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.

17문제 · 1 / 1쪽

1.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
2.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
3.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
4.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
5.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
6.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
7.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
8.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
9.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
10.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
11.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
12.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
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
13.CLP-3 · 2.7절 · 29번대학 수준우리말 번역

함수 f(x,y,z)=x2+cos⁡(yz)f(x,y,z) = x^2 + \cos(yz) 를 생각하세요.

(a) 점 (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2) 에서 ff 가 가장 빠르게 증가하는 방향을 구하세요. (b) 점 (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2) 에서 곡면

S={ (x,y,z) ∣ f(x,y,z)=1 }S = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ f(x,y,z) = 1\ \big\}

에 접하는 평면 TT 의 방정식을 구하세요. (c) TT 와 점 (0,1,0)(0, 1, 0) 사이의 거리를 구하세요. (d) 평면 TT 와 평면

P={ (x,y,z) ∣ x+z=0 }P = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x + z = 0\ \big\}

가 이루는 각을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the function f(x,y,z)=x2+cos⁡(yz)f(x,y,z) = x^2 + \cos(yz).

(a) Give the direction in which ff is increasing the fastest at the point (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2). (b) Give an equation for the plane TT tangent to the surface

S={ (x,y,z) ∣ f(x,y,z)=1 }S = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ f(x,y,z) = 1\ \big\}

at the point (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2). (c) Find the distance between TT and the point (0,1,0)(0, 1, 0). (d) Find the angle between the plane TT and the plane

P={ (x,y,z) ∣ x+z=0 }.P = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x + z = 0\ \big\}.

정답·풀이 보기

ff 의 1계 편도함수를 임의의 점 (x,y,z)(x,y,z) 에서와 점 (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2) 에서 각각 구하면 다음과 같다.

fx(x,y,z)=2xfx(1,0,π/2)=2fy(x,y,z)=−zsin⁡(yz)fy(1,0,π/2)=0fz(x,y,z)=−ysin⁡(yz)fz(1,0,π/2)=0\begin{aligned} f_x(x,y,z)&= 2x\qquad & f_x(1, 0, \pi/2)&= 2 \\ f_y(x,y,z)&= -z\sin(yz)\qquad & f_y(1, 0, \pi/2)&= 0 \\ f_z(x,y,z)&= -y\sin(yz)\qquad & f_z(1, 0, \pi/2)&= 0 \end{aligned}

(a) ff 의 증가율이 가장 큰 방향은 ∇f(1,0,π/2)=<2,0,0>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1, 0, \pi/2)=\left< 2,0,0\right> 의 방향이다. 그 방향의 단위벡터는 ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} 이다.

(b) 기울기 벡터 ∇f(1,0,π/2)=<2,0,0>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1, 0, \pi/2)=\left< 2,0,0\right> 는 (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2) 에서 곡면 f=1f=1 의 법선벡터이다. 따라서 구하는 접평면은

<2,0,0>⋅<x−1 , y−0 , z−π/2>=0또는x=1\begin{aligned} \left< 2,0,0\right> \cdot \left< x-1\,,\,y-0\,,\,z-\pi/2\right>=0\qquad\text{또는}\qquad x=1 \end{aligned}

이다.

(c) 점 (0,1,0)(0,1,0) 에서 TT 위의 점 (1,1,0)(1,1,0) 으로 향하는 벡터는 <1,0,0>\left< 1,0,0\right> 이고, 이 벡터는 TT 에 수직이다. 따라서 (1,1,0)(1,1,0) 은 TT 위의 점 중 (0,1,0)(0,1,0) 에 가장 가까운 점이고, (0,1,0)(0,1,0) 에서 TT 까지의 거리는 ∣<1,0,0>∣=1|\left< 1,0,0\right>|=1 이다.

(d) 벡터 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 은 평면 x+z=0x+z=0 에 수직이다. 따라서 두 평면 TT 와 x+z=0x+z=0 이 이루는 각은 두 벡터 <1,0,0>\left< 1,0,0\right> 과 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 이 이루는 각 θ\theta 와 같고, 이 각은 다음을 만족한다.

∣<1,0,0>∣ ∣<1,0,1>∣ cos⁡θ=∣<1,0,0>⋅<1,0,1>∣=1  ⟹  cos⁡θ=12  ⟹  θ=π4\begin{aligned} & |\left< 1,0,0\right>| \ |\left< 1,0,1\right>|\ \cos\theta =|\left< 1,0,0\right>\cdot\left< 1,0,1\right>| =1 \\ &\implies \cos\theta=\frac{1}{\sqrt{2}} \implies \theta=\frac{\pi}{4} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The first order partial derivatives of ff, both at a general point (x,y,z)(x,y,z) and at the point (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2), are

fx(x,y,z)=2xfx(1,0,π/2)=2fy(x,y,z)=−zsin⁡(yz)fy(1,0,π/2)=0fz(x,y,z)=−ysin⁡(yz)fz(1,0,π/2)=0\begin{aligned} f_x(x,y,z)&= 2x\qquad & f_x(1, 0, \pi/2)&= 2 \\ f_y(x,y,z)&= -z\sin(yz)\qquad & f_y(1, 0, \pi/2)&= 0 \\ f_z(x,y,z)&= -y\sin(yz)\qquad & f_z(1, 0, \pi/2)&= 0 \end{aligned}

(a) The rate of increase of ff is largest in the direction of ∇f(1,0,π/2)=<2,0,0>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1, 0, \pi/2)=\left< 2,0,0\right>. A unit vector in that direction is ı^\hat{\boldsymbol{\imath}}.

