유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
127문제 · 7 / 7쪽
121.CLP-4 · 1.1절 · 27번대학 수준우리말 번역
C 를 곡면 y=x2 과 z=32x3 의 교선이 만드는 곡선이라 하자.
한 입자가 dtdx>0 이고 일정한 속력으로 C 를 따라 움직인다.
이 입자는 시각 t=0 에 (0,0,0) 에 있고, 시각
t=27 에 (3,9,18) 에 있다.
(a) C 에서 (0,0,0) 과 (3,9,18) 사이 부분의 길이를 구하세요.
(b) 입자의 일정한 속력을 구하세요.
(c) 입자가 (1,1,32) 에 있을 때 입자의 속도를 구하세요.
(d) 입자가 (1,1,32) 에 있을 때 입자의 가속도를 구하세요.
영어 원문 보기
Let C be the curve of intersection of
the surfaces y=x2 and z=32x3.
A particle moves along C with constant speed such that dtdx>0.
The particle is at (0,0,0) at time t=0 and is at (3,9,18) at time
t=27.
(a) Find the length of the part of C between (0,0,0) and (3,9,18).
(b) Find the constant speed of the particle.
(c) Find the velocity of the particle when it is at (1,1,32).
(d) Find the acceleration of the particle when it is at (1,1,32).
(b) 입자는 27 시간 단위 동안 21 단위의 거리를 이동했다. 따라서 속력은 7/221=6 이다.
(c) 시각 t 에서 입자의 위치를 R(t) 라 하자.
그러면
R(t)=r(x(t))⟹R′(t)=r′(x(t))dtdx
(a), (b)와 합성함수의 미분법에 의해
6=dtds=dxdsdtdx=(1+2x2)dtdx⟹dtdx=1+2x26
특히, 입자가 (1,1,32) 에 있는 때는 x=1 일 때이다.
이때 dtdx=1+2×16=2 이고
R′=r′(1)dtdx=(^+2^+2k^)2=2^+4^+4k^
(d) 곱의 미분법과 합성함수의 미분법에 의해
R′(t)=r′(x(t))dtdx⟹R′′(t)=r′′(x(t))(dtdx)2+r′(x(t))dt2d2x6=(1+2x(t)2)dtdx(t) 의 양변에 dtd 를 적용하면
0=4x(dtdx)2+(1+2x2)dt2d2x
특히, x=1 이고 dtdx=2 일 때,
0=4×1(2)2+(3)dt2d2x 에서
dt2d2x=−316 이고
R′′=(2^+4k^)(2)2−(^+2^+2k^)316=−38(2^+^−2k^)
and
∫Cds=∫03dxdsdx=∫03(1+2x2)dx=[x+32x3]03=21
(b) The particle travelled a distance of 21 units in 27
time units. This corresponds to a speed of 7/221=6.
(c) Denote by R(t) the position of the particle at time t.
Then
R(t)=r(x(t))⟹R′(t)=r′(x(t))dtdx
By parts (a) and (b) and the chain rule
6=dtds=dxdsdtdx=(1+2x2)dtdx⟹dtdx=1+2x26
In particular, the particle is at (1,1,32) at x=1.
At this time dtdx=1+2×16=2 and
R′=r′(1)dtdx=(^+2^+2k^)2=2^+4^+4k^
(d) By the product and chain rules,
R′(t)=r′(x(t))dtdx⟹R′′(t)=r′′(x(t))(dtdx)2+r′(x(t))dt2d2x
Applying dtd to 6=(1+2x(t)2)dtdx(t) gives
0=4x(dtdx)2+(1+2x2)dt2d2x
In particular, when x=1 and dtdx=2,
0=4×1(2)2+(3)dt2d2x gives
dt2d2x=−316 and
R′′=(2^+4k^)(2)2−(^+2^+2k^)316=−38(2^+^−2k^)
기둥에 설치된 카메라는 한 바퀴 전체를 돌 수 있다. 이 카메라가 한 물체를 추적하고 있는데, 시각 t초에서 그 물체의 위치는 기둥으로부터 동쪽으로 x(t) 미터, 북쪽으로 y(t) 미터이다.
카메라가 항상 물체를 똑바로 향하려면, 시각 t에서 카메라가 얼마나 빠르게 회전하도록 프로그램해야 하는지 구하세요. (답은 x(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 t seconds is x(t) metres east of the pole, and 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 t? (Give your answer in terms of x(t) and y(t) and their derivatives, in the units rad/sec.)
정답·풀이 보기
이 문제는 이미 카메라를 원점으로 하는 xy평면으로 설정되어 있으므로, 카메라가 향하는 방향의 벡터는 (x(t),y(t))이다. θ를 카메라가 양의 x축(정동쪽)과 이루는 각이라 하자. 카메라, 물체, 정동쪽 방향(양의 x축)은 직각삼각형을 이룬다.
