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127문제 · 7 / 7쪽

121.CLP-4 · 1.1절 · 27번대학 수준우리말 번역

CC 를 곡면 y=x2y=x^2 과 z=23x3z=\frac{2}{3}x^3 의 교선이 만드는 곡선이라 하자. 한 입자가 dxdt>0\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}>0 이고 일정한 속력으로 CC 를 따라 움직인다. 이 입자는 시각 t=0t=0 에 (0,0,0)(0,0,0) 에 있고, 시각 t=72t=\frac{7}{2} 에 (3,9,18)(3,9,18) 에 있다.

(a) CC 에서 (0,0,0)(0,0,0) 과 (3,9,18)(3,9,18) 사이 부분의 길이를 구하세요. (b) 입자의 일정한 속력을 구하세요. (c) 입자가 (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) 에 있을 때 입자의 속도를 구하세요. (d) 입자가 (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) 에 있을 때 입자의 가속도를 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the curve of intersection of the surfaces y=x2y=x^2 and z=23x3z=\frac{2}{3}x^3. A particle moves along CC with constant speed such that dxdt>0\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}>0. The particle is at (0,0,0)(0,0,0) at time t=0t=0 and is at (3,9,18)(3,9,18) at time t=72t=\frac{7}{2}.

(a) Find the length of the part of CC between (0,0,0)(0,0,0) and (3,9,18)(3,9,18). (b) Find the constant speed of the particle. (c) Find the velocity of the particle when it is at (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big). (d) Find the acceleration of the particle when it is at (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big).

정답·풀이 보기

(a) CC 를 xx 로 매개화한다. y=x2y=x^2 이고 z=23x3z=\frac{2}{3}x^3 이므로

r(x)=x ı^+x2 ȷ^+23x3 k^r′(x)=ı^+2x ȷ^+2x2 k^r′′(x)=2 ȷ^+4x k^dsdx=∣r′(x)∣=1+4x2+4x4=1+2x2\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{2}{3}x^3\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2x^2\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(x)&=2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4x\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x} &=|\mathbf{r}'(x)| =\sqrt{1+4x^2+4x^4}=1+2x^2 \end{aligned}

이고 ∫C ds=∫03dsdx dx=∫03(1+2x2) dx=[x+23x3]03=21\int_C \ \mathrm{d}s =\int_0^3 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\ \mathrm{d}x =\int_0^3 \big(1+2x^2\big)\ \mathrm{d}x ={\Big[x+\frac{2}{3}x^3\Big]}_0^3 =21

(b) 입자는 72\frac{7}{2} 시간 단위 동안 21 단위의 거리를 이동했다. 따라서 속력은 217/2=6\frac{21}{7/2}=6 이다.

(c) 시각 tt 에서 입자의 위치를 R(t)\mathbf{R}(t) 라 하자. 그러면 R(t)=r(x(t))  ⟹  R′(t)=r′(x(t))dxdt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(x(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} (a), (b)와 합성함수의 미분법에 의해 6=dsdt=dsdxdxdt=(1+2x2)dxdt  ⟹  dxdt=61+2x26=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=(1+2x^2)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \implies \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2x^2} 특히, 입자가 (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) 에 있는 때는 x=1x=1 일 때이다. 이때 dxdt=61+2×1=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2\times 1}=2 이고 R′=r′(1)dxdt=(ı^+2 ȷ^+2 k^)2=2ı^+4 ȷ^+4 k^\mathbf{R}'=\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} =\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)2 =2\hat{\boldsymbol{\imath}}+4\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}

(d) 곱의 미분법과 합성함수의 미분법에 의해 R′(t)=r′(x(t))dxdt  ⟹  R′′(t)=r′′(x(t))(dxdt)2+r′(x(t))d2xdt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(x(t)\big){\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2 +\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} 6=(1+2x(t)2)dxdt(t)6=\big(1+2x(t)^2\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) 의 양변에 ddt\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} 를 적용하면 0=4x(dxdt)2+(1+2x2)d2xdt20=4x{\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2+(1+2x^2)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} 특히, x=1x=1 이고 dxdt=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=2 일 때, 0=4×1(2)2+(3)d2xdt20=4\times 1\big(2\big)^2+(3)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} 에서 d2xdt2=−163\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}=-\frac{16}{3} 이고 R′′=(2 ȷ^+4 k^)(2)2−(ı^+2 ȷ^+2 k^)163=−83(2ı^+ ȷ^−2 k^)\mathbf{R}''=\big(2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}\big)\big(2\big)^2 -\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{16}{3} = -\frac{8}{3}\big(2\hat{\boldsymbol{\imath}}+\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-2\,\hat{\mathbf{k}}\big)