(b) The gradient vector ∇f(1,0,π/2)=<2,0,0>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1, 0, \pi/2)=\left< 2,0,0\right> is a normal vector to the surface f=1f=1 at (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2). So the specified tangent plane is

<2,0,0>⋅<x−1 , y−0 , z−π/2>=0orx=1\begin{aligned} \left< 2,0,0\right> \cdot \left< x-1\,,\,y-0\,,\,z-\pi/2\right>=0\qquad\text{or}\qquad x=1 \end{aligned}

(c) The vector from the point (0,1,0)(0,1,0) to the point (1,1,0)(1,1,0), on TT, is <1,0,0>\left< 1,0,0\right>, which is perpendicular to TT. So (1,1,0)(1,1,0) is the point on TT nearest (0,1,0)(0,1,0) and the distance from (0,1,0)(0,1,0) to TT is ∣<1,0,0>∣=1|\left< 1,0,0\right>|=1.

(d) The vector <1,0,1>\left< 1,0,1\right> is perpendicular to the plane x+z=0x+z=0. So the angle between the planes TT and x+z=0x+z=0 is the same as the angle θ\theta between the vectors <1,0,0>\left< 1,0,0\right> and <1,0,1>\left< 1,0,1\right>, which obeys

∣<1,0,0>∣ ∣<1,0,1>∣ cos⁡θ=∣<1,0,0>⋅<1,0,1>∣=1  ⟹  cos⁡θ=12  ⟹  θ=π4\begin{aligned} & |\left< 1,0,0\right>| \ |\left< 1,0,1\right>|\ \cos\theta =|\left< 1,0,0\right>\cdot\left< 1,0,1\right>| =1 \\ &\implies \cos\theta=\frac{1}{\sqrt{2}} \implies \theta=\frac{\pi}{4} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 32번
# 방향도함수와 기울기벡터계산도전자동 분류
14.CLP-3 · 2.7절 · 30번대학 수준우리말 번역

함수 T(x,y,z)T(x,y,z) 가 P=(2,1,1)P = (2,1,1) 에서 T(P)=5T(P) = 5, Tx(P)=1T_x (P) = 1, Ty(P)=2T_y(P) = 2, Tz(P)=3T_z(P) = 3 임이 알려져 있다.

(a) 꿀벌이 PP 에서 출발하여 점 Q=(3,2,2)Q = (3,2,2) 를 향하는 단위벡터를 따라 날아간다. 이 방향으로의 T(x,y,z)T(x,y,z) 의 변화율을 구하세요. (b) 점 PP 에서 TT 의 선형 근사를 이용하여 T(1.9,1,1.2)T(1.9,1,1.2) 를 어림하세요. (c) S(x,y,z)=x+zS(x,y,z) = x + z 라 하자. 꿀벌이 PP 에서 출발할 때, 이 방향으로의 T(x,y,z)T(x,y,z) 의 변화율과 S(x,y,z)S(x,y,z) 의 변화율이 모두 0이 되려면 어느 단위벡터 방향으로 날아가야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

A function T(x,y,z)T(x,y,z) at P=(2,1,1)P = (2,1,1) is known to have T(P)=5T(P) = 5, Tx(P)=1T_x (P) = 1, Ty(P)=2T_y(P) = 2, and Tz(P)=3T_z(P) = 3.

(a) A bee starts flying at PP and flies along the unit vector pointing towards the point Q=(3,2,2)Q = (3,2,2). What is the rate of change of T(x,y,z)T(x,y,z) in this direction? (b) Use the linear approximation of TT at the point PP to approximate T(1.9,1,1.2)T(1.9,1,1.2). (c) Let S(x,y,z)=x+zS(x,y,z) = x + z. A bee starts flying at PP; along which unit vector direction should the bee fly so that the rate of change of T(x,y,z)T(x,y,z) and of S(x,y,z)S(x,y,z) are both zero in this direction?

