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735문제 · 33 / 37쪽

641.CLP-3 · 2.5절 · 14번대학 수준우리말 번역

두 곡면  z2=4x2+9y2 \ z^2=4x^2+9y^2\ 과  6x+3y+2z=5 \ 6x+3y+2z=5\ 의 교선에 접하고 길이가 3\sqrt{3} 인 벡터를 점  (2,1,−5)\ (2,1,-5) 에서 구하세요.

영어 원문 보기

Find a vector of length 3\sqrt{3} which is tangent to the curve of intersection of the surfaces  z2=4x2+9y2 \ z^2=4x^2+9y^2\ and  6x+3y+2z=5 \ 6x+3y+2z=5\ at  (2,1,−5)\ (2,1,-5).

정답·풀이 보기

점 (2,1,−5)(2,1,-5) 에서 곡면 F(x,y,z)=4x2+9y2−z2=0F(x,y,z)=4x^2+9y^2-z^2=0 에 수직인 벡터 하나는 다음과 같다.

∇F(2,1,−5)=<8x,18y,−2z>∣(2,1,−5)=<16,18,10>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } F(2,1,-5) = \left< 8x,18y,-2z\right>\Big|_{(2,1,-5)}=\left< 16,18,10\right> \end{aligned}

점 (2,1,−5)(2,1,-5) 에서 곡면 G(x,y,z)=6x+3y+2z=5G(x,y,z)=6x+3y+2z=5 에 수직인 벡터 하나는 다음과 같다.

∇G(2,1,−5)=<6,3,2>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } G(2,1,-5) = \left< 6,3,2\right> \end{aligned}

이제

  • 곡선은 곡면 z2=4x2+9y2z^2=4x^2+9y^2 위에 있다. 따라서 점 (2,1,−5)(2,1,-5) 에서 곡선의 접벡터는 법선벡터 12<16,18,10>=<8,9,5>\frac{1}{2}\left< 16,18,10\right>=\left< 8,9,5\right> 에 수직이다.
  • 곡선은 곡면 6x+3y+2z=56x+3y+2z=5 위에도 있다. 따라서 점 (2,1,−5)(2,1,-5) 에서 곡선의 접벡터는 법선벡터 <6,3,2>\left< 6,3,2\right> 에도 수직이다.
  • 따라서 점 (2,1,−5)(2,1,-5) 에서 곡선의 접벡터는 다음 벡터와 평행하다.

<8,9,5>×<6,3,2>=det⁡[ı^ȷ^k^895632]=<3,14,−30>\begin{aligned} \left< 8,9,5\right>\times \left< 6,3,2\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 8 & 9 & 5 \\ 6 & 3 & 2 \end{matrix}\right] =\left< 3,14,-30\right> \end{aligned}

구하는 벡터는 다음과 같다.

±3<3,14,−30>∣<3,14,−30>∣=±31105<3,14,−30>\pm\sqrt{3}\frac{\left< 3,14,-30\right>}{|\left< 3,14,-30\right>|} =\pm\sqrt{\frac{3}{1105}}\left< 3,14,-30\right>

원본 교재 풀이(영어)

One vector normal to the surface F(x,y,z)=4x2+9y2−z2=0F(x,y,z)=4x^2+9y^2-z^2=0 at (2,1,−5)(2,1,-5) is

∇F(2,1,−5)=<8x,18y,−2z>∣(2,1,−5)=<16,18,10>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } F(2,1,-5) = \left< 8x,18y,-2z\right>\Big|_{(2,1,-5)}=\left< 16,18,10\right> \end{aligned}

One vector normal to the surface G(x,y,z)=6x+3y+2z=5G(x,y,z)=6x+3y+2z=5 at (2,1,−5)(2,1,-5) is

∇G(2,1,−5)=<6,3,2>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } G(2,1,-5) = \left< 6,3,2\right> \end{aligned}

Now

  • The curve lies in the surface z2=4x2+9y2z^2=4x^2+9y^2. So the tangent vector to the curve at (2,1,−5)(2,1,-5) is perpendicular to the normal vector 12<16,18,10>=<8,9,5>\frac{1}{2}\left< 16,18,10\right>=\left< 8,9,5\right>.
  • The curve also lies in the surface 6x+3y+2z=56x+3y+2z=5. So the tangent vector to the curve at (2,1,−5)(2,1,-5) is also perpendicular to the normal vector <6,3,2>\left< 6,3,2\right>.
  • So the tangent vector to the curve at (2,1,−5)(2,1,-5) is parallel to

<8,9,5>×<6,3,2>=det⁡[ı^ȷ^k^895632]=<3,14,−30>\begin{aligned} \left< 8,9,5\right>\times \left< 6,3,2\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 8 & 9 & 5 \\ 6 & 3 & 2 \end{matrix}\right] =\left< 3,14,-30\right> \end{aligned}

The desired vectors are

±3<3,14,−30>∣<3,14,−30>∣=±31105<3,14,−30>\pm\sqrt{3}\frac{\left< 3,14,-30\right>}{|\left< 3,14,-30\right>|} =\pm\sqrt{\frac{3}{1105}}\left< 3,14,-30\right>

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.5절 · 15번
# 접평면과 선형근사계산보통자동 분류
642.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
643.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
644.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
645.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
646.CLP-3 · 2.6절 · 3번대학 수준우리말 번역

계산기나 컴퓨터를 사용하지 않고 f(x,y)=sin⁡(πxy+ln⁡y)f(x,y)=\sin(\pi xy+\ln y) 의 (0.01,1.05)(0.01,1.05) 에서의 근삿값을 구하세요.

영어 원문 보기

Find an approximate value for f(x,y)=sin⁡(πxy+ln⁡y)f(x,y)=\sin(\pi xy+\ln y) at (0.01,1.05)(0.01,1.05) without using a calculator or computer.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

선형 근사 f(0.01,1.05)≈f(0,1)+fx(0,1)(0.01)+fy(0,1)(0.05)f(0.01,1.05)\approx f(0,1)+f_x(0,1)(0.01)+f_y(0,1)(0.05) 를 적용한다. 이때

f(x,y)=sin⁡(πxy+ln⁡y)f(0,1)=sin⁡0=0fx(x,y)=πycos⁡(πxy+ln⁡y)fx(0,1)=πcos⁡0=πfy(x,y)=(πx+1y)cos⁡(πxy+ln⁡y)fy(0,1)=cos⁡0=1\begin{aligned} f(x,y)&=\sin(\pi xy+\ln y) & f(0,1)&=\sin 0=0\\ f_x(x,y)&=\pi y\cos(\pi xy+\ln y) & f_x(0,1)&=\pi\cos 0=\pi\\ f_y(x,y)&=\left(\pi x+\frac{1}{y}\right)\cos(\pi xy+\ln y) & f_y(0,1)&=\cos 0=1 \end{aligned}

