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

4문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 4.7절 · 5번우리말 번역

비행기에 여행 가방을 들고 타려면, 상자의 길이 +width++\text{width}+ 높이가 62 in62\,\text{in}. 이하여야 한다. 가방의 밑면이 정사각형이라고 가정할 때, 부피가 V=h(31−(12)h)2V=h{\left(31-\left(\frac{1}{2}\right)h\right)}^{2}. 임을 보이세요. 어떤 높이일 때 부피가 가장 큰지 구하세요.

영어 원문 보기

To carry a suitcase on an airplane, the length +width++\text{width}+ height of the box must be less than or equal to 62 in.62\,\text{in}. Assuming the base of the suitcase is square, show that the volume is V=h(31−(12)h)2.V=h{\left(31-\left(\frac{1}{2}\right)h\right)}^{2}. What height allows you to have the largest volume?

답 쓰고 채점
인치(in)
정답·풀이 보기

h=623h=\frac{62}{3} in.

원본 교재 풀이(영어)

h=623h=\frac{62}{3} in.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 3.6절 · 10번
# 최댓값·최솟값과 최적화증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-1 · 3.5절 · 15번우리말 번역

철사 한 개를 두 조각으로 잘라, 한 조각은 구부려 원을 만들고 다른 조각은 구부려 정사각형을 만듭니다. 두 곡선으로 둘러싸인 넓이가 최대가 되려면 철사를 어떻게 잘라야 하는지 구하세요. 두 곡선으로 둘러싸인 넓이가 최소가 되려면 철사를 어떻게 잘라야 하는지 구하세요. 답이 옳은 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

A length of wire is cut into two pieces, one of which is bent to form a circle, the other to form a square. How should the wire be cut if the area enclosed by the two curves is maximized? How should the wire be cut if the area enclosed by the two curves is minimized? Justify your answers.

정답·풀이 보기

철사의 길이를 LL 단위라 하고, 한쪽 끝에서 ℓ\ell 단위만큼 떨어진 곳을 자른다고 하자. 길이가 ℓ\ell 인 조각으로 정사각형을 만들고, 나머지 길이가 L−ℓL-\ell 인 조각으로 원을 만든다.

정사각형의 둘레가 ℓ\ell 이므로 한 변의 길이는 ℓ/4\ell/4 이고 넓이는 (ℓ4)2\left(\dfrac{\ell}{4}\right)^2 이다. 원의 둘레가 L−ℓL-\ell 이므로 반지름은 L−ℓ2π\dfrac{L-\ell}{2\pi} 이고 넓이는 π(L−ℓ2π)2=(L−ℓ)24π\pi\left(\dfrac{L-\ell}{2\pi}\right)^2=\dfrac{(L-\ell)^2}{4\pi} 이다.

정사각형을 길이 ℓ\ell 인 조각으로 만들 때 두 도형으로 둘러싸인 넓이는

A(ℓ)=ℓ216+(L−ℓ)24π조건 0≤ℓ≤L 에서 이 함수의 전체 최댓값과 최솟값을 구해야 하므로 도함수를 구한다:A′(ℓ)=ℓ8−L−ℓ2π=π+48πℓ−L2π이제 임계점을 구한다.A′(ℓ)=0π+48πℓ=L2πℓ=4Lπ+4\begin{aligned} A(\ell)&=\dfrac{\ell^2}{16}+\dfrac{(L-\ell)^2}{4\pi} \\ \text{조건 $0 \leq \ell \leq L$ 에서 이 함수의 전체 최댓값과 최솟값을 구해야 하므로 도함수를 구한다:} \\ A'(\ell)&=\dfrac{\ell}{8} -\dfrac{L-\ell}{2\pi} =\dfrac{\pi+4}{8\pi}\ell-\dfrac{L}{2\pi} \\ \text{이제 임계점을 구한다.} \\ A'(\ell)&=0\\ \frac{\pi+4}{8\pi}\ell&=\frac{L}{2\pi}\\ \ell&=\frac{4L}{\pi+4} \end{aligned}