정답·풀이 보기

(a) P=(2,1,1)P=(2,1,1) 에서 Q=(3,2,2)Q=(3,2,2) 로 향하는 단위벡터 방향으로의 TT 의 방향도함수를 구하는 문제이다. 이 단위벡터는 <1,1,1>3\frac{\left< 1,1,1\right>}{\sqrt{3}} 이다. 따라서 방향도함수는

∇T(P)⋅<1,1,1>3=<1,2,3>⋅<1,1,1>3=23\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(P)\cdot \frac{\left< 1,1,1\right>}{\sqrt{3}} =\left< 1,2,3\right> \cdot \frac{\left< 1,1,1\right>}{\sqrt{3}} =2\sqrt{3} \end{aligned}

이다.

(b) PP 에서 TT 의 선형 근사는

T(2+Δx , 1+Δy , 1+Δz)≈T(P)+Tx(P) Δx+Ty(P) Δy+Tz(P) Δz=5+Δx+2 Δy+3 Δz\begin{aligned} T(2+\Delta x\,,\,1+\Delta y\,,\,1+\Delta z) &\approx T(P) + T_x(P)\,\Delta x + T_y(P)\,\Delta y + T_z(P)\,\Delta z \\ &= 5 +\Delta x +2\,\Delta y +3\,\Delta z \end{aligned}

이다. 여기에 Δx=−0.1\Delta x = -0.1, Δy=0\Delta y = 0, Δz=0.2\Delta z=0.2 를 대입하면

T(1.9 , 1 , 1.2)≈5+(−0.1)+2 (0)+3 (0.2)=5.5\begin{aligned} T(1.9\,,\,1\,,\,1.2) &\approx 5 +(-0.1) +2\,(0) +3\,(0.2) =5.5 \end{aligned}

이다.

(c) TT 의 변화율이 0이 되려면 운동 방향이 ∇T(P)=<1,2,3>{ \boldsymbol{\nabla} } T(P) = \left< 1,2,3\right> 에 수직이어야 한다. SS 의 변화율도 0이 되려면 운동 방향이 ∇S(P)=<1,0,1>{ \boldsymbol{\nabla} } S(P) = \left< 1,0,1\right> 에도 수직이어야 한다. 벡터

<1,2,3>×<1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^123101]=<2,2,−2>\begin{aligned} \left< 1,2,3\right> \times \left< 1,0,1\right> &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}}\\ 1 & 2 & 3 \\ 1 & 0 & 1\end{matrix}\right] =\left< 2,2,-2\right> \end{aligned}

는 ∇T(P){ \boldsymbol{\nabla} } T(P) 와 ∇S(P){ \boldsymbol{\nabla} } S(P) 에 모두 수직이다. 따라서 구하는 단위벡터는 ±<1,1,−1>3\pm\frac{\left< 1,1,-1\right>}{\sqrt{3}} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We are being asked for the directional derivative of TT in the direction of the unit vector from P=(2,1,1)P=(2,1,1) to Q=(3,2,2)Q=(3,2,2), which is <1,1,1>3\frac{\left< 1,1,1\right>}{\sqrt{3}}. That directional derivative is

∇T(P)⋅<1,1,1>3=<1,2,3>⋅<1,1,1>3=23\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(P)\cdot \frac{\left< 1,1,1\right>}{\sqrt{3}} =\left< 1,2,3\right> \cdot \frac{\left< 1,1,1\right>}{\sqrt{3}} =2\sqrt{3} \end{aligned}

(b) The linear approximation to TT at PP is

T(2+Δx , 1+Δy , 1+Δz)≈T(P)+Tx(P) Δx+Ty(P) Δy+Tz(P) Δz=5+Δx+2 Δy+3 Δz\begin{aligned} T(2+\Delta x\,,\,1+\Delta y\,,\,1+\Delta z) &\approx T(P) + T_x(P)\,\Delta x + T_y(P)\,\Delta y + T_z(P)\,\Delta z \\ &= 5 +\Delta x +2\,\Delta y +3\,\Delta z \end{aligned}

Applying this with Δx=−0.1\Delta x = -0.1, Δy=0\Delta y = 0, Δz=0.2\Delta z=0.2 gives

T(1.9 , 1 , 1.2)≈5+(−0.1)+2 (0)+3 (0.2)=5.5\begin{aligned} T(1.9\,,\,1\,,\,1.2) &\approx 5 +(-0.1) +2\,(0) +3\,(0.2) =5.5 \end{aligned}

(c) For the rate of change of TT to be zero, the direction of motion must be perpendicular to ∇T(P)=<1,2,3>{ \boldsymbol{\nabla} } T(P) = \left< 1,2,3\right>. For the rate of change of SS to also be zero, the direction of motion must also be perpendicular to ∇S(P)=<1,0,1>{ \boldsymbol{\nabla} } S(P) = \left< 1,0,1\right>. The vector

