문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 적분

속도와 거리

속도를 적분해 위치의 변화량과 실제 움직인 거리를 구한다(순변화량)

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

5문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 5.4절 · 13번우리말 풀이

정육면체의 한 모서리 길이가 ss 에서 2s2s 로 두 배가 될 때 겉넓이의 변화량을 나타내는 적분식을 쓰고, 그 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Write an integral that quantifies the change in the area of the surface of a cube when its side length doubles from s unit to 2s units and evaluate the integral.

풀이 보기

양의 변화율을 적분하면 그 양의 순변화량이 돼요.

  1. 1

    겉넓이를 모서리 길이 xx 의 함수로 써요. 정육면체는 정사각형 6개로 이루어져 있으니 S(x)=6x2S(x)=6x^2 이에요.

  2. 2

    변화율을 구해요. 길이가 조금 늘어날 때 겉넓이가 늘어나는 비율은 도함수 S′(x)=12xS'(x)=12x 예요.

  3. 3

    순변화량 = 변화율의 정적분이에요. ∫s2s12x dx=[6x2]s2s=6(2s)2−6s2=24s2−6s2=18s2\int_s^{2s}12x\,dx=\Big[6x^2\Big]_s^{2s}=6(2s)^2-6s^2=24s^2-6s^2=18s^2

  4. 4

    확인해요. 처음 겉넓이는 6s26s^2, 나중 겉넓이는 6(2s)2=24s26(2s)^2=24s^2 이므로 차이는 18s218s^2 로 같아요.

답

∫s2s12x dx=18s2\displaystyle\int_s^{2s}12x\,dx=18s^2

자주 하는 실수

겉넓이를 부피 공식 x3x^3 과 헷갈리거나 66 을 곱하는 것을 잊어 3s23s^2 같은 값을 쓰는 실수가 있어요.

원본 교재 풀이(영어)

18s2=6∫s2s2xdx18{s}^{2}=6{\int }_{s}^{2s}2xdx

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.4절 · 23번
# 속도와 거리활용보통
2.OpenStax 1권 · 5.4절 · 23번우리말 풀이

원 모양의 넓이 A(t)A(t) 가 일정한 비율로 커지고 있습니다. 시각 t=2t=2 부터 t=3t=3 까지 넓이가 4π4\pi 에서 9π9\pi 로 늘어날 때, 이 시간 동안 반지름의 순변화량을 구하세요.

영어 원문 보기

The area A(t)A(t) of a circular shape is growing at a constant rate. If the area increases from 4π units to 9π units between times t=2t=2 and t=3,t=3, find the net change in the radius during that time.

풀이 보기

반지름 변화량은 (나중 반지름) − (처음 반지름)이고, 반지름은 r=A/πr=\sqrt{A/\pi} 로 넓이에서 바로 알 수 있어요.

  1. 1

    넓이와 반지름의 관계를 써요. 원의 넓이 A=πr2A=\pi r^2 이므로 r=A/πr=\sqrt{A/\pi} 예요.

  2. 2

    처음과 나중의 반지름을 구해요. t=2t=2 에서 A=4πA=4\pi 이므로 r=2r=2, t=3t=3 에서 A=9πA=9\pi 이므로 r=3r=3 이에요.

  3. 3

    순변화량을 계산해요. 변화율 r′(t)r'(t) 를 적분한 값이 순변화량이고, 이는 끝값 − 처음값과 같아요. ∫23r′(t) dt=r(3)−r(2)=3−2=1\int_2^3 r'(t)\,dt=r(3)-r(2)=3-2=1

  4. 4

    참고: 일정하게 커진다는 조건을 써 보면. 넓이가 일정한 비율로 커지므로 A(t)=4π+5π(t−2)A(t)=4\pi+5\pi(t-2) 이고 r(t)=5t−6r(t)=\sqrt{5t-6} 이에요. r′(t)=525t−6r'(t)=\dfrac{5}{2\sqrt{5t-6}} 를 22 에서 33 까지 적분해도 [5t−6]23=3−2=1\big[\sqrt{5t-6}\big]_2^3=3-2=1 로 같아요.

