문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

다변수 미분 전체 문제

이 단원의 모든 연습문제입니다. 소단원으로 좁혀 보려면 아래 꼬리표를 누르세요.

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

509문제 · 24 / 26쪽

461.CLP-3 · 2.6절 · 15번대학 수준우리말 번역

삼각형의 두 변과 그 끼인각을 측정하였더니 각각 3±.13\pm.1m, 4±.14\pm.1m, 90±1∘90\pm 1^\circ 이었다. 이때 코사인법칙 C2=A2+B2−2ABcos⁡θC^2=A^2+B^2-2AB\cos\theta 를 이용하여 셋째 변의 길이를 계산한다. 계산한 CC 의 값에서 생기는 최대 오차의 근삿값을 구하세요.

영어 원문 보기

Two sides and the enclosed angle of a triangle are measured to be 3±.13\pm.1m, 4±.14\pm.1m and 90±1∘90\pm 1^\circ respectively. The length of the third side is then computed using the cosine law C2=A2+B2−2ABcos⁡θC^2=A^2+B^2-2AB\cos\theta. What is the approximate maximum error in the computed value of CC?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

C(A,B,θ)=A2+B2−2ABcos⁡θC(A,B,\theta)=\sqrt{A^2+B^2-2AB\cos\theta} 라 하자. 그러면 C(3,4,π2)=5C\big(3,4,\frac{\pi}{2}\big)=5 이다. C2=A2+B2−2ABcos⁡θC^2=A^2+B^2-2AB\cos\theta 를 미분하면

2C∂C∂A(A,B,θ)=2A−2Bcos⁡θ  ⟹  10∂C∂A(3,4,π2)=62C∂C∂B(A,B,θ)=2B−2Acos⁡θ  ⟹  10∂C∂B(3,4,π2)=82C∂C∂θ(A,B,θ)=2ABsin⁡θ  ⟹  10∂C∂θ(3,4,π2)=24\begin{aligned} 2C\frac{\partial C}{\partial A}(A,B,\theta)&=2A-2B\cos\theta &\quad&\implies\quad & 10\frac{\partial C}{\partial A}\big(3,4,\tfrac{\pi}{2}\big)&=6\\ 2C\frac{\partial C}{\partial B}(A,B,\theta)&=2B-2A\cos\theta & &\implies & 10\frac{\partial C}{\partial B}\big(3,4,\tfrac{\pi}{2}\big)&=8\\ 2C\frac{\partial C}{\partial \theta}(A,B,\theta)&=2AB\sin\theta & &\implies & 10\frac{\partial C}{\partial \theta}\big(3,4,\tfrac{\pi}{2}\big)&=24\\ \end{aligned}

이다. 따라서 계산한 CC 의 값에서 생기는 최대 오차의 근삿값은

∣ΔC∣≈∣∂C∂A(3,4,π2)ΔA+∂C∂B(3,4,π2)ΔB+∂C∂θ(3,4,π2)Δθ∣≤(0.6)(0.1)+(0.8)(0.1)+(2.4)π180=π75+0.14≤0.182\begin{aligned} |\Delta C|&\approx \left| \frac{\partial C}{\partial A}\big(3,4,\tfrac{\pi}{2}\big)\Delta A +\frac{\partial C}{\partial B}\big(3,4,\tfrac{\pi}{2}\big)\Delta B +\frac{\partial C}{\partial \theta}\big(3,4,\tfrac{\pi}{2}\big)\Delta \theta\right| \\ &\le(0.6)(0.1)+(0.8)(0.1)+(2.4)\frac{\pi}{180}\\ &=\frac{\pi}{75}+0.14\le 0.182 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let C(A,B,θ)=A2+B2−2ABcos⁡θC(A,B,\theta)=\sqrt{A^2+B^2-2AB\cos\theta}. Then C(3,4,π2)=5C\big(3,4,\frac{\pi}{2}\big)=5. Differentiating C2=A2+B2−2ABcos⁡θC^2=A^2+B^2-2AB\cos\theta gives

2C∂C∂A(A,B,θ)=2A−2Bcos⁡θ  ⟹  10∂C∂A(3,4,π2)=62C∂C∂B(A,B,θ)=2B−2Acos⁡θ  ⟹  10∂C∂B(3,4,π2)=82C∂C∂θ(A,B,θ)=2ABsin⁡θ  ⟹  10∂C∂θ(3,4,π2)=24\begin{aligned} 2C\frac{\partial C}{\partial A}(A,B,\theta)&=2A-2B\cos\theta &\quad&\implies\quad & 10\frac{\partial C}{\partial A}\big(3,4,\tfrac{\pi}{2}\big)&=6\\ 2C\frac{\partial C}{\partial B}(A,B,\theta)&=2B-2A\cos\theta & &\implies & 10\frac{\partial C}{\partial B}\big(3,4,\tfrac{\pi}{2}\big)&=8\\ 2C\frac{\partial C}{\partial \theta}(A,B,\theta)&=2AB\sin\theta & &\implies & 10\frac{\partial C}{\partial \theta}\big(3,4,\tfrac{\pi}{2}\big)&=24\\ \end{aligned}

Hence the approximate maximum error in the computed value of CC is

∣ΔC∣≈∣∂C∂A(3,4,π2)ΔA+∂C∂B(3,4,π2)ΔB+∂C∂θ(3,4,π2)Δθ∣≤(0.6)(0.1)+(0.8)(0.1)+(2.4)π180=π75+0.14≤0.182\begin{aligned} |\Delta C|&\approx \left| \frac{\partial C}{\partial A}\big(3,4,\tfrac{\pi}{2}\big)\Delta A +\frac{\partial C}{\partial B}\big(3,4,\tfrac{\pi}{2}\big)\Delta B +\frac{\partial C}{\partial \theta}\big(3,4,\tfrac{\pi}{2}\big)\Delta \theta\right| \\ &\le(0.6)(0.1)+(0.8)(0.1)+(2.4)\frac{\pi}{180}\\ &=\frac{\pi}{75}+0.14\le 0.182 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 14번
# 접평면과 선형근사계산보통자동 분류
462.CLP-3 · 2.6절 · 16번대학 수준우리말 번역

미분을 이용하여 x=3.02x=3.02, y=3.96y=3.96 에서 f(x,y)=xyx2+y2f(x,y)=xy\sqrt{x^2+y^2} 의 값에 대한 적절한 근삿값을 구하세요. 3.02≈33.02\approx 3 이고 3.96≈43.96\approx 4 임에 주목하세요.

영어 원문 보기

Use differentials to find a reasonable approximation to the value of f(x,y)=xyx2+y2f(x,y)=xy\sqrt{x^2+y^2} at x=3.02x=3.02, y=3.96y=3.96. Note that 3.02≈33.02\approx 3 and 3.96≈43.96\approx 4.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

(x0,y0)=(3,4)(x_0,y_0)=(3,4) 와 (x,y)=(3.02,3.96)(x,y)=(3.02,3.96) 를

f(x,y)≈f(x0,y0)+fx(x0,y0)(x−x0)+fy(x0,y0)(y−y0)f(x,y)\approx f(x_0,y_0)+f_x(x_0,y_0)(x-x_0)+f_y(x_0,y_0)(y-y_0)

에 대입하면

f(3.02,3.96)≈f(3,4)+0.02fx(3,4)−0.04fy(3,4)=60+0.02(20+365)−0.04(15+485)=59.560\begin{aligned} f(3.02,3.96)&\approx f(3,4)+0.02f_x(3,4)-0.04f_y(3,4)\\ &=60+0.02\left(20+\frac{36}{5}\right)-0.04\left(15+\frac{48}{5}\right)\\ &=59.560 \end{aligned}

