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

12문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 4.1절 · 5번우리말 번역

길이가 10 ft인 사다리가 벽에 기대어 있습니다. 사다리의 윗부분이 벽을 따라 2 ft/sec의 속도로 미끄러져 내려갈 때, 사다리의 아랫부분이 벽에서 5 ft 떨어져 있는 순간 아랫부분은 땅을 따라 얼마나 빠르게 움직이는지 구하세요.

사다리가 벽돌 벽에 기대어 있어 직각삼각형을 이룬다. 사다리는 빗변이며 길이는 10 ft이다.

영어 원문 보기

A 10-ft ladder is leaning against a wall. If the top of the ladder slides down the wall at a rate of 2 ft/sec, how fast is the bottom moving along the ground when the bottom of the ladder is 5 ft from the wall?

A right triangle is formed by a ladder leaning up against a brick wall. The ladder forms the hypotenuse and is 10 ft long.

정답·풀이 보기

232\sqrt{3} ft/sec

원본 교재 풀이(영어)

232\sqrt{3} ft/sec

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.1절 · 7번
# 관련 변화율그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.OpenStax 1권 · 4.1절 · 7번우리말 번역

비행기 두 대가 같은 높이의 하늘을 날고 있다. 비행기 A 는 동쪽으로 250 mi/h 의 속력으로, 비행기 B 는 북쪽으로 300 mi/h300\,\text{mi/h} 의 속력으로 날고 있다. 두 비행기가 모두 같은 공항으로 향하고 있고, 그 공항이 비행기 A 에서 동쪽으로 30마일, 비행기 B 에서 북쪽으로 40마일 떨어져 있을 때, 두 비행기 사이의 거리는 어떤 비율로 변하는지 구하세요.

서로 수직인 방향으로 움직이는 두 비행기 A와 B로 직각삼각형이 만들어진다. 빗변은 비행기 A와 B 사이의 거리이다. 나머지 두 변은 각 비행기의 경로를 서로 만날 때까지 연장한 것이다.

영어 원문 보기

Two airplanes are flying in the air at the same height: airplane A is flying east at 250 mi/h and airplane B is flying north at 300 mi/h.300\,\text{mi/h}. If they are both heading to the same airport, located 30 miles east of airplane A and 40 miles north of airplane B, at what rate is the distance between the airplanes changing?

A right triangle is formed by two airplanes A and B moving perpendicularly to each other. The hypotenuse is the distance between planes A and B. The other sides are extensions of each plane’s path until they meet.

정답·풀이 보기

거리는 390 mi/h390\,\text{mi/h} 의 비율로 감소하고 있다.

원본 교재 풀이(영어)

The distance is decreasing at 390 mi/h.390\,\text{mi/h}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.1절 · 9번
# 관련 변화율그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.OpenStax 1권 · 4.1절 · 10번우리말 번역

키가 6-ft인 사람이 높이 10-ft인 가로등에서 일정한 속력 3 ft/sec3\,\text{ft/sec} 로 멀어지고 있다. 이 사람이 가로등 기둥에서 10 ft10\,\text{ft} 떨어져 있을 때, 그림자 끝이 기둥에서 멀어지는 비율은 얼마인지 구하세요.

높이가 10 ft인 가로등이 그려져 있다. 그 오른쪽에 키가 6 ft인 사람이 서 있다. 가로등 꼭대기에서 출발한 선이 사람의 머리 꼭대기를 스치고 지나 땅까지 이어진다. 가로등 기둥이 땅에 닿는 지점에서 이 선의 끝까지의 길이는 10 + x이다. 가로등에서 땅 위의 사람까지의 거리는 10이고, 사람에서 선의 끝까지의 거리는 x이다.

영어 원문 보기

A 6-ft-tall person walks away from a 10-ft lamppost at a constant rate of 3 ft/sec.3\,\text{ft/sec}. What is the rate that the tip of the shadow moves away from the pole when the person is 10 ft10\,\text{ft} away from the pole?