답

반지름이 11 만큼 증가해요(순변화량 =1=1).

자주 하는 실수

넓이 변화량 5π5\pi 를 반지름 변화량으로 착각하는 실수가 많아요.

원본 교재 풀이(영어)

The net increase is 1 unit.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 4.1절 · 8번
# 속도와 거리활용보통
3.OpenStax 1권 · 5.4절 · 33번우리말 풀이

자동차가 브레이크를 밟을 때 낼 수 있는 최대 감속도는 마른 콘크리트에서 약 7 m/s27\,\text{m/s}^2, 젖은 아스팔트에서 약 2.5 m/s22.5\,\text{m/s}^2 입니다. 1 mph1\,\text{mph} 는 0.447 m/s0.447\,\text{m/s} 에 해당합니다. 브레이크를 밟은 순간부터 완전히 멈출 때까지 자동차가 달린 거리를 m 단위로 구하세요. 마른 콘크리트에서 처음 속도가 67 mph67\,\text{mph}(30 m/s30\,\text{m/s})일 때와 56 mph56\,\text{mph}(25 m/s25\,\text{m/s})일 때를 각각 구하고, 미끄러운 젖은 아스팔트에서도 같은 값을 구하세요.

영어 원문 보기

For a given motor vehicle, the maximum achievable deceleration from braking is approximately 7 m/sec2 on dry concrete. On wet asphalt, it is approximately 2.5 m/sec2. Given that 1 mph corresponds to 0.447 m/sec, find the total distance that a car travels in meters on dry concrete after the brakes are applied until it comes to a complete stop if the initial velocity is 67 mph (30 m/sec) or if the initial braking velocity is 56 mph (25 m/sec). Find the corresponding distances if the surface is slippery wet asphalt.

풀이 보기

속도가 v(t)=v0−atv(t)=v_0-at 이니 멈추는 시각까지 속도를 적분하면 달린 거리가 나와요.

  1. 1

    속도의 식을 세워요. 처음 속도 v0v_0, 감속도 aa 이면 v(t)=v0−atv(t)=v_0-at 예요(속도가 일정하게 줄어요).

  2. 2

    멈추는 시각을 구해요. v(T)=0v(T)=0 에서 T=v0aT=\dfrac{v_0}{a} 예요.

  3. 3

    거리는 속도의 정적분이에요. 속도가 음수가 되기 전(멈출 때까지)이라 순변화량과 실제 거리가 같아요. D=∫0T(v0−at) dt=[v0t−a2t2]0v0/a=v02a−v022a=v022aD=\int_0^{T}(v_0-at)\,dt=\left[v_0t-\frac{a}{2}t^2\right]_0^{v_0/a}=\frac{v_0^2}{a}-\frac{v_0^2}{2a}=\frac{v_0^2}{2a}

  4. 4

    마른 콘크리트(a=7a=7)에 넣어요. v0=30v_0=30 이면 D=90014≈64.3D=\dfrac{900}{14}\approx64.3, v0=25v_0=25 이면 D=62514≈44.6D=\dfrac{625}{14}\approx44.6 이에요.

  5. 5

    젖은 아스팔트(a=2.5a=2.5)에 넣어요. v0=30v_0=30 이면 D=9005=180D=\dfrac{900}{5}=180, v0=25v_0=25 이면 D=6255=125D=\dfrac{625}{5}=125 예요.

답

마른 콘크리트: 64.3 m64.3\,\text{m} (30 m/s30\,\text{m/s}), 44.6 m44.6\,\text{m} (25 m/s25\,\text{m/s}) / 젖은 아스팔트: 180 m180\,\text{m}, 125 m125\,\text{m}

자주 하는 실수

속도를 두 배로 하면 제동 거리도 두 배라고 생각하기 쉬운데, 거리는 v02v_0^2 에 비례해요.