<1,2,3>×<1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^123101]=<2,2,−2>\begin{aligned} \left< 1,2,3\right> \times \left< 1,0,1\right> &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}}\\ 1 & 2 & 3 \\ 1 & 0 & 1\end{matrix}\right] =\left< 2,2,-2\right> \end{aligned}

is perpendicular to both ∇T(P){ \boldsymbol{\nabla} } T(P) and ∇S(P){ \boldsymbol{\nabla} } S(P). So the desired unit vectors are ±<1,1,−1>3\pm\frac{\left< 1,1,-1\right>}{\sqrt{3}}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 31번
# 방향도함수와 기울기벡터계산도전자동 분류
15.CLP-3 · 2.7절 · 31번대학 수준우리말 번역

함수 F(x,y,z)=z3+xy2+xzF(x,y,z) = z^3 +xy^2 +xz 와 G(x,y,z)=3x−y+4zG(x,y,z)=3x-y+4z 를 생각하세요. 당신은 점 P(0,1,2)P(0,1,2) 에 서 있습니다.

(a) PP 에서 Q(0.1 , 0.9 , 1.8)Q(0.1\,,\,0.9\,,\,1.8) 로 뛰어갑니다. 선형 근사를 이용하여 FF 가 변하는 양을 대략 구하세요. (b) PP 에서 GG 가 가장 빠르게 증가하는 방향으로 뛰어갑니다. FF 는 증가하는지 감소하는지 판단하세요. (c) PP 에서 FF 와 GG 의 변화율이 모두 0 인 방향 <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> 로 뛰어갑니다. 이러한 방향의 예를 하나 구하세요(단위벡터일 필요는 없습니다).

영어 원문 보기

Consider the functions F(x,y,z)=z3+xy2+xzF(x,y,z) = z^3 +xy^2 +xz and G(x,y,z)=3x−y+4zG(x,y,z)=3x-y+4z. You are standing at the point P(0,1,2)P(0,1,2).

(a) You jump from PP to Q(0.1 , 0.9 , 1.8)Q(0.1\,,\,0.9\,,\,1.8). Use the linear approximation to determine approximately the amount by which FF changes. (b) You jump from PP in the direction along which GG increases most rapidly. Will FF increase or decrease? (c) You jump from PP in a direction <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> along which the rates of change of FF and GG are both zero. Give an example of such a direction (need not be a unit vector).

정답·풀이 보기

(0,1,2)(0,1,2) 에서 FF 와 GG 의 기울기벡터가 모두 필요하다. 따라서 다음을 계산한다.

∂F∂x(x,y,z)=y2+z∂F∂y(x,y,z)=2xy∂F∂z(x,y,z)=3z2+x∂G∂x(x,y,z)=3∂G∂y(x,y,z)=−1∂G∂z(x,y,z)=4\begin{aligned} \frac{\partial F}{\partial x}(x,y,z)&=y^2+z & \frac{\partial F}{\partial y}(x,y,z)&=2xy & \frac{\partial F}{\partial z}(x,y,z)&=3z^2+x \\ \frac{\partial G}{\partial x}(x,y,z)&=3 & \frac{\partial G}{\partial y}(x,y,z)&=-1 & \frac{\partial G}{\partial z}(x,y,z)&=4 \end{aligned}

그러면

∇F(0,1,2)=<3,0,12>∇G(0,1,2)=<3,−1,4>{ \boldsymbol{\nabla} } F(0,1,2) = \left< 3,0,12 \right>\qquad { \boldsymbol{\nabla} } G(0,1,2) = \left< 3,-1,4 \right>

이다.

(a) (0,1,2)(0,1,2) 에서 FF 의 선형 근사는

F(x,y,z)≈F(0,1,2)+Fx(0,1,2) x+Fy(0,1,2) (y−1)+Fz(0,1,2) (z−2)=8+3x+12(z−2)\begin{aligned} F(x,y,z) &\approx F(0,1,2) + F_x(0,1,2)\,x + F_y(0,1,2)\,(y-1) + F_z(0,1,2)\,(z-2) \\ &=8+ 3 x + 12 (z-2) \end{aligned}

이다. 특히

F(0.1 , 0.9 , 1.8)−F(0,1,2)≈3(0.1)+12(−0.2)=−2.1\begin{aligned} F(0.1\,,\,0.9\,,\,1.8) - F(0,1,2) &\approx 3(0.1) + 12(-0.2) =-2.1 \end{aligned}

이다.

(b) PP 에서 GG 가 가장 빠르게 증가하는 방향은 ∇G(0,1,2)=<3,−1,4>{ \boldsymbol{\nabla} } G(0,1,2) = \left< 3,-1,4 \right> 이다. 그 방향으로의 FF 의 방향미분계수는

D<3,−1,4>26F(0,1,2)=∇F(0,1,2)⋅<3,−1,4>26=<3,0,12>⋅<3,−1,4>26>0\begin{aligned} D_{\frac{\left< 3,-1,4\right>}{\sqrt{26}}}F(0,1,2) = { \boldsymbol{\nabla} } F(0,1,2) \cdot \frac{\left< 3,-1,4\right>}{\sqrt{26}} = \left< 3,0,12 \right>\cdot \frac{\left< 3,-1,4\right>}{\sqrt{26}} > 0 \end{aligned}

이다. 따라서 FF 는 증가한다.