ℓ0L...4Lπ+4종류끝점끝점임계점A(ℓ)...L24πL216A(4Lπ+4)\begin{array}{|c||c|c|c|}\hline \ell & 0 & L & \dfrac{.^.}{.}\frac{4L}{\pi+4} \\ \hline \text{종류} & \text{끝점} & \text{끝점} & \text{임계점} \\ \hline A(\ell) & \dfrac{.^.}{.}\frac{L^2}{4\pi} & \frac{L^2}{16}_{} & A\left(\frac{4L}{\pi+4}\right) \\ \hline \end{array}

A(4Lπ+4)A\left(\frac{4L}{\pi+4}\right) 의 값을 계산하는 것은 번거로워 보이고 문제에서 요구하지도 않는다. 그러나 이것이 전체 최댓값인지 최솟값인지는 따져 보아야 한다.

ℓ<4Lπ+4\ell<\frac{4L}{\pi+4} 일 때 A′(ℓ)<0A'(\ell)<0 이고, ℓ>4Lπ+4\ell>\frac{4L}{\pi+4} 일 때 A′(ℓ)>0A'(\ell)>0 이다. 따라서 A(ℓ)A(\ell) 은 ℓ=4Lπ+4\ell=\frac{4L}{\pi+4} 까지 감소하다가 그 뒤로 증가한다. 즉 임계점 ℓ=4Lπ+4\ell=\frac{4L}{\pi+4} 에서 극솟값을 갖는다.

그러므로 최솟값은 유일한 임계점인 ℓ=(44+π)L\ell=\left(\dfrac{4}{4+\pi}\right)L 에서 생긴다. 이는 ℓL=44+π\dfrac{\ell}{L}=\dfrac{4}{4+\pi} 에 해당한다. 즉 정사각형을 만드는 철사 조각의 비율은 44+π\dfrac{4}{4+\pi} 이다.

최댓값은 ℓ=0\ell=0 또는 ℓ=L\ell=L 에서 생겨야 한다. A(0)=L24π>A(L)=L216A(0)=\dfrac{L^2}{4\pi} > A(L)=\dfrac{L^2}{16} 이므로 최댓값은 ℓ=0\ell=0 에서 생긴다(즉, 정사각형을 만들지 않는다).

원본 교재 풀이(영어)

Call the length of the wire LL units and suppose that it is cut ℓ\ell units from one end. Make the square from the piece of length ℓ\ell, and make the circle from the remaining piece of length L−ℓL-\ell.

The square has perimeter ℓ\ell, so its side length is ℓ/4\ell/4 and its area is (ℓ4)2\left(\dfrac{\ell}{4}\right)^2. The circle has circumference L−ℓL-\ell, so its radius is L−ℓ2π\dfrac{L-\ell}{2\pi} and its area is π(L−ℓ2π)2=(L−ℓ)24π\pi\left(\dfrac{L-\ell}{2\pi}\right)^2=\dfrac{(L-\ell)^2}{4\pi}.

The area enclosed by the shapes, when the square is made from a length of size ℓ\ell, is

A(ℓ)=ℓ216+(L−ℓ)24πWe want to find the global max and min for this function, given the constraint 0≤ℓ≤L, so we find its derivative:A′(ℓ)=ℓ8−L−ℓ2π=π+48πℓ−L2πNow, we find the critical point.A′(ℓ)=0π+48πℓ=L2πℓ=4Lπ+4\begin{aligned} A(\ell)&=\dfrac{\ell^2}{16}+\dfrac{(L-\ell)^2}{4\pi} \\ \text{We want to find the global max and min for this function, given the constraint $0 \leq \ell \leq L$, so we find its derivative:} \\ A'(\ell)&=\dfrac{\ell}{8} -\dfrac{L-\ell}{2\pi} =\dfrac{\pi+4}{8\pi}\ell-\dfrac{L}{2\pi} \\ \text{Now, we find the critical point.} \\ A'(\ell)&=0\\ \frac{\pi+4}{8\pi}\ell&=\frac{L}{2\pi}\\ \ell&=\frac{4L}{\pi+4} \end{aligned}