원본 교재 풀이(영어)

In dry conditions, with initial velocity v0=30{v}_{0}=30 m/s, D=64.3D=64.3 and, if v0=25,D=44.64.{v}_{0}=25,D=44.64. In wet conditions, if v0=30,{v}_{0}=30, and D=180D=180 and if v0=25,D=125.{v}_{0}=25,D=125.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.4절 · 13번
# 속도와 거리활용보통
4.Active Calculus · 4.1절 · 8번우리말 번역

장난감 로켓을 바람이 없는 날 지면에서 수직으로 발사한다. 시각 tt(초)에서 로켓의 수직 속도는 v(t)=500−32tv(t)= 500-32t 피트/초로 주어진다.

(a) 로켓을 발사한 후 몇 초일 때 로켓의 속도가 0이 되는지 구하세요. 이 시각을 aa라 하세요. t=at = a 일 때 로켓에 어떤 일이 일어나는지 설명하세요. (b) 구간 0≤t≤a0 \le t \le a 에서 y=v(t)y = v(t) 와 tt축으로 둘러싸인 부분의 전체 넓이의 값을 구하세요. 이 넓이는 문제의 물리적 상황에서 무엇을 나타내는지 설명하세요. (c) 함수 vv 의 부정적분 ss 를 구하세요. 즉, s′(t)=v(t)s'(t) = v(t) 를 만족시키는 함수 ss 를 구하세요. (d) s(a)−s(0)s(a) - s(0) 의 값을 구하세요. 이 값은 문제의 물리적 상황에서 무엇을 나타내는지 설명하세요. (e) s(5)−s(1)s(5) - s(1) 의 값을 구하세요. 이 값은 로켓의 비행에 대해 무엇을 알려 주는지 설명하세요.

영어 원문 보기

A toy rocket is launched vertically from the ground on a day with no wind. The rocket's vertical velocity at time tt (in seconds) is given by v(t)=500−32tv(t)= 500-32t feet/sec.

(a) At what time after the rocket is launched does the rocket's velocity equal zero? Call this time value aa. What happens to the rocket at t=at = a? (b) Find the value of the total area enclosed by y=v(t)y = v(t) and the tt-axis on the interval 0≤t≤a0 \le t \le a. What does this area represent in terms of the physical setting of the problem? (c) Find an antiderivative ss of the function vv. That is, find a function ss such that s′(t)=v(t)s'(t) = v(t). (d) Compute the value of s(a)−s(0)s(a) - s(0). What does this number represent in terms of the physical setting of the problem? (e) Compute s(5)−s(1)s(5) - s(1). What does this number tell you about the rocket's flight?