이다. 따라서

f(0.01,1.05)≈f(0,1)+fx(0,1)(0.01)+fy(0,1)(0.05)=0+π(0.01)+1(0.05)=0.01 π+0.05≈0.0814\begin{aligned} f(0.01,1.05)&\approx f(0,1)+f_x(0,1)(0.01)+f_y(0,1)(0.05) =0+\pi(0.01)+1(0.05) \\ &=0.01\,\pi + 0.05 \approx 0.0814 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Apply the linear approximation f(0.01,1.05)≈f(0,1)+fx(0,1)(0.01)+fy(0,1)(0.05)f(0.01,1.05)\approx f(0,1)+f_x(0,1)(0.01)+f_y(0,1)(0.05), with

f(x,y)=sin⁡(πxy+ln⁡y)f(0,1)=sin⁡0=0fx(x,y)=πycos⁡(πxy+ln⁡y)fx(0,1)=πcos⁡0=πfy(x,y)=(πx+1y)cos⁡(πxy+ln⁡y)fy(0,1)=cos⁡0=1\begin{aligned} f(x,y)&=\sin(\pi xy+\ln y) & f(0,1)&=\sin 0=0\\ f_x(x,y)&=\pi y\cos(\pi xy+\ln y) & f_x(0,1)&=\pi\cos 0=\pi\\ f_y(x,y)&=\left(\pi x+\frac{1}{y}\right)\cos(\pi xy+\ln y) & f_y(0,1)&=\cos 0=1 \end{aligned}

This gives

f(0.01,1.05)≈f(0,1)+fx(0,1)(0.01)+fy(0,1)(0.05)=0+π(0.01)+1(0.05)=0.01 π+0.05≈0.0814\begin{aligned} f(0.01,1.05)&\approx f(0,1)+f_x(0,1)(0.01)+f_y(0,1)(0.05) =0+\pi(0.01)+1(0.05) \\ &=0.01\,\pi + 0.05 \approx 0.0814 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.4절 · 39번
# 접평면과 선형근사계산보통자동 분류
647.CLP-3 · 2.6절 · 4번대학 수준우리말 번역

f(x,y)=x2yx4+2y2\displaystyle f(x,y)=\frac{x^2y}{x^4+2y^2} 라 하자. 계산기나 컴퓨터를 사용하지 않고 f(−0.9 , 1.1)f (-0.9\,,\, 1.1) 의 근삿값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x,y)=x2yx4+2y2\displaystyle f(x,y)=\frac{x^2y}{x^4+2y^2}. Find an approximate value for f(−0.9 , 1.1)f (-0.9\,,\, 1.1) without using a calculator or computer.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

(x,y)=(−1,1)(x,y)=(-1,1) 에서 f(x,y)f(x,y) 의 1계 미분계수가 필요하다. 그래서 먼저 이를 구한다.

fx(x,y)=2xyx4+2y2−x2y(4x3)(x4+2y2)2fx(−1,1)=−23+432=−29fy(x,y)=x2x4+2y2−x2y(4y)(x4+2y2)2fy(−1,1)=13−432=−19\begin{aligned} f_x(x,y)&=\frac{2xy}{x^4+2y^2}-\frac{x^2y(4x^3)}{{(x^4+2y^2)}^2}\qquad & f_x(-1,1)&=-\frac{2}{3} +\frac{4}{3^2}=-\frac{2}{9} \\ f_y(x,y)&=\frac{x^2}{x^4+2y^2}-\frac{x^2y(4y)}{{(x^4+2y^2)}^2}\qquad & f_y(-1,1)&=\frac{1}{3} -\frac{4}{3^2}=-\frac{1}{9} \end{aligned}

(−1,1)(-1,1) 근처에서 f(x,y)f(x,y) 의 선형 근사는 다음과 같다.

f(x,y)≈=f(−1,1)+fx(−1,1) (x+1)+fy(−1,1) (y−1)=13−29 (x+1)−19 (y−1)\begin{aligned} f(x,y)\approx=f(-1,1) + f_x(-1,1)\,(x+1) + f_y(-1,1)\,(y-1) =\frac{1}{3} -\frac{2}{9}\,(x+1) -\frac{1}{9}\,(y-1) \end{aligned}

특히

f(−0.9,1.1)≈13−29 (0.1)−19 (0.1)=2790=0.3\begin{aligned} f(-0.9,1.1)\approx \frac{1}{3} -\frac{2}{9}\,(0.1) -\frac{1}{9}\,(0.1) =\frac{27}{90}=0.3 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We are going to need the first order derivatives of f(x,y)f(x,y) at (x,y)=(−1,1)(x,y)=(-1,1). So we find them first.

fx(x,y)=2xyx4+2y2−x2y(4x3)(x4+2y2)2fx(−1,1)=−23+432=−29fy(x,y)=x2x4+2y2−x2y(4y)(x4+2y2)2fy(−1,1)=13−432=−19\begin{aligned} f_x(x,y)&=\frac{2xy}{x^4+2y^2}-\frac{x^2y(4x^3)}{{(x^4+2y^2)}^2}\qquad & f_x(-1,1)&=-\frac{2}{3} +\frac{4}{3^2}=-\frac{2}{9} \\ f_y(x,y)&=\frac{x^2}{x^4+2y^2}-\frac{x^2y(4y)}{{(x^4+2y^2)}^2}\qquad & f_y(-1,1)&=\frac{1}{3} -\frac{4}{3^2}=-\frac{1}{9} \end{aligned}

The linear approximation to f(x,y)f(x,y) about (−1,1)(-1,1) is

f(x,y)≈=f(−1,1)+fx(−1,1) (x+1)+fy(−1,1) (y−1)=13−29 (x+1)−19 (y−1)\begin{aligned} f(x,y)\approx=f(-1,1) + f_x(-1,1)\,(x+1) + f_y(-1,1)\,(y-1) =\frac{1}{3} -\frac{2}{9}\,(x+1) -\frac{1}{9}\,(y-1) \end{aligned}

In particular

f(−0.9,1.1)≈13−29 (0.1)−19 (0.1)=2790=0.3\begin{aligned} f(-0.9,1.1)\approx \frac{1}{3} -\frac{2}{9}\,(0.1) -\frac{1}{9}\,(0.1) =\frac{27}{90}=0.3 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 3번
# 접평면과 선형근사계산보통자동 분류
648.CLP-3 · 2.6절 · 6번대학 수준우리말 번역

직각삼각형의 한 변의 길이를 측정했더니 33 이고 최대 오차는 ±0.1\pm 0.1 이며, 다른 한 변의 길이는 44 이고 최대 오차는 ±0.2\pm 0.2 이다. 선형 근사를 이용하여 이 직각삼각형의 빗변의 길이를 계산할 때 생길 수 있는 최대 오차를 어림하세요.

