours the caribou spent travelling during its migration. If the caribou travels at 70kph, it will take (5000km)(1hr70km)≈71.4hrs(5000 \mathrm{km})\left(\dfrac{1 \mathrm{hr}}{70 \mathrm{km}}\right) \approx 71.4 \mathrm{hrs} to travel 5000 kilometres. Probably the caribou wasn't sprinting the whole time, so probably it took it longer than that, but we can only say for sure that the caribou spent at least about 71.4 hours migrating.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.4절 · 8번
# 롤의 정리와 평균값 정리활용기본자동 분류
87.CLP-1 · 2.13절 · 2번우리말 번역

이동하는 캐나다두루미 한 마리가 하루 동안 240 킬로미터를 날았다고 하자. 평균값 정리는 그날 이 두루미의 속력에 대해 무엇을 말해 주나요?

영어 원문 보기

Suppose a migrating sandhill crane flew 240 kilometres in one day. What does the mean value theorem tell you about its speed during that day?

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 가 시간 xx (단위: 시간)에서의 두루미의 위치라 하면, (x=0x=0 을 그날의 시작으로 두면) f(24)−f(0)=240f(24)-f(0)=240 임을 알 수 있다. f(x)f(x) 는 새의 위치이므로 f(x)f(x) 는 연속이고 미분가능하다. 따라서 평균값 정리에 의해 (0,24)(0,24) 에 속하는 어떤 cc 가 존재하여 f′(x)=f(24)−f(0)24−0=24024=10f'(x)=\dfrac{f(24)-f(0)}{24-0}=\dfrac{240}{24}=10 이다. 즉, 그날 어느 한 시점 cc 에서 두루미의 속력은 정확히 시속 10 킬로미터였다.

원본 교재 풀이(영어)

If f(x)f(x) is the position of the crane at time xx, measured in hours, then (if we let x=0x=0 be the beginning of the day) we know that f(24)−f(0)=240f(24)-f(0)=240. Since f(x)f(x) is the position of the bird, f(x)f(x) is continuous and differentiable. So, the MVT says there is a cc in (0,24)(0,24) such that f′(x)=f(24)−f(0)24−0=24024=10f'(x)=\dfrac{f(24)-f(0)}{24-0}=\dfrac{240}{24}=10. That is, at some point cc during the day, the speed of the crane was exactly 10 kph.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 1번
# 롤의 정리와 평균값 정리활용기본자동 분류
88.CLP-1 · 3.1절 · 2번우리말 번역

어떤 물체가 일정한 가속도로 움직인다고 하자. 이 물체가 1 ms1~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 에서 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 로 가속하는 데 10초가 걸린다. 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 에서 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 로 가속하는 데 걸리는 시간을 구하세요. 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 에서 13 ms13~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 로 가속하는 데 걸리는 시간을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose an object is moving with a constant acceleration. It takes ten seconds to accelerate from 1 ms1~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} to 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}. How long does it take to accelerate from 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} to 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}? How long does it take to accelerate from 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} to 13 ms13~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}?

정답·풀이 보기

가속도가 상수이므로 속도의 변화율이 상수이다. 따라서 속도가 1 m/s 증가하는 데(1 ms1~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 에서 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 로) 10초가 걸렸으므로, 속도가 1 m/s 증가하는 데에는 언제나 10초가 걸린다.

그러므로 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 에서 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 로 가속하는 데 10초가 걸린다. 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 에서 13 ms13~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} 로 가속하는 데(즉, 속도가 10 m/s 변하는 데)에는 10×10=10010\times 10=100초가 걸린다.

원본 교재 풀이(영어)

The acceleration is constant, which means the rate of change of the velocity is constant. So, since it took 10 seconds for the velocity to increase by 1 metre per second (from 1 ms1~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} to 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}), then it always takes 10 seconds for the velocity to increase by 1 metre per second.

So, it takes 10 seconds to accelerate from 2 ms2~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} to 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}. To accelerate from 3 ms3~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} to 13 ms13~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} (that is, to change its velocity by 10 metres per second), it takes 10×10=10010\times 10=100 seconds.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 1번
# 속도와 가속도활용기본자동 분류
89.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
90.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
91.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
92.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
93.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
94.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
95.CLP-1 · 3.1절 · 17번우리말 번역

어떤 물체가 매초 속도가 두 배가 되도록 움직인다고 하자. 이 물체의 가속도를 나타내는 식을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose an object is moving so that its velocity doubles every second. Give an expression for the acceleration of the object.

정답·풀이 보기

v(t)v(t) 를 물체의 속도라 하자. 주어진 정보로부터 다음을 얻는다.