이다. 이는

fx(x,y)=yx2+y2+x2yx2+y2fy(x,y)=xx2+y2+xy2x2+y2f_x(x,y)=y\sqrt{x^2+y^2}+\frac{x^2y}{\sqrt{x^2+y^2}}\qquad f_y(x,y)=x\sqrt{x^2+y^2}+\frac{xy^2}{\sqrt{x^2+y^2}}

이기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

Substituting (x0,y0)=(3,4)(x_0,y_0)=(3,4) and (x,y)=(3.02,3.96)(x,y)=(3.02,3.96) into

f(x,y)≈f(x0,y0)+fx(x0,y0)(x−x0)+fy(x0,y0)(y−y0)f(x,y)\approx f(x_0,y_0)+f_x(x_0,y_0)(x-x_0)+f_y(x_0,y_0)(y-y_0)

gives

f(3.02,3.96)≈f(3,4)+0.02fx(3,4)−0.04fy(3,4)=60+0.02(20+365)−0.04(15+485)=59.560\begin{aligned} f(3.02,3.96)&\approx f(3,4)+0.02f_x(3,4)-0.04f_y(3,4)\\ &=60+0.02\left(20+\frac{36}{5}\right)-0.04\left(15+\frac{48}{5}\right)\\ &=59.560 \end{aligned}

since

fx(x,y)=yx2+y2+x2yx2+y2fy(x,y)=xx2+y2+xy2x2+y2f_x(x,y)=y\sqrt{x^2+y^2}+\frac{x^2y}{\sqrt{x^2+y^2}}\qquad f_y(x,y)=x\sqrt{x^2+y^2}+\frac{xy^2}{\sqrt{x^2+y^2}}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 19번
# 접평면과 선형근사계산보통자동 분류
463.CLP-3 · 2.6절 · 18번대학 수준우리말 번역

zz 가 xx, yy 의 함수이고

z3−z+2xy−y2=0,z(2,4)=1z^3 - z + 2xy - y^2 = 0,\qquad z(2, 4) = 1

을 만족시킨다고 하자.

(a) 점 (2,4)(2, 4) 에서 zz 의 선형 근사를 구하세요. (b) (a)의 답을 이용하여 (2.02,3.96)(2.02, 3.96) 에서 zz 의 값을 어림하세요.

영어 원문 보기

Let zz be a function of xx, yy such that

z3−z+2xy−y2=0,z(2,4)=1.z^3 - z + 2xy - y^2 = 0,\qquad z(2, 4) = 1.

(a) Find the linear approximation to zz at the point (2,4)(2, 4). (b) Use your answer in (a) to estimate the value of zz at (2.02,3.96)(2.02, 3.96).

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 함수 z(x,y)z(x,y) 는 (2,4)(2,4) 근처의 모든 (x,y)(x,y) 에 대해

z(x,y)3−z(x,y)+2xy−y2=0z(x,y)^3-z(x,y)+2xy-y^2=0

을 만족시킨다. xx 와 yy 에 대해 각각 미분하면

3z(x,y)2∂z∂x(x,y)−∂z∂x(x,y)+2y=03z(x,y)2∂z∂y(x,y)−∂z∂y(x,y)+2x−2y=0\begin{aligned} 3z(x,y)^2\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) -\frac{\partial z}{\partial x}(x,y)+2y&=0 \\ 3z(x,y)^2\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) -\frac{\partial z}{\partial y}(x,y)+2x-2y&=0 \end{aligned}

이다. x=2x=2, y=4y=4, z(2,4)=1z(2,4)=1 을 대입하면

3∂z∂x(2,4)−∂z∂x(2,4)+8=0  ⟺  ∂z∂x(2,4)=−43∂z∂y(2,4)−∂z∂y(2,4)+4−8=0  ⟺  ∂z∂y(2,4)=2\begin{aligned} 3\frac{\partial z}{\partial x}(2,4) -\frac{\partial z}{\partial x}(2,4)+8&=0 & &\iff & \frac{\partial z}{\partial x}(2,4) & = -4 \\ 3\frac{\partial z}{\partial y}(2,4) -\frac{\partial z}{\partial y}(2,4)+4-8&=0 & &\iff & \frac{\partial z}{\partial y}(2,4) & = 2 \end{aligned}

이다. 따라서 선형 근사는

z(x,y)≈z(2,4)+zx(2,4)(x−2)+zy(2,4)(y−4)=1−4(x−2)+2(y−4)=1−4x+2y\begin{aligned} z(x,y)&\approx z(2,4)+z_x(2,4)(x-2)+z_y(2,4)(y-4)= 1-4(x-2)+2(y-4) \\ &=1-4x+2y \end{aligned}

이다.

(b) x=2.02x=2.02, y=3.96y=3.96 을 대입하면

z(2.02,3.96)≈1−4×0.02+2×(−0.04)=0.84\begin{aligned} z(2.02,3.96)\approx 1-4\times0.02+2\times(-0.04) =0.84 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The function z(x,y)z(x,y) obeys

z(x,y)3−z(x,y)+2xy−y2=0z(x,y)^3-z(x,y)+2xy-y^2=0

for all (x,y)(x,y) near (2,4)(2,4). Differentiating with respect to xx and yy

3z(x,y)2∂z∂x(x,y)−∂z∂x(x,y)+2y=03z(x,y)2∂z∂y(x,y)−∂z∂y(x,y)+2x−2y=0\begin{aligned} 3z(x,y)^2\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) -\frac{\partial z}{\partial x}(x,y)+2y&=0 \\ 3z(x,y)^2\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) -\frac{\partial z}{\partial y}(x,y)+2x-2y&=0 \end{aligned}

Substituting in x=2x=2, y=4y=4 and z(2,4)=1z(2,4)=1 gives

3∂z∂x(2,4)−∂z∂x(2,4)+8=0  ⟺  ∂z∂x(2,4)=−43∂z∂y(2,4)−∂z∂y(2,4)+4−8=0  ⟺  ∂z∂y(2,4)=2\begin{aligned} 3\frac{\partial z}{\partial x}(2,4) -\frac{\partial z}{\partial x}(2,4)+8&=0 & &\iff & \frac{\partial z}{\partial x}(2,4) & = -4 \\ 3\frac{\partial z}{\partial y}(2,4) -\frac{\partial z}{\partial y}(2,4)+4-8&=0 & &\iff & \frac{\partial z}{\partial y}(2,4) & = 2 \end{aligned}

The linear approximation is

z(x,y)≈z(2,4)+zx(2,4)(x−2)+zy(2,4)(y−4)=1−4(x−2)+2(y−4)=1−4x+2y\begin{aligned} z(x,y)&\approx z(2,4)+z_x(2,4)(x-2)+z_y(2,4)(y-4)= 1-4(x-2)+2(y-4) \\ &=1-4x+2y \end{aligned}

(b) Substituting in x=2.02x=2.02 and y=3.96y=3.96 gives

z(2.02,3.96)≈1−4×0.02+2×(−0.04)=0.84\begin{aligned} z(2.02,3.96)\approx 1-4\times0.02+2\times(-0.04) =0.84 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.4절 · 3번
# 접평면과 선형근사계산보통자동 분류
464.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
465.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
466.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
467.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
468.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
469.CLP-3 · 2.7절 · 1번대학 수준우리말 번역

점 (0,1,1)(0,1,1) 에서 f(x,y,z)=exyzf(x,y,z) = e^{xyz} 의 <0,1,1>\left< 0,1,1\right> 방향의 방향미분계수를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the directional derivative of f(x,y,z)=exyzf(x,y,z) = e^{xyz} in the <0,1,1>\left< 0,1,1\right> direction at the point (0,1,1)(0,1,1).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

임의의 점 (x,y,z)(x,y,z) 에서의 편도함수와 구하려는 점 (0,1,1)(0,1,1) 에서의 편미분계수는 다음과 같다.

fx(x,y,z)=yzexyzfx(0,1,1)=1fy(x,y,z)=xzexyzfy(0,1,1)=0fz(x,y,z)=xyexyzfz(0,1,1)=0\begin{aligned} f_x(x,y,z)&=yz e^{xyz}\qquad & f_x(0,1,1)&= 1 \\ f_y(x,y,z)&=xz e^{xyz}\qquad & f_y(0,1,1)&= 0 \\ f_z(x,y,z)&=xy e^{xyz}\qquad & f_z(0,1,1)&= 0 \end{aligned}

따라서 ∇f(0,1,1)=<1,0,0>{ \boldsymbol{\nabla} } f(0,1,1) =\left< 1,0,0\right> 이고, 구하는 방향미분계수는 다음과 같다.