ℓ0L...4Lπ+4typeendpointendpointcritical pointA(ℓ)...L24πL216A(4Lπ+4)\begin{array}{|c||c|c|c|}\hline \ell & 0 & L & \dfrac{.^.}{.}\frac{4L}{\pi+4} \\ \hline \text{type} & \text{endpoint} & \text{endpoint} & \text{critical point} \\ \hline A(\ell) & \dfrac{.^.}{.}\frac{L^2}{4\pi} & \frac{L^2}{16}_{} & A\left(\frac{4L}{\pi+4}\right) \\ \hline \end{array}

It seems obnoxious to evaluate A(4Lπ+4)A\left(\frac{4L}{\pi+4}\right), and the problem doesn't ask for it–but we still have to figure out whether it is a global max or min.

When ℓ<4Lπ+4\ell<\frac{4L}{\pi+4}, A′(ℓ)<0A'(\ell)<0, and when ℓ>4Lπ+4\ell>\frac{4L}{\pi+4}, A′(ℓ)>0A'(\ell)>0. So, A(ℓ)A(\ell) is decreasing until ℓ=4Lπ+4\ell=\frac{4L}{\pi+4}, then increasing. That means our critical point ℓ=4Lπ+4\ell=\frac{4L}{\pi+4} is a local minimum.

So, the minimum occurs at the only critical point, which is ℓ=(44+π)L\ell=\left(\dfrac{4}{4+\pi}\right)L. This corresponds to ℓL=44+π\dfrac{\ell}{L}=\dfrac{4}{4+\pi}: the proportion of the wire that is cut is 44+π\dfrac{4}{4+\pi}.

The maximum has to be either at ℓ=0\ell=0 or at ℓ=L\ell=L. As A(0)=L24π>A(L)=L216A(0)=\dfrac{L^2}{4\pi} > A(L)=\dfrac{L^2}{16}, the maximum has ℓ=0\ell=0 (that is, no square).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 3.5절 · 9번
# 최댓값·최솟값과 최적화증명·논술도전자동 분류
3.Active Calculus · 3.6절 · 9번우리말 번역

정사각형 밑면과 닫힌 윗면을 가진 직육면체 상자를 두 가지 재료로 만들려고 합니다. 옆면의 재료는 제곱피트당 $1.50이고, 윗면과 밑면의 재료는 제곱피트당 $3.00입니다. 상자에 $15를 쓸 수 있다면, 상자에 담을 수 있는 가장 큰 부피는 얼마입니까? 미적분을 사용하여 답을 완전히 정당화하세요.

영어 원문 보기

A rectangular box with a square bottom and closed top is to be made from two materials. The material for the sides costs $1.50 per square foot and the material for the top and bottom costs $3.00 per square foot. If you are willing to spend $15 on the box, what is the largest volume it can contain? Justify your answer completely using calculus.

정답·풀이 보기

xx 를 정사각형 밑면의 한 변의 길이, hh 를 옆면의 높이라고 하자. 먼저 상자의 부피 VV 는 V=x2hV = x^2 h 이고, 상자의 겉넓이는 S=2x2+4xhS = 2x^2 + 4xh 임에 주목한다. 넓이가 x2x^2 인 정사각형 면이 두 개(밑면과 윗면) 있고, 넓이가 xhxh 인 똑같은 옆면이 네 개 있기 때문이다. 윗면과 밑면의 재료는 제곱피트당 $3.00이고 옆면의 재료는 제곱피트당 $1.50이므로, 겉넓이가 SS 인 상자의 총비용은

C=3.00(2x2)+1.50(4xh)=6x2+6xh C = 3.00 (2x^2) + 1.50 (4xh) = 6x^2 + 6xh\,

이다.

