문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

다변수 미분 전체 문제

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

31문제 · 1 / 2쪽

1.CLP-3 · 2.1절 · 9번대학 수준우리말 번역

다음 각 극한의 값을 구하거나, 극한이 존재하지 않음을 보이세요.

(a) lim⁡(x,y)→(0,0)2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2} (b) lim⁡(x,y)→(0,1)x2y2−2x2y+x2(x2+y2−2y+1)2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,1)} \frac{x^2y^2 -2 x^2y + x^2} {(x^2 + y^2-2y+1)^2}

영어 원문 보기

Evaluate each of the following limits or show that it does not exist.

(a) lim⁡(x,y)→(0,0)2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2} (b) lim⁡(x,y)→(0,1)x2y2−2x2y+x2(x2+y2−2y+1)2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,1)} \frac{x^2y^2 -2 x^2y + x^2} {(x^2 + y^2-2y+1)^2}

정답·풀이 보기

(a) 극좌표 x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta 에서

2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2=2r2cos⁡2θ+r3cos⁡2θsin⁡θ−r3cos⁡θsin⁡2θ+2r2sin⁡2θr2=2+r[cos⁡2θsin⁡θ−sin⁡2θcos⁡θ]\begin{aligned} \frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2} &=\frac{2r^2\cos^2\theta + r^3\cos^2\theta\sin\theta - r^3\cos\theta\sin^2\theta + 2r^2\sin^2\theta}{r^2} \\ &=2+ r\big[\cos^2\theta\sin\theta - \sin^2\theta\cos\theta \big] \end{aligned}

이고

r∣cos⁡2θsin⁡θ−sin⁡2θcos⁡θ∣≤2r→0 이때 r→0r\big|\cos^2\theta\sin\theta - \sin^2\theta\cos\theta \big| \le 2r \rightarrow 0\text{ 이때 }r\rightarrow 0

이므로

lim⁡(x,y)→(0,0)2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2=2\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)} \frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2}=2

이다.

(b) x2y2−2x2y+x2(x2+y2−2y+1)2=x2(y−1)2[x2+(y−1)2]2\begin{aligned} \frac{x^2y^2 -2 x^2y + x^2} {(x^2 + y^2-2y+1)^2} =\frac{x^2(y-1)^2} {\big[x^2 + (y-1)^2\big]^2} \end{aligned}

이고, (0,1)(0,1) 을 중심으로 하는 극좌표 x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=1+rsin⁡θy=1+r\sin\theta 에서

x2(y−1)2[x2+(y−1)2]2=r4cos⁡2θsin⁡2θr4=cos⁡2θsin⁡2θ\frac{x^2(y-1)^2} {\big[x^2 + (y-1)^2\big]^2} =\frac{r^4\cos^2\theta\sin^2\theta}{r^4} =\cos^2\theta\sin^2\theta

이므로 극한은 존재하지 않는다. 예를 들어 (x,y)(x,y) 를 직선 y=1y=1 을 따라 (0,1)(0,1) 로 보내면 θ=0\theta=0 이므로 극한은 00 이고, (x,y)(x,y) 를 직선 y=x+1y=x+1 을 따라 (0,1)(0,1) 로 보내면 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 이므로 극한은 14\frac{1}{4} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) In polar coordinates x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta

2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2=2r2cos⁡2θ+r3cos⁡2θsin⁡θ−r3cos⁡θsin⁡2θ+2r2sin⁡2θr2=2+r[cos⁡2θsin⁡θ−sin⁡2θcos⁡θ]\begin{aligned} \frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2} &=\frac{2r^2\cos^2\theta + r^3\cos^2\theta\sin\theta - r^3\cos\theta\sin^2\theta + 2r^2\sin^2\theta}{r^2} \\ &=2+ r\big[\cos^2\theta\sin\theta - \sin^2\theta\cos\theta \big] \end{aligned}

As

r∣cos⁡2θsin⁡θ−sin⁡2θcos⁡θ∣≤2r→0 as r→0r\big|\cos^2\theta\sin\theta - \sin^2\theta\cos\theta \big| \le 2r \rightarrow 0\text{ as }r\rightarrow 0

we have

lim⁡(x,y)→(0,0)2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2=2\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)} \frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2}=2

(b) Since

x2y2−2x2y+x2(x2+y2−2y+1)2=x2(y−1)2[x2+(y−1)2]2\begin{aligned} \frac{x^2y^2 -2 x^2y + x^2} {(x^2 + y^2-2y+1)^2} =\frac{x^2(y-1)^2} {\big[x^2 + (y-1)^2\big]^2} \end{aligned}

and, in polar coordinates centred on (0,1)(0,1), x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=1+rsin⁡θy=1+r\sin\theta,

x2(y−1)2[x2+(y−1)2]2=r4cos⁡2θsin⁡2θr4=cos⁡2θsin⁡2θ\frac{x^2(y-1)^2} {\big[x^2 + (y-1)^2\big]^2} =\frac{r^4\cos^2\theta\sin^2\theta}{r^4} =\cos^2\theta\sin^2\theta

we have that the limit does not exist. For example, if we send (x,y)(x,y) to (0,1)(0,1) along the line y=1y=1, so that θ=0\theta=0, we get the limit 00, while if we send (x,y)(x,y) to (0,1)(0,1) along the line y=x+1y=x+1, so that θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, we get the limit 14\frac{1}{4}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.1절 · 8번
# 다변수함수의 극한과 연속증명·논술도전자동 분류
2.CLP-3 · 2.1절 · 11번대학 수준우리말 번역

다음 극한을 구하거나, 존재하지 않는 이유를 설명하세요.

(a) lim⁡(x,y)→(0,0)xyx2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{x^2+y^2} (b) lim⁡(x,y)→(0,0)sin⁡(xy)x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{\sin(xy)}{x^2+y^2} (c) lim⁡(x,y)→(−1,1)x2+2xy2+y41+y4\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\frac{x^2+2xy^2+y^4}{1+y^4} (d) lim⁡(x,y)→(0,0)∣y∣x\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}|y|^x

영어 원문 보기

Compute the following limits or explain why they do not exist.

(a) lim⁡(x,y)→(0,0)xyx2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{x^2+y^2} (b) lim⁡(x,y)→(0,0)sin⁡(xy)x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{\sin(xy)}{x^2+y^2} (c) lim⁡(x,y)→(−1,1)x2+2xy2+y41+y4\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\frac{x^2+2xy^2+y^4}{1+y^4} (d) lim⁡(x,y)→(0,0)∣y∣x\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}|y|^x

정답·풀이 보기

(a) 극좌표에서

xyx2+y2=r2cos⁡θsin⁡θr2=cos⁡θsin⁡θ\frac{xy}{x^2+y^2}=\frac{r^2\cos\theta\sin\theta}{r^2} =\cos\theta\sin\theta

이므로 극한은 존재하지 않는다. 예를 들어,

  • (x,y)(x,y) 를 양의 xx 축을 따라 (0,0)(0,0) 으로 보내면 θ=0\theta=0 이므로 극한 sin⁡θcos⁡θ∣θ=0=0\sin\theta\cos\theta\big|_{\theta=0}=0 을 얻고,
  • 제1사분면에서 직선 y=xy=x 를 따라 (x,y)(x,y) 를 (0,0)(0,0) 으로 보내면 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 이므로 극한 sin⁡θcos⁡θ∣θ=π/4=12\sin\theta\cos\theta\big|_{\theta=\pi/4}=\frac{1}{2} 을 얻는다.

(b) 이 극한이 존재한다고 하면 극한

lim⁡(x,y)→(0,0)xyx2+y2=lim⁡(x,y)→(0,0)xysin⁡(xy) sin⁡(xy)x2+y2=lim⁡(x,y)→(0,0)xysin⁡(xy) lim⁡(x,y)→(0,0)sin⁡(xy)x2+y2\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{x^2+y^2} =\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{\sin(xy)}\ \frac{\sin(xy)}{x^2+y^2} =\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{\sin(xy)}\ \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{\sin(xy)}{x^2+y^2}

도 존재해야 하므로 이 극한은 존재하지 않는다. (lim⁡t→0sin⁡tt=1\displaystyle \lim_{t\rightarrow 0}\tfrac{\sin t}{t} =1 임을 떠올리세요.)

(c)

lim⁡(x,y)→(−1,1)[x2+2xy2+y4]=(−1)2+2(−1)(1)2+(1)4=0lim⁡(x,y)→(−1,1)[1+y4]=1+(1)4=2\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\big[x^2+2xy^2+y^4\big] &=(-1)^2+2(-1)(1)^2+(1)^4=0 \\ \lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\big[1+y^4\big] &=1+(1)^4=2 \end{aligned}

이고 두 번째 극한이 0이 아니므로

lim⁡(x,y)→(−1,1)x2+2xy2+y41+y4=02=0\lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\frac{x^2+2xy^2+y^4}{1+y^4}=\frac{0}{2}=0

이다.

(d) 양의 xx 축을 따른 극한

lim⁡t→0t>0∣y∣x∣(x,y)=(t,0)=lim⁡t→0t>00t=lim⁡t→0t>00=0\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{t\rightarrow 0}{t>0}}|y|^x\Big|_{(x,y)=(t,0)} =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{t\rightarrow 0}{t>0}}0^t =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{t\rightarrow 0}{t>0}}0 =0

과 yy 축을 따른 극한

lim⁡t→0∣y∣x∣(x,y)=(0,t)=lim⁡t→0∣t∣0=lim⁡t→01=1\lim_{t\rightarrow 0}|y|^x\Big|_{(x,y)=(0,t)} =\lim_{t\rightarrow 0}|t|^0 =\lim_{t\rightarrow 0}1 =1

이 서로 다르므로 (x,y)→0(x,y)\rightarrow 0 일 때의 극한은 존재하지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since, in polar coordinates,

xyx2+y2=r2cos⁡θsin⁡θr2=cos⁡θsin⁡θ\frac{xy}{x^2+y^2}=\frac{r^2\cos\theta\sin\theta}{r^2} =\cos\theta\sin\theta

we have that the limit does not exist. For example,

  • if we send (x,y)(x,y) to (0,0)(0,0) along the positive xx-axis, so that θ=0\theta=0, we get the limit sin⁡θcos⁡θ∣θ=0=0\sin\theta\cos\theta\big|_{\theta=0}=0,
  • while if we send (x,y)(x,y) to (0,0)(0,0) along the line y=xy=x in the first quadrant, so that θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, we get the limit sin⁡θcos⁡θ∣θ=π/4=12\sin\theta\cos\theta\big|_{\theta=\pi/4}=\frac{1}{2}.

(b) This limit does not exist, since if it were to exist the limit

lim⁡(x,y)→(0,0)xyx2+y2=lim⁡(x,y)→(0,0)xysin⁡(xy) sin⁡(xy)x2+y2=lim⁡(x,y)→(0,0)xysin⁡(xy) lim⁡(x,y)→(0,0)sin⁡(xy)x2+y2\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{x^2+y^2} =\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{\sin(xy)}\ \frac{\sin(xy)}{x^2+y^2} =\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{\sin(xy)}\ \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{\sin(xy)}{x^2+y^2}

would also exist. (Recall that lim⁡t→0sin⁡tt=1\displaystyle \lim_{t\rightarrow 0}\tfrac{\sin t}{t} =1.)

(c) Since

lim⁡(x,y)→(−1,1)[x2+2xy2+y4]=(−1)2+2(−1)(1)2+(1)4=0lim⁡(x,y)→(−1,1)[1+y4]=1+(1)4=2\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\big[x^2+2xy^2+y^4\big] &=(-1)^2+2(-1)(1)^2+(1)^4=0 \\ \lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\big[1+y^4\big] &=1+(1)^4=2 \end{aligned}

and the second limit is nonzero,

lim⁡(x,y)→(−1,1)x2+2xy2+y41+y4=02=0\lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\frac{x^2+2xy^2+y^4}{1+y^4}=\frac{0}{2}=0

(d) Since the limit along the positive xx-axis

lim⁡t→0t>0∣y∣x∣(x,y)=(t,0)=lim⁡t→0t>00t=lim⁡t→0t>00=0\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{t\rightarrow 0}{t>0}}|y|^x\Big|_{(x,y)=(t,0)} =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{t\rightarrow 0}{t>0}}0^t =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{t\rightarrow 0}{t>0}}0 =0

and the limit along the yy-axis

lim⁡t→0∣y∣x∣(x,y)=(0,t)=lim⁡t→0∣t∣0=lim⁡t→01=1\lim_{t\rightarrow 0}|y|^x\Big|_{(x,y)=(0,t)} =\lim_{t\rightarrow 0}|t|^0 =\lim_{t\rightarrow 0}1 =1

are different, the limit as (x,y)→0(x,y)\rightarrow 0 does not exist.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 12.2절 · 1번
# 다변수함수의 극한과 연속계산도전자동 분류
3.CLP-3 · 2.2절 · 10번대학 수준우리말 번역

ff 를 일변수 미분가능한 임의의 함수라 하자. z(x,y)=f(x2+y2)z(x,y)=f(x^2+y^2) 으로 정의할 때, 등식

y∂z∂x(x,y)−x∂z∂y(x,y)=0y\frac{\partial z}{\partial x}(x,y)-x\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) = 0

은 반드시 성립하는지 판단하세요.

영어 원문 보기

Let ff be any differentiable function of one variable. Define z(x,y)=f(x2+y2)z(x,y)=f(x^2+y^2). Is the equation

y∂z∂x(x,y)−x∂z∂y(x,y)=0y\frac{\partial z}{\partial x}(x,y)-x\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) = 0

necessarily satisfied?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

z(x,y)=f(x2+y2)z(x,y)=f(x^2+y^2) 이므로

∂z∂x(x,y)=2xf′(x2+y2)∂z∂y(x,y)=2yf′(x2+y2)\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(x,y)&=2xf'(x^2+y^2) \\ \frac{\partial z}{\partial y}(x,y)&=2yf'(x^2+y^2) \end{aligned}

이다. 이는 (일반적인 일변수) 합성함수의 미분법에 의한 것이다. 따라서

y∂z∂x−x∂z∂y=y(2x)f′(x2+y2)−x(2y)f′(x2+y2)=0y\frac{\partial z}{\partial x}-x\frac{\partial z}{\partial y} =y(2x)f'(x^2+y^2)-x(2y)f'(x^2+y^2)=0

이고, ff 가 미분가능하여 연쇄 법칙을 적용할 수 있다고 하면 이 미분방정식은 항상 성립한다.

원본 교재 풀이(영어)

As z(x,y)=f(x2+y2)z(x,y)=f(x^2+y^2)

∂z∂x(x,y)=2xf′(x2+y2)∂z∂y(x,y)=2yf′(x2+y2)\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(x,y)&=2xf'(x^2+y^2) \\ \frac{\partial z}{\partial y}(x,y)&=2yf'(x^2+y^2) \end{aligned}

by the (ordinary single variable) chain rule. So

y∂z∂x−x∂z∂y=y(2x)f′(x2+y2)−x(2y)f′(x2+y2)=0y\frac{\partial z}{\partial x}-x\frac{\partial z}{\partial y} =y(2x)f'(x^2+y^2)-x(2y)f'(x^2+y^2)=0

and the differential equation is always satisfied, assuming that ff is differentiable, so that the chain rule applies.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.2절 · 12번
# 편도함수계산도전자동 분류
4.CLP-3 · 2.2절 · 11번대학 수준우리말 번역

함수

f(x,y)={(x+2y)2x+yx+y≠0 이면0x+y=0 이면f(x,y)=\begin{cases}\frac{(x+2y)^2}{x+y}& \text{$x+y\ne 0$ 이면} \\ 0 &\text{$x+y=0$ 이면} \end{cases}

를 정의하자.

(a) 가능하면 ∂f∂x(0,0)\frac{\partial f}{\partial x}(0,0) 과 ∂f∂y(0,0)\frac{\partial f}{\partial y}(0,0) 의 값을 구하세요. (b) f(x,y)f(x,y) 는 (0,0)(0,0) 에서 연속인지 판단하세요.

