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

572문제 · 29 / 29쪽

561.Active Calculus · 2.4절 · 10번우리말 번역

p(z)p(z) 를 다음 규칙으로 주어진 함수라 하자.

p(z)=ztan⁡(z)z2sec⁡(z)+1+3ez+1 .p(z) = \frac{z\tan(z)}{z^2\sec(z) + 1} + 3 e^z + 1\,.

(a) p′(z)p'(z) 를 구하세요. (b) z=0z = 0 인 점에서 pp 의 접선의 방정식을 구하세요. (c) z=0z = 0 에서 pp 는 증가하는지, 감소하는지, 둘 다 아닌지 판단하세요. 그 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Let p(z)p(z) be given by the rule

p(z)=ztan⁡(z)z2sec⁡(z)+1+3ez+1 .p(z) = \frac{z\tan(z)}{z^2\sec(z) + 1} + 3 e^z + 1\,.

(a) Determine p′(z)p'(z). (b) Find an equation for the tangent line to pp at the point where z=0z = 0. (c) At z=0z = 0, is pp increasing, decreasing, or neither? Why?

정답·풀이 보기

(a) 몫의 미분법, 곱의 미분법, 합의 미분법, 상수배의 미분법을 사용하면 다음을 얻는다. p′(z)=ddz(ztan⁡(z)z2sec⁡(z)+1+3ez+1)=ddz(ztan⁡(z)z2sec⁡(z)+1)+ddz(3ez)+ddz(1)=(z2sec⁡(z)+1)ddz(ztan⁡(z))−ztan⁡(z)ddz(z2sec⁡(z)+1)(z2sec⁡(z)+1)2+3ez=(z2sec⁡(z)+1)(zsec⁡2(z)+tan⁡(z))−ztan⁡(z)(z2sec⁡(z)tan⁡(z)+2zsec⁡(z))(z2sec⁡(z)+1)2+3ez\begin{aligned}p'(z) &= \frac{d}{dz}\left(\frac{z\tan(z)}{z^2\sec(z) + 1} + 3 e^z + 1\right) \\ &= \frac{d}{dz}\left(\frac{z\tan(z)}{z^2\sec(z) + 1}\right) + \frac{d}{dz} \left(3 e^z \right) + \frac{d}{dz}(1) \\ &= \frac{\left(z^2\sec(z) +1 \right)\frac{d}{dz}\left(z\tan(z)\right) - z\tan(z) \frac{d}{dz}\left(z^2\sec(z) + 1\right)}{\left(z^2\sec(z) + 1\right)^2} +3e^z \\ &= \frac{\left(z^2\sec(z) +1 \right)\left(z\sec^2(z)+\tan(z)\right) - z\tan(z) \left(z^2\sec(z)\tan(z)+2z\sec(z)\right)}{\left(z^2\sec(z) + 1\right)^2} +3e^z\end{aligned} (b) p(0)=0+3+1=4p(0) = 0+3+1 = 4 이고 p′(0)=0+3=3p'(0) = 0+3=3 이므로, z=0z=0 인 점에서 pp 의 접선의 방정식은 y−4=3(x−0)y - 4 = 3(x-0) 이다. (c) p′(0)=3p'(0) = 3 이 양수이므로 pp 는 t=0t=0 에서 증가한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We use the quotient, product, sum, and constant multiple rules to obtain p′(z)=ddz(ztan⁡(z)z2sec⁡(z)+1+3ez+1)=ddz(ztan⁡(z)z2sec⁡(z)+1)+ddz(3ez)+ddz(1)=(z2sec⁡(z)+1)ddz(ztan⁡(z))−ztan⁡(z)ddz(z2sec⁡(z)+1)(z2sec⁡(z)+1)2+3ez=(z2sec⁡(z)+1)(zsec⁡2(z)+tan⁡(z))−ztan⁡(z)(z2sec⁡(z)tan⁡(z)+2zsec⁡(z))(z2sec⁡(z)+1)2+3ez\begin{aligned}p'(z) &= \frac{d}{dz}\left(\frac{z\tan(z)}{z^2\sec(z) + 1} + 3 e^z + 1\right) \\ &= \frac{d}{dz}\left(\frac{z\tan(z)}{z^2\sec(z) + 1}\right) + \frac{d}{dz} \left(3 e^z \right) + \frac{d}{dz}(1) \\ &= \frac{\left(z^2\sec(z) +1 \right)\frac{d}{dz}\left(z\tan(z)\right) - z\tan(z) \frac{d}{dz}\left(z^2\sec(z) + 1\right)}{\left(z^2\sec(z) + 1\right)^2} +3e^z \\ &= \frac{\left(z^2\sec(z) +1 \right)\left(z\sec^2(z)+\tan(z)\right) - z\tan(z) \left(z^2\sec(z)\tan(z)+2z\sec(z)\right)}{\left(z^2\sec(z) + 1\right)^2} +3e^z\end{aligned} (b) We have p(0)=0+3+1=4p(0) = 0+3+1 = 4 and p′(0)=0+3=3p'(0) = 0+3=3, so an equation for the tangent line to pp at the point where z=0z=0 is y−4=3(x−0)y - 4 = 3(x-0). (c) We found that p′(0)=3p'(0) = 3 is positive, so pp is increasing at t=0t=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 2.4절 · 9번
# 삼각함수의 미분계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
562.Active Calculus · 2.5절 · 11번우리말 번역

기본 함수 f(x)=x3f(x) = x^3 과 g(x)=sin⁡(x)g(x) = \sin(x) 를 생각하세요.

(a) h(x)=f(g(x))h(x) = f(g(x)) 라 하자. x=π4x = \frac{\pi}{4} 인 점에서 hh 의 순간변화율의 정확한 값을 구하세요. (b) x=0.25x = 0.25 에서 h(x)=f(g(x))h(x) = f(g(x)) 와 r(x)=g(f(x))r(x) = g(f(x)) 중 어느 함수가 가장 빠르게 변하고 있나요? 그 이유는 무엇인가요? (c) h(x)=f(g(x))h(x) = f(g(x)), r(x)=g(f(x))r(x) = g(f(x)) 라 하자. 이 두 함수 중 도함수가 주기적인 것은 어느 것인가요? 그 이유는 무엇인가요?

영어 원문 보기

Consider the basic functions f(x)=x3f(x) = x^3 and g(x)=sin⁡(x)g(x) = \sin(x).

(a) Let h(x)=f(g(x))h(x) = f(g(x)). Find the exact instantaneous rate of change of hh at the point where x=π4x = \frac{\pi}{4}. (b) Which function is changing most rapidly at x=0.25x = 0.25: h(x)=f(g(x))h(x) = f(g(x)) or r(x)=g(f(x))r(x) = g(f(x))? Why? (c) Let h(x)=f(g(x))h(x) = f(g(x)) and r(x)=g(f(x))r(x) = g(f(x)). Which of these functions has a derivative that is periodic? Why?

정답·풀이 보기

(a) h(x)=f(g(x))h(x) = f(g(x)) 이므로 연쇄 법칙에 의해 h′(x)=f′(g(x))⋅g′(x)h'(x) = f'(g(x)) \cdot g'(x) 이다. f(x)=x3f(x)=x^3, g(x)=sin⁡(x)g(x) = \sin(x) 이므로 f′(x)=3x2f'(x) = 3x^2, f′(g(x))=3sin⁡2(x)f'(g(x)) = 3\sin^2(x), g′(x)=cos⁡(x)g'(x) = \cos(x) 이다. 따라서 h′(x)=3sin⁡2(x)⋅cos⁡(x)h'(x) = 3\sin^2(x) \cdot \cos(x) 이고, h′(π4)=3(12)2⋅12=322h'\left( \frac{\pi}{4} \right) = 3 \left( \frac{1}{\sqrt{2}} \right)^2 \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{3}{2\sqrt{2}} 이다. (b) r′(x)=g′(f(x))⋅f′(x)=cos⁡(x3)⋅3x2r'(x) = g'(f(x)) \cdot f'(x) = \cos(x^3) \cdot 3x^2 임에 주목한다. 따라서 r′(0.25)=cos⁡(0.253)⋅3(0.25)2≈0.1875r'(0.25) = \cos(0.25^3) \cdot 3(0.25)^2 \approx 0.1875 이고, (a)의 결과를 이용하면 h′(0.25)=3sin⁡2(0.25)⋅cos⁡(0.25)≈0.1779h'(0.25) = 3\sin^2(0.25) \cdot \cos(0.25) \approx 0.1779 이다. 그러므로 ∣h′(0.25)<r′(0.25)∣|h'(0.25) < r'(0.25)| 이므로 rr 이 더 빠르게 변하고 있음을 알 수 있다. (c) (a)와 (b)에서 h′(x)=3sin⁡2(x)⋅cos⁡(x)h'(x) = 3\sin^2(x) \cdot \cos(x), r′(x)=cos⁡(x3)⋅3x2r'(x) = \cos(x^3) \cdot 3x^2 임을 확인했다. h′(x)h'(x) 의 곱을 이루는 두 부분이 모두 주기함수이므로 h′(x)h'(x) 는 (주기 2π2\pi 로) 주기적이다. 그러나 xx 가 증가함에 따라 3x23x^2 은 한없이 커지므로 r′(x)r'(x) 는 주기적이지 않다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since h(x)=f(g(x))h(x) = f(g(x)), by the chain rule we know that h′(x)=f′(g(x))⋅g′(x)h'(x) = f'(g(x)) \cdot g'(x). Using the facts that f(x)=x3f(x)=x^3 and g(x)=sin⁡(x)g(x) = \sin(x), it follows f′(x)=3x2f'(x) = 3x^2 and f′(g(x))=3sin⁡2(x)f'(g(x)) = 3\sin^2(x), and g′(x)=cos⁡(x)g'(x) = \cos(x). Therefore, h′(x)=3sin⁡2(x)⋅cos⁡(x)h'(x) = 3\sin^2(x) \cdot \cos(x) and h′(π4)=3(12)2⋅12=322h'\left( \frac{\pi}{4} \right) = 3 \left( \frac{1}{\sqrt{2}} \right)^2 \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{3}{2\sqrt{2}}. (b) Note that r′(x)=g′(f(x))⋅f′(x)=cos⁡(x3)⋅3x2r'(x) = g'(f(x)) \cdot f'(x) = \cos(x^3) \cdot 3x^2. Thus, we have r′(0.25)=cos⁡(0.253)⋅3(0.25)2≈0.1875r'(0.25) = \cos(0.25^3) \cdot 3(0.25)^2 \approx 0.1875, while using our work from (a), h′(0.25)=3sin⁡2(0.25)⋅cos⁡(0.25)≈0.1779h'(0.25) = 3\sin^2(0.25) \cdot \cos(0.25) \approx 0.1779, so since ∣h′(0.25)<r′(0.25)∣|h'(0.25) < r'(0.25)|, we see that rr is changing more rapidly. (c) We have observed in (a) and (b) that h′(x)=3sin⁡2(x)⋅cos⁡(x)h'(x) = 3\sin^2(x) \cdot \cos(x) and r′(x)=cos⁡(x3)⋅3x2r'(x) = \cos(x^3) \cdot 3x^2. Because both parts of the product in h′(x)h'(x) are periodic functions, h′(x)h'(x) is periodic (with period 2π2\pi). However, r′(x)r'(x) is not periodic, since 3x23x^2 grows without bound as xx increases.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.6절 · 44번
# 합성함수의 미분법계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
563.Active Calculus · 2.5절 · 12번우리말 번역