우리는 $15를 들여 만들 수 있는 부피가 가장 큰 상자에 관심이 있다. 이 비용 조건에 의해

15=6x2+6xh 15 = 6x^2 + 6xh\, 이고, 이를 hh 에 대해 풀면 hh 를 xx 의 함수로 나타낼 수 있다. 그렇게 하면 6xh=15−6x26xh = 15 - 6x^2 이므로

h=15−6x26x h = \frac{15-6x^2}{6x}\,

이다. 이 관계를 이용하면 상자의 부피 VV 를 변수 xx 하나의 함수로 나타낼 수 있다. hh 의 식을 대입하면

V=x2h=x2⋅15−6x26x=16x(15−6x2)=156x−x3 V = x^2 h = x^2 \cdot \frac{15-6x^2}{6x} = \frac{1}{6}x(15 - 6x^2) = \frac{15}{6}x - x^3\,

이다. 특히 상자가 만들어지려면 x>0x > 0 이고 h>0h > 0 이어야 함에 유의한다. 뒤의 조건과 h=15−6x26xh = \frac{15-6x^2}{6x} 로부터 15−6x2>015 - 6x^2 > 0 이어야 하므로 x2<156x^2 < \frac{15}{6}, 즉 x<156x < \sqrt{\frac{15}{6}} 이다. 따라서 V(x)V(x) 의 정의역은 0<x<1560 < x < \sqrt{\frac{15}{6}} 이다.

x→0+x \to 0^+ 또는 x→156−x \to \sqrt{\frac{15}{6}}^- 일 때 상자는 사라지고(부피는 0에 가까워지고), 따라서 최댓값은 이 두 값 사이의 임계수에서 나타나야 함이 분명하다. VV 를 미분하면 V′(x)=156−3x2V'(x) = \frac{15}{6} - 3x^2 이다. 정의역에서 VV 의 모든 임계수를 찾기 위해 V′(x)=0V'(x) = 0 을 풀면 x2=1518x^2 = \frac{15}{18} 이고, 따라서 x=±1518x = \pm \sqrt{\frac{15}{18}} 이므로 0<x<1560 < x < \sqrt{\frac{15}{6}} 에 속하는 임계수는 x=1518x = \sqrt{\frac{15}{18}} 뿐이다. 최솟값 V=0V = 0 이 양 끝점에서 나타나므로, 최댓값은 V(1518)=156(1518)−(1518)3≈1.52145V\left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right) = \frac{15}{6}\left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right) - \left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right)^3 \approx 1.52145 세제곱피트이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let xx be the length of one side of the square bottom and hh the height of one of the sides. We first note that the volume, VV, of the box is V=x2hV = x^2 h, and the surface area of the box is S=2x2+4xhS = 2x^2 + 4xh, since there are two square sides (bottom and top) of area x2x^2 and four identical sides of area xhxh. Since the material for the top and bottom costs $3.00 per square foot and the material for the sides costs $1.50 per square foot, it follows that the total cost of a box with surface area SS is

C=3.00(2x2)+1.50(4xh)=6x2+6xh .C = 3.00 (2x^2) + 1.50 (4xh) = 6x^2 + 6xh\,.

We are interested in building box of largest volume for which we spend $15. This cost constraint implies that

15=6x2+6xh ,15 = 6x^2 + 6xh\,, which allows us to express hh as a function of xx by solving for hh. Doing so, we see that 6xh=15−6x26xh = 15 - 6x^2, so

h=15−6x26x .h = \frac{15-6x^2}{6x}\,. Using this relationship, we are now able to express the volume, VV, of the box as a function of the single variable xx. Subsituting the expression for hh, we have

V=x2h=x2⋅15−6x26x=16x(15−6x2)=156x−x3 .V = x^2 h = x^2 \cdot \frac{15-6x^2}{6x} = \frac{1}{6}x(15 - 6x^2) = \frac{15}{6}x - x^3\,. Note particularly that in order to have a box, we require that both x>0x > 0 and h>0h > 0. The latter condition along with the fact that h=15−6x26xh = \frac{15-6x^2}{6x} shows that we need 15−6x2>015 - 6x^2 > 0, and thus x2<156x^2 < \frac{15}{6}, so x<156x < \sqrt{\frac{15}{6}}. Hence we are considering V(x)V(x) on the domain 0<x<1560 < x < \sqrt{\frac{15}{6}}.