D<0,1,1>2f(0,1,1)=<1,0,0>⋅<0,1,1>2=0\begin{aligned} D_{\frac{\left< 0,1,1\right>}{\sqrt{2}}}f(0,1,1) =\left< 1,0,0\right>\cdot\frac{\left< 0,1,1\right>}{\sqrt{2}} =0 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The partial derivatives, at a general point (x,y,z)(x,y,z) and also at the point of interest (0,1,1)(0,1,1), are

fx(x,y,z)=yzexyzfx(0,1,1)=1fy(x,y,z)=xzexyzfy(0,1,1)=0fz(x,y,z)=xyexyzfz(0,1,1)=0\begin{aligned} f_x(x,y,z)&=yz e^{xyz}\qquad & f_x(0,1,1)&= 1 \\ f_y(x,y,z)&=xz e^{xyz}\qquad & f_y(0,1,1)&= 0 \\ f_z(x,y,z)&=xy e^{xyz}\qquad & f_z(0,1,1)&= 0 \end{aligned}

So ∇f(0,1,1)=<1,0,0>{ \boldsymbol{\nabla} } f(0,1,1) =\left< 1,0,0\right> and the specified directional derivative is

D<0,1,1>2f(0,1,1)=<1,0,0>⋅<0,1,1>2=0\begin{aligned} D_{\frac{\left< 0,1,1\right>}{\sqrt{2}}}f(0,1,1) =\left< 1,0,0\right>\cdot\frac{\left< 0,1,1\right>}{\sqrt{2}} =0 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 16번
# 방향도함수와 기울기벡터계산기본자동 분류
470.CLP-3 · 2.7절 · 2번대학 수준우리말 번역

∇(y2+sin⁡(xy)){ \boldsymbol{\nabla} }\big(y^2 + \sin(xy)\big) 를 구하세요.

영어 원문 보기

Find ∇(y2+sin⁡(xy)){ \boldsymbol{\nabla} }\big(y^2 + \sin(xy)\big).

정답·풀이 보기

2차원에서 g(x,y)=y2+sin⁡(xy)g(x,y) = y^2+\sin(xy) 라 하면 다음과 같다.

∇g=<gx , gy>=<ycos⁡(xy) , 2y+xcos⁡(xy)>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } g =\left< g_x\,,\,g_y\right> =\left< y\cos(xy)\,,\, 2y + x\cos(xy) \right> \end{aligned}

3차원에서 g(x,y,z)=y2+sin⁡(xy)g(x,y,z) = y^2+\sin(xy) 라 하면 다음과 같다.

∇g=<gx , gy , gz>=<ycos⁡(xy) , 2y+xcos⁡(xy) , 0>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } g =\left< g_x\,,\,g_y\,,\,g_z\right> =\left< y\cos(xy)\,,\, 2y + x\cos(xy)\,,\, 0 \right> \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

In two dimensions, write g(x,y)=y2+sin⁡(xy)g(x,y) = y^2+\sin(xy). Then

∇g=<gx , gy>=<ycos⁡(xy) , 2y+xcos⁡(xy)>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } g =\left< g_x\,,\,g_y\right> =\left< y\cos(xy)\,,\, 2y + x\cos(xy) \right> \end{aligned}

In three dimensions, write g(x,y,z)=y2+sin⁡(xy)g(x,y,z) = y^2+\sin(xy). Then

∇g=<gx , gy , gz>=<ycos⁡(xy) , 2y+xcos⁡(xy) , 0>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } g =\left< g_x\,,\,g_y\,,\,g_z\right> =\left< y\cos(xy)\,,\, 2y + x\cos(xy)\,,\, 0 \right> \end{aligned}

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

주어진 점에서 주어진 방향으로 주어진 함수의 변화율을 구하세요.

(a) f(x,y)=3x−4yf(x,y)=3x-4y, 점 (0,2)(0,2), 방향 −2ı^-2\hat{\boldsymbol{\imath}}. (b) f(x,y,z)=x−1+y−1+z−1f(x,y,z)=x^{-1}+y^{-1}+z^{-1}, 점 (2,−3,4)(2,-3,4), 방향 ı^+ȷ^+k^\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}.

영어 원문 보기

Find the rate of change of the given function at the given point in the given direction.

(a) f(x,y)=3x−4yf(x,y)=3x-4y at the point (0,2)(0,2) in the direction −2ı^-2\hat{\boldsymbol{\imath}}. (b) f(x,y,z)=x−1+y−1+z−1f(x,y,z)=x^{-1}+y^{-1}+z^{-1} at (2,−3,4)(2,-3,4) in the direction ı^+ȷ^+k^\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) ff 의 기울기벡터는 ∇f(x,y)=<3,−4>{ \boldsymbol{\nabla} } f(x,y)=\left< 3,-4\right> 이다. 따라서 구하는 변화율은

<3,−4>⋅<−2,0>∣<−2,0>∣=−3\left< 3,-4\right>\cdot\frac{\left< -2,0\right>}{|\left< -2,0\right>|}=-3

(b) ff 의 기울기벡터는 ∇f(x,y,z)=<−x−2,−y−2,−z−2>{ \boldsymbol{\nabla} } f(x,y,z)=\left< -x^{-2},-y^{-2},-z^{-2}\right> 이다. 특히 점 (2,−3,4)(2,-3,4) 에서 ff 의 기울기벡터는 ∇f(2,−3,4)=<−14,−19,−116>{ \boldsymbol{\nabla} } f(2,-3,4)=\left< -\frac{1}{4},-\frac{1}{9},-\frac{1}{16}\right> 이다. 따라서 구하는 변화율은

<−14,−19,−116>⋅<1,1,1>3=−611443≈−0.2446\left< -\frac{1}{4},-\frac{1}{9},-\frac{1}{16}\right>\cdot \frac{\left< 1,1,1\right>}{\sqrt{3}}= -\frac{61}{144\sqrt{3}}\approx-0.2446

원본 교재 풀이(영어)

(a) The gradient of ff is ∇f(x,y)=<3,−4>{ \boldsymbol{\nabla} } f(x,y)=\left< 3,-4\right>. So the specified rate of change is

<3,−4>⋅<−2,0>∣<−2,0>∣=−3\left< 3,-4\right>\cdot\frac{\left< -2,0\right>}{|\left< -2,0\right>|}=-3

(b) The gradient of ff is ∇f(x,y,z)=<−x−2,−y−2,−z−2>{ \boldsymbol{\nabla} } f(x,y,z)=\left< -x^{-2},-y^{-2},-z^{-2}\right>. In particular, the gradient of ff at the point (2,−3,4)(2,-3,4) is ∇f(2,−3,4)=<−14,−19,−116>{ \boldsymbol{\nabla} } f(2,-3,4)=\left< -\frac{1}{4},-\frac{1}{9},-\frac{1}{16}\right>. So the specified rate of change is

<−14,−19,−116>⋅<1,1,1>3=−611443≈−0.2446\left< -\frac{1}{4},-\frac{1}{9},-\frac{1}{16}\right>\cdot \frac{\left< 1,1,1\right>}{\sqrt{3}}= -\frac{61}{144\sqrt{3}}\approx-0.2446

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 14번
# 방향도함수와 기울기벡터계산보통자동 분류
472.CLP-3 · 2.7절 · 4번대학 수준우리말 번역

점 (2,0)(2,0) 에서 함수 f(x,y)=xyf(x,y)=xy 가 주어진 변화율을 갖는 방향을 각각 구하세요.