u(x)u(x) 를 미분가능한 함수라 하자. 다음 각 함수에 대해 도함수를 구하세요. 각 답에는 uu 및/또는 u′u' 이 포함됩니다.

(a) p(x)=eu(x)p(x) = e^{u(x)} (b) q(x)=u(ex)q(x) = u(e^x) (c) r(x)=cot⁡(u(x))r(x) = \cot(u(x)) (d) s(x)=u(cot⁡(x))s(x) = u(\cot(x)) (e) a(x)=u(x4)a(x) = u(x^4) (f) b(x)=(u(x))4b(x) = (u(x))^4

영어 원문 보기

Let u(x)u(x) be a differentiable function. For each of the following functions, determine the derivative. Each response will involve uu and/or u′u'.

(a) p(x)=eu(x)p(x) = e^{u(x)} (b) q(x)=u(ex)q(x) = u(e^x) (c) r(x)=cot⁡(u(x))r(x) = \cot(u(x)) (d) s(x)=u(cot⁡(x))s(x) = u(\cot(x)) (e) a(x)=u(x4)a(x) = u(x^4) (f) b(x)=(u(x))4b(x) = (u(x))^4

정답·풀이 보기

(a) 연쇄 법칙에 의해 p′(x)=eu(x)⋅u′(x)p'(x) = e^{u(x)} \cdot u'(x) 이다. (b) 연쇄 법칙에 의해 q′(x)=u′(ex)⋅exq'(x) = u'(e^x) \cdot e^x 이다. (c) 연쇄 법칙에 의해 r′(x)=−csc⁡2(u(x)⋅u′(x)r'(x) = -\csc^2(u(x) \cdot u'(x) 이다. (d) 연쇄 법칙에 의해 s′(x)=u′(cot⁡(x))⋅(−csc⁡2(x))s'(x) = u'(\cot(x)) \cdot (-\csc^2(x)) 이다. (e) 연쇄 법칙에 의해 a′(x)=u′(x4)⋅4x3a'(x) = u'(x^4) \cdot 4x^3 이다. (f) 연쇄 법칙에 의해 b′(x)=4(u(x))3⋅u′(x)b'(x) = 4(u(x))^3 \cdot u'(x) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) By the chain rule, p′(x)=eu(x)⋅u′(x)p'(x) = e^{u(x)} \cdot u'(x). (b) By the chain rule, q′(x)=u′(ex)⋅exq'(x) = u'(e^x) \cdot e^x. (c) By the chain rule, r′(x)=−csc⁡2(u(x)⋅u′(x)r'(x) = -\csc^2(u(x) \cdot u'(x). (d) By the chain rule, s′(x)=u′(cot⁡(x))⋅(−csc⁡2(x))s'(x) = u'(\cot(x)) \cdot (-\csc^2(x)). (e) By the chain rule, a′(x)=u′(x4)⋅4x3a'(x) = u'(x^4) \cdot 4x^3. (f) By the chain rule, b′(x)=4(u(x))3⋅u′(x)b'(x) = 4(u(x))^3 \cdot u'(x).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.6절 · 46번
# 합성함수의 미분법계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
564.Active Calculus · 2.5절 · 14번우리말 번역

반지름이 4피트인 구 모양의 물탱크에 물이 hh피트 높이로 들어 있을 때, 탱크 안에 있는 물의 부피는 다음 식으로 주어집니다.

V=π3h2(12−h) .V = \frac{\pi}{3} h^2(12-h)\,.

(a) h=1h = 1 인 순간에, 물의 부피는 물의 높이에 대해 어떤 순간변화율로 변하나요? 이 양의 단위는 무엇인지 구하세요. (b) 이제 유입과 유출(예: 수도꼭지와 배수구)로 탱크 안 물의 높이가 조절되어, 시각 tt 에서 물의 높이가 h(t)=sin⁡(πt)+1h(t) = \sin(\pi t) + 1 이라는 규칙으로 주어진다고 합시다. 여기서 tt 는 시간 단위로 재고(hh 는 여전히 피트 단위로 잽니다). t=2t = 2 인 순간에 물의 높이는 시간에 대해 어떤 비율로 변하는지 구하세요. (c) (b)의 가정을 이어서 사용할 때, t=2t = 2 인 순간에 탱크 안 물의 부피는 시간에 대해 어떤 순간변화율로 변하는지 구하세요. (d) (a)에서 구한 변화율과 (c)에서 구한 변화율의 주된 차이점은 무엇인지 설명하세요. 관련된 단위에 대한 논의를 포함하세요.

영어 원문 보기

If a spherical tank of radius 4 feet has hh feet of water present in the tank, then the volume of water in the tank is given by the formula

V=π3h2(12−h) .V = \frac{\pi}{3} h^2(12-h)\,.

(a) At what instantaneous rate is the volume of water in the tank changing with respect to the height of the water at the instant h=1h = 1? What are the units on this quantity? (b) Now suppose that the height of water in the tank is being regulated by an inflow and outflow (e.g., a faucet and a drain) so that the height of the water at time tt is given by the rule h(t)=sin⁡(πt)+1h(t) = \sin(\pi t) + 1, where tt is measured in hours (and hh is still measured in feet). At what rate is the height of the water changing with respect to time at the instant t=2t = 2? (c) Continuing under the assumptions in (b), at what instantaneous rate is the volume of water in the tank changing with respect to time at the instant t=2t = 2? (d) What are the main differences between the rates found in (a) and (c)? Include a discussion of the relevant units.

