유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
62문제 · 3 / 4쪽
41.OpenStax 1권 · 4.1절 · 40번우리말 번역
앞의 문제와 같은 상황에서, 해변에서 가장 가까운 지점으로부터 1 mi 떨어진 곳에서 불빛이 해변을 가로질러 움직이는 비율을 구하세요.
영어 원문 보기
Using the same setup as the previous problem, determine at what rate the beam of light moves across the beach 1 mi away from the closest point on the beach.
[계산기 사용] 타자가 공을 3루 쪽으로 75 ft/sec 로 치고 1루 쪽으로 24 ft/sec 의 속력으로 달립니다. 2초가 지났을 때 공과 타자 사이의 거리는 어떤 비율로 변하는지 구하세요.
영어 원문 보기
[T] A batter hits a ball toward third base at 75 ft/sec and runs toward first base at a rate of 24 ft/sec. At what rate does the distance between the ball and the batter change when 2 sec have passed?
[계산기 사용] 타자가 공을 2루 쪽으로 80 ft/sec 로 치고 1루 쪽으로 30 ft/sec 의 속력으로 달립니다. 주자가 1루까지 거리의 3분의 1을 달렸을 때 공과 타자 사이의 거리는 어떤 비율로 변하는지 구하세요. (힌트: 코사인법칙을 떠올려 보세요.)
영어 원문 보기
[T] A batter hits a ball toward second base at 80 ft/sec and runs toward first base at a rate of 30 ft/sec. At what rate does the distance between the ball and the batter change when the runner has covered one-third of the distance to first base? (Hint: Recall the law of cosines.)
정답·풀이 보기
거리는 62.50 ft/sec 의 비율로 증가하고 있다.
원본 교재 풀이(영어)
The distance is increasing at a rate of 62.50 ft/sec.
[계산기 사용] 타자가 공을 치고 1루 쪽으로 22 ft/sec 의 속력으로 달립니다. 주자가 30 ft 를 달렸을 때 주자와 2루 사이의 거리는 어떤 비율로 변하는지 구하세요.
영어 원문 보기
[T] A batter hits the ball and runs toward first base at a speed of 22 ft/sec. At what rate does the distance between the runner and second base change when the runner has run 30 ft?
[계산기 사용] 1루와 2루에서 주자들이 출발합니다. 야구공이 타격되면 1루 주자는 2루 쪽으로 18 ft/sec 의 속력으로 달리고 2루 주자는 3루 쪽으로 20 ft/sec 의 속력으로 달립니다. 공이 타격된 지 1초 후에 주자들 사이의 거리는 얼마나 빠르게 변하는지 구하세요.
영어 원문 보기
[T] Runners start at first and second base. When the baseball is hit, the runner at first base runs at a speed of 18 ft/sec toward second base and the runner at second base runs at a speed of 20 ft/sec toward third base. How fast is the distance between runners changing 1 sec after the ball is hit?
정답·풀이 보기
거리는 11.99 ft/sec 의 비율로 감소하고 있다.
원본 교재 풀이(영어)
The distance is decreasing at a rate of 11.99 ft/sec.
배 갑판 위 10ft 높이에 있는 윈치가 30ft/min의 일정한 속도로 배를 선착장 쪽으로 끌어당기고 있다.
배가 다음과 같은 위치에 있을 때, 배는 어느 정도의 속도로 선착장에 가까워지고 있나요?
(a) 선착장에서 50피트 떨어져 있을 때
(b) 선착장에서 15피트 떨어져 있을 때
(c) 선착장에서 1피트 떨어져 있을 때
(d) 배를 끌어당기는 밧줄의 길이가 10피트보다 짧아지면 어떻게 되나요?
영어 원문 보기
A boat is being pulled into a dock at a constant rate of 30ft/min by a winch located 10ft above the deck of the boat.
At what rate is the boat approaching the dock when the boat is:
(a) 50 feet out?
(b) 15 feet out?
(c) 1 foot from the dock?
(d) What happens when the length of rope pulling in the boat is less than 10 feet long?
정답·풀이 보기
(a) 30.59 ft/min
(b) 36.1 ft/min
(c) 301 ft/min
(d) 배는 더 이상 평소처럼 물에 떠 있지 못하고, 윈치에 의해 위로 끌려 올라가게 된다(윈치에 그럴 힘이 있다고 가정한다).
