문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

다변수 미분 전체 문제

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3문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 2.5절 · 7번대학 수준우리말 번역

지정된 점에서 지정된 함수의 그래프에 대한 접평면의 방정식과 법선의 방정식을 구하세요.

(a) f(x,y)=x2−y2f(x,y)=x^2-y^2, 점 (−2,1)(-2,1) (b) f(x,y)=exyf(x,y)=e^{xy}, 점 (2,0)(2,0)

영어 원문 보기

Find the equations of the tangent plane and the normal line to the graph of the specified function at the specified point.

(a) f(x,y)=x2−y2f(x,y)=x^2-y^2 at (−2,1)(-2,1) (b) f(x,y)=exyf(x,y)=e^{xy} at (2,0)(2,0)

정답·풀이 보기

(a) 주어진 그래프는 z=f(x,y)=x2−y2z=f(x,y)=x^2-y^2 또는 F(x,y,z)=x2−y2−z=0F(x,y,z)=x^2-y^2-z=0 이다. f(−2,1)=3f(-2,1)=3 임을 알 수 있다. 벡터

∇F(−2,1,3)=<Fx(x,y,z),Fy(x,y,z),Fz(x,y,z)>∣(x,y,z)=(−2,1,3)=<2x,−2y,−1>∣(x,y,z)=(−2,1,3)=<−4,−2,−1>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } F(-2,1,3) &= \left< F_x(x,y,z),F_y(x,y,z),F_z(x,y,z)\right>\Big|_{(x,y,z)=(-2,1,3)} \\ &= \left< 2x,-2y,-1\right>\Big|_{(x,y,z)=(-2,1,3)} \\ &= \left< -4,-2,-1\right> \end{aligned}

는 (−2,1,3)(-2,1,3) 에서 그래프의 법선 벡터이다. 따라서 접평면은

−4(x+2)−2(y−1)−(z−3)=0 또는 4x+2y+z=−3-4(x+2)-2(y-1)-(z-3)=0\text{ 또는 } 4x+2y+z=-3

이고, 법선은

<x,y,z>=<−2,1,3>+t<4,2,1>\left< x,y,z\right>=\left< -2,1,3\right>+t\left< 4,2,1\right>

이다.

(b) 주어진 그래프는 z=f(x,y)=exyz=f(x,y)=e^{xy} 또는 F(x,y,z)=exy−z=0F(x,y,z)=e^{xy}-z=0 이다. f(2,0)=1f(2,0)=1 임을 알 수 있다. 벡터

∇F(2,0,1)=<Fx(x,y,z),Fy(x,y,z),Fz(x,y,z)>∣(x,y,z)=(2,0,1)=<yexy,xexy,−1>∣(x,y,z)=(2,0,1)=<0,2,−1>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } F(2,0,1) &= \left< F_x(x,y,z),F_y(x,y,z),F_z(x,y,z)\right>\Big|_{(x,y,z)=(2,0,1)} \\ &= \left< ye^{xy},xe^{xy},-1\right>\Big|_{(x,y,z)=(2,0,1)} \\ &= \left< 0,2,-1\right> \end{aligned}

는 (2,0,1)(2,0,1) 에서 그래프의 법선 벡터이다. 따라서 접평면은

0(x−2)+2(y−0)−(z−1)=0 또는 2y−z=−10(x-2)+2(y-0)-(z-1)=0\text{ 또는 } 2y-z=-1

이고, 법선은

<x,y,z>=<2,0,1>+t<0,2,−1>\left< x,y,z\right>=\left< 2,0,1\right>+t\left< 0,2,-1\right>

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The specified graph is z=f(x,y)=x2−y2z=f(x,y)=x^2-y^2 or F(x,y,z)=x2−y2−z=0F(x,y,z)=x^2-y^2-z=0. Observe that f(−2,1)=3f(-2,1)=3. The vector