정답·풀이 보기

(a) h=1h = 1 인 순간에 dVdh\frac{dV}{dh} (VV 를 독립변수 hh 에 대해 미분한 도함수)를 구하는 문제이다. 먼저 VV 를 전개하여 V=π3(12h2−h3)V = \frac{\pi}{3}\left(12h^2 - h^3\right) 으로 쓰면 dVdh=π3(24h−3h2)=π(8h−h2) ,\frac{dV}{dh} = \frac{\pi}{3} \left(24h - 3h^2\right) = \pi \left(8h-h^2 \right)\,, 이고 단위는 “피트당 세제곱피트”이다. h=1h=1 에서의 값을 구하면 dVdh∣h=1=π(8⋅1−12)=7π\left. \frac{dV}{dh} \right|_{h=1} = \pi \left(8 \cdot 1 - 1^2 \right) = 7\pi 이다. (b) h(t)=sin⁡(πt)+1h(t) = \sin(\pi t) + 1 이므로 tt 에 대한 hh 의 순간변화율은 h′(t)=πcos⁡(πt)h'(t) = \pi \cos(\pi t) 이고, 따라서 h′(2)=πcos⁡(2π)=πh'(2) = \pi \cos(2\pi) = \pi 시간당 피트이다. (c) 먼저 VV 를 독립변수 tt 에 대해 미분한 도함수 dVdt\frac{dV}{dt} 를 구한다. 여기서 VV 를 tt 의 함수로 V(t)=π3(12(h(t))2−(h(t))3)V(t) = \frac{\pi}{3}\left(12(h(t))^2 - (h(t))^3\right) 과 같이 쓸 수 있고, h(t)=sin⁡(πt)+1h(t) = \sin(\pi t) + 1 이다. 연쇄 법칙에 의해 dVdt=π3(12⋅2h(t)⋅h′(t)−3(h(t))2⋅h′(t))\frac{dV}{dt} = \frac{\pi}{3}\left( 12 \cdot 2 h(t) \cdot h'(t) - 3 (h(t))^2 \cdot h'(t) \right) 이고, h(t)=sin⁡(πt)+1h(t) = \sin(\pi t) + 1 과 h′(t)=πcos⁡(πt)h'(t) = \pi \cos(\pi t) 를 이용하면 dVdt=π3[12⋅2(sin⁡(πt)+1)⋅πcos⁡(πt)−3(sin⁡(πt)+1)2⋅πcos⁡(πt)]\frac{dV}{dt} = \frac{\pi}{3}\left[ 12 \cdot 2 (\sin(\pi t) + 1) \cdot \pi \cos(\pi t) - 3 (\sin(\pi t) + 1)^2 \cdot \pi \cos(\pi t) \right] 이며 단위는 “시간당 피트”이다. 이제 t=2t=2 일 때의 dVdt\frac{dV}{dt} 를 구한다. 위에서 구한 결과를 이용하면 dVdt∣t=2=π3[12⋅2(sin⁡(2π)+1)⋅πcos⁡(2π)−3(sin⁡(2π)+1)2⋅πcos⁡(2π)]=7π2\left. \frac{dV}{dt} \right|_{t=2} = \frac{\pi}{3}\left[ 12 \cdot 2 (\sin(2\pi) + 1) \cdot \pi \cos(2\pi) - 3 (\sin(2\pi) + 1)^2 \cdot \pi \cos(2\pi) \right] = 7 \pi^2 시간당 세제곱피트이다. (d) (a)에서는 탱크 안 물의 높이를 증가시킬 때 부피가 변하는 순간변화율을 구하고, (c)에서는 시간이 증가할 때 부피가 변하는 순간변화율을 구한다. 첫 번째 계산은 직접적인 계산이고, 두 번째 계산은 VV 와 시간의 함수인 hh 의 합성을 포함하므로 보다 간접적이다. 후자의 경우 hh 와 VV 모두 시간의 함수이므로, VV 가 hh 의 함수로서 어떻게 변하는지뿐만 아니라 tt 의 함수로서 어떻게 변하는지도 생각할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We are asked to find dVdh\frac{dV}{dh} (the derivative of VV with respect to the independent variable hh) at the instant h=1h = 1. If we first expand VV to write V=π3(12h2−h3)V = \frac{\pi}{3}\left(12h^2 - h^3\right) we find that dVdh=π3(24h−3h2)=π(8h−h2) ,\frac{dV}{dh} = \frac{\pi}{3} \left(24h - 3h^2\right) = \pi \left(8h-h^2 \right)\,, with units “cubic feet per foot”. Evaluating at h=1h=1, we get dVdh∣h=1=π(8⋅1−12)=7π\left. \frac{dV}{dh} \right|_{h=1} = \pi \left(8 \cdot 1 - 1^2 \right) = 7\pi (b) Since h(t)=sin⁡(πt)+1h(t) = \sin(\pi t) + 1, the instantaneous rate of change of hh with respect to tt is h′(t)=πcos⁡(πt)h'(t) = \pi \cos(\pi t), and therefore h′(2)=πcos⁡(2π)=πh'(2) = \pi \cos(2\pi) = \pi feet per hour. (c) First we want to find dVdt\frac{dV}{dt}, the derivative of VV with respect to the independent variable tt. Here we can write VV as a function of tt by writing V(t)=π3(12(h(t))2−(h(t))3)V(t) = \frac{\pi}{3}\left(12(h(t))^2 - (h(t))^3\right), where h(t)=sin⁡(πt)+1h(t) = \sin(\pi t) + 1. By the chain rule, it follows that dVdt=π3(12⋅2h(t)⋅h′(t)−3(h(t))2⋅h′(t))\frac{dV}{dt} = \frac{\pi}{3}\left( 12 \cdot 2 h(t) \cdot h'(t) - 3 (h(t))^2 \cdot h'(t) \right) and hence using h(t)=sin⁡(πt)+1h(t) = \sin(\pi t) + 1 and h′(t)=πcos⁡(πt)h'(t) = \pi \cos(\pi t), dVdt=π3[12⋅2(sin⁡(πt)+1)⋅πcos⁡(πt)−3(sin⁡(πt)+1)2⋅πcos⁡(πt)]\frac{dV}{dt} = \frac{\pi}{3}\left[ 12 \cdot 2 (\sin(\pi t) + 1) \cdot \pi \cos(\pi t) - 3 (\sin(\pi t) + 1)^2 \cdot \pi \cos(\pi t) \right] with units “ feet per hour”. Now we want to find dVdt\frac{dV}{dt} when t=2t=2. Using our most recent work, we have dVdt∣t=2=π3[12⋅2(sin⁡(2π)+1)⋅πcos⁡(2π)−3(sin⁡(2π)+1)2⋅πcos⁡(2π)]=7π2\left. \frac{dV}{dt} \right|_{t=2} = \frac{\pi}{3}\left[ 12 \cdot 2 (\sin(2\pi) + 1) \cdot \pi \cos(2\pi) - 3 (\sin(2\pi) + 1)^2 \cdot \pi \cos(2\pi) \right] = 7 \pi^2 cubic feet per hour. (d) In (a) we are determining the instantaneous rate at which the volume changes as we increase the height of the water in the tank, while in (c) we are finding the instantaneous rate at which volume changes as we increase time. The first calculation is a direct one, while the second is more indirect, as it involves the composition of VV with hh as a function of time. In the latter case, both hh and VV are functions of time, which allows us to think not only of how VV is changing as a function of hh, but also as a function of tt.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.6절 · 36번
# 합성함수의 미분법활용자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
565.Active Calculus · 2.6절 · 8번우리말 번역

다음 각 함수의 도함수를 구하세요. 올바른 표기를 사용하고, 사용한 미분법을 분명히 밝히세요.

(a) f(x)=ln⁡(2arctan⁡(x)+3arcsin⁡(x)+5)f(x) = \ln(2\arctan(x) + 3\arcsin(x) + 5) (b) r(z)=arctan⁡(ln⁡(arcsin⁡(z)))r(z) = \arctan(\ln(\arcsin(z))) (c) q(t)=arctan⁡2(3t)arcsin⁡4(7t)q(t) = \arctan^2(3t) \arcsin^4(7t) (d) g(v)=ln⁡(arctan⁡(v)arcsin⁡(v)+v2)g(v) = \ln\left( \frac{\arctan(v)}{\arcsin(v) + v^2} \right)

영어 원문 보기

Determine the derivative of each of the following functions. Use proper notation and clearly identify the derivative rules you use.

(a) f(x)=ln⁡(2arctan⁡(x)+3arcsin⁡(x)+5)f(x) = \ln(2\arctan(x) + 3\arcsin(x) + 5) (b) r(z)=arctan⁡(ln⁡(arcsin⁡(z)))r(z) = \arctan(\ln(\arcsin(z))) (c) q(t)=arctan⁡2(3t)arcsin⁡4(7t)q(t) = \arctan^2(3t) \arcsin^4(7t) (d) g(v)=ln⁡(arctan⁡(v)arcsin⁡(v)+v2)g(v) = \ln\left( \frac{\arctan(v)}{\arcsin(v) + v^2} \right)

정답·풀이 보기

(a) 연쇄 법칙에 의해, f′(x)=12arctan⁡(x)+3arcsin⁡(x)+5⋅ddx(2arctan⁡(x)+3arcsin⁡(x)+5) ,f'(x) = \frac{1}{2\arctan(x) + 3\arcsin(x) + 5} \cdot \frac{d}{dx}\left( 2\arctan(x) + 3\arcsin(x) + 5\right)\,, 이고, 합과 상수배의 미분법에 의해 다음을 얻는다. f′(x)=12arctan⁡(x)+3arcsin⁡(x)+5⋅(21+x2+31−x2) .f'(x) = \frac{1}{2\arctan(x) + 3\arcsin(x) + 5} \cdot \left(\frac{2}{1+x^2} + \frac{3}{\sqrt{1-x^2}}\right)\,. (b) 가장 바깥쪽 함수에 연쇄 법칙을 적용하면, r′(z)=11+(ln⁡(arcsin⁡(z)))2⋅ddz(ln⁡(arcsin⁡(z))) .r'(z) = \frac{1}{1+\left(\ln(\arcsin(z))\right)^2} \cdot \frac{d}{dz} \left( \ln(\arcsin(z)) \right)\,. ddz(ln⁡(arcsin⁡(z)))\frac{d}{dz} \left( \ln(\arcsin(z)) \right) 를 계산하기 위해 연쇄 법칙을 다시 적용하면, r′(z)=11+(ln⁡(arcsin⁡(z)))2⋅(1arcsin⁡(z))⋅ddz(arcsin⁡(z)) .r'(z) = \frac{1}{1+\left(\ln(\arcsin(z))\right)^2} \cdot \left( \frac{1}{\arcsin(z)} \right) \cdot \frac{d}{dz}\left(\arcsin(z)\right)\,. 마지막으로 ddz(arcsin⁡(z))\frac{d}{dz}\left(\arcsin(z)\right) 의 기본 공식을 이용하면, r′(z)=11+(ln⁡(arcsin⁡(z)))2⋅(1arcsin⁡(z))⋅11−z2 .r'(z) = \frac{1}{1+\left(\ln(\arcsin(z))\right)^2} \cdot \left( \frac{1}{\arcsin(z)} \right) \cdot \frac{1}{\sqrt{1-z^2}}\,. (c) 먼저 곱의 미분법에 의해, q′(t)=arctan⁡2(3t)⋅ddt(arcsin⁡4(7t))+arcsin⁡4(7t)⋅ddt(arctan⁡2(3t)) .q'(t) = \arctan^2(3t) \cdot \frac{d}{dt}\left(\arcsin^4(7t)\right) + \arcsin^4(7t) \cdot \frac{d}{dt}\left(\arctan^2(3t)\right)\,. 다음으로 arcsin⁡4(7t)=(arcsin⁡(7t))4\arcsin^4(7t) = \left(\arcsin(7t)\right)^4 이고 arctan⁡2(3t)=(arctan⁡(3t))2\arctan^2(3t) = \left( \arctan(3t) \right)^2 임을 떠올려, 연쇄 법칙을 적용해 이 함수들 각각의 도함수를 구하면 다음과 같다. q′(t)=arctan⁡2(3t)⋅[4arcsin⁡3(7t)ddt(arcsin⁡(7t))]+arcsin⁡4(7t)⋅[2arctan⁡(3t)ddt(arctan⁡(3t))] .q'(t) = \arctan^2(3t) \cdot \left[4\arcsin^3(7t) \frac{d}{dt}\left( \arcsin(7t) \right)\right] + \arcsin^4(7t) \cdot \left[2\arctan(3t) \frac{d}{dt}\left(\arctan(3t)\right) \right]\,. 마지막으로 남은 도함수를 계산하기 위해 연쇄 법칙을 한 번 더 적용하면, q′(t)=arctan⁡2(3t)⋅[4arcsin⁡3(7t)(71−(7t)2)]+arcsin⁡4(7t)⋅[2arctan⁡(3t)(31+(3t)2)] .q'(t) = \arctan^2(3t) \cdot \left[4\arcsin^3(7t) \left( \frac{7}{\sqrt{1-(7t)^2}} \right)\right] + \arcsin^4(7t) \cdot \left[2\arctan(3t) \left(\frac{3}{1+(3t)^2}\right) \right]\,. (d) 연쇄 법칙에 의해, g′(v)=1arctan⁡(v)arcsin⁡(v)+v2⋅ddv[arctan⁡(v)arcsin⁡(v)+v2]g'(v) = \frac{1}{ \frac{\arctan(v)}{\arcsin(v) + v^2} } \cdot \frac{d}{dv}\left[ \frac{\arctan(v)}{\arcsin(v) + v^2} \right] 따라서 몫의 미분법에 의해, g′(v)=1arctan⁡(v)arcsin⁡(v)+v2⋅(arcsin⁡(v)+v2)⋅11+v2−arctan⁡(v)⋅(11−v2+2v)(arcsin⁡(v)+v2)2g'(v) = \frac{1}{\frac{\arctan(v)}{\arcsin(v) + v^2}} \cdot \frac{(\arcsin(v) + v^2) \cdot \frac{1}{1+v^2} - \arctan(v) \cdot \left(\frac{1}{\sqrt{1-v^2}} + 2v \right)}{(\arcsin(v) + v^2)^2}