원본 교재 풀이(영어)
(a) 30.59 ft/min
(b) 36.1 ft/min
(c) 301 ft/min
(d) The boat no longer floats as usual, but is being pulled up by the winch (assuming it has the power to do so).
깊이가 20ft이고 윗면의 지름이 10ft인 거꾸로 세운 원뿔 모양의 탱크에 10ft3/min의 속도로 물을 채우고 있다. 물의 깊이가 다음과 같을 때, 탱크 안의 물은 어느 정도의 속도로 차오르고 있나요?
(a) 1피트
(b) 10피트
(c) 19피트
빈 상태에서 시작하면 탱크를 가득 채우는 데 시간이 얼마나 걸리나요?
영어 원문 보기
An inverted cylindrical cone, 20ft deep and 10ft across at the top, is being filled with water at a rate of 10ft3/min. At what rate is the water rising in the tank when the depth of the water is:
(a) 1 foot?
(b) 10 feet?
(c) 19 feet?
How long will the tank take to fill when starting at empty?
추에 연결된 밧줄이 천장의 도르래를 지나 위로 올라갔다가 다시 아래로 내려와 한 작업자에게 이어져 있다. 그 남자는 밧줄과 추가 연결된 지점과 같은 높이에서 밧줄을 잡고 있다.
남자가 추 바로 옆에 서 있다가(즉, 밧줄의 전체 길이가 60 ft이다) 2ft/s의 속도로 멀어지기 시작한다고 하자. 남자가 다음과 같이 걸어갔을 때, 추는 얼마나 빠르게 올라가고 있나요?
(a) 10피트
(b) 40피트
추를 도르래까지 완전히 끌어올리려면 남자는 얼마나 멀리 걸어가야 하나요?
영어 원문 보기
A rope, attached to a weight, goes up through a pulley at the ceiling and back down to a worker. The man holds the rope at the same height as the connection point between rope and weight.
Suppose the man stands directly next to the weight (i.e., a total rope length of 60 ft) and begins to walk away at a rate of 2ft/s. How fast is the weight rising when the man has walked:
(a) 10 feet?
(b) 40 feet?
How far must the man walk to raise the weight all the way to the pulley?
열기구가 지면에서 수직으로 떠오른다. 100피트 떨어진 곳에서 키가 5'인 여성이 열기구가 움직이는 경로를 관찰한다. 그 여성이 열기구를 바라보는 시선이 수평선과 이루는 각이 45∘일 때, 이 각은 약 5∘/min의 비율로 증가하고 있음을 알게 된다.
(a) 열기구의 높이는 얼마인가요?
(b) 열기구는 얼마나 빠르게 올라가고 있나요?
영어 원문 보기
A hot air balloon lifts off from ground rising vertically. From 100 feet away, a 5' woman tracks the path of the balloon. When her sightline with the balloon makes a 45∘ angle with the horizontal, she notes the angle is increasing at about 5∘/min.
(a) What is the elevation of the balloon?
(b) How fast is it rising?
정답·풀이 보기
(a) 열기구는 지상 105ft 높이에 있다.
(b) 열기구는 17.45ft/min의 속도로 올라가고 있다. (힌트: 모든 각을 라디안으로 바꾸세요.)
원본 교재 풀이(영어)
(a) The balloon is 105ft in the air.
(b) The balloon is rising at a rate of 17.45ft/min. (Hint: convert all angles to radians.)
조경 자재를 생산하는 한 회사가 모래를 원뿔 모양으로 쌓고 있다. 모래는 5ft3/sec의 속도로 쏟아지고 있으며, 모래의 물리적 성질과 중력이 함께 작용하여 원뿔의 높이는 밑면인 원의 지름 길이의 약 2/3가 된다.
원뿔의 높이가 30피트일 때, 원뿔은 얼마나 빠르게 높아지고 있나요?
영어 원문 보기
A company that produces landscaping materials is dumping sand into a conical pile. The sand is being poured at a rate of 5ft3/sec; the physical properties of the sand, in conjunction with gravity, ensure that the cone's height is roughly 2/3 the length of the diameter of the circular base.
