문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 미분법

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

CLP-1 · 3.2절 · 22번우리말 번역

점이 아래 그림과 같은 사각형을 따라 xyxy-평면 위를 움직이고 있다.

그림

(a) 점이 (0,−2)(0,-2) 에 있을 때, 점은 오른쪽으로 움직이고 있다. 원점에 서 있는 관찰자가 그 점을 똑바로 바라보려면 초당 1라디안의 비율로 회전해야 한다. 점은 얼마나 빠르게 움직이고 있는지 구하세요. (b) 점이 (0,2)(0,2) 에 있을 때, 점의 xx좌표는 초당 1단위의 비율로 증가하고 있다. 점의 yy좌표는 얼마나 빠르게 변하는지 구하세요. 또 점은 얼마나 빠르게 움직이고 있는지 구하세요.

영어 원문 보기

A point is moving in the xyxy-plane along the quadrilateral shown below.

figure

(a) When the point is at (0,−2)(0,-2), it is moving to the right. An observer stationed at the origin must turn at a rate of one radian per second to keep looking directly at the point. How fast is the point moving? (b) When the point is at (0,2)(0,2), its xx-coordinate is increasing at a rate of one unit per second. How fast it its yy-coordinate changing? How fast is the point moving?

정답·풀이 보기

(a) 점이 (0,−2)(0,-2) 에 있을 때, 점은 수평선을 따라 움직이고 있으므로 yy좌표는 변하지 않는다. 따라서 점이 움직이는 빠르기는 단순히 dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} 이다. 관찰자가 점을 보기 위해 바라보는 각을 θ\theta 라 하자. dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} 는 알고 있으므로, θ\theta 와 xx 를 연결하는 방정식을 찾은 다음 tt 에 대하여 음함수 미분하는 것이 적절한 계획이다. 이를 위해 그림으로 돌아가 보자.

그림

점이 (0,−2)(0,-2) 의 약간 오른쪽에 있을 때, 그림과 같이 원점과 함께 삼각형을 만들 수 있다. 표시된 각을 θ\theta 라 하면 dθdt=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=1 라디안/초이다. (관찰자가 초당 1라디안으로 회전한다고 주어졌으므로, 이것이 θ\theta 가 증가하는 빠르기이다.) 그림의 직각삼각형에서 다음을 알 수 있다. tan⁡θ=x2\tan\theta=\frac{x}{2} 이제 미묘한 점 하나를 짚어야 한다. 우리가 그린 그림은 점이 (0,−2)(0,-2) 의 약간 오른쪽에 있는 위치일 때만 의미가 있다. 따라서 지금까지는 오른쪽에서의 미분을 구하는 설정만 만든 셈이다. 그러나 조금 더 생각해 보면, xx 가 음수일 때(즉 점이 (0,−2)(0,-2) 의 약간 왼쪽에 있을 때)에도 θ\theta 를 주의해서 정의하면 이 식이 성립함을 알 수 있다. θ\theta 를 점과 원점을 잇는 선분과 yy축 사이의 각으로 하되, 점이 yy축의 왼쪽에 있을 때는 θ\theta 가 음수라고 하자.

그림

점이 yy축의 왼쪽에 있을 때 xx 와 θ\theta 는 모두 음수이므로,

tan⁡∣θ∣=2∣x∣tan⁡(−θ)=−x2그런데 tan⁡(−θ)=−tan⁡(θ) 이므로:tan⁡θ=x2\begin{aligned} \tan|\theta|&=\frac{2}{|x|}\\ \tan(-\theta) &= \frac{-x}{2} \\ \text{그런데 $\tan(-\theta)=-\tan(\theta)$ 이므로:} \\ \tan\theta&=\frac{x}{2} \end{aligned}

따라서 점이 (x,−2)(x,-2) 에 있을 때 xx 의 부호와 관계없이 tan⁡θ=x2\tan\theta=\dfrac{x}{2} 가 성립함을 보였다.

계속해서, dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} 가 주어졌고 dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} 를 구해야 하므로 tt 에 대하여 미분한다.

sec⁡2θ⋅dθdt=12⋅dxdt점이 (0,−2) 에 있을 때 관찰자가 초당 1라디안으로 회전하므로 dθdt=1 이다. 또 그림에서 θ=0 이다. 이 값들을 대입하면:sec⁡2(0)⋅(1)=12⋅dxdt1=12⋅dxdtdxdt=2\begin{aligned} \sec^2\theta \cdot \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \\ \text{점이 $(0,-2)$ 에 있을 때 관찰자가 초당 1라디안으로 회전하므로 $\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=1$ 이다. 또 그림에서 $\theta=0$ 이다. 이 값들을 대입하면:} \\ \sec^2\left(0\right)\cdot(1)&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\\ 1&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\\ \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}&=2 \end{aligned}

따라서 점은 초당 2단위의 속력으로 움직인다.