영어 원문 보기

One side of a right triangle is measured to be 33 with a maximum possible error of ±0.1\pm 0.1, and the other side is measured to be 44 with a maximum possible error of ±0.2\pm 0.2. Use the linear approximation to estimate the maximum possible error in calculating the length of the hypotenuse of the right triangle.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

두 변의 길이를 xx, yy 라 하면 x=3±0.1x=3\pm 0.1, y=4±0.2y=4\pm 0.2 이다. 그러면 빗변의 길이는 f(x,y)=x2+y2f(x,y)=\sqrt{x^2+y^2} 이다. 다음과 같다.

f(x,y)=x2+y2f(3,4)=5fx(x,y)=xx2+y2fx(3,4)=35fy(x,y)=yx2+y2fy(3,4)=45\begin{aligned} f(x,y)&=\sqrt{x^2+y^2} & f(3,4)&=5 \\ f_x(x,y)&=\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}\qquad & f_x(3,4)&=\frac{3}{5} \\ f_y(x,y)&=\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}} & f_y(3,4)&=\frac{4}{5} \end{aligned}

선형 근사에 의해

f(x,y)≈f(3,4)+fx(3,4) (x−3)+fy(3,4) (y−4)=5+35 (x−3)+45 (y−4)\begin{aligned} f(x,y)\approx f(3,4) + f_x(3,4)\,(x-3) + f_y(3,4)\,(y-4) =5 +\frac{3}{5}\,(x-3) +\frac{4}{5}\,(y-4) \end{aligned}

따라서 빗변의 길이를 계산할 때 생기는 최대 오차의 근삿값은

35 (0.1)+45 (0.2)=1.15=0.22\begin{aligned} \frac{3}{5}\,(0.1) +\frac{4}{5}\,(0.2) =\frac{1.1}{5} = 0.22 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Denote by xx and yy the lengths of sides with x=3±0.1x=3\pm 0.1 and y=4±0.2y=4\pm 0.2. Then the length of the hypotenuse is f(x,y)=x2+y2f(x,y)=\sqrt{x^2+y^2}. Note that

f(x,y)=x2+y2f(3,4)=5fx(x,y)=xx2+y2fx(3,4)=35fy(x,y)=yx2+y2fy(3,4)=45\begin{aligned} f(x,y)&=\sqrt{x^2+y^2} & f(3,4)&=5 \\ f_x(x,y)&=\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}\qquad & f_x(3,4)&=\frac{3}{5} \\ f_y(x,y)&=\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}} & f_y(3,4)&=\frac{4}{5} \end{aligned}

By the linear approximation

f(x,y)≈f(3,4)+fx(3,4) (x−3)+fy(3,4) (y−4)=5+35 (x−3)+45 (y−4)\begin{aligned} f(x,y)\approx f(3,4) + f_x(3,4)\,(x-3) + f_y(3,4)\,(y-4) =5 +\frac{3}{5}\,(x-3) +\frac{4}{5}\,(y-4) \end{aligned}

So the approximate maximum error in calculating the length of the hypotenuse is

35 (0.1)+45 (0.2)=1.15=0.22\begin{aligned} \frac{3}{5}\,(0.1) +\frac{4}{5}\,(0.2) =\frac{1.1}{5} = 0.22 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 7번
# 접평면과 선형근사계산보통자동 분류
649.CLP-3 · 2.6절 · 7번대학 수준우리말 번역

저항이 R1R_1, R2R_2 인 두 저항을 병렬로 연결하면, 합성 저항 R 은 방정식 1R=1R1+1R2\frac{1}{R} =\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2} 을 만족시킨다. 선형 근사를 이용하여 R1R_1 이 22 옴에서 1.91.9 옴으로 감소하고 R2R_2 가 8 옴에서 8.1 옴으로 증가할 때 RR 의 변화량을 어림하세요.

영어 원문 보기

If two resistors of resistance R1R_1 and R2R_2 are wired in parallel, then the resulting resistance R satisfies the equation 1R=1R1+1R2\frac{1}{R} =\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}. Use the linear approximation to estimate the change in RR if R1R_1 decreases from 22 to 1.91.9 ohms and R2R_2 increases from 8 to 8.1 ohms.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

함수 R(R1,R2)R(R_1,R_2) 는 다음 식으로 음함수로 정의된다.

1R(R1,R2)=1R1+1R2(∗)\frac{1}{R(R_1,R_2)} =\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2} \tag{$*$}

특히

1R(2,8)=12+18=58  ⟹  R(2,8)=85\frac{1}{R(2,8)} = \frac{1}{2}+\frac{1}{8} = \frac{5}{8} \implies R(2,8) = \frac{8}{5}

다음 선형 근사를 이용하고자 한다.

R(R1,R2)≈R(2,8)+∂R∂R1(2,8) (R1−2)+∂R∂R2(2,8) (R2−8)R(R_1,R_2) \approx R(2,8) + \frac{\partial R}{\partial R_1}(2,8)\,(R_1-2) + \frac{\partial R}{\partial R_2}(2,8)\,(R_2-8)

그러기 위해서는 편도함수 ∂R∂R1(2,8)\frac{\partial R}{\partial R_1}(2,8) 와 ∂R∂R2(2,8)\frac{\partial R}{\partial R_2}(2,8) 가 필요하다. 이를 구하기 위해 (∗)(*) 를 R1R_1 과 R2R_2 에 대해 각각 미분한다.

−1R(R1,R2)2∂R∂R1(R1,R2)=−1R12−1R(R1,R2)2∂R∂R2(R1,R2)=−1R22\begin{aligned} -\frac{1}{R(R_1,R_2)^2}\frac{\partial R}{\partial R_1}(R_1,R_2) &= -\frac{1}{R_1^2} \\ -\frac{1}{R(R_1,R_2)^2}\frac{\partial R}{\partial R_2}(R_1,R_2) &= -\frac{1}{R_2^2} \\ \end{aligned}

R1=2R_1=2, R2=8R_2=8 을 대입하면

−1(8/5)2∂R∂R1(2,8)=−14  ⟹  ∂R∂R1(2,8)=1625−1(8/5)2∂R∂R2(2,8)=−164  ⟹  ∂R∂R2(2,8)=125\begin{aligned} -\frac{1}{(8/5)^2}\frac{\partial R}{\partial R_1}(2,8) &= -\frac{1}{4} &\quad\implies\quad & &\frac{\partial R}{\partial R_1}(2,8) &=\frac{16}{25} \\ -\frac{1}{(8/5)^2}\frac{\partial R}{\partial R_2}(2,8) &= -\frac{1}{64} &\quad\implies\quad & &\frac{\partial R}{\partial R_2}(2,8) &=\frac{1}{25} \end{aligned}

따라서 RR 의 변화량은 다음과 같다.