원본 교재 풀이(영어)

(a) By the chain rule, f′(x)=12arctan⁡(x)+3arcsin⁡(x)+5⋅ddx(2arctan⁡(x)+3arcsin⁡(x)+5) ,f'(x) = \frac{1}{2\arctan(x) + 3\arcsin(x) + 5} \cdot \frac{d}{dx}\left( 2\arctan(x) + 3\arcsin(x) + 5\right)\,, and by the sum and constant multiple rules, it follows that f′(x)=12arctan⁡(x)+3arcsin⁡(x)+5⋅(21+x2+31−x2) .f'(x) = \frac{1}{2\arctan(x) + 3\arcsin(x) + 5} \cdot \left(\frac{2}{1+x^2} + \frac{3}{\sqrt{1-x^2}}\right)\,. (b) By the chain rule applied to the outermost function, r′(z)=11+(ln⁡(arcsin⁡(z)))2⋅ddz(ln⁡(arcsin⁡(z))) .r'(z) = \frac{1}{1+\left(\ln(\arcsin(z))\right)^2} \cdot \frac{d}{dz} \left( \ln(\arcsin(z)) \right)\,. Applying the chain rule again to evaluate ddz(ln⁡(arcsin⁡(z)))\frac{d}{dz} \left( \ln(\arcsin(z)) \right), r′(z)=11+(ln⁡(arcsin⁡(z)))2⋅(1arcsin⁡(z))⋅ddz(arcsin⁡(z)) .r'(z) = \frac{1}{1+\left(\ln(\arcsin(z))\right)^2} \cdot \left( \frac{1}{\arcsin(z)} \right) \cdot \frac{d}{dz}\left(\arcsin(z)\right)\,. Finally, using the basic rule for ddz(arcsin⁡(z))\frac{d}{dz}\left(\arcsin(z)\right), r′(z)=11+(ln⁡(arcsin⁡(z)))2⋅(1arcsin⁡(z))⋅11−z2 .r'(z) = \frac{1}{1+\left(\ln(\arcsin(z))\right)^2} \cdot \left( \frac{1}{\arcsin(z)} \right) \cdot \frac{1}{\sqrt{1-z^2}}\,. (c) First, by the product rule, q′(t)=arctan⁡2(3t)⋅ddt(arcsin⁡4(7t))+arcsin⁡4(7t)⋅ddt(arctan⁡2(3t)) .q'(t) = \arctan^2(3t) \cdot \frac{d}{dt}\left(\arcsin^4(7t)\right) + \arcsin^4(7t) \cdot \frac{d}{dt}\left(\arctan^2(3t)\right)\,. Next, we recall that arcsin⁡4(7t)=(arcsin⁡(7t))4\arcsin^4(7t) = \left(\arcsin(7t)\right)^4 and arctan⁡2(3t)=(arctan⁡(3t))2\arctan^2(3t) = \left( \arctan(3t) \right)^2, and apply the chain rule to find the derivative of each of these functions to get q′(t)=arctan⁡2(3t)⋅[4arcsin⁡3(7t)ddt(arcsin⁡(7t))]+arcsin⁡4(7t)⋅[2arctan⁡(3t)ddt(arctan⁡(3t))] .q'(t) = \arctan^2(3t) \cdot \left[4\arcsin^3(7t) \frac{d}{dt}\left( \arcsin(7t) \right)\right] + \arcsin^4(7t) \cdot \left[2\arctan(3t) \frac{d}{dt}\left(\arctan(3t)\right) \right]\,. Finally, applying the chain rule one more time to evaluate the remaining derivatives, q′(t)=arctan⁡2(3t)⋅[4arcsin⁡3(7t)(71−(7t)2)]+arcsin⁡4(7t)⋅[2arctan⁡(3t)(31+(3t)2)] .q'(t) = \arctan^2(3t) \cdot \left[4\arcsin^3(7t) \left( \frac{7}{\sqrt{1-(7t)^2}} \right)\right] + \arcsin^4(7t) \cdot \left[2\arctan(3t) \left(\frac{3}{1+(3t)^2}\right) \right]\,. (d) By the chain rule, g′(v)=1arctan⁡(v)arcsin⁡(v)+v2⋅ddv[arctan⁡(v)arcsin⁡(v)+v2]g'(v) = \frac{1}{ \frac{\arctan(v)}{\arcsin(v) + v^2} } \cdot \frac{d}{dv}\left[ \frac{\arctan(v)}{\arcsin(v) + v^2} \right] Thus, by the quotient rule, g′(v)=1arctan⁡(v)arcsin⁡(v)+v2⋅(arcsin⁡(v)+v2)⋅11+v2−arctan⁡(v)⋅(11−v2+2v)(arcsin⁡(v)+v2)2g'(v) = \frac{1}{\frac{\arctan(v)}{\arcsin(v) + v^2}} \cdot \frac{(\arcsin(v) + v^2) \cdot \frac{1}{1+v^2} - \arctan(v) \cdot \left(\frac{1}{\sqrt{1-v^2}} + 2v \right)}{(\arcsin(v) + v^2)^2}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 2.7절 · 1번
# 역함수의 미분법계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
566.Active Calculus · 2.6절 · 9번우리말 번역

f(x)=14x3+4f(x) = \frac{1}{4}x^3 + 4 라 하자.

(a) y=f(x)y = f(x) 의 그래프를 그리고, ff 가 역함수를 가지는 함수인 이유를 설명하세요. (b) gg 를 ff 의 역함수라 하고, gg 의 식을 구하세요. (c) f′(x)f'(x), g′(x)g'(x), f′(2)f'(2), g′(6)g'(6) 의 값을 구하세요. f′(2)f'(2) 와 g′(6)g'(6) 사이에는 어떤 특별한 관계가 있습니까? 그 이유는 무엇입니까?

영어 원문 보기

Let f(x)=14x3+4f(x) = \frac{1}{4}x^3 + 4.

(a) Sketch a graph of y=f(x)y = f(x) and explain why ff is an invertible function. (b) Let gg be the inverse of ff and determine a formula for gg. (c) Compute f′(x)f'(x), g′(x)g'(x), f′(2)f'(2), and g′(6)g'(6). What is the special relationship between f′(2)f'(2) and g′(6)g'(6)? Why?