(b) 점이 (0,2)(0,2) 에 있을 때, 점은 기울기가 −12-\frac{1}{2} 이고 yy절편이 22 인 직선을 따라 움직이고 있다. 따라서 점은 직선 y=2−12xy=2-\frac{1}{2}x 위에 있다. 즉 시각 tt 에서 점이 (x(t),y(t))(x(t),y(t)) 에 있다면, x(t)x(t) 와 y(t)y(t) 는 y(t)=2−12x(t)y(t)=2-\frac{1}{2}x(t) 를 만족시킨다. 이를 tt 에 대하여 음함수 미분하면: dydt=−12⋅dxdt\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} 따라서 dxdt=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=1 일 때 dydt=−12\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\dfrac{1}{2} 이다. 즉 yy좌표는 초당 12\dfrac{1}{2}단위의 비율로 감소한다.

“점은 얼마나 빠르게 움직이는가?”라는 물음에 대해서는, 물체의 속도가 물체의 위치를 나타내는 식을 (시간에 대하여) 미분하여 구해진다는 점을 기억하자. 이 경우 복잡한 점은 (1) 물체의 위치가 시간의 함수로 주어져 있지 않고, (2) 물체의 위치가 1차원이 아니라 2차원(xx좌표와 yy좌표)으로 주어져 있다는 것이다.

참고: 아래의 풀이는 사실 꽤 복잡하다. 스스로 알아낼 수 있는 수준이기는 하지만, 수학을 더 공부하다 보면 벡터를 이용한 더 쉬운 방법을 배우게 될 것이다. 지금은 비교적 어려운 연습 문제로 생각하고, 계속 공부할 동기로 삼자. 더 쉬운 방법이 있을 것이다라는 직관은 충분히 근거가 있다!

점은 직선을 따라 움직이고 있다. 따라서 복잡한 점 (2)를 해결하기 위해, 점의 위치를 직선 위의 한 점으로 나타낼 수 있다. 이 직선을 일종의 축으로 삼을 수 있다. 이 축에서 “원점”이 될 점을 하나 골라야 하는데, (2,1)(2,1) 이 편리한 점이다. DD 를 “축”을 따라 (2,1)(2,1) 로부터 잰 점의 (부호가 있는) 거리라 하자. 점이 (2,1)(2,1) 의 왼쪽으로 1단위 떨어져 있을 때는 D=−1D=-1 이고, 점이 (2,1)(2,1) 의 오른쪽으로 1단위 떨어져 있을 때는 D=1D=1 이다. 그러면 DD 는 시간에 따라 변하고, dDdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} 는 점의 속도이다. dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} 와 dydt\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} 를 알고 있으므로, xx, yy, DD 를 연결하는 방정식을 찾아 tt 에 대하여 음함수 미분하는 것이 적절한 계획이다. (이 음함수 미분이 복잡한 점 (1)을 해결해 준다.) 피타고라스 정리를 이용하면:

D2=(x−2)2+(y−1)2t 에 대하여 미분하면:2D⋅dDdt=2(x−2)⋅dxdt+2(y−1)⋅dydtx=0, y=2, dxdt=1, dydt=−12, 그리고 D=−(0−2)2+(2−1)2=−5 (점이 (2,1) 의 왼쪽에 있으므로 음수)를 대입하면:−25⋅dDdt=2(−2)(1)+2(1)(−12)dDdt=52 단위/초\begin{aligned} D^2&=(x-2)^2+(y-1)^2 \\ \text{$t$ 에 대하여 미분하면:} \\ 2D\cdot\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2(x-2)\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}+2(y-1)\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \\ \text{$x=0$, $y=2$, $\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=1$, $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\frac{1}{2}$, 그리고 $D=-\sqrt{(0-2)^2+(2-1)^2}=-\sqrt{5}$ (점이 $(2,1)$ 의 왼쪽에 있으므로 음수)를 대입하면:} \\ -2\sqrt{5}\cdot\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2(-2)(1)+2(1)\left(-\frac{1}{2}\right)\\ \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=\frac{\sqrt{5}}{2}~\text{단위/초} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) When the point is at (0,−2)(0,-2), its yy-coordinate is not changing, because it is moving along a horizontal line. So, the rate at which the particle moves is simply dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}. Let θ\theta be the angle an observer would be looking at, in order to watch the point. Since we know dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}, a reasonable plan is to find an equation relating θ\theta and xx, and then differentiate implicitly with respect to tt. To do this, let's return to our diagram.

