문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터와 공간

공간에서의 운동

위치벡터로 속도·가속도를 구하고 포물체 운동, 접선·법선 가속도를 다룬다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

17문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 3권 · 3.4절 · 19번대학 수준우리말 번역

발사체는 어느 시각에 최고 높이에 도달합니까?

영어 원문 보기

At what time does the projectile reach maximum height?

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초
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44.185 sec

원본 교재 풀이(영어)

44.185 sec

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 21번
# 공간에서의 운동계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.OpenStax 3권 · 3.4절 · 20번대학 수준우리말 번역

발사체의 최고 높이는 대략 얼마입니까?

영어 원문 보기

What is the approximate maximum height of the projectile?

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 11.3절 · 3번
# 공간에서의 운동계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.OpenStax 3권 · 3.4절 · 21번대학 수준우리말 번역

발사체의 최대 도달 거리는 어느 시각에 얻어집니까?

영어 원문 보기

At what time is the maximum range of the projectile attained?

답 쓰고 채점
초
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t=88.37t=88.37 sec

원본 교재 풀이(영어)

t=88.37t=88.37 sec

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 31번
# 공간에서의 운동계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.OpenStax 3권 · 3.4절 · 23번대학 수준우리말 번역

발사체의 총 비행 시간은 얼마입니까?

영어 원문 보기

What is the total flight time of the projectile?

답 쓰고 채점
초
정답·풀이 보기
# 공간에서의 운동계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.OpenStax 3권 · 3.4절 · 26번대학 수준우리말 번역

골프공이 높이 100 ft 인 건물 옥상 가장자리에서 수평 방향으로 쳐진다. 공이 450 ft 떨어진 곳에 떨어지려면 공을 얼마나 빠르게 쳐야 합니까?

영어 원문 보기

A golf ball is hit in a horizontal direction off the top edge of a building that is 100 ft tall. How fast must the ball be launched to land 450 ft away?

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 1번
# 공간에서의 운동계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.OpenStax 3권 · 3.4절 · 40번대학 수준우리말 번역

a(t)=i+etj,\text{a}(t)=\text{i}+{e}^{t}\text{j}, v(0)=2j,\text{v}(0)=2\text{j}, r(0)=2i\text{r}(0)=2\text{i} 일 때, 위치 벡터값 함수 r(t)\text{r}(t) 를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the position vector-valued function r(t),\text{r}(t), given that a(t)=i+etj,\text{a}(t)=\text{i}+{e}^{t}\text{j}, v(0)=2j,\text{v}(0)=2\text{j}, and r(0)=2i.\text{r}(0)=2\text{i}.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 47번
# 공간에서의 운동계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.OpenStax 3권 · 3.4절 · 42번대학 수준우리말 번역

무게가 2700 lb 인 자동차가 평평한 도로에서 56 ft/sec 의 속력으로 달리며 방향을 꺾는다. 회전 반지름이 70 ft 일 때, 자동차가 미끄러지지 않도록 하는 데 필요한 마찰력은 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

An automobile that weighs 2700 lb makes a turn on a flat road while traveling at 56 ft/sec. If the radius of the turn is 70 ft, what is the required frictional force to keep the car from skidding?

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 11.3절 · 3번
# 공간에서의 운동계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.OpenStax 3권 · 3.4절 · 44번대학 수준우리말 번역

a=39.5a=39.5 천문단위(A.U.)일 때, 왜행성인 명왕성이 태양 둘레를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간을 년 단위로 구하세요.