정답·풀이 보기

(a) ff 의 그래프가 수평선 판정법을 통과하므로 ff 는 역함수를 가지는 함수이다. (b) g=f−1g = f^{-1} 의 식을 구하기 위해 방정식 y=14x3+4y = \frac{1}{4}x^3 + 4 를 yy 에 대한 xx 의 식으로 푼다. 그러면 y−4=14x3y - 4 = \frac{1}{4}x^3 이므로 x3=4(y−4)x^3 = 4(y-4) 이고, 따라서 x=4(y−4)3=f−1(y) .x = \sqrt[3]{4(y-4)} = f^{-1}(y)\,. 역함수를 xx 에 대한 함수로 나타내면 f−1(x)=g(x)=4x−163f^{-1}(x) = g(x) = \sqrt[3]{4x-16} 임을 알 수 있다. (c) 먼저 f′(x)=34x2f'(x) = \frac{3}{4}x^2 이므로 f′(2)=3f'(2) = 3 이다. 다음으로 g′(x)=13(4x−16)−2/3⋅4g'(x) = \frac{1}{3}(4x-16)^{-2/3} \cdot 4 이므로 g′(6)=13⋅8−2/3⋅4=13⋅14⋅4=13g'(6) = \frac{1}{3} \cdot 8^{-2/3} \cdot 4 = \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{4} \cdot 4 = \frac{1}{3} 이다. 이 두 미분계수의 특별한 점은 서로 역수라는 것이다. f(2)=3f(2) = 3 이고 g(3)=2g(3) = 2 임에 주목하면, 역함수의 미분법에 의해 g′(3)=1f′(2)g'(3) = \frac{1}{f'(2)} 임을 알 수 있고, 이는 위에서 구한 g′(3)=13g'(3) = \frac{1}{3} 과 일치한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) ff is an invertible function because its graph passes the horizontal line test. (b) To find a formula for g=f−1g = f^{-1}, we take the equation y=14x3+4y = \frac{1}{4}x^3 + 4 and solve for xx in terms of yy. Doing so, we find that y−4=14x3y - 4 = \frac{1}{4}x^3, so x3=4(y−4)x^3 = 4(y-4), and thus x=4(y−4)3=f−1(y) .x = \sqrt[3]{4(y-4)} = f^{-1}(y)\,. Writing the inverse as a function of xx, we have found that f−1(x)=g(x)=4x−163f^{-1}(x) = g(x) = \sqrt[3]{4x-16}. (c) First, f′(x)=34x2f'(x) = \frac{3}{4}x^2, and thus f′(2)=3f'(2) = 3. Next, g′(x)=13(4x−16)−2/3⋅4g'(x) = \frac{1}{3}(4x-16)^{-2/3} \cdot 4, so that g′(6)=13⋅8−2/3⋅4=13⋅14⋅4=13g'(6) = \frac{1}{3} \cdot 8^{-2/3} \cdot 4 = \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{4} \cdot 4 = \frac{1}{3}. What is special about these two derivative values is that they happen to be reciprocals. Noting that f(2)=3f(2) = 3 and g(3)=2g(3) = 2, we know that g′(3)=1f′(2)g'(3) = \frac{1}{f'(2)} by the rule for the derivative of an inverse function, and this matches our finding above that g′(3)=13g'(3) = \frac{1}{3}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 2.6절 · 8번
# 역함수의 미분법그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
567.Active Calculus · 2.6절 · 10번우리말 번역

h(x)=x+sin⁡(x)h(x) = x + \sin(x) 라 하자.

(a) y=h(x)y = h(x) 의 그래프를 그리고, hh 가 왜 역함수를 가져야 하는지 설명하세요. (b) h−1h^{-1} 의 식을 대수적으로 구하는 것이 왜 가능해 보이지 않는지 설명하세요. (c) 점 (π2,π2+1)(\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} + 1) 이 y=h(x)y = h(x) 의 그래프 위에 있음을 확인하세요. (h−1)′(π2+1)(h^{-1})'(\frac{\pi}{2} + 1) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let h(x)=x+sin⁡(x)h(x) = x + \sin(x).

(a) Sketch a graph of y=h(x)y = h(x) and explain why hh must be invertible. (b) Explain why it does not appear to be algebraically possible to determine a formula for h−1h^{-1}. (c) Observe that the point (π2,π2+1)(\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} + 1) lies on the graph of y=h(x)y = h(x). Determine the value of (h−1)′(π2+1)(h^{-1})'(\frac{\pi}{2} + 1).

정답·풀이 보기

(a) 함수 hh 는 그래프가 수평선 판정법을 통과하므로 역함수를 가진다. (b) 방정식 y=x+sin⁡(x)y = x + \sin(x) 를 xx 에 대하여 yy 로 나타내어 푸는 것은 가능해 보이지 않는다. (c) 역함수의 미분법에 의해 (h−1)′(π2+1)=1h′(π2)(h^{-1})'(\frac{\pi}{2} + 1) = \frac{1}{h'\left(\frac{\pi}{2} \right)} 이다. 따라서 먼저 h′(x)h'(x) 를 구하면 h′(x)=1+cos⁡(x)h'(x) = 1 + \cos(x) 이다. h′(π2)=1+cos⁡(π2)=1h'\left(\frac{\pi}{2} \right) = 1 + \cos\left(\frac{\pi}{2} \right) = 1 이므로 (h−1)′(π2+1)=11=1(h^{-1})'(\frac{\pi}{2} + 1) = \frac{1}{1} = 1 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The function hh is invertible because its graph passes the horizontal line test. (b) It does not seem possible to solve the equation y=x+sin⁡(x)y = x + \sin(x) for xx in terms of yy. (c) By the rule for the derivative of an invertible function, we have (h−1)′(π2+1)=1h′(π2)(h^{-1})'(\frac{\pi}{2} + 1) = \frac{1}{h'\left(\frac{\pi}{2} \right)}. Thus, we first compute h′(x)h'(x) and find that h′(x)=1+cos⁡(x)h'(x) = 1 + \cos(x). Since h′(π2)=1+cos⁡(π2)=1h'\left(\frac{\pi}{2} \right) = 1 + \cos\left(\frac{\pi}{2} \right) = 1, it follows that (h−1)′(π2+1)=11=1(h^{-1})'(\frac{\pi}{2} + 1) = \frac{1}{1} = 1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 2.6절 · 9번
# 역함수의 미분법그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
568.Active Calculus · 2.7절 · 12번우리말 번역

방정식 2y3+y2−y5=x4−2x3+x22y^3+y^2-y^5 = x^4 - 2x^3 + x^2 로 주어진 곡선을 생각하세요. 이 곡선의 접선이 수평이거나 수직인 점을 모두 구하세요. 반드시 그래프 도구를 사용하여 이 음함수 곡선을 그리고, 접선이 수평인 곳과 수직인 곳을 결정하기 위해 사용한 대수적 추론의 결과를 눈으로 확인하세요.

영어 원문 보기

Consider the curve given by the equation 2y3+y2−y5=x4−2x3+x22y^3+y^2-y^5 = x^4 - 2x^3 + x^2. Find all points at which the tangent line to the curve is horizontal or vertical. Be sure to use a graphing utility to plot this implicit curve and to visually check the results of algebraic reasoning that you use to determine where the tangent lines are horizontal and vertical.

정답·풀이 보기

먼저 음함수 미분으로 dydx\frac{dy}{dx} 를 구한다. 주어진 방정식의 양변을 yy 를 xx 의 함수로 보고 xx 에 대해 미분하면

6y2dydx+2ydydx−5y4dydx=4x3−6x2+2x .6y^2 \frac{dy}{dx} + 2y \frac{dy}{dx} - 5y^4 \frac{dy}{dx} = 4x^3 - 6x^2 + 2x\,. 좌변에서 dydx\frac{dy}{dx} 를 묶어 내고 dydx\frac{dy}{dx} 에 대해 나누어 풀면

dydx=4x3−6x2+2x6y2+2y−5y4=2x(2x2−3x+1)y(−5y3+6y+2) .\frac{dy}{dx} = \frac{4x^3 - 6x^2 + 2x}{6y^2 + 2y - 5y^4} = \frac{2x(2x^2 - 3x + 1)}{y(-5y^3 + 6y + 2)}\,. 접선은 dydx\frac{dy}{dx} 의 분자가 0인 곳에서 수평일 수 있고, dydx\frac{dy}{dx} 가 0인 곳에서 수직일 수 있다. 2x(2x2−3x+1)=02x(2x^2 - 3x + 1) = 0 을 풀면

2x(2x−1)(x−1)=02x(2x-1)(x-1) = 0

이므로 분자는 x=0,0.5,1x = 0, 0.5, 1 에서 0이다. 분모는 y(−5y3+6y+2)=0y(-5y^3 + 6y + 2) = 0 인 곳에서 0이다. 기술을 이용하여 −5y3+6y+2=0-5y^3 + 6y + 2 = 0 의 해를 어림하면 분모는 y=0y = 0 과 y≈−0.856,−0.379,1.235y \approx -0.856, -0.379, 1.235 에서 0이다.

다음으로, 수평 접선 또는 수직 접선이 생길 수 있는 이 점들의 좌표를 구해야 한다. 먼저 수평 접선이 생길 수 있는 위치를 생각한다. x=0x = 0 일 때 2y3+y2−y5=x4−2x3+x2=02y^3+y^2-y^5 = x^4 - 2x^3 + x^2 = 0 이므로 y2(2y+1−y3)=0y^2(2y + 1 - y^3) = 0 이고, 따라서 y=0y = 0, y=−1y=-1 또는 y≈−0.618,1.618y \approx -0.618, 1.618 이다. 그러면 살펴볼 점은 (0,0)(0,0), (0,−1)(0,-1), (0,−0.618)(0,-0.618), (0,1.618)(0,1.618) 의 네 개이다. 아래 그래프에서 (0,0)(0,0) 에서의 접선은 수평이 아니지만(이 점에서는 dydx\frac{dy}{dx} 의 분자와 분모가 모두 0이다) 나머지 세 점에서는 접선이 수평임을 분명히 알 수 있다.