(a) −1-1 (b) −2-2 (c) −3-3

영어 원문 보기

In what directions at the point (2,0)(2,0) does the function f(x,y)=xyf(x,y)=xy have the specified rates of change?

(a) −1-1 (b) −2-2 (c) −3-3

정답·풀이 보기

f(x,y)f(x,y) 의 기울기벡터는 ∇f(x,y)=<y,x>{ \boldsymbol{\nabla} } f(x,y)=\left< y,x\right> 이다. 특히 점 (2,0)(2,0) 에서 ff 의 기울기벡터는 ∇f(2,0)=<0,2>{ \boldsymbol{\nabla} } f(2,0)=\left< 0,2 \right> 이다. 따라서 xx 축과 이루는 각이 θ\theta 인 방향, 즉 <cos⁡θ,sin⁡θ>\left< \cos\theta,\sin\theta\right> 방향으로의 변화율은

<cos⁡θ,sin⁡θ>⋅∇f(2,0)=<cos⁡θ,sin⁡θ>⋅<0,2>=2sin⁡θ\left< \cos\theta,\sin\theta\right> \cdot{ \boldsymbol{\nabla} } f(2,0) =\left< \cos\theta,\sin\theta\right> \cdot\left< 0, 2\right> =2\sin\theta

이다.

(a) 변화율 −1-1 을 얻으려면

sin⁡θ=−12  ⟹  θ=−30∘, −150∘\sin\theta=-\frac{1}{2} \implies \theta=-30^\circ,\ -150^\circ

이어야 한다. 따라서 구하는 방향은

<cos⁡θ,sin⁡θ>=<±32,−12>\left< \cos\theta,\sin\theta\right> =\left<\pm\frac{\sqrt{3}}{2} ,-\frac{1}{2} \right>

이다.

(b) 변화율 −2-2 를 얻으려면

sin⁡θ=−1  ⟹  θ=−90∘\sin\theta=-1 \implies \theta=-90^\circ

이어야 한다. 따라서 구하는 방향은

<cos⁡θ,sin⁡θ>=<0,−1>\left< \cos\theta,\sin\theta\right> =\left< 0 ,-1 \right>

이다.

(c) 변화율 −3-3 을 얻으려면

sin⁡θ=−32\sin\theta=-\frac{3}{2}

이어야 한다.

모든 θ\theta 에 대해 −1≤sin⁡θ≤1-1\le\sin\theta\le 1 이므로 이를 만족하는 θ\theta 는 없다. 따라서 알맞은 방향이 없다!

원본 교재 풀이(영어)

The gradient of f(x,y)f(x,y) is ∇f(x,y)=<y,x>{ \boldsymbol{\nabla} } f(x,y)=\left< y,x\right>. In particular, the gradient of ff at the point (2,0)(2,0) is ∇f(2,0)=<0,2>{ \boldsymbol{\nabla} } f(2,0)=\left< 0,2 \right>. So the rate of change in the direction that makes angle θ\theta with respect to the xx-axis, that is, in the direction <cos⁡θ,sin⁡θ>\left< \cos\theta,\sin\theta\right> is

<cos⁡θ,sin⁡θ>⋅∇f(2,0)=<cos⁡θ,sin⁡θ>⋅<0,2>=2sin⁡θ\left< \cos\theta,\sin\theta\right> \cdot{ \boldsymbol{\nabla} } f(2,0) =\left< \cos\theta,\sin\theta\right> \cdot\left< 0, 2\right> =2\sin\theta

(a) To get a rate −1-1, we need

sin⁡θ=−12  ⟹  θ=−30∘, −150∘\sin\theta=-\frac{1}{2} \implies \theta=-30^\circ,\ -150^\circ

So the desired directions are

<cos⁡θ,sin⁡θ>=<±32,−12>\left< \cos\theta,\sin\theta\right> =\left<\pm\frac{\sqrt{3}}{2} ,-\frac{1}{2} \right>

(b) To get a rate −2-2, we need

sin⁡θ=−1  ⟹  θ=−90∘\sin\theta=-1 \implies \theta=-90^\circ

So the desired direction is

<cos⁡θ,sin⁡θ>=<0,−1>\left< \cos\theta,\sin\theta\right> =\left< 0 ,-1 \right>

(c) To get a rate −3-3, we need

sin⁡θ=−32\sin\theta=-\frac{3}{2}

No θ\theta obeys this, since −1≤sin⁡θ≤1-1\le\sin\theta\le 1 for all θ\theta. So no direction works!

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.6절 · 4번
# 방향도함수와 기울기벡터계산보통자동 분류
473.CLP-3 · 2.7절 · 5번대학 수준우리말 번역

방향미분계수가 다음과 같을 때 ∇f(a,b){ \boldsymbol{\nabla} } f(a,b) 를 구하세요.

D(ı^+ȷ^)/2f(a,b)=32D(3ı^−4ȷ^)/5f(a,b)=5D_{(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}})/\sqrt{2}}f(a,b)=3\sqrt{2}\qquad D_{(3\hat{\boldsymbol{\imath}}-4\hat{\boldsymbol{\jmath}})/5}f(a,b)=5

영어 원문 보기

Find ∇f(a,b){ \boldsymbol{\nabla} } f(a,b) given the directional derivatives

D(ı^+ȷ^)/2f(a,b)=32D(3ı^−4ȷ^)/5f(a,b)=5D_{(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}})/\sqrt{2}}f(a,b)=3\sqrt{2}\qquad D_{(3\hat{\boldsymbol{\imath}}-4\hat{\boldsymbol{\jmath}})/5}f(a,b)=5

정답·풀이 보기

∇f(a,b)=<α,β>{ \boldsymbol{\nabla} } f(a,b)=\left< \alpha ,\beta \right> 라 하자. 주어진 조건에서

<α,β>⋅<12,12>=32또는α+β=6<α,β>⋅<35,−45>=5또는3α−4β=25\begin{aligned} \left<\alpha ,\beta \right>\cdot\left<\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}}\right>&=3\sqrt{2} & &\quad\text{또는}\quad & \alpha +\beta &=6\\ \left<\alpha ,\beta \right>\cdot\left<\frac{3}{5},-\frac{4}{5}\right>&=5 & &\quad\text{또는}\quad & 3\alpha -4\beta &=25 \end{aligned}

이다. 첫째 식의 4배를 둘째 식에 더하면 7α=497\alpha =49 이다. α=7\alpha =7 을 첫째 식에 대입하면 β=−1\beta =-1 이다. 따라서 ∇f(a,b)=<7,−1>{ \boldsymbol{\nabla} } f(a,b)=\left< 7,-1\right> 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Denote ∇f(a,b)=<α,β>{ \boldsymbol{\nabla} } f(a,b)=\left< \alpha ,\beta \right>. We are told that

<α,β>⋅<12,12>=32orα+β=6<α,β>⋅<35,−45>=5or3α−4β=25\begin{aligned} \left<\alpha ,\beta \right>\cdot\left<\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}}\right>&=3\sqrt{2} & &\quad\text{or}\quad & \alpha +\beta &=6\\ \left<\alpha ,\beta \right>\cdot\left<\frac{3}{5},-\frac{4}{5}\right>&=5 & &\quad\text{or}\quad & 3\alpha -4\beta &=25 \end{aligned}

Adding 4 times the first equation to the second equation gives 7α=497\alpha =49. Substituting α=7\alpha =7 into the first equation gives β=−1\beta =-1. So ∇f(a,b)=<7,−1>{ \boldsymbol{\nabla} } f(a,b)=\left< 7,-1\right>.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 4번
# 방향도함수와 기울기벡터계산보통자동 분류
474.CLP-3 · 2.7절 · 6번대학 수준우리말 번역

당신은 지표면이 매끄러운 곳에 서 있습니다. 남쪽 방향의 기울기는 44 이고 남동쪽 방향의 기울기는 2\sqrt{2} 입니다. 동쪽 방향의 기울기를 구하세요.