How fast is the cone rising when it has a height of 30 feet?
두 양 P 와 Q 가 공식 P=Q3 으로 관계되어 있다고 합시다. P 와 Q 는 시간 t 에 따라 변합니다. 이 정보가 주어졌을 때, 다음 중 풀 수 있는 문제를 모두 고르세요.
ⅰ. dtdP(0) 이 주어졌을 때, dtdQ(0) 을 구하세요. (기억하세요: 기호 dtdP(0) 은 시각 t=0 에서 P 의 t 에 대한 미분계수를 뜻합니다.)
ⅱ. dtdP(0) 과 t=0 일 때 Q 의 값이 주어졌을 때, dtdQ(0) 을 구하세요.
ⅲ. dtdQ(0) 이 주어졌을 때, dtdP(0) 을 구하세요.
ⅳ. dtdQ(0) 과 t=0 일 때 P 의 값이 주어졌을 때, dtdP(0) 을 구하세요.
영어 원문 보기
Suppose the quantities P and Q are related by the formula P=Q3. P and Q are changing with respect to time, t. Given this information, which of the following are problems you could solve?
i. Given dtdP(0), find dtdQ(0). (Remember: the notation dtdP(0) means the derivative of P with respect to t at the time t=0.)
ii. Given dtdP(0) and the value of Q when t=0, find dtdQ(0).
iii. Given dtdQ(0), find dtdP(0).
iv. Given dtdQ(0) and the value of P when t=0, find dtdP(0).
정답·풀이 보기
P 와 Q 를 관계짓는 등식이 있다:
P제3의변수t에대해음함수미분한다:dtdP=Q3=3Q2⋅dtdQ
세 양 dtdP, Q, dtdQ 중 두 가지를 알면 나머지 하나를 구할 수 있다. 따라서 ⅱ는 풀 수 있는 문제이다. P 를 알면 Q 도 알 수 있으므로(P 의 세제곱근이다), ⅳ도 풀 수 있다. 그러나 P 와 Q 를 둘 다 모르면, dtdQ 만으로는 dtdP 를 구할 수 없고,
dtdP 만으로는 dtdQ 를 구할 수 없다. 따라서 ⅰ과 ⅲ은 풀 수 없다.
원본 교재 풀이(영어)
We have an equation relating P and Q:
PWe differentiate implicitly with respect to a third variable, t:dtdP=Q3=3Q2⋅dtdQ
If we know two of the three quantities dtdP, Q, and dtdQ, then we can find the third. Therefore, ii is a question we can solve. If we know P, then we also know Q (it's just the cube root of P), so also we can solve iv. However, if we know neither P nor Q, then we can't find dtdP based only off dtdQ, and
we can't find dtdQ based only off dtdP. So we can't solve i or iii.
떠 있는 부표가 강바닥에 고정되어 있다. 강이 흐르면 부표는 길이 2미터의 줄이 팽팽해질 때까지 물이 흐르는 방향으로 끌려간다. 닻에 있는 센서는 아래 그림과 같이 줄과 강바닥 사이의 각 θ 를 읽는다. 이 자료는 시간에 따라 변하는 강의 수심 D 를 측정하는 데 쓰인다.
(a) θ=4π 이고 dtdθ=0.25hrrad 일 때, 물의 깊이 D 는 얼마나 빠르게 변하는지 구하세요.
(b) 측정 결과 dtdθ=0 이지만 dtdD=0 이다. 어떤 상황에서 이런 일이 일어나는지 설명하세요.
(c) 측정 결과 dtdθ>0 이지만 dtdD<0 이다. 어떤 상황에서 이런 일이 일어나는지 설명하세요.
영어 원문 보기
A floating buoy is anchored to the bottom of a river. As the river flows, the buoy is pulled in the direction of flow until its 2-metre rope is taut. A sensor at the anchor reads the angle θ between the rope and the riverbed, as shown in the diagram below. This data is used to measure the depth D of water in the river, which depends on time.
(a) If θ=4π and dtdθ=0.25hrrad, how fast is the depth D of the water changing?
(b) A measurement shows dtdθ=0, but dtdD=0. Under what circumstances does this occur?
(c) A measurement shows dtdθ>0, but dtdD<0. Under what circumstances does this occur?