영어 원문 보기

Find the time in years it takes the dwarf planet Pluto to make one orbit about the Sun given that a=39.5a=39.5 A.U.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 1번
# 공간에서의 운동계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.APEX · 11.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

연습문제 7–10에서 위치 함수 r⃗(t)\vec r(t) 가 주어져 있습니다. v⃗(t)\vec v(t) 와 a⃗(t)\vec a(t) 를 구하세요.

r⃗(t)=⟨2t+1,5t−2,7⟩\vec r(t) = \left\langle 2t+1, 5t-2, 7\right\rangle

영어 원문 보기

In Exercises 7–10 , a position function r⃗(t)\vec r(t) is given. Find v⃗(t)\vec v(t) and a⃗(t)\vec a(t).

r⃗(t)=⟨2t+1,5t−2,7⟩\vec r(t) = \left\langle 2t+1, 5t-2, 7\right\rangle

정답·풀이 보기

v⃗(t)=⟨2,5,0⟩\vec v(t) = \left\langle 2,5,0\right\rangle , a⃗(t)=⟨0,0,0⟩\vec a(t) = \left\langle 0,0,0\right\rangle

원본 교재 풀이(영어)

v⃗(t)=⟨2,5,0⟩\vec v(t) = \left\langle 2,5,0\right\rangle , a⃗(t)=⟨0,0,0⟩\vec a(t) = \left\langle 0,0,0\right\rangle

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 9번
# 공간에서의 운동계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.APEX · 11.3절 · 8번대학 수준우리말 번역

연습문제 7–10에서 위치 함수 r⃗(t)\vec r(t) 가 주어져 있습니다. v⃗(t)\vec v(t) 와 a⃗(t)\vec a(t) 를 구하세요.

r⃗(t)=⟨3t2−2t+1,−t2+t+14⟩\vec r(t) = \left\langle 3t^2-2t+1, -t^2+t+14\right\rangle

영어 원문 보기

In Exercises 7–10 , a position function r⃗(t)\vec r(t) is given. Find v⃗(t)\vec v(t) and a⃗(t)\vec a(t).

r⃗(t)=⟨3t2−2t+1,−t2+t+14⟩\vec r(t) = \left\langle 3t^2-2t+1, -t^2+t+14\right\rangle

정답·풀이 보기

v⃗(t)=⟨6t−2,−2t+1⟩\vec v(t) = \left\langle 6t-2,-2t+1\right\rangle , a⃗(t)=⟨6,−2⟩\vec a(t) = \left\langle 6,-2 \right\rangle

원본 교재 풀이(영어)

v⃗(t)=⟨6t−2,−2t+1⟩\vec v(t) = \left\langle 6t-2,-2t+1\right\rangle , a⃗(t)=⟨6,−2⟩\vec a(t) = \left\langle 6,-2 \right\rangle

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 6번
# 공간에서의 운동계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
11.APEX · 11.3절 · 9번대학 수준우리말 번역

연습문제 7–10에서 위치 함수 r⃗(t)\vec r(t) 가 주어져 있습니다. v⃗(t)\vec v(t) 와 a⃗(t)\vec a(t) 를 구하세요.

r⃗(t)=⟨cos⁡t,sin⁡t⟩\vec r(t) = \left\langle \cos t,\sin t\right\rangle

영어 원문 보기

In Exercises 7–10 , a position function r⃗(t)\vec r(t) is given. Find v⃗(t)\vec v(t) and a⃗(t)\vec a(t).

r⃗(t)=⟨cos⁡t,sin⁡t⟩\vec r(t) = \left\langle \cos t,\sin t\right\rangle

정답·풀이 보기

v⃗(t)=⟨−sin⁡t,cos⁡t⟩\vec v(t) = \left\langle -\sin t, \cos t\right\rangle , a⃗(t)=⟨−cos⁡t,−sin⁡t⟩\vec a(t) = \left\langle -\cos t, -\sin t \right\rangle

원본 교재 풀이(영어)

v⃗(t)=⟨−sin⁡t,cos⁡t⟩\vec v(t) = \left\langle -\sin t, \cos t\right\rangle , a⃗(t)=⟨−cos⁡t,−sin⁡t⟩\vec a(t) = \left\langle -\cos t, -\sin t \right\rangle

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 11.3절 · 2번
# 공간에서의 운동계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
12.APEX · 11.3절 · 10번대학 수준우리말 번역

연습문제 7–10에서 위치 함수 r⃗(t)\vec r(t) 가 주어져 있습니다. v⃗(t)\vec v(t) 와 a⃗(t)\vec a(t) 를 구하세요.