영어 원문 보기

You are standing at a location where the surface of the earth is smooth. The slope in the southern direction is 44 and the slope in the south–eastern direction is 2\sqrt{2}. Find the slope in the eastern direction.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

양의 yy 축이 북쪽, 양의 xx 축이 동쪽을 향하고 현재 위치가 x=y=0x=y=0 인 좌표계를 사용한다. (x,y)(x,y) 에서 지표면의 고도를 z(x,y)z(x,y) 라 하자. 주어진 조건에서

∇z(0,0)⋅(−ȷ^)=4∇z(0,0)⋅(ı^−ȷ^2)=2\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } z(0,0)\cdot(-\hat{\boldsymbol{\jmath}}) &= 4 \\ { \boldsymbol{\nabla} } z(0,0)\cdot\left(\frac{\hat{\boldsymbol{\imath}}-\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{\sqrt{2}}\right) &= \sqrt{2} \end{aligned}

이다. 첫째 식에서 zy(0,0)=−4z_y(0,0)=-4 이고 둘째 식에서

zx(0,0)−zy(0,0)2=2  ⟹  zx(0,0)=zy(0,0)+2=−2\begin{aligned} \frac{z_x(0,0)-z_y(0,0)}{\sqrt{2}}=\sqrt{2} \implies z_x(0,0)=z_y(0,0)+2 = -2 \end{aligned}

이다. 따라서 동쪽 방향의 기울기는

∇z(0,0)⋅ı^=zx(0,0)=−2\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } z(0,0)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}} = z_x(0,0) = -2 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Use a coordinate system with the positive yy–axis pointing north, with the positive xx–axis pointing east and with our current location being x=y=0x=y=0. Denote by z(x,y)z(x,y) the elevation of the earth's surface at (x,y)(x,y). We are told that

∇z(0,0)⋅(−ȷ^)=4∇z(0,0)⋅(ı^−ȷ^2)=2\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } z(0,0)\cdot(-\hat{\boldsymbol{\jmath}}) &= 4 \\ { \boldsymbol{\nabla} } z(0,0)\cdot\left(\frac{\hat{\boldsymbol{\imath}}-\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{\sqrt{2}}\right) &= \sqrt{2} \end{aligned}

The first equation implies that zy(0,0)=−4z_y(0,0)=-4 and the second equation implies that

zx(0,0)−zy(0,0)2=2  ⟹  zx(0,0)=zy(0,0)+2=−2\begin{aligned} \frac{z_x(0,0)-z_y(0,0)}{\sqrt{2}}=\sqrt{2} \implies z_x(0,0)=z_y(0,0)+2 = -2 \end{aligned}

So the slope in the eastern direction is

∇z(0,0)⋅ı^=zx(0,0)=−2\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } z(0,0)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}} = z_x(0,0) = -2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 5번
# 방향도함수와 기울기벡터계산보통자동 분류
475.CLP-3 · 2.7절 · 7번대학 수준우리말 번역

w=f(x,y,z)w = f(x,y,z) 의 점 PP 에서의 방향미분계수가 벡터 2ı^−ȷ^+k^2\hat{\boldsymbol{\imath}} - \hat{\boldsymbol{\jmath}} + \hat{\mathbf{k}} 의 방향으로 최대이고, 그 방향으로의 방향미분계수의 값이 363\sqrt{6} 이라고 가정하자.

(a) w=f(x,y,z)w = f(x,y,z) 의 점 PP 에서의 기울기 벡터를 구하세요. (b) w=f(x,y,z)w = f(x,y,z) 의 점 PP 에서 벡터 ı^+ȷ^\hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}} 의 방향으로의 방향미분계수를 구하세요.

영어 원문 보기

Assume that the directional derivative of w=f(x,y,z)w = f(x,y,z) at a point PP is a maximum in the direction of the vector 2ı^−ȷ^+k^2\hat{\boldsymbol{\imath}} - \hat{\boldsymbol{\jmath}} + \hat{\mathbf{k}}, and the value of the directional derivative in that direction is 363\sqrt{6}.

(a) Find the gradient vector of w=f(x,y,z)w = f(x,y,z) at PP. (b) Find the directional derivative of w=f(x,y,z)w = f(x,y,z) at PP in the direction of the vector ı^+ȷ^\hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}}

정답·풀이 보기

(a) ∇f(P){ \boldsymbol{\nabla} } f(P) 로 ff 의 점 PP 에서의 기울기 벡터를 나타내자. 주어진 조건은 다음과 같다.

  • ff 의 점 PP 에서의 방향미분계수가 2ı^−ȷ^+k^2\hat{\boldsymbol{\imath}} - \hat{\boldsymbol{\jmath}} + \hat{\mathbf{k}} 의 방향으로 최대이므로, ∇f(P){ \boldsymbol{\nabla} } f(P) 는 2ı^−ȷ^+k^2\hat{\boldsymbol{\imath}} - \hat{\boldsymbol{\jmath}} + \hat{\mathbf{k}} 와 평행하다.
  • 그 방향으로의 방향미분계수의 크기가 363\sqrt{6} 이므로, ∣∇f(P)∣=36|{ \boldsymbol{\nabla} } f(P)|=3\sqrt{6} 이다.

따라서

∇f(P)=362ı^−ȷ^+k^∣2ı^−ȷ^+k^∣=6ı^−3ȷ^+3k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } f(P) = 3\sqrt{6} \frac{2\hat{\boldsymbol{\imath}} - \hat{\boldsymbol{\jmath}} + \hat{\mathbf{k}}}{|2\hat{\boldsymbol{\imath}} - \hat{\boldsymbol{\jmath}} + \hat{\mathbf{k}}|} = 6\hat{\boldsymbol{\imath}} - 3\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 3\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다.

(b) ff 의 점 PP 에서 ı^+ȷ^\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}} 방향으로의 방향미분계수는

∇f(P)⋅ı^+ȷ^∣ı^+ȷ^∣=12(6ı^−3ȷ^+3k^)⋅(ı^+ȷ^)=32{ \boldsymbol{\nabla} } f(P) \cdot\frac{\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{|\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}|} =\frac{1}{\sqrt{2}}\big(6\hat{\boldsymbol{\imath}} - 3\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 3\hat{\mathbf{k}}\big)\cdot\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big) =\frac{3}{\sqrt{2}}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Use ∇f(P){ \boldsymbol{\nabla} } f(P) to denote the gradient vector of ff at PP. We are told that

  • directional derivative of ff at PP is a maximum in the direction 2ı^−ȷ^+k^2\hat{\boldsymbol{\imath}} - \hat{\boldsymbol{\jmath}} + \hat{\mathbf{k}}, which implies that ∇f(P){ \boldsymbol{\nabla} } f(P) is parallel to 2ı^−ȷ^+k^2\hat{\boldsymbol{\imath}} - \hat{\boldsymbol{\jmath}} + \hat{\mathbf{k}}, and
  • the magnitude of the directional derivative in that direction is 363\sqrt{6}, which implies that ∣∇f(P)∣=36|{ \boldsymbol{\nabla} } f(P)|=3\sqrt{6}.