(b)는 잠시 접어 두고 (c)를 생각해 보자. dtdθ 와 dtdD 의 부호가 다르면, dtdD=2cosθ⋅dtdθ 이므로 cosθ<0 이다. 수심은 음이 아니어야 하므로 D>0 이고, D=2sinθ 이므로 sinθ>0 이다. sinθ≥0 이고 cosθ<0 이면 θ∈(π/2,π] 이다. 그림으로 나타내면 다음과 같다.
즉, 물이 흐르는 방향이 반대로 바뀐 것이다. 예를 들어 강이 바다로 흘러들어 가는 곳에서 만조일 때 이런 일이 일어난다. 선샤인 코스트에 있는 스쿠쿰척 내로스 주립공원에는 흐름이 반대로 바뀌는 여울이 있다.
이제 (b)로 돌아가 보자. 줄의 길이가 2미터뿐인데 강물이 2미터보다 더 높이 차오르면, 등식 D=2sinθ 는 더 이상 성립하지 않는다. 부표는 물속에 가만히 있는 채로 물이 불어나거나 줄어들 수 있다(단, 수심은 2 미터 이상으로 유지된다).
원본 교재 풀이(영어)
As is so often the case, we use a right triangle in this problem to relate the quantities.
sinθDUsing the chain rule, we differentiate both sides with respect to time, t.dtdDSo, if dtdθ=0.25 radians per hour and θ=4π radians, then(a)dtdD=2D=2sinθ=2cosθ⋅dtdθ=2cos(4π)⋅0.25=2(21)41=221metres per hour.
Setting aside part (b) for a moment, let's think about (c). If dtdθ
and dtdD have different signs, then because dtdD=2cosθ⋅dtdθ, that means cosθ<0. We have to have a nonnegative depth, so D>0 and D=2sinθ implies sinθ>0. If sinθ≥0 and cosθ<0, then θ∈(π/2,π]. On the diagram, that looks like this:
That is: the water has reversed direction. This happens, for instance, when a river empties into the ocean and the tide is high. Skookumchuck Narrows provincial park, in the Sunshine Coast, has reversing rapids.
Now, let's return to (b). If the rope is only 2 metres long, and the river rises higher than 2 metres, then our equation D=2sinθ doesn't work any more: the buoy might be stationary underwater while the water rises or falls (but stays at or above 2 metres deep).
(a) 점이 (0,−2) 에 있을 때, 점은 오른쪽으로 움직이고 있다. 원점에 서 있는 관찰자가 그 점을 똑바로 바라보려면 초당 1라디안의 비율로 회전해야 한다. 점은 얼마나 빠르게 움직이고 있는지 구하세요.
(b) 점이 (0,2) 에 있을 때, 점의 x좌표는 초당 1단위의 비율로 증가하고 있다. 점의 y좌표는 얼마나 빠르게 변하는지 구하세요. 또 점은 얼마나 빠르게 움직이고 있는지 구하세요.
영어 원문 보기
A point is moving in the xy-plane along the quadrilateral shown below.
(a) When the point is at (0,−2), it is moving to the right. An observer stationed at the origin must turn at a rate of one radian per second to keep looking directly at the point. How fast is the point moving?
(b) When the point is at (0,2), its x-coordinate is increasing at a rate of one unit per second. How fast it its y-coordinate changing? How fast is the point moving?
정답·풀이 보기
(a) 점이 (0,−2) 에 있을 때, 점은 수평선을 따라 움직이고 있으므로 y좌표는 변하지 않는다. 따라서 점이 움직이는 빠르기는 단순히 dtdx 이다. 관찰자가 점을 보기 위해 바라보는 각을 θ 라 하자.
dtdθ 는 알고 있으므로, θ 와 x 를 연결하는 방정식을 찾은 다음 t 에 대하여 음함수 미분하는 것이 적절한 계획이다. 이를 위해 그림으로 돌아가 보자.