It is apparent that the box vanishes (and its volume tends to zero) as either x→0+x \to 0^+ or x→156−x \to \sqrt{\frac{15}{6}}^-, and thus the absolute maximum volume must appear between these values at a critical number. Differentiating VV, we find that V′(x)=156−3x2V'(x) = \frac{15}{6} - 3x^2. Solving V′(x)=0V'(x) = 0 to find all critical numbers of VV in the domain, we see that x2=1518x^2 = \frac{15}{18}, and thus x=±1518x = \pm \sqrt{\frac{15}{18}}, so only x=1518x = \sqrt{\frac{15}{18}} is a critical number that lies in 0<x<1560 < x < \sqrt{\frac{15}{6}}. Noting that the absolute minimum volume V=0V = 0 occurs at each endpoint, it must be the case that the absolute maximum volume is V(1518)=156(1518)−(1518)3≈1.52145V\left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right) = \frac{15}{6}\left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right) - \left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right)^3 \approx 1.52145 cubic feet.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.5절 · 4번
# 최댓값·최솟값과 최적화증명·논술자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.Active Calculus · 3.6절 · 11번우리말 번역

높이가 각각 60 ft, 80 ft인 두 수직 기둥이 평평한 땅 위에 밑면 사이의 거리 100 ft를 두고 서 있습니다. 케이블을 한 기둥의 꼭대기에서 두 기둥 사이의 땅 위의 한 점까지 늘인 다음, 다시 다른 기둥의 꼭대기까지 늘입니다. 필요한 케이블 길이의 가능한 최솟값은 얼마인가요? 미적분을 이용하여 답을 완전하게 정당화하세요.

영어 원문 보기

Two vertical poles of heights 60 ft and 80 ft stand on level ground, with their bases 100 ft apart. A cable that is stretched from the top of one pole to some point on the ground between the poles, and then to the top of the other pole. What is the minimum possible length of cable required? Justify your answer completely using calculus.

정답·풀이 보기

먼저 전체 상황을 정확하게 그림으로 나타낸다. 케이블이 땅에 닿는 점이 첫 번째 기둥에서 떨어진 거리를 xx, 첫 번째 기둥 꼭대기에서 땅까지의 케이블 길이를 yy, 땅에서 두 번째 기둥 꼭대기까지의 케이블 길이를 zz라 하자. 다음 그림과 같다. 주어진 기둥의 높이와 기둥 사이의 거리도 함께 나타내었다.

높이가 60과 80인 두 수직 기둥이 100피트 떨어져 있는 그림이다. 두 기둥 사이의 수평 선분 위에 첫 번째 기둥 꼭대기에서 내려온 케이블이 닿는 위치가 x로 표시되어 있다.

사용되는 케이블의 전체 길이 LL(이것을 최소로 하려 한다)은 L=y+zL = y + z 이다. 이 상황의 기하적 관계를 이용하여 yy 와 zz 를 모두 xx 로 나타낼 수 있다. 첫 번째 직각삼각형에서 피타고라스 정리에 의해 x2+602=y2x^2 + 60^2 = y^2 이므로 y=x2+3600y = \sqrt{x^2 + 3600} 이다. 두 번째 직각삼각형에서 가로 변의 길이는 100−x100-x 이므로 (100−x)2+802=z2(100-x)^2 + 80^2 = z^2 이고, 따라서 z=(100−x)2+6400z = \sqrt{(100-x)^2 + 6400} 이다. 그러므로 L=y+zL = y + z 에서

L(x)=x2+3600+6400+(100−x)2 .L(x) = \sqrt{x^2 + 3600} + \sqrt{6400 + (100-x)^2}\,. 또한 주어진 상황에서 LL 의 정의역은 0≤x≤1000 \le x \le 100 임이 분명하다. 이 닫힌구간에서 LL 의 최솟값을 구하려 하므로, LL 의 임계점을 찾는 일이 남아 있다.