R(1.9,8.1)−R(2,8)≈1625(−0.1)+125(0.1)=−15250=−0.06\begin{aligned} R(1.9,8.1)-R(2,8) \approx \frac{16}{25} (-0.1) + \frac{1}{25}(0.1) =-\frac{15}{250} = -0.06 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The function R(R1,R2)R(R_1,R_2) is defined implictly by

1R(R1,R2)=1R1+1R2(∗)\frac{1}{R(R_1,R_2)} =\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2} \tag{$*$}

In particular

1R(2,8)=12+18=58  ⟹  R(2,8)=85\frac{1}{R(2,8)} = \frac{1}{2}+\frac{1}{8} = \frac{5}{8} \implies R(2,8) = \frac{8}{5}

We wish to use the linear approximation

R(R1,R2)≈R(2,8)+∂R∂R1(2,8) (R1−2)+∂R∂R2(2,8) (R2−8)R(R_1,R_2) \approx R(2,8) + \frac{\partial R}{\partial R_1}(2,8)\,(R_1-2) + \frac{\partial R}{\partial R_2}(2,8)\,(R_2-8)

To do so, we need the partial derivatives ∂R∂R1(2,8)\frac{\partial R}{\partial R_1}(2,8) and ∂R∂R2(2,8)\frac{\partial R}{\partial R_2}(2,8). To find them, we differentiate (∗)(*) with respect to R1R_1 and R2R_2:

−1R(R1,R2)2∂R∂R1(R1,R2)=−1R12−1R(R1,R2)2∂R∂R2(R1,R2)=−1R22\begin{aligned} -\frac{1}{R(R_1,R_2)^2}\frac{\partial R}{\partial R_1}(R_1,R_2) &= -\frac{1}{R_1^2} \\ -\frac{1}{R(R_1,R_2)^2}\frac{\partial R}{\partial R_2}(R_1,R_2) &= -\frac{1}{R_2^2} \\ \end{aligned}

Setting R1=2R_1=2 and R2=8R_2=8 gives

−1(8/5)2∂R∂R1(2,8)=−14  ⟹  ∂R∂R1(2,8)=1625−1(8/5)2∂R∂R2(2,8)=−164  ⟹  ∂R∂R2(2,8)=125\begin{aligned} -\frac{1}{(8/5)^2}\frac{\partial R}{\partial R_1}(2,8) &= -\frac{1}{4} &\quad\implies\quad & &\frac{\partial R}{\partial R_1}(2,8) &=\frac{16}{25} \\ -\frac{1}{(8/5)^2}\frac{\partial R}{\partial R_2}(2,8) &= -\frac{1}{64} &\quad\implies\quad & &\frac{\partial R}{\partial R_2}(2,8) &=\frac{1}{25} \end{aligned}

So the specified change in RR is

R(1.9,8.1)−R(2,8)≈1625(−0.1)+125(0.1)=−15250=−0.06\begin{aligned} R(1.9,8.1)-R(2,8) \approx \frac{16}{25} (-0.1) + \frac{1}{25}(0.1) =-\frac{15}{250} = -0.06 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 4번
# 접평면과 선형근사계산보통자동 분류
650.CLP-3 · 2.6절 · 9번대학 수준우리말 번역

물체의 비중 SS 는  S=AA−W \ S=\frac{A}{A-W}\ 로 주어진다. 여기서 AA 는 공기 중에서 잰 물체의 무게이고 WW 는 물속에서 잰 물체의 무게이다.  A=20±.01 \ A=20\pm .01\ 이고  W=12±.02 \ W=12\pm.02\ 일 때, 주어진 측정값으로 SS 를 계산할 때의 백분율 오차를 어림하여 구하세요.

영어 원문 보기

The specific gravity SS of an object is given by  S=AA−W \ S=\frac{A}{A-W}\ where AA is the weight of the object in air and WW is the weight of the object in water. If  A=20±.01 \ A=20\pm .01\ and  W=12±.02 \ W=12\pm.02\ find the approximate percentage error in calculating SS from the given measurements.

정답·풀이 보기

선형 근사에 의해

ΔS≈∂S∂A(20,12) ΔA+∂S∂W(20,12) ΔW\begin{aligned} \Delta S\approx \frac{\partial S}{\partial A}(20,12)\,\Delta A +\frac{\partial S}{\partial W}(20,12)\,\Delta W \end{aligned}

이고, S(A,W)=AA−W=1+WA−WS(A,W)=\frac{A}{A-W} =1+\frac{W}{A-W} 이다. 따라서

S(A,W)=AA−WS(20,12)=208=52SA(A,W)=−W(A−W)2SA(20,12)=−1282=−316SW(A,W)=A(A−W)2SW(20,12)=2082=516\begin{aligned} S(A,W)&=\frac{A}{A-W} & S(20,12)&=\frac{20}{8}=\frac{5}{2}\\ S_A(A,W)&=-\frac{W}{(A-W)^2} & S_A(20,12)&=-\frac{12}{8^2}=-\frac{3}{16}\\ S_W(A,W)&=\frac{A}{(A-W)^2} & S_W(20,12)&=\frac{20}{8^2}=\frac{5}{16} \end{aligned}

주어진 임의의 ΔA\Delta A 와 ΔW\Delta W 에 대해 백분율 오차는

∣100ΔSS∣=∣10025(−316ΔA+516ΔW)∣\left|100\frac{\Delta S}{S}\right| =\left|100\frac{2}{5}\Big(-\frac{3}{16}\Delta A+\frac{5}{16}\Delta W\Big)\right|

이다. 문제에서 ∣ΔA∣≤0.01|\Delta A|\le 0.01 이고 ∣ΔW∣≤0.02|\Delta W|\le 0.02 이다. ∣10025(−316ΔA+516ΔW)∣\big|100\frac{2}{5}\big(-\frac{3}{16}\Delta A+\frac{5}{16}\Delta W\big)\big| 를 최대로 하려면 ΔA=−0.01\Delta A=- 0.01, ΔW=+0.02\Delta W=+ 0.02 로 잡는다. 따라서 최대 백분율 오차는

10025[−316(−0.01)+516(0.02)]=25×1316=1340=0.325%100\frac{2}{5}\left[-\frac{3}{16}(- 0.01)+\frac{5}{16}(0.02)\right] = \frac{2}{5}\times \frac{13}{16} =\frac{13}{40}=0.325\%

이다.