r⃗(t)=⟨t/10,−cos⁡t,sin⁡t⟩\vec r(t) = \left\langle t/10,-\cos t,\sin t\right\rangle

영어 원문 보기

In Exercises 7–10 , a position function r⃗(t)\vec r(t) is given. Find v⃗(t)\vec v(t) and a⃗(t)\vec a(t).

r⃗(t)=⟨t/10,−cos⁡t,sin⁡t⟩\vec r(t) = \left\langle t/10,-\cos t,\sin t\right\rangle

정답·풀이 보기

v⃗(t)=⟨1/10,sin⁡t,cos⁡t⟩\vec v(t) = \left\langle 1/10, \sin t, \cos t\right\rangle , a⃗(t)=⟨0,cos⁡t,−sin⁡t⟩\vec a(t) = \left\langle 0,\cos t, -\sin t \right\rangle

원본 교재 풀이(영어)

v⃗(t)=⟨1/10,sin⁡t,cos⁡t⟩\vec v(t) = \left\langle 1/10, \sin t, \cos t\right\rangle , a⃗(t)=⟨0,cos⁡t,−sin⁡t⟩\vec a(t) = \left\langle 0,\cos t, -\sin t \right\rangle

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 47번
# 공간에서의 운동계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
13.APEX · 11.3절 · 39번대학 수준우리말 번역

연습문제 37–42는 투사체 운동의 원리를 바탕으로 한 여러 문제를 풀도록 합니다.

한 사냥꾼이 40야드 떨어진 사슴을 겨냥한다. 그녀의 석궁은 높이 5ft에 있고, 그녀는 사슴의 지면으로부터 4ft 높이에 있는 지점을 겨냥한다. 석궁은 화살을 300ft/s로 발사한다.

(a) 목표물을 맞히려면 석궁을 어느 정도의 올려보는 각(앙각)으로 들어야 하나요? (b) 사슴이 그녀의 시선에 수직인 방향으로 시속 20mph로 움직이고 있다면, 원하는 위치를 맞히기 위해 사슴보다 대략 얼마나 앞쪽을 겨냥해야 하나요?

영어 원문 보기

Exercises 37–42 ask you to solve a variety of problems based on the principles of projectile motion.

A hunter aims at a deer which is 40 yards away. Her crossbow is at a height of 5ft, and she aims for a spot on the deer 4ft above the ground. The crossbow fires her arrows at 300ft/s.

(a) At what angle of elevation should she hold the crossbow to hit her target? (b) If the deer is moving perpendicularly to her line of sight at a rate of 20mph, by approximately how much should she lead the deer in order to hit it in the desired location?

정답·풀이 보기

(a) 석궁을 0.0130.013 라디안, 즉 ≈0.745∘\approx 0.745^\circ 의 각으로 들면 0.40.4초 후에 목표물을 맞힌다. (각이 89∘89^\circ 이고 18.7518.75초 후에 떨어지는 다른 해도 있지만, 현실적이지 않다.) (b) 화살이 날아가는 .4초 동안 20mph, 즉 29.33ft/s로 움직이는 사슴은 11.7ft를 이동할 수 있다. 따라서 사슴보다 11.7ft 앞쪽을 겨냥해야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Holding the crossbow at an angle of 0.0130.013 radians, ≈0.745∘\approx 0.745^\circ will hit the target 0.40.4s later. (Another solution exists, with an angle of 89∘89^\circ, landing 18.7518.75s later, but this is impractical.) (b) In the .4 seconds the arrow travels, a deer, traveling at 20mph or 29.33ft/s, can travel 11.7ft. So she needs to lead the deer by 11.7ft.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 23번
# 공간에서의 운동계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
14.APEX · 11.3절 · 41번대학 수준우리말 번역

연습문제 37–42는 포물체 운동의 원리를 바탕으로 한 여러 문제를 풀도록 합니다.

