문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 적분

정적분으로 나타낸 함수

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

Active Calculus · 5.2절 · 5번우리말 번역

해변의 작은 해양 공원에서 조수가 모래를 해변에서 쓸어 가는 비율은 다음 함수로 나타낼 수 있다.

R(t)=2+5sin⁡(4πt25)R(t) = 2 + 5\sin \left( \frac{4\pi t}{25} \right)

양수 시설은 다음 함수로 나타낼 수 있는 비율로 해변에 모래를 보탠다.

S(t)=15t1+3tS(t) = \frac{15t}{1+3t}

R(t)R(t) 와 S(t)S(t) 는 모두 시간당 모래의 세제곱야드 단위로 측정하고, tt 는 시간 단위로 측정하며, 유효한 시간은 0≤t≤60 \le t \le 6 이다. 시각 t=0t = 0 일 때 해변에는 2500 세제곱야드의 모래가 있다.

(a) 시간 구간 0≤t≤60 \le t \le 6 동안 조수가 쓸어 가는 모래의 양을 나타내는 정적분은 무엇입니까? 그 이유는 무엇입니까? (b) 시각 xx 에서 해변에 있는 모래의 총량(세제곱야드)인 Y(x)Y(x) 에 대한 식을 쓰세요. 생각과 추론 과정을 자세히 설명하세요. (c) 시각 t=4t = 4 일 때 해변에 있는 모래의 총량(세제곱야드)은 순간적으로 얼마의 비율로 변하고 있는지 구하세요. (d) 시간 구간 0≤t≤60 \le t \le 6 에서 해변의 모래의 양이 가장 적은 때는 대략 언제 tt 입니까? 그에 해당하는 최솟값은 대략 얼마입니까? 답을 충분히 설명하고 정당화하세요.

영어 원문 보기

The tide removes sand from the beach at a small ocean park at a rate modeled by the function

R(t)=2+5sin⁡(4πt25)R(t) = 2 + 5\sin \left( \frac{4\pi t}{25} \right)

A pumping station adds sand to the beach at rate modeled by the function

S(t)=15t1+3tS(t) = \frac{15t}{1+3t}

Both R(t)R(t) and S(t)S(t) are measured in cubic yards of sand per hour, tt is measured in hours, and the valid times are 0≤t≤60 \le t \le 6. At time t=0t = 0, the beach holds 2500 cubic yards of sand.

(a) What definite integral measures how much sand the tide will remove during the time period 0≤t≤60 \le t \le 6? Why? (b) Write an expression for Y(x)Y(x), the total number of cubic yards of sand on the beach at time xx. Carefully explain your thinking and reasoning. (c) At what instantaneous rate is the total number of cubic yards of sand on the beach at time t=4t = 4 changing? (d) Over the time interval 0≤t≤60 \le t \le 6, at approximately what time tt is the amount of sand on the beach least? What is the corresponding approximate minimum value? Explain and justify your answers fully.