이제 분자가 0인 다른 xx 의 값에 대해서도 같은 방식으로 추론한다. x=1x = 1 일 때 2y3+y2−y5=14−2⋅13+12=02y^3+y^2-y^5 = 1^4 - 2\cdot 1^3 + 1^2 = 0 이고, 여기서도 y=0y = 0, y=−1y=-1 또는 y≈−0.618,1.618y \approx -0.618, 1.618 이다. 그러면 접선이 수평일 수 있는 점은 (1,0)(1,0), (1,−1)(1,-1), (1,−0.618)(1,-0.618), (1,1.618)(1,1.618) 의 네 개이다. (1,0)(1,0) 에서는 수평 접선이 없지만 나머지 점에서는 그림에서 보듯이 수평 접선이 있다. x=0.5x = 0.5 일 때도 비슷하게 추론하면 2y3+y2−y5=0.54−2⋅0.53+0.52=0.6252y^3+y^2-y^5 = 0.5^4 - 2\cdot 0.5^3 + 0.5^2 = 0.625 이고, 이로부터 y≈−1.0493,0.2104,1.6139y \approx -1.0493, 0.2104, 1.6139 를 얻으므로 세 점 (0.5,−1.0493)(0.5,-1.0493), (0.5,0.2104)(0.5,0.2104), (0.5,1.6139)(0.5, 1.6139) 를 얻는다.

다시 분모가 0인 곳(y=0y = 0 과 y≈−0.856,−0.379,1.235y \approx -0.856, -0.379, 1.235)으로 돌아가서, 접선이 수직인 점을 구한다. 아래 그림에서 y=0y = 0 또는 y≈−0.856y \approx -0.856 일 때는 수직 접선이 없음이 분명하므로, 따져 볼 값은 y≈−0.379,1.235y \approx -0.379, 1.235 두 개이다.

y≈−0.379y \approx -0.379 일 때 2(−0.379)3+(−0.379)2−(−0.379)5=x4−2x3+x22(-0.379)^3+(-0.379)^2-(-0.379)^5 = x^4 - 2x^3 + x^2 이므로

x4−2x3+x2=0.0426x^4 - 2x^3 + x^2 = 0.0426

이고, 이로부터 x≈−0.1756,0.2912,0.7088,1.1756x \approx -0.1756, 0.2912, 0.7088, 1.1756 을 얻는다. 그림에서 (−0.1756,−0.379)(-0.1756,-0.379), (0.2912,−0.379)(0.2912,-0.379), (0.7088,−0.379)(0.7088,-0.379), (1.1756,−0.379)(1.1756,-0.379) 에 수직 접선이 있음을 확인할 수 있다.

마지막으로 y≈1.235y \approx 1.235 일 때 2(1.235)3+(1.235)2−(1.235)5=x4−2x3+x22(1.235)^3+(1.235)^2-(1.235)^5 = x^4 - 2x^3 + x^2 이므로

x4−2x3+x2=2.4195x^4 - 2x^3 + x^2 = 2.4195

이고, 따라서 기술을 이용하면 x≈−0.8437,1.8437x \approx -0.8437, 1.8437 이다. 이로써 접선이 수직인 점 (−0.8437,1.235)(-0.8437, 1.235) 와 (1.8437,1.235)(1.8437, 1.235) 가 추가로 나온다.

지금까지의 모든 풀이를 다음 그림에 정리하였다.

이 이미지에 대체 텍스트를 추가하세요.

원본 교재 풀이(영어)

First, we compute dydx\frac{dy}{dx} by implicit differentiation. Differentiating both sides of the given equation with respect to xx while treating yy as a function of xx, we see that

6y2dydx+2ydydx−5y4dydx=4x3−6x2+2x .6y^2 \frac{dy}{dx} + 2y \frac{dy}{dx} - 5y^4 \frac{dy}{dx} = 4x^3 - 6x^2 + 2x\,. Removing a factor of dydx\frac{dy}{dx} from the lefthand side and dividing to solve for dydx\frac{dy}{dx}, we have

dydx=4x3−6x2+2x6y2+2y−5y4=2x(2x2−3x+1)y(−5y3+6y+2) .\frac{dy}{dx} = \frac{4x^3 - 6x^2 + 2x}{6y^2 + 2y - 5y^4} = \frac{2x(2x^2 - 3x + 1)}{y(-5y^3 + 6y + 2)}\,. The tangent line is potentially horizontal where the numerator of dydx\frac{dy}{dx} is zero and potentially vertical where dydx\frac{dy}{dx} is zero. Solving 2x(2x2−3x+1)=02x(2x^2 - 3x + 1) = 0, we see that

2x(2x−1)(x−1)=02x(2x-1)(x-1) = 0

so the numerator is zero at x=0,0.5,1x = 0, 0.5, 1. The denominator is zero where y(−5y3+6y+2)=0y(-5y^3 + 6y + 2) = 0. Using technology to estimate where −5y3+6y+2=0-5y^3 + 6y + 2 = 0, we see the denominator is zero at y=0y = 0 and y≈−0.856,−0.379,1.235y \approx -0.856, -0.379, 1.235.

Next, we need to find the coordinates of these points where potential horizontal or vertical tangent lines occur. First, we consider the potential horizontal tangent line locations. When x=0x = 0, 2y3+y2−y5=x4−2x3+x2=02y^3+y^2-y^5 = x^4 - 2x^3 + x^2 = 0, and thus we know y2(2y+1−y3)=0y^2(2y + 1 - y^3) = 0, from which it follows that y=0y = 0, y=−1y=-1 or y≈−0.618,1.618y \approx -0.618, 1.618. This leads to four points to consider: (0,0)(0,0), (0,−1)(0,-1), (0,−0.618)(0,-0.618), and (0,1.618)(0,1.618). It is apparent from the graph shown below that the tangent line at (0,0)(0,0) is not horizontal (here both the numerator and denominator of dydx\frac{dy}{dx} are zero), but at each of the other three points, the tangent line is horizontal.

We now reason similarly for the other xx-values where the numerator is zero. At x=1x = 1, 2y3+y2−y5=14−2⋅13+12=02y^3+y^2-y^5 = 1^4 - 2\cdot 1^3 + 1^2 = 0, and here again y=0y = 0, y=−1y=-1 or y≈−0.618,1.618y \approx -0.618, 1.618. This leads to four potential points where the tangent line is horizontal: (1,0)(1,0), (1,−1)(1,-1), (1,−0.618)(1,-0.618), and (1,1.618)(1,1.618). At (1,0)(1,0), there's not a horizontal tangent line, but at each of the others there is, as seen in the figure. Similar reasoning when x=0.5x = 0.5 shows that 2y3+y2−y5=0.54−2⋅0.53+0.52=0.6252y^3+y^2-y^5 = 0.5^4 - 2\cdot 0.5^3 + 0.5^2 = 0.625, from which we find that y≈−1.0493,0.2104,1.6139y \approx -1.0493, 0.2104, 1.6139, and thus the three points (0.5,−1.0493)(0.5,-1.0493), (0.5,0.2104)(0.5,0.2104), (0.5,1.6139)(0.5, 1.6139).

Returning to where the denominator is zero (y=0y = 0 and y≈−0.856,−0.379,1.235y \approx -0.856, -0.379, 1.235), we now determine points where the tangent line is vertical. Is is apparent from the figure below that there are no vertical tangent lines when y=0y = 0 or y≈−0.856y \approx -0.856, so there are two values to pursue: y≈−0.379,1.235y \approx -0.379, 1.235.

When y≈−0.379y \approx -0.379, it follows that 2(−0.379)3+(−0.379)2−(−0.379)5=x4−2x3+x22(-0.379)^3+(-0.379)^2-(-0.379)^5 = x^4 - 2x^3 + x^2, so

x4−2x3+x2=0.0426x^4 - 2x^3 + x^2 = 0.0426

from which we find that x≈−0.1756,0.2912,0.7088,1.1756x \approx -0.1756, 0.2912, 0.7088, 1.1756. The figure confirms that there are vertical tangent lines at (−0.1756,−0.379)(-0.1756,-0.379), (0.2912,−0.379)(0.2912,-0.379), (0.7088,−0.379)(0.7088,-0.379), and (1.1756,−0.379)(1.1756,-0.379)

Lastly, when y≈1.235y \approx 1.235, it follows 2(1.235)3+(1.235)2−(1.235)5=x4−2x3+x22(1.235)^3+(1.235)^2-(1.235)^5 = x^4 - 2x^3 + x^2, so

x4−2x3+x2=2.4195x^4 - 2x^3 + x^2 = 2.4195

and thus via technology, x≈−0.8437,1.8437x \approx -0.8437, 1.8437. This leads to two additional points at which the tangent line is vertical: (−0.8437,1.235)(-0.8437, 1.235) and (1.8437,1.235)(1.8437, 1.235).

All of our above work is summarized in the following figure.

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.8절 · 30번
# 음함수의 미분법계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
569.Active Calculus · 2.7절 · 13번우리말 번역

방정식 sin⁡(x+y)+cos⁡(x−y)=1\sin(x+y) + \cos(x-y) = 1 로 주어진 곡선에 대하여, 점 (π2,π2)(\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}) 에서 곡선에 그은 접선의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

For the curve given by the equation sin⁡(x+y)+cos⁡(x−y)=1\sin(x+y) + \cos(x-y) = 1, find the equation of the tangent line to the curve at the point (π2,π2)(\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}).