A lamppost is shown that is 10 ft high. To its right, there is a person who is 6 ft tall. There is a line from the top of the lamppost that touches the top of the person’s head and then continues to the ground. The length from the end of this line to where the lamppost touches the ground is 10 + x. The distance from the lamppost to the person on the ground is 10, and the distance from the person to the end of the line is x.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 4.2절 · 11번
# 관련 변화율그래프·표 해석자동 분류
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4.OpenStax 1권 · 4.1절 · 30번우리말 번역

물받이 홈통의 양쪽 끝면은 폭이 3 m, 높이가 4 m인 이등변삼각형 모양이고, 홈통의 길이는 10 m이다. 물을 5 m3/min5\,{\text{m}}^{3}\text{/min} 의 비율로 홈통에 채우고 있다. 물의 깊이가 1 m일 때, 물의 높이는 어떤 변화율로 변하는지 구하세요.

양쪽 끝면이 이등변삼각형 모양인 물받이 홈통이 그려져 있다. 이 삼각형들은 폭이 3이고 높이가 4이다. 홈통은 길이가 10인 직사각형들로 이루어져 있다. 홈통 안에는 물이 어느 정도 들어 있다.

영어 원문 보기

A trough has ends shaped like isosceles triangles, with width 3 m and height 4 m, and the trough is 10 m long. Water is being pumped into the trough at a rate of 5 m3/min.5\,{\text{m}}^{3}\text{/min}. At what rate does the height of the water change when the water is 1 m deep?

A trough is shown with ends shaped like isosceles triangles. These triangles have width 3 and height 4. The trough is made up of rectangles that are of length 10. There is some water in the trough.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 4.2절 · 10번
# 관련 변화율그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.OpenStax 1권 · 4.1절 · 31번우리말 번역

탱크가 밑면이 4 m × 4 m이고 높이가 12 m인, 거꾸로 세운 정사각뿔 모양이다(다음 그림 참조). 물을 23\frac{2}{3} m3/sec 의 비율로 채우고 있을 때, 물의 깊이가 2 m인 순간에 물의 높이는 얼마나 빠르게 증가하는지 구하세요.

거꾸로 세운 정사각뿔이 그려져 있다. 정사각형의 한 변의 길이는 4이고 높이는 12이다. 이 도형 안에는 정해지지 않은 양의 물이 들어 있다.

영어 원문 보기

A tank is shaped like an upside-down square pyramid, with base of 4 m by 4 m and a height of 12 m (see the following figure). How fast does the height increase when the water is 2 m deep if water is being pumped in at a rate of 23\frac{2}{3} m3/sec?

An upside-down square pyramid is shown with square side lengths 4 and height 12. There is an unspecified amount of water inside the shape.

정답·풀이 보기

32\frac{3}{2} m/sec

원본 교재 풀이(영어)

32\frac{3}{2} m/sec

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.1절 · 33번
# 관련 변화율그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.OpenStax 1권 · 4.1절 · 39번우리말 번역

등대 L 은 해변에서 가장 가까운 지점 P 로부터 4 mi 떨어진 섬에 있습니다(다음 그림 참조). 등대의 불빛이 시계 방향으로 분당 10회전의 일정한 비율로 회전할 때, 해변에서 가장 가까운 지점으로부터 2 mi 떨어진 곳에서 불빛이 해변을 가로질러 움직이는 속도는 얼마인지 구하세요.

등대 L, 등대에서 해안까지 그은 선에 수직인 해안의 한 점 P, 그리고 점 P에서 오른쪽으로 2마일 떨어진 점으로 직각삼각형이 만들어져 있다. P에서 L까지의 거리는 4마일이다.

영어 원문 보기

A lighthouse, L, is on an island 4 mi away from the closest point, P, on the beach (see the following image). If the lighthouse light rotates clockwise at a constant rate of 10 revolutions/min, how fast does the beam of light move across the beach 2 mi away from the closest point on the beach?

A right triangle is formed by a lighthouse L, a point P on the shore that is perpendicular to the line from the lighthouse to the shore, and a point 2 miles to the right of the point P. The distance from P to L is 4 miles.

답 쓰고 채점
마일/분
정답·풀이 보기

100π mi/min100\pi \text{ mi/min}

원본 교재 풀이(영어)

100π mi/min100\pi \text{ mi/min}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.1절 · 23번
# 관련 변화율그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.APEX · 4.2절 · 7번우리말 번역

F-22 항공기가 500mph 의 속력으로 고도 10,000ft 에서, 대공포 바로 위를 지나게 될 직선 경로를 따라 날고 있다.

