문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 미분법

관련 변화율

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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.

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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.

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 1권 · 4.1절 · 45번우리말 번역

[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.

다 풀었으면 정답 확인

거리는 11.9911.99 ft/sec 의 비율로 감소하고 있다.

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