세스나 비행기가 1000ft 높이에서 150mph 로 날다가, 섬에 있는 교수(와 그의 아내)에게 보급품 상자를 떨어뜨립니다. 공기 저항을 무시할 때, 보급품은 땅에 닿기 전까지 수평으로 얼마나 멀리 이동하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Exercises 37–42 ask you to solve a variety of problems based on the principles of projectile motion.

A Cessna flies at 1000ft at 150mph and drops a box of supplies to the professor (and his wife) on an island. Ignoring wind resistance, how far horizontally will the supplies travel before they land?

정답·풀이 보기

위치 함수는 r⃗(t)=⟨220t,−16t2+1000⟩\vec r(t) = \left\langle 220t,-16t^2+1000\right\rangle 이다. yy 성분은 t=7.9t=7.9 일 때 0이고, r⃗(7.9)=⟨1739.25,0⟩\vec r(7.9) = \left\langle 1739.25,0\right\rangle 이므로 상자는 땅에 닿기 전까지 수평으로 약 1740ft 이동한다.

원본 교재 풀이(영어)

The position function is r⃗(t)=⟨220t,−16t2+1000⟩\vec r(t) = \left\langle 220t,-16t^2+1000\right\rangle . The yy-component is 0 when t=7.9t=7.9; r⃗(7.9)=⟨1739.25,0⟩\vec r(7.9) = \left\langle 1739.25,0\right\rangle , meaning the box will travel about 1740ft horizontally before it lands.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 25번
# 공간에서의 운동계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
15.CLP-4 · 1.7절 · 2번대학 수준우리말 번역

E=12m∣v∣2+mgyE=\frac12m|\mathbf{v}|^2+mgy 의 정의에서 v\mathbf{v} 는 위치를 어떤 양에 대해 미분한 도함수입니까?

영어 원문 보기

In the definition E=12m∣v∣2+mgyE=\frac12m|\mathbf{v}|^2+mgy, v\mathbf{v} is the derivative of position with respect to what quantity?

정답·풀이 보기

이 식은 F=ma\mathbf{F}=m\mathbf{a} 에서 나온 것이다. 이 식에서 a\mathbf{a} 는 가속도로, 위치를 시간에 대해 두 번 미분한 것이다. 따라서 v\mathbf{v} 는 위치를 시간에 대해 미분한 도함수이다.

앞에서는 v\mathbf{v} 를 위치를 정의하는 데 쓰는 매개변수에 대한 위치의 도함수로 사용했다. 그 매개변수는 흔히 tt 라고 불렀지만 반드시 시간인 것은 아니었다. 그러므로 이 점은 잘 구별해 두어야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

This equation stems from F=ma\mathbf{F}=m\mathbf{a}. In that equation, a\mathbf{a} is acceleration — the second derivative of position with respect to time. So, v\mathbf{v} is the derivative of position with respect to time.

We previously used v\mathbf{v} as the derivative of position with respect to the parameter we use to define our position — which was often called tt, but was not the necessarily time. So this is a good point to keep straight.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 1번
# 공간에서의 운동계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
16.CLP-4 · 1.7절 · 5번대학 수준우리말 번역

질량이 100 kg인 스케이트보더가 반지름이 5 m인 마찰이 없는 원형 배수로 안에서 자유롭게 굴러가고 있습니다. 스케이트보더가 수직 높이 0 m와 3 m 사이를 왕복한다면, 이 계의 에너지 EE 는 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

A skateboarder of mass 100 kg is freely rolling in a frictionless circular culvert of radius 5 m. If the skateboarder oscillates between vertical heights of 0 and 3 m, what is the energy EE of the system?

답 쓰고 채점
J
정답·풀이 보기

스케이트보더는 yS=Emgy_S=\frac{E}{mg} 에서 다시 내려가기 시작하므로, 3 m=E100kg⋅9.8 ms23\textrm{ m}=\frac{E}{100 \mathrm{ kg} \cdot 9.8~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}} 을 풀어 E=2940 kg⋅m2s2=2940JE=2940 ~\frac{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2}=2940 J 를 얻는다.

