높이가 각각 60 ft, 80 ft인 두 수직 기둥이 평평한 땅 위에 밑면 사이의 거리 100 ft를 두고 서 있습니다. 케이블을 한 기둥의 꼭대기에서 두 기둥 사이의 땅 위의 한 점까지 늘인 다음, 다시 다른 기둥의 꼭대기까지 늘입니다. 필요한 케이블 길이의 가능한 최솟값은 얼마인가요? 미적분을 이용하여 답을 완전하게 정당화하세요.
영어 원문 보기
Two vertical poles of heights 60 ft and 80 ft stand on level ground, with their bases 100 ft apart. A cable that is stretched from the top of one pole to some point on the ground between the poles, and then to the top of the other pole. What is the minimum possible length of cable required? Justify your answer completely using calculus.
정답·풀이 보기
먼저 전체 상황을 정확하게 그림으로 나타낸다. 케이블이 땅에 닿는 점이 첫 번째 기둥에서 떨어진 거리를 , 첫 번째 기둥 꼭대기에서 땅까지의 케이블 길이를 , 땅에서 두 번째 기둥 꼭대기까지의 케이블 길이를 라 하자. 다음 그림과 같다. 주어진 기둥의 높이와 기둥 사이의 거리도 함께 나타내었다.
사용되는 케이블의 전체 길이 (이것을 최소로 하려 한다)은 이다. 이 상황의 기하적 관계를 이용하여 와 를 모두 로 나타낼 수 있다. 첫 번째 직각삼각형에서 피타고라스 정리에 의해 이므로 이다. 두 번째 직각삼각형에서 가로 변의 길이는 이므로 이고, 따라서 이다. 그러므로 에서
또한 주어진 상황에서 의 정의역은 임이 분명하다. 이 닫힌구간에서 의 최솟값을 구하려 하므로, 의 임계점을 찾는 일이 남아 있다.
연쇄 법칙에 의해
이다.
계산 도구를 사용하여 방정식 을 풀면, 구간 에서 해는 하나뿐이다.
정의역에서 의 최솟값을 구하기 위해 양 끝점과 유일한 임계점에서 의 값을 구한다. 계산하면 , , 이다. 따라서 사용할 수 있는 케이블의 최소 길이는 약 피트이며, 케이블을 첫 번째 기둥에서 약 피트 떨어진 곳에 고정할 때 이루어진다.
원본 교재 풀이(영어)
We start by constructing a careful diagram of the overall situation. Let be the distance from the first pole to the second pole where the cable touches the ground, and let be the length of the cable from the top of the first tower to the ground, and the length of cable from the ground to the top of the second tower, as pictured in the following figure. Note that we have included the given heights of the towers and the distance between them.
The total amount of cable, , used (which we wish to minimize) is given by . We can use the geometry of the situation to write both and in terms of . In the first right triangle, by the Pythagorean Theorem we know that , and thus . In the second right triangle, note that the horizontal leg of the triangle has length , and thus , so . It follows that with ,
It is also apparent from the given situation that the relevant domain for is . Given that we want to minimize on this closed interval, it remains to find any critical numbers of .
We note by the chain rule that
We use technology to solve the equation and find that it has a single solution in the interval : .
To find the absolute minimum of on the relevant domain, we evaluate at the endpoints and the only critical number. Doing so, we fine , , and . Hence the least amount of cable we can use is approximately feet and is accomplished by anchoring the cable about feet from the first tower.
한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 1권 · 4.7절 · 5번우리말 번역
비행기에 여행 가방을 들고 타려면, 상자의 길이 높이가 . 이하여야 한다. 가방의 밑면이 정사각형이라고 가정할 때, 부피가 . 임을 보이세요. 어떤 높이일 때 부피가 가장 큰지 구하세요.
다 풀었으면 정답 확인
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