문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 미분법

합성함수의 미분법

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

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 문제OpenStax 1권 · 3.6절 · 36번우리말 번역

다음 문제에서는 아래 표의 정보를 이용하여 주어진 aa 의 값에서 h′(a){h}^{'}(a) 를 구하세요.

xx f(x)f(x) f′(x)f'(x) g(x)g(x) g′(x)g'(x)
0 2 5 0 2
1 1 −2 3 0
2 4 4 1 −1
3 3 −3 2 3

h(x)=f(x+f(x));a=1h(x)=f(x+f(x));a=1

답 쓰고 채점
다 풀었으면 정답 확인

−4-4

이 문제로 이어서 풀기
# 합성함수의 미분법활용자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

「합성함수의 미분법」 문제 목록으로