  • v(0)v(0) 은 어떤 값이며, 이를 v0v_0 이라 한다,
  • v(1)=2v0v(1)=2v_0 (첫 번째 1초 동안 속력이 두 배가 되었으므로),
  • v(2)=2(2)v0v(2)=2(2)v_0 (두 번째 1초 동안 속력이 두 배가 되었으므로),
  • v(3)=2(2)(2)v0v(3)=2(2)(2)v_0, 이와 같은 식으로 계속된다. 따라서 일반적인 tt 에 대해 다음이 성립한다. v(t)=2tv(0)v(t)=2^tv(0) 가속도를 구하기 위해 간단히 미분하면 된다. ddx{2x}=2xlog⁡2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2^x\}=2^x\log 2 임을 기억하자. 여기서 log⁡\log 는 밑이 ee 인 로그를 뜻한다. a(t)=2tv0log⁡2a(t)=2^tv_0\log 2 참고: a(t)=v(t)log⁡2a(t)=v(t)\log 2 로 쓸 수도 있다. 가속도 역시 매초 두 배가 된다.
원본 교재 풀이(영어)

Let v(t)v(t) be the velocity of the object. From the given information:

  • v(0)v(0) is some value, call it v0v_0,
  • v(1)=2v0v(1)=2v_0 (since the speed doubled in the first second),
  • v(2)=2(2)v0v(2)=2(2)v_0 (since the speed doubled in the second second),
  • v(3)=2(2)(2)v0v(3)=2(2)(2)v_0, and so on. So, for general tt: v(t)=2tv(0)v(t)=2^tv(0) To find its acceleration, we simply differentiate. Recall ddx{2x}=2xlog⁡2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2^x\}=2^x\log 2, where log⁡\log denotes logarithm base ee. a(t)=2tv0log⁡2a(t)=2^tv_0\log 2 Remark: we can also write a(t)=v(t)log⁡2a(t)=v(t)\log 2. The acceleration doubles every second as well.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 16번
# 속도와 가속도활용도전자동 분류
96.Active Calculus · 1.5절 · 7번우리말 번역

환자에게 약물을 투여량 qq (단위: 밀리리터)만큼 투여했을 때 생기는 체온 변화 TT (단위: 화씨 도)는 함수 T=f(q)T = f(q) 로 주어진다.

(a) f(50)=0.75f(50) = 0.75 라고 하는 것은 무엇을 뜻하는지 단위를 바르게 사용하여 완전한 문장으로 설명하세요. (b) 약물에 대한 사람의 민감도 ss 는 함수 s(q)=f′(q)s(q) = f'(q) 로 정의된다. 민감도의 단위는 무엇인지 구하세요. (c) f′(50)=−0.02f'(50) = -0.02 라고 하자. 이 값의 의미를 완전한 문장으로 설명하세요. 답에 (a)에서 주어진 정보를 포함하세요.

영어 원문 보기

The temperature change TT (in Fahrenheit degrees), in a patient, that is generated by a dose qq (in milliliters), of a drug, is given by the function T=f(q)T = f(q).

(a) What does it mean to say f(50)=0.75f(50) = 0.75? Write a complete sentence to explain, using correct units. (b) A person's sensitivity, ss, to the drug is defined by the function s(q)=f′(q)s(q) = f'(q). What are the units of sensitivity? (c) Suppose that f′(50)=−0.02f'(50) = -0.02. Write a complete sentence to explain the meaning of this value. Include in your response the information given in (a).

정답·풀이 보기

(a) f(50)=0.75f(50) = 0.75 라는 것은 환자가 약물 5050 ml 를 투여하면 환자의 체온이 화씨 0.750.75 도만큼 변한다는 뜻이다. (b) ff 의 단위가 화씨 도이고 qq 의 단위가 ml 이므로, s(q)=f′(q)s(q) = f'(q) 의 단위는 “밀리리터당 화씨 도”이다. (c) f′(50)=−0.02f'(50) = -0.02 화씨 도/밀리리터라는 것은 투여량이 5050 ml 일 때 체온 변화 함수의 순간변화율이 ml 당 −0.02-0.02 화씨 도라는 뜻이다. 즉 5050 ml 를 투여하는 환자에게 투여량을 1 ml 더 늘리면, 체온 변화는 5050 ml 를 투여했을 때의 체온 변화보다 약 0.020.02 화씨 도 작을 것으로 예상된다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) To say that f(50)=0.75f(50) = 0.75 means that if a patient takes a dose of 5050 ml of a drug, the patient will experience a body temperature change of 0.750.75 degrees F. (b) Since the units of ff are degrees F and the units of qq are ml, it follows that the units of s(q)=f′(q)s(q) = f'(q) are “degrees Fahrenheit per milliliter.” (c) If f′(50)=−0.02f'(50) = -0.02 degrees Fahrenheit per milliliter, this means that the instantaneous rate of change of the temperature change function is −0.02-0.02 degrees F per ml at the dose-level of 5050 ml. This means that for a patient taking a 5050 ml dose, adding one more ml to the dose leads us to expect a temperature change that is about 0.020.02 degrees less than the temperature change induced by a 5050 ml dose.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 2.2절 · 5번
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
97.Active Calculus · 1.5절 · 9번우리말 번역

어떤 자동차의 가치 VV (달러)는 그 자동차가 주행한 거리 mm (마일)에 따라 함수 V=h(m)V = h(m) 으로 정해진다.