The question is already set up as an xy-plane, with the camera at the origin, so the vector in the direction the camera is pointing is (x(t),y(t)). Let θ be the angle the camera makes with the positive x-axis (due east). The camera, the object, and the due-east direction (positive x-axis) make a right triangle.
tanθDifferentiating implicitly with respect to t:sec2θdtdθdtdθ=xy=x2xy′−yx′=cos2θ(x2xy′−yx′)=(x2+y2x)2(x2xy′−yx′)=x2+y2xy′−yx′
반지름이 3이고 길이가 60인 관의 겉넓이는 60(2π⋅3)=360π이고,
부피는 60(π⋅32)=540π이다.
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, L.
공식
dtds(t)=∣v(t)∣=∣r′(t)∣
에서 s 는 속력을 뜻하나요, 아니면 호의 길이를 뜻하나요?
영어 원문 보기
In the formula
dtds(t)=∣v(t)∣=∣r′(t)∣
does s stand for speed, or for arclength?
정답·풀이 보기
이 식에서 s 는 호의 길이를 뜻한다.
t 에서 t+h 까지의 아주 작은 구간을 잡으면, 곡선이 직선으로 근사되므로 호의 길이의 변화량 s(t+h)−s(t) 는 근사적으로 ∣r(t+h)−r(t)∣ 이다. 따라서 hs(t+h)−s(t)≈h∣r(t+h)−r(t)∣ 이고, 이로부터 dtds=∣dtdr∣=∣v(t)∣ 를 얻는다.
속도의 크기는 속력이며, 이 교재에서는 보통 이것을 v 로 나타낸다. 즉 v=∣v(t)∣ 이다. 이 때문에 s 는 호의 길이를, v 는 속력을 뜻한다는, 혼동하기 쉽지만 표준적인 관례가 생긴다.
원본 교재 풀이(영어)
In this equation, s stands for arclength.
When we take a very small interval from t to t+h, the change in arclength s(t+h)−s(t) is approximately ∣r(t+h)−r(t)∣, because our curve is approximated by a straight line. So, hs(t+h)−s(t)≈h∣r(t+h)−r(t)∣, leading to dtds=∣dtdr∣=∣v(t)∣.
The magnitude of velocity is speed; in this text we generally call this v. That is, v=∣v(t)∣. This leads to the potentially confusing (but standard) convention that s stands for arclength, while v stands for speed.
(a) 점 (−4,0,41) 에서 트랙의 곡률을 구하세요.
(b) 점 (−4,0,41) 에서 굽은 부분을 가장 잘 근사하는 원의 반지름(즉, 그 점에서의 접촉원의 반지름)을 구하세요.
(c) 자동차가 트랙을 따라 달리며, 시각 t 에서의 위치가 r(t2) 으로 주어진다. (t 와 θ 의 관계는 θ=t2 임에 유의하세요.) 다음 양을 구하세요.
(i) 점 (−4,0,41) 에서의 속력
(ii) 점 (−4,0,41) 에서의 가속도
(iii) 점 (−4,0,41) 에서 가속도의 법선 성분의 크기
영어 원문 보기
A race track between two hills is described by the parametric curve
r(θ)=(4cosθ,2sinθ,41cos(2θ)),0≤θ≤2π
(a) Compute the curvature of the track at the point (−4,0,41).
(b) Compute the radius of the circle that best approximates the bend at the
point
(−4,0,41) (that is, the radius of the
osculating circle at that point).
(c) A car drives down the track so that its position at time t is given by
r(t2). (Note the relationship between t and θ is θ=t2).
Compute the following quantities.
(i) The speed at the point (−4,0,41).
(ii) The acceleration at the point (−4,0,41).
(iii) The magnitude of the normal component of the acceleration at the point
스케이트보더가 반지름이 5 m 인 마찰이 없는 원형 배수로 안에서 굴러가고 있습니다. 스케이트보더가 배수로를 한 바퀴 완전히 돌려면, 배수로의 맨 아래(y=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=0) for them to make it all the way around?
정답·풀이 보기
교재에서, 스케이트보더가 한 바퀴 완전히 돌 조건은 25(5)≤mgE 이다. 에너지 E 는 계의 운동 에너지와 위치 에너지의 합인 E=21m∣v∣2+mgy 로 주어진다. y=0 일 때 에너지는 모두 운동 에너지이므로 E=21m∣v∣2 이다. 여기서 ∣v∣ 는 배수로의 맨 아래에서 스케이트보더의 속도이다.
따라서 다음을 푼다:
225∣v∣≤mgE=m⋅9.821m∣v∣2≥59.8
따라서 59.8 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 25(5)≤mgE. Energy E is given by E=21m∣v∣2+mgy, the sum of the kinetic and potential energy of the system. At y=0, all the energy is kinetic, so E=21m∣v∣2, where ∣v∣ is the skater's velocity at the bottom of the culvert.
So, we solve:
225∣v∣≤mgE=m⋅9.821m∣v∣2≥59.8
So, a speed of 59.8 m/s or higher is needed. (That's about 56 kph.)