연쇄 법칙에 의해

L′(x)=2x2(x2+3600)1/2+−2(100−x)2((100−x)2+6400)1/2L'(x) = \frac{2x}{2(x^2+3600)^{1/2}} + \frac{-2(100-x)}{2((100-x)^2 + 6400)^{1/2}}

이다.

계산 도구를 사용하여 방정식 L′(x)=0L'(x) = 0 을 풀면, 구간 0≤x≤1000 \le x \le 100 에서 해는 x≈42.85714x \approx 42.85714 하나뿐이다.

정의역에서 LL 의 최솟값을 구하기 위해 양 끝점과 유일한 임계점에서 LL 의 값을 구한다. 계산하면 L(0)≈188.062L(0) \approx 188.062, L(100)≈196.619L(100) \approx 196.619, L(42.85714)≈172.047L(42.85714) \approx 172.047 이다. 따라서 사용할 수 있는 케이블의 최소 길이는 약 172.047172.047 피트이며, 케이블을 첫 번째 기둥에서 약 42.8571442.85714 피트 떨어진 곳에 고정할 때 이루어진다.

원본 교재 풀이(영어)

We start by constructing a careful diagram of the overall situation. Let xx be the distance from the first pole to the second pole where the cable touches the ground, and let yy be the length of the cable from the top of the first tower to the ground, and zz the length of cable from the ground to the top of the second tower, as pictured in the following figure. Note that we have included the given heights of the towers and the distance between them.

An image showing two vertical towers of height 60 and 80 that are 100 feet apart. On the horizontal segment between the towers, the location x is labeled where the cable from the top of the first towe

The total amount of cable, LL, used (which we wish to minimize) is given by L=y+zL = y + z. We can use the geometry of the situation to write both yy and zz in terms of xx. In the first right triangle, by the Pythagorean Theorem we know that x2+602=y2x^2 + 60^2 = y^2, and thus y=x2+3600y = \sqrt{x^2 + 3600}. In the second right triangle, note that the horizontal leg of the triangle has length 100−x100-x, and thus (100−x)2+802=z2(100-x)^2 + 80^2 = z^2, so z=(100−x)2+6400z = \sqrt{(100-x)^2 + 6400}. It follows that with L=y+zL = y + z,

L(x)=x2+3600+6400+(100−x)2 .L(x) = \sqrt{x^2 + 3600} + \sqrt{6400 + (100-x)^2}\,. It is also apparent from the given situation that the relevant domain for LL is 0≤x≤1000 \le x \le 100. Given that we want to minimize LL on this closed interval, it remains to find any critical numbers of LL.

We note by the chain rule that

L′(x)=2x2(x2+3600)1/2+−2(100−x)2((100−x)2+6400)1/2L'(x) = \frac{2x}{2(x^2+3600)^{1/2}} + \frac{-2(100-x)}{2((100-x)^2 + 6400)^{1/2}}

We use technology to solve the equation L′(x)=0L'(x) = 0 and find that it has a single solution in the interval 0≤x≤1000 \le x \le 100: x≈42.85714x \approx 42.85714.

To find the absolute minimum of LL on the relevant domain, we evaluate LL at the endpoints and the only critical number. Doing so, we fine L(0)≈188.062L(0) \approx 188.062, L(100)≈196.619L(100) \approx 196.619, and L(42.85714)≈172.047L(42.85714) \approx 172.047. Hence the least amount of cable we can use is approximately 172.047172.047 feet and is accomplished by anchoring the cable about 42.8571442.85714 feet from the first tower.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.7절 · 5번
# 최댓값·최솟값과 최적화증명·논술자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)