문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

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5문제 · 1 / 1쪽

1.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
2.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
3.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
4.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
5.CLP-3 · 2.7절 · 32번대학 수준우리말 번역

유성이 캐나다 중심부 지역의 땅에 떨어진다. 위성 사진을 이용하여, 그 결과로 생긴 크레이터의 모델

z=f(x,y)=−100x2+2x+4y2+11z=f(x,y)=-\frac{100}{x^2+2x+4y^2+11}

을 만들고, 이 장소를 관광 명소로 바꾸는 계획을 세운다. 주차장은 (4,5)(4,5) 에 만들고 등산로도 만들 예정이다. 등산로는 주차장에서 시작하여 크레이터 바닥까지 가장 가파른 경로를 따라 간다.

(a) 주차장, 함수 ff 의 등고선 몇 개, 그리고 등산로가 분명하게 표시된 계획 부지의 지도를 그리세요. (b) 등산로는 주차장에서 어느 방향으로 출발하는지 구하세요.

영어 원문 보기

A meteor strikes the ground in the heartland of Canada. Using satellite photographs, a model

z=f(x,y)=−100x2+2x+4y2+11z=f(x,y)=-\frac{100}{x^2+2x+4y^2+11}

of the resulting crater is made and a plan is drawn up to convert the site into a tourist attraction. A car park is to be built at (4,5)(4,5) and a hiking trail is to be made. The trail is to start at the car park and take the steepest route to the bottom of the crater.

(a) Sketch a map of the proposed site clearly marking the car park, a few level curves for the function ff and the trail. (b) In which direction does the trail leave the car park?

정답·풀이 보기

(a)

z=−100x2+2x+4y2+11=−100(x+1)2+4y2+10z=-\frac{100}{x^2+2x+4y^2+11}=-\frac{100}{(x+1)^2+4y^2+10}

이므로 크레이터의 바닥은 x=−1x=-1, y=0y=0 (분모가 최소가 되는 곳)에 있고, 등고선(등위곡선)은 방정식이 (x+1)2+4y2=C(x+1)^2+4y^2=C 인 타원이다. 아래 그림에서 속이 찬 점은 크레이터의 바닥을, 속이 빈 점은 주차장을 나타낸다. 그린 등고선은 (안쪽부터 바깥쪽으로) z=−7.5,−5,−2.5,−1z=-7.5, -5, -2.5, -1 이다. 등산로가 등고선과 직각으로 만남에 유의한다.

그림

(b) 등산로는

∇z=100(x2+2x+4y2+11)2(2x+2,8y){ \boldsymbol{\nabla} } z = \frac{100}{{(x^2+2x+4y^2+11)}^2}(2x+2,8y)

와 평행하다. 주차장에서는 ∇z(4,5)∥<10,40>∥<1,4>{ \boldsymbol{\nabla} } z(4,5)\parallel \left< 10, 40\right>\parallel \left< 1,4\right> 이다. 크레이터의 바닥을 향해 가려면 −<1,4>-\left< 1,4\right> 방향으로 출발해야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since

z=−100x2+2x+4y2+11=−100(x+1)2+4y2+10z=-\frac{100}{x^2+2x+4y^2+11}=-\frac{100}{(x+1)^2+4y^2+10}

the bottom of the crater is at x=−1x=-1, y=0y=0 (where the denominator is a minimum) and the contours (level curves) are ellipses having equations (x+1)2+4y2=C(x+1)^2+4y^2=C. In the sketch below, the filled dot represents the bottom of the crater and the open dot represents the car park. The contours sketched are (from inside out) z=−7.5,−5,−2.5,−1z=-7.5, -5, -2.5, -1. Note that the trail crosses the contour lines at right angles.

figure

(b) The trail is to be parallel to ∇z=100(x2+2x+4y2+11)2(2x+2,8y){ \boldsymbol{\nabla} } z = \frac{100}{{(x^2+2x+4y^2+11)}^2}(2x+2,8y) At the car park ∇z(4,5)∥<10,40>∥<1,4>{ \boldsymbol{\nabla} } z(4,5)\parallel \left< 10, 40\right>\parallel \left< 1,4\right>. To move towards the bottom of the crater, we should leave in the direction −<1,4>-\left< 1,4\right>.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 33번
# 방향도함수와 기울기벡터그래프·표 해석도전자동 분류