영어 원문 보기

Define the function

f(x,y)={(x+2y)2x+yif x+y≠00if x+y=0f(x,y)=\begin{cases}\frac{(x+2y)^2}{x+y}& \text{if $x+y\ne 0$} \\ 0 &\text{if $x+y=0$} \end{cases}

(a) Evaluate, if possible, ∂f∂x(0,0)\frac{\partial f}{\partial x}(0,0) and ∂f∂y(0,0)\frac{\partial f}{\partial y}(0,0). (b) Is f(x,y)f(x,y) continuous at (0,0)(0,0)?

정답·풀이 보기

정의에 의해

∂f∂x(0,0)=lim⁡Δx→0f(Δx,0)−f(0,0)Δx=lim⁡Δx→0(Δx+2×0)2Δx+0−0Δx=lim⁡Δx→0ΔxΔx=1\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(0,0) &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{f(\Delta x,0)-f(0,0)}{\Delta x} \\ &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\frac{(\Delta x+2\times 0)^2}{\Delta x+0}-0}{\Delta x} \\ &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\Delta x}{\Delta x} \\ &=1 \end{aligned}

이고

∂f∂y(0,0)=lim⁡Δy→0f(0,Δy)−f(0,0)Δy=lim⁡Δy→0(0+2Δy)20+Δy−0Δy=lim⁡Δy→04ΔyΔy=4\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial y}(0,0) &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{f(0,\Delta y)-f(0,0)}{\Delta y} \\ &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{\frac{(0+2\Delta y)^2}{0+\Delta y}-0}{\Delta y} \\ &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{4\Delta y}{\Delta y} \\ &=4 \end{aligned}

이다.

(b) f(x,y)f(x,y) 는 (0,0)(0,0) 에서 두 편도함수가 모두 존재하지만 연속이 아니다. 이를 확인하기 위해 좌표를 (x,y)(x,y) 에서 (X,y)(X,y) 로 바꾸되 X=x+yX=x+y (분모)로 둔다. 물론 (x,y)→(0,0)(x,y)\rightarrow (0,0) 인 것과 (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow (0,0) 인 것은 동치이다. 이제 XX 가 yy 보다 훨씬 작은 상태로 (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow(0,0) 일 때 어떻게 되는지 보자. 예를 들어 X=ay2X=ay^2 이면

(x+2y)2x+y=(X+y)2X=(ay2+y)2ay2=(1+ay)2a→1a\begin{aligned} \frac{(x+2y)^2}{x+y}=\frac{(X+y)^2}{X}=\frac{(ay^2+y)^2}{ay^2} =\frac{(1+ay)^2}{a}\rightarrow\frac{1}{a} \end{aligned}

이다. 이 값은 aa 에 따라 달라진다. 따라서 서로 다른 경로를 따라 (0,0)(0,0) 에 접근하면 극한이 서로 다르다. (좌표를 바꾸지 않고도 x=−y+ay2x=-y+ay^2 으로 놓고 (x,y)→(0,0)(x,y)\rightarrow (0,0) 으로 보내면 같은 현상을 볼 수 있다.) 더 극단적으로, X=y3X=y^3 으로 놓고 (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow(0,0) 일 때를 보면

(x+2y)2x+y=(X+y)2X=(y3+y)2y3=(1+y2)2y→±∞\frac{(x+2y)^2}{x+y}=\frac{(X+y)^2}{X}=\frac{(y^3+y)^2}{y^3} =\frac{{(1+y^2)}^2}{y}\rightarrow\pm\infty

이다.

원본 교재 풀이(영어)

By definition

∂f∂x(0,0)=lim⁡Δx→0f(Δx,0)−f(0,0)Δx=lim⁡Δx→0(Δx+2×0)2Δx+0−0Δx=lim⁡Δx→0ΔxΔx=1\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(0,0) &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{f(\Delta x,0)-f(0,0)}{\Delta x} \\ &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\frac{(\Delta x+2\times 0)^2}{\Delta x+0}-0}{\Delta x} \\ &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\Delta x}{\Delta x} \\ &=1 \end{aligned}

and

∂f∂y(0,0)=lim⁡Δy→0f(0,Δy)−f(0,0)Δy=lim⁡Δy→0(0+2Δy)20+Δy−0Δy=lim⁡Δy→04ΔyΔy=4\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial y}(0,0) &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{f(0,\Delta y)-f(0,0)}{\Delta y} \\ &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{\frac{(0+2\Delta y)^2}{0+\Delta y}-0}{\Delta y} \\ &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{4\Delta y}{\Delta y} \\ &=4 \end{aligned}

(b) f(x,y)f(x,y) is not continuous at (0,0)(0,0), even though both partial derivatives exist there. To see this, make a change of coordinates from (x,y)(x,y) to (X,y)(X,y) with X=x+yX=x+y (the denominator). Of course, (x,y)→(0,0)(x,y)\rightarrow (0,0) if and only if (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow (0,0). Now watch what happens when (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow(0,0) with XX a lot smaller than yy. For example, X=ay2X=ay^2. Then

(x+2y)2x+y=(X+y)2X=(ay2+y)2ay2=(1+ay)2a→1a\begin{aligned} \frac{(x+2y)^2}{x+y}=\frac{(X+y)^2}{X}=\frac{(ay^2+y)^2}{ay^2} =\frac{(1+ay)^2}{a}\rightarrow\frac{1}{a} \end{aligned}

This depends on aa. So approaching (0,0)(0,0) along different paths gives different limits. (You can see the same effect without changing coordinates by sending (x,y)→(0,0)(x,y)\rightarrow (0,0) with x=−y+ay2x=-y+ay^2.) Even more dramatically, watch what happens when (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow(0,0) with X=y3X=y^3. Then

(x+2y)2x+y=(X+y)2X=(y3+y)2y3=(1+y2)2y→±∞\frac{(x+2y)^2}{x+y}=\frac{(X+y)^2}{X}=\frac{(y^3+y)^2}{y^3} =\frac{{(1+y^2)}^2}{y}\rightarrow\pm\infty

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.2절 · 10번
# 편도함수계산도전자동 분류
5.CLP-3 · 2.2절 · 12번대학 수준우리말 번역

밑면이 xyxy 평면 위에서 중심이 (0,0)(0,0) 이고 반지름이 1인 원이고, yzyz 평면에서 직선 z=yz=y 에 평행하게 기울어진 원기둥을 생각하세요.

그림

점 (0,−1,0)(0,-1,0) 에 서서 yy 축의 양의 방향을 바라볼 때, 곡면의 기울기는 얼마인가요? xx 축의 양의 방향을 바라볼 때는 얼마인가요?

영어 원문 보기

Consider the cylinder whose base is the radius-1 circle in the xyxy-plane centred at (0,0)(0,0), and which slopes parallel to the line in the yzyz-plane given by z=yz=y.

figure

When you stand at the point (0,−1,0)(0,-1,0), what is the slope of the surface if you look in the positive yy direction? The positive xx direction?

정답·풀이 보기

풀이 1

먼저 이 곡면의 방정식을 구하자. 모든 등위곡선은 반지름이 1인 수평 방향의 원이므로, 방정식은 다음 꼴이어야 한다.

(x−f1)2+(y−f2)2=1(x-f_1)^2+(y-f_2)^2=1

여기서 f1f_1 과 f2f_2 는 zz 에만 의존하는 함수이다. 높이 zz 에서 원의 중심이 x=0x=0, y=zy=z 에 있으므로, 이 곡면의 방정식은 다음과 같다.

x2+(y−z)2=1x^2+(y-z)^2=1

점 (x,y)(x,y) 에서 곡면의 높이는 이 방정식을 풀어 얻은 z(x,y)z(x,y) 이다. 즉,

x2+(y−z(x,y))2=1(∗)x^2+\big(y-z(x,y)\big)^2=1 \tag{$*$}

원하는 점 (x,y)=(0,−1)(x,y)= (0,-1) 에서 zx(x,y)z_x(x,y) 와 zy(x,y)z_y(x,y) 를 구하기 위해 이 등식을 음함수 미분한다. 먼저 (∗)(*) 를 yy 에 대해 미분하면

0+2(y−z(x,y))(1−zy(x,y))=02(−1−0)(1−zy(0,−1))=0 에서 (0,−1,0)\begin{aligned} 0+2\big(y-z(x,y)\big)\big(1- z_y(x,y)\big)&=0 \\ 2(-1-0)\big(1-z_y(0,-1)\big)&=0& & \text{ 에서 } (0,-1,0) \end{aligned}

이므로 yy 축의 양의 방향을 바라볼 때의 기울기는 zy(0,−1)=1z_y(0,-1)=1 이다. 마찬가지로 (∗)(*) 를 xx 에 대해 미분하면

2x+2(y−z(x,y))⋅(0−zx(x,y))=02x=2(y−z(x,y))⋅zx(x,y)zx(x,y)=xy−z(x,y)zx(0,−1)=0 에서 (0,−1,0)\begin{aligned} 2x+2\big(y-z(x,y)\big)\cdot\big(0-z_x(x,y)\big)&=0 \\ 2x&=2\big(y-z(x,y)\big)\cdot z_x(x,y)\\ z_x(x,y)&=\frac{x}{y-z(x,y)}\\ z_x(0,-1)&=0 &\text{ 에서 } (0,-1,0) \end{aligned}

xx 축의 양의 방향을 바라볼 때의 기울기는 zx(0,−1)=0z_x(0,-1)=0 이다.

풀이 2

(0,−1,0)(0,-1,0) 에 서서 yy 축의 양의 방향을 바라보면, 곡면은 다음 조건을 만족하는 직선을 따른다.

  • 점 (0,−1,0)(0,-1,0) 을 지난다.
  • 원기둥의 중심선 z=y,x=0z=y, x=0 에 평행하다.

중심선을 yy 방향으로 1만큼 옮기면 직선 z=y+1z=y+1, x=0x=0 을 얻는다. (확인해 보면 (0,−1,0)(0,-1,0) 은 실제로 z=y+1z=y+1, x=0x=0 위에 있다.) 이 직선의 기울기는 1이다.

(0,−1,0)(0,-1,0) 에 서서 xx 축의 양의 방향을 바라보면, 곡면은 원 x2+y2=1x^2+y^2=1, z=0z=0 을 따른다. 이 원은 원기둥과 xyxy 평면의 교선이다. 이 원을 따라 움직이는 동안 zz 좌표는 00 으로 고정된다. 따라서 이 방향의 기울기는 0이다.

원본 교재 풀이(영어)

Solution 1

Let's start by finding an equation for this surface. Every level curve is a horizontal circle of radius one, so the equation should be of the form

(x−f1)2+(y−f2)2=1(x-f_1)^2+(y-f_2)^2=1

where f1f_1 and f2f_2 are functions depending only on zz. Since the centre of the circle at height zz is at position x=0x=0, y=zy=z, we see that the equation of our surface is

x2+(y−z)2=1x^2+(y-z)^2=1

The height of the surface at the point (x,y)(x,y) is the z(x,y)z(x,y) found by solving that equation. That is,

x2+(y−z(x,y))2=1(∗)x^2+\big(y-z(x,y)\big)^2=1 \tag{$*$}

We differentiate this equation implicitly to find zx(x,y)z_x(x,y) and zy(x,y)z_y(x,y) at the desired point (x,y)=(0,−1)(x,y)= (0,-1). First, differentiating (∗)(*) with respect to yy gives

0+2(y−z(x,y))(1−zy(x,y))=02(−1−0)(1−zy(0,−1))=0 at (0,−1,0)\begin{aligned} 0+2\big(y-z(x,y)\big)\big(1- z_y(x,y)\big)&=0 \\ 2(-1-0)\big(1-z_y(0,-1)\big)&=0& & \text{ at } (0,-1,0) \end{aligned}

so that the slope looking in the positive yy direction is zy(0,−1)=1z_y(0,-1)=1. Similarly, differentiating (∗)(*) with respect to xx gives

2x+2(y−z(x,y))⋅(0−zx(x,y))=02x=2(y−z(x,y))⋅zx(x,y)zx(x,y)=xy−z(x,y)zx(0,−1)=0 at (0,−1,0)\begin{aligned} 2x+2\big(y-z(x,y)\big)\cdot\big(0-z_x(x,y)\big)&=0 \\ 2x&=2\big(y-z(x,y)\big)\cdot z_x(x,y)\\ z_x(x,y)&=\frac{x}{y-z(x,y)}\\ z_x(0,-1)&=0 &\text{ at } (0,-1,0) \end{aligned}

The slope looking in the positive xx direction is zx(0,−1)=0z_x(0,-1)=0.

Solution 2

Standing at (0,−1,0)(0,-1,0) and looking in the positive yy direction, the surface follows the straight line that

  • passes through the point (0,−1,0)(0,-1,0), and
  • is parallel to the central line z=y,x=0z=y, x=0 of the cylinder.

Shifting the central line one unit in the yy-direction, we get the line z=y+1z=y+1, x=0x=0. (As a check, notice that (0,−1,0)(0,-1,0) is indeed on z=y+1z=y+1, x=0x=0.) The slope of this line is 1.

Standing at (0,−1,0)(0,-1,0) and looking in the positive xx direction, the surface follows the circle x2+y2=1x^2+y^2=1, z=0z=0, which is the intersection of the cylinder with the xyxy-plane. As we move along that circle our zz coordinate stays fixed at 00. So the slope in that direction is 0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4장 복습 · 4번
# 편도함수그래프·표 해석도전자동 분류
6.CLP-3 · 2.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

α>0\alpha >0 를 상수라 하자. u(x,y,z,t)=1t3/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)\displaystyle u(x,y,z,t) =\frac{1}{t^{3/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} 가 열방정식

ut=α(uxx+uyy+uzz)u_t = \alpha \big(u_{xx} + u_{yy} + u_{zz} \big)

을 모든 t>0t>0 에 대해 만족함을 보이세요.

영어 원문 보기

Let α>0\alpha >0 be a constant. Show that u(x,y,z,t)=1t3/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)\displaystyle u(x,y,z,t) =\frac{1}{t^{3/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} satisfies the heat equation

ut=α(uxx+uyy+uzz)u_t = \alpha \big(u_{xx} + u_{yy} + u_{zz} \big)

for all t>0t>0

정답·풀이 보기

ut(x,y,z,t)=−321t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+14α t7/2(x2+y2+z2)e−(x2+y2+z2)/(4αt)ux(x,y,z,t)=−x2α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uxx(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+x24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uyy(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+y24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uzz(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+z24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)\begin{aligned} u_t(x,y,z,t) &=-\frac{3}{2}\frac{1}{t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{1}{4\alpha \,t^{7/2}}(x^2+y^2+z^2) e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_x(x,y,z,t) &=-\frac{x}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{xx}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{x^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{yy}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{y^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{zz}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{z^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \end{aligned}

이므로 다음을 얻는다.

α(uxx+uyy+uzz)=−32 t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+x2+y2+z24α t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)=ut\begin{aligned} \alpha \big(u_{xx} + u_{yy} + u_{zz} \big) &=-\frac{3}{2\,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{x^2+y^2+z^2}{4\alpha \,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} =u_t \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

As

ut(x,y,z,t)=−321t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+14α t7/2(x2+y2+z2)e−(x2+y2+z2)/(4αt)ux(x,y,z,t)=−x2α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uxx(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+x24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uyy(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+y24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uzz(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+z24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)\begin{aligned} u_t(x,y,z,t) &=-\frac{3}{2}\frac{1}{t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{1}{4\alpha \,t^{7/2}}(x^2+y^2+z^2) e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_x(x,y,z,t) &=-\frac{x}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{xx}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{x^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{yy}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{y^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{zz}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{z^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \end{aligned}

we have

α(uxx+uyy+uzz)=−32 t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+x2+y2+z24α t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)=ut\begin{aligned} \alpha \big(u_{xx} + u_{yy} + u_{zz} \big) &=-\frac{3}{2\,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{x^2+y^2+z^2}{4\alpha \,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} =u_t \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.3절 · 6번
# 편도함수증명·논술도전자동 분류
7.CLP-3 · 2.4절 · 26번대학 수준우리말 번역

파동 방정식

∂2u∂x2−1c2 ∂2u∂t2=0\frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\,\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0

은 파동과 같은 현상을 다루는 많은 모형에서 나타난다. u(x,t)u(x,t) 와 v(ξ,η)v(\xi,\eta) 가 다음의 변수 변환으로 서로 연결되어 있다고 하자.

u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))ξ(x,t)=x−ctη(x,t)=x+ct\begin{aligned} u(x,t)&=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\\ \xi(x,t)&=x-ct\\ \eta(x,t)&=x+ct \end{aligned}

(a)  ∂2u∂x2−1c2∂2u∂t2=0 \ \frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0\ 일 필요충분조건이  ∂2v∂ξ∂η=0\ \frac{\partial^2 v}{\partial\xi\partial\eta}=0 임을 보이세요. (b)  ∂2u∂x2−1c2∂2u∂t2=0 \ \frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0\ 일 필요충분조건이 어떤 함수 FF 와 GG 에 대해  u(x,t)=F(x−ct)+G(x+ct) \ u(x,t)=F(x-ct)+G(x+ct)\ 임을 보이세요. (c)  F(x−ct)+G(x+ct) \ F(x-ct)+G(x+ct)\ 를 진행파의 관점에서 해석하세요. u(x,t)u(x,t) 를 xx 축을 따라 진행하는 파동의, 위치 xx 와 시각 tt 에서의 높이라고 생각하세요.