참고: 스케이트보더가 배수로를 끝까지 한 바퀴 돌지 않으려면 지름이 3m보다 커야 했지만, r=5r=5 를 택하든 예를 들어 r=50r=50 을 택하든 답은 달라지지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

The skateboarder starts going back down at yS=Emgy_S=\frac{E}{mg}, so we solve 3 m=E100kg⋅9.8 ms23\textrm{ m}=\frac{E}{100 \mathrm{ kg} \cdot 9.8~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}} to find E=2940 kg⋅m2s2=2940JE=2940 ~\frac{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2}=2940 J

Remark: we needed the diameter to be greater than 3m for the skateboarder to not be going all the way around the culvert, but choosing r=5r=5 leads to an answer no different from, say, r=50r=50.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 13번
# 공간에서의 운동계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
17.CLP-4 · 1.7절 · 9번대학 수준우리말 번역

스키 선수가 언덕을 미끄러져 내려가고 있습니다. 이 언덕은 r(t)=(ln⁡t,1−t)\mathbf{r}(t)=(\ln t, 1-t), 1/e≤t≤e1/e \le t \le e 로 나타낼 수 있고, 좌표는 킬로미터 단위로 잰 값입니다. 스키 선수가 공중으로 떠오르려면 얼마나 빠르게 움직여야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

A skier is gliding down a hill. The hill can be described as r(t)=(ln⁡t,1−t)\mathbf{r}(t)=(\ln t, 1-t), 1/e≤t≤e1/e \le t \le e, with coordinates measured in kilometres. How fast would the skier have to be moving in order to catch air?

정답·풀이 보기

교재의 식에 따르면 스키 선수는 다음일 때 공중에 뜬다. ∣v∣>gκ∣ȷ^⋅N^∣|\mathbf{v}|>\sqrt{\frac{g}{\kappa}|\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}|} 곡선의 방정식을 이용하여 κ\kappa 와 N^\hat{\mathbf{N}} 을 구한다.

gg 는 미터와 초 단위로 주어졌지만 다른 양은 킬로미터와 시간 단위임에 유의한다. 단위를 바꾸면, 9.89.8 m/s2^2 은 (9.8 m1 s2)(1 km1000 m)(3600 s1 시간)2=98⋅64 kmh2=25⋅34⋅72 kmh2\left(\frac{9.8\text{ m}}{1 \text{ s}^2}\right)\left( \frac{1 \text{ km}}{1000 \text{ m}}\right)\left(\frac{3600 \text{ s}}{1 \text{ 시간}} \right)^2=98\cdot 6^4~ \frac{\text{km}}{\text{h}^2}=2^5\cdot 3^4\cdot 7^2~ \frac{\text{km}}{\text{h}^2} 과 같다.

r(t)=(ln⁡t,1−t)r′(t)=v(t)=(t−1,−1)dsdt=∣v(t)∣=1+t−2r′′(t)=a(t)=(−t−2,0)κ(t)=∣v×a∣(dsdt)3=t−21+t−23=∣t∣(1+t2)3/2=t(1+t2)3/2주어진 구간에서 t 는 양수임에 유의한다.T^(t)=v(t)∣v(t)∣=11+t−2(t−1,−1)=(11+t2,−t1+t2)T^′(t)=(−t(1+t2)3/2,−1(1+t2)3/2)∣T^′(t)∣=1t2+1N^(t)=T^′(t)∣T^′(t)∣=(−t1+t2,−11+t2)∣N^⋅ȷ^∣=11+t2\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=(\ln t,1-t)\\ \mathbf{r}'(t)&=\mathbf{v}(t)=(t^{-1}, -1)\qquad\qquad \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=|\mathbf{v}(t)|=\sqrt{1+t^{-2}}\\ \mathbf{r}''(t)&=\mathbf{a}(t)=(-t^{-2},0)\\ \kappa (t)&=\frac{|\mathbf{v} \times \mathbf{a}|}{\left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^{3}}=\frac{t^{-2}}{\sqrt{1+t^{-2}}^3}=\frac{|t|}{(1+t^{2})^{3/2}}=\frac{t}{(1+t^{2})^{3/2}} \\ \text{주어진 구간에서 $t$ 는 양수임에 유의한다.} \\ \hat{\mathbf{T}}(t)&=\frac{\mathbf{v}(t)}{|\mathbf{v}(t)|}=\frac{1}{\sqrt{1+t^{-2}}}(t^{-1},-1)=\left( \frac{1}{\sqrt{1+t^{2}}},\frac{-t}{\sqrt{1+t^{2}}}\right)\\ \hat{\mathbf{T}}'(t)&= \left( \frac{-t}{({1+t^2})^{3/2}},\frac{-1}{({1+t^2})^{3/2}}\right)\qquad\qquad |\hat{\mathbf{T}}'(t)|=\frac{1}{t^2+1}\\ \hat{\mathbf{N}}(t)&=\frac{\hat{\mathbf{T}}'(t)}{|\hat{\mathbf{T}}'(t)|}=\left( \frac{-t}{\sqrt{1+t^2}},\frac{-1}{\sqrt{1+t^2}}\right)\\ |\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}|&=\frac{1}{\sqrt{1+t^2}} \end{aligned}