So

∇f(P)=362ı^−ȷ^+k^∣2ı^−ȷ^+k^∣=6ı^−3ȷ^+3k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } f(P) = 3\sqrt{6} \frac{2\hat{\boldsymbol{\imath}} - \hat{\boldsymbol{\jmath}} + \hat{\mathbf{k}}}{|2\hat{\boldsymbol{\imath}} - \hat{\boldsymbol{\jmath}} + \hat{\mathbf{k}}|} = 6\hat{\boldsymbol{\imath}} - 3\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 3\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(b) The directional derivative of ff at PP in the direction ı^+ȷ^\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}} is

∇f(P)⋅ı^+ȷ^∣ı^+ȷ^∣=12(6ı^−3ȷ^+3k^)⋅(ı^+ȷ^)=32{ \boldsymbol{\nabla} } f(P) \cdot\frac{\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{|\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}|} =\frac{1}{\sqrt{2}}\big(6\hat{\boldsymbol{\imath}} - 3\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 3\hat{\mathbf{k}}\big)\cdot\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big) =\frac{3}{\sqrt{2}}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 6번
# 방향도함수와 기울기벡터계산보통자동 분류
476.CLP-3 · 2.7절 · 8번대학 수준우리말 번역

한 등산객이 산을 걷고 있으며, z=0z = 0 평면으로부터 산의 높이는 다음과 같이 주어진다.

z=f(x,y)=6−xy2z = f(x,y) = 6 - xy^2

양의 xx 축은 동쪽을, 양의 yy 축은 북쪽을 가리키고, 등산객은 점 P(2,1,4)P(2, 1, 4) 에서 출발한다.

(a) 가장 가파른 길을 따라 올라가려면 등산객은 PP 에서 어느 방향으로 나아가야 하는지 구하세요. 그 길의 기울기는 얼마인지 구하세요. (b) PP 에서 북쪽으로 걸으면 등산객은 오르기 시작하는지 내려가기 시작하는지 판단하세요. 기울기는 얼마인지 구하세요. (c) 같은 높이를 유지하려면 등산객은 PP 에서 어느 방향으로 걸어야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

A hiker is walking on a mountain with height above the z=0z = 0 plane given by

z=f(x,y)=6−xy2z = f(x,y) = 6 - xy^2

The positive xx–axis points east and the positive yy–axis points north, and the hiker starts from the point P(2,1,4)P(2, 1, 4).

(a) In what direction should the hiker proceed from PP to ascend along the steepest path? What is the slope of the path? (b) Walking north from PP, will the hiker start to ascend or descend? What is the slope? (c) In what direction should the hiker walk from PP to remain at the same height?

정답·풀이 보기

(a) (x,y)=(2,1)(x,y)=(2,1) 에서 ff 의 그래디언트는

∇f(2,1)=<−y2 , −2xy>∣(x,y)=(2,1)=<−1 , −4>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } f(2,1) = \left< -y^2\,,\,-2xy \right>\Big|_{(x,y)=(2,1)} = \left< -1\,,\, -4\right> \end{aligned}

이므로 가장 가파르게 올라가는 길의 방향은 −117<1 , 4>-\frac{1}{\sqrt{17}}\left< 1\,,\, 4\right> 이며, 이는 남쪽에서 약간 서쪽으로 치우친 방향이다. 기울기는

∣∇f(2,1)∣=∣<−1 , −4>∣=17|{ \boldsymbol{\nabla} } f(2,1)| = |\left< -1\,,\, -4\right>| = \sqrt{17}

이다.

(b) 북쪽 방향의 방향미분계수는

D<0,1>f(2,1)=∇f(2,1)⋅<0,1>=<−1 , −4>⋅<0,1>=−4D_{\left< 0,1\right>}f(2,1) = { \boldsymbol{\nabla} } f(2,1)\cdot\left< 0,1\right> = \left< -1\,,\, -4\right> \cdot \left< 0,1\right> = -4

이므로 등산객은 기울기 ∣−4∣=4|-4|=4 로 내려간다.

(c) 등고선을 따라 걷는, 즉 같은 높이를 유지하려면 등산객은 ∇f(2,1)=<−1 , −4>{ \boldsymbol{\nabla} } f(2,1)= \left< -1\,,\, -4\right> 에 수직인 방향으로 걸어야 한다. <−1 , −4>\left< -1\,,\, -4\right> 에 수직인 두 단위벡터는 ±117<4,−1>\pm\frac{1}{\sqrt{17}}\left< 4, -1\right> 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The gradient of ff at (x,y)=(2,1)(x,y)=(2,1) is

∇f(2,1)=<−y2 , −2xy>∣(x,y)=(2,1)=<−1 , −4>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } f(2,1) = \left< -y^2\,,\,-2xy \right>\Big|_{(x,y)=(2,1)} = \left< -1\,,\, -4\right> \end{aligned}

So the path of steepest ascent is in the direction −117<1 , 4>-\frac{1}{\sqrt{17}}\left< 1\,,\, 4\right>, which is a little west of south. The slope is

∣∇f(2,1)∣=∣<−1 , −4>∣=17|{ \boldsymbol{\nabla} } f(2,1)| = |\left< -1\,,\, -4\right>| = \sqrt{17}

(b) The directional derivative in the north direction is

D<0,1>f(2,1)=∇f(2,1)⋅<0,1>=<−1 , −4>⋅<0,1>=−4D_{\left< 0,1\right>}f(2,1) = { \boldsymbol{\nabla} } f(2,1)\cdot\left< 0,1\right> = \left< -1\,,\, -4\right> \cdot \left< 0,1\right> = -4

So the hiker descends with slope ∣−4∣=4|-4|=4.

(c) To contour, i.e. remain at the same height, the hiker should walk in a direction perpendicular to ∇f(2,1)=<−1 , −4>{ \boldsymbol{\nabla} } f(2,1)= \left< -1\,,\, -4\right>. Two unit vectors perpendicular to <−1 , −4>\left< -1\,,\, -4\right> are ±117<4,−1>\pm\frac{1}{\sqrt{17}}\left< 4, -1\right>.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 10번
# 방향도함수와 기울기벡터계산보통자동 분류
477.CLP-3 · 2.7절 · 9번대학 수준우리말 번역

두 등산객이 높이가  z=1000−2x2−3y2\ z=1000-2x^2-3y^2 인 (작은) 산을 오르고 있다. 이들은  (1,1,995) \ (1,1,995)\ 에서 출발하여 가장 가파른 오르막 경로를 따라간다. 이들의 (x,y)(x,y) 좌표는 어떤 상수 a,ba, b 에 대해  y=axb \ y=ax^b\ 를 만족한다. aa 와 bb 를 구하세요.

영어 원문 보기

Two hikers are climbing a (small) mountain whose height is  z=1000−2x2−3y2.\ z=1000-2x^2-3y^2. They start at  (1,1,995) \ (1,1,995)\ and follow the path of steepest ascent. Their (x,y)(x,y) coordinates obey  y=axb \ y=ax^b\ for some constants a,ba, b. Determine aa and bb.

