유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
24문제 · 1 / 2쪽
1.CLP-3 · 2.7절 · 3번대학 수준우리말 번역
주어진 점에서 주어진 방향으로 주어진 함수의 변화율을 구하세요.
(a) f(x,y)=3x−4y, 점 (0,2), 방향 −2^.
(b) f(x,y,z)=x−1+y−1+z−1, 점 (2,−3,4), 방향 ^+^+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−4y at the point (0,2) in the direction −2^.
(b) f(x,y,z)=x−1+y−1+z−1 at (2,−3,4) in the direction
^+^+k^.
답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기
(a)
f 의 기울기벡터는 ∇f(x,y)=⟨3,−4⟩ 이다. 따라서 구하는 변화율은
⟨3,−4⟩⋅∣⟨−2,0⟩∣⟨−2,0⟩=−3
(b)
f 의 기울기벡터는
∇f(x,y,z)=⟨−x−2,−y−2,−z−2⟩ 이다. 특히 점 (2,−3,4) 에서 f 의 기울기벡터는
∇f(2,−3,4)=⟨−41,−91,−161⟩ 이다.
따라서 구하는 변화율은
⟨−41,−91,−161⟩⋅3⟨1,1,1⟩=−144361≈−0.2446
원본 교재 풀이(영어)
(a)
The gradient of f is ∇f(x,y)=⟨3,−4⟩. So the specified rate of change is
⟨3,−4⟩⋅∣⟨−2,0⟩∣⟨−2,0⟩=−3
(b)
The gradient of f is
∇f(x,y,z)=⟨−x−2,−y−2,−z−2⟩. In particular,
the gradient of f at the point (2,−3,4) is
∇f(2,−3,4)=⟨−41,−91,−161⟩.
So the specified rate of change is
점 (2,0) 에서 함수 f(x,y)=xy 가 주어진 변화율을 갖는 방향을 각각 구하세요.
(a) −1
(b) −2
(c) −3
영어 원문 보기
In what directions at the point (2,0) does the function f(x,y)=xy
have the specified rates of change?
(a) −1
(b) −2
(c) −3
정답·풀이 보기
f(x,y) 의 기울기벡터는 ∇f(x,y)=⟨y,x⟩ 이다. 특히 점 (2,0) 에서 f 의 기울기벡터는
∇f(2,0)=⟨0,2⟩ 이다. 따라서 x 축과 이루는 각이 θ 인 방향, 즉
⟨cosθ,sinθ⟩ 방향으로의 변화율은
⟨cosθ,sinθ⟩⋅∇f(2,0)=⟨cosθ,sinθ⟩⋅⟨0,2⟩=2sinθ
이다.
(a) 변화율 −1 을 얻으려면
sinθ=−21⟹θ=−30∘,−150∘
이어야 한다. 따라서 구하는 방향은
⟨cosθ,sinθ⟩=⟨±23,−21⟩
이다.
(b) 변화율 −2 를 얻으려면
sinθ=−1⟹θ=−90∘
이어야 한다. 따라서 구하는 방향은
⟨cosθ,sinθ⟩=⟨0,−1⟩
이다.
(c) 변화율 −3 을 얻으려면
sinθ=−23
이어야 한다.
모든 θ 에 대해 −1≤sinθ≤1 이므로 이를 만족하는 θ 는 없다.
따라서 알맞은 방향이 없다!
원본 교재 풀이(영어)
The gradient of f(x,y) is ∇f(x,y)=⟨y,x⟩. In particular,
the gradient of f at the point (2,0) is
∇f(2,0)=⟨0,2⟩. So the rate of change in the direction
that makes angle θ with respect to the x-axis, that is,
in the direction
⟨cosθ,sinθ⟩ is
⟨cosθ,sinθ⟩⋅∇f(2,0)=⟨cosθ,sinθ⟩⋅⟨0,2⟩=2sinθ
(a) To get a rate −1, we need
sinθ=−21⟹θ=−30∘,−150∘
So the desired directions are
⟨cosθ,sinθ⟩=⟨±23,−21⟩
(b) To get a rate −2, we need
sinθ=−1⟹θ=−90∘
So the desired direction is
⟨cosθ,sinθ⟩=⟨0,−1⟩
(c) To get a rate −3, we need
sinθ=−23
No θ obeys this, since −1≤sinθ≤1 for all θ.
So no direction works!
당신은 지표면이 매끄러운 곳에 서 있습니다.
남쪽 방향의 기울기는 4 이고 남동쪽 방향의 기울기는 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 4 and the slope in the south–eastern direction is 2. Find the slope in the eastern direction.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
양의 y 축이 북쪽, 양의 x 축이 동쪽을 향하고 현재 위치가 x=y=0 인 좌표계를 사용한다. (x,y) 에서 지표면의 고도를 z(x,y) 라 하자. 주어진 조건에서
∇z(0,0)⋅(−^)∇z(0,0)⋅(2^−^)=4=2
이다. 첫째 식에서 zy(0,0)=−4 이고 둘째 식에서
2zx(0,0)−zy(0,0)=2⟹zx(0,0)=zy(0,0)+2=−2
이다. 따라서 동쪽 방향의 기울기는
∇z(0,0)⋅^=zx(0,0)=−2
이다.