(c) FF 의 변화율이 0 이 되려면 <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> 가 ∇F(0,1,2)=<3,0,12>{ \boldsymbol{\nabla} } F(0,1,2) = \left< 3,0,12 \right> 에 수직이어야 한다.

GG 의 변화율이 0 이 되려면 <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> 가 ∇G(0,1,2)=<3,−1,4>{ \boldsymbol{\nabla} } G(0,1,2) = \left< 3,-1,4 \right> 에 수직이어야 한다.

따라서 0이 아닌 임의의 상수 곱

det⁡[ı^ȷ^k^30123−14]=<12 , 24 , −3>=3<4 , 8 , −1>\begin{aligned} \det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 3 & 0 & 12 \\ 3 & -1 & 4 \end{matrix}\right] =\left< 12 \,,\, 24 \,,\, -3 \right> =3 \left< 4 \,,\, 8 \,,\, -1 \right> \end{aligned}

이 조건을 만족하는 방향이다.

원본 교재 풀이(영어)

We are going to need the gradients of both FF and GG at (0,1,2)(0,1,2). So we compute

∂F∂x(x,y,z)=y2+z∂F∂y(x,y,z)=2xy∂F∂z(x,y,z)=3z2+x∂G∂x(x,y,z)=3∂G∂y(x,y,z)=−1∂G∂z(x,y,z)=4\begin{aligned} \frac{\partial F}{\partial x}(x,y,z)&=y^2+z & \frac{\partial F}{\partial y}(x,y,z)&=2xy & \frac{\partial F}{\partial z}(x,y,z)&=3z^2+x \\ \frac{\partial G}{\partial x}(x,y,z)&=3 & \frac{\partial G}{\partial y}(x,y,z)&=-1 & \frac{\partial G}{\partial z}(x,y,z)&=4 \end{aligned}

and then

∇F(0,1,2)=<3,0,12>∇G(0,1,2)=<3,−1,4>{ \boldsymbol{\nabla} } F(0,1,2) = \left< 3,0,12 \right>\qquad { \boldsymbol{\nabla} } G(0,1,2) = \left< 3,-1,4 \right>

(a) The linear approximation to FF at (0,1,2)(0,1,2) is

F(x,y,z)≈F(0,1,2)+Fx(0,1,2) x+Fy(0,1,2) (y−1)+Fz(0,1,2) (z−2)=8+3x+12(z−2)\begin{aligned} F(x,y,z) &\approx F(0,1,2) + F_x(0,1,2)\,x + F_y(0,1,2)\,(y-1) + F_z(0,1,2)\,(z-2) \\ &=8+ 3 x + 12 (z-2) \end{aligned}

In particular

F(0.1 , 0.9 , 1.8)−F(0,1,2)≈3(0.1)+12(−0.2)=−2.1\begin{aligned} F(0.1\,,\,0.9\,,\,1.8) - F(0,1,2) &\approx 3(0.1) + 12(-0.2) =-2.1 \end{aligned}

(b) The direction along which GG increases most rapidly at PP is ∇G(0,1,2)=<3,−1,4>{ \boldsymbol{\nabla} } G(0,1,2) = \left< 3,-1,4 \right>. The directional derivative of FF in that direction is

D<3,−1,4>26F(0,1,2)=∇F(0,1,2)⋅<3,−1,4>26=<3,0,12>⋅<3,−1,4>26>0\begin{aligned} D_{\frac{\left< 3,-1,4\right>}{\sqrt{26}}}F(0,1,2) = { \boldsymbol{\nabla} } F(0,1,2) \cdot \frac{\left< 3,-1,4\right>}{\sqrt{26}} = \left< 3,0,12 \right>\cdot \frac{\left< 3,-1,4\right>}{\sqrt{26}} > 0 \end{aligned}

So FF increases.

(c) For the rate of change of FF to be zero, <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> must be perpendicular to ∇F(0,1,2)=<3,0,12>{ \boldsymbol{\nabla} } F(0,1,2) = \left< 3,0,12 \right>.

For the rate of change of GG to be zero, <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> must be perpendicular to ∇G(0,1,2)=<3,−1,4>{ \boldsymbol{\nabla} } G(0,1,2) = \left< 3,-1,4 \right>.