정답·풀이 보기

(a) v(t)=0v(t) = 0 으로 놓으면 500−32t=0500 - 32t = 0 이므로 t=50032=1258=15.625t = \frac{500}{32} = \frac{125}{8} = 15.625 이다. 이 시각은 로켓의 속도가 양에서 음으로 바뀌는 때이고, 따라서 로켓의 위치가 증가에서 감소로 바뀌는 지점, 즉 로켓이 최고 높이에 도달하는 때이다. (b) 구간 [0,15.625][0, 15.625] 에서 vv 는 두 점 (0,500)(0,500) 과 (15.625,0)(15.625,0) 을 잇는 구간에서 값이 양인 일차함수이므로, 속도 함수와 tt축으로 둘러싸인 영역은 수직인 변의 길이가 500500, 수평인 변의 길이가 15.62515.625 인 직각삼각형이다. 이 삼각형의 넓이는 A=12bh=12(15.625)(500)=3906.25A = \frac{1}{2}bh = \frac{1}{2}(15.625)(500) = 3906.25 이다. 이것은 속도 곡선 아래의 넓이이고(속도가 양인 구간이므로) 시간 구간 [0,15.625][0, 15.625] 에서 로켓이 수직으로 이동한 거리를 나타낸다. (c) 도함수가 v(t)=s′(t)=500−32tv(t) = s'(t) = 500-32t 인 함수의 하나는 s(t)=500t−16t2s(t) = 500t - 16t^2 이다. (d) (c)의 결과를 이용하면 s(15.625)−s(0)=500(15.625)−16(15.625)2−(0−0)=3906.25s(15.625) - s(0) = 500(15.625) - 16(15.625)^2 - (0 - 0) = 3906.25 이다. 따라서 [0,15.625][0,15.625] 에서 로켓의 위치 변화량은 3906.253906.25 피트이며, 이 구간 내내 속도가 양이므로 이는 로켓이 이 시간 구간 동안 수직으로 이동한 거리이기도 하다. (e) s(5)−s(1)=1616s(5) - s(1) = 1616 이므로, 로켓은 t=1t = 1 에서 t=5t = 5 까지 44초 동안 16161616 피트 상승했음을 알 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Setting v(t)=0v(t) = 0, we find 500−32t=0500 - 32t = 0, and thus t=50032=1258=15.625t = \frac{500}{32} = \frac{125}{8} = 15.625. This is the time that the rocket's velocity changes from positive to negative, and thus the point when the rocket's position changes from increasing to decreasing: it's when the rocket reaches its maximum height. (b) Since vv is a positive linear function that connects the points (0,500)(0,500) and (15.625,0)(15.625,0) on the interval [0,15.625][0, 15.625], the region enclosed by the velocity function and the tt-axis is a right triangle with vertical leg of length 500500 and horizontal leg of length 15.62515.625. The area of this triangle is A=12bh=12(15.625)(500)=3906.25A = \frac{1}{2}bh = \frac{1}{2}(15.625)(500) = 3906.25. Because this is the area under the velocity curve (where velocity is positive) this area represents the vertical distance traveled by the rocket on the time interval [0,15.625][0, 15.625]. (c) One function that has derivative v(t)=s′(t)=500−32tv(t) = s'(t) = 500-32t is s(t)=500t−16t2s(t) = 500t - 16t^2. (d) Using our result in (c), s(15.625)−s(0)=500(15.625)−16(15.625)2−(0−0)=3906.25s(15.625) - s(0) = 500(15.625) - 16(15.625)^2 - (0 - 0) = 3906.25. Thus, the change of the rocket's position on [0,15.625][0,15.625] is 3906.253906.25 feet, which is also the distance the rocket traveled vertically on the time interval, since velocity is positive throughout. (e) We find that s(5)−s(1)=1616s(5) - s(1) = 1616, which tells us that the rocket rose 16161616 feet on the 44-second interval from t=1t = 1 to t=5t = 5.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 4.1절 · 10번
# 속도와 거리활용자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.Active Calculus · 4.1절 · 10번우리말 번역

정수 처리장의 필터는 시간이 지날수록 더 더러워져 효과가 떨어지므로 30일마다 교체합니다. 30일 동안 필터를 통과해 근처 호수로 흘러드는 오염 물질의 속도(하루당 입자상 물질의 단위 수)를 6일마다 측정하여 다음 표로 나타냈습니다. 시간 tt 는 필터를 교체한 뒤 지난 날수입니다.

정수 필터의 오염 자료.

날짜, tt 00 66 1212 1818 2424 3030
하루당 오염 속도(단위/일), p(t)p(t) 77 88 1010 1313 1818 3535

(a) 가로축을 시간, 세로축을 오염 속도로 하여 주어진 자료를 좌표평면에 나타내세요. (b) 이 30일 동안 호수로 흘러든 오염의 양이 시간 구간 [0,30][0,30] 에서 y=p(t)y = p(t) 와 tt축으로 둘러싸인 부분의 넓이와 정확히 같은 이유를 설명하세요. (c) 이 30일 동안 호수로 흘러든 오염의 총량을 어림하세요. 어림값을 어떻게 구했는지 자세히 설명하세요.

영어 원문 보기

Filters at a water treatment plant become dirtier over time and thus become less effective; they are replaced every 30 days. During one 30-day period, the rate at which pollution passes through the filters into a nearby lake (in units of particulate matter per day) is measured every 6 days and is given in the following table. The time tt is measured in days since the filters were replaced.

Pollution data for the water filters.

Day, tt 00 66 1212 1818 2424 3030
Rate of pollution in units per day, p(t)p(t) 77 88 1010 1313 1818 3535

(a) Plot the given data on a set of axes with time on the horizontal axis and the rate of pollution on the vertical axis. (b) Explain why the amount of pollution that entered the lake during this 30-day period would be given exactly by the area bounded by y=p(t)y = p(t) and the tt-axis on the time interval [0,30][0,30]. (c) Estimate the total amount of pollution entering the lake during this 30-day period. Carefully explain how you determined your estimate.