원본 교재 풀이(영어)

(a) Parametrize CC by xx. Since y=x2y=x^2 and z=23x3z=\frac{2}{3}x^3,

r(x)=x ı^+x2 ȷ^+23x3 k^r′(x)=ı^+2x ȷ^+2x2 k^r′′(x)=2 ȷ^+4x k^dsdx=∣r′(x)∣=1+4x2+4x4=1+2x2\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{2}{3}x^3\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2x^2\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(x)&=2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4x\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x} &=|\mathbf{r}'(x)| =\sqrt{1+4x^2+4x^4}=1+2x^2 \end{aligned}

and ∫C ds=∫03dsdx dx=∫03(1+2x2) dx=[x+23x3]03=21\int_C \ \mathrm{d}s =\int_0^3 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\ \mathrm{d}x =\int_0^3 \big(1+2x^2\big)\ \mathrm{d}x ={\Big[x+\frac{2}{3}x^3\Big]}_0^3 =21

(b) The particle travelled a distance of 21 units in 72\frac{7}{2} time units. This corresponds to a speed of 217/2=6\frac{21}{7/2}=6.

(c) Denote by R(t)\mathbf{R}(t) the position of the particle at time tt. Then R(t)=r(x(t))  ⟹  R′(t)=r′(x(t))dxdt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(x(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} By parts (a) and (b) and the chain rule 6=dsdt=dsdxdxdt=(1+2x2)dxdt  ⟹  dxdt=61+2x26=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=(1+2x^2)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \implies \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2x^2} In particular, the particle is at (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) at x=1x=1. At this time dxdt=61+2×1=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2\times 1}=2 and R′=r′(1)dxdt=(ı^+2 ȷ^+2 k^)2=2ı^+4 ȷ^+4 k^\mathbf{R}'=\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} =\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)2 =2\hat{\boldsymbol{\imath}}+4\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}

(d) By the product and chain rules, R′(t)=r′(x(t))dxdt  ⟹  R′′(t)=r′′(x(t))(dxdt)2+r′(x(t))d2xdt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(x(t)\big){\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2 +\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} Applying ddt\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} to 6=(1+2x(t)2)dxdt(t)6=\big(1+2x(t)^2\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) gives 0=4x(dxdt)2+(1+2x2)d2xdt20=4x{\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2+(1+2x^2)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} In particular, when x=1x=1 and dxdt=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=2, 0=4×1(2)2+(3)d2xdt20=4\times 1\big(2\big)^2+(3)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} gives d2xdt2=−163\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}=-\frac{16}{3} and R′′=(2 ȷ^+4 k^)(2)2−(ı^+2 ȷ^+2 k^)163=−83(2ı^+ ȷ^−2 k^)\mathbf{R}''=\big(2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}\big)\big(2\big)^2 -\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{16}{3} = -\frac{8}{3}\big(2\hat{\boldsymbol{\imath}}+\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-2\,\hat{\mathbf{k}}\big)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 30번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
122.CLP-4 · 1.1절 · 28번대학 수준우리말 번역

기둥에 설치된 카메라는 한 바퀴 전체를 돌 수 있다. 이 카메라가 한 물체를 추적하고 있는데, 시각 tt초에서 그 물체의 위치는 기둥으로부터 동쪽으로 x(t)x(t) 미터, 북쪽으로 y(t)y(t) 미터이다.

카메라가 항상 물체를 똑바로 향하려면, 시각 tt에서 카메라가 얼마나 빠르게 회전하도록 프로그램해야 하는지 구하세요. (답은 x(t)x(t), y(t)y(t) 및 이들의 도함수를 이용하여 rad/sec 단위로 나타내세요.)

영어 원문 보기

A camera mounted to a pole can swivel around in a full circle. It is tracking an object whose position at time tt seconds is x(t)x(t) metres east of the pole, and y(t)y(t) metres north of the pole.

In order to always be pointing directly at the object, how fast should the camera be programmed to rotate at time tt? (Give your answer in terms of x(t)x(t) and y(t)y(t) and their derivatives, in the units rad/sec.)