정답·풀이 보기

h(x,y)=1000−2x2−3y2h(x,y)=1000-2x^2-3y^2 의 기울기벡터는 ∇h(x,y)=(−4x,−6y){ \boldsymbol{\nabla} } h(x,y)=(-4x,-6y) 이다. 이 기울기벡터(가장 가파르게 오르는 방향을 가리킨다)는 y=axby=ax^b 위의 모든 점에서 y=axby=ax^b 의 접선과 평행해야 한다. y=axby=ax^b 의 접선은 <1,dydx>=<1,abxb−1>\left< 1,\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right> =\left< 1, abx^{b-1}\right> 이다.

<−4x,−6y>∥<1,abxb−1>  ⟹  abxb−11=−6y−4x  ⟹  32y=abxb\left< -4x,-6y\right> \parallel \left< 1, abx^{b-1}\right> \implies \frac{abx^{b-1}}{1}=\frac{-6y}{-4x} \implies \frac{3}{2}y=abx^b

이것이 y=axby=ax^b 위의 모든 점에서 성립하는 것은 b=32b=\frac{3}{2} 일 때, 그리고 그때에 한한다. (1,1)(1,1) 도 y=axby=ax^b 위에 있어야 하므로 1=a1b1=a1^b 이어야 하고, 따라서 a=1a=1, b=32b=\frac{3}{2} 이다. 다음은 등산로를 나타낸 등고선 지도이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

The gradient of h(x,y)=1000−2x2−3y2h(x,y)=1000-2x^2-3y^2 is ∇h(x,y)=(−4x,−6y){ \boldsymbol{\nabla} } h(x,y)=(-4x,-6y). This gradient (which points in the direction of steepest ascent) must be parallel to the tangent to y=axby=ax^b at all points on y=axby=ax^b. A tangent to y=axby=ax^b is <1,dydx>=<1,abxb−1>\left< 1,\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right> =\left< 1, abx^{b-1}\right>.

<−4x,−6y>∥<1,abxb−1>  ⟹  abxb−11=−6y−4x  ⟹  32y=abxb\left< -4x,-6y\right> \parallel \left< 1, abx^{b-1}\right> \implies \frac{abx^{b-1}}{1}=\frac{-6y}{-4x} \implies \frac{3}{2}y=abx^b

This is true at all points on y=axby=ax^b if and only if b=32b=\frac{3}{2}. As (1,1)(1,1) must also be on y=axby=ax^b, we need 1=a1b1=a1^b, which forces a=1a=1, b=32b=\frac{3}{2}. Here is a contour map showing the hiking trail.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 8번
# 방향도함수와 기울기벡터계산보통자동 분류
478.CLP-3 · 2.7절 · 12번대학 수준우리말 번역

f(x,y)=2x2+3xy+y2f(x,y) = 2x^2 + 3xy + y^2 을 xx 와 yy 의 함수라 하자.

(a) 점 P(1,−43)P\left(1, -\frac{4}{3}\right) 에서 f(x,y)f(x,y) 의 최대 변화율을 구하세요. (b) 점 P(1,−43)P\left(1, -\frac{4}{3}\right) 에서 f(x,y)f(x,y) 의 방향미분계수가 15\frac{1}{5} 이 되는 방향을 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x,y)=2x2+3xy+y2f(x,y) = 2x^2 + 3xy + y^2 be a function of xx and yy.

(a) Find the maximum rate of change of f(x,y)f(x,y) at the point P(1,−43)P\left(1, -\frac{4}{3}\right). (b) Find the directions in which the directional derivative of f(x,y)f(x,y) at the point P(1,−43)P\left(1, -\frac{4}{3}\right) has the value 15\frac{1}{5}.

정답·풀이 보기

이 문제의 두 소문제 모두에서 (x,y)=(1,−43)(x,y)=\left(1, -\frac{4}{3}\right) 에서의 f(x,y)f(x,y) 의 그래디언트가 필요하다. 따라서 먼저 이를 구한다.

fx(x,y)=4x+3yfx(1,−4/3)=0fy(x,y)=3x+2yfy(1,−4/3)=13\begin{aligned} f_x(x,y)&=4x+3y\qquad & f_x(1,-4/3)&=0 \\ f_y(x,y)&=3x+2y\qquad & f_y(1,-4/3)&=\frac{1}{3} \end{aligned}

이므로 ∇f(1,−43)=<0,13>{ \boldsymbol{\nabla} } f\left(1, -\frac{4}{3}\right) =\left< 0,\frac{1}{3}\right> 이다.

(a) PP 에서 ff 의 최대 변화율은

∣∇f(1,−43)∣=∣<0,13>∣=13\begin{aligned} \left|{ \boldsymbol{\nabla} } f\left(1, -\tfrac{4}{3}\right)\right| =\left|\left< 0,\tfrac{1}{3}\right>\right| =\tfrac{1}{3} \end{aligned}

이다.

(b) <a,b>\left< a,b\right> 가 단위벡터이면, PP 에서 <a,b>\left< a,b\right> 방향으로의 ff 의 방향미분계수는

D<a,b>f(1,−43)=∇f(1,−43)⋅<a,b>=<0,13>⋅<a,b>=b3\begin{aligned} D_{\left< a,b\right>}f\left(1, -\tfrac{4}{3}\right) ={ \boldsymbol{\nabla} } f\left(1, -\tfrac{4}{3}\right)\cdot \left< a,b\right> =\left< 0,\tfrac{1}{3}\right>\cdot \left< a,b\right> =\tfrac{b}{3} \end{aligned}

이다.

따라서 b3=15\frac{b}{3}=\frac{1}{5} 이어야 하므로 b=35b=\frac{3}{5} 이다. <a,b>\left< a,b\right> 가 단위벡터가 되려면 다음도 만족해야 한다.

a2+b2=1  ⟺  a2=1−b2=1−3252=1625  ⟺  a=±45\begin{aligned} a^2+b^2=1 \iff a^2=1-b^2=1-\frac{3^2}{5^2}=\frac{16}{25} \iff a=\pm\frac{4}{5} \end{aligned}

따라서 가능한 방향은 <±45 , 35>\left< \pm\frac{4}{5}\,,\,\frac{3}{5}\right> 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We are going to need, in both parts of this question, the gradient of f(x,y)f(x,y) at (x,y)=(1,−43)(x,y)=\left(1, -\frac{4}{3}\right). So we find it first.

fx(x,y)=4x+3yfx(1,−4/3)=0fy(x,y)=3x+2yfy(1,−4/3)=13\begin{aligned} f_x(x,y)&=4x+3y\qquad & f_x(1,-4/3)&=0 \\ f_y(x,y)&=3x+2y\qquad & f_y(1,-4/3)&=\frac{1}{3} \end{aligned}

so ∇f(1,−43)=<0,13>{ \boldsymbol{\nabla} } f\left(1, -\frac{4}{3}\right) =\left< 0,\frac{1}{3}\right>.