So any nonzero constant times

det⁡[ı^ȷ^k^30123−14]=<12 , 24 , −3>=3<4 , 8 , −1>\begin{aligned} \det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 3 & 0 & 12 \\ 3 & -1 & 4 \end{matrix}\right] =\left< 12 \,,\, 24 \,,\, -3 \right> =3 \left< 4 \,,\, 8 \,,\, -1 \right> \end{aligned}

is an allowed direction.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.6절 · 42번
# 방향도함수와 기울기벡터계산도전자동 분류
16.CLP-3 · 2.8절 · 11번대학 수준우리말 번역

점 (x,y,z)(x,y,z) 에서 원점 (0,0,0)(0,0,0) 까지의 거리는

r(x,y,z)=x2+y2+z2r(x,y,z) = \sqrt{x^2+y^2+z^2}

이다. nn 이 실수 상수일 때, 모든 (x,y,z)≠(0,0,0)(x,y,z)\ne (0,0,0) 에 대해 라플라스 방정식

uxx+uyy+uzz=0u_{xx}+u_{yy}+u_{zz}=0

을 만족하는 함수 u(x,y,z)=r(x,y,z)nu(x,y,z) = r(x,y,z)^n 을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

The distance from the point (x,y,z)(x,y,z) to the origin (0,0,0)(0,0,0) is

r(x,y,z)=x2+y2+z2r(x,y,z) = \sqrt{x^2+y^2+z^2}

Find all functions u(x,y,z)=r(x,y,z)nu(x,y,z) = r(x,y,z)^n, with nn being a real constant, that obey Laplace's equation

uxx+uyy+uzz=0u_{xx}+u_{yy}+u_{zz}=0

for all (x,y,z)≠(0,0,0)(x,y,z)\ne (0,0,0).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

편미분방정식에 대입하기 위해 uxxu_{xx}, uyyu_{yy}, uzzu_{zz} 를 계산한다.

u(x,y,z)=r(x,y,z)n=(x2+y2+z2)n/2ux(x,y,z)=n2 (x2+y2+z2)n/2−1 ∂∂x(x2+y2+z2)=nx (x2+y2+z2)n/2−1uxx(x,y,z)=n (x2+y2+z2)n/2−1+nx (n/2−1)(x2+y2+z2)n/2−2(2x)=n (x2+y2+z2)n/2−1+n(n−2)x2(x2+y2+z2)n/2−2uy(x,y,z)=n2 (x2+y2+z2)n/2−1 ∂∂y(x2+y2+z2)=ny (x2+y2+z2)n/2−1uyy(x,y,z)=n (x2+y2+z2)n/2−1+ny (n/2−1)(x2+y2+z2)n/2−2(2y)=n (x2+y2+z2)n/2−1+n(n−2)y2(x2+y2+z2)n/2−2uz(x,y,z)=n2 (x2+y2+z2)n/2−1 ∂∂z(x2+y2+z2)=nz (x2+y2+z2)n/2−1uzz(x,y,z)=n (x2+y2+z2)n/2−1+nz (n/2−1)(x2+y2+z2)n/2−2(2z)=n (x2+y2+z2)n/2−1+n(n−2)z2(x2+y2+z2)n/2−2\begin{aligned} u(x,y,z) &= r(x,y,z)^n = \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2} \\ u_x(x,y,z)&= \frac{n}{2}\,\big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1}\ \frac{\partial }{\partial x}\big(x^2+y^2+z^2\big) \\ &= nx\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} \\ u_{xx}(x,y,z)&= n\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} + nx\ (n/2-1) \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-2} (2x) \\ &=n\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} +n(n-2)x^2 \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-2} \\ u_y(x,y,z)&= \frac{n}{2}\,\big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1}\ \frac{\partial }{\partial y}\big(x^2+y^2+z^2\big) \\ &= ny\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} \\ u_{yy}(x,y,z)&= n\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} + ny\ (n/2-1) \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-2} (2y) \\ &=n\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} +n(n-2)y^2 \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-2} \\ u_z(x,y,z)&= \frac{n}{2}\,\big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1}\ \frac{\partial }{\partial z}\big(x^2+y^2+z^2\big) \\ &= nz\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} \\ u_{zz}(x,y,z)&= n\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} + nz\ (n/2-1) \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-2} (2z) \\ &=n\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} +n(n-2)z^2 \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-2} \end{aligned}

따라서

uxx+uyy+uzz=3n(x2+y2+z2)n/2−1+n(n−2) (x2+y2+z2)(x2+y2+z2)n/2−2=3n(x2+y2+z2)n/2−1+n(n−2) (x2+y2+z2)n/2−1=[3n+n2−2n] (x2+y2+z2)n/2−1\begin{aligned} u_{xx}+u_{yy}+u_{zz} &=3n\big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} +n(n-2)\ (x^2+y^2+z^2) \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-2} \\ &=3n\big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} +n(n-2)\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} \\ &=[3n+n^2-2n]\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} \end{aligned}

이 값이 0이 될 필요충분조건은 다음과 같다.

n+n2=n(1+n)=0  ⟺  n=0,−1n+n^2=n(1+n)=0 \iff n=0,-1

원본 교재 풀이(영어)

In preparation for substituting into the PDE, we compute uxxu_{xx}, uyyu_{yy} and uzzu_{zz}.

