미적분학 강사님이 점 (−1,1) 에서 물속에 있다.
다음을 만족하기 위해 강사님이 헤엄쳐야 할 방향을 나타내는 단위벡터를 구하세요.
(a) 같은 깊이를 유지하려면?
(b) 깊이가 가능한 한 빠르게 깊어지게 하려면? (즉, 물에 빠질 가능성이 가장 높게 하려면)
영어 원문 보기
The depth of a lake in the xy-plane is equal to
f(x,y)=32−x2−4x−4y2 meters.
(a) Sketch the shoreline of the lake in the xy-plane.
Your calculus instructor is in the water at the point (−1,1).
Find a unit vector which indicates in which direction he should swim
in order to:
(a) stay at a constant depth?
(b) increase his depth as rapidly as possible (i.e. be most likely to drown)?
정답·풀이 보기
(a) 해안선은 f(x,y)=0 또는 x2+4x+4y2=32 또는 (x+2)2+4y2=36 이고,
이는 (−2,0) 을 중심으로 하고 x 방향의 반축이 6, y 방향의 반축이 3 인 타원이다.
(b,c) (−1,1) 에서 f 의 기울기 벡터는
∇f(−1,1)=[(−2x−4)^−8y^](−1,1)=−2^−8^
같은 깊이를 유지하려면 깊이의 기울기 벡터에 수직인 방향으로 헤엄쳐야 한다. 따라서 ±171⟨4,−1⟩ 방향으로 헤엄쳐야 한다.
깊이가 가능한 한 빠르게 깊어지게 하려면 깊이의 기울기 벡터 방향으로 헤엄쳐야 하며, 그 방향은 −171⟨1,4⟩ 이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) The shoreline is f(x,y)=0 or x2+4x+4y2=32 or (x+2)2+4y2=36,
which is an ellipse centred on (−2,0) with semiaxes 6 in the x-direction
and 3 in the y-direction.
(b,c) The gradient of f at (−1,1) is
∇f(−1,1)=[(−2x−4)^−8y^](−1,1)=−2^−8^
To remain at constant depth, he should swim perpendicular to the depth
gradient. So he should swim in direction ±171⟨4,−1⟩.
To increase his depth as rapidly as possible, he should swim in the direction
of the depth gradient, which is −171⟨1,4⟩.
아래 그림들은 목록에 있는 함수들의 등위집합 f(x,y)=c 를 높이
c=0,0.1,0.2,…,1.9,2 에서 나타낸 것입니다.
각 그림에 해당하는 함수를 짝지어 쓰고, 각 그림에 임계점을 표시하세요. (경우에 따라 임계점이 그림에
이미 그려져 있지 않을 수도 있습니다. 그런 경우에는 직접 그림에 추가하세요.)
The images below depict level sets f(x,y)=c of the functions in the list at heights
c=0,0.1,0.2,…,1.9,2.
Label the pictures with the corresponding function and mark the critical points in each
picture. (Note that in some cases, the critical points might not be drawn on the images
already. In those cases you should add them to the picture.)
(i) f(x,y)=(x2+y2−1)(x−y)+1
(ii) f(x,y)=x2+y2
(iii) f(x,y)=y(x+y)(x−y)+1
(iv) f(x,y)=x2+y2
정답·풀이 보기
두 함수 f(x,y)=x2+y2 (즉 (ⅱ))와
f(x,y)=x2+y2 (즉 (ⅳ))은 모두 (0,0) 을 중심으로 한 회전에 대해 변하지 않는다.
따라서 이 함수들의 등위선은 원점을 중심으로 하는 원이다. 극좌표에서 x2+y2 은 r 이다.
그러므로 (ⅱ)의 함수에 대해 그려진 등위선은
r=0,0.1,0.2,…,1.9,2 이다. 이들은 간격이 일정하다.
따라서 이 시점에서 세 번째 그림은 (ⅳ)에,
네 번째 그림은 (ⅱ)에 해당함을 알 수 있다.
직선 x=y, x=−y, y=0 은 모두 함수 f(x,y)=y(x+y)(x−y)+1 (즉 (ⅲ))의
f=1 인 등위선임에 주목하자. 따라서 첫 번째 그림은 (ⅲ)에 해당한다. 그러면 두 번째 그림은
(ⅰ)에 해당한다.
다음은 임계점을 표시한 그림들이다.
등위선이 서로 교차하는 곳에는 안장점이 있고,
“과녁 모양”의 중심에는 극대점 또는 극소점이 있다.
(ⅰ)
(ⅱ)
(ⅲ)
(ⅳ)
원본 교재 풀이(영어)
Both of the functions f(x,y)=x2+y2 (i.e. (ii))
and f(x,y)=x2+y2 (i.e. (iv)) are invariant under rotations
around the (0,0). So their level curves are circles centred on
the origin. In polar coordinates x2+y2 is r.
So the sketched level curves of the function in (ii) are
r=0,0.1,0.2,…,1.9,2. They are equally spaced.
So at this point, we know that the third picture goes with (iv)
and the fourth picture goes with (ii).
Notice that the lines x=y, x=−y and y=0 are all level curves
of the function f(x,y)=y(x+y)(x−y)+1 (i.e. of (iii))
with f=1. So the first picture goes with (iii). And the second picture
goes with (i).
Here are the pictures with critical points marked on them.
There are saddle points where level curves cross and there
are local max's or min's at “bull's eyes”.