그림

비행기가 다음과 같은 위치에 있을 때, 대공포가 항공기를 정확히 추적하려면 얼마나 빠르게 회전할 수 있어야 하나요?

(a) 1마일 떨어져 있을 때 (b) 1/5마일 떨어져 있을 때 (c) 바로 위에 있을 때

영어 원문 보기

An F-22 aircraft is flying at 500mph with an elevation of 10,000ft on a straight–line path that will take it directly over an anti–aircraft gun.

figure

How fast must the gun be able to turn to accurately track the aircraft when the plane is:

(a) 1 mile away? (b) 1/5 mile away? (c) Directly overhead?

정답·풀이 보기

비행기의 고도 때문에 대공포는 그리 빠르게 회전하지 않아도 된다.

(a) 0.05730.0573 rad/s (b) 0.07250.0725 rad/s (c) 극한에서 변화율은 0.07330.0733 rad/s 에 가까워진다.

원본 교재 풀이(영어)

Due to the height of the plane, the gun does not have to rotate very fast.

(a) 0.05730.0573 rad/s (b) 0.07250.0725 rad/s (c) In the limit, rate goes to 0.07330.0733 rad/s

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 4.2절 · 4번
# 관련 변화율그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.APEX · 4.2절 · 9번우리말 번역

24ft 길이의 사다리가 집에 기대어 있고, 사다리의 아래쪽 끝을 1ft/s 의 일정한 비율로 집에서 멀어지게 당기고 있다.

그림

사다리의 아래쪽 끝이 다음과 같은 위치에 있을 때, 사다리의 위쪽 끝은 집 벽을 따라 어떤 비율로 미끄러져 내려가고 있나요?

(a) 집에서 1피트 떨어져 있을 때 (b) 집에서 10피트 떨어져 있을 때 (c) 집에서 23피트 떨어져 있을 때 (d) 집에서 24피트 떨어져 있을 때

영어 원문 보기

A 24ft. ladder is leaning against a house while the base is pulled away at a constant rate of 1ft/s.

figure

At what rate is the top of the ladder sliding down the side of the house when the base is:

(a) 1 foot from the house? (b) 10 feet from the house? (c) 23 feet from the house? (d) 24 feet from the house?

정답·풀이 보기

(a) 0.040.04 ft/s (b) 0.4580.458 ft/s (c) 3.353.35 ft/s (d) 정의되지 않는다. 거리가 24에 가까워질수록 변화율은 ∞\infty 로 커진다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) 0.040.04 ft/s (b) 0.4580.458 ft/s (c) 3.353.35 ft/s (d) Not defined; as the distance approaches 24, the rates approaches ∞\infty.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 3.1절 · 9번
# 관련 변화율그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.APEX · 4.2절 · 10번우리말 번역

배 갑판 위 10ft 높이에 있는 윈치가 30ft/min의 일정한 속도로 배를 선착장 쪽으로 끌어당기고 있다.

그림

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.

figure

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) 30.5930.59 ft/min (b) 36.136.1 ft/min (c) 301301 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) 30.5930.59 ft/min (b) 36.136.1 ft/min (c) 301301 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).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 4.2절 · 12번
# 관련 변화율그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.APEX · 4.2절 · 12번우리말 번역

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.

그림

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.

figure

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?

정답·풀이 보기

(a) 0.630.63 ft/sec (b) 1.61.6 ft/sec

약 52 ft이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) 0.630.63 ft/sec (b) 1.61.6 ft/sec

About 52 ft.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 4.2절 · 9번
# 관련 변화율그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
11.CLP-1 · 3.2절 · 21번우리말 번역

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\theta 를 읽는다. 이 자료는 시간에 따라 변하는 강의 수심 DD 를 측정하는 데 쓰인다.