참고: 낯선 기호 ξ\xi 와 η\eta 에 당황하지 마세요. 이들은 그리스 문자 중 해롭지 않은 두 글자일 뿐이며, 각각 “크사이”와 “에타”라고 읽습니다.

영어 원문 보기

The wave equation

∂2u∂x2−1c2 ∂2u∂t2=0\frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\,\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0

arises in many models involving wave-like phenomena. Let u(x,t)u(x,t) and v(ξ,η)v(\xi,\eta) be related by the change of variables

u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))ξ(x,t)=x−ctη(x,t)=x+ct\begin{aligned} u(x,t)&=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\\ \xi(x,t)&=x-ct\\ \eta(x,t)&=x+ct \end{aligned}

(a) Show that  ∂2u∂x2−1c2∂2u∂t2=0 \ \frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0\ if and only if  ∂2v∂ξ∂η=0\ \frac{\partial^2 v}{\partial\xi\partial\eta}=0. (b) Show that  ∂2u∂x2−1c2∂2u∂t2=0 \ \frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0\ if and only if  u(x,t)=F(x−ct)+G(x+ct) \ u(x,t)=F(x-ct)+G(x+ct)\ for some functions FF and GG. (c) Interpret  F(x−ct)+G(x+ct) \ F(x-ct)+G(x+ct)\ in terms of travelling waves. Think of u(x,t)u(x,t) as the height, at position xx and time tt, of a wave that is travelling along the xx-axis.

Remark: Don't be thrown by the strange symbols ξ\xi and η\eta. They are just two harmless letters from the Greek alphabet, called “xi” and “eta” respectively.

정답·풀이 보기

u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))u(x,t)=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) 임을 기억하자. 연쇄 법칙에 의해

∂u∂x(x,t)=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂u∂t(x,t)=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t=−c∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))+c∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial u}{\partial x}(x,t) &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x} \\ &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \\ \frac{\partial u}{\partial t}(x,t) &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t} \\ &= -c\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +c\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

연쇄 법칙을 다시 적용하면

∂2u∂x2(x,t)=∂∂x[∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))]+∂∂x[∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))]=∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂2v ∂η∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x+∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x=∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))+2∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) &= \frac{\partial }{\partial x} \Big[\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] + \frac{\partial }{\partial x} \Big[\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big]\\ &= \frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial^2 v\,}{\partial\eta\partial \xi} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x}\\& + \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial \eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial^2 v}{\partial \eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x}\\ &=\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +2\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial \eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +\frac{\partial^2 v}{\partial \eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

이고

∂2u∂t2(x,t)=−c∂∂t[∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))]+c∂∂t[∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))]=−c[∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂2v ∂η∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t]+c[∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t]=c2∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))−2c2∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))+c2∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t) &=-c \frac{\partial }{\partial t} \Big[\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] +c \frac{\partial }{\partial t} \Big[ \frac{\partial v}{\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] \\ &=-c \Big[\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial^2 v\,}{\partial\eta\partial \xi} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t}\Big] \\& +c \Big[\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial^2 v}{\partial\eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t}\Big]\\ &=c^2\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) -2c^2\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +c^2\frac{\partial^2 v}{\partial\eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

이므로

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=4∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t) =4\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)

이다. 따라서

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=0 모든 (x,t)  ⟺  4∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))=0 모든 (x,t)  ⟺  ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=0 모든 (ξ,η)\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t)=0 \text{ 모든 }(x,t) &\iff 4\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)=0\text{ 모든 }(x,t)\\ &\iff \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi,\eta\big)=0\text{ 모든 }(\xi,\eta) \end{aligned}

(b) 이제 ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=∂∂ξ[∂v∂η]=0\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta}\big(\xi,\eta\big) =\frac{\partial}{\partial\xi} \Big[\frac{\partial v}{\partial\eta}\Big]=0 이다. 잠시 ∂v∂η=w\frac{\partial v}{\partial \eta}=w 라고 놓자. 등식 ∂w∂ξ(ξ,η)=0\frac{\partial w}{\partial \xi}(\xi,\eta)=0 은, 각각의 고정된 η\eta 에 대해 w(ξ,η)w(\xi,\eta) 가 상수임을 뜻한다. 이 상수의 값은 η\eta 에 따라 달라질 수 있다. 즉 어떤 함수 HH 에 대해 ∂v∂η(ξ,η)=w(ξ,η)=H(η)\frac{\partial v}{\partial \eta}(\xi,\eta)=w(\xi,\eta) =H(\eta) 이다. (확인해 보면 ∂∂ξH(η)=0\frac{\partial }{\partial \xi}H(\eta)=0 이다.) 따라서 vv 의 η\eta 에 대한 도함수는 (ξ\xi 를 상수로 보면) H(η)H(\eta) 이다.

G(η)G(\eta) 를 도함수가 H(η)H(\eta) 인 임의의 함수 (즉 H(η)H(\eta) 의 부정적분)라고 하자. 그러면 ∂∂η[v(ξ,η)−G(η)]=H(η)−H(η)=0\frac{\partial }{\partial \eta}\big[v(\xi,\eta)-G(\eta)]=H(\eta)-H(\eta)=0 이다. 이것은 각각의 고정된 ξ\xi 에 대해 v(ξ,η)−G(ξ,η)v(\xi,\eta)-G(\xi,\eta) 가 η\eta 와 무관한 상수일 때, 그리고 그때에 한해 성립한다. 즉 다음과 필요충분조건이다.

v(ξ,η)−G(η)=F(ξ)v(\xi,\eta)-G(\eta)=F(\xi)

(어떤 함수 FF 에 대해). 따라서

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=0  ⟺  ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=0 모든 (ξ,η)  ⟺  v(ξ,η)=F(ξ)+G(η) 어떤 함수 F 와 G 에 대해  ⟺  u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))=F(ξ(x,t))+G(η(x,t))  ⟺  u(x,t) =F(x−ct)+G(x+ct)\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t)=0 &\iff \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi,\eta\big)=0\text{ 모든 }(\xi,\eta)\\ &\iff v(\xi,\eta)=F(\xi)+G(\eta)\text{ 어떤 함수 $F$ 와 $G$ 에 대해}\\ &\iff u(x,t)=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) =F\big(\xi(x,t)\big)+G\big(\eta(x,t)\big)\\ &\phantom{\iff u(x,t)\,}=F(x-ct)+G(x+ct) \end{aligned}

(c) F(x−ct)F(x-ct) 의 해석을 제시하겠다. G(x+ct)G(x+ct) 의 경우도 비슷하다. u(x,t)=F(x−ct)u(x,t)=F(x-ct) 라고 하자. u(x,t)u(x,t) 를 위치 xx, 시각 tt 에서의 물의 높이라고 생각하자. 임의의 수 zz 를 잡자. 시공간에서 x−ct=zx-ct=z 를 만족하는 모든 점 (x,t)(x,t) 는 uu 의 값이 F(z)F(z) 로 모두 같다. 그러므로 위치가 x=z+ctx=z+ct 가 되도록 움직이면 (즉 속력 cc 로 오른쪽으로 움직이면) 항상 같은 파동의 높이를 보게 된다. 따라서 F(x−ct)F(x-ct) 는 속력 cc 로 오른쪽으로 진행하는 파동을 나타낸다.

그림

마찬가지로 G(x+ct)G(x+ct) 는 속력 cc 로 왼쪽으로 진행하는 파동을 나타낸다.

원본 교재 풀이(영어)

Recall that u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))u(x,t)=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big). By the chain rule

∂u∂x(x,t)=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂u∂t(x,t)=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t=−c∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))+c∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial u}{\partial x}(x,t) &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x} \\ &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \\ \frac{\partial u}{\partial t}(x,t) &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t} \\ &= -c\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +c\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

Again by the chain rule

∂2u∂x2(x,t)=∂∂x[∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))]+∂∂x[∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))]=∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂2v ∂η∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x+∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x=∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))+2∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) &= \frac{\partial }{\partial x} \Big[\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] + \frac{\partial }{\partial x} \Big[\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big]\\ &= \frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial^2 v\,}{\partial\eta\partial \xi} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x}\\& + \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial \eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial^2 v}{\partial \eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x}\\ &=\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +2\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial \eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +\frac{\partial^2 v}{\partial \eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

and

∂2u∂t2(x,t)=−c∂∂t[∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))]+c∂∂t[∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))]=−c[∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂2v ∂η∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t]+c[∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t]=c2∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))−2c2∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))+c2∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t) &=-c \frac{\partial }{\partial t} \Big[\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] +c \frac{\partial }{\partial t} \Big[ \frac{\partial v}{\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] \\ &=-c \Big[\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial^2 v\,}{\partial\eta\partial \xi} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t}\Big] \\& +c \Big[\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial^2 v}{\partial\eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t}\Big]\\ &=c^2\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) -2c^2\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +c^2\frac{\partial^2 v}{\partial\eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

so that

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=4∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t) =4\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)

Hence

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=0 for all (x,t)  ⟺  4∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))=0 for all (x,t)  ⟺  ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=0 for all (ξ,η)\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t)=0 \text{ for all }(x,t) &\iff 4\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)=0\text{ for all }(x,t)\\ &\iff \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi,\eta\big)=0\text{ for all }(\xi,\eta) \end{aligned}

(b) Now ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=∂∂ξ[∂v∂η]=0\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta}\big(\xi,\eta\big) =\frac{\partial}{\partial\xi} \Big[\frac{\partial v}{\partial\eta}\Big]=0. Temporarily rename ∂v∂η=w\frac{\partial v}{\partial \eta}=w. The equation ∂w∂ξ(ξ,η)=0\frac{\partial w}{\partial \xi}(\xi,\eta)=0 says that, for each fixed η\eta, w(ξ,η)w(\xi,\eta) is a constant. The value of the constant may depend on η\eta. That is, ∂v∂η(ξ,η)=w(ξ,η)=H(η)\frac{\partial v}{\partial \eta}(\xi,\eta)=w(\xi,\eta) =H(\eta), for some function HH. (As a check, observe that ∂∂ξH(η)=0\frac{\partial }{\partial \xi}H(\eta)=0.) So the derivative of vv with respect to η\eta, (viewing ξ\xi as a constant) is H(η)H(\eta).

Let G(η)G(\eta) be any function whose derivative is H(η)H(\eta) (i.e. an indefinite integral of H(η)H(\eta)). Then ∂∂η[v(ξ,η)−G(η)]=H(η)−H(η)=0\frac{\partial }{\partial \eta}\big[v(\xi,\eta)-G(\eta)]=H(\eta)-H(\eta)=0. This is the case if and only if, for each fixed ξ\xi, v(ξ,η)−G(ξ,η)v(\xi,\eta)-G(\xi,\eta) is a constant, independent of η\eta. That is, if and only if

v(ξ,η)−G(η)=F(ξ)v(\xi,\eta)-G(\eta)=F(\xi)

for some function FF. Hence

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=0  ⟺  ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=0 for all (ξ,η)  ⟺  v(ξ,η)=F(ξ)+G(η) for some functions F and G  ⟺  u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))=F(ξ(x,t))+G(η(x,t))  ⟺  u(x,t) =F(x−ct)+G(x+ct)\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t)=0 &\iff \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi,\eta\big)=0\text{ for all }(\xi,\eta)\\ &\iff v(\xi,\eta)=F(\xi)+G(\eta)\text{ for some functions $F$ and $G$}\\ &\iff u(x,t)=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) =F\big(\xi(x,t)\big)+G\big(\eta(x,t)\big)\\ &\phantom{\iff u(x,t)\,}=F(x-ct)+G(x+ct) \end{aligned}

(c) We'll give the interpretation of F(x−ct)F(x-ct). The case G(x+ct)G(x+ct) is similar. Suppose that u(x,t)=F(x−ct)u(x,t)=F(x-ct). Think of u(x,t)u(x,t) as the height of water at position xx and time tt. Pick any number zz. All points (x,t)(x,t) in space time for which x−ct=zx-ct=z have the same value of uu, namely F(z)F(z). So if you move so that your position is x=z+ctx=z+ct (i.e. you move the right with speed cc) you always see the same wave height. Thus F(x−ct)F(x-ct) represents a wave moving to the right with speed cc.

figure

Similarly, G(x+ct)G(x+ct) represents a wave moving to the left with speed cc.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.4절 · 17번
# 다변수 연쇄법칙증명·논술도전자동 분류
8.CLP-3 · 2.5절 · 15번대학 수준우리말 번역

방정식이

z=xye−(x2+y2)/2z=xy e^{-(x^2+y^2)/2}

인 곡면에 접하는 수평 평면을 모두 구하세요.

이 곡면 위에서 zz의 최댓값과 최솟값은 각각 얼마입니까?

영어 원문 보기

Find all horizontal planes that are tangent to the surface with equation

z=xye−(x2+y2)/2z=xy e^{-(x^2+y^2)/2}

What are the largest and smallest values of zz on this surface?

정답·풀이 보기

(x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 을 곡면 위의 임의의 점이라 하자. (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 에서 곡면에 수직인 벡터는

∇(xye−(x2+y2)/2−z)∣(x0,y0,z0)=<y0e−(x02+y02)/2−x02y0e−(x02+y02)/2,x0e−(x02+y02)/2−x0y02e−(x02+y02)/2,−1>\begin{aligned} &{ \boldsymbol{\nabla} }\Big(xy e^{-(x^2+y^2)/2}-z\Big)\bigg|_{(x_0,y_0,z_0)} \\& =\left< y_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}-x_0^2y_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}, x_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}-x_0y_0^2 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2},-1\right> \end{aligned}

이다.