(a) h(40000)=15500h(40000) = 15500 이고 h(55000)=13200h(55000) = 13200 이라 하자. 구간 [40000,55000][40000,55000] 에서 hh 의 평균변화율은 얼마이며, 이 값의 단위는 무엇인가요? (b) (a)에서 주어진 정보 외에 h(70000)=11100h(70000) = 11100 이라 하자. h′(55000)h'(55000) 의 가장 좋은 추정값을 구하고, 단위를 포함하여 그 결과의 의미를 한 문장으로 설명하세요. (c) h′(30000)h'(30000) 과 h′(80000)h'(80000) 중 어느 값이 더 클 것으로 예상하나요? 그 이유는 무엇인가요? (d) 함수 V=h(m)V = h(m) 의 장기적인 변화 양상을 한 문장으로 서술하고, h′(m)h'(m) 의 장기적인 변화 양상을 또 다른 한 문장으로 서술하세요. 자동차의 가치와 그 가치가 변하는 비율에 대해 실생활의 관점에서 설명하세요.

영어 원문 보기

The value, VV, of a particular automobile (in dollars) depends on the number of miles, mm, the car has been driven, according to the function V=h(m)V = h(m).

(a) Suppose that h(40000)=15500h(40000) = 15500 and h(55000)=13200h(55000) = 13200. What is the average rate of change of hh on the interval [40000,55000][40000,55000], and what are the units on this value? (b) In addition to the information given in (a), say that h(70000)=11100h(70000) = 11100. Determine the best possible estimate of h′(55000)h'(55000) and write one sentence to explain the meaning of your result, including units on your answer. (c) Which value do you expect to be greater: h′(30000)h'(30000) or h′(80000)h'(80000)? Why? (d) Write a sentence to describe the long-term behavior of the function V=h(m)V = h(m), plus another sentence to describe the long-term behavior of h′(m)h'(m). Provide your discussion in practical terms regarding the value of the car and the rate at which that value is changing.