(a) The maximum rate of change of ff at PP is

∣∇f(1,−43)∣=∣<0,13>∣=13\begin{aligned} \left|{ \boldsymbol{\nabla} } f\left(1, -\tfrac{4}{3}\right)\right| =\left|\left< 0,\tfrac{1}{3}\right>\right| =\tfrac{1}{3} \end{aligned}

(b) If <a,b>\left< a,b\right> is a unit vector, the directional derivative of ff at PP in the direction <a,b>\left< a,b\right> is

D<a,b>f(1,−43)=∇f(1,−43)⋅<a,b>=<0,13>⋅<a,b>=b3\begin{aligned} D_{\left< a,b\right>}f\left(1, -\tfrac{4}{3}\right) ={ \boldsymbol{\nabla} } f\left(1, -\tfrac{4}{3}\right)\cdot \left< a,b\right> =\left< 0,\tfrac{1}{3}\right>\cdot \left< a,b\right> =\tfrac{b}{3} \end{aligned}

So we need b3=15\frac{b}{3}=\frac{1}{5} and hence b=35b=\frac{3}{5}. For <a,b>\left< a,b\right> to be a unit vector, we also need

a2+b2=1  ⟺  a2=1−b2=1−3252=1625  ⟺  a=±45\begin{aligned} a^2+b^2=1 \iff a^2=1-b^2=1-\frac{3^2}{5^2}=\frac{16}{25} \iff a=\pm\frac{4}{5} \end{aligned}

So the allowed directions are <±45 , 35>\left< \pm\frac{4}{5}\,,\,\frac{3}{5}\right>.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 13번
# 방향도함수와 기울기벡터계산보통자동 분류
479.CLP-3 · 2.7절 · 18번대학 수준우리말 번역

함수 w=f(x,y,z)w = f(x, y, z) 의 점 PP 에서의 방향미분계수는 벡터 ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} 의 방향으로 2, 벡터 ı^+ȷ^\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}} 의 방향으로 −2-\sqrt{2}, 벡터 ı^+ȷ^+k^\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}} 의 방향으로 −53-\frac{5}{\sqrt{3}} 이다. 함수 w=f(x,y,z)w = f(x, y, z) 의 점 PP 에서 변화율이 최대가 되는 방향을 구하세요. 이때 최대 변화율은 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

The directional derivative of a function w=f(x,y,z)w = f(x, y, z) at a point PP in the direction of the vector ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} is 2, in the direction of the vector ı^+ȷ^\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}} is −2-\sqrt{2}, and in the direction of the vector ı^+ȷ^+k^\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}} is −53-\frac{5}{\sqrt{3}}. Find the direction in which the function w=f(x,y,z)w = f(x, y, z) has the maximum rate of change at the point PP . What is this maximum rate of change?

정답·풀이 보기

함수 ff 의 PP 에서의 그레이디언트를 <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> 라 하자. 주어진 조건은 다음과 같다.

<a , b , c>⋅<1 , 0 , 0>=2<a , b , c>⋅12<1 , 1 , 0>=−2<a , b , c>⋅13<1 , 1 , 1>=−53\begin{aligned} \left< a\,,\,b\,,\,c\right> \cdot \left< 1\,,\,0\,,\,0\right> &= 2 \\ \left< a\,,\,b\,,\,c\right> \cdot \frac{1}{\sqrt{2}}\left< 1\,,\,1\,,\,0\right> &= -\sqrt{2} \\ \left< a\,,\,b\,,\,c\right> \cdot \frac{1}{\sqrt{3}}\left< 1\,,\,1\,,\,1\right> &= -\frac{5}{\sqrt{3}} \end{aligned}

간단히 하면

a=2a+b=−2a+b+c=−5\begin{aligned} a&=2 \\ a+b&=-2 \\ a+b+c&=-5 \end{aligned}

이 식들로부터 차례로 a=2a=2, b=−4b=-4, c=−3c=-3 을 얻는다. 함수 ff 는 PP 에서 ff 의 그레이디언트 방향으로 변화율이 최대이다. 그 방향의 단위벡터는

<2 , −4 , −3>∣<2 , −4 , −3>∣=<2 , −4 , −3>29\frac{\left< 2\,,\,-4\,,\,-3\right>}{|\left< 2\,,\,-4\,,\,-3\right>|} =\frac{\left< 2\,,\,-4\,,\,-3\right>}{\sqrt{29}}

이다.

최대 변화율은 그레이디언트의 크기이므로 29\sqrt{29} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Denote by <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> the gradient of the function ff at PP. We are told

<a , b , c>⋅<1 , 0 , 0>=2<a , b , c>⋅12<1 , 1 , 0>=−2<a , b , c>⋅13<1 , 1 , 1>=−53\begin{aligned} \left< a\,,\,b\,,\,c\right> \cdot \left< 1\,,\,0\,,\,0\right> &= 2 \\ \left< a\,,\,b\,,\,c\right> \cdot \frac{1}{\sqrt{2}}\left< 1\,,\,1\,,\,0\right> &= -\sqrt{2} \\ \left< a\,,\,b\,,\,c\right> \cdot \frac{1}{\sqrt{3}}\left< 1\,,\,1\,,\,1\right> &= -\frac{5}{\sqrt{3}} \end{aligned}

Simplifying

a=2a+b=−2a+b+c=−5\begin{aligned} a&=2 \\ a+b&=-2 \\ a+b+c&=-5 \end{aligned}

From these equations we read off, in order, a=2a=2, b=−4b=-4 and c=−3c=-3. The function ff has maximum rate of change at PP in the direction if the gradient of ff. The unit vector in that direction is

<2 , −4 , −3>∣<2 , −4 , −3>∣=<2 , −4 , −3>29\frac{\left< 2\,,\,-4\,,\,-3\right>}{|\left< 2\,,\,-4\,,\,-3\right>|} =\frac{\left< 2\,,\,-4\,,\,-3\right>}{\sqrt{29}}

The maximum rate of change is the magnitude of the gradient, which is 29\sqrt{29}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.6절 · 10번
# 방향도함수와 기울기벡터계산보통자동 분류
480.CLP-3 · 2.7절 · 19번대학 수준우리말 번역

함수 f(x,y)f(x,y) 가 원점에서 가장 빠르게 증가하는 방향이 벡터 <1,2>\left< 1, 2\right> 로 주어진다고 하자. 원점을 지나는 f(x,y)f(x,y) 의 등위곡선에 접하는 단위벡터 uu 를 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose it is known that the direction of the fastest increase of the function f(x,y)f(x,y) at the origin is given by the vector <1,2>\left< 1, 2\right>. Find a unit vector uu that is tangent to the level curve of f(x,y)f(x,y) that passes through the origin.

정답·풀이 보기

함수 f(x,y)f(x,y) 가 원점에서 가장 빠르게 증가하는 방향이 벡터 <1,2>\left< 1, 2\right> 로 주어졌다. 이는 ∇f(0,0){ \boldsymbol{\nabla} } f(0,0) 이 <1,2>\left< 1, 2\right> 와 평행함을 뜻한다. 따라서 <1,2>\left< 1, 2\right> 는 원점을 지나는 f(x,y)f(x,y) 의 등위곡선에 수직이다(법선벡터이다). 그러므로 <1,2>\left< 1, 2\right> 와 수직인 <2,−1>\left< 2, -1\right> 은 원점을 지나는 f(x,y)f(x,y) 의 등위곡선에 접한다. <2,−1>\left< 2, -1\right> 과 평행한 단위벡터는 ±15<2,−1>\pm\frac{1}{\sqrt{5}}\left< 2, -1\right> 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We are told that the direction of fastest increase for the function f(x,y)f(x,y) at the origin is given by the vector <1,2>\left< 1, 2\right>. This implies that ∇f(0,0){ \boldsymbol{\nabla} } f(0,0) is parallel to <1,2>\left< 1, 2\right>. This in turn implies that <1,2>\left< 1, 2\right> is normal to the level curve of f(x,y)f(x,y) that passes through the origin. So <2,−1>\left< 2, -1\right>, being perpendicular to <1,2>\left< 1, 2\right>, is tangent to the level curve of f(x,y)f(x,y) that passes through the origin. The unit vectors that are parallel to <2,−1>\left< 2, -1\right> are ±15<2,−1>\pm\frac{1}{\sqrt{5}}\left< 2, -1\right>.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.6절 · 12번
# 방향도함수와 기울기벡터계산보통자동 분류