정답·풀이 보기

(a) 조수는 시간당 R(t)=2+5sin⁡(4πt25)R(t) = 2 + 5\sin \left( \frac{4\pi t}{25} \right) 세제곱야드의 비율로 모래를 쓸어 가므로, 시간 구간 [0,6][0,6] 에서 R(t)⋅△tR(t) \cdot \triangle t 의 단위가 "세제곱야드"임을 생각하면, 이 시간 구간 동안 쓸려 간 모래의 총량은 다음과 같다. ∫06[2+5sin⁡(4πt25)] dt .\int_0^6 \left[2 + 5\sin \left( \frac{4\pi t}{25} \right) \right] \, dt\,. (b) 모래가 쓸려 가기도 하고 보태지기도 하므로, 주어진 시각 tt 까지 더해지거나 빠진 모래의 총량은 모래가 보태지는 비율과 쓸려 가는 비율의 차를 적분하여 구할 수 있다. 특히 해변에 있는 모래의 총변화량은 변화율의 정적분이므로, 시각 xx 에서 해변에 있는 모래의 총량은 처음 양(2500 세제곱야드)에 총변화량을 더한 것과 같다. Y(x)=2500+∫0x[S(t)−R(t)] dt=2500+∫0x[15t1+3t−(2+5sin⁡(4πt25))] dt .Y(x) = 2500 + \int_0^x \left[ S(t) - R(t) \right] \, dt = 2500 + \int_0^x \left[ \frac{15t}{1+3t} - \left( 2 + 5\sin \left( \frac{4\pi t}{25} \right) \right) \right] \, dt\,. (c) Y(x)Y(x) 는 시각 xx 에서 해변에 있는 모래의 총량을 나타낸다는 것을 안다. 따라서 시각 t=4t=4 일 때 해변에 있는 모래의 총량(세제곱야드)의 순간변화율은 Y′(4)Y'(4) 이다. 먼저 Y′(x)Y'(x) 를 구한다. 미적분의 기본정리 제2부분에 의해 Y′(x)=S(x)−R(x) ,Y'(x) = S(x) - R(x)\,, 이므로 Y′(4)=S(4)−R(4)≈−1.90875Y'(4) = S(4) - R(4) \approx -1.90875 세제곱야드/시간이다. (d) 모래의 총량 함수 Y(x)Y(x) 가 [0,6][0,6] 에서 최솟값을 갖는 곳을 찾기 위해 Y′(x)=S(x)−R(x)Y'(x) = S(x) - R(x) 의 변화를 살펴본다. 이 구간에서 Y′(x)Y'(x) 의 그래프를 그려 보면 x≈5.118x \approx 5.118 에서 Y′(x)=0Y'(x) = 0 이고, 0≤x<5.1180 \le x < 5.118 에서는 Y′(x)<0Y'(x) < 0, 5.118<x≤65.118 < x \le 6 에서는 Y′(x)>0Y'(x) > 0 임을 알 수 있다. 따라서 YY 는 x≈5.118x \approx 5.118 에서 감소하다가 증가로 바뀌므로 구간 [0,6][0,6] 에서 그 지점에서 최솟값을 가진다. 또한 Y(5.118)≈2492.368Y(5.118) \approx 2492.368 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since the tide removes sand at a rate of R(t)=2+5sin⁡(4πt25)R(t) = 2 + 5\sin \left( \frac{4\pi t}{25} \right) cubic yards of sand per hour, on the time interval [0,6][0,6], it follows that since the units on R(t)⋅△tR(t) \cdot \triangle t are “cubic yards”, the total sand removed on this time interval is ∫06[2+5sin⁡(4πt25)] dt .\int_0^6 \left[2 + 5\sin \left( \frac{4\pi t}{25} \right) \right] \, dt\,. (b) Because sand is being both removed and added, we can determine the total amount of sand that has been added or subtracted up to a given time tt by integrating the difference between the the rates at which sand is being added and removed. In particular, since the total change in sand on the beach is the integral of the rate of change, we have that the total amount of sand on the beach at time xx is given by the original amount (2500 cubic yards) plus the total change: Y(x)=2500+∫0x[S(t)−R(t)] dt=2500+∫0x[15t1+3t−(2+5sin⁡(4πt25))] dt .Y(x) = 2500 + \int_0^x \left[ S(t) - R(t) \right] \, dt = 2500 + \int_0^x \left[ \frac{15t}{1+3t} - \left( 2 + 5\sin \left( \frac{4\pi t}{25} \right) \right) \right] \, dt\,. (c) We know that Y(x)Y(x) measures the total amount of sand on the beach at time xx. Thus, the instantaneous rate at which the total number of cubic yards of sand on the beach is changing at time t=4t=4 is given by Y′(4)Y'(4). We first compute Y′(x)Y'(x). By the Second Fundamental Theorem of Calculus, we have Y′(x)=S(x)−R(x) ,Y'(x) = S(x) - R(x)\,, and thus Y′(4)=S(4)−R(4)≈−1.90875Y'(4) = S(4) - R(4) \approx -1.90875 cubic yards per hour. (d) To find where the total sand function Y(x)Y(x) has its minimum value on [0,6][0,6], we look at the behavior of Y′(x)=S(x)−R(x)Y'(x) = S(x) - R(x). Plotting Y′(x)Y'(x) on the interval, we see that Y′(x)=0Y'(x) = 0 at x≈5.118x \approx 5.118, and for 0≤x<5.1180 \le x < 5.118, Y′(x)<0Y'(x) < 0, and for 5.118<x≤65.118 < x \le 6, Y′(x)>0Y'(x) > 0. Thus, YY changes from decreasing to increasing at x≈5.118x \approx 5.118 and has an absolute minimum there on the interval [0,6][0,6]. Furthermore, Y(5.118)≈2492.368Y(5.118) \approx 2492.368.

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 1권 · 5.3절 · 14번

다음 문제에서 미적분의 기본정리 1부를 이용하여 각 도함수를 구하세요.

ddx∫1x2t1+t dt\frac{d}{dx}\int_{1}^{x^2}\frac{\sqrt t}{1+t}\,dt

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2x∣x∣1+x2\frac{2x|x|}{1+x^2}

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