정답·풀이 보기

(a) 구간 [40000,55000][40000,55000] 에서 hh 의 평균변화율을 구하려면, 이 구간에서 hh 의 값(달러)의 변화량을 mm 의 값(마일)의 변화량으로 나눈다. 그러면 AV[40000,55000]=h(55000)−h(40000)55000−40000=13200−1550015000=−230015000≈−0.153AV_{[40000,55000]} = \frac{h(55000)- h(40000)}{55000-40000} = \frac{13200-15500}{15000} = -\frac{2300}{15000} \approx -0.153 달러/마일이다. 이는 주행거리가 4000040 000 마일에서 5000050 000 마일까지 늘어나는 동안, 평균적으로 자동차의 가치가 주행 1마일당 0.1530.153 달러씩 감소함을 뜻한다. (b) 4000040 000 과 70000070 0000 은 5500055 000 에서 같은 거리에 있으므로, 중심차분몫을 이용하여 55000055 0000 에서 hh 의 미분계수를 근사하면 h′(55000)≈h(70000)−h(40000)70000−40000=11100−1550030000=−440030000≈−0.147h'(55000) \approx \frac{h(70000) - h(40000)}{70000-40000} = \frac{11100-15500}{30000} = - \frac{4400}{30000} \approx -0.147 달러/마일이다. 이 근삿값은 자동차가 5500055 000 마일을 주행한 순간에 자동차의 가치가 순간변화율 1마일당 0.1470.147 달러로 감소하고 있음을 뜻한다. 즉, 55000155 0001번째 마일을 주행하는 동안 자동차의 가치가 0.1470.147 달러 떨어질 것으로 예상할 수 있다. (c) 자동차의 주행거리가 쌓일수록 가치는 내려갈 것으로 예상된다. 그러나 가치 하락은 처음에 더 크고, 주행거리가 늘어 자동차가 낡을수록 그 크기가 작아질 것으로 예상해야 한다. 그렇지만 자동차의 가치는 항상 감소하며 h′(m)h'(m) 은 항상 음수임에 유의하라. 따라서 mm 이 증가함에 따라 hh 의 변화율은 증가한다(덜 음수가 된다)고 예상할 수 있고, h′(30000)<h′(80000)h'(30000) < h'(80000) 이다. (d) 자동차의 가치는 결코 음수가 아니다. 따라서 모든 mm 에 대해 h(m)≥0h(m) \geq 0 임을 알 수 있다. 새 자동차는 처음에 가치가 매우 빠르게 떨어지고, 자동차가 낡고 주행거리가 늘어남에 따라 가치는 00 에 가깝게 감가된다. 그러므로 hh 는 감소함수이다. 자동차의 가치는 항상 감소하므로 모든 m>0m > 0 에 대해 h′(m)<0h'(m) < 0 이다. mm 이 증가함에 따라 감가 속도가 느려진다는 사실은 h′h' 이 증가하는(덜 음수가 되는) 함수임을 뜻한다. h′h' 이 증가하므로 hh 는 아래로 볼록하다. 이 내용은 1.6절에서 더 자세히 공부할 것이다. 따라서 hh 의 그래프는 xx 가 양수일 때 y=e−xy = e^{-x} 의 그래프와 대체로 비슷한 모양일 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) To find the average rate of change of hh on the interval [40000,55000][40000,55000], we divide the change in hh values (in dollars) on this interval by the change in mm values (in miles) to obtain AV[40000,55000]=h(55000)−h(40000)55000−40000=13200−1550015000=−230015000≈−0.153AV_{[40000,55000]} = \frac{h(55000)- h(40000)}{55000-40000} = \frac{13200-15500}{15000} = -\frac{2300}{15000} \approx -0.153 dollars per mile. This tells us that from the mileage of 4000040 000 to 5000050 000 miles, on average the car's value decreases by 0.1530.153 dollars per mile driven. (b) Since 4000040 000 and 70000070 0000 are equidistant from 5500055 000, we use the central difference quotient to approximate the derivative of hh at 55000055 0000 to obtain h′(55000)≈h(70000)−h(40000)70000−40000=11100−1550030000=−440030000≈−0.147h'(55000) \approx \frac{h(70000) - h(40000)}{70000-40000} = \frac{11100-15500}{30000} = - \frac{4400}{30000} \approx -0.147 dollars per mile. This approximation tells us that at the instant the car has been driven 5500055 000 miles, the car's value is decreasing at an instantaneous rate of 0.1470.147 dollars per mile. That is, during 55000155 0001st mile, we'd expect the car's value to drop by 0.1470.147 dollars. (c) As we pile up miles on our car, we expect the value to go down. However, we should expect the depreciation to be more extreme at first, but less in magnitude as we drive more miles and our car gets older. Note, though, the the value of the car is always decreasing and h′(m)h'(m) is always negative. Thus, we should expect that the rate of change of hh is increasing (becoming less negative) as mm increases and that h′(30000)<h′(80000)h'(30000) < h'(80000). (d) The value of a car is never negative. So we know that h(m)≥0h(m) \geq 0 for all mm. A new car decreases in value very quickly at first, and as the car gets older with more mileage, its value will depreciate to near zero. So hh is a decreasing function. Since the value of our car always decreases, it follows that h′(m)<0h'(m) < 0 for all m>0m > 0. The fact that the depreciation slows as mm increases implies that h′h' is an increasing (getting less negative) function. Since h′h' is increasing, it follows that hh is bends upward; we will study this issue more in Section 1.6. So the graph of hh might have the general shape of the graph of y=e−xy = e^{-x} for positive values of xx.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 1.5절 · 8번
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
98.Active Calculus · 3.6절 · 10번우리말 번역

한 농부가 소, 말, 염소, 양을 기르기 시작하려 하며, 동물들이 풀을 뜯을 직사각형 목초지를 갖고 싶어 합니다. 그러나 서로 다른 종류의 동물은 함께 풀을 뜯을 수 없습니다. 농부는 필요한 울타리의 양을 최소로 하기 위해, 큰 직사각형 영역을 울타리로 두른 다음, 이미 있는 두 변에 평행한 울타리 세 개를 큰 직사각형 안쪽에 추가하여 이를 크기가 같은 네 개의 우리로 나누기로 했습니다. 농부는 울타리 7500 ft 를 구입하기로 했습니다. 네 개의 우리 각각이 둘러쌀 수 있는 최대 넓이는 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

A farmer wants to start raising cows, horses, goats, and sheep, and desires to have a rectangular pasture for the animals to graze in. However, no two different kinds of animals can graze together. In order to minimize the amount of fencing she will need, she has decided to enclose a large rectangular area and then divide it into four equally sized pens by adding three segments of fence inside the large rectangle that are parallel to two existing sides. She has decided to purchase 7500 ft of fencing. What is the maximum possible area that each of the four pens will enclose?