원본 교재 풀이(영어)

By the linear approximation

ΔS≈∂S∂A(20,12) ΔA+∂S∂W(20,12) ΔW\begin{aligned} \Delta S\approx \frac{\partial S}{\partial A}(20,12)\,\Delta A +\frac{\partial S}{\partial W}(20,12)\,\Delta W \end{aligned}

with S(A,W)=AA−W=1+WA−WS(A,W)=\frac{A}{A-W} =1+\frac{W}{A-W}. So

S(A,W)=AA−WS(20,12)=208=52SA(A,W)=−W(A−W)2SA(20,12)=−1282=−316SW(A,W)=A(A−W)2SW(20,12)=2082=516\begin{aligned} S(A,W)&=\frac{A}{A-W} & S(20,12)&=\frac{20}{8}=\frac{5}{2}\\ S_A(A,W)&=-\frac{W}{(A-W)^2} & S_A(20,12)&=-\frac{12}{8^2}=-\frac{3}{16}\\ S_W(A,W)&=\frac{A}{(A-W)^2} & S_W(20,12)&=\frac{20}{8^2}=\frac{5}{16} \end{aligned}

For any given ΔA\Delta A and ΔW\Delta W, the percentage error is

∣100ΔSS∣=∣10025(−316ΔA+516ΔW)∣\left|100\frac{\Delta S}{S}\right| =\left|100\frac{2}{5}\Big(-\frac{3}{16}\Delta A+\frac{5}{16}\Delta W\Big)\right|

We are told that ∣ΔA∣≤0.01|\Delta A|\le 0.01 and ∣ΔW∣≤0.02|\Delta W|\le 0.02. To maximize ∣10025(−316ΔA+516ΔW)∣\big|100\frac{2}{5}\big(-\frac{3}{16}\Delta A+\frac{5}{16}\Delta W\big)\big| take ΔA=−0.01\Delta A=- 0.01 and ΔW=+0.02\Delta W=+ 0.02. So the maximum percentage error is

10025[−316(−0.01)+516(0.02)]=25×1316=1340=0.325%100\frac{2}{5}\left[-\frac{3}{16}(- 0.01)+\frac{5}{16}(0.02)\right] = \frac{2}{5}\times \frac{13}{16} =\frac{13}{40}=0.325\%

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 6번
# 접평면과 선형근사활용보통자동 분류
651.CLP-3 · 2.6절 · 10번대학 수준우리말 번역

고체 내부의 압력은

P(s,r)=sr(4s2−r2−2)P(s,r) = sr(4s^2 - r^2 - 2)

로 주어진다. 여기서 ss 는 비열이고 rr 는 밀도이다. (s,r)(s,r) 를 측정하면 대략 (2,2)(2,2) 일 것으로 예상하며, PP 의 값을 가장 정확하게 얻고자 한다. ss 와 rr 를 측정하는 방법은 두 가지가 있다. 방법 11 은 ss 의 오차가 ±0.01\pm 0.01 이고 rr 의 오차가 ±0.1\pm 0.1 이며, 방법 2 는 ss 와 rr 모두 오차가 ±0.02\pm 0.02 이다.

방법 1 과 방법 2 중 어느 것을 사용해야 하는지 판단하세요. 이유를 자세히 설명하세요.

영어 원문 보기

The pressure in a solid is given by

P(s,r)=sr(4s2−r2−2)P(s,r) = sr(4s^2 - r^2 - 2)

where ss is the specific heat and rr is the density. We expect to measure (s,r)(s,r) to be approximately (2,2)(2,2) and would like to have the most accurate value for PP. There are two different ways to measure ss and rr. Method 11 has an error in ss of ±0.01\pm 0.01 and an error in rr of ±0.1\pm 0.1, while method 2 has an error of ±0.02\pm 0.02 for both ss and rr.

Should we use method 1 or method 2? Explain your reasoning carefully.

정답·풀이 보기

(2,2)(2,2) 에서 P(s,r)P(s,r) 의 선형 근사는

P(s,r)≈P(2,2)+Ps(2,2) (s−2)+Pr(2,2) (r−2)\begin{aligned} P(s,r)\approx P(2,2) +P_s(2,2)\,(s-2) + P_r(2,2)\,(r-2) \end{aligned}

이다.

P(2,2)=(2)(2)[4(2)2−(2)2−2]=40(which we don’t actually need) Ps(2,2)=[12s2r−r3−2r]s=r=2=84Pr(2,2)=[4s3−3sr2−2s]s=r=2=4\begin{aligned} P(2,2) &= (2)(2)\big[4(2)^2-(2)^2-2\big] = 40 \qquad\text{(which we don't actually need) } \\ P_s(2,2) &= \Big[12s^2r-r^3-2r\Big]_{s=r=2} = 84 \\ P_r(2,2) &= \Big[4s^3-3sr^2-2s\Big]_{s=r=2} = 4 \end{aligned}

이므로 선형 근사는

P(s,r)≈40+84 (s−2)+4 (r−2)\begin{aligned} P(s,r)\approx 40 +84\,(s-2) + 4\,(r-2) \end{aligned}

이다.

방법 1에서 PP 의 최대 오차의 크기는 (근사적으로) 많아야

84(0.01)+4(0.1)=1.24\begin{aligned} 84(0.01) + 4(0.1) = 1.24 \end{aligned}

이다.

방법 2에서 PP 의 최대 오차의 크기는 (근사적으로) 많아야

84(0.02)+4(0.02)=1.76\begin{aligned} 84(0.02) + 4(0.02) = 1.76 \end{aligned}

이다.

따라서 방법 1이 더 좋다.

원본 교재 풀이(영어)

The linear approximation to P(s,r)P(s,r) at (2,2)(2,2) is

P(s,r)≈P(2,2)+Ps(2,2) (s−2)+Pr(2,2) (r−2)\begin{aligned} P(s,r)\approx P(2,2) +P_s(2,2)\,(s-2) + P_r(2,2)\,(r-2) \end{aligned}

As

P(2,2)=(2)(2)[4(2)2−(2)2−2]=40(which we don’t actually need) Ps(2,2)=[12s2r−r3−2r]s=r=2=84Pr(2,2)=[4s3−3sr2−2s]s=r=2=4\begin{aligned} P(2,2) &= (2)(2)\big[4(2)^2-(2)^2-2\big] = 40 \qquad\text{(which we don't actually need) } \\ P_s(2,2) &= \Big[12s^2r-r^3-2r\Big]_{s=r=2} = 84 \\ P_r(2,2) &= \Big[4s^3-3sr^2-2s\Big]_{s=r=2} = 4 \end{aligned}

the linear approximation is

P(s,r)≈40+84 (s−2)+4 (r−2)\begin{aligned} P(s,r)\approx 40 +84\,(s-2) + 4\,(r-2) \end{aligned}

Under method 1, the maximum error in PP will have magnitude at most (approximately)

84(0.01)+4(0.1)=1.24\begin{aligned} 84(0.01) + 4(0.1) = 1.24 \end{aligned}

Under method 2, the maximum error in PP will have magnitude at most (approximately)

84(0.02)+4(0.02)=1.76\begin{aligned} 84(0.02) + 4(0.02) = 1.76 \end{aligned}

Method 1 is better.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 13번
# 접평면과 선형근사계산보통자동 분류
652.CLP-3 · 2.6절 · 12번대학 수준우리말 번역

z=f(x,y)=2yx2+y2z=f(x,y)=\frac{2y}{x^2+y^2} 이라 하자. f(−0.8,2.1)f(-0.8,2.1) 의 근삿값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let z=f(x,y)=2yx2+y2z=f(x,y)=\frac{2y}{x^2+y^2}. Find an approximate value for f(−0.8,2.1)f(-0.8,2.1).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

ff 의 1계 편도함수는

fx(x,y)=−4xy(x2+y2)2fx(−1,2)=825fy(x,y)=2x2+y2−4y2(x2+y2)2fy(−1,2)=25−1625=−625\begin{aligned} f_x(x,y) & = -\frac{4xy}{{(x^2+y^2)}^2}\quad & f_x(-1,2) & = \frac{8}{25} \\ f_y(x,y) & = \frac{2}{x^2+y^2}-\frac{4y^2}{{(x^2+y^2)}^2}\quad & f_y(-1,2) & = \frac{2}{5}-\frac{16}{25} =-\frac{6}{25} \\ \end{aligned}

이다.