(x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 에서 곡면의 접평면이 수평이 될 필요충분조건은 이 벡터가 수직인 것이고, 이는 이 벡터의 xx성분과 yy성분이 모두 0인 것과 같으며, 이는 다시 다음과 같다.

y0(1−x02)=0 그리고 x0(1−y02)=0  ⟺  {y0=0 또는 x0=1 또는 x0=−1} 그리고 {x0=0 또는 y0=1 또는 y0=−1}  ⟺  (x0,y0)=(0,0) 또는 (1,1) 또는 (1,−1) 또는 (−1,1) 또는 (−1,−1)\begin{aligned} &y_0(1-x_0^2)=0\text{ 그리고 }x_0(1-y_0^2)=0\\ &\iff\big\{y_0=0\text{ 또는 }x_0=1\text{ 또는 }x_0=-1\big\} \text{ 그리고 }\big\{x_0=0\text{ 또는 }y_0=1\text{ 또는 }y_0=-1\big\}\\ &\iff (x_0,y_0)=(0,0)\text{ 또는 }(1,1)\text{ 또는 }(1,-1) \text{ 또는 }(-1,1)\text{ 또는 }(-1,-1) \end{aligned}

이 점들에서 z0z_0 의 값은 각각 00, e−1e^{-1}, −e−1-e^{-1}, −e−1-e^{-1}, e−1e^{-1} 이다. 따라서 수평인 접평면은 z=0z=0, z=e−1z=e^{-1}, z=−e−1z=-e^{-1} 이다. 곡면의 가장 높은 점과 가장 낮은 점에서는 접평면이 수평이다. 따라서 zz의 최댓값과 최솟값은 각각 e−1e^{-1} 과 −e−1-e^{-1} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) be any point on the surface. A vector normal to the surface at (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) is

∇(xye−(x2+y2)/2−z)∣(x0,y0,z0)=<y0e−(x02+y02)/2−x02y0e−(x02+y02)/2,x0e−(x02+y02)/2−x0y02e−(x02+y02)/2,−1>\begin{aligned} &{ \boldsymbol{\nabla} }\Big(xy e^{-(x^2+y^2)/2}-z\Big)\bigg|_{(x_0,y_0,z_0)} \\& =\left< y_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}-x_0^2y_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}, x_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}-x_0y_0^2 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2},-1\right> \end{aligned}

The tangent plane to the surface at (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) is horizontal if and only if this vector is vertical, which is the case if and only if its xx- and yy-components are zero, which in turn is the case if and only if

y0(1−x02)=0 and x0(1−y02)=0  ⟺  {y0=0 or x0=1 or x0=−1} and {x0=0 or y0=1 or y0=−1}  ⟺  (x0,y0)=(0,0) or (1,1) or (1,−1) or (−1,1) or (−1,−1)\begin{aligned} &y_0(1-x_0^2)=0\text{ and }x_0(1-y_0^2)=0\\ &\iff\big\{y_0=0\text{ or }x_0=1\text{ or }x_0=-1\big\} \text{ and }\big\{x_0=0\text{ or }y_0=1\text{ or }y_0=-1\big\}\\ &\iff (x_0,y_0)=(0,0)\text{ or }(1,1)\text{ or }(1,-1) \text{ or }(-1,1)\text{ or }(-1,-1) \end{aligned}

The values of z0z_0 at these points are 00, e−1e^{-1}, −e−1-e^{-1}, −e−1-e^{-1} and e−1e^{-1}, respectively. So the horizontal tangent planes are z=0z=0, z=e−1z=e^{-1} and z=−e−1z=-e^{-1}. At the highest and lowest points of the surface, the tangent plane is horizontal. So the largest and smallest values of zz are e−1e^{-1} and −e−1-e^{-1}, respectively.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 20번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
9.CLP-3 · 2.5절 · 16번대학 수준우리말 번역

SS 를 곡면

xy−2x+yz+x2+y2+z3=7xy-2x+yz+x^2+y^2+z^3=7

이라고 하자.

(a) 점 (0,2,1)(0,2,1) 에서 곡면 SS 의 접평면과 법선을 구하세요. (b) SS 를 정의하는 방정식은 (x,y,z)(x,y,z) 가 (0,2,1)(0,2,1) 근처에 있을 때 zz 를 xx 와 yy 의 함수로 음함수 꼴로 정의한다. ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x} 와 ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} 에 대한 식을 구하세요. (x,y,z)=(0,2,1)(x,y,z)=(0,2,1) 에서 ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} 의 값을 구하세요. (c) ∂2z ∂x∂y\frac{\partial^2 z\,}{\partial x\partial y} 에 대한 식을 구하세요.

영어 원문 보기

Let SS be the surface

xy−2x+yz+x2+y2+z3=7xy-2x+yz+x^2+y^2+z^3=7

(a) Find the tangent plane and normal line to the surface SS at the point (0,2,1)(0,2,1). (b) The equation defining SS implicitly defines zz as a function of xx and yy for (x,y,z)(x,y,z) near (0,2,1)(0,2,1). Find expressions for ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x} and ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y}. Evaluate ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} at (x,y,z)=(0,2,1)(x,y,z)=(0,2,1). (c) Find an expression for ∂2z ∂x∂y\frac{\partial^2 z\,}{\partial x\partial y}.

정답·풀이 보기

(a) 점 (0,2,1)(0,2,1) 에서 곡면의 법선벡터는

∇(xy−2x+yz+x2+y2+z3−7)∣(0,2,1)=<y−2+2x , x+z+2y , y+3z2>∣(0,2,1)=<0,5,5>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\big(xy-2x+yz+x^2+y^2+z^3-7\big)\big|_{(0,2,1)} &=\left< y-2+2x\,,\,x+z+2y\,,\,y+3z^2\right>\big|_{(0,2,1)}\\ &=\left< 0, 5, 5\right> \end{aligned}

이다. 따라서 접평면은

0(x−0)+5(y−2)+5(z−1)=0 또는 y+z=3\begin{aligned} 0(x-0)+5(y-2)+5(z-1)=0\text{ 또는 }y+z=3 \end{aligned}

이다. 법선의 벡터 매개변수 방정식은

r(t)=<0,2,1>+t<0,5,5>\mathbf{r}(t)=\left< 0,2,1\right>+t\left< 0,5,5\right>

이다.

(b)

xy−2x+y z(x,y)+x2+y2+z(x,y)3=7xy-2x+y\,z(x,y)+x^2+y^2+z(x,y)^3=7

을 미분하면

y−2+y zx(x,y)+2x+3z(x,y)2zx(x,y)=0  ⟹  zx(x,y)=2−2x−yy+3z(x,y)2x+z(x,y)+y zy(x,y)+2y+3z(x,y)2zy(x,y)=0  ⟹  zy(x,y)=−x+2y+z(x,y)y+3z(x,y)2\begin{aligned} y-2+y\,z_x(x,y)+2x+3z(x,y)^2z_x(x,y)&=0 & &\implies & z_x(x,y)&=\frac{2-2x-y}{y+3z(x,y)^2}\\ x+z(x,y)+y\,z_y(x,y)+2y+3z(x,y)^2z_y(x,y)&=0 & &\implies & z_y(x,y)&=-\frac{x+2y+z(x,y)}{y+3z(x,y)^2} \end{aligned}

이다. 특히 (0,2,1)(0,2,1) 에서 zy(0,2)=−4+12+3=−1z_y(0,2)=-\frac{4+1}{2+3}=-1 이다.

(c) zxz_x 를 yy 에 대해 미분하면

zxy(x,y)=−1y+3z(x,y)2−2−2x−y[y+3z(x,y)2]2(1+6z(x,y)zy(x,y))=−1y+3z(x,y)2−2−2x−y[y+3z(x,y)2]2(1−6z(x,y)x+2y+z(x,y)y+3z(x,y)2)\begin{aligned} z_{xy}(x,y) &=-\frac{1}{y+3z(x,y)^2} -\frac{2-2x-y}{{[y+3z(x,y)^2]}^2}\big(1+6z(x,y)z_y(x,y)\big)\\ &=-\frac{1}{y+3z(x,y)^2} -\frac{2-2x-y}{{[y+3z(x,y)^2]}^2} \left(1-6z(x,y)\frac{x+2y+z(x,y)}{y+3z(x,y)^2}\right) \end{aligned}

이다.

다른 풀이로, zyz_y 를 xx 에 대해 미분할 수도 있다. 그러면

zyx(x,y)=−1+zx(x,y)y+3z(x,y)2+x+2y+z(x,y)[y+3z(x,y)2]26z(x,y)zx(x,y)=−1y+3z(x,y)2(1+2−2x−yy+3z(x,y)2)+x+2y+z(x,y)[y+3z(x,y)2]26z(x,y)2−2x−yy+3z(x,y)2\begin{aligned} z_{yx}(x,y) &=-\frac{1+z_x(x,y)}{y+3z(x,y)^2} +\frac{x+2y+z(x,y)}{{[y+3z(x,y)^2]}^2}6z(x,y)z_x(x,y)\\ &=-\frac{1}{y+3z(x,y)^2}\left(1+\frac{2-2x-y}{y+3z(x,y)^2}\right) +\frac{x+2y+z(x,y)}{{[y+3z(x,y)^2]}^2}6z(x,y)\frac{2-2x-y}{y+3z(x,y)^2} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) A normal vector to the surface at (0,2,1)(0,2,1) is

∇(xy−2x+yz+x2+y2+z3−7)∣(0,2,1)=<y−2+2x , x+z+2y , y+3z2>∣(0,2,1)=<0,5,5>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\big(xy-2x+yz+x^2+y^2+z^3-7\big)\big|_{(0,2,1)} &=\left< y-2+2x\,,\,x+z+2y\,,\,y+3z^2\right>\big|_{(0,2,1)}\\ &=\left< 0, 5, 5\right> \end{aligned}

So the tangent plane is

0(x−0)+5(y−2)+5(z−1)=0 or y+z=3\begin{aligned} 0(x-0)+5(y-2)+5(z-1)=0\text{ or }y+z=3 \end{aligned}

The vector parametric equations for the normal line are

r(t)=<0,2,1>+t<0,5,5>\mathbf{r}(t)=\left< 0,2,1\right>+t\left< 0,5,5\right>

(b) Differentiating

xy−2x+y z(x,y)+x2+y2+z(x,y)3=7xy-2x+y\,z(x,y)+x^2+y^2+z(x,y)^3=7

gives

y−2+y zx(x,y)+2x+3z(x,y)2zx(x,y)=0  ⟹  zx(x,y)=2−2x−yy+3z(x,y)2x+z(x,y)+y zy(x,y)+2y+3z(x,y)2zy(x,y)=0  ⟹  zy(x,y)=−x+2y+z(x,y)y+3z(x,y)2\begin{aligned} y-2+y\,z_x(x,y)+2x+3z(x,y)^2z_x(x,y)&=0 & &\implies & z_x(x,y)&=\frac{2-2x-y}{y+3z(x,y)^2}\\ x+z(x,y)+y\,z_y(x,y)+2y+3z(x,y)^2z_y(x,y)&=0 & &\implies & z_y(x,y)&=-\frac{x+2y+z(x,y)}{y+3z(x,y)^2} \end{aligned}

In particular, at (0,2,1)(0,2,1), zy(0,2)=−4+12+3=−1z_y(0,2)=-\frac{4+1}{2+3}=-1.

(c) Differentiating zxz_x with respect to yy gives

zxy(x,y)=−1y+3z(x,y)2−2−2x−y[y+3z(x,y)2]2(1+6z(x,y)zy(x,y))=−1y+3z(x,y)2−2−2x−y[y+3z(x,y)2]2(1−6z(x,y)x+2y+z(x,y)y+3z(x,y)2)\begin{aligned} z_{xy}(x,y) &=-\frac{1}{y+3z(x,y)^2} -\frac{2-2x-y}{{[y+3z(x,y)^2]}^2}\big(1+6z(x,y)z_y(x,y)\big)\\ &=-\frac{1}{y+3z(x,y)^2} -\frac{2-2x-y}{{[y+3z(x,y)^2]}^2} \left(1-6z(x,y)\frac{x+2y+z(x,y)}{y+3z(x,y)^2}\right) \end{aligned}

As an alternate solution, we could also differentiate zyz_y with respect to xx. This gives

zyx(x,y)=−1+zx(x,y)y+3z(x,y)2+x+2y+z(x,y)[y+3z(x,y)2]26z(x,y)zx(x,y)=−1y+3z(x,y)2(1+2−2x−yy+3z(x,y)2)+x+2y+z(x,y)[y+3z(x,y)2]26z(x,y)2−2x−yy+3z(x,y)2\begin{aligned} z_{yx}(x,y) &=-\frac{1+z_x(x,y)}{y+3z(x,y)^2} +\frac{x+2y+z(x,y)}{{[y+3z(x,y)^2]}^2}6z(x,y)z_x(x,y)\\ &=-\frac{1}{y+3z(x,y)^2}\left(1+\frac{2-2x-y}{y+3z(x,y)^2}\right) +\frac{x+2y+z(x,y)}{{[y+3z(x,y)^2]}^2}6z(x,y)\frac{2-2x-y}{y+3z(x,y)^2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 12.7절 · 3번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
10.CLP-3 · 2.5절 · 17번대학 수준우리말 번역

(a) 방정식이 x2+z2=10x^2+z^2=10 인 곡면에 수직이고 점 (1,1,3)(1,1,3) 에서의 벡터를 구하세요. (b) (a)의 곡면과 곡면 y2+z2=10y^2+z^2=10 의 교선인 곡선에 접하고 같은 점에서의 벡터를 구하세요. (c) 그 점에서 그 곡선에 접하는 직선의 매개변수 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find a vector perpendicular at the point (1,1,3)(1,1,3) to the surface with equation x2+z2=10x^2+z^2=10. (b) Find a vector tangent at the same point to the curve of intersection of the surface in part (a) with surface y2+z2=10y^2+z^2=10. (c) Find parametric equations for the line tangent to that curve at that point.

정답·풀이 보기

(a) 점 (1,1,3)(1,1,3) 에서 x2+z2=10x^2+z^2=10 에 수직인 벡터는

∇(x2+z2)∣(1,1,3)=(2xı^+2zk^)∣(1,1,3)=2ı^+6k^ 또는 12<2,0,6>=<1,0,3>{ \boldsymbol{\nabla} }(x^2+z^2)\big|_{(1,1,3)} =(2x\hat{\boldsymbol{\imath}}+2z\hat{\mathbf{k}})\big|_{(1,1,3)} =2\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\hat{\mathbf{k}}\text{ 또는 } \frac{1}{2} \left< 2,0,6\right>=\left< 1,0,3\right>

이다.

(b) 점 (1,1,3)(1,1,3) 에서 y2+z2=10y^2+z^2=10 에 수직인 벡터는

∇(y2+z2)∣(1,1,3)=(2yȷ^+2zk^)∣(1,1,3)=2ȷ^+6k^ 또는 12<0,2,6>=<0,1,3>{ \boldsymbol{\nabla} }(y^2+z^2)\big|_{(1,1,3)} =(2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2z\hat{\mathbf{k}})\big|_{(1,1,3)} =2\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\hat{\mathbf{k}}\text{ 또는 }\frac{1}{2} \left< 0,2,6\right>=\left< 0,1,3\right>

이다.

벡터가 주어진 점에서 주어진 곡선에 접하기 위한 필요충분조건은 그 벡터가 (1,0,3)(1,0,3) 과 (0,1,3)(0,1,3) 에 모두 수직인 것이다. 그러한 벡터 하나는

<0,1,3>×<1,0,3>=det⁡[ı^ȷ^k^013103]=<3,3,−1>\left< 0,1,3\right>\times\left<1,0,3\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 1 & 3 \\ 1 & 0 & 3 \end{matrix}\right] =\left< 3,3,-1\right>

이다.

(c) 구하는 접선은 점 (1,1,3)(1,1,3) 을 지나고 방향벡터가 <3,3,−1>\left< 3,3,-1\right> 이므로 벡터 매개변수 방정식은

r(t)=<1,1,3>+t<3,3,−1>\mathbf{r}(t)=\left< 1,1,3\right>+t\left< 3,3,-1\right>

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) A vector perpendicular to x2+z2=10x^2+z^2=10 at (1,1,3)(1,1,3) is

∇(x2+z2)∣(1,1,3)=(2xı^+2zk^)∣(1,1,3)=2ı^+6k^ or 12<2,0,6>=<1,0,3>{ \boldsymbol{\nabla} }(x^2+z^2)\big|_{(1,1,3)} =(2x\hat{\boldsymbol{\imath}}+2z\hat{\mathbf{k}})\big|_{(1,1,3)} =2\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\hat{\mathbf{k}}\text{ or } \frac{1}{2} \left< 2,0,6\right>=\left< 1,0,3\right>

(b) A vector perpendicular to y2+z2=10y^2+z^2=10 at (1,1,3)(1,1,3) is

∇(y2+z2)∣(1,1,3)=(2yȷ^+2zk^)∣(1,1,3)=2ȷ^+6k^ or 12<0,2,6>=<0,1,3>{ \boldsymbol{\nabla} }(y^2+z^2)\big|_{(1,1,3)} =(2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2z\hat{\mathbf{k}})\big|_{(1,1,3)} =2\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\hat{\mathbf{k}}\text{ or }\frac{1}{2} \left< 0,2,6\right>=\left< 0,1,3\right>

A vector is tangent to the specified curve at the specified point if and only if it perpendicular to both (1,0,3)(1,0,3) and (0,1,3)(0,1,3). One such vector is

<0,1,3>×<1,0,3>=det⁡[ı^ȷ^k^013103]=<3,3,−1>\left< 0,1,3\right>\times\left<1,0,3\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 1 & 3 \\ 1 & 0 & 3 \end{matrix}\right] =\left< 3,3,-1\right>

(c) The specified tangent line passes through (1,1,3)(1,1,3) and has direction vector <3,3,−1>\left< 3,3,-1\right> and so has vector parametric equation

r(t)=<1,1,3>+t<3,3,−1>\mathbf{r}(t)=\left< 1,1,3\right>+t\left< 3,3,-1\right>

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.5절 · 14번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
11.CLP-3 · 2.5절 · 18번대학 수준우리말 번역

곡선

r(t)=t3 ı^+t ȷ^+t2 k^,(0≤t<∞)\mathbf{r}(t) = t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + t^2\,\hat{\mathbf{k}},\qquad (0 \le t <\infty)

이 곡면

z3+xyz−2=0z^3 + xyz -2 = 0

과 만나는 점을 PP 라 합시다. PP 에서 곡선과 곡면이 이루는 (예각의) 각을 구하세요.