정답·풀이 보기

농부는 길이 xx 와 너비 yy 를 아직 모르는 직사각형 영역에 울타리를 칠 것이다. 직사각형 영역 전체의 넓이는 넓이가 같은 직사각형 4개로 이루어진다. 아래 그림과 같이 이렇게 나누는 방법은 두 가지이다(다만 문제의 설정을 명시적으로 따르는 것은 왼쪽 그림뿐이다).

더 큰 직사각형 안에 직사각형 우리를 배치하는 두 가지 가능한 방법이다. 왼쪽은 세로 변이 y, 가로 변이 x인 큰 직사각형이며, 가로 변이 같은 크기의 네 부분으로 나뉘어 있다.

우리는 작은 직사각형 영역 각각의 넓이를 최대로 하려고 한다. 이는 전체 직사각형 영역의 넓이 A=xyA = xy 를 최대로 하는 것과 같다. AA 에는 변수가 두 개 있으므로 아직 미적분 기법을 바로 적용할 수 없다. 울타리의 양에 관한 정보를 이용하여 xx 와 yy 의 관계를 세우고, AA 를 변수 하나만으로 나타낸다.

그림의 왼쪽 울타리 방식의 경우, 네 개의 방목지를 둘러싸는 데 필요한 울타리의 총량은 2x+5y2x+5y 이다. 울타리 75007500 피트를 모두 사용한다고 가정하므로 2x+5y=75002x+5y=7500 이다. xx 에 대해 풀면 x=3750−2.5yx = 3750 - 2.5y 이다. 이 식을 넓이 공식의 xx 에 대입하면 AA 를 yy 만으로 나타낼 수 있다.

A(y)=(3750−2.5y)y=3750y−2.5y2 .A(y) = (3750-2.5y)y = 3750y - 2.5y^2\,. 어떤 영역을 둘러싸려면 당연히 y>0y > 0 이고 x>0x > 0 이어야 하며, x=3750−2.5yx = 3750 - 2.5y 이므로 2.5y<37502.5y < 3750 이어야 하고 따라서 y<1500y < 1500 이다. 이 정의역에서 AA 의 최댓값을 구하기 위해 AA 의 임계점을 구한다. A′(y)=3750−5yA'(y) = 3750 - 5y 이므로 A′(y)=0A'(y) = 0 인 것은 y=750y = 750 일 때, 그리고 그때뿐이다. 0<y<7500 < y < 750 에서는 A′(y)>0A'(y) > 0 이고 750<y<1500750 < y < 1500 에서는 A′(y)<0A'(y) < 0 이다. 따라서 A(750)=1406250A(750) = 1406250 제곱피트가 AA 의 최댓값이다. 네 개의 우리 각각이 둘러쌀 수 있는 최대 넓이는 전체의 4분의 1, 즉 351562.5351562.5 제곱피트이다.

그림의 오른쪽 울타리 방식의 경우, 네 개의 방목지를 둘러싸는 데 필요한 울타리의 총량은 3x+3y3x+3y 이다. 울타리 75007500 피트를 모두 사용한다고 가정하므로 3x+3y=75003x + 3y = 7500 이다. xx 에 대해 풀어 AA 에 대입하면 x=2500−yx = 2500 - y 이고

A(y)=(2500−y)y=2500y−y2 .A(y) = (2500-y)y = 2500y - y^2\,. 어떤 영역을 둘러싸려면 당연히 y>0y > 0 이고 x>0x > 0 이어야 하며, x=2500−yx = 2500 - y 이므로 y<2500y < 2500 이어야 한다. 이 정의역에서 AA 의 최댓값을 구하기 위해 AA 의 임계점을 구한다. A′(y)=2500−2yA'(y) = 2500 - 2y 이므로 A′(y)=0A'(y) = 0 인 것은 y=1250y = 1250 일 때, 그리고 그때뿐이다. 0<y<12500 < y < 1250 에서는 A′(y)>0A'(y) > 0 이고 1250<y<25001250 < y < 2500 에서는 A′(y)<0A'(y) < 0 이다. 따라서 A(1250)=1406250A(1250) = 1406250 제곱피트가 AA 의 최댓값이다. 네 개의 우리 각각이 둘러쌀 수 있는 최대 넓이는 전체의 4분의 1, 즉 390625390625 제곱피트이다.

따라서 네 개의 우리 각각이 둘러쌀 수 있는 최대 넓이는 390625 제곱피트이며, 오른쪽 방식이 왼쪽 방식보다 더 최적임을 알 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

The farmer will fence a rectangular area whose length xx and width yy are unknown. The total area of the rectangular area is composed of 4 equal area rectangles. There are two ways to do this as shown in the figure below (though only the one on the left explicitly follows the way the problem is framed).