이제 지면의 “탈출 속도”를 구하는 데 필요한 값을 모두 얻었다.

∣v∣=gκ∣N^⋅ȷ^∣=g⋅(1+t2)3/2t(1+t2)1/2=g(1+t2)t\begin{aligned} |\mathbf{v}|&=\sqrt{\frac{g}{\kappa}|\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}|}=\sqrt{\frac{g\cdot (1+t^{2})^{3/2}}{t(1+t^2)^{1/2}}}=\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} \end{aligned}

스키 선수는 언덕의 어디에서든 떠오를 수 있으므로, 1/e≤t≤e1/e \le t \le e 일 때 g(1+t2)t\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} 의 최솟값보다 속도가 크기만 하면 된다. 그 최솟값을 구하기 위해 더 간단한 함수 g(t)=1+t2tg(t)=\frac{1+t^2}{t} 의 최솟값이 있는 위치를 찾는다. 미분법을 이용하면 t=1t=1 일 때 최소가 됨을 알 수 있다. 따라서 g(1+t2)t\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} 의 최솟값(즉, 떠오르기 위한 최소 속력)은 t=1t=1 에서 나타난다. 그러므로 최소 속력은 다음보다 커야 한다.

g(1+t2)∣t∣∣t=1=2g=26⋅34⋅72=23⋅32⋅7=504 km/h\begin{aligned} \sqrt{\frac{g(1+t^2)}{|t|}}\Bigg|_{t=1}&=\sqrt{2g}=\sqrt{2^6\cdot3^4\cdot7^2}=2^3\cdot 3^2\cdot 7 = 504\text{ km/h} \end{aligned}

(스키를 타고 이 속력에 도달하기는 어려울 것이다. 더 크게 굽은 언덕을 찾기 전까지 스키 선수는 아마 땅에 붙어 있을 것이다.)

원본 교재 풀이(영어)

According to the equation in the text, the skier will become airborne when: ∣v∣>gκ∣ȷ^⋅N^∣|\mathbf{v}|>\sqrt{\frac{g}{\kappa}|\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}|} We'll use the equation of the curve to find κ\kappa and N^\hat{\mathbf{N}}.

Note that gg is given in metres per second, while the other quantities are in kilometres and hours. Converting, 9.89.8 m/s2^2 is the same as (9.8 m1 s2)(1 km1000 m)(3600 s1 hr)2=98⋅64 kmh2=25⋅34⋅72 kmh2\left(\frac{9.8\text{ m}}{1 \text{ s}^2}\right)\left( \frac{1 \text{ km}}{1000 \text{ m}}\right)\left(\frac{3600 \text{ s}}{1 \text{ hr}} \right)^2=98\cdot 6^4~ \frac{\text{km}}{\text{h}^2}=2^5\cdot 3^4\cdot 7^2~ \frac{\text{km}}{\text{h}^2}.