영어 원문 보기

Let PP be the point where the curve

r(t)=t3 ı^+t ȷ^+t2 k^,(0≤t<∞)\mathbf{r}(t) = t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + t^2\,\hat{\mathbf{k}},\qquad (0 \le t <\infty)

intersects the surface

z3+xyz−2=0z^3 + xyz -2 = 0

Find the (acute) angle between the curve and the surface at PP.

정답·풀이 보기

r(t)=<x(t) , y(t) , z(t)>\mathbf{r}(t)=\left< x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\right> 가 z3+xyz−2=0z^3 + xyz -2 = 0 과 만나는 경우는

z(t)3+x(t) y(t) z(t)−2=0  ⟺  (t2)3+(t3)(t)(t2)−2=0  ⟺  2t6=2  ⟺  t=1z(t)^3+x(t)\,y(t)\,z(t)-2=0\iff \big(t^2\big)^3 + \big(t^3)(t)\big(t^2\big)-2=0 \iff 2t^6=2\iff t=1

이다. tt 는 양수여야 하기 때문이다. t=1t=1 에서 곡선의 방향 벡터는

r′(1)=3 ı^+ȷ^+2 k^\mathbf{r}'(1)=3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}

이다.

r(1)=<1,1,1>\mathbf{r}(1)=\left< 1,1,1\right> 에서 곡면의 법선 벡터는

∇(z3+xyz)∣(1,1,1)=[yzı^+xzȷ^+(3z2+xy)k^](1,1,1)=ı^+ȷ^+4k^{ \boldsymbol{\nabla} }(z^3+xyz)\big|_{(1,1,1)}=[yz\hat{\boldsymbol{\imath}}+xz\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(3z^2+xy)\hat{\mathbf{k}}]_{(1,1,1)} =\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\hat{\mathbf{k}}

이다.

곡선과 곡면의 법선 벡터가 이루는 각 θ\theta 는 다음으로 결정된다.

∣<3,1,2>∣ ∣<1,1,4>∣cos⁡θ=<3,1,2>⋅<1,1,4>  ⟺  1418cos⁡θ=12  ⟺  7×36cos⁡θ=12  ⟺  cos⁡θ=27  ⟺  θ=40.89∘\begin{aligned} \big|\left< 3,1,2\right>\big|\,\big|\left< 1,1,4\right>\big|\cos\theta =\left< 3,1,2\right> \cdot\left< 1,1,4\right> &\iff \sqrt{14}\sqrt{18}\cos\theta=12 \\ &\iff \sqrt{7\times 36}\cos\theta=12 \\ &\iff \cos\theta=\frac{2}{\sqrt{7}} \\ &\iff \theta=40.89^\circ \end{aligned}

따라서 곡선과 곡면이 이루는 각은 90−40.89=49.11∘90-40.89=49.11^\circ (소수 둘째 자리까지)이다.

원본 교재 풀이(영어)

r(t)=<x(t) , y(t) , z(t)>\mathbf{r}(t)=\left< x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\right> intersects z3+xyz−2=0z^3 + xyz -2 = 0 when

z(t)3+x(t) y(t) z(t)−2=0  ⟺  (t2)3+(t3)(t)(t2)−2=0  ⟺  2t6=2  ⟺  t=1z(t)^3+x(t)\,y(t)\,z(t)-2=0\iff \big(t^2\big)^3 + \big(t^3)(t)\big(t^2\big)-2=0 \iff 2t^6=2\iff t=1

since tt is required to be positive. The direction vector for the curve at t=1t=1 is

r′(1)=3 ı^+ȷ^+2 k^\mathbf{r}'(1)=3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}

A normal vector for the surface at r(1)=<1,1,1>\mathbf{r}(1)=\left< 1,1,1\right> is

∇(z3+xyz)∣(1,1,1)=[yzı^+xzȷ^+(3z2+xy)k^](1,1,1)=ı^+ȷ^+4k^{ \boldsymbol{\nabla} }(z^3+xyz)\big|_{(1,1,1)}=[yz\hat{\boldsymbol{\imath}}+xz\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(3z^2+xy)\hat{\mathbf{k}}]_{(1,1,1)} =\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\hat{\mathbf{k}}

The angle θ\theta between the curve and the normal vector to the surface is determined by

∣<3,1,2>∣ ∣<1,1,4>∣cos⁡θ=<3,1,2>⋅<1,1,4>  ⟺  1418cos⁡θ=12  ⟺  7×36cos⁡θ=12  ⟺  cos⁡θ=27  ⟺  θ=40.89∘\begin{aligned} \big|\left< 3,1,2\right>\big|\,\big|\left< 1,1,4\right>\big|\cos\theta =\left< 3,1,2\right> \cdot\left< 1,1,4\right> &\iff \sqrt{14}\sqrt{18}\cos\theta=12 \\ &\iff \sqrt{7\times 36}\cos\theta=12 \\ &\iff \cos\theta=\frac{2}{\sqrt{7}} \\ &\iff \theta=40.89^\circ \end{aligned}

The angle between the curve and the surface is 90−40.89=49.11∘90-40.89=49.11^\circ (to two decimal places).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 12.7절 · 4번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
12.CLP-3 · 2.6절 · 19번대학 수준우리말 번역

다음 곡면을 생각하세요.

z3−xyz2−4x=0.z^3 - xyz^2 - 4x = 0.

(a) ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}, ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} 를 xx, yy, zz 의 함수로 나타내는 식을 구하세요. (b) (1,1,2)(1, 1, 2) 에서 ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}, ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} 의 값을 구하세요. (c) 측정에는 오차가 있어서 x=1±0.03x = 1 \pm 0.03 이고 y=1±0.02y = 1 \pm 0.02 입니다. 이때 zz 를 측정할 때의 최대 오차를 구하세요. (d) 한 입자가 이 곡면 위를 움직이는데, 그 경로를 xyxy 평면에 사영한 것이 각 θ\theta 에 대하여

x(θ)=1+cos⁡θ, y(θ)=sin⁡θx(\theta) = 1 + \cos\theta,\ y(\theta) = \sin\theta

로 주어지고, 점 A:x=2, y=0A : x = 2,\ y = 0 에서 점 B:x=1, y=1B : x = 1,\ y = 1 까지 움직입니다. 점 AA 와 BB 에서 dzdθ\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}\theta} 를 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the surface given by:

z3−xyz2−4x=0.z^3 - xyz^2 - 4x = 0.

(a) Find expressions for ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}, ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} as functions of xx, yy, zz. (b) Evaluate ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}, ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} at (1,1,2)(1, 1, 2). (c) Measurements are made with errors, so that x=1±0.03x = 1 \pm 0.03 and y=1±0.02y = 1 \pm 0.02. Find the corresponding maximum error in measuring zz. (d) A particle moves over the surface along the path whose projection in the xyxy–plane is given in terms of the angle θ\theta as

x(θ)=1+cos⁡θ, y(θ)=sin⁡θx(\theta) = 1 + \cos\theta,\ y(\theta) = \sin\theta

from the point A:x=2, y=0A : x = 2,\ y = 0 to the point B:x=1, y=1B : x = 1,\ y = 1. Find dzdθ\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}\theta} at points AA and BB.

정답·풀이 보기

(a) 주어진 조건에서

z(x,y)3−xy z(x,y)2−4x=0z(x,y)^3 - xy\,z(x,y)^2 - 4x = 0

이 모든 (x,y)(x,y) ((1,1)(1,1) 에 충분히 가까운)에 대해 성립한다. 이 방정식의 양변을 xx 에 대해 미분하면

3z(x,y)2 ∂z∂x(x,y)−y z(x,y)2−2xy z(x,y)∂z∂x(x,y)−4=0  ⟹  ∂z∂x=4+yz23z2−2xyz\begin{aligned} & 3z(x,y)^2\,\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) -y\, z(x,y)^2 -2xy\,z(x,y)\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) - 4=0 \\ \implies &\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{4+yz^2}{3z^2-2xyz} \end{aligned}

이고, yy 에 대해 미분하면

3z(x,y)2 ∂z∂y(x,y)−x z(x,y)2−2xy z(x,y)∂z∂y(x,y)=0  ⟹  ∂z∂y=xz23z2−2xyz\begin{aligned} & 3z(x,y)^2\,\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) -x\, z(x,y)^2 -2xy\,z(x,y)\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) =0 \\ \implies &\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{xz^2}{3z^2-2xyz} \end{aligned}

이다.

(b) (x,y,z)=(1,1,2)(x,y,z)=(1,1,2) 일 때,

∂z∂x(1,1)=4+(1)(2)23(2)2−2(1)(1)(2)=1∂z∂y(1,1)=(1)(2)23(2)2−2(1)(1)(2)=12\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) = \frac{4+(1)(2)^2}{3(2)^2-2(1)(1)(2)} = 1\qquad \frac{\partial z}{\partial y}(1,1) = \frac{(1)(2)^2}{3(2)^2-2(1)(1)(2)} = \frac{1}{2} \end{aligned}

이다.

(c) (1,1)(1,1) 에서의 일차 근사에 의하면

z(x,y)≈z(1,1)+zx(1,1) (x−1)+zy (1,1) (y−1)=2+(x−1)+12(y−1)z(x,y) \approx z(1,1) + z_x(1,1)\,(x-1) + z_y\,(1,1)\,(y-1) = 2 + (x-1) +\frac{1}{2}(y-1)

이다. 따라서 xx 의 오차 ±0.03\pm 0.03 과 yy 의 오차 ±0.02\pm 0.02 로 인해 zz 에는 약

±[0.03+12(0.02)]=±0.04\pm\left[0.03 + \frac{1}{2}(0.02)\right] =\pm 0.04

의 오차가 생긴다.

(d) 연쇄 법칙에 의해

ddθz(x(θ),y(θ))=zx(x(θ),y(θ)) x′(θ)+zy(x(θ),y(θ)) y′(θ)=−zx(1+cos⁡θ,sin⁡θ) sin⁡θ+zy(1+cos⁡θ,sin⁡θ) cos⁡θ\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}\theta} z\big(x(\theta),y(\theta)\big) &= z_x\big(x(\theta),y(\theta)\big)\,x'(\theta) +z_y\big(x(\theta),y(\theta)\big)\,y'(\theta) \\ &=-z_x\big(1 + \cos\theta,\sin\theta\big)\,\sin\theta +z_y\big(1 + \cos\theta,\sin\theta\big)\,\cos\theta \end{aligned}

이다.

AA 에서는 x=2x=2, y=0y=0, z=2z=2 (z3−(2)(0)z2−4(2)=0z^3-(2)(0)z^2-4(2)=0 이므로)이고 θ=0\theta=0 이므로

∂z∂x(2,0)=4+(0)(2)23(2)2−2(2)(0)(2)=13∂z∂y(2,0)=(2)(2)23(2)2−2(2)(0)(2)=23\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(2,0) = \frac{4+(0)(2)^2}{3(2)^2-2(2)(0)(2)} = \frac{1}{3}\qquad \frac{\partial z}{\partial y}(2,0) = \frac{(2)(2)^2}{3(2)^2-2(2)(0)(2)} = \frac{2}{3} \end{aligned}

이고

dzdθ=−13sin⁡(0)+23cos⁡(0)=23\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}\theta} &=-\frac{1}{3}\sin(0) +\frac{2}{3}\cos(0) =\frac{2}{3} \end{aligned}

이다.

BB 에서는 x=1x=1, y=1y=1, z=2z=2 이고 θ=π2\theta=\frac{\pi}{2} 이므로 (b)에 의해

∂z∂x(1,1)=1∂z∂y(1,1)=12\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) = 1\qquad \frac{\partial z}{\partial y}(1,1) = \frac{1}{2} \end{aligned}

이고

dzdθ=−sin⁡π2+12cos⁡π2=−1\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}\theta} &=-\sin\frac{\pi}{2} +\frac{1}{2}\cos\frac{\pi}{2} = -1 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We are told that

z(x,y)3−xy z(x,y)2−4x=0z(x,y)^3 - xy\,z(x,y)^2 - 4x = 0

for all (x,y)(x,y) (sufficiently near (1,1)(1,1)). Differentiating this equation with respect to xx gives

3z(x,y)2 ∂z∂x(x,y)−y z(x,y)2−2xy z(x,y)∂z∂x(x,y)−4=0  ⟹  ∂z∂x=4+yz23z2−2xyz\begin{aligned} & 3z(x,y)^2\,\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) -y\, z(x,y)^2 -2xy\,z(x,y)\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) - 4=0 \\ \implies &\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{4+yz^2}{3z^2-2xyz} \end{aligned}

and differentiating with respect to yy gives

3z(x,y)2 ∂z∂y(x,y)−x z(x,y)2−2xy z(x,y)∂z∂y(x,y)=0  ⟹  ∂z∂y=xz23z2−2xyz\begin{aligned} & 3z(x,y)^2\,\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) -x\, z(x,y)^2 -2xy\,z(x,y)\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) =0 \\ \implies &\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{xz^2}{3z^2-2xyz} \end{aligned}

(b) When (x,y,z)=(1,1,2)(x,y,z)=(1,1,2),

∂z∂x(1,1)=4+(1)(2)23(2)2−2(1)(1)(2)=1∂z∂y(1,1)=(1)(2)23(2)2−2(1)(1)(2)=12\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) = \frac{4+(1)(2)^2}{3(2)^2-2(1)(1)(2)} = 1\qquad \frac{\partial z}{\partial y}(1,1) = \frac{(1)(2)^2}{3(2)^2-2(1)(1)(2)} = \frac{1}{2} \end{aligned}

(c) Under the linear approximation at (1,1)(1,1)

z(x,y)≈z(1,1)+zx(1,1) (x−1)+zy (1,1) (y−1)=2+(x−1)+12(y−1)z(x,y) \approx z(1,1) + z_x(1,1)\,(x-1) + z_y\,(1,1)\,(y-1) = 2 + (x-1) +\frac{1}{2}(y-1)

So errors of ±0.03\pm 0.03 in xx and ±0.02\pm 0.02 in yy leads of errors of about

±[0.03+12(0.02)]=±0.04\pm\left[0.03 + \frac{1}{2}(0.02)\right] =\pm 0.04

in zz.