Two possible arrangements of rectangular pens within a larger rectangle. At left, a larger rectangle with vertical side y and horizontal side x where the horizontal side is subdivided into four equal

We want to maximize the area of each subrectangular region, which is the same as maximizing the total area A=xyA = xy of the entire rectangular region. Since AA has two variables, we can't yet directly apply calculus techniques to it. We use the information about the amount of fencing to relate xx and yy in order to write AA in terms of just one variable.

In the case of the fencing option on the left in the figure, the total amount of fencing that is needed to enclose the four grazing areas is 2x+5y2x+5y. We assume that all of the 75007500 feet of fencing will be used, so 2x+5y=75002x+5y=7500. Solving for xx, x=3750−2.5yx = 3750 - 2.5y. Substituting this expression for xx into the area formula allows us to write AA in terms of yy alone:

A(y)=(3750−2.5y)y=3750y−2.5y2 .A(y) = (3750-2.5y)y = 3750y - 2.5y^2\,. To enclose any area, we of course must have y>0y > 0 and x>0x > 0, and since x=3750−2.5yx = 3750 - 2.5y, it follows that we need to have 2.5y<37502.5y < 3750 so y<1500y < 1500. To find the maximum value of AA on this domain, we find the critical numbers of AA. Since A′(y)=3750−5yA'(y) = 3750 - 5y, we see that A′(y)=0A'(y) = 0 when and only when y=750y = 750. For 0<y<7500 < y < 750, we see that A′(y)>0A'(y) > 0 and for 750<y<1500750 < y < 1500 we have A′(y)<0A'(y) < 0. So A(750)=1406250A(750) = 1406250 square feet is the absolute maximum value of AA. The maximum possible area that each of the four pens can enclose is one quarter of the total, or 351562.5351562.5 square feet.

In the case of the fencing option on the right in the figure, the total amount of fencing that is needed to enclose the four grazing areas is 3x+3y3x+3y. We assume that all of the 75007500 feet of fencing will be used, so 3x+3y=75003x + 3y = 7500. Solving for xx and substituting into AA, we find x=2500−yx = 2500 - y and

A(y)=(2500−y)y=2500y−y2 .A(y) = (2500-y)y = 2500y - y^2\,. To enclose any area, we of course must have y>0y > 0 and x>0x > 0, and since x=2500−yx = 2500 - y, it follows that we need to have y<2500y < 2500. To find the maximum value of AA on this domain, we find the critical numbers of AA. Since A′(y)=2500−2yA'(y) = 2500 - 2y, we see that A′(y)=0A'(y) = 0 when and only when y=1250y = 1250. For 0<y<12500 < y < 1250, we see that A′(y)>0A'(y) > 0 and for 1250<y<25001250 < y < 2500 we have A′(y)<0A'(y) < 0. So A(1250)=1406250A(1250) = 1406250 square feet is the absolute maximum value of AA. The maximum possible area that each of the four pens can enclose is one quarter of the total, or 390625390625 square feet.

So the maximum possible area that each of the four pens can enclose is 390625 square feet, and we see that the righthand alternative is even more optimal than the left one.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 3.6절 · 9번
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
99.Active Calculus · 3.6절 · 12번우리말 번역

한 회사가 양 끝이 반구 모양인 원기둥 모양의 프로판 탱크를 설계하고 있다. 이 회사는 탱크에 1000세제곱피트의 가스가 들어가도록 하려 하며, 양 끝 부분은 만드는 데 더 비싸서 제곱피트당 $5가 들고, 양 끝 사이의 원기둥 몸통 부분은 제곱피트당 $2가 든다고 가정하자. 미적분을 이용하여 이러한 탱크를 만드는 데 드는 최소 비용을 구하세요.

영어 원문 보기

A company is designing propane tanks that are cylindrical with hemispherical ends. Assume that the company wants tanks that will hold 1000 cubic feet of gas, and that the ends are more expensive to make, costing $5 per square foot, while the cylindrical barrel between the ends costs $2 per square foot. Use calculus to determine the minimum cost to construct such a tank.

정답·풀이 보기

탱크의 원기둥 부분의 길이를 hh, 원기둥의 반지름을 rr 라 하자. 그러면 탱크 양 끝의 반구의 반지름도 rr 이다. 먼저 원기둥 부분과 반구 부분을 살펴 탱크의 부피와 겉넓이에 대한 식을 구한다.

탱크의 원기둥 부분의 부피는 Vc=πr2hV_c = \pi r^2 h 이고, 옆면의 넓이는 Ac=2πrhA_c = 2\pi r h 이다(이는 원기둥 밑면의 둘레에 원기둥의 높이를 곱한 값이다 -- 원기둥을 펼치면 직사각형이 되는 것을 생각해 보자). 두 반구 모양의 끝 부분을 합치면 완전한 구가 되며, 구의 부피는 Vs=43πr3V_s = \frac{4}{3} \pi r^3 이고 구의 겉넓이는 As=4πr2A_s = 4 \pi r^2 이다.

