그림과 같이 직사각형 위에 이등변삼각형을 올려놓아 오각형을 만들었습니다. 이 오각형의 둘레가 10 인치일 때, 오각형의 넓이가 최대가 되도록 하는 오각형의 각 변의 길이를 구하세요.
영어 원문 보기
A pentagon is formed by placing an isosceles triangle on a rectangle, as shown in the diagram. If the perimeter of the pentagon is 10 in., find the lengths of the sides of the pentagon that will maximize the area of the pentagon.
밑면이 xy 평면 위에서 중심이 (0,0) 이고 반지름이 1인 원이고, yz 평면에서 직선 z=y 에 평행하게 기울어진 원기둥을 생각하세요.
점 (0,−1,0) 에 서서 y 축의 양의 방향을 바라볼 때, 곡면의 기울기는 얼마인가요? x 축의 양의 방향을 바라볼 때는 얼마인가요?
영어 원문 보기
Consider the cylinder whose base is the radius-1 circle in the xy-plane
centred at (0,0), and which slopes parallel to the line in the yz-plane
given by z=y.
When you stand at the point (0,−1,0), what is the slope of the surface if you look in the positive y direction? The positive x 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
여기서 f1 과 f2 는 z 에만 의존하는 함수이다. 높이 z 에서 원의 중심이 x=0, y=z 에 있으므로, 이 곡면의 방정식은 다음과 같다.
x2+(y−z)2=1
점 (x,y) 에서 곡면의 높이는 이 방정식을 풀어 얻은 z(x,y) 이다. 즉,
x2+(y−z(x,y))2=1(∗)
원하는 점 (x,y)=(0,−1) 에서 zx(x,y) 와 zy(x,y) 를 구하기 위해 이 등식을 음함수 미분한다. 먼저 (∗) 를 y 에 대해 미분하면
(0,−1,0) 에 서서 y 축의 양의 방향을 바라보면, 곡면은 다음 조건을 만족하는 직선을 따른다.
점 (0,−1,0) 을 지난다.
원기둥의 중심선 z=y,x=0 에 평행하다.
중심선을 y 방향으로 1만큼 옮기면 직선 z=y+1, x=0 을 얻는다. (확인해 보면 (0,−1,0) 은 실제로 z=y+1,
x=0 위에 있다.) 이 직선의 기울기는 1이다.
(0,−1,0) 에 서서 x 축의 양의 방향을 바라보면, 곡면은 원 x2+y2=1, z=0 을 따른다. 이 원은 원기둥과 xy 평면의 교선이다. 이 원을 따라 움직이는 동안 z 좌표는 0 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
where f1 and f2 are functions depending only on z. Since the centre of the circle at height z is at position x=0, y=z, we see that the equation of our surface is
x2+(y−z)2=1
The height of the surface at the point (x,y) is the z(x,y) found by solving
that equation. That is,
x2+(y−z(x,y))2=1(∗)
We differentiate this equation implicitly to find zx(x,y) and zy(x,y) at the desired point (x,y)=(0,−1). First, differentiating (∗) with respect
to y gives
0+2(y−z(x,y))(1−zy(x,y))2(−1−0)(1−zy(0,−1))=0=0 at (0,−1,0)
so that the slope looking in the positive y direction is zy(0,−1)=1.
Similarly, differentiating (∗) with respect to x gives
2x+2(y−z(x,y))⋅(0−zx(x,y))2xzx(x,y)zx(0,−1)=0=2(y−z(x,y))⋅zx(x,y)=y−z(x,y)x=0 at (0,−1,0)
The slope looking in the positive x direction is zx(0,−1)=0.
Solution 2
Standing at (0,−1,0) and looking in the positive y direction,
the surface follows the straight line that
passes through the point (0,−1,0), and
is parallel to the central line z=y,x=0 of the cylinder.
Shifting the central line one unit in the y-direction, we get the line z=y+1, x=0. (As a check, notice that (0,−1,0) is indeed on z=y+1,
x=0.) The slope of this line is 1.
Standing at (0,−1,0) and looking in the positive x direction,
the surface follows the circle x2+y2=1, z=0, which is the intersection
of the cylinder with the xy-plane. As we move along that circle our z coordinate stays fixed at 0. So the slope in that direction is 0.
(a) x=1, y=e 이고, x 와 y 를 각각 측정할 때 크기 0.1 의 오차가
생긴다고 하자. 이로 인해 f(x,y) 에 생길 수 있는 최대 오차를 어림하세요.
(b) 함수 f 의 그래프는 R3 안에 있고, 점 (1,e,1) 은
그 그래프 위에 있다. 그 점에서 그래프에 수직인 영벡터가 아닌 벡터를 하나 구하세요.
영어 원문 보기
Consider the function f that maps each point (x,y) in R2
to ye−x.
(a) Suppose that x=1 and y=e, but errors of size 0.1 are
made in measuring each of x and y. Estimate the maximum error
that this could cause in f(x,y).
(b) The graph of the function f sits in R3 , and the point (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) 에서 f(x,y)=ye−x 의 1계 편도함수가 필요하다. 다음과 같다.
(a) (x,y)=(2,1) 인 점에서 그래프 z=f(x,y) 에 접하는 접평면의 방정식을 구하세요.
(b) (a)에서 구한 접평면을 이용하여 f(1.99,1.01) 의 값에 대한 접평면 근삿값을 구하세요.
영어 원문 보기
Consider the function f(x,y)=e−x2+4y2.
(a) Find the equation of the tangent plane to the graph z=f(x,y) at the
point where (x,y)=(2,1).
(b) Find the tangent plane approximation to the value of f(1.99,1.01) using the
tangent plane from part (a).