(d) By the chain rule

ddθz(x(θ),y(θ))=zx(x(θ),y(θ)) x′(θ)+zy(x(θ),y(θ)) y′(θ)=−zx(1+cos⁡θ,sin⁡θ) sin⁡θ+zy(1+cos⁡θ,sin⁡θ) cos⁡θ\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}\theta} z\big(x(\theta),y(\theta)\big) &= z_x\big(x(\theta),y(\theta)\big)\,x'(\theta) +z_y\big(x(\theta),y(\theta)\big)\,y'(\theta) \\ &=-z_x\big(1 + \cos\theta,\sin\theta\big)\,\sin\theta +z_y\big(1 + \cos\theta,\sin\theta\big)\,\cos\theta \end{aligned}

At AA, x=2x=2, y=0y=0, z=2z=2 (since z3−(2)(0)z2−4(2)=0z^3-(2)(0)z^2-4(2)=0) and θ=0\theta=0, so that

∂z∂x(2,0)=4+(0)(2)23(2)2−2(2)(0)(2)=13∂z∂y(2,0)=(2)(2)23(2)2−2(2)(0)(2)=23\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(2,0) = \frac{4+(0)(2)^2}{3(2)^2-2(2)(0)(2)} = \frac{1}{3}\qquad \frac{\partial z}{\partial y}(2,0) = \frac{(2)(2)^2}{3(2)^2-2(2)(0)(2)} = \frac{2}{3} \end{aligned}

and

dzdθ=−13sin⁡(0)+23cos⁡(0)=23\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}\theta} &=-\frac{1}{3}\sin(0) +\frac{2}{3}\cos(0) =\frac{2}{3} \end{aligned}

At BB, x=1x=1, y=1y=1, z=2z=2 and θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, so that, by part (b),

∂z∂x(1,1)=1∂z∂y(1,1)=12\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) = 1\qquad \frac{\partial z}{\partial y}(1,1) = \frac{1}{2} \end{aligned}

and

dzdθ=−sin⁡π2+12cos⁡π2=−1\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}\theta} &=-\sin\frac{\pi}{2} +\frac{1}{2}\cos\frac{\pi}{2} = -1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 18번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
13.CLP-3 · 2.6절 · 20번대학 수준우리말 번역

R2\mathbb{R}^2 의 각 점 (x,y)(x, y) 를 ye−xye^{-x} 에 대응시키는 함수 ff 를 생각하자.

(a) x=1x = 1, y=ey = e 이고, xx 와 yy 를 각각 측정할 때 크기 0.10.1 의 오차가 생긴다고 하자. 이로 인해 f(x,y)f(x,y) 에 생길 수 있는 최대 오차를 어림하세요. (b) 함수 ff 의 그래프는 R3\mathbb{R}^3 안에 있고, 점 (1,e,1)(1, e, 1) 은 그 그래프 위에 있다. 그 점에서 그래프에 수직인 영벡터가 아닌 벡터를 하나 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the function ff that maps each point (x,y)(x, y) in R2\mathbb{R}^2 to ye−xye^{-x}.

(a) Suppose that x=1x = 1 and y=ey = e, but errors of size 0.10.1 are made in measuring each of xx and yy. Estimate the maximum error that this could cause in f(x,y)f(x,y). (b) The graph of the function ff sits in R3\mathbb{R}^3 , and the point (1,e,1)(1, e, 1) lies on that graph. Find a nonzero vector that is perpendicular to that graph at that point.

정답·풀이 보기

(x,y)=(1,e)(x,y)=(1,e) 에서 f(x,y)=ye−xf(x,y)=ye^{-x} 의 1계 편도함수가 필요하다. 다음과 같다.

fx(x,y)=−ye−xfx(1,e)=−e e−1=−1fy(x,y)=e−xfy(1,e)=e−1\begin{aligned} f_x(x,y)&= -ye^{-x} & f_x(1,e)&=-e\,e^{-1}=-1 \\ f_y(x,y)&=e^{-x} & f_y(1,e)&= e^{-1} \end{aligned}

(a) (x,y)=(1,e)(x,y)=(1,e) 에서 f(x,y)f(x,y) 의 선형 근사는 다음과 같다.

f(x,y)≈f(1,e)+fx(1,e) (x−1)+fy(1,e) (y−e)=1−(x−1)+e−1(y−e)\begin{aligned} f(x,y) \approx f(1,e) + f_x(1,e)\,(x-1) +f_y(1,e)\,(y-e) = 1 -(x-1) +e^{-1}(y-e) \end{aligned}

따라서 최대 오차는 대략 다음과 같다.

−1(−0.1)+e−1(0.1)=1+e−110\begin{aligned} -1(-0.1) +e^{-1}(0.1) =\frac{1+e^{-1}}{10} \end{aligned}

(b) 그래프의 방정식은 g(x,y,z)=f(x,y)−z=0g(x,y,z) = f(x,y) -z =0 이다. 다음 벡터의 0이 아닌 임의의 상수배는

∇g(1,e,1)=<fx(1,e) , fy(1,e) , −1>=<−1 , e−1 , −1>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } g(1,e,1) =\left< f_x(1,e)\,,\,f_y(1,e)\,,\,-1\right> =\left< -1\,,\,e^{-1}\,,\,-1\right> \end{aligned}

점 (1,e,1)(1,e,1) 에서 g=0g=0 에 수직이다.

원본 교재 풀이(영어)

We are going to need the first order partial derivatives of f(x,y)=ye−xf(x,y)=ye^{-x} at (x,y)=(1,e)(x,y)=(1,e). Here they are.

fx(x,y)=−ye−xfx(1,e)=−e e−1=−1fy(x,y)=e−xfy(1,e)=e−1\begin{aligned} f_x(x,y)&= -ye^{-x} & f_x(1,e)&=-e\,e^{-1}=-1 \\ f_y(x,y)&=e^{-x} & f_y(1,e)&= e^{-1} \end{aligned}

(a) The linear approximation to f(x,y)f(x,y) at (x,y)=(1,e)(x,y)=(1,e) is

f(x,y)≈f(1,e)+fx(1,e) (x−1)+fy(1,e) (y−e)=1−(x−1)+e−1(y−e)\begin{aligned} f(x,y) \approx f(1,e) + f_x(1,e)\,(x-1) +f_y(1,e)\,(y-e) = 1 -(x-1) +e^{-1}(y-e) \end{aligned}

The maximum error is then approximately

−1(−0.1)+e−1(0.1)=1+e−110\begin{aligned} -1(-0.1) +e^{-1}(0.1) =\frac{1+e^{-1}}{10} \end{aligned}

(b) The equation of the graph is g(x,y,z)=f(x,y)−z=0g(x,y,z) = f(x,y) -z =0. Any vector that is a nonzero constant times

∇g(1,e,1)=<fx(1,e) , fy(1,e) , −1>=<−1 , e−1 , −1>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } g(1,e,1) =\left< f_x(1,e)\,,\,f_y(1,e)\,,\,-1\right> =\left< -1\,,\,e^{-1}\,,\,-1\right> \end{aligned}

is perpendicular to g=0g=0 at (1,e,1)(1,e,1).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 21번
# 접평면과 선형근사그래프·표 해석도전자동 분류
14.CLP-3 · 2.6절 · 21번대학 수준우리말 번역

곡면이 z4−xy2z2+y=0z^4 - xy^2 z^2 + y = 0 으로 음함수 꼴로 정의되어 있다.

(a) ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}, ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} 를 xx, yy, zz 로 나타내세요. (b) (x,y,z)=(2,−1/2,1)(x, y, z) = (2, -1/2, 1) 에서 ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x} 와 ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} 의 값을 구하세요. (c) xx 가 22 에서 1.941.94 로 감소하고, yy 가 −0.5-0.5 에서 −0.4-0.4 로 증가할 때, zz 가 11 에서 변하는 양을 어림하세요. (d) 점 (2,−1/2,1)(2, -1/2, 1) 에서 이 곡면의 접평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

A surface is defined implicitly by z4−xy2z2+y=0z^4 - xy^2 z^2 + y = 0.

(a) Compute ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}, ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} in terms of xx, yy, zz. (b) Evaluate ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x} and ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} at (x,y,z)=(2,−1/2,1)(x, y, z) = (2, -1/2, 1). (c) If xx decreases from 22 to 1.941.94, and yy increases from −0.5-0.5 to −0.4-0.4, find the approximate change in zz from 11. (d) Find the equation of the tangent plane to the surface at the point (2,−1/2,1)(2, -1/2, 1).

정답·풀이 보기

(a) 모든 x,yx,y 에 대해 ((x,y,z)(x,y,z) 가 (2,−1/2,1)(2,-1/2,1) 근처일 때), 함수 z(x,y)z(x,y) 는 다음을 만족한다.

z(x,y)4−xy2z(x,y)2+y=0(∗)\begin{aligned} z(x,y)^4 -xy^2 z(x,y)^2 +y=0 \tag{$*$}\end{aligned}

(∗)(*) 를 xx 에 대해 미분하면

4z(x,y)3∂z∂x(x,y)−y2z(x,y)2−2xy2z(x,y)∂z∂x(x,y)=0  ⟹  ∂z∂x(x,y)=y2z(x,y)24z(x,y)3−2xy2z(x,y)\begin{aligned} &4z(x,y)^3\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) - y^2z(x,y)^2 -2xy^2z(x,y)\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) =0 \\ &\implies \frac{\partial z}{\partial x}(x,y) = \frac{y^2 z(x,y)^2}{4z(x,y)^3-2xy^2z(x,y)} \end{aligned}

마찬가지로, 이 등식을 yy 에 대해 미분하면

4z(x,y)3∂z∂y(x,y)−2xy z(x,y)2−2xy2z(x,y)∂z∂y(x,y)+1=0  ⟹  ∂z∂y(x,y)=2xy z(x,y)2−14z(x,y)3−2xy2z(x,y)\begin{aligned} &4z(x,y)^3\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) - 2xy\,z(x,y)^2 -2xy^2z(x,y)\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) +1=0 \\ &\implies \frac{\partial z}{\partial y}(x,y) = \frac{2xy\, z(x,y)^2-1}{4z(x,y)^3-2xy^2z(x,y)} \end{aligned}

(b) (a)의 결과에 (x,y,z)=(2,−1/2,1)(x, y, z) = (2, -1/2, 1) 을 대입하면

∂z∂x(2,−1/2)=1/44−1=112∂z∂y(2,−1/2)=−2−14−1=−1\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(2,-1/2) &= \frac{1/4}{4-1} =\frac{1}{12}\\ \frac{\partial z}{\partial y}(2,-1/2) &= \frac{-2-1}{4-1}=-1 \end{aligned}

(c) (2,−1/2)(2,-1/2) 에서의 선형 근사에 의해

f(x,y)≈f(2,−1/2)+fx(2,−1/2) (x−2)+fy(2,−1/2) (y+1/2)=1+112(x−2)−(y+0.5)\begin{aligned} f(x,y) &\approx f(2,-1/2) + f_x(2,-1/2)\,(x-2) + f_y(2,-1/2)\,(y+1/2) \\ &= 1 +\frac{1}{12}(x-2) - (y+0.5) \end{aligned}

특히

f(1.94,−0.4)≈1−0.0612−0.1\begin{aligned} f(1.94,-0.4) \approx 1 -\frac{0.06}{12}-0.1 \end{aligned}

이므로

f(1.94,−0.4)−1≈−0.105\begin{aligned} f(1.94,-0.4) - 1 \approx -0.105 \end{aligned}

(d) 접평면의 방정식은

z=f(2,−1/2)+fx(2,−1/2) (x−2)+fy(2,−1/2) (y+1/2)=1+112(x−2)−(y+0.5)\begin{aligned} z&=f(2,-1/2) + f_x(2,-1/2)\,(x-2) + f_y(2,-1/2)\,(y+1/2) \\ &= 1 +\frac{1}{12}(x-2) - (y+0.5) \end{aligned}

또는

x12−y−z=−13\begin{aligned} \frac{x}{12} -y -z = -\frac{1}{3} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We are told that for all x,yx,y (with (x,y,z)(x,y,z) near (2,−1/2,1)(2,-1/2,1)), the function z(x,y)z(x,y) obeys

z(x,y)4−xy2z(x,y)2+y=0(∗)\begin{aligned} z(x,y)^4 -xy^2 z(x,y)^2 +y=0 \tag{$*$}\end{aligned}

Differentiating (∗)(*) with respect to xx gives

4z(x,y)3∂z∂x(x,y)−y2z(x,y)2−2xy2z(x,y)∂z∂x(x,y)=0  ⟹  ∂z∂x(x,y)=y2z(x,y)24z(x,y)3−2xy2z(x,y)\begin{aligned} &4z(x,y)^3\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) - y^2z(x,y)^2 -2xy^2z(x,y)\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) =0 \\ &\implies \frac{\partial z}{\partial x}(x,y) = \frac{y^2 z(x,y)^2}{4z(x,y)^3-2xy^2z(x,y)} \end{aligned}

Similarly, differentiating this equation with respect to yy gives

4z(x,y)3∂z∂y(x,y)−2xy z(x,y)2−2xy2z(x,y)∂z∂y(x,y)+1=0  ⟹  ∂z∂y(x,y)=2xy z(x,y)2−14z(x,y)3−2xy2z(x,y)\begin{aligned} &4z(x,y)^3\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) - 2xy\,z(x,y)^2 -2xy^2z(x,y)\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) +1=0 \\ &\implies \frac{\partial z}{\partial y}(x,y) = \frac{2xy\, z(x,y)^2-1}{4z(x,y)^3-2xy^2z(x,y)} \end{aligned}

(b) Substituting (x,y,z)=(2,−1/2,1)(x, y, z) = (2, -1/2, 1) into the results of part (a) gives

∂z∂x(2,−1/2)=1/44−1=112∂z∂y(2,−1/2)=−2−14−1=−1\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(2,-1/2) &= \frac{1/4}{4-1} =\frac{1}{12}\\ \frac{\partial z}{\partial y}(2,-1/2) &= \frac{-2-1}{4-1}=-1 \end{aligned}

(c) Under the linear approximation about (2,−1/2)(2,-1/2),

f(x,y)≈f(2,−1/2)+fx(2,−1/2) (x−2)+fy(2,−1/2) (y+1/2)=1+112(x−2)−(y+0.5)\begin{aligned} f(x,y) &\approx f(2,-1/2) + f_x(2,-1/2)\,(x-2) + f_y(2,-1/2)\,(y+1/2) \\ &= 1 +\frac{1}{12}(x-2) - (y+0.5) \end{aligned}

In particular

f(1.94,−0.4)≈1−0.0612−0.1\begin{aligned} f(1.94,-0.4) \approx 1 -\frac{0.06}{12}-0.1 \end{aligned}

so that

f(1.94,−0.4)−1≈−0.105\begin{aligned} f(1.94,-0.4) - 1 \approx -0.105 \end{aligned}

(d) The tangent plane is

z=f(2,−1/2)+fx(2,−1/2) (x−2)+fy(2,−1/2) (y+1/2)=1+112(x−2)−(y+0.5)\begin{aligned} z&=f(2,-1/2) + f_x(2,-1/2)\,(x-2) + f_y(2,-1/2)\,(y+1/2) \\ &= 1 +\frac{1}{12}(x-2) - (y+0.5) \end{aligned}

or

x12−y−z=−13\begin{aligned} \frac{x}{12} -y -z = -\frac{1}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 22번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
15.CLP-3 · 2.6절 · 22번대학 수준우리말 번역

곡면 z=f(x,y)z = f (x, y) 는 (x,y,z)=(1,3,1)(x, y, z) = (1, 3, 1) 에서 편도함수 ∂f∂x=3\frac{\partial f}{\partial x}=3 과 ∂f∂y=−2\frac{\partial f}{\partial y}=-2 를 갖는다.

(a) xx 가 11 에서 1.21.2 로 증가하고 yy 가 33 에서 2.62.6 으로 감소할 때, 선형 근사를 이용하여 zz 의 변화량을 구하세요. (b) 점 (1,3,1)(1, 3, 1) 에서 이 곡면의 접평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

A surface z=f(x,y)z = f (x, y) has derivatives ∂f∂x=3\frac{\partial f}{\partial x}=3 and ∂f∂y=−2\frac{\partial f}{\partial y}=-2 at (x,y,z)=(1,3,1)(x, y, z) = (1, 3, 1).

(a) If xx increases from 11 to 1.21.2, and yy decreases from 33 to 2.62.6, find the change in zz using a linear approximation. (b) Find the equation of the tangent plane to the surface at the point (1,3,1)(1, 3, 1).

정답·풀이 보기

(a) (1,3)(1,3) 에서 f(x,y)f(x,y) 의 선형 근사는 다음과 같다.

f(x,y)≈f(1,3)+fx(1,3) (x−1)+fy(1,3) (y−3)=1+3(x−1)−2(y−3)\begin{aligned} f(x,y) \approx f(1,3) + f_x(1,3)\,(x-1) +f_y(1,3)\,(y-3) = 1 + 3(x-1) -2(y-3) \end{aligned}

따라서 zz 의 변화량은 대략 다음과 같다.