따라서 탱크 전체의 부피는

V=Vc+Vs=πr2h+43πr3 ,V = V_c + V_s = \pi r^2 h + \frac{4}{3} \pi r^3\,, 이고, 전체 겉넓이는

A=Ac+As=2πrh+4πr2 .A = A_c + A_s = 2\pi r h + 4 \pi r^2\,. 또한 원기둥 옆면과 반구 모양의 끝 부분의 재료 비용이 서로 다른 것을 고려하면, 탱크의 총비용은

C=2(2πrh)+5(4πr2)=4πrh+20πr2 .C = 2(2\pi r h) + 5(4 \pi r^2) = 4 \pi r h + 20 \pi r^2\,.

우리의 목표는 탱크의 부피가 1000세제곱미터가 되도록 하는 조건에서 탱크의 총비용을 최소로 하는 것이다. 이 조건에서 방정식 1000=πr2h+43πr31000 = \pi r^2 h + \frac{4}{3} \pi r^3 을 얻고, 이를 hh 에 대해 풀면 πr2h=1000−43πr3\pi r^2 h = 1000 - \frac{4}{3} \pi r^3 이므로

h=1000−43πr3πr2 .h = \frac{1000 - \frac{4}{3} \pi r^3}{\pi r^2}\,. 이제 hh 에 대한 이 식을 앞에서 구한 비용의 식에 대입하면 비용을 하나의 변수 rr 의 함수로 나타낼 수 있다. 즉,

C(r)=4πr1000−43πr3πr2+20πr2=41000−43πr3r+20πr2C(r) = 4 \pi r \frac{1000 - \frac{4}{3} \pi r^3}{\pi r^2} + 20 \pi r^2 = 4 \frac{1000 - \frac{4}{3} \pi r^3}{r} + 20\pi r^2

더 간단히 하면

C(r)=4000r−163πr2+20πr2=4000r+44π3r2 .C(r) = \frac{4000}{r} - \frac{16}{3}\pi r^2 + 20 \pi r^2 = \frac{4000}{r} + \frac{44 \pi}{3}r^2\,. 문제의 물리적 조건에 따라 r>0r > 0 이고 h>0h > 0 인 값만 생각한다. h=1000−43πr3πr2h = \frac{1000 - \frac{4}{3} \pi r^3}{\pi r^2} 이므로

43πr3<1000\frac{4}{3} \pi r^3 < 1000

이어야 하고, 따라서 r3<34π⋅1000=750r^3 < \frac{3}{4 \pi} \cdot 1000 = 750 이며, 그러므로 r<750π3≈6.2035r < \sqrt[3]{\frac{750}{\pi}} \approx 6.2035 이다. 이제 구간 0<r<750π30 < r < \sqrt[3]{\frac{750}{\pi}} 에서 C(r)C(r) 을 최소로 만드는 값을 찾는다.

CC 의 도함수를 구하면 C′(r)=−4000r2+88π3rC'(r) = -\frac{4000}{r^2} + \frac{88 \pi}{3}r 이다. C′(r)=0C'(r) = 0 으로 놓으면

4000r2=88π3r\frac{4000}{r^2} = \frac{88 \pi}{3}r

이고, 따라서

4000⋅388π=r3 .4000 \cdot \frac{3}{88 \pi} = r^3\,. 그러므로 r3=150011πr^3 = \frac{1500}{11 \pi} 이고, r=150011π3≈3.5144r = \sqrt[3]{\frac{1500}{11 \pi}} \approx 3.5144 가 CC 의 유일한 임계수이다. 이 값은 구간 0<r<750π3≈6.20350 < r < \sqrt[3]{\frac{750}{\pi}} \approx 6.2035 안에 있음을 확인하자.

구간 0<r<750π30 < r < \sqrt[3]{\frac{750}{\pi}} 에서 도함수 y=C′(r)y = C'(r) 의 그래프를 그려 보면, 0<r<3.51440 < r < 3.5144 에서는 C′(r)<0C'(r) < 0 이고 3.5144<r<6.20353.5144 < r < 6.2035 에서는 C′(r)>0C'(r) > 0 이다. 이는 CC 가 임계수 이전에는 감소하고 임계수 이후에는 증가함을 보여 주므로, CC 는 C(150011π3)≈1707.27C(\sqrt[3]{\frac{1500}{11 \pi}}) \approx 1707.27 에서 최솟값을 가진다. 따라서 주어진 조건에서 원하는 탱크를 만드는 데 드는 최소 비용은 $1707.27이다.