(−1,2)(-1,2) 에서 f(x,y)f(x,y) 의 선형 근사는

f(x,y)≈f(−1,2)+fx(−1,2) (x+1)+fy(−1,2) (y−2)=45+825 (x+1)−625 (y−2)\begin{aligned} f(x,y)&\approx f(-1,2) + f_x(-1,2)\,(x+1) + f_y(-1,2)\,(y-2) \\ &=\frac{4}{5} +\frac{8}{25}\,(x+1) - \frac{6}{25}\,(y-2) \end{aligned}

이다.

특히 x=−0.8x=-0.8, y=2.1y=2.1 일 때,

f(−0.8,2.1)≈45+825 (0.2)−625 (0.1)=0.84\begin{aligned} f(-0.8,2.1)&\approx \frac{4}{5} +\frac{8}{25}\,(0.2) - \frac{6}{25}\,(0.1) \\ &=0.84 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The first order partial derivatives of ff are

fx(x,y)=−4xy(x2+y2)2fx(−1,2)=825fy(x,y)=2x2+y2−4y2(x2+y2)2fy(−1,2)=25−1625=−625\begin{aligned} f_x(x,y) & = -\frac{4xy}{{(x^2+y^2)}^2}\quad & f_x(-1,2) & = \frac{8}{25} \\ f_y(x,y) & = \frac{2}{x^2+y^2}-\frac{4y^2}{{(x^2+y^2)}^2}\quad & f_y(-1,2) & = \frac{2}{5}-\frac{16}{25} =-\frac{6}{25} \\ \end{aligned}

The linear approximation of f(x,y)f(x,y) about (−1,2)(-1,2) is

f(x,y)≈f(−1,2)+fx(−1,2) (x+1)+fy(−1,2) (y−2)=45+825 (x+1)−625 (y−2)\begin{aligned} f(x,y)&\approx f(-1,2) + f_x(-1,2)\,(x+1) + f_y(-1,2)\,(y-2) \\ &=\frac{4}{5} +\frac{8}{25}\,(x+1) - \frac{6}{25}\,(y-2) \end{aligned}

In particular, for x=−0.8x=-0.8 and y=2.1y=2.1,

f(−0.8,2.1)≈45+825 (0.2)−625 (0.1)=0.84\begin{aligned} f(-0.8,2.1)&\approx \frac{4}{5} +\frac{8}{25}\,(0.2) - \frac{6}{25}\,(0.1) \\ &=0.84 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 15번
# 접평면과 선형근사계산보통자동 분류
653.CLP-3 · 2.6절 · 13번대학 수준우리말 번역

함수 z=f(x,y)z = f (x, y) 가 다음 방정식으로 음함수로 정의되어 있다고 하자.

xyz+x+y2+z3=0xyz + x + y^2 + z^3 = 0

(a) ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x} 를 구하세요. (b) f(−1,1)<0f(-1, 1) < 0 일 때, 함수 z=f(x,y)z = f (x, y) 의 (−1,1)(-1, 1) 에서의 선형 근사를 구하세요. (c) f(−1,1)<0f(-1, 1) < 0 일 때, (b)의 선형 근사를 이용하여 f(−1.02,0.97)f(-1.02, 0.97) 을 어림하세요.

영어 원문 보기

Suppose that a function z=f(x,y)z = f (x, y) is implicitly defined by an equation:

xyz+x+y2+z3=0xyz + x + y^2 + z^3 = 0

(a) Find ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}. (b) If f(−1,1)<0f(-1, 1) < 0, find the linear approximation of the function z=f(x,y)z = f (x, y) at (−1,1)(-1, 1). (c) If f(−1,1)<0f(-1, 1) < 0, use the linear approximation in (b) to approximate f(−1.02,0.97)f(-1.02, 0.97).

정답·풀이 보기

(a) 함수 f(x,y)f(x,y) 는 ((−1,1)(-1,1) 에 충분히 가까운) 모든 xx 와 yy 에 대해

xy f(x,y)+x+y2+f(x,y)3=0(∗)xy\,f(x,y) + x + y^2 + f(x,y)^3 =0 \tag{$*$}

을 만족시킨다. (∗)(*) 의 양변을 xx 에 대해 미분하면

y f(x,y)+xy fx(x,y)+1+3f(x,y)2fx(x,y)=0  ⟹  fx(x,y)=−y f(x,y)+13f(x,y)2+xy\begin{aligned} y\,f(x,y) +xy\,f_x(x,y) + 1 + 3f(x,y)^2 f_x(x,y) = 0 \implies f_x(x,y) = -\frac{y\,f(x,y) +1}{3f(x,y)^2 +xy} \end{aligned}

이다. f(x,y)f(x,y) 를 명시적으로 모르면 이 이상은 할 수 있는 것이 많지 않다.

(b) f(−1,1)f(-1,1) 은

(−1)(1) f(−1,1)+(−1)+(1)2+f(−1,1)3=0  ⟺  f(−1,1)3−f(−1,1)=0(-1)(1)\,f(-1,1) + (-1) + (1)^2 + f(-1,1)^3 =0 \iff f(-1,1)^3 -f(-1,1) =0

을 만족시킨다. f(−1,1)<0f(-1, 1) < 0 이므로 이 식의 양변을 f(−1,1)<0f(-1, 1) < 0 으로 나눌 수 있고, f(−1,1)2−1=0f(-1,1)^2 - 1=0 을 얻는다. f(−1,1)<0f(-1, 1) < 0 이므로 f(−1,1)=−1f(-1, 1)=-1 이어야 한다. (a)에 의해

fx(−1,1)=−(1) f(−1,1)+13f(−1,1)2+(−1)(1)=0\begin{aligned} f_x(-1, 1) = -\frac{(1)\,f(-1, 1) +1}{3f(-1, 1)^2 +(-1)(1)} = 0 \end{aligned}

이다. 선형 근사를 구하려면 fy(−1,1)f_y(-1,1) 도 필요하다. (∗)(*) 의 양변을 yy 에 대해 미분하면

x f(x,y)+xy fy(x,y)+2y+3f(x,y)2fy(x,y)=0x\,f(x,y) + xy\,f_y(x,y) + 2y + 3f(x,y)^2 f_y(x,y) =0

이다. 여기에 x=−1x=-1, y=1y=1, f(−1,1)=−1f(-1,1)=-1 을 대입하면

(−1) (−1)+(−1)(1) fy(−1,1)+2(1)+3(−1)2fy(−1,1)=0  ⟹  fy(−1,1)=−32(-1)\,(-1) + (-1)(1)\,f_y(-1,1) + 2(1) + 3(-1)^2 f_y(-1,1) =0 \implies f_y(-1,1) =-\frac{3}{2}

이다. 따라서 선형 근사는

f(x,y)≈f(−1,1)+fx(−1,1) (x+1)+fy(−1,1) (y−1)=−1−32(y−1)f(x,y) \approx f(-1,1) + f_x(-1,1)\,(x+1) + f_y(-1,1)\,(y-1) = -1 -\frac{3}{2} (y-1)

이다.