정답·풀이 보기

이 문제는 이미 카메라를 원점으로 하는 xyxy평면으로 설정되어 있으므로, 카메라가 향하는 방향의 벡터는 (x(t),y(t))(x(t),y(t))이다. θ\theta를 카메라가 양의 xx축(정동쪽)과 이루는 각이라 하자. 카메라, 물체, 정동쪽 방향(양의 xx축)은 직각삼각형을 이룬다.

그림

tan⁡θ=yxt에 대해 음함수 미분하면:sec⁡2θ dθdt=xy′−yx′x2dθdt=cos⁡2θ(xy′−yx′x2)=(xx2+y2)2(xy′−yx′x2)=xy′−yx′x2+y2\begin{aligned} \tan\theta&=\frac{y}{x}\\ \text{$t$에 대해 음함수 미분하면:} \\ \sec^2\theta\,\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\frac{xy'-yx'}{x^2}\\ \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\cos^2\theta\left(\frac{xy'-yx'}{x^2}\right)=\left(\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}\right)^2\left(\frac{xy'-yx'}{x^2}\right)=\frac{xy'-yx'}{{x^2+y^2}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The question is already set up as an xyxy-plane, with the camera at the origin, so the vector in the direction the camera is pointing is (x(t),y(t))(x(t),y(t)). Let θ\theta be the angle the camera makes with the positive xx-axis (due east). The camera, the object, and the due-east direction (positive xx-axis) make a right triangle.

figure

tan⁡θ=yxDifferentiating implicitly with respect to t:sec⁡2θ dθdt=xy′−yx′x2dθdt=cos⁡2θ(xy′−yx′x2)=(xx2+y2)2(xy′−yx′x2)=xy′−yx′x2+y2\begin{aligned} \tan\theta&=\frac{y}{x}\\ \text{Differentiating implicitly with respect to $t$:} \\ \sec^2\theta\,\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\frac{xy'-yx'}{x^2}\\ \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\cos^2\theta\left(\frac{xy'-yx'}{x^2}\right)=\left(\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}\right)^2\left(\frac{xy'-yx'}{x^2}\right)=\frac{xy'-yx'}{{x^2+y^2}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 27번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
123.CLP-4 · 1.1절 · 29번대학 수준우리말 번역

반지름이 3인 관이 곡선 r(t)=(223t3/2 , 12t2 , t+2)\mathbf{r}(t)=(\frac{2\sqrt2}{3}t^{3/2}~,~\frac12t^2~,~t+2) (0≤t≤100 \le t \le 10)의 경로를 따라 놓여 있다.

이 관의 내부 부피를 구하세요. 또 이 관의 겉넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

A pipe of radius 3 follows the path of the curve r(t)=(223t3/2 , 12t2 , t+2)\mathbf{r}(t)=(\frac{2\sqrt2}{3}t^{3/2}~,~\frac12t^2~,~t+2), for 0≤t≤100 \le t \le 10.

What is the volume inside the pipe? What is the surface area of the pipe?

정답·풀이 보기

파푸스의 정리를 이용하면, 이 관과 길이와 반지름이 같은 관의 겉넓이와 부피를 계산할 수 있다. 따라서 관의 길이 LL을 구해야 한다.

drdt=(2t,t,1)∣drdt∣=2t+t2+1=∣t+1∣L=∫010(t+1)dt=60\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}&=(\sqrt{2t},t,1)\\ \left| \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}\right|&=\sqrt{2t+t^2+1}=|t+1|\\ L&=\int_0^{10}(t+1)\mathrm{d}t=60 \end{aligned}

반지름이 3이고 길이가 60인 관의 겉넓이는 60(2π⋅3)=360π60(2\pi\cdot 3)=360\pi이고, 부피는 60(π⋅32)=540π60(\pi \cdot3^2)=540\pi이다.

원본 교재 풀이(영어)

Using the Theorem of Pappus, we can calculate the surface area and volume of a pipe with the same length and radius as this pipe. So, we need to find the length of the pipe, LL.

drdt=(2t,t,1)∣drdt∣=2t+t2+1=∣t+1∣L=∫010(t+1)dt=60\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}&=(\sqrt{2t},t,1)\\ \left| \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}\right|&=\sqrt{2t+t^2+1}=|t+1|\\ L&=\int_0^{10}(t+1)\mathrm{d}t=60 \end{aligned}