점이 (0,−2) 의 약간 오른쪽에 있을 때, 그림과 같이 원점과 함께 삼각형을 만들 수 있다. 표시된 각을 θ 라 하면 dtdθ=1 라디안/초이다. (관찰자가 초당 1라디안으로 회전한다고 주어졌으므로, 이것이 θ 가 증가하는 빠르기이다.) 그림의 직각삼각형에서 다음을 알 수 있다.
tanθ=2x
이제 미묘한 점 하나를 짚어야 한다. 우리가 그린 그림은 점이 (0,−2) 의 약간 오른쪽에 있는 위치일 때만 의미가 있다. 따라서 지금까지는 오른쪽에서의 미분을 구하는 설정만 만든 셈이다. 그러나 조금 더 생각해 보면, x 가 음수일 때(즉 점이 (0,−2) 의 약간 왼쪽에 있을 때)에도 θ 를 주의해서 정의하면 이 식이 성립함을 알 수 있다. θ 를 점과 원점을 잇는 선분과 y축 사이의 각으로 하되, 점이 y축의 왼쪽에 있을 때는 θ 가 음수라고 하자.
따라서 점이 (x,−2) 에 있을 때 x 의 부호와 관계없이 tanθ=2x 가 성립함을 보였다.
계속해서, dtdθ 가 주어졌고 dtdx 를 구해야 하므로 t 에 대하여 미분한다.
sec2θ⋅dtdθ점이(0,−2)에있을때관찰자가초당 1라디안으로회전하므로dtdθ=1 이다. 또그림에서θ=0 이다. 이값들을대입하면:sec2(0)⋅(1)1dtdx=21⋅dtdx=21⋅dtdx=21⋅dtdx=2
따라서 점은 초당 2단위의 속력으로 움직인다.
(b) 점이 (0,2) 에 있을 때, 점은 기울기가 −21 이고 y절편이 2 인 직선을 따라 움직이고 있다. 따라서 점은 직선
y=2−21x
위에 있다. 즉 시각 t 에서 점이 (x(t),y(t)) 에 있다면, x(t) 와 y(t) 는
y(t)=2−21x(t) 를 만족시킨다. 이를 t 에 대하여 음함수 미분하면:
dtdy=−21⋅dtdx
따라서 dtdx=1 일 때 dtdy=−21 이다. 즉 y좌표는 초당 21단위의 비율로 감소한다.
“점은 얼마나 빠르게 움직이는가?”라는 물음에 대해서는, 물체의 속도가 물체의 위치를 나타내는 식을 (시간에 대하여) 미분하여 구해진다는 점을 기억하자. 이 경우 복잡한 점은 (1) 물체의 위치가 시간의 함수로 주어져 있지 않고, (2) 물체의 위치가 1차원이 아니라 2차원(x좌표와 y좌표)으로 주어져 있다는 것이다.
참고: 아래의 풀이는 사실 꽤 복잡하다. 스스로 알아낼 수 있는 수준이기는 하지만, 수학을 더 공부하다 보면 벡터를 이용한 더 쉬운 방법을 배우게 될 것이다. 지금은 비교적 어려운 연습 문제로 생각하고, 계속 공부할 동기로 삼자. 더 쉬운 방법이 있을 것이다라는 직관은 충분히 근거가 있다!
점은 직선을 따라 움직이고 있다. 따라서 복잡한 점 (2)를 해결하기 위해, 점의 위치를 직선 위의 한 점으로 나타낼 수 있다. 이 직선을 일종의 축으로 삼을 수 있다. 이 축에서 “원점”이 될 점을 하나 골라야 하는데, (2,1) 이 편리한 점이다. D 를 “축”을 따라 (2,1) 로부터 잰 점의 (부호가 있는) 거리라 하자. 점이 (2,1) 의 왼쪽으로 1단위 떨어져 있을 때는 D=−1 이고,
점이 (2,1) 의 오른쪽으로 1단위 떨어져 있을 때는 D=1 이다.
그러면 D 는 시간에 따라 변하고, dtdD 는 점의 속도이다. dtdx 와 dtdy 를 알고 있으므로, x, y, D 를 연결하는 방정식을 찾아 t 에 대하여 음함수 미분하는 것이 적절한 계획이다. (이 음함수 미분이 복잡한 점 (1)을 해결해 준다.) 피타고라스 정리를 이용하면:
(a) When the point is at (0,−2), its y-coordinate is not changing, because it is moving along a horizontal line. So, the rate at which the particle moves is simply dtdx. Let θ be the angle an observer would be looking at, in order to watch the point.