u(x,y,z)=r(x,y,z)n=(x2+y2+z2)n/2ux(x,y,z)=n2 (x2+y2+z2)n/2−1 ∂∂x(x2+y2+z2)=nx (x2+y2+z2)n/2−1uxx(x,y,z)=n (x2+y2+z2)n/2−1+nx (n/2−1)(x2+y2+z2)n/2−2(2x)=n (x2+y2+z2)n/2−1+n(n−2)x2(x2+y2+z2)n/2−2uy(x,y,z)=n2 (x2+y2+z2)n/2−1 ∂∂y(x2+y2+z2)=ny (x2+y2+z2)n/2−1uyy(x,y,z)=n (x2+y2+z2)n/2−1+ny (n/2−1)(x2+y2+z2)n/2−2(2y)=n (x2+y2+z2)n/2−1+n(n−2)y2(x2+y2+z2)n/2−2uz(x,y,z)=n2 (x2+y2+z2)n/2−1 ∂∂z(x2+y2+z2)=nz (x2+y2+z2)n/2−1uzz(x,y,z)=n (x2+y2+z2)n/2−1+nz (n/2−1)(x2+y2+z2)n/2−2(2z)=n (x2+y2+z2)n/2−1+n(n−2)z2(x2+y2+z2)n/2−2\begin{aligned} u(x,y,z) &= r(x,y,z)^n = \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2} \\ u_x(x,y,z)&= \frac{n}{2}\,\big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1}\ \frac{\partial }{\partial x}\big(x^2+y^2+z^2\big) \\ &= nx\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} \\ u_{xx}(x,y,z)&= n\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} + nx\ (n/2-1) \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-2} (2x) \\ &=n\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} +n(n-2)x^2 \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-2} \\ u_y(x,y,z)&= \frac{n}{2}\,\big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1}\ \frac{\partial }{\partial y}\big(x^2+y^2+z^2\big) \\ &= ny\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} \\ u_{yy}(x,y,z)&= n\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} + ny\ (n/2-1) \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-2} (2y) \\ &=n\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} +n(n-2)y^2 \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-2} \\ u_z(x,y,z)&= \frac{n}{2}\,\big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1}\ \frac{\partial }{\partial z}\big(x^2+y^2+z^2\big) \\ &= nz\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} \\ u_{zz}(x,y,z)&= n\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} + nz\ (n/2-1) \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-2} (2z) \\ &=n\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} +n(n-2)z^2 \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-2} \end{aligned}

So

uxx+uyy+uzz=3n(x2+y2+z2)n/2−1+n(n−2) (x2+y2+z2)(x2+y2+z2)n/2−2=3n(x2+y2+z2)n/2−1+n(n−2) (x2+y2+z2)n/2−1=[3n+n2−2n] (x2+y2+z2)n/2−1\begin{aligned} u_{xx}+u_{yy}+u_{zz} &=3n\big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} +n(n-2)\ (x^2+y^2+z^2) \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-2} \\ &=3n\big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} +n(n-2)\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} \\ &=[3n+n^2-2n]\ \big(x^2+y^2+z^2\big)^{n/2-1} \end{aligned}

This is zero if and only if

n+n2=n(1+n)=0  ⟺  n=0,−1n+n^2=n(1+n)=0 \iff n=0,-1

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.8절 · 10번
# 편미분방정식 맛보기계산도전자동 분류
17.CLP-3 · 2.8절 · 14번대학 수준우리말 번역

(a) u(x,y)u(x,y) 가 편미분방정식 3ux(x,y)+6uy(x,y)=u(x,y)3u_x(x,y) + 6u_y(x,y)=u(x,y) 를 만족한다고 하자. v(X,Y)=u(X,Y+2X)v(X,Y) = u(X, Y+2X) 로 정의할 때, vv 가 만족하는 편미분방정식을 구하세요. (b) u(x,y)u(x,y) 가 편미분방정식 xux(x,y)+yuy(x,y)=u(x,y)xu_x(x,y) + yu_y(x,y)=u(x,y) 를 만족한다고 하자. v(X,Y)=u(X,XeY)v(X,Y) = u(X, Xe^Y) 로 정의할 때, vv 가 만족하는 편미분방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Suppose that u(x,y)u(x,y) obeys the PDE 3ux(x,y)+6uy(x,y)=u(x,y)3u_x(x,y) + 6u_y(x,y)=u(x,y). Define v(X,Y)=u(X,Y+2X)v(X,Y) = u(X, Y+2X). Find a PDE that vv obeys. (b) Suppose that u(x,y)u(x,y) obeys the PDE xux(x,y)+yuy(x,y)=u(x,y)xu_x(x,y) + yu_y(x,y)=u(x,y). Define v(X,Y)=u(X,XeY)v(X,Y) = u(X, Xe^Y). Find a PDE that vv obeys.