∇F(−2,1,3)=<Fx(x,y,z),Fy(x,y,z),Fz(x,y,z)>∣(x,y,z)=(−2,1,3)=<2x,−2y,−1>∣(x,y,z)=(−2,1,3)=<−4,−2,−1>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } F(-2,1,3) &= \left< F_x(x,y,z),F_y(x,y,z),F_z(x,y,z)\right>\Big|_{(x,y,z)=(-2,1,3)} \\ &= \left< 2x,-2y,-1\right>\Big|_{(x,y,z)=(-2,1,3)} \\ &= \left< -4,-2,-1\right> \end{aligned}

is a normal vector to the graph at (−2,1,3)(-2,1,3). So the tangent plane is

−4(x+2)−2(y−1)−(z−3)=0 or 4x+2y+z=−3-4(x+2)-2(y-1)-(z-3)=0\text{ or } 4x+2y+z=-3

and the normal line is

<x,y,z>=<−2,1,3>+t<4,2,1>\left< x,y,z\right>=\left< -2,1,3\right>+t\left< 4,2,1\right>

(b) The specified graph is z=f(x,y)=exyz=f(x,y)=e^{xy} or F(x,y,z)=exy−z=0F(x,y,z)=e^{xy}-z=0. Observe that f(2,0)=1f(2,0)=1. The vector

∇F(2,0,1)=<Fx(x,y,z),Fy(x,y,z),Fz(x,y,z)>∣(x,y,z)=(2,0,1)=<yexy,xexy,−1>∣(x,y,z)=(2,0,1)=<0,2,−1>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } F(2,0,1) &= \left< F_x(x,y,z),F_y(x,y,z),F_z(x,y,z)\right>\Big|_{(x,y,z)=(2,0,1)} \\ &= \left< ye^{xy},xe^{xy},-1\right>\Big|_{(x,y,z)=(2,0,1)} \\ &= \left< 0,2,-1\right> \end{aligned}

is a normal vector to the graph at (2,0,1)(2,0,1). So the tangent plane is

0(x−2)+2(y−0)−(z−1)=0 or 2y−z=−10(x-2)+2(y-0)-(z-1)=0\text{ or } 2y-z=-1

and the normal line is

<x,y,z>=<2,0,1>+t<0,2,−1>\left< x,y,z\right>=\left< 2,0,1\right>+t\left< 0,2,-1\right>

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.5절 · 1번
# 접평면과 선형근사그래프·표 해석보통자동 분류
2.CLP-3 · 2.7절 · 27번대학 수준우리말 번역

xyxy-평면 위에 있는 호수의 깊이는 f(x,y)=32−x2−4x−4y2f(x, y) = 32-x^2-4x-4y^2 미터이다.

(a) xyxy-평면에 호수의 해안선을 그리세요.

미적분학 강사님이 점 (−1,1)(-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 xyxy-plane is equal to f(x,y)=32−x2−4x−4y2f(x, y) = 32-x^2-4x-4y^2 meters.

(a) Sketch the shoreline of the lake in the xyxy-plane.

Your calculus instructor is in the water at the point (−1,1)(-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)=0f(x,y)=0 또는 x2+4x+4y2=32x^2+4x+4y^2=32 또는 (x+2)2+4y2=36(x+2)^2+4y^2=36 이고, 이는 (−2,0)(-2,0) 을 중심으로 하고 xx 방향의 반축이 66, yy 방향의 반축이 33 인 타원이다.

그림

(b,c) (−1,1)(-1,1) 에서 ff 의 기울기 벡터는

∇f(−1,1)=[(−2x−4) ı^−8y ȷ^](−1,1)=−2 ı^−8 ȷ^{ \boldsymbol{\nabla} } f(-1,1)=\big[(-2x-4)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-8y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big]_{(-1,1)}=-2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-8\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

같은 깊이를 유지하려면 깊이의 기울기 벡터에 수직인 방향으로 헤엄쳐야 한다. 따라서 ±117<4,−1>\pm\frac{1}{\sqrt{17}}\left< 4,-1\right> 방향으로 헤엄쳐야 한다. 깊이가 가능한 한 빠르게 깊어지게 하려면 깊이의 기울기 벡터 방향으로 헤엄쳐야 하며, 그 방향은 −117<1,4>-\frac{1}{\sqrt{17}}\left< 1,4\right> 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The shoreline is f(x,y)=0f(x,y)=0 or x2+4x+4y2=32x^2+4x+4y^2=32 or (x+2)2+4y2=36(x+2)^2+4y^2=36, which is an ellipse centred on (−2,0)(-2,0) with semiaxes 66 in the xx-direction and 33 in the yy-direction.