원본 교재 풀이(영어)
Use a coordinate system with the positive y–axis pointing
north, with the positive x–axis pointing east and with our current
location being x=y=0. Denote by z(x,y) the elevation of the
earth's surface at (x,y). We are told that
∇z(0,0)⋅(−^)∇z(0,0)⋅(2^−^)=4=2
The first equation implies that zy(0,0)=−4 and the second equation
implies that
w=f(x,y,z) 의 점 P 에서의 방향미분계수가 벡터 2^−^+k^ 의 방향으로 최대이고, 그 방향으로의 방향미분계수의 값이 36 이라고 가정하자.
(a) w=f(x,y,z) 의 점 P 에서의 기울기 벡터를 구하세요.
(b) w=f(x,y,z) 의 점 P 에서 벡터 ^+^ 의 방향으로의 방향미분계수를 구하세요.
영어 원문 보기
Assume that the directional derivative of w=f(x,y,z) at a point P
is a maximum in the direction of the vector 2^−^+k^, and
the value of the directional derivative in that direction is 36.
(a) Find the gradient vector of w=f(x,y,z) at P.
(b) Find the directional derivative of w=f(x,y,z) at P in the
direction of the vector ^+^
정답·풀이 보기
(a) ∇f(P) 로 f 의 점 P 에서의 기울기 벡터를 나타내자. 주어진 조건은 다음과 같다.
f 의 점 P 에서의 방향미분계수가 2^−^+k^ 의 방향으로 최대이므로, ∇f(P) 는 2^−^+k^ 와 평행하다.
양의 x 축은 동쪽을, 양의 y 축은 북쪽을 가리키고,
등산객은 점 P(2,1,4) 에서 출발한다.
(a) 가장 가파른 길을 따라 올라가려면 등산객은 P 에서 어느 방향으로 나아가야 하는지 구하세요. 그 길의 기울기는 얼마인지 구하세요.
(b) P 에서 북쪽으로 걸으면 등산객은 오르기 시작하는지 내려가기 시작하는지 판단하세요. 기울기는 얼마인지 구하세요.
(c) 같은 높이를 유지하려면 등산객은 P 에서 어느 방향으로 걸어야 하는지 구하세요.
영어 원문 보기
A hiker is walking on a mountain with height above the z=0 plane given by
z=f(x,y)=6−xy2
The positive x–axis points east and the positive y–axis points north,
and the hiker starts from the point P(2,1,4).
(a) In what direction should the hiker proceed from P to ascend
along the steepest path? What is the slope of the path?
(b) Walking north from P, will the hiker start to ascend or descend?
What is the slope?
(c) In what direction should the hiker walk from P to remain at the same height?
정답·풀이 보기
(a) (x,y)=(2,1) 에서 f 의 그래디언트는
∇f(2,1)=⟨−y2,−2xy⟩(x,y)=(2,1)=⟨−1,−4⟩
이므로 가장 가파르게 올라가는 길의 방향은
−171⟨1,4⟩ 이며, 이는 남쪽에서 약간 서쪽으로 치우친 방향이다. 기울기는
∣∇f(2,1)∣=∣⟨−1,−4⟩∣=17
이다.
(b) 북쪽 방향의 방향미분계수는
D⟨0,1⟩f(2,1)=∇f(2,1)⋅⟨0,1⟩=⟨−1,−4⟩⋅⟨0,1⟩=−4
이므로 등산객은 기울기 ∣−4∣=4 로 내려간다.
(c) 등고선을 따라 걷는, 즉 같은 높이를 유지하려면 등산객은
∇f(2,1)=⟨−1,−4⟩ 에 수직인 방향으로 걸어야 한다.
⟨−1,−4⟩ 에 수직인 두 단위벡터는
±171⟨4,−1⟩ 이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) The gradient of f at (x,y)=(2,1) is
∇f(2,1)=⟨−y2,−2xy⟩(x,y)=(2,1)=⟨−1,−4⟩
So the path of steepest ascent is in the direction
−171⟨1,4⟩, which is a little
west of south. The slope is
∣∇f(2,1)∣=∣⟨−1,−4⟩∣=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⟩=−4
So the hiker descends with slope ∣−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⟩.
Two unit vectors perpendicular to ⟨−1,−4⟩
are ±171⟨4,−1⟩.
두 등산객이 높이가 z=1000−2x2−3y2 인 (작은) 산을 오르고 있다.
이들은 (1,1,995) 에서 출발하여 가장 가파른 오르막 경로를 따라간다. 이들의
(x,y) 좌표는 어떤 상수 a,b 에 대해 y=axb 를 만족한다.
a 와 b 를 구하세요.
영어 원문 보기
Two hikers are climbing a (small) mountain whose height is
z=1000−2x2−3y2.