정답·풀이 보기

(a) u(x,y)u(x,y) 가 편미분방정식

3ux(x,y)+6uy(x,y)=u(x,y)3u_x(x,y) + 6u_y(x,y)=u(x,y)

을 만족한다고 하자.

v(X,Y)=u(X,Y+2X)v(X,Y) = u(X, Y+2X) 로 정의하자. 그러면 연쇄 법칙에 의해

vX(X,Y)=∂∂X[u(X,Y+2X)]=ux(X,Y+2X)+2uy(X,Y+2X)=13{3ux(X,Y+2X)+6uy(X,Y+2X)}=13u(X,Y+2X)=13v(X,Y)\begin{aligned} v_X(X,Y)&=\frac{\partial }{\partial X}\big[ u(X, Y+2X)\big] \\ &=u_x(X, Y+2X) +2u_y(X, Y+2X) \\ &=\frac{1}{3}\big\{3u_x(X, Y+2X) + 6u_y(X, Y+2X)\big\} \\ &=\frac{1}{3} u(X, Y+2X) \\ &=\frac{1}{3} v(X,Y) \end{aligned}

이다.

(b) v(X,Y)=u(X,XeY)v(X,Y) = u(X, Xe^Y) 로 정의하자. 그러면 연쇄 법칙에 의해

vX(X,Y)=∂∂X[u(X,XeY)]=ux(X,XeY)+eYuy(X,XeY)\begin{aligned} v_X(X,Y)&=\frac{\partial }{\partial X}\big[ u(X, Xe^Y)\big] \\ &=u_x(X, Xe^Y) +e^Yu_y(X, Xe^Y) \end{aligned}

이다.

이제 xux(x,y)+yuy(x,y)=u(x,y)xu_x(x,y) + yu_y(x,y)=u(x,y) 이면, x=Xx=X, y=XeYy=Xe^Y 에서의 값을 생각할 때

Xux(X,XeY)+XeYuy(X,XeY)=u(X,XeY)Xu_x(X, Xe^Y) + Xe^Yu_y(X, Xe^Y)=u(X, Xe^Y)

임에 주목하자.

따라서

vX(X,Y)=1X{Xux(X,XeY)+XeYuy(X,XeY)}=1Xu(X,XeY)=1Xv(X,Y)\begin{aligned} v_X(X,Y) &=\frac{1}{X}\big\{X u_x(X, Xe^Y) +X e^Y u_y(X, Xe^Y) \big\} \\ &=\frac{1}{X} u(X, Xe^Y) \\ &=\frac{1}{X} v(X,Y) \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Suppose that u(x,y)u(x,y) obeys the PDE

3ux(x,y)+6uy(x,y)=u(x,y)3u_x(x,y) + 6u_y(x,y)=u(x,y)

Define v(X,Y)=u(X,Y+2X)v(X,Y) = u(X, Y+2X). Then, by the chain rule,

vX(X,Y)=∂∂X[u(X,Y+2X)]=ux(X,Y+2X)+2uy(X,Y+2X)=13{3ux(X,Y+2X)+6uy(X,Y+2X)}=13u(X,Y+2X)=13v(X,Y)\begin{aligned} v_X(X,Y)&=\frac{\partial }{\partial X}\big[ u(X, Y+2X)\big] \\ &=u_x(X, Y+2X) +2u_y(X, Y+2X) \\ &=\frac{1}{3}\big\{3u_x(X, Y+2X) + 6u_y(X, Y+2X)\big\} \\ &=\frac{1}{3} u(X, Y+2X) \\ &=\frac{1}{3} v(X,Y) \end{aligned}

(b) Define v(X,Y)=u(X,XeY)v(X,Y) = u(X, Xe^Y). Then, by the chain rule,

vX(X,Y)=∂∂X[u(X,XeY)]=ux(X,XeY)+eYuy(X,XeY)\begin{aligned} v_X(X,Y)&=\frac{\partial }{\partial X}\big[ u(X, Xe^Y)\big] \\ &=u_x(X, Xe^Y) +e^Yu_y(X, Xe^Y) \end{aligned}

Now notice that if xux(x,y)+yuy(x,y)=u(x,y)xu_x(x,y) + yu_y(x,y)=u(x,y), then, evaluating at x=Xx=X and y=XeYy=Xe^Y gives

Xux(X,XeY)+XeYuy(X,XeY)=u(X,XeY)Xu_x(X, Xe^Y) + Xe^Yu_y(X, Xe^Y)=u(X, Xe^Y)

So

vX(X,Y)=1X{Xux(X,XeY)+XeYuy(X,XeY)}=1Xu(X,XeY)=1Xv(X,Y)\begin{aligned} v_X(X,Y) &=\frac{1}{X}\big\{X u_x(X, Xe^Y) +X e^Y u_y(X, Xe^Y) \big\} \\ &=\frac{1}{X} u(X, Xe^Y) \\ &=\frac{1}{X} v(X,Y) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.8절 · 3번
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