figure

(b,c) The gradient of ff at (−1,1)(-1,1) is

∇f(−1,1)=[(−2x−4) ı^−8y ȷ^](−1,1)=−2 ı^−8 ȷ^{ \boldsymbol{\nabla} } f(-1,1)=\big[(-2x-4)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-8y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big]_{(-1,1)}=-2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-8\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

To remain at constant depth, he should swim perpendicular to the depth gradient. So he should swim in direction ±117<4,−1>\pm\frac{1}{\sqrt{17}}\left< 4,-1\right>. To increase his depth as rapidly as possible, he should swim in the direction of the depth gradient, which is −117<1,4>-\frac{1}{\sqrt{17}}\left< 1,4\right>.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 12.6절 · 2번
# 방향도함수와 기울기벡터그래프·표 해석보통자동 분류
3.CLP-3 · 2.9절 · 14번대학 수준우리말 번역

아래 그림들은 목록에 있는 함수들의 등위집합 f(x,y)=cf (x, y) = c 를 높이 c=0,0.1,0.2,…,1.9,2c = 0, 0.1, 0.2, \ldots , 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.)

(ⅰ) f(x,y)=(x2+y2−1)(x−y)+1f(x, y) = (x^2 + y^2 - 1)(x - y) + 1 (ⅱ) f(x,y)=x2+y2f(x, y) = \sqrt{x^2 + y^2} (ⅲ) f(x,y)=y(x+y)(x−y)+1f(x, y) = y(x + y)(x - y) + 1 (ⅳ) f(x,y)=x2+y2f(x, y) = x^2 + y^2

그림

그림

그림

그림

영어 원문 보기

The images below depict level sets f(x,y)=cf (x, y) = c of the functions in the list at heights c=0,0.1,0.2,…,1.9,2c = 0, 0.1, 0.2, \ldots , 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)+1f(x, y) = (x^2 + y^2 - 1)(x - y) + 1 (ii) f(x,y)=x2+y2f(x, y) = \sqrt{x^2 + y^2} (iii) f(x,y)=y(x+y)(x−y)+1f(x, y) = y(x + y)(x - y) + 1 (iv) f(x,y)=x2+y2f(x, y) = x^2 + y^2

figure

figure

figure

figure

정답·풀이 보기

두 함수 f(x,y)=x2+y2f(x, y) = \sqrt{x^2 + y^2} (즉 (ⅱ))와 f(x,y)=x2+y2f(x, y) = x^2 + y^2 (즉 (ⅳ))은 모두 (0,0)(0,0) 을 중심으로 한 회전에 대해 변하지 않는다. 따라서 이 함수들의 등위선은 원점을 중심으로 하는 원이다. 극좌표에서 x2+y2\sqrt{x^2 + y^2} 은 rr 이다. 그러므로 (ⅱ)의 함수에 대해 그려진 등위선은 r=0,0.1,0.2,…,1.9,2r = 0, 0.1, 0.2, \ldots , 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=yx=y, x=−yx=-y, y=0y=0 은 모두 함수 f(x,y)=y(x+y)(x−y)+1f(x, y) = y(x + y)(x - y) + 1 (즉 (ⅲ))의 f=1f=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) 그림

(ⅱ) 그림

(ⅲ) 그림

(ⅳ) 그림

원본 교재 풀이(영어)

Both of the functions f(x,y)=x2+y2f(x, y) = \sqrt{x^2 + y^2} (i.e. (ii)) and f(x,y)=x2+y2f(x, y) = x^2 + y^2 (i.e. (iv)) are invariant under rotations around the (0,0)(0,0). So their level curves are circles centred on the origin. In polar coordinates x2+y2\sqrt{x^2 + y^2} is rr. So the sketched level curves of the function in (ii) are r=0,0.1,0.2,…,1.9,2r = 0, 0.1, 0.2, \ldots , 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=yx=y, x=−yx=-y and y=0y=0 are all level curves of the function f(x,y)=y(x+y)(x−y)+1f(x, y) = y(x + y)(x - y) + 1 (i.e. of (iii)) with f=1f=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”.

(i) figure

(ii) figure

(iii) figure

(iv) figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 25번
# 극값과 안장점그래프·표 해석보통자동 분류