r(t)=(ln⁡t,1−t)r′(t)=v(t)=(t−1,−1)dsdt=∣v(t)∣=1+t−2r′′(t)=a(t)=(−t−2,0)κ(t)=∣v×a∣(dsdt)3=t−21+t−23=∣t∣(1+t2)3/2=t(1+t2)3/2Note t is positive in the interval in question.T^(t)=v(t)∣v(t)∣=11+t−2(t−1,−1)=(11+t2,−t1+t2)T^′(t)=(−t(1+t2)3/2,−1(1+t2)3/2)∣T^′(t)∣=1t2+1N^(t)=T^′(t)∣T^′(t)∣=(−t1+t2,−11+t2)∣N^⋅ȷ^∣=11+t2\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=(\ln t,1-t)\\ \mathbf{r}'(t)&=\mathbf{v}(t)=(t^{-1}, -1)\qquad\qquad \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=|\mathbf{v}(t)|=\sqrt{1+t^{-2}}\\ \mathbf{r}''(t)&=\mathbf{a}(t)=(-t^{-2},0)\\ \kappa (t)&=\frac{|\mathbf{v} \times \mathbf{a}|}{\left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^{3}}=\frac{t^{-2}}{\sqrt{1+t^{-2}}^3}=\frac{|t|}{(1+t^{2})^{3/2}}=\frac{t}{(1+t^{2})^{3/2}} \\ \text{Note $t$ is positive in the interval in question.} \\ \hat{\mathbf{T}}(t)&=\frac{\mathbf{v}(t)}{|\mathbf{v}(t)|}=\frac{1}{\sqrt{1+t^{-2}}}(t^{-1},-1)=\left( \frac{1}{\sqrt{1+t^{2}}},\frac{-t}{\sqrt{1+t^{2}}}\right)\\ \hat{\mathbf{T}}'(t)&= \left( \frac{-t}{({1+t^2})^{3/2}},\frac{-1}{({1+t^2})^{3/2}}\right)\qquad\qquad |\hat{\mathbf{T}}'(t)|=\frac{1}{t^2+1}\\ \hat{\mathbf{N}}(t)&=\frac{\hat{\mathbf{T}}'(t)}{|\hat{\mathbf{T}}'(t)|}=\left( \frac{-t}{\sqrt{1+t^2}},\frac{-1}{\sqrt{1+t^2}}\right)\\ |\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}|&=\frac{1}{\sqrt{1+t^2}} \end{aligned}

Now, we have all the pieces we need to find the “escape velocity" of the ground.

∣v∣=gκ∣N^⋅ȷ^∣=g⋅(1+t2)3/2t(1+t2)1/2=g(1+t2)t\begin{aligned} |\mathbf{v}|&=\sqrt{\frac{g}{\kappa}|\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}|}=\sqrt{\frac{g\cdot (1+t^{2})^{3/2}}{t(1+t^2)^{1/2}}}=\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} \end{aligned}

Since the skier can take off anywhere on the hill, we just need their velocity to be larger than the smallest value of g(1+t2)t\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} when 1/e≤t≤e1/e \le t \le e. To find that minimum, we find the location of the minimum of the simpler function g(t)=1+t2tg(t)=\frac{1+t^2}{t}. Using first-semester calculus, we find it to occur when t=1t=1. So, the minimum value of g(1+t2)t\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} (that is, smallest speed to achieve lift-off) occurs at t=1t=1. We therefore need a minimum speed greater than:

g(1+t2)∣t∣∣t=1=2g=26⋅34⋅72=23⋅32⋅7=504 kph\begin{aligned} \sqrt{\frac{g(1+t^2)}{|t|}}\Bigg|_{t=1}&=\sqrt{2g}=\sqrt{2^6\cdot3^4\cdot7^2}=2^3\cdot 3^2\cdot 7 = 504\text{ kph} \end{aligned}

(It seems unlikely that one could reach this speed on skis. The skier is probably earth-bound until they find a curvier hill.)

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