정답·풀이 보기

먼저 곡선에 접하는 직선의 기울기, 즉 dydx\frac{dy}{dx} 를 구해야 한다. 이를 위해 yy 를 xx 의 함수로 보고 방정식의 양변을 xx 에 대해 미분하면 다음을 얻는다.

ddx(sin⁡(x+y)+cos⁡(x−y))=ddx(1)cos⁡(x+y)(1+dydx)−sin⁡(x−y)(1−dydx)=0 .\begin{aligned}\frac{d}{dx} \left( \sin(x+y) + \cos(x-y) \right) &= \frac{d}{dx}(1) \\ \cos(x+y) \left(1+\frac{dy}{dx}\right) - \sin(x-y)\left(1-\frac{dy}{dx}\right) &= 0\end{aligned}\,. 좌변을 전개하면

cos⁡(x+y)+cos⁡(x+y)dydx−sin⁡(x−y)+sin⁡(x−y)dydx=0 .\cos(x+y) + \cos(x+y)\frac{dy}{dx} - \sin(x-y) + \sin(x-y)\frac{dy}{dx} = 0\,. 오른쪽 두 항에서 dydx\frac{dy}{dx} 를 공통인수로 묶어 내고 나머지 두 항을 우변으로 이항하면

dydx(cos⁡(x+y)+sin⁡(x−y))=sin⁡(x−y)−cos⁡(x+y) .\frac{dy}{dx} \left(\cos(x+y) + \sin(x-y) \right) = \sin(x-y) - \cos(x+y)\,. 따라서

dydx=sin⁡(x−y)−cos⁡(x+y)cos⁡(x+y)+sin⁡(x−y) .\frac{dy}{dx} = \frac{\sin(x-y) - \cos(x+y)}{\cos(x+y) + \sin(x-y)}\,. 점 (π2,π2)\left(\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right) 에서

dydx∣(π2,π2)=sin⁡(0)−cos⁡(π)cos⁡(π)+sin⁡(0)=−1 \frac{dy}{dx}\biggm|_{\left(\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right)} = \frac{\sin(0)-\cos(\pi)}{\cos(\pi) + \sin(0)} = -1\, 이다. 따라서 점 (π2,π2)\left(\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right) 에서 곡선에 그은 접선의 방정식은 y=π2−(x−π2)y = \frac{\pi}{2} - \left(x-\frac{\pi}{2}\right) 이다. sin⁡(x+y)+cos⁡(x−y)=1\sin(x+y) + \cos(x-y) = 1 로 정의된 곡선의 일부와 점 (π2,π2)\left(\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right) 에서의 접선이 다음 그림에 나타나 있다.

이 그림에 대체 텍스트를 추가하세요.

원본 교재 풀이(영어)

First we need to find the slope of the line tangent to the curve, or dydx\frac{dy}{dx}. To do so, we differentiate both sides of the equation with respect to xx, treating yy as a function of xx to obtain

ddx(sin⁡(x+y)+cos⁡(x−y))=ddx(1)cos⁡(x+y)(1+dydx)−sin⁡(x−y)(1−dydx)=0 .\begin{aligned}\frac{d}{dx} \left( \sin(x+y) + \cos(x-y) \right) &= \frac{d}{dx}(1) \\ \cos(x+y) \left(1+\frac{dy}{dx}\right) - \sin(x-y)\left(1-\frac{dy}{dx}\right) &= 0\end{aligned}\,. Distributing on the left side of the equation,

cos⁡(x+y)+cos⁡(x+y)dydx−sin⁡(x−y)+sin⁡(x−y)dydx=0 .\cos(x+y) + \cos(x+y)\frac{dy}{dx} - \sin(x-y) + \sin(x-y)\frac{dy}{dx} = 0\,. Removing a factor of dydx\frac{dy}{dx} from two terms on the right and moving the other two terms to the righthand side,

dydx(cos⁡(x+y)+sin⁡(x−y))=sin⁡(x−y)−cos⁡(x+y) .\frac{dy}{dx} \left(\cos(x+y) + \sin(x-y) \right) = \sin(x-y) - \cos(x+y)\,. Therefore,

dydx=sin⁡(x−y)−cos⁡(x+y)cos⁡(x+y)+sin⁡(x−y) .\frac{dy}{dx} = \frac{\sin(x-y) - \cos(x+y)}{\cos(x+y) + \sin(x-y)}\,. At the point (π2,π2)\left(\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right) we have that

dydx∣(π2,π2)=sin⁡(0)−cos⁡(π)cos⁡(π)+sin⁡(0)=−1 .\frac{dy}{dx}\biggm|_{\left(\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right)} = \frac{\sin(0)-\cos(\pi)}{\cos(\pi) + \sin(0)} = -1\,. Therefore, the equation of the line tangent to the curve at the point (π2,π2)\left(\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right) is y=π2−(x−π2)y = \frac{\pi}{2} - \left(x-\frac{\pi}{2}\right). A portion of the graph of the curve defined by sin⁡(x+y)+cos⁡(x−y)=1\sin(x+y) + \cos(x-y) = 1 and the tangent line to the curve at the point (π2,π2)\left(\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right) are shown in the following figure.

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.8절 · 22번
# 음함수의 미분법계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
570.Active Calculus · 2.7절 · 14번우리말 번역

음함수 미분을 이용하면 ddx[ln⁡(x)]=1x\frac{d}{dx}[\ln(x)] = \frac{1}{x} 이라고 가정할 때 공식 ddx[ax]=axln⁡(a)\frac{d}{dx} [a^x] = a^x \ln(a) 이 성립하는 이유를 다른 관점에서 볼 수 있습니다. 이 문제는 그 핵심 단계를 차례로 안내합니다.

(a) y=axy = a^x 라고 하세요. 이 등식을 자연로그 함수를 사용하여 xx 를 yy (와 상수 aa)로 나타내는 식으로 다시 쓰세요. (b) (a)에서 구한 등식의 양변을 xx 에 대해 미분하세요. 이때 yy 는 음함수적으로 xx 의 함수임에 유의하세요. (c) (b)에서 구한 등식을 dydx\frac{dy}{dx} 에 대해 푼 다음, yy 의 정의를 이용하여 dydx\frac{dy}{dx} 를 오직 xx 로만 나타내세요. 무엇을 알게 되었나요?

영어 원문 보기

Implicit differentiation enables us a different perspective from which to see why the rule ddx[ax]=axln⁡(a)\frac{d}{dx} [a^x] = a^x \ln(a) holds, if we assume that ddx[ln⁡(x)]=1x\frac{d}{dx}[\ln(x)] = \frac{1}{x}. This exercise leads you through the key steps to do so.

(a) Let y=axy = a^x. Rewrite this equation using the natural logarithm function to write xx in terms of yy (and the constant aa). (b) Differentiate both sides of the equation you found in (a) with respect to xx, keeping in mind that yy is implicitly a function of xx. (c) Solve the equation you found in (b) for dydx\frac{dy}{dx}, and then use the definition of yy to write dydx\frac{dy}{dx} solely in terms of xx. What have you found?

정답·풀이 보기

(a) 양변에 자연로그를 취하면 ln⁡(y)=ln⁡(ax)=xln⁡(a)\ln(y) = \ln(a^x) = x \ln(a) 이다. 따라서 x=ln⁡(y)ln⁡(a) .x = \frac{\ln(y)}{\ln(a)}\,. (b) ln⁡(a)\ln(a) 는 xx 에 대해 상수이므로 x=1ln⁡(a)⋅ln⁡(y)x = \frac{1}{\ln(a)} \cdot \ln(y) 로도 쓸 수 있다. yy 를 xx 의 함수로 보고 (그리고 ln⁡(a)\ln(a) 가 상수임을 다시 한번 유의하여) 양변을 xx 에 대해 미분하면 1=1ln⁡(a)⋅1ydydx .1 = \frac{1}{\ln(a)} \cdot \frac{1}{y}\frac{dy}{dx}\,. (c) dydx\frac{dy}{dx} 에 대해 풀면 dydx=yln⁡(a)\frac{dy}{dx} = y \ln(a) 이다. 그런데 처음에 y=axy = a^x 이었으므로 dydx=axln⁡(a)\frac{dy}{dx} = a^x \ln(a) 이고, 이는 ddx[ax]=axln⁡(a)\frac{d}{dx}[a^x] = a^x \ln(a) 임을 보여 준다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Taking the natural log of both sides, ln⁡(y)=ln⁡(ax)=xln⁡(a)\ln(y) = \ln(a^x) = x \ln(a). Thus, it follows that x=ln⁡(y)ln⁡(a) .x = \frac{\ln(y)}{\ln(a)}\,. (b) Remembering that ln⁡(a)\ln(a) is constant with respect to xx, we can also write x=1ln⁡(a)⋅ln⁡(y)x = \frac{1}{\ln(a)} \cdot \ln(y). Differentiating both sides with respect to xx while treating yy as a function of xx (and again remembering that ln⁡(a)\ln(a) is constant), we have 1=1ln⁡(a)⋅1ydydx .1 = \frac{1}{\ln(a)} \cdot \frac{1}{y}\frac{dy}{dx}\,. (c) Solving for dydx\frac{dy}{dx}, we see that dydx=yln⁡(a)\frac{dy}{dx} = y \ln(a). But recall from the outset that y=axy = a^x, and thus dydx=axln⁡(a)\frac{dy}{dx} = a^x \ln(a) which shows that ddx[ax]=axln⁡(a)\frac{d}{dx}[a^x] = a^x \ln(a).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 2.7절 · 13번
# 음함수의 미분법계산자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
571.Active Calculus · 3.1절 · 9번우리말 번역

돛단배 한 척이 부두 근처에 정지해 있다. 배의 뱃머리에 매단 밧줄이 도르래를 거쳐 끌어당겨지는데, 이 도르래는 부두 끝에 세워진 기둥 위에 있으며 뱃머리보다 5피트 더 높다. 밧줄을 초당 2피트의 비율로 끌어당길 때, 뱃머리에서 도르래까지의 밧줄 길이가 13피트인 순간에 배는 얼마나 빠르게 부두에 가까워지고 있는지 구하세요.