A pipe with radius 3 and length 60 has surface area 60(2π⋅3)=360π60(2\pi\cdot 3)=360\pi and volume 60(π⋅32)=540π60(\pi \cdot3^2)=540\pi.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 28번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
124.CLP-4 · 1.1절 · 31번대학 수준우리말 번역

중력의 영향을 받아 떨어지면서 속력에 비례하는 공기 저항으로 느려지는 발사체의 위치는 다음을 만족한다.

d2rdt2=−gk^−αdrdt\frac{\mathrm{d^2}\mathbf{r}}{\mathrm{d}{t}^2}=-g\hat{\mathbf{k}}-\alpha\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}

여기서 α\alpha 는 양의 상수이다. 시각 t=0t=0 에서 r=r0\mathbf{r}=\mathbf{r}_0 이고 drdt=v0\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}=\mathbf{v}_0 일 때, r(t)\mathbf{r}(t) 를 구하세요.

영어 원문 보기

A projectile falling under the influence of gravity and slowed by air resistance proportional to its speed has position satisfying

d2rdt2=−gk^−αdrdt\frac{\mathrm{d^2}\mathbf{r}}{\mathrm{d}{t}^2}=-g\hat{\mathbf{k}}-\alpha\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}

where α\alpha is a positive constant. If r=r0\mathbf{r}=\mathbf{r}_0 and drdt=v0\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}=\mathbf{v}_0 at time t=0t=0, find r(t)\mathbf{r}(t).

정답·풀이 보기

u(t)=eαtdrdt(t)\mathbf{u}(t)=e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t) 로 정의하자. 그러면

dudt(t)=αeαtdrdt(t)+eαtd2rdt2(t)=αeαtdrdt(t)−geαtk^−αeαtdrdt(t)=−geαtk^\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}\mathbf{u}}{\mathrm{d}t}(t)&=\alpha e^{\alpha t}\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t) +e^{\alpha t}\frac{d^2\mathbf{r}}{dt^2}(t)\\ &=\alpha e^{\alpha t}\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t) -ge^{\alpha t}\hat{\mathbf{k}} -\alpha e^{\alpha t}\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)\\ &=-ge^{\alpha t}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이 등식의 양변을 t=0t=0 에서 t=Tt=T 까지 적분하면

u(T)−u(0)=−geαT−1αk^\mathbf{u}(T)-\mathbf{u}(0)=-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}}

이므로

u(T)=u(0)−geαT−1αk^=drdt(0)−geαT−1αk^=v0−geαT−1αk^\mathbf{u}(T)=\mathbf{u}(0)-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} =\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(0)-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} =\mathbf{v}_0-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}}

이다. u(T)=eαtdrdt(T)\mathbf{u}(T)=e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(T) 를 대입하고 양변에 e−αTe^{-\alpha T} 를 곱하면

drdt(T)=e−αTv0−g1−e−αTαk^\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(T) =e^{-\alpha T}\mathbf{v}_0-g\frac{1-e^{-\alpha T}}{\alpha}\hat{\mathbf{k}}

이다. 이 등식의 양변을 T=0T=0 에서 T=tT=t 까지 적분하면

r(t)−r(0)=e−αt−1−αv0−gtαk^+ge−αt−1−α2k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)-\mathbf{r}(0) =\frac{e^{-\alpha t}-1}{-\alpha}\mathbf{v}_0-g\frac{ t}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} +g\frac{e^{-\alpha t}-1}{-\alpha^2}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이므로

r(t)=r0−e−αt−1αv0+g1−αt−e−αtα2k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)=\mathbf{r}_0-\frac{e^{-\alpha t}-1}{\alpha}\mathbf{v}_0 +g\frac{1-\alpha t-e^{-\alpha t}}{\alpha^2}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Define u(t)=eαtdrdt(t)\mathbf{u}(t)=e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t). Then

dudt(t)=αeαtdrdt(t)+eαtd2rdt2(t)=αeαtdrdt(t)−geαtk^−αeαtdrdt(t)=−geαtk^\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}\mathbf{u}}{\mathrm{d}t}(t)&=\alpha e^{\alpha t}\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t) +e^{\alpha t}\frac{d^2\mathbf{r}}{dt^2}(t)\\ &=\alpha e^{\alpha t}\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t) -ge^{\alpha t}\hat{\mathbf{k}} -\alpha e^{\alpha t}\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)\\ &=-ge^{\alpha t}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