Since we know dtdθ, a reasonable plan is to find an equation relating θ and x, and then differentiate implicitly with respect to t. To do this, let's return to our diagram.
When the point is a little to the right of (0,−2), then we can make a triangle with the origin, as shown. If we let θ be the indicated angle, then dtdθ=1 radian per second. (It is given that the observer is turning one radian per second, so this is how fast θ is increasing.) From the right triangle in the diagram, we see
tanθ=2x
Now, we have to take care of a subtle point. The diagram we drew only makes sense for the point when it is at a position a little to the right of (0,−2). So, right now, we've only made a set-up that will find the derivative from the right. But, with a little more thought, we see that even when x is negative (that is, when the point is a little to the left of (0,−2)), our equation holds if we are careful about how we define θ. Let θ be the angle between the line connecting the point and the origin, and the y-axis, where θ is negative when the point is to the left of the y-axis.
Since x and θ are both negative when the point is to the left of the y-axis,
tan∣θ∣tan(−θ)So, since tan(−θ)=−tan(θ):tanθ=∣x∣2=2−x=2x
So, we've shown that the relationship tanθ=2x holds when our point is at (x,−2), regardless of the sign of x.
Moving on, since we are given dtdθ and asked for dtdx, we differentiate with respect to t:
sec2θ⋅dtdθWhen the point is at (0,−2), since the observer is turning at one radian per second, also dtdθ=1. Also, looking at the diagram, θ=0. Plugging in these values:sec2(0)⋅(1)1dtdx=21⋅dtdx=21⋅dtdx=21⋅dtdx=2
So, the particle is moving at 2 units per second.
(b) When the point is at (0,2), it is moving along a line with slope −21 and y-intercept 2. So, it is on the line
y=2−21x
That is, at time t, if the point is at (x(t),y(t)), then x(t) and y(t) satisfy
y(t)=2−21x(t). Implicitly differentiating with respect to t:
dtdy=−21⋅dtdx
So, when dtdx=1, dtdy=−21. That is, its y-coordinate is decreasing at 21 unit per second.
For the question “How fast is the point moving?", remember that the velocity of an object can be found by differentiating (with respect to time) the equation that gives the position of the object. The complicating factors in this case are that (1) the position of our object is not given as a function of time, and (2) the position of our object is given in two dimensions (an x coordinate and a y coordinate), not one.
Remark: the solution below is actually pretty complicated. It is within your abilities to figure it out, but later on in your mathematical career you will learn an easier way, using vectors. For now, take this as a relatively tough exercise, and a motivation to keep learning: your intuition that there must be an easier way is well founded!
The point is moving along a straight line. So, to take care of complication (2), we can give its position as a point on the line. We can take the line as a sort of axis. We'll need to choose a point on the axis to be the “origin": (2,1) is a convenient point. Let D be the point's (signed) distance along the “axis" from (2,1). When the point is a distance of one unit to the left of (2,1), we'll have D=−1, and
when the point is a distance of one unit to the right of (2,1), we'll have D=1.
Then D changes with respect to time, and dtdD is the velocity of the point. Since we know dtdx and dtdy, a reasonable plan is to find an equation relating x, y, and D, and differentiate implicitly with respect to t. (This implicit differentiation takes care of complication (1).) Using the Pythagorean Theorem:
D2Differentiating with respect to t:2D⋅dtdDWe plug in x=0, y=2, dtdx=1, dtdy=−21, and D=−(0−2)2+(2−1)2=−5 (negative because the point is to the left of (2,1)):−25⋅dtdDdtdD=(x−2)2+(y−1)2=2(x−2)⋅dtdx+2(y−1)⋅dtdy=2(−2)(1)+2(1)(−21)=25units per second
Since A=0, the equation relating the variables tells us:
0100This will probably be useful information. Since we’re also given the value of a derivative, let’s differentiate the equation relating the variables implicitly with respect to t. For ease of notation, we will write dtdA=A′, etc.A′B+AB′At t=10, A=C=D=0:A′B+0A′Bat t=10, A′=2 units per second:2BB=log(C2+D2+1)=C2+D2+1=C2+D2=C=D=C2+D2+12CC′+2DD′=0+0+10+0=0=0=0.