그림

(a) θ=π4\theta = \dfrac{\pi}{4} 이고 dθdt=0.25 radhr\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=0.25~\frac{\mathrm{rad}}{\mathrm{hr}} 일 때, 물의 깊이 DD 는 얼마나 빠르게 변하는지 구하세요. (b) 측정 결과 dθdt=0\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=0 이지만 dDdt≠0\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}\neq0 이다. 어떤 상황에서 이런 일이 일어나는지 설명하세요. (c) 측정 결과 dθdt>0\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}>0 이지만 dDdt<0\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}<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\theta between the rope and the riverbed, as shown in the diagram below. This data is used to measure the depth DD of water in the river, which depends on time.

figure

(a) If θ=π4\theta = \dfrac{\pi}{4} and dθdt=0.25 radhr\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=0.25~\frac{\mathrm{rad}}{\mathrm{hr}}, how fast is the depth DD of the water changing? (b) A measurement shows dθdt=0\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=0, but dDdt≠0\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}\neq0. Under what circumstances does this occur? (c) A measurement shows dθdt>0\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}>0, but dDdt<0\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}<0. Under what circumstances does this occur?

정답·풀이 보기

흔히 그렇듯이, 이 문제에서도 직각삼각형을 이용하여 여러 양 사이의 관계를 나타낸다.

그림

sin⁡θ=D2D=2sin⁡θ합성함수의 미분법을 이용하여 양변을 시간 t 에 대해 미분한다.dDdt=2cos⁡θ⋅dθdt따라서 dθdt=0.25 라디안/시간이고 θ=π4 라디안이면(a)dDdt=2cos⁡(π4)⋅0.25=2(12)14=122 미터/시간.\begin{aligned} \sin\theta&=\frac{D}{2}\\ D&=2\sin\theta\\ \text{합성함수의 미분법을 이용하여 양변을 시간 $t$ 에 대해 미분한다.} \\ \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2\cos\theta\cdot\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \\ \text{따라서 $\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=0.25$ 라디안/시간이고 $\theta = \dfrac{\pi}{4}$ 라디안이면} \\ (a)\qquad\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2\cos\left(\frac{\pi}{4}\right)\cdot 0.25=2\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)\frac{1}{4}=\frac{1}{2\sqrt{2}}~\text{미터/시간}. \end{aligned}

(b)는 잠시 접어 두고 (c)를 생각해 보자. dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} 와 dDdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} 의 부호가 다르면, dDdt=2cos⁡θ⋅dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}=2\cos\theta\cdot\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} 이므로 cos⁡θ<0\cos\theta<0 이다. 수심은 음이 아니어야 하므로 D>0D>0 이고, D=2sin⁡θD=2\sin\theta 이므로 sin⁡θ>0\sin \theta >0 이다. sin⁡θ≥0\sin\theta\ge0 이고 cos⁡θ<0\cos \theta<0 이면 θ∈(π/2,π]\theta\in(\pi/2,\pi] 이다. 그림으로 나타내면 다음과 같다.

그림

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=2sin⁡θD=2\sin\theta 는 더 이상 성립하지 않는다. 부표는 물속에 가만히 있는 채로 물이 불어나거나 줄어들 수 있다(단, 수심은 22 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.

figure

sin⁡θ=D2D=2sin⁡θUsing the chain rule, we differentiate both sides with respect to time, t.dDdt=2cos⁡θ⋅dθdtSo, if dθdt=0.25 radians per hour and θ=π4 radians, then(a)dDdt=2cos⁡(π4)⋅0.25=2(12)14=122 metres per hour.\begin{aligned} \sin\theta&=\frac{D}{2}\\ D&=2\sin\theta\\ \text{Using the chain rule, we differentiate both sides with respect to time, $t$.} \\ \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2\cos\theta\cdot\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \\ \text{So, if $\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=0.25$ radians per hour and $\theta = \dfrac{\pi}{4}$ radians, then} \\ (a)\qquad\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2\cos\left(\frac{\pi}{4}\right)\cdot 0.25=2\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)\frac{1}{4}=\frac{1}{2\sqrt{2}}~\text{metres per hour}. \end{aligned}

Setting aside part (b) for a moment, let's think about (c). If dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} and dDdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} have different signs, then because dDdt=2cos⁡θ⋅dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}=2\cos\theta\cdot\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}, that means cos⁡θ<0\cos\theta<0. We have to have a nonnegative depth, so D>0D>0 and D=2sin⁡θD=2\sin\theta implies sin⁡θ>0\sin \theta >0. If sin⁡θ≥0\sin\theta\ge0 and cos⁡θ<0\cos \theta<0, then θ∈(π/2,π]\theta\in(\pi/2,\pi]. On the diagram, that looks like this:

figure

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=2sin⁡θD=2\sin\theta doesn't work any more: the buoy might be stationary underwater while the water rises or falls (but stays at or above 22 metres deep).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.2절 · 24번
# 관련 변화율그래프·표 해석도전자동 분류
12.CLP-1 · 3.2절 · 22번우리말 번역

점이 아래 그림과 같은 사각형을 따라 xyxy-평면 위를 움직이고 있다.