Integrating both sides of this equation from t=0t=0 to t=Tt=T gives

u(T)−u(0)=−geαT−1αk^\mathbf{u}(T)-\mathbf{u}(0)=-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}}

so that

u(T)=u(0)−geαT−1αk^=drdt(0)−geαT−1αk^=v0−geαT−1αk^\mathbf{u}(T)=\mathbf{u}(0)-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} =\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(0)-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} =\mathbf{v}_0-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}}

Substituting in u(T)=eαtdrdt(T)\mathbf{u}(T)=e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(T) and multiplying through by e−αTe^{-\alpha T} gives

drdt(T)=e−αTv0−g1−e−αTαk^\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(T) =e^{-\alpha T}\mathbf{v}_0-g\frac{1-e^{-\alpha T}}{\alpha}\hat{\mathbf{k}}

Integrating both sides of this equation from T=0T=0 to T=tT=t gives

r(t)−r(0)=e−αt−1−αv0−gtαk^+ge−αt−1−α2k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)-\mathbf{r}(0) =\frac{e^{-\alpha t}-1}{-\alpha}\mathbf{v}_0-g\frac{ t}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} +g\frac{e^{-\alpha t}-1}{-\alpha^2}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

so that

r(t)=r0−e−αt−1αv0+g1−αt−e−αtα2k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)=\mathbf{r}_0-\frac{e^{-\alpha t}-1}{\alpha}\mathbf{v}_0 +g\frac{1-\alpha t-e^{-\alpha t}}{\alpha^2}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 25번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
125.CLP-4 · 1.4절 · 2번대학 수준우리말 번역

공식 dsdt(t)=∣v(t)∣=∣r′(t)∣\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|=|\mathbf{r}'(t)| 에서 ss 는 속력을 뜻하나요, 아니면 호의 길이를 뜻하나요?

영어 원문 보기

In the formula dsdt(t)=∣v(t)∣=∣r′(t)∣\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|=|\mathbf{r}'(t)| does ss stand for speed, or for arclength?

정답·풀이 보기

이 식에서 ss 는 호의 길이를 뜻한다.

tt 에서 t+ht+h 까지의 아주 작은 구간을 잡으면, 곡선이 직선으로 근사되므로 호의 길이의 변화량 s(t+h)−s(t)s(t+h)-s(t) 는 근사적으로 ∣r(t+h)−r(t)∣|\mathbf{r}(t+h)-\mathbf{r}(t)| 이다. 따라서 s(t+h)−s(t)h≈∣r(t+h)−r(t)∣h\frac{s(t+h)-s(t)}{h} \approx \frac{|\mathbf{r}(t+h)-\mathbf{r}(t)|}{h} 이고, 이로부터 dsdt=∣drdt∣=∣v(t)∣\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=|\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}|=|\mathbf{v}(t)| 를 얻는다.

속도의 크기는 속력이며, 이 교재에서는 보통 이것을 vv 로 나타낸다. 즉 v=∣v(t)∣v=|\mathbf{v}(t)| 이다. 이 때문에 ss 는 호의 길이를, vv 는 속력을 뜻한다는, 혼동하기 쉽지만 표준적인 관례가 생긴다.

원본 교재 풀이(영어)

In this equation, ss stands for arclength.

When we take a very small interval from tt to t+ht+h, the change in arclength s(t+h)−s(t)s(t+h)-s(t) is approximately ∣r(t+h)−r(t)∣|\mathbf{r}(t+h)-\mathbf{r}(t)|, because our curve is approximated by a straight line. So, s(t+h)−s(t)h≈∣r(t+h)−r(t)∣h\frac{s(t+h)-s(t)}{h} \approx \frac{|\mathbf{r}(t+h)-\mathbf{r}(t)|}{h}, leading to dsdt=∣drdt∣=∣v(t)∣\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=|\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}|=|\mathbf{v}(t)|.

The magnitude of velocity is speed; in this text we generally call this vv. That is, v=∣v(t)∣v=|\mathbf{v}(t)|. This leads to the potentially confusing (but standard) convention that ss stands for arclength, while vv stands for speed.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.4절 · 31번
# 단위접선·법선벡터활용기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
126.CLP-4 · 1.4절 · 31번대학 수준우리말 번역

두 언덕 사이의 경주 트랙이 매개변수 곡선

r(θ)=(4cos⁡θ , 2sin⁡θ , 14cos⁡(2θ)),0≤θ≤2π\mathbf{r}(\theta) = \Big(4 \cos\theta\,,\, 2\sin\theta\,,\, \tfrac{1}{4}\cos(2\theta)\Big),\qquad 0 \le \theta \le 2\pi

로 나타내어진다.