(c) (b)에 의해

f(−1.02,0.97)≈−1−32(0.97−1)=−0.955\begin{aligned} f(-1.02,0.97) \approx -1 -\frac{3}{2} (0.97-1) =-0.955 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

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

xy f(x,y)+x+y2+f(x,y)3=0(∗)xy\,f(x,y) + x + y^2 + f(x,y)^3 =0 \tag{$*$}

for all xx and yy (sufficiently close to (−1,1)(-1,1)). Differentiating (∗)(*) with respect to xx gives

y f(x,y)+xy fx(x,y)+1+3f(x,y)2fx(x,y)=0  ⟹  fx(x,y)=−y f(x,y)+13f(x,y)2+xy\begin{aligned} y\,f(x,y) +xy\,f_x(x,y) + 1 + 3f(x,y)^2 f_x(x,y) = 0 \implies f_x(x,y) = -\frac{y\,f(x,y) +1}{3f(x,y)^2 +xy} \end{aligned}

Without knowing f(x,y)f(x,y) explicitly, there's not much that we can do with this.

(b) f(−1,1)f(-1,1) obeys

(−1)(1) f(−1,1)+(−1)+(1)2+f(−1,1)3=0  ⟺  f(−1,1)3−f(−1,1)=0(-1)(1)\,f(-1,1) + (-1) + (1)^2 + f(-1,1)^3 =0 \iff f(-1,1)^3 -f(-1,1) =0

Since f(−1,1)<0f(-1, 1) < 0 we may divide this equation by f(−1,1)<0f(-1, 1) < 0, giving f(−1,1)2−1=0f(-1,1)^2 - 1=0. Since f(−1,1)<0f(-1, 1) < 0, we must have f(−1,1)=−1f(-1, 1)=-1. By part (a)

fx(−1,1)=−(1) f(−1,1)+13f(−1,1)2+(−1)(1)=0\begin{aligned} f_x(-1, 1) = -\frac{(1)\,f(-1, 1) +1}{3f(-1, 1)^2 +(-1)(1)} = 0 \end{aligned}

To get the linear approximation, we still need fy(−1,1)f_y(-1,1). Differentiating (∗)(*) with respect to yy gives

x f(x,y)+xy fy(x,y)+2y+3f(x,y)2fy(x,y)=0x\,f(x,y) + xy\,f_y(x,y) + 2y + 3f(x,y)^2 f_y(x,y) =0

Then setting x=−1x=-1, y=1y=1 and f(−1,1)=−1f(-1,1)=-1 gives

(−1) (−1)+(−1)(1) fy(−1,1)+2(1)+3(−1)2fy(−1,1)=0  ⟹  fy(−1,1)=−32(-1)\,(-1) + (-1)(1)\,f_y(-1,1) + 2(1) + 3(-1)^2 f_y(-1,1) =0 \implies f_y(-1,1) =-\frac{3}{2}

So the linear approximation is

f(x,y)≈f(−1,1)+fx(−1,1) (x+1)+fy(−1,1) (y−1)=−1−32(y−1)f(x,y) \approx f(-1,1) + f_x(-1,1)\,(x+1) + f_y(-1,1)\,(y-1) = -1 -\frac{3}{2} (y-1)

(c) By part (b),

f(−1.02,0.97)≈−1−32(0.97−1)=−0.955\begin{aligned} f(-1.02,0.97) \approx -1 -\frac{3}{2} (0.97-1) =-0.955 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 12번
# 접평면과 선형근사계산보통자동 분류
654.CLP-3 · 2.6절 · 14번대학 수준우리말 번역

z=f(x,y)z = f(x,y) 가 다음 식으로 음함수로 주어져 있다고 하자.

ez+yz=x+y.e^z + yz = x + y.

(a) 전미분 dz\mathrm{d}z 를 구하세요. (b) 점 (1,0)(1,0) 에서의 선형 근사를 이용하여 f(0.99,0.01)f(0.99,0.01) 의 값을 어림하세요.

영어 원문 보기

Let z=f(x,y)z = f(x,y) be given implicitly by

ez+yz=x+y.e^z + yz = x + y.

(a) Find the differential dz\mathrm{d}z. (b) Use linear approximation at the point (1,0)(1,0) to approximate f(0.99,0.01)f(0.99,0.01).

정답·풀이 보기

정의에 따라 x=ax=a, y=by=b 에서의 전미분은

fx(a,b) dx+fy(a,b) dyf_x(a,b)\,\mathrm{d}x + f_y(a,b)\,\mathrm{d}y

이므로 편도함수 fx(a,b)f_x(a,b) 와 fy(a,b)f_y(a,b) 를 구해야 한다. 주어진 조건에서

ef(x,y)+y f(x,y)=x+ye^{f(x,y)} + y\,f(x,y) = x + y

가 모든 xx 와 yy 에 대해 성립한다. 이 등식의 양변을 xx 에 대해, 그리고 yy 에 대해 각각 미분하면 연쇄 법칙에 의해

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

을 얻는다. 첫째 식을 fxf_x 에 대해, 둘째 식을 fyf_y 에 대해 풀면

fx(x,y)=1ef(x,y)+yfy(x,y)=1−f(x,y)ef(x,y)+y\begin{aligned} f_x(x,y) &= \frac{1}{e^{f(x,y)}+y} \\ f_y(x,y) &= \frac{1-f(x,y)}{e^{f(x,y)}+y} \end{aligned}

이다. 따라서 x=ax=a, y=by=b 에서의 전미분은

dxef(a,b)+b+1−f(a,b)ef(a,b)+b dy\frac{\mathrm{d}x}{e^{f(a,b)}+b} + \frac{1-f(a,b)}{e^{f(a,b)}+b} \,\mathrm{d}y

이다. 일반적인 aa 와 bb 에 대해서는 f(a,b)f(a,b) 를 명시적으로 구할 수 없으므로, 이 이상 할 수 있는 것은 많지 않다.