영어 원문 보기

A sailboat is sitting at rest near its dock. A rope attached to the bow of the boat is drawn in over a pulley that stands on a post on the end of the dock that is 5 feet higher than the bow. If the rope is being pulled in at a rate of 2 feet per second, how fast is the boat approaching the dock when the length of rope from bow to pulley is 13 feet?

정답·풀이 보기

주어진 정보를 이용하여 아래와 같은 그림을 그린다.

이 그림에 대체 텍스트를 추가하세요.

그림과 같이 도르래에서 배의 뱃머리 높이까지의 수직 높이는 55 이고, 도르래에서 뱃머리까지의 밧줄 길이를 zz, 부두에서 뱃머리까지의 수평 거리를 xx 라 하자.

밧줄을 초당 22 피트의 비율로 끌어당기므로 dzdt=−2\frac{dz}{dt} = -2 피트/초이다. 뱃머리에서 도르래까지의 밧줄 길이가 13피트일 때 배가 얼마나 빠르게 부두에 가까워지는지 알고 싶으므로 dxdt∣z=13\left. \frac{dx}{dt} \right|_{z=13} 을 구해야 한다. 따라서 변하는 두 양 zz 와 xx 사이의 관계를 세워야 한다.

밧줄, (수직으로 연장한) 기둥, 그리고 뱃머리에서 기둥까지의 수평 거리는 언제나 직각삼각형을 이루므로

x2+52=z2 .x^2 + 5^2 = z^2\,. 이제 zz 와 xx 의 관계를 얻었으므로 이 등식의 양변을 tt 에 대해 미분한다. 연쇄 법칙에 의해

2xdxdt=2zdzdt .2x \frac{dx}{dt} = 2z \frac{dz}{dt}\,. z=13z = 13 인 순간에는 x2+52=132x^2 + 5^2 = 13^2 이므로 x=12x = 12 이다. z=13z = 13 인 순간의 주어진 정보를 모두 이용하면 (dzdt=−2\frac{dz}{dt} = -2 포함),

2(12)dxdt∣z=13=2(13)(−2) .2(12) \left. \frac{dx}{dt} \right|_{z = 13} = 2(13)(-2)\,. dxdt∣z=13\left. \frac{dx}{dt} \right|_{z = 13} 에 대해 풀면

dxdt∣z=13=−136\left. \frac{dx}{dt} \right|_{z = 13} = -\frac{13}{6}

피트/초이다. 따라서 배는 초당 136≈2.167\frac{13}{6} \approx 2.167 피트의 비율로 부두에 가까워지고 있다.

원본 교재 풀이(영어)

Using the given information, we construct the figure shown below.

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As pictured, we know that 55 is the vertical height from the pulley to the level of the bow of the boat, and we let zz be the length of the rope from the pulley to the bow of the boat, and xx the horizontal distance from the dock to the bow of the boat.

We are given that the rope is being pulled in at 22 feet per second, and thus dzdt=−2\frac{dz}{dt} = -2 feet per second. Because we want to know how fast the boat is approaching the dock when the length of rope from bow to pulley is 13 feet, we want to know dxdt∣z=13\left. \frac{dx}{dt} \right|_{z=13}. Thus, we need to relate the changing quantities zz and xx.

Because the rope, the post (vertically extended), and the horizontal distance from the bow of the boat to the post on the dock form a right triangle at all times, it follows that

x2+52=z2 .x^2 + 5^2 = z^2\,. Having now related zz and xx, we differentiate this equation with respect to tt. By the chain rule, we now see that

2xdxdt=2zdzdt .2x \frac{dx}{dt} = 2z \frac{dz}{dt}\,. At the instant z=13z = 13, x2+52=132x^2 + 5^2 = 13^2, and thus x=12x = 12. Using all of the given information at the instant z=13z = 13 (including that dzdt=−2\frac{dz}{dt} = -2),

2(12)dxdt∣z=13=2(13)(−2) .2(12) \left. \frac{dx}{dt} \right|_{z = 13} = 2(13)(-2)\,. Solving for dxdt∣z=13\left. \frac{dx}{dt} \right|_{z = 13},

dxdt∣z=13=−136\left. \frac{dx}{dt} \right|_{z = 13} = -\frac{13}{6}

feet per second. Thus the boat is approaching the dock at a rate of 136≈2.167\frac{13}{6} \approx 2.167 feet per second.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 3.1절 · 11번
# 관련 변화율활용자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
572.Active Calculus · 3.1절 · 11번우리말 번역

야구장의 다이아몬드는 한 변의 길이가 9090 피트인 정사각형이다. 한 야구 선수가 2루에서 3루로 초당 2424 피트의 속력으로 진루하고 있고, 심판이 홈 플레이트 위에 서 있다고 하자. θ\theta를 3루선과 심판에서 주자를 향한 시선이 이루는 각이라고 하자. 주자가 3루에서 3030 피트 떨어져 있을 때, θ\theta는 얼마나 빠르게 변하는지 구하세요.

영어 원문 보기

A baseball diamond is a square with sides 9090 feet long. Suppose a baseball player is advancing from second to third base at the rate of 2424 feet per second, and an umpire is standing on home plate. Let θ\theta be the angle between the third baseline and the line of sight from the umpire to the runner. How fast is θ\theta changing when the runner is 3030 feet from third base?

정답·풀이 보기

xx를 2루에서 3루로 가는 경로에서 주자와 3루 사이의 거리, zz를 홈 플레이트에 있는 심판에서 주자까지의 거리라 하고, θ\theta를 3루선과 심판에서 주자를 향한 시선이 이루는 각이라 하자. 아래 그림을 보자.

이 그림에 대체 텍스트를 추가하세요.

xx, zz, θ\theta는 각각 암묵적으로 tt의 함수이다. 주자가 초당 2424 피트의 속력으로 진루하고 있으므로 dxdt=−24\frac{dx}{dt} = -24 이다. 구하려는 것이 dθdt∣x=30\left. \frac{d\theta}{dt} \right|_{x = 30} 이므로 xx와 θ\theta 사이의 관계를 찾아야 한다.

먼저 정의에 의해

tan⁡(θ)=x90=190x .\tan(\theta) = \frac{x}{90} = \frac{1}{90}x\,. 이다. xx와 θ\theta의 관계를 구했으므로, 위 등식의 양변을 tt에 대해 미분할 수 있다. 연쇄 법칙에 의해

sec⁡2(θ)dθdt=190dxdt ,\sec^2 (\theta) \frac{d\theta}{dt} = \frac{1}{90} \frac{dx}{dt}\,, 이고, 따라서

dθdt=190sec⁡2(θ)dxdt\frac{d\theta}{dt} = \frac{1}{90 \sec^2 (\theta)} \frac{dx}{dt}

이다.

x=30x = 30 인 순간에는 x2+902=z2x^2 + 90^2 = z^2 이므로 z=902+302=9000=3010z = \sqrt{90^2 + 30^2} = \sqrt{9000} = 30\sqrt{10} 이다. 따라서 같은 순간에 sec⁡(θ)=1cos⁡(θ)=301090=103\sec(\theta) = \frac{1}{\cos(\theta)} = \frac{30\sqrt{10}}{90} = \frac{\sqrt{10}}{3} 이다. 또한 dxdt=−24\frac{dx}{dt} = -24 임을 기억하자. 이 정보를 xx와 θ\theta의 변화율을 연결하는 식에 적용하면

dθdt∣x=30=190(103)2(−24)=−1100(24)=−0.24\left. \frac{d\theta}{dt} \right|_{x = 30} = \frac{1}{90 \left( \frac{\sqrt{10}}{3} \right)^2} (-24) = -\frac{1}{100}(24) = -0.24

라디안/초이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let xx represent the distance from the runner to third base along the path from second to third, let zz be the distance from the umpire at home plate to the runner, and call θ\theta the angle between the third baseline and the line of sight from the umpire to the runner. See the figure below.

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Each of xx, zz, and θ\theta is implicitly a function of tt. We are given that the runner is advancing at a rate of 2424 feet per second, so dxdt=−24\frac{dx}{dt} = -24. Since we want to know dθdt∣x=30\left. \frac{d\theta}{dt} \right|_{x = 30}, we want to relate xx and θ\theta.

We first observe that by definition,

tan⁡(θ)=x90=190x .\tan(\theta) = \frac{x}{90} = \frac{1}{90}x\,. Having related xx and θ\theta, we can differentiate both sides of the preceding equation with respect to tt. By the chain rule,

sec⁡2(θ)dθdt=190dxdt ,\sec^2 (\theta) \frac{d\theta}{dt} = \frac{1}{90} \frac{dx}{dt}\,, and thus

dθdt=190sec⁡2(θ)dxdt\frac{d\theta}{dt} = \frac{1}{90 \sec^2 (\theta)} \frac{dx}{dt}

At the instant x=30x = 30, since x2+902=z2x^2 + 90^2 = z^2, z=902+302=9000=3010z = \sqrt{90^2 + 30^2} = \sqrt{9000} = 30\sqrt{10}. Hence, at this same instance, sec⁡(θ)=1cos⁡(θ)=301090=103\sec(\theta) = \frac{1}{\cos(\theta)} = \frac{30\sqrt{10}}{90} = \frac{\sqrt{10}}{3}. Recall we also know that dxdt=−24\frac{dx}{dt} = -24. Applying this information to the equation that relates the rates of change of xx and θ\theta,

dθdt∣x=30=190(103)2(−24)=−1100(24)=−0.24\left. \frac{d\theta}{dt} \right|_{x = 30} = \frac{1}{90 \left( \frac{\sqrt{10}}{3} \right)^2} (-24) = -\frac{1}{100}(24) = -0.24

radians per second.

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