(a) 점 (−4,0,14)\big(-4, 0, \frac{1}{4}\big) 에서 트랙의 곡률을 구하세요. (b) 점 (−4,0,14)\big(-4, 0, \frac{1}{4}\big) 에서 굽은 부분을 가장 잘 근사하는 원의 반지름(즉, 그 점에서의 접촉원의 반지름)을 구하세요. (c) 자동차가 트랙을 따라 달리며, 시각 tt 에서의 위치가 r(t2)\mathbf{r}(t^2) 으로 주어진다. (tt 와 θ\theta 의 관계는 θ=t2\theta = t^2 임에 유의하세요.) 다음 양을 구하세요.

(i) 점 (−4,0,14)\big(-4, 0, \frac{1}{4}\big) 에서의 속력 (ii) 점 (−4,0,14)\big(-4, 0, \frac{1}{4}\big) 에서의 가속도 (iii) 점 (−4,0,14)\big(-4, 0, \frac{1}{4}\big) 에서 가속도의 법선 성분의 크기

영어 원문 보기

A race track between two hills is described by the parametric curve

r(θ)=(4cos⁡θ , 2sin⁡θ , 14cos⁡(2θ)),0≤θ≤2π\mathbf{r}(\theta) = \Big(4 \cos\theta\,,\, 2\sin\theta\,,\, \tfrac{1}{4}\cos(2\theta)\Big),\qquad 0 \le \theta \le 2\pi

(a) Compute the curvature of the track at the point (−4,0,14)\big(-4, 0, \frac{1}{4}\big). (b) Compute the radius of the circle that best approximates the bend at the point (−4,0,14)\big(-4, 0, \frac{1}{4}\big) (that is, the radius of the osculating circle at that point). (c) A car drives down the track so that its position at time tt is given by r(t2)\mathbf{r}(t^2). (Note the relationship between tt and θ\theta is θ=t2\theta = t^2). Compute the following quantities.

(i) The speed at the point (−4,0,14)\big(-4, 0, \frac{1}{4}\big). (ii) The acceleration at the point (−4,0,14)\big(-4, 0, \frac{1}{4}\big). (iii) The magnitude of the normal component of the acceleration at the point

(−4,0,14)\big(-4, 0, \frac{1}{4}\big).

정답·풀이 보기

(a) 주어진 곡선에서 r(π)=(−4,0,14)\mathbf{r}(\pi) = \big(-4,0,\frac{1}{4}\big) 이고

r(θ)=(4cos⁡θ , 2sin⁡θ , 14cos⁡(2θ))v(θ)=r′(θ)=(−4sin⁡θ , 2cos⁡θ , −12sin⁡(2θ))a(θ)=r′′(θ)=(−4cos⁡θ , −2sin⁡θ , −cos⁡(2θ))v(π)=(0 , −2 , 0)a(π)=(4 , 0 , −1)v(π)×a(π)=(2 , 0 , 8)\begin{aligned} \mathbf{r}(\theta) &= \Big(4 \cos\theta\,,\, 2\sin\theta\,,\, \frac{1}{4}\cos(2\theta)\Big) \\ \mathbf{v}(\theta)=\mathbf{r}'(\theta) &= \Big(-4 \sin\theta\,,\, 2\cos\theta\,,\, -\frac{1}{2}\sin(2\theta)\Big) \\ \mathbf{a}(\theta) = \mathbf{r}''(\theta) &= \Big(-4 \cos\theta\,,\, -2\sin\theta\,,\, -\cos(2\theta)\Big) \\ \mathbf{v}(\pi) &= \big(0\,,\, -2\,,\, 0\big) \\ \mathbf{a}(\pi) &= \big(4\,,\, 0\,,\, -1\big) \\ \mathbf{v}(\pi) \times \mathbf{a}(\pi) &= \big(2\,,\, 0\,,\, 8\big) \end{aligned}

따라서 θ=π\theta=\pi 에서의 곡률은

κ(π)=∣v(π)×a(π)∣∣v(π)∣3=∣(2,0,8)∣∣(0,−2,0)∣3=174\begin{aligned} \kappa (\pi)&=\frac{|\mathbf{v}(\pi) \times \mathbf{a}(\pi)|}{|\mathbf{v}(\pi)|^3} =\frac{|(2,0,8)|}{|(0,-2,0)|^3} =\frac{\sqrt{17}}{4} \end{aligned}

이다.