그림

(a) 점이 (0,−2)(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)(0,2) 에 있을 때, 점의 xx좌표는 초당 1단위의 비율로 증가하고 있다. 점의 yy좌표는 얼마나 빠르게 변하는지 구하세요. 또 점은 얼마나 빠르게 움직이고 있는지 구하세요.

영어 원문 보기

A point is moving in the xyxy-plane along the quadrilateral shown below.

figure

(a) When the point is at (0,−2)(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)(0,2), its xx-coordinate is increasing at a rate of one unit per second. How fast it its yy-coordinate changing? How fast is the point moving?

정답·풀이 보기

(a) 점이 (0,−2)(0,-2) 에 있을 때, 점은 수평선을 따라 움직이고 있으므로 yy좌표는 변하지 않는다. 따라서 점이 움직이는 빠르기는 단순히 dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} 이다. 관찰자가 점을 보기 위해 바라보는 각을 θ\theta 라 하자. dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} 는 알고 있으므로, θ\theta 와 xx 를 연결하는 방정식을 찾은 다음 tt 에 대하여 음함수 미분하는 것이 적절한 계획이다. 이를 위해 그림으로 돌아가 보자.

그림

점이 (0,−2)(0,-2) 의 약간 오른쪽에 있을 때, 그림과 같이 원점과 함께 삼각형을 만들 수 있다. 표시된 각을 θ\theta 라 하면 dθdt=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=1 라디안/초이다. (관찰자가 초당 1라디안으로 회전한다고 주어졌으므로, 이것이 θ\theta 가 증가하는 빠르기이다.) 그림의 직각삼각형에서 다음을 알 수 있다. tan⁡θ=x2\tan\theta=\frac{x}{2} 이제 미묘한 점 하나를 짚어야 한다. 우리가 그린 그림은 점이 (0,−2)(0,-2) 의 약간 오른쪽에 있는 위치일 때만 의미가 있다. 따라서 지금까지는 오른쪽에서의 미분을 구하는 설정만 만든 셈이다. 그러나 조금 더 생각해 보면, xx 가 음수일 때(즉 점이 (0,−2)(0,-2) 의 약간 왼쪽에 있을 때)에도 θ\theta 를 주의해서 정의하면 이 식이 성립함을 알 수 있다. θ\theta 를 점과 원점을 잇는 선분과 yy축 사이의 각으로 하되, 점이 yy축의 왼쪽에 있을 때는 θ\theta 가 음수라고 하자.

그림

점이 yy축의 왼쪽에 있을 때 xx 와 θ\theta 는 모두 음수이므로,

tan⁡∣θ∣=2∣x∣tan⁡(−θ)=−x2그런데 tan⁡(−θ)=−tan⁡(θ) 이므로:tan⁡θ=x2\begin{aligned} \tan|\theta|&=\frac{2}{|x|}\\ \tan(-\theta) &= \frac{-x}{2} \\ \text{그런데 $\tan(-\theta)=-\tan(\theta)$ 이므로:} \\ \tan\theta&=\frac{x}{2} \end{aligned}

따라서 점이 (x,−2)(x,-2) 에 있을 때 xx 의 부호와 관계없이 tan⁡θ=x2\tan\theta=\dfrac{x}{2} 가 성립함을 보였다.