figure

When the point is a little to the right of (0,−2)(0,-2), then we can make a triangle with the origin, as shown. If we let θ\theta be the indicated angle, then dθdt=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=1 radian per second. (It is given that the observer is turning one radian per second, so this is how fast θ\theta is increasing.) From the right triangle in the diagram, we see tan⁡θ=x2\tan\theta=\frac{x}{2} Now, we have to take care of a subtle point. The diagram we drew only makes sense for the point when it is at a position a little to the right of (0,−2)(0,-2). So, right now, we've only made a set-up that will find the derivative from the right. But, with a little more thought, we see that even when xx is negative (that is, when the point is a little to the left of (0,−2)(0,-2)), our equation holds if we are careful about how we define θ\theta. Let θ\theta be the angle between the line connecting the point and the origin, and the yy-axis, where θ\theta is negative when the point is to the left of the yy-axis.

figure

Since xx and θ\theta are both negative when the point is to the left of the yy-axis,

tan⁡∣θ∣=2∣x∣tan⁡(−θ)=−x2So, since tan⁡(−θ)=−tan⁡(θ):tan⁡θ=x2\begin{aligned} \tan|\theta|&=\frac{2}{|x|}\\ \tan(-\theta) &= \frac{-x}{2} \\ \text{So, since $\tan(-\theta)=-\tan(\theta)$:} \\ \tan\theta&=\frac{x}{2} \end{aligned}

So, we've shown that the relationship tan⁡θ=x2\tan\theta=\dfrac{x}{2} holds when our point is at (x,−2)(x,-2), regardless of the sign of xx.

Moving on, since we are given dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} and asked for dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}, we differentiate with respect to tt:

sec⁡2θ⋅dθdt=12⋅dxdtWhen the point is at (0,−2), since the observer is turning at one radian per second, also dθdt=1. Also, looking at the diagram, θ=0. Plugging in these values:sec⁡2(0)⋅(1)=12⋅dxdt1=12⋅dxdtdxdt=2\begin{aligned} \sec^2\theta \cdot \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \\ \text{When the point is at $(0,-2)$, since the observer is turning at one radian per second, also $\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=1$. Also, looking at the diagram, $\theta=0$. Plugging in these values:} \\ \sec^2\left(0\right)\cdot(1)&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\\ 1&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\\ \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}&=2 \end{aligned}

So, the particle is moving at 2 units per second.

(b) When the point is at (0,2)(0,2), it is moving along a line with slope −12-\frac{1}{2} and yy-intercept 22. So, it is on the line y=2−12xy=2-\frac{1}{2}x That is, at time tt, if the point is at (x(t),y(t))(x(t),y(t)), then x(t)x(t) and y(t)y(t) satisfy y(t)=2−12x(t)y(t)=2-\frac{1}{2}x(t). Implicitly differentiating with respect to tt: dydt=−12⋅dxdt\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} So, when dxdt=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=1, dydt=−12\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\dfrac{1}{2}. That is, its yy-coordinate is decreasing at 12\dfrac{1}{2} unit per second.

For the question “How fast is the point moving?", remember that the velocity of an object can be found by differentiating (with respect to time) the equation that gives the position of the object. The complicating factors in this case are that (1) the position of our object is not given as a function of time, and (2) the position of our object is given in two dimensions (an xx coordinate and a yy coordinate), not one.

Remark: the solution below is actually pretty complicated. It is within your abilities to figure it out, but later on in your mathematical career you will learn an easier way, using vectors. For now, take this as a relatively tough exercise, and a motivation to keep learning: your intuition that there must be an easier way is well founded!

The point is moving along a straight line. So, to take care of complication (2), we can give its position as a point on the line. We can take the line as a sort of axis. We'll need to choose a point on the axis to be the “origin": (2,1)(2,1) is a convenient point. Let DD be the point's (signed) distance along the “axis" from (2,1)(2,1). When the point is a distance of one unit to the left of (2,1)(2,1), we'll have D=−1D=-1, and when the point is a distance of one unit to the right of (2,1)(2,1), we'll have D=1D=1. Then DD changes with respect to time, and dDdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} is the velocity of the point. Since we know dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} and dydt\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}, a reasonable plan is to find an equation relating xx, yy, and DD, and differentiate implicitly with respect to tt. (This implicit differentiation takes care of complication (1).) Using the Pythagorean Theorem:

D2=(x−2)2+(y−1)2Differentiating with respect to t:2D⋅dDdt=2(x−2)⋅dxdt+2(y−1)⋅dydtWe plug in x=0, y=2, dxdt=1, dydt=−12, and D=−(0−2)2+(2−1)2=−5 (negative because the point is to the left of (2,1)):−25⋅dDdt=2(−2)(1)+2(1)(−12)dDdt=52 units per second\begin{aligned} D^2&=(x-2)^2+(y-1)^2 \\ \text{Differentiating with respect to $t$:} \\ 2D\cdot\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2(x-2)\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}+2(y-1)\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \\ \text{We plug in $x=0$, $y=2$, $\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=1$, $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\frac{1}{2}$, and $D=-\sqrt{(0-2)^2+(2-1)^2}=-\sqrt{5}$ (negative because the point is to the left of $(2,1)$):} \\ -2\sqrt{5}\cdot\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2(-2)(1)+2(1)\left(-\frac{1}{2}\right)\\ \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=\frac{\sqrt{5}}{2}~\text{units per second} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 3.2절 · 21번우리말 번역

떠 있는 부표가 강바닥에 고정되어 있다. 강이 흐르면 부표는 길이 2미터의 줄이 팽팽해질 때까지 물이 흐르는 방향으로 끌려간다. 닻에 있는 센서는 아래 그림과 같이 줄과 강바닥 사이의 각 θ\theta 를 읽는다. 이 자료는 시간에 따라 변하는 강의 수심 DD 를 측정하는 데 쓰인다.

그림

(a) θ=π4\theta = \dfrac{\pi}{4} 이고 dθdt=0.25 radhr\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=0.25~\frac{\mathrm{rad}}{\mathrm{hr}} 일 때, 물의 깊이 DD 는 얼마나 빠르게 변하는지 구하세요. (b) 측정 결과 dθdt=0\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=0 이지만 dDdt≠0\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}\neq0 이다. 어떤 상황에서 이런 일이 일어나는지 설명하세요. (c) 측정 결과 dθdt>0\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}>0 이지만 dDdt<0\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}<0 이다. 어떤 상황에서 이런 일이 일어나는지 설명하세요.

다 풀었으면 정답 확인

흔히 그렇듯이, 이 문제에서도 직각삼각형을 이용하여 여러 양 사이의 관계를 나타낸다.

그림

sin⁡θ=D2D=2sin⁡θ합성함수의 미분법을 이용하여 양변을 시간 t 에 대해 미분한다.dDdt=2cos⁡θ⋅dθdt따라서 dθdt=0.25 라디안/시간이고 θ=π4 라디안이면(a)dDdt=2cos⁡(π4)⋅0.25=2(12)14=122 미터/시간.\begin{aligned} \sin\theta&=\frac{D}{2}\\ D&=2\sin\theta\\ \text{합성함수의 미분법을 이용하여 양변을 시간 $t$ 에 대해 미분한다.} \\ \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2\cos\theta\cdot\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \\ \text{따라서 $\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=0.25$ 라디안/시간이고 $\theta = \dfrac{\pi}{4}$ 라디안이면} \\ (a)\qquad\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2\cos\left(\frac{\pi}{4}\right)\cdot 0.25=2\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)\frac{1}{4}=\frac{1}{2\sqrt{2}}~\text{미터/시간}. \end{aligned}

(b)는 잠시 접어 두고 (c)를 생각해 보자. dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} 와 dDdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} 의 부호가 다르면, dDdt=2cos⁡θ⋅dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}=2\cos\theta\cdot\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} 이므로 cos⁡θ<0\cos\theta<0 이다. 수심은 음이 아니어야 하므로 D>0D>0 이고, D=2sin⁡θD=2\sin\theta 이므로 sin⁡θ>0\sin \theta >0 이다. sin⁡θ≥0\sin\theta\ge0 이고 cos⁡θ<0\cos \theta<0 이면 θ∈(π/2,π]\theta\in(\pi/2,\pi] 이다. 그림으로 나타내면 다음과 같다.

그림

즉, 물이 흐르는 방향이 반대로 바뀐 것이다. 예를 들어 강이 바다로 흘러들어 가는 곳에서 만조일 때 이런 일이 일어난다. 선샤인 코스트에 있는 스쿠쿰척 내로스 주립공원에는 흐름이 반대로 바뀌는 여울이 있다.

이제 (b)로 돌아가 보자. 줄의 길이가 2미터뿐인데 강물이 2미터보다 더 높이 차오르면, 등식 D=2sin⁡θD=2\sin\theta 는 더 이상 성립하지 않는다. 부표는 물속에 가만히 있는 채로 물이 불어나거나 줄어들 수 있다(단, 수심은 22 미터 이상으로 유지된다).

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