(b) 특히 a=1a=1, b=0b=0 일 때

ef(1,0)+0 f(1,0)=1+0  ⟹  ef(1,0)=1  ⟹  f(1,0)=0e^{f(1,0)} + 0\,f(1,0) = 1 + 0 \implies e^{f(1,0)} = 1 \implies f(1,0)=0

이고, 선형 근사는 다음과 같이 간단해진다.

f(1+dx , dy)≈f(1,0)+dxef(1,0)+0+1−f(1,0)ef(1,0)+0 dy=dx+dyf\big(1+\mathrm{d}x\,,\,\mathrm{d}y\big) \approx f(1,0) + \frac{\mathrm{d}x}{e^{f(1,0)}+0} + \frac{1-f(1,0)}{e^{f(1,0)}+0} \,\mathrm{d}y = \mathrm{d}x +\mathrm{d}y

dx=−0.01\mathrm{d}x = -0.01, dy=0.01\mathrm{d}y = 0.01 로 잡으면

f(0.99 , 0.01)≈−0.01+0.01=0f\big(0.99\,,\,0.01\big) \approx -0.01 + 0.01 =0

이다.

원본 교재 풀이(영어)

By definition, the differential at x=ax=a, y=by=b is

fx(a,b) dx+fy(a,b) dyf_x(a,b)\,\mathrm{d}x + f_y(a,b)\,\mathrm{d}y

so we have to determine the partial derivatives fx(a,b)f_x(a,b) and fy(a,b)f_y(a,b). We are told that

ef(x,y)+y f(x,y)=x+ye^{f(x,y)} + y\,f(x,y) = x + y

for all xx and yy. Differentiating this equation with respect to xx and with respect to yy gives, by the chain rule,

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

Solving the first equation for fxf_x and the second for fyf_y gives

fx(x,y)=1ef(x,y)+yfy(x,y)=1−f(x,y)ef(x,y)+y\begin{aligned} f_x(x,y) &= \frac{1}{e^{f(x,y)}+y} \\ f_y(x,y) &= \frac{1-f(x,y)}{e^{f(x,y)}+y} \end{aligned}

So the differential at x=ax=a, y=by=b is

dxef(a,b)+b+1−f(a,b)ef(a,b)+b dy\frac{\mathrm{d}x}{e^{f(a,b)}+b} + \frac{1-f(a,b)}{e^{f(a,b)}+b} \,\mathrm{d}y

Since we can't solve explicitly for f(a,b)f(a,b) for general aa and bb. There's not much more that we can do with this.

(b) In particular, when a=1a=1 and b=0b=0, we have

ef(1,0)+0 f(1,0)=1+0  ⟹  ef(1,0)=1  ⟹  f(1,0)=0e^{f(1,0)} + 0\,f(1,0) = 1 + 0 \implies e^{f(1,0)} = 1 \implies f(1,0)=0

and the linear approximation simpifies to

f(1+dx , dy)≈f(1,0)+dxef(1,0)+0+1−f(1,0)ef(1,0)+0 dy=dx+dyf\big(1+\mathrm{d}x\,,\,\mathrm{d}y\big) \approx f(1,0) + \frac{\mathrm{d}x}{e^{f(1,0)}+0} + \frac{1-f(1,0)}{e^{f(1,0)}+0} \,\mathrm{d}y = \mathrm{d}x +\mathrm{d}y

Choosing dx=−0.01\mathrm{d}x = -0.01 and dy=0.01\mathrm{d}y = 0.01, we have

f(0.99 , 0.01)≈−0.01+0.01=0f\big(0.99\,,\,0.01\big) \approx -0.01 + 0.01 =0

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 17번
# 접평면과 선형근사계산보통자동 분류
655.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
656.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
657.CLP-3 · 2.6절 · 17번대학 수준우리말 번역

금속의 두께가 0.04cm일 때, 지름이 8cm이고 높이가 12cm인 닫힌 금속 캔에 들어 있는 금속의 부피를 미분을 이용하여 어림하세요.

영어 원문 보기

Use differentials to estimate the volume of metal in a closed metal can with diameter 8cm and height 12cm if the metal is 0.04cm thick.

정답·풀이 보기

지름이 dd 이고 높이가 hh 인 원기둥의 부피는 V(d,h)=π(d2)2hV(d,h)=\pi\big(\frac{d}{2}\big)^2h 이다. 이 문제의 표현은 주어진 치수가 안쪽 치수인지 바깥쪽 치수인지 밝히지 않아 다소 모호하다. 바깥쪽 치수라고 가정하자. 그러면 금속을 포함한 캔의 부피는 V(8,12)V(8,12) 이고, 금속을 제외한 안쪽 부피는

V(8−2×0.04 , 12−2×0.04)≈V(8,12)+Vd(8,12)(−2×0.04)+Vh(8,12)(−2×0.04)=V(8,12)+12π×8×12×(−2×0.04)+π(82)2 ⁣ ⁣(−2×0.04)=V(8,12)−π×128×0.04\begin{aligned} V(8-2\times0.04\,,\,12-2\times 0.04) &\approx V(8,12) +V_d(8,12)(-2\times 0.04) +V_h(8,12)(-2\times 0.04)\\ &=V(8,12) +\frac{1}{2}\pi\times 8\times 12\times(-2\times 0.04) +\pi\left(\frac{8}{2}\right)^2\!\!(-2\times 0.04)\\ &=V(8,12) -\pi\times 128\times 0.04 \end{aligned}

이다. 따라서 금속의 부피는 약 π×128×0.04=5.12π≈16.1\pi\times 128\times 0.04= 5.12\pi\approx 16.1cc 이다. (이 정도의 근사에서는 주어진 치수가 안쪽 치수이든 바깥쪽 치수이든 상관없다.)

원본 교재 풀이(영어)

The volume of a cylinder of diameter dd and height hh is V(d,h)=π(d2)2hV(d,h)=\pi\big(\frac{d}{2}\big)^2h. The wording of the question is a bit ambiguous in that it does not specify if the given dimensions are inside dimensions or outside dimensions. Assume that they are outside dimensions. Then the volume of the can, including the metal, is V(8,12)V(8,12) and the volume of the interior, excluding the metal, is

V(8−2×0.04 , 12−2×0.04)≈V(8,12)+Vd(8,12)(−2×0.04)+Vh(8,12)(−2×0.04)=V(8,12)+12π×8×12×(−2×0.04)+π(82)2 ⁣ ⁣(−2×0.04)=V(8,12)−π×128×0.04\begin{aligned} V(8-2\times0.04\,,\,12-2\times 0.04) &\approx V(8,12) +V_d(8,12)(-2\times 0.04) +V_h(8,12)(-2\times 0.04)\\ &=V(8,12) +\frac{1}{2}\pi\times 8\times 12\times(-2\times 0.04) +\pi\left(\frac{8}{2}\right)^2\!\!(-2\times 0.04)\\ &=V(8,12) -\pi\times 128\times 0.04 \end{aligned}

So the volume of metal is approximately π×128×0.04=5.12π≈16.1\pi\times 128\times 0.04= 5.12\pi\approx 16.1cc. (To this level of approximation, it doesn't matter whether the dimensions are inside or outside dimensions.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.4절 · 9번
# 접평면과 선형근사활용보통자동 분류
658.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
659.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
660.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