계속해서, dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} 가 주어졌고 dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} 를 구해야 하므로 tt 에 대하여 미분한다.

sec⁡2θ⋅dθdt=12⋅dxdt점이 (0,−2) 에 있을 때 관찰자가 초당 1라디안으로 회전하므로 dθdt=1 이다. 또 그림에서 θ=0 이다. 이 값들을 대입하면:sec⁡2(0)⋅(1)=12⋅dxdt1=12⋅dxdtdxdt=2\begin{aligned} \sec^2\theta \cdot \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \\ \text{점이 $(0,-2)$ 에 있을 때 관찰자가 초당 1라디안으로 회전하므로 $\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=1$ 이다. 또 그림에서 $\theta=0$ 이다. 이 값들을 대입하면:} \\ \sec^2\left(0\right)\cdot(1)&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\\ 1&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\\ \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}&=2 \end{aligned}

따라서 점은 초당 2단위의 속력으로 움직인다.

(b) 점이 (0,2)(0,2) 에 있을 때, 점은 기울기가 −12-\frac{1}{2} 이고 yy절편이 22 인 직선을 따라 움직이고 있다. 따라서 점은 직선 y=2−12xy=2-\frac{1}{2}x 위에 있다. 즉 시각 tt 에서 점이 (x(t),y(t))(x(t),y(t)) 에 있다면, x(t)x(t) 와 y(t)y(t) 는 y(t)=2−12x(t)y(t)=2-\frac{1}{2}x(t) 를 만족시킨다. 이를 tt 에 대하여 음함수 미분하면: dydt=−12⋅dxdt\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} 따라서 dxdt=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=1 일 때 dydt=−12\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\dfrac{1}{2} 이다. 즉 yy좌표는 초당 12\dfrac{1}{2}단위의 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(xx좌표와 yy좌표)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)(2,1) 이 편리한 점이다. DD 를 “축”을 따라 (2,1)(2,1) 로부터 잰 점의 (부호가 있는) 거리라 하자. 점이 (2,1)(2,1) 의 왼쪽으로 1단위 떨어져 있을 때는 D=−1D=-1 이고, 점이 (2,1)(2,1) 의 오른쪽으로 1단위 떨어져 있을 때는 D=1D=1 이다. 그러면 DD 는 시간에 따라 변하고, dDdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} 는 점의 속도이다. dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} 와 dydt\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} 를 알고 있으므로, xx, yy, DD 를 연결하는 방정식을 찾아 tt 에 대하여 음함수 미분하는 것이 적절한 계획이다. (이 음함수 미분이 복잡한 점 (1)을 해결해 준다.) 피타고라스 정리를 이용하면:

D2=(x−2)2+(y−1)2t 에 대하여 미분하면:2D⋅dDdt=2(x−2)⋅dxdt+2(y−1)⋅dydtx=0, y=2, dxdt=1, dydt=−12, 그리고 D=−(0−2)2+(2−1)2=−5 (점이 (2,1) 의 왼쪽에 있으므로 음수)를 대입하면:−25⋅dDdt=2(−2)(1)+2(1)(−12)dDdt=52 단위/초\begin{aligned} D^2&=(x-2)^2+(y-1)^2 \\ \text{$t$ 에 대하여 미분하면:} \\ 2D\cdot\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2(x-2)\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}+2(y-1)\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \\ \text{$x=0$, $y=2$, $\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=1$, $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\frac{1}{2}$, 그리고 $D=-\sqrt{(0-2)^2+(2-1)^2}=-\sqrt{5}$ (점이 $(2,1)$ 의 왼쪽에 있으므로 음수)를 대입하면:} \\ -2\sqrt{5}\cdot\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2(-2)(1)+2(1)\left(-\frac{1}{2}\right)\\ \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=\frac{\sqrt{5}}{2}~\text{단위/초} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) When the point is at (0,−2)(0,-2), its yy-coordinate is not changing, because it is moving along a horizontal line. So, the rate at which the particle moves is simply dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}. Let θ\theta be the angle an observer would be looking at, in order to watch the point. Since we know dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}, a reasonable plan is to find an equation relating θ\theta and xx, and then differentiate implicitly with respect to tt. To do this, let's return to our diagram.