원본 교재 풀이(영어)

We let the length of the cylindrical part of the tank be hh with the radius of the cylinder given by rr. It follows that the radius of the hemispherical ends of the tank is also rr. We first identify formulas for both the volume and surface area of the tank by looking at the cylindrical and hemispherical pieces.

The cylindrical part of the tank has volume Vc=πr2hV_c = \pi r^2 h, and the surface area of its sides is Ac=2πrhA_c = 2\pi r h (which is the circumference of the cylinder's base times the cylinder's height -- think about how a cylinder unfurls to form a rectangle). The two hemispherical ends together constitute a full sphere, and the volume of a sphere is Vs=43πr3V_s = \frac{4}{3} \pi r^3, while the surface area of a sphere is As=4πr2A_s = 4 \pi r^2.

The overall volume of the tank is therefore

V=Vc+Vs=πr2h+43πr3 ,V = V_c + V_s = \pi r^2 h + \frac{4}{3} \pi r^3\,, and its total surface area is

A=Ac+As=2πrh+4πr2 .A = A_c + A_s = 2\pi r h + 4 \pi r^2\,. Moreover, taking into account the different costs of material for the cylindrical sides and hemispherical ends, we find that the total cost of the tank is

C=2(2πrh)+5(4πr2)=4πrh+20πr2 .C = 2(2\pi r h) + 5(4 \pi r^2) = 4 \pi r h + 20 \pi r^2\,.

Our goal is to minimize the total cost of the tank given that we want it to hold 1000 cubic meters of volume. From this constraint, we have the equation 1000=πr2h+43πr31000 = \pi r^2 h + \frac{4}{3} \pi r^3, which we can solve for hh to get πr2h=1000−43πr3\pi r^2 h = 1000 - \frac{4}{3} \pi r^3, so

h=1000−43πr3πr2 .h = \frac{1000 - \frac{4}{3} \pi r^3}{\pi r^2}\,. This allows us to now write cost as a function of the single variable rr by substituting the expression for hh into the earlier formula we found for cost. In particular,

C(r)=4πr1000−43πr3πr2+20πr2=41000−43πr3r+20πr2C(r) = 4 \pi r \frac{1000 - \frac{4}{3} \pi r^3}{\pi r^2} + 20 \pi r^2 = 4 \frac{1000 - \frac{4}{3} \pi r^3}{r} + 20\pi r^2

Simplifying further, we have found that

C(r)=4000r−163πr2+20πr2=4000r+44π3r2 .C(r) = \frac{4000}{r} - \frac{16}{3}\pi r^2 + 20 \pi r^2 = \frac{4000}{r} + \frac{44 \pi}{3}r^2\,. Based on the physical constraints of the problem, we obviously will only consider values of r>0r > 0 and h>0h > 0. Since h=1000−43πr3πr2h = \frac{1000 - \frac{4}{3} \pi r^3}{\pi r^2}, we must have

43πr3<1000\frac{4}{3} \pi r^3 < 1000

so r3<34π⋅1000=750r^3 < \frac{3}{4 \pi} \cdot 1000 = 750, and thus r<750π3≈6.2035r < \sqrt[3]{\frac{750}{\pi}} \approx 6.2035. We now work to minimize C(r)C(r) on the interval 0<r<750π30 < r < \sqrt[3]{\frac{750}{\pi}}.

Taking the derivative of CC, we find that C′(r)=−4000r2+88π3rC'(r) = -\frac{4000}{r^2} + \frac{88 \pi}{3}r. Setting C′(r)=0C'(r) = 0, it follows that

4000r2=88π3r\frac{4000}{r^2} = \frac{88 \pi}{3}r

and thus

4000⋅388π=r3 .4000 \cdot \frac{3}{88 \pi} = r^3\,. Therefore, r3=150011πr^3 = \frac{1500}{11 \pi}, so r=150011π3≈3.5144r = \sqrt[3]{\frac{1500}{11 \pi}} \approx 3.5144 is the only critical number of CC; observe that it lies within the interval 0<r<750π3≈6.20350 < r < \sqrt[3]{\frac{750}{\pi}} \approx 6.2035.

If we plot the derivative function, y=C′(r)y = C'(r), on the interval 0<r<750π30 < r < \sqrt[3]{\frac{750}{\pi}}, we see that for 0<r<3.51440 < r < 3.5144, C′(r)<0C'(r) < 0, and for 3.5144<r<6.20353.5144 < r < 6.2035, C′(r)>0C'(r) > 0, which shows that CC is decreasing before the critical number and increasing after the critical number, and hence CC has a global minimum of C(150011π3)≈1707.27C(\sqrt[3]{\frac{1500}{11 \pi}}) \approx 1707.27, so $1707.27 is the minimum cost to build the desired tank under the given constraints.

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