(b) 반지름은

1κ(π)=417\frac{1}{\kappa (\pi)} = \frac{4}{\sqrt{17}}

이다.

(c) R(t)=r(t2)\mathbf{R}(t) = \mathbf{r}(t^2) 이라 하면

R′(t)=2t r′(t2)R′′(t)=2 r′(t2)+4t2 r′′(t2)\begin{aligned} \mathbf{R}'(t)&=2t\,\mathbf{r}'(t^2) \\ \mathbf{R}''(t) &= 2\,\mathbf{r}'(t^2) +4t^2\,\mathbf{r}''(t^2) \end{aligned}

이다. 특히,

R(π)=(−4 , 0 , 14)R′(π)=2π v(π)=(0 , −4π , 0)속력=∣R′(π)∣=4π가속도=R′′(π)=2 v(π)+4π a(π)=(16π , −4 , −4π)\begin{aligned} \mathbf{R}(\sqrt{\pi}) &= \Big(-4\,,\, 0\,,\, \frac{1}{4}\Big) \\ \mathbf{R}'(\sqrt{\pi}) &= 2\sqrt{\pi}\,\mathbf{v}(\pi) =\big(0\,,\, -4\sqrt{\pi}\,,\, 0\big) \\ \text{속력} = \big|\mathbf{R}'(\sqrt{\pi})\big| &=4\sqrt{\pi} \\ \text{가속도}=\mathbf{R}''(\sqrt{\pi}) &= 2\,\mathbf{v}(\pi)+4\pi\,\mathbf{a}(\pi) = \big( 16\pi\,,\, -4\,,\, -4\pi\big) \end{aligned}

이다.

가속도의 법선 성분의 크기는

κ(dsdt)2=174(4π)2=417 π\begin{aligned} \kappa \Big(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\Big)^2 = \frac{\sqrt{17}}{4}\big(4\sqrt{\pi}\big)^2 =4\sqrt{17}\,\pi \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) For the specified curve r(π)=(−4,0,14)\mathbf{r}(\pi) = \big(-4,0,\frac{1}{4}\big) and

r(θ)=(4cos⁡θ , 2sin⁡θ , 14cos⁡(2θ))v(θ)=r′(θ)=(−4sin⁡θ , 2cos⁡θ , −12sin⁡(2θ))a(θ)=r′′(θ)=(−4cos⁡θ , −2sin⁡θ , −cos⁡(2θ))v(π)=(0 , −2 , 0)a(π)=(4 , 0 , −1)v(π)×a(π)=(2 , 0 , 8)\begin{aligned} \mathbf{r}(\theta) &= \Big(4 \cos\theta\,,\, 2\sin\theta\,,\, \frac{1}{4}\cos(2\theta)\Big) \\ \mathbf{v}(\theta)=\mathbf{r}'(\theta) &= \Big(-4 \sin\theta\,,\, 2\cos\theta\,,\, -\frac{1}{2}\sin(2\theta)\Big) \\ \mathbf{a}(\theta) = \mathbf{r}''(\theta) &= \Big(-4 \cos\theta\,,\, -2\sin\theta\,,\, -\cos(2\theta)\Big) \\ \mathbf{v}(\pi) &= \big(0\,,\, -2\,,\, 0\big) \\ \mathbf{a}(\pi) &= \big(4\,,\, 0\,,\, -1\big) \\ \mathbf{v}(\pi) \times \mathbf{a}(\pi) &= \big(2\,,\, 0\,,\, 8\big) \end{aligned}

So the curvature at θ=π\theta=\pi is

κ(π)=∣v(π)×a(π)∣∣v(π)∣3=∣(2,0,8)∣∣(0,−2,0)∣3=174\begin{aligned} \kappa (\pi)&=\frac{|\mathbf{v}(\pi) \times \mathbf{a}(\pi)|}{|\mathbf{v}(\pi)|^3} =\frac{|(2,0,8)|}{|(0,-2,0)|^3} =\frac{\sqrt{17}}{4} \end{aligned}