figure

When the point is a little to the right of (0,−2)(0,-2), then we can make a triangle with the origin, as shown. If we let θ\theta be the indicated angle, then dθdt=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=1 radian per second. (It is given that the observer is turning one radian per second, so this is how fast θ\theta is increasing.) From the right triangle in the diagram, we see tan⁡θ=x2\tan\theta=\frac{x}{2} 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)(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 xx is negative (that is, when the point is a little to the left of (0,−2)(0,-2)), our equation holds if we are careful about how we define θ\theta. Let θ\theta be the angle between the line connecting the point and the origin, and the yy-axis, where θ\theta is negative when the point is to the left of the yy-axis.

figure

Since xx and θ\theta are both negative when the point is to the left of the yy-axis,

tan⁡∣θ∣=2∣x∣tan⁡(−θ)=−x2So, since tan⁡(−θ)=−tan⁡(θ):tan⁡θ=x2\begin{aligned} \tan|\theta|&=\frac{2}{|x|}\\ \tan(-\theta) &= \frac{-x}{2} \\ \text{So, since $\tan(-\theta)=-\tan(\theta)$:} \\ \tan\theta&=\frac{x}{2} \end{aligned}

So, we've shown that the relationship tan⁡θ=x2\tan\theta=\dfrac{x}{2} holds when our point is at (x,−2)(x,-2), regardless of the sign of xx.

Moving on, since we are given dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} and asked for dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}, we differentiate with respect to tt:

sec⁡2θ⋅dθdt=12⋅dxdtWhen the point is at (0,−2), since the observer is turning at one radian per second, also dθdt=1. Also, looking at the diagram, θ=0. Plugging in these values:sec⁡2(0)⋅(1)=12⋅dxdt1=12⋅dxdtdxdt=2\begin{aligned} \sec^2\theta \cdot \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \\ \text{When the point is at $(0,-2)$, since the observer is turning at one radian per second, also $\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=1$. Also, looking at the diagram, $\theta=0$. Plugging in these values:} \\ \sec^2\left(0\right)\cdot(1)&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\\ 1&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\\ \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}&=2 \end{aligned}

So, the particle is moving at 2 units per second.

(b) When the point is at (0,2)(0,2), it is moving along a line with slope −12-\frac{1}{2} and yy-intercept 22. So, it is on the line y=2−12xy=2-\frac{1}{2}x That is, at time tt, if the point is at (x(t),y(t))(x(t),y(t)), then x(t)x(t) and y(t)y(t) satisfy y(t)=2−12x(t)y(t)=2-\frac{1}{2}x(t). Implicitly differentiating with respect to tt: dydt=−12⋅dxdt\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} So, when dxdt=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=1, dydt=−12\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\dfrac{1}{2}. That is, its yy-coordinate is decreasing at 12\dfrac{1}{2} 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 xx coordinate and a yy 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)(2,1) is a convenient point. Let DD be the point's (signed) distance along the “axis" from (2,1)(2,1). When the point is a distance of one unit to the left of (2,1)(2,1), we'll have D=−1D=-1, and when the point is a distance of one unit to the right of (2,1)(2,1), we'll have D=1D=1. Then DD changes with respect to time, and dDdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} is the velocity of the point. Since we know dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} and dydt\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}, a reasonable plan is to find an equation relating xx, yy, and DD, and differentiate implicitly with respect to tt. (This implicit differentiation takes care of complication (1).) Using the Pythagorean Theorem:

D2=(x−2)2+(y−1)2Differentiating with respect to t:2D⋅dDdt=2(x−2)⋅dxdt+2(y−1)⋅dydtWe plug in x=0, y=2, dxdt=1, dydt=−12, and D=−(0−2)2+(2−1)2=−5 (negative because the point is to the left of (2,1)):−25⋅dDdt=2(−2)(1)+2(1)(−12)dDdt=52 units per second\begin{aligned} D^2&=(x-2)^2+(y-1)^2 \\ \text{Differentiating with respect to $t$:} \\ 2D\cdot\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2(x-2)\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}+2(y-1)\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \\ \text{We plug in $x=0$, $y=2$, $\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=1$, $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\frac{1}{2}$, and $D=-\sqrt{(0-2)^2+(2-1)^2}=-\sqrt{5}$ (negative because the point is to the left of $(2,1)$):} \\ -2\sqrt{5}\cdot\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2(-2)(1)+2(1)\left(-\frac{1}{2}\right)\\ \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=\frac{\sqrt{5}}{2}~\text{units per second} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.2절 · 21번
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