(a) 점 (0,1) 에서 함수 z=f(x,y) 의 선형 근사를 이용하여
f(0.1,1.2) 의 값을 어림하세요.
(b) 점 P 에서 z=f(x,y) 의 그래프에 접하는 접평면이 평면 2x+2y−z=3 과 평행하도록 하는, z=f(x,y) 의 그래프 위의 점 P(a,b,c) 를 구하세요.
영어 원문 보기
Let z=f(x,y)=ln(4x2+y2).
(a) Use a linear approximation of the function z=f(x,y) at (0,1) to estimate
f(0.1,1.2).
(b) Find a point P(a,b,c) on the graph of z=f(x,y) such that
the tangent plane to the graph of z=f(x,y) at the point P is parallel to the plane 2x+2y−z=3.
(b)
The point (a,b,c) is on the surface z=f(x,y) if and only if
c=f(a,b)=ln(4a2+b2)
Note that this forces 4a2+b2 to be nonzero.
The tangent plane to the surface z=f(x,y) at the point (a,b,c)
is parallel to the plane 2x+2y−z=3 if and only if
⟨2,2,−1⟩ is a normal vector for the tangent plane.
That is, there is a nonzero number t such that
For the z–coordinates to be equal, t must be 1.
Then, for the x– and y–coordinates to be equal, we need
4a2+b28a4a2+b22b=2=2
Note that these equations force both a and b to be nonzero.
Dividing these equations gives 2b8a=1 and hence b=4a.
Substituting b=4a into either of the two equations gives
미적분학 강사님이 점 (−1,1) 에서 물속에 있다.
다음을 만족하기 위해 강사님이 헤엄쳐야 할 방향을 나타내는 단위벡터를 구하세요.
(a) 같은 깊이를 유지하려면?
(b) 깊이가 가능한 한 빠르게 깊어지게 하려면? (즉, 물에 빠질 가능성이 가장 높게 하려면)
영어 원문 보기
The depth of a lake in the xy-plane is equal to
f(x,y)=32−x2−4x−4y2 meters.
(a) Sketch the shoreline of the lake in the xy-plane.
Your calculus instructor is in the water at the point (−1,1).
Find a unit vector which indicates in which direction he should swim
in order to:
(a) stay at a constant depth?
(b) increase his depth as rapidly as possible (i.e. be most likely to drown)?
정답·풀이 보기
(a) 해안선은 f(x,y)=0 또는 x2+4x+4y2=32 또는 (x+2)2+4y2=36 이고,
이는 (−2,0) 을 중심으로 하고 x 방향의 반축이 6, y 방향의 반축이 3 인 타원이다.
(b,c) (−1,1) 에서 f 의 기울기 벡터는
∇f(−1,1)=[(−2x−4)^−8y^](−1,1)=−2^−8^
같은 깊이를 유지하려면 깊이의 기울기 벡터에 수직인 방향으로 헤엄쳐야 한다. 따라서 ±171⟨4,−1⟩ 방향으로 헤엄쳐야 한다.
깊이가 가능한 한 빠르게 깊어지게 하려면 깊이의 기울기 벡터 방향으로 헤엄쳐야 하며, 그 방향은 −171⟨1,4⟩ 이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) The shoreline is f(x,y)=0 or x2+4x+4y2=32 or (x+2)2+4y2=36,
which is an ellipse centred on (−2,0) with semiaxes 6 in the x-direction
and 3 in the y-direction.
(b,c) The gradient of f at (−1,1) is
∇f(−1,1)=[(−2x−4)^−8y^](−1,1)=−2^−8^
To remain at constant depth, he should swim perpendicular to the depth
gradient. So he should swim in direction ±171⟨4,−1⟩.
To increase his depth as rapidly as possible, he should swim in the direction
of the depth gradient, which is −171⟨1,4⟩.
유성이 캐나다 중심부 지역의 땅에 떨어진다.
위성 사진을 이용하여, 그 결과로 생긴 크레이터의 모델
z=f(x,y)=−x2+2x+4y2+11100
을 만들고, 이 장소를 관광 명소로 바꾸는 계획을 세운다. 주차장은 (4,5) 에 만들고 등산로도 만들 예정이다. 등산로는 주차장에서 시작하여 크레이터 바닥까지 가장 가파른 경로를 따라 간다.
(a) 주차장, 함수 f 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)=−x2+2x+4y2+11100
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) 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 f and the trail.
(b) In which direction does the trail leave the car park?
정답·풀이 보기
(a)
z=−x2+2x+4y2+11100=−(x+1)2+4y2+10100
이므로 크레이터의 바닥은 x=−1, y=0 (분모가 최소가 되는 곳)에 있고, 등고선(등위곡선)은 방정식이
(x+1)2+4y2=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,−1 이다. 등산로가 등고선과 직각으로 만남에 유의한다.
(b) 등산로는
∇z=(x2+2x+4y2+11)2100(2x+2,8y)
와 평행하다. 주차장에서는
∇z(4,5)∥⟨10,40⟩∥⟨1,4⟩ 이다.
크레이터의 바닥을 향해 가려면 −⟨1,4⟩ 방향으로 출발해야 한다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) Since
z=−x2+2x+4y2+11100=−(x+1)2+4y2+10100
the bottom of the crater is at x=−1, y=0 (where the denominator is
a minimum) and the contours (level curves) are ellipses having equations
(x+1)2+4y2=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,−1. Note that
the trail crosses the contour lines at right angles.
(b) The trail is to be parallel to
∇z=(x2+2x+4y2+11)2100(2x+2,8y)
At the car park ∇z(4,5)∥⟨10,40⟩∥⟨1,4⟩.
To move towards the bottom of the crater, we should leave in the direction
−⟨1,4⟩.