3(1.2−1)−2(2.6−3)=1.4\begin{aligned} 3(1.2-1) -2(2.6-3) = 1.4 \end{aligned}

(b) 접평면의 방정식은 다음과 같다.

z=f(1,3)+fx(1,3) (x−1)+fy(1,3) (y−3)=1+3(x−1)−2(y−3)\begin{aligned} z = f(1,3) + f_x(1,3)\,(x-1) +f_y(1,3)\,(y-3) = 1 + 3(x-1) -2(y-3) \end{aligned}

또는

3x−2y−z=−43x-2y-z = -4

원본 교재 풀이(영어)

(a) The linear approximation to f(x,y)f(x,y) at (1,3)(1,3) is

f(x,y)≈f(1,3)+fx(1,3) (x−1)+fy(1,3) (y−3)=1+3(x−1)−2(y−3)\begin{aligned} f(x,y) \approx f(1,3) + f_x(1,3)\,(x-1) +f_y(1,3)\,(y-3) = 1 + 3(x-1) -2(y-3) \end{aligned}

So the change is zz is approximately

3(1.2−1)−2(2.6−3)=1.4\begin{aligned} 3(1.2-1) -2(2.6-3) = 1.4 \end{aligned}

(b) The equation of the tangent plane is

z=f(1,3)+fx(1,3) (x−1)+fy(1,3) (y−3)=1+3(x−1)−2(y−3)\begin{aligned} z = f(1,3) + f_x(1,3)\,(x-1) +f_y(1,3)\,(y-3) = 1 + 3(x-1) -2(y-3) \end{aligned}

or

3x−2y−z=−43x-2y-z = -4

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 23번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
16.CLP-3 · 2.6절 · 23번대학 수준우리말 번역

판데르발스 방정식에 따르면 기체는 다음 방정식을 만족시킨다.

(pV2+16)(V−1)=TV2,(pV^2 + 16)(V - 1) = T V^2 ,

여기서 pp, VV, TT 는 각각 압력, 부피, 온도를 나타낸다. 이 기체가 현재 압력 11, 부피 22, 온도 55 인 상태라고 하자. pp 가 0.20.2 만큼, TT 가 0.30.3 만큼 증가할 때 부피의 변화량을 어림하세요.

영어 원문 보기

According to van der Waal's equation, a gas satisfies the equation

(pV2+16)(V−1)=TV2,(pV^2 + 16)(V - 1) = T V^2 ,

where pp, VV and TT denote pressure, volume and temperature respectively. Suppose the gas is now at pressure 11, volume 22 and temperature 55. Find the approximate change in its volume if pp is increased by 0.20.2 and TT is increased by 0.30.3.

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정답·풀이 보기

부피를 압력과 온도의 함수 V(p,T)V(p,T) 로 생각하자. 이 함수는 (적어도 p≈1p\approx 1, T≈5T\approx 5, V≈2V\approx 2 일 때) 다음 방정식에 의해 음함수로 결정된다.

(pV(p,T)2+16)(V(p,T)−1)=TV(p,T)2(∗)\big(pV(p,T)^2 + 16\big)\big(V(p,T) - 1\big) = T V(p,T)^2 \tag{$*$}

VV 의 변화량을 어림하기 위해 p=1p=1, T=5T=5 에서 V(p,T)V(p,T) 의 선형 근사를 이용한다. 그러려면 편도함수 Vp(1,5)V_p(1,5) 와 VT(1,5)V_T(1,5) 가 필요하다. 방정식 (∗)(*) 는 11 에 가까운 모든 pp 와 55 에 가까운 모든 TT 에 대해 성립하므로, (∗)(*) 의 양변을 pp 에 대해 미분하면

(V2+2pVVp)(V−1)+(pV2+16)Vp=2TVVp\begin{aligned} &\big(V^2 +2 pV V_p\big)\big(V - 1\big) + \big(pV ^2 + 16\big)V_p = 2T V V_p \end{aligned}

이고, (∗)(*) 의 양변을 TT 에 대해서도 미분하면

(2pVVT)(V−1)+(pV2+16)VT=V2+2TVVT\begin{aligned} &\big(2 pV V_T\big)\big(V - 1\big) + \big(pV ^2 + 16\big)V_T = V^2 + 2T V V_T \end{aligned}

이다. 특히 p=1p=1, V=2V=2, T=5T=5 일 때

(4+4Vp(1,5))(2−1)+(4+16)Vp(1,5)=20Vp(1,5)  ⟹  Vp(1,5)=−14VT(1,5)(2−1)+(4+16)VT(1,5)=4+20VT(1,5)  ⟹  VT(1,5)=1\begin{aligned} \big(4 +4 V_p(1,5)\big)\big(2 - 1\big) + \big(4 + 16\big)V_p(1,5) &= 20 V_p(1,5) &\quad\implies V_p(1,5)&=-1 \\ 4 V_T(1,5)\big(2 - 1\big) + \big(4 + 16\big)V_T(1,5) &= 4 + 20 V_T(1,5) &\quad\implies V_T(1,5)&=1 \end{aligned}

이므로 VV 의 변화량은 다음과 같다.

V(1.2 , 5.3)−V(1,5)≈Vp(1,5) (0.2)+VT(1,5) (0.3)=−0.2+0.3=0.1\begin{aligned} V(1.2\,,\,5.3)-V(1,5) \approx V_p(1,5)\,(0.2) + V_T(1,5)\,(0.3) = -0.2+0.3 = 0.1 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Think of the volume as being the function V(p,T)V(p,T) of pressure and temperature that is determined implicitly (at least for p≈1p\approx 1, T≈5T\approx 5 and V≈2V\approx 2) by the equation

(pV(p,T)2+16)(V(p,T)−1)=TV(p,T)2(∗)\big(pV(p,T)^2 + 16\big)\big(V(p,T) - 1\big) = T V(p,T)^2 \tag{$*$}

To determine the approximate change in VV, we will use the linear approximation to V(p,T)V(p,T) at p=1p=1, T=5T=5. So we will need the partial derivatives Vp(1,5)V_p(1,5) and VT(1,5)V_T(1,5). As the equation (∗)(*) is valid for all pp near 11 and TT near 5, we may differentiate (∗)(*) with respect to pp, giving

(V2+2pVVp)(V−1)+(pV2+16)Vp=2TVVp\begin{aligned} &\big(V^2 +2 pV V_p\big)\big(V - 1\big) + \big(pV ^2 + 16\big)V_p = 2T V V_p \end{aligned}

and we may also differentiate (∗)(*) with respect to TT, giving

(2pVVT)(V−1)+(pV2+16)VT=V2+2TVVT\begin{aligned} &\big(2 pV V_T\big)\big(V - 1\big) + \big(pV ^2 + 16\big)V_T = V^2 + 2T V V_T \end{aligned}

In particular, when p=1p=1, V=2V=2, T=5T=5,

(4+4Vp(1,5))(2−1)+(4+16)Vp(1,5)=20Vp(1,5)  ⟹  Vp(1,5)=−14VT(1,5)(2−1)+(4+16)VT(1,5)=4+20VT(1,5)  ⟹  VT(1,5)=1\begin{aligned} \big(4 +4 V_p(1,5)\big)\big(2 - 1\big) + \big(4 + 16\big)V_p(1,5) &= 20 V_p(1,5) &\quad\implies V_p(1,5)&=-1 \\ 4 V_T(1,5)\big(2 - 1\big) + \big(4 + 16\big)V_T(1,5) &= 4 + 20 V_T(1,5) &\quad\implies V_T(1,5)&=1 \end{aligned}

so that the change in VV is

V(1.2 , 5.3)−V(1,5)≈Vp(1,5) (0.2)+VT(1,5) (0.3)=−0.2+0.3=0.1\begin{aligned} V(1.2\,,\,5.3)-V(1,5) \approx V_p(1,5)\,(0.2) + V_T(1,5)\,(0.3) = -0.2+0.3 = 0.1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 24번
# 접평면과 선형근사활용도전자동 분류
17.CLP-3 · 2.6절 · 24번대학 수준우리말 번역

함수 f(x,y)=e−x2+4y2f(x, y) = e^{-x^2 +4y^2} 을 생각하자.

(a) (x,y)=(2,1)(x, y) = (2, 1) 인 점에서 그래프 z=f(x,y)z = f (x,y) 에 접하는 접평면의 방정식을 구하세요. (b) (a)에서 구한 접평면을 이용하여 f(1.99,1.01)f(1.99, 1.01) 의 값에 대한 접평면 근삿값을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the function f(x,y)=e−x2+4y2f(x, y) = e^{-x^2 +4y^2}.

(a) Find the equation of the tangent plane to the graph z=f(x,y)z = f (x,y) at the point where (x,y)=(2,1)(x, y) = (2, 1). (b) Find the tangent plane approximation to the value of f(1.99,1.01)f(1.99, 1.01) using the tangent plane from part (a).

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

다음이 성립하므로

fx(2,1)=−2xe−x2+4y2∣(x,y)=(2,1)=−4fy(2,1)=−8ye−x2+4y2∣(x,y)=(2,1)=8\begin{aligned} f_x(2,1) & = -2x e^{-x^2 +4y^2}\Big|_{(x,y)=(2,1)} = -4 \\ f_y(2,1) & = \phantom{-}8y e^{-x^2 +4y^2}\Big|_{(x,y)=(2,1)} = 8 \end{aligned}

z=f(x,y)z=f(x,y) 의 (2,1)(2,1) 에서의 접평면은 다음과 같다.

z=f(2,1)+fx(2,1) (x−2)+fy(2,1) (y−1)=1−4(x−2)+8(y−1)=1−4x+8y\begin{aligned} z &= f(2,1) +f_x(2,1)\,(x-2) +f_y(2,1)\,(y-1) = 1 -4 (x-2) +8(y-1) \\ &= 1-4x +8y \end{aligned}

그리고 f(1.99,1.01)f(1.99, 1.01) 의 값에 대한 접평면 근삿값은 다음과 같다.

f(1.99,1.01)≈1−4(1.99−2)+8(1.01−1)=1.12\begin{aligned} f(1.99, 1.01) \approx 1 -4 (1.99-2) +8(1.01-1) = 1.12 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Since

fx(2,1)=−2xe−x2+4y2∣(x,y)=(2,1)=−4fy(2,1)=−8ye−x2+4y2∣(x,y)=(2,1)=8\begin{aligned} f_x(2,1) & = -2x e^{-x^2 +4y^2}\Big|_{(x,y)=(2,1)} = -4 \\ f_y(2,1) & = \phantom{-}8y e^{-x^2 +4y^2}\Big|_{(x,y)=(2,1)} = 8 \end{aligned}

The tangent plane to z=f(x,y)z=f(x,y) at (2,1)(2,1) is

z=f(2,1)+fx(2,1) (x−2)+fy(2,1) (y−1)=1−4(x−2)+8(y−1)=1−4x+8y\begin{aligned} z &= f(2,1) +f_x(2,1)\,(x-2) +f_y(2,1)\,(y-1) = 1 -4 (x-2) +8(y-1) \\ &= 1-4x +8y \end{aligned}

and the tangent plane approximation to the value of f(1.99,1.01)f(1.99, 1.01) is

f(1.99,1.01)≈1−4(1.99−2)+8(1.01−1)=1.12\begin{aligned} f(1.99, 1.01) \approx 1 -4 (1.99-2) +8(1.01-1) = 1.12 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 25번
# 접평면과 선형근사그래프·표 해석도전자동 분류
18.CLP-3 · 2.6절 · 25번대학 수준우리말 번역

z=f(x,y)=ln⁡(4x2+y2)z = f (x, y) = \ln(4x^2 + y^2) 라 하자.

(a) 점 (0,1)(0, 1) 에서 함수 z=f(x,y)z = f (x, y) 의 선형 근사를 이용하여 f(0.1,1.2)f(0.1, 1.2) 의 값을 어림하세요. (b) 점 PP 에서 z=f(x,y)z = f (x, y) 의 그래프에 접하는 접평면이 평면 2x+2y−z=32x + 2y - z = 3 과 평행하도록 하는, z=f(x,y)z = f(x, y) 의 그래프 위의 점 P(a,b,c)P (a, b, c) 를 구하세요.

영어 원문 보기

Let z=f(x,y)=ln⁡(4x2+y2)z = f (x, y) = \ln(4x^2 + y^2).

(a) Use a linear approximation of the function z=f(x,y)z = f (x, y) at (0,1)(0, 1) to estimate f(0.1,1.2)f(0.1, 1.2). (b) Find a point P(a,b,c)P (a, b, c) on the graph of z=f(x,y)z = f(x, y) such that the tangent plane to the graph of z=f(x,y)z = f (x, y) at the point PP is parallel to the plane 2x+2y−z=32x + 2y - z = 3.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 점 (a,b)(a,b) 에서 f(x,y)f(x,y) 의 선형 근사는 다음과 같다.

f(x,y)≈f(a,b)+fx(a,b) (x−a)+fy(a,b) (y−b)=ln⁡(4a2+b2)+8a4a2+b2 (x−a)+2b4a2+b2 (y−b)\begin{aligned} f(x,y) &\approx f(a,b) + f_x(a,b)\,(x-a) + f_y(a,b)\,(y-b) \\ &= \ln(4a^2 + b^2) + \frac{8a}{4a^2+b^2}\, (x-a) + \frac{2b}{4a^2+b^2}\, (y-b) \end{aligned}

특히 a=0a=0, b=1b=1 일 때

f(x,y)≈2 (y−1)\begin{aligned} f(x,y) &\approx 2\, (y-1) \end{aligned}

이고, x=0.1x=0.1, y=1.2y=1.2 일 때

f(0.1,1.2)≈0.4\begin{aligned} f(0.1,1.2) &\approx 0.4 \end{aligned}

이다.