(b) The radius is

1κ(π)=417\frac{1}{\kappa (\pi)} = \frac{4}{\sqrt{17}}

(c) Set R(t)=r(t2)\mathbf{R}(t) = \mathbf{r}(t^2). Then

R′(t)=2t r′(t2)R′′(t)=2 r′(t2)+4t2 r′′(t2)\begin{aligned} \mathbf{R}'(t)&=2t\,\mathbf{r}'(t^2) \\ \mathbf{R}''(t) &= 2\,\mathbf{r}'(t^2) +4t^2\,\mathbf{r}''(t^2) \end{aligned}

In particular,

R(π)=(−4 , 0 , 14)R′(π)=2π v(π)=(0 , −4π , 0)speed=∣R′(π)∣=4πacceleration=R′′(π)=2 v(π)+4π a(π)=(16π , −4 , −4π)\begin{aligned} \mathbf{R}(\sqrt{\pi}) &= \Big(-4\,,\, 0\,,\, \frac{1}{4}\Big) \\ \mathbf{R}'(\sqrt{\pi}) &= 2\sqrt{\pi}\,\mathbf{v}(\pi) =\big(0\,,\, -4\sqrt{\pi}\,,\, 0\big) \\ \text{speed} = \big|\mathbf{R}'(\sqrt{\pi})\big| &=4\sqrt{\pi} \\ \text{acceleration}=\mathbf{R}''(\sqrt{\pi}) &= 2\,\mathbf{v}(\pi)+4\pi\,\mathbf{a}(\pi) = \big( 16\pi\,,\, -4\,,\, -4\pi\big) \end{aligned}

The normal component of the acceleration has magnitude

κ(dsdt)2=174(4π)2=417 π\begin{aligned} \kappa \Big(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\Big)^2 = \frac{\sqrt{17}}{4}\big(4\sqrt{\pi}\big)^2 =4\sqrt{17}\,\pi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 11.4절 · 4번
# 단위접선·법선벡터활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
127.CLP-4 · 1.7절 · 6번대학 수준우리말 번역

스케이트보더가 반지름이 5 m 인 마찰이 없는 원형 배수로 안에서 굴러가고 있습니다. 스케이트보더가 배수로를 한 바퀴 완전히 돌려면, 배수로의 맨 아래(y=0y=0)에서 속력이 얼마여야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

A skateboarder is rolling on a frictionless circular culvert of radius 5 m. What should their speed be when they're at the bottom of the culvert (y=0y=0) for them to make it all the way around?

정답·풀이 보기

교재에서, 스케이트보더가 한 바퀴 완전히 돌 조건은 52(5)≤Emg\frac{5}{2}(5) \le\frac{E}{mg} 이다. 에너지 EE 는 계의 운동 에너지와 위치 에너지의 합인 E=12m∣v∣2+mgyE=\frac12m|\mathbf{v}|^2+mgy 로 주어진다. y=0y=0 일 때 에너지는 모두 운동 에너지이므로 E=12m∣v∣2E=\frac12m|\mathbf{v}|^2 이다. 여기서 ∣v∣|\mathbf{v}| 는 배수로의 맨 아래에서 스케이트보더의 속도이다.

따라서 다음을 푼다:

252≤Emg=12m∣v∣2m⋅9.8∣v∣≥59.8\begin{aligned} \frac{25}{2}&\le\frac{E}{mg}=\frac{\frac12m|\mathbf{v}|^2}{m\cdot9.8}\\ |\mathbf{v}|&\ge5\sqrt{9.8} \end{aligned}

따라서 59.85\sqrt{9.8} m/s 이상의 속력이 필요하다. (이는 약 56 km/h 이다.)

원본 교재 풀이(영어)

From the text, the skateboarder will make it all the way around when 52(5)≤Emg\frac{5}{2}(5) \le\frac{E}{mg}. Energy EE is given by E=12m∣v∣2+mgyE=\frac12m|\mathbf{v}|^2+mgy, the sum of the kinetic and potential energy of the system. At y=0y=0, all the energy is kinetic, so E=12m∣v∣2E=\frac12m|\mathbf{v}|^2, where ∣v∣|\mathbf{v}| is the skater's velocity at the bottom of the culvert.

So, we solve:

252≤Emg=12m∣v∣2m⋅9.8∣v∣≥59.8\begin{aligned} \frac{25}{2}&\le\frac{E}{mg}=\frac{\frac12m|\mathbf{v}|^2}{m\cdot9.8}\\ |\mathbf{v}|&\ge5\sqrt{9.8} \end{aligned}

So, a speed of 59.85\sqrt{9.8} m/s or higher is needed. (That's about 56 kph.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 5번
# 공간에서의 운동활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)