정답·풀이 보기

(a) 아래 그림을 보면 시간이 지남에 따라 오염 속도가 증가하는 비율로 증가하는 것으로 보인다. 이 이미지에 대체 텍스트를 추가하세요. (b) 오염 속도가 거의 상수인 구간을 생각하고 그 구간의 너비가 △t\triangle t 라 하면, 그 구간에서 곡선 아래의 넓이는 너비가 △t\triangle t 이고 높이가 그 구간의 오염 속도 p(t)p(t) 인 직사각형의 넓이와 거의 같다. 넓이를 구하기 위해 곱 p(t)⋅△tp(t) \cdot \triangle t 를 계산할 때 관련된 단위는 “하루당 오염 단위”와 “일”의 곱이므로, 전체 단위는 “오염 단위”가 된다. 따라서 곡선 아래의 넓이는 시간 구간 [0,30][0,30] 동안 배출된 오염의 총량을 나타낸다. (c) 오염의 총량을 어림하는 한 가지 방법은 각 구간 [0,6][0,6], [6,12][6,12], …\ldots 에서 오염 속도가 상수라고 가정하는 것이다. 예를 들어 [0,6][0,6] 에서는 속도가 항상 하루당 77 단위이고, [6,12][6,12] 에서는 하루당 88 단위로 뛰어오르며, 이후도 같은 식이라고 가정할 수 있다. 이렇게 하고 (b)에서 논의한 생각을 이용하면, 오염의 총량 PP 의 한 어림값은 P=7⋅6+8⋅6+10⋅6+13⋅6+18⋅6=336P = 7 \cdot 6 + 8 \cdot 6 + 10 \cdot 6 + 13 \cdot 6 + 18 \cdot 6 = 336 오염 단위이다. 예를 들어 13⋅613 \cdot 6 을 계산하는 것은 처리장이 6일 동안 하루에 1313 단위의 오염을 배출한다고 가정한 것이므로, 구간 [18,24][18,24] 에서 배출된 오염의 총량의 어림값을 나타낸다. 오염 속도가 계속 증가하는데 각 구간에서 그 속도의 가장 낮은 값을 택했으므로, 이 어림값은 오염의 총량보다 작은 과소 어림값임이 분명하다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The plot below shows that the rate of pollution appears to be increasing at an increasing rate as time goes on. ADD ALT TEXT TO THIS IMAGE (b) If we think about an interval on which the rate of pollution is relatively constant and suppose the interval is △t\triangle t wide, then the area under the curve on that interval is approximately the area of the rectangle whose width is △t\triangle t and whose height is p(t)p(t), the polution rate on that interval. When we compute the product p(t)⋅△tp(t) \cdot \triangle t to find the area, the units involved are “units of pollution per day” times “days”, which results in an overall unit of “units of pollution”. Thus, the area under the curve tells us the total pollution emitted over the time interval [0,30][0,30]. (c) One way to estimate the total amount of pollution is to suppose the rate of pollution is constant on each of the intervals [0,6][0,6], [6,12][6,12], …\ldots. For instance, we could assume the rate on [0,6][0,6] is always 77 units per day, and then the rate jumps to 88 units per day on [6,12][6,12], and so on. Doing so, and using the ideas we discussed in (b), one estimate for the total pollution, PP, is P=7⋅6+8⋅6+10⋅6+13⋅6+18⋅6=336P = 7 \cdot 6 + 8 \cdot 6 + 10 \cdot 6 + 13 \cdot 6 + 18 \cdot 6 = 336 total units of pollution. Note, for example, that when we compute 13⋅613 \cdot 6 this represents an estimate of the total amount of pollution emitted on the interval [18,24][18,24] since we are assuming the plant emits 1313 units of pollution per day for 6 days. It is apparent that this particular estimate is an underestimate of the total amount of pollution since the rate is always increasing but we are choosing the lowest value of that rate on a given interval.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.4절 · 33번
# 속도와 거리그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)