(b) 점 (a,b,c)(a,b,c) 가 곡면 z=f(x,y)z=f(x,y) 위에 있을 필요충분조건은

c=f(a,b)=ln⁡(4a2+b2)c = f(a,b) = \ln(4a^2 + b^2)

이다. 이에 따라 4a2+b24a^2 + b^2 은 0이 아니어야 한다. 점 (a,b,c)(a,b,c) 에서 곡면 z=f(x,y)z = f (x, y) 의 접평면이 평면 2x+2y−z=32x + 2y - z = 3 과 평행할 필요충분조건은 <2 , 2 , −1>\left< 2\,,\,2\,,\,-1\right> 이 그 접평면의 법선 벡터인 것이다. 즉, 0이 아닌 수 tt 가 존재하여

<2 , 2 , −1>=t<fx(a,b) , fy(a,b) , −1>=t<8a4a2+b2 , 2b4a2+b2 , −1>\begin{aligned} \left< 2\,,\,2\,,\,-1\right> =t\left< f_x(a,b)\,,\,f_y(a,b)\,,\ -1\right> =t\left< \frac{8a}{4a^2+b^2} \,,\, \frac{2b}{4a^2+b^2} \,,\,-1\right> \end{aligned}

이다. zz 좌표가 같으려면 tt 는 11 이어야 한다. 그러면 xx 좌표와 yy 좌표가 같아야 하므로

8a4a2+b2=22b4a2+b2=2\begin{aligned} \frac{8a}{4a^2+b^2} &= 2 \\ \frac{2b}{4a^2+b^2} &= 2 \end{aligned}

이어야 한다. 이 방정식들로부터 aa 와 bb 는 모두 0이 아니다. 두 방정식을 서로 나누면 8a2b=1\frac{8a}{2b}=1 이므로 b=4ab=4a 이다. b=4ab=4a 를 두 방정식 중 어느 하나에 대입하면

8a20a2=2  ⟹  a=15\begin{aligned} \frac{8a}{20a^2}=2 \implies a=\frac{1}{5} \end{aligned}

이다. 따라서 a=15a=\frac{1}{5}, b=45b=\frac{4}{5} 이고

c=ln⁡(452+4252)=ln⁡45\begin{aligned} c=\ln\left(\frac{4}{5^2}+\frac{4^2}{5^2}\right) =\ln\frac{4}{5} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The linear approximation to f(x,y)f(x,y) at (a,b)(a,b) is

f(x,y)≈f(a,b)+fx(a,b) (x−a)+fy(a,b) (y−b)=ln⁡(4a2+b2)+8a4a2+b2 (x−a)+2b4a2+b2 (y−b)\begin{aligned} f(x,y) &\approx f(a,b) + f_x(a,b)\,(x-a) + f_y(a,b)\,(y-b) \\ &= \ln(4a^2 + b^2) + \frac{8a}{4a^2+b^2}\, (x-a) + \frac{2b}{4a^2+b^2}\, (y-b) \end{aligned}

In particular, for a=0a=0 and b=1b=1,

f(x,y)≈2 (y−1)\begin{aligned} f(x,y) &\approx 2\, (y-1) \end{aligned}

and, for x=0.1x=0.1 and y=1.2y=1.2,

f(0.1,1.2)≈0.4\begin{aligned} f(0.1,1.2) &\approx 0.4 \end{aligned}

(b) The point (a,b,c)(a,b,c) is on the surface z=f(x,y)z=f(x,y) if and only if

c=f(a,b)=ln⁡(4a2+b2)c = f(a,b) = \ln(4a^2 + b^2)

Note that this forces 4a2+b24a^2 + b^2 to be nonzero. The tangent plane to the surface z=f(x,y)z = f (x, y) at the point (a,b,c)(a,b,c) is parallel to the plane 2x+2y−z=32x + 2y - z = 3 if and only if <2 , 2 , −1>\left< 2\,,\,2\,,\,-1\right> is a normal vector for the tangent plane. That is, there is a nonzero number tt such that

<2 , 2 , −1>=t<fx(a,b) , fy(a,b) , −1>=t<8a4a2+b2 , 2b4a2+b2 , −1>\begin{aligned} \left< 2\,,\,2\,,\,-1\right> =t\left< f_x(a,b)\,,\,f_y(a,b)\,,\ -1\right> =t\left< \frac{8a}{4a^2+b^2} \,,\, \frac{2b}{4a^2+b^2} \,,\,-1\right> \end{aligned}

For the zz–coordinates to be equal, tt must be 11. Then, for the xx– and yy–coordinates to be equal, we need

8a4a2+b2=22b4a2+b2=2\begin{aligned} \frac{8a}{4a^2+b^2} &= 2 \\ \frac{2b}{4a^2+b^2} &= 2 \end{aligned}

Note that these equations force both aa and bb to be nonzero. Dividing these equations gives 8a2b=1\frac{8a}{2b}=1 and hence b=4ab=4a. Substituting b=4ab=4a into either of the two equations gives

8a20a2=2  ⟹  a=15\begin{aligned} \frac{8a}{20a^2}=2 \implies a=\frac{1}{5} \end{aligned}

So a=15a=\frac{1}{5}, b=45b=\frac{4}{5} and

c=ln⁡(452+4252)=ln⁡45\begin{aligned} c=\ln\left(\frac{4}{5^2}+\frac{4^2}{5^2}\right) =\ln\frac{4}{5} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 26번
# 접평면과 선형근사그래프·표 해석도전자동 분류
19.CLP-3 · 2.6절 · 26번대학 수준우리말 번역

(a) 곡면 x2z3+ysin⁡(πx)=−y2x^2 z^3 + y \sin(\pi x) = -y^2 위의 점 P=(1,1,−1)P = (1,1,-1) 에서의 접평면의 방정식을 구하세요. (b) x2z3+ysin⁡(πx)=−y2x^2 z^3 + y \sin(\pi x) = -y^2 에 의해 zz 가 음함수로 정의되어 있다고 하자. 점 P=(1,1,−1)P = (1,1,-1) 에서 ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x} 의 값을 구하세요. (c) zz 를 (ii)에서와 같이 방정식 x2z3+ysin⁡(πx)=−y2x^2 z^3 + y \sin(\pi x) = -y^2 으로 정의되는 같은 음함수라고 하자. x=0.97x = 0.97, y=1y = 1 일 때, zz 의 근삿값을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find the equation of the tangent plane to the surface x2z3+ysin⁡(πx)=−y2x^2 z^3 + y \sin(\pi x) = -y^2 at the point P=(1,1,−1)P = (1,1,-1). (b) Let zz be defined implicitly by x2z3+ysin⁡(πx)=−y2x^2 z^3 + y \sin(\pi x) = -y^2. Find ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x} at the point P=(1,1,−1)P = (1,1,-1). (c) Let zz be the same implicit function as in part (ii), defined by the equation x2z3+ysin⁡(πx)=−y2x^2 z^3 + y \sin(\pi x) = -y^2. Let x=0.97x = 0.97, and y=1y = 1. Find the approximate value of zz.

정답·풀이 보기

(a) 이 곡면의 방정식은 G(x,y,z)=x2z3+ysin⁡(πx)+y2=0G(x,y,z) = x^2 z^3 + y \sin(\pi x) + y^2 =0 이다. 따라서 점 (1,1−1)(1,1-1) 에서 곡면의 법선 벡터는

∇G(1,1,−1)=[(2xz3+πycos⁡(πx))ı^+(sin⁡(πx)+2y)ȷ^+3z2x2 k^](x,y,z)=(1,1,−1)=(−2−π)ı^+2 ȷ^+3 k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } G(1,1,-1) &= \big[ \big(2x z^3 +\pi y\cos(\pi x)\big)\hat{\boldsymbol{\imath}} +\big(\sin(\pi x) +2y\big)\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3z^2 x^2\,\hat{\mathbf{k}}\big]_{(x,y,z)=(1,1,-1)} \\ &= \big(-2-\pi\big)\hat{\boldsymbol{\imath}} +2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다. 그러므로 접평면의 방정식은

(−2−π)(x−1)+2(y−1)+3(z+1)=0또는−(2+π)x+2y+3z=−π−3\begin{aligned} \big(-2-\pi\big)(x-1) + 2(y-1) +3 (z+1) =0\quad\text{또는}\quad -(2+\pi)x +2y +3z = -\pi-3 \end{aligned}

이다.

(b) 함수 z(x,y)z(x,y) 는 모든 xx 와 yy 에 대해

x2z(x,y)3+ysin⁡(πx)+y2=0\begin{aligned} x^2 z(x,y)^3 +y\sin(\pi x) +y^2 = 0 \end{aligned}

을 만족한다. 이 등식을 xx 에 대해 미분하면

2xz(x,y)3+3x2z(x,y)2∂z∂x(x,y)+πycos⁡(πx)=0\begin{aligned} 2x z(x,y)^3 + 3 x^2 z(x,y)^2 \frac{\partial z}{\partial x}(x,y) + \pi y \cos(\pi x) =0 \end{aligned}

을 얻는다. (1,1,−1)(1,1,-1) 에서의 값을 구하면

−2+3∂z∂x(1,1)−π=0  ⟹  ∂z∂x(1,1)=π+23\begin{aligned} -2 + 3 \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) -\pi =0 \implies \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) = \frac{\pi+2}{3} \end{aligned}

이다.

(c) (x,y)=(1,1)(x,y)=(1,1) 근방에서 선형 근사를 이용하면

z(x,1)≈z(1,1)+∂z∂x(1,1) (x−1)\begin{aligned} z(x,1) \approx z(1,1) +\frac{\partial z}{\partial x}(1,1)\ (x-1) \end{aligned}

이므로

z(0.97,1)≈−1+π+23 (−0.03)=−1−π+2100=−π+102100\begin{aligned} z(0.97,1) \approx -1 +\frac{\pi+2}{3}\ (-0.03) = -1 -\frac{\pi+2}{100} = -\frac{\pi+102}{100} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The surface has equation G(x,y,z)=x2z3+ysin⁡(πx)+y2=0G(x,y,z) = x^2 z^3 + y \sin(\pi x) + y^2 =0. So a normal vector to the surface at (1,1−1)(1,1-1) is

∇G(1,1,−1)=[(2xz3+πycos⁡(πx))ı^+(sin⁡(πx)+2y)ȷ^+3z2x2 k^](x,y,z)=(1,1,−1)=(−2−π)ı^+2 ȷ^+3 k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } G(1,1,-1) &= \big[ \big(2x z^3 +\pi y\cos(\pi x)\big)\hat{\boldsymbol{\imath}} +\big(\sin(\pi x) +2y\big)\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3z^2 x^2\,\hat{\mathbf{k}}\big]_{(x,y,z)=(1,1,-1)} \\ &= \big(-2-\pi\big)\hat{\boldsymbol{\imath}} +2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

So the equation of the tangent plane is

(−2−π)(x−1)+2(y−1)+3(z+1)=0or−(2+π)x+2y+3z=−π−3\begin{aligned} \big(-2-\pi\big)(x-1) + 2(y-1) +3 (z+1) =0\quad\text{or}\quad -(2+\pi)x +2y +3z = -\pi-3 \end{aligned}

(b) The functions z(x,y)z(x,y) obeys

x2z(x,y)3+ysin⁡(πx)+y2=0\begin{aligned} x^2 z(x,y)^3 +y\sin(\pi x) +y^2 = 0 \end{aligned}

for all xx and yy. Differentiating this equation with respect to xx gives

2xz(x,y)3+3x2z(x,y)2∂z∂x(x,y)+πycos⁡(πx)=0\begin{aligned} 2x z(x,y)^3 + 3 x^2 z(x,y)^2 \frac{\partial z}{\partial x}(x,y) + \pi y \cos(\pi x) =0 \end{aligned}

Evaluating at (1,1,−1)(1,1,-1) gives

−2+3∂z∂x(1,1)−π=0  ⟹  ∂z∂x(1,1)=π+23\begin{aligned} -2 + 3 \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) -\pi =0 \implies \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) = \frac{\pi+2}{3} \end{aligned}

(c) Using the linear approximation about (x,y)=(1,1)(x,y)=(1,1),

z(x,1)≈z(1,1)+∂z∂x(1,1) (x−1)\begin{aligned} z(x,1) \approx z(1,1) +\frac{\partial z}{\partial x}(1,1)\ (x-1) \end{aligned}

gives

z(0.97,1)≈−1+π+23 (−0.03)=−1−π+2100=−π+102100\begin{aligned} z(0.97,1) \approx -1 +\frac{\pi+2}{3}\ (-0.03) = -1 -\frac{\pi+2}{100} = -\frac{\pi+102}{100} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 27번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
20.CLP-3 · 2.6절 · 27번대학 수준우리말 번역

곡면 x4+y4+z4+xyz=17x^4+y^4+z^4+xyz=17 은 점 (0,1,2)(0,1,2) 를 지나고, 이 점 근처에서 이 곡면은 xx 를 yy 와 zz 의 함수 x=F(y,z)x=F(y,z) 로 정한다.

(a) (x,y,z)=(0,1,2)(x,y,z)=(0,1,2) 에서 FyF_y 와 FzF_z 를 구하세요. (b) 접평면 근사(선형근사, 1차 근사 또는 미분 근사라고도 한다)를 이용하여, 점 (x,1.01,1.98)(x,1.01, 1.98) 이 곡면 위에 있도록 하는 xx (00 근처)의 근삿값을 구하세요.

영어 원문 보기

The surface x4+y4+z4+xyz=17x^4+y^4+z^4+xyz=17 passes through (0,1,2)(0,1,2), and near this point the surface determines xx as a function, x=F(y,z)x=F(y,z), of yy and zz.

(a) Find FyF_y and FzF_z at (x,y,z)=(0,1,2)(x,y,z)=(0,1,2). (b) Use the tangent plane approximation (also known as linear, first order or differential approximation) to find the approximate value of xx (near 00) such that (x,1.01,1.98)(x,1.01, 1.98) lies on the surface.

정답·풀이 보기

(a) y=1y=1, z=2z=2 근처의 모든 yy 와 zz 에 대해 함수 F(y,z)F(y,z) 는 F(y,z)4+y4+z4+F(y,z)yz=17F(y,z)^4+y^4+z^4+F(y,z)yz=17 을 만족한다. 이 등식에 ∂∂y\frac{\partial }{\partial y} 와 ∂∂z\frac{\partial }{\partial z} 를 각각 적용하면 다음과 같다.

4F(y,z)3Fy(y,z)+4y3+Fy(y,z)yz+F(y,z)z=04F(y,z)3Fz(y,z)+4z3+Fz(y,z)yz+F(y,z)y=0\begin{aligned} 4F(y,z)^3F_y(y,z)+4y^3+F_y(y,z)yz +F(y,z)z&=0 \\ 4F(y,z)^3F_z(y,z)+4z^3+F_z(y,z)yz +F(y,z)y&=0 \end{aligned}

F(1,2)=0F(1,2)=0, y=1y=1, z=2z=2 를 대입하면 다음과 같다.

4+2Fy(1,2)=0   ⟹   Fy(1,2)=−232+2Fz(1,2)=0   ⟹   Fz(1,2)=−16\begin{aligned} 4+2F_y(1,2)&=0 & &\ \implies\ & &F_y(1,2)=-2 \\ 32+2F_z(1,2)&=0 & &\ \implies\ & & F_z(1,2)=-16 \end{aligned}

(b) y=1y=1, z=2z=2 에서 x=F(y,z)x=F(y,z) 의 접평면은 다음과 같다.

x≈F(1,2)+Fy(1,2) (y−1)+Fz(1,2) (z−2)x \approx F(1,2) +F_y(1,2)\,(y-1) +F_z(1,2)\,(z-2)

여기에 y=1.01y=1.01, z=1.98z=1.98 을 대입하면 다음과 같다.

x=F(1.01,1.98)≈F(1,2)+Fy(1,2)(1.01−1)+Fz(1,2)(1.98−2)=0−2(.01)−16(−0.02)=0.3\begin{aligned} x=F(1.01, 1.98) &\approx F(1,2)+F_y(1,2)(1.01-1)+F_z(1,2)(1.98-2) \\ &=0-2(.01)-16(-0.02) =0.3 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The function F(y,z)F(y,z) obeys F(y,z)4+y4+z4+F(y,z)yz=17F(y,z)^4+y^4+z^4+F(y,z)yz=17 for all yy and zz near y=1y=1, z=2z=2. Applying the derivatives ∂∂y\frac{\partial }{\partial y} and ∂∂z\frac{\partial }{\partial z} to this equation gives

4F(y,z)3Fy(y,z)+4y3+Fy(y,z)yz+F(y,z)z=04F(y,z)3Fz(y,z)+4z3+Fz(y,z)yz+F(y,z)y=0\begin{aligned} 4F(y,z)^3F_y(y,z)+4y^3+F_y(y,z)yz +F(y,z)z&=0 \\ 4F(y,z)^3F_z(y,z)+4z^3+F_z(y,z)yz +F(y,z)y&=0 \end{aligned}

Substiututing F(1,2)=0F(1,2)=0, y=1y=1 and z=2z=2 gives

4+2Fy(1,2)=0   ⟹   Fy(1,2)=−232+2Fz(1,2)=0   ⟹   Fz(1,2)=−16\begin{aligned} 4+2F_y(1,2)&=0 & &\ \implies\ & &F_y(1,2)=-2 \\ 32+2F_z(1,2)&=0 & &\ \implies\ & & F_z(1,2)=-16 \end{aligned}

(b) Using the tangent plane to x=F(y,z)x=F(y,z) at y=1y=1 and z=2z=2, which is

x≈F(1,2)+Fy(1,2) (y−1)+Fz(1,2) (z−2)x \approx F(1,2) +F_y(1,2)\,(y-1) +F_z(1,2)\,(z-2)

with y=1.01y=1.01 and z=1.98z=1.98 gives

x=F(1.01,1.98)≈F(1,2)+Fy(1,2)(1.01−1)+Fz(1,2)(1.98−2)=0−2(.01)−16(−0.02)=0.3\begin{aligned} x=F(1.01, 1.98) &\approx F(1,2)+F_y(1,2)(1.01-1)+F_z(1,2)(1.98-2) \\ &=0-2(.01)-16(-0.02) =0.3 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 12.4절 · 3번
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