They start at (1,1,995) and follow the path of steepest ascent. Their
(x,y) coordinates obey y=axb for some constants a,b.
Determine a and b.
정답·풀이 보기
h(x,y)=1000−2x2−3y2 의 기울기벡터는
∇h(x,y)=(−4x,−6y) 이다. 이 기울기벡터(가장 가파르게 오르는 방향을 가리킨다)는
y=axb 위의 모든 점에서 y=axb 의 접선과 평행해야 한다. y=axb 의 접선은 ⟨1,dxdy⟩=⟨1,abxb−1⟩ 이다.
⟨−4x,−6y⟩∥⟨1,abxb−1⟩⟹1abxb−1=−4x−6y⟹23y=abxb
이것이 y=axb 위의 모든 점에서 성립하는 것은 b=23 일 때, 그리고 그때에 한한다.
(1,1) 도 y=axb 위에 있어야 하므로 1=a1b 이어야 하고, 따라서
a=1, b=23 이다. 다음은 등산로를 나타낸 등고선 지도이다.
원본 교재 풀이(영어)
The gradient of h(x,y)=1000−2x2−3y2 is
∇h(x,y)=(−4x,−6y). This gradient (which points in the direction
of steepest ascent) must be parallel to the tangent to y=axb at all
points on y=axb. A tangent to y=axb is ⟨1,dxdy⟩=⟨1,abxb−1⟩.
⟨−4x,−6y⟩∥⟨1,abxb−1⟩⟹1abxb−1=−4x−6y⟹23y=abxb
This is true at all points on y=axb if and only if b=23.
As (1,1) must also be on y=axb, we need 1=a1b, which forces
a=1, b=23. Here is a contour map showing the hiking trail.
모기 한 마리가 R3 의 점 (3,2,1) 에 있다.
모기는 그 근처의 온도 T 가
T=2x2+y2−z2
으로 주어진다는 것을 알고 있다.
(a) 모기는 같은 온도를 유지하고 싶지만, 어떤 처음 방향으로든 날아가야 한다. 온도의 처음 변화율이 0 이 되는 방향을 하나 구하세요.
(b) 여러분과 다른 학생이 (a)에서 모두 옳은 답을 구했다면, 두 사람이 제시한 방향은 반드시 같아야 하나요? 그 이유를 설명하세요.
(c) 모기가 가능한 한 빨리 시원해지고 싶다면, 어떤 처음 방향 또는 방향들이 알맞은지 구하세요.
영어 원문 보기
A mosquito is at the location (3,2,1) in R3.
She knows that the temperature T near there is given by
T=2x2+y2−z2.
(a) She wishes to stay at the same temperature, but must fly in some
initial direction. Find a direction in which the initial rate of
change of the temperature is 0.
(b) If you and another student both get correct answers in part (a),
must the directions you give be the same? Why or why not?
(c) What initial direction or directions would suit the mosquito if
she wanted to cool down as fast as possible?
정답·풀이 보기
(a) (3,2,1) 에서의 온도의 기울기벡터는
∇T(3,2,1)=⟨4x,2y,−2z⟩(x,y,z)=(3,2,1)=⟨12,4,−2⟩
이다.
모기는 ∇T(3,2,1) 에 수직인 방향으로 날아가야 한다.
즉, 다음을 만족하는 방향 ⟨a,b,c⟩ 로 날아가야 한다.
0=⟨12,4,−2⟩⋅⟨a,b,c⟩=12a+4b−2c
12a+4b−2c=0 을 만족하는 0이 아닌 임의의 ⟨a,b,c⟩ 는 허용되는 방향이다. 허용되는 단위벡터 네 개는
±5⟨0,1,2⟩ 와
±10⟨1,−3,0⟩ 이다.
(b) 아니요, 같을 필요는 없다. (a)에서 서로 다른 네 개의 구체적인 방향이 주어졌다.
(c) 가능한 한 빨리 시원해지려면, 모기는 온도의 기울기벡터와 반대 방향으로 움직여야 한다. 그 방향의 단위벡터는
−41⟨6,2,−1⟩ 이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) The temperature gradient at (3,2,1) is
∇T(3,2,1)=⟨4x,2y,−2z⟩(x,y,z)=(3,2,1)=⟨12,4,−2⟩
She wishes to fly in a direction that is perpendicular to ∇T(3,2,1).
That is, she wishes to fly in a direction ⟨a,b,c⟩
that obeys
0=⟨12,4,−2⟩⋅⟨a,b,c⟩=12a+4b−2c
Any nonzero ⟨a,b,c⟩ that obeys 12a+4b−2c=0
is an allowed direction. Four allowed unit vectors are
±5⟨0,1,2⟩ and
±10⟨1,−3,0⟩.
(b) No they need not be the same. Four different explicit directions
were given in part (a).
(c) To cool down as quickly as possible, she should move in the direction
opposite to the temperature gradient. A unit vector in that direction is
−41⟨6,2,−1⟩.
(a) 새 한 마리가 (2,1,3) 을 지나 (4,3,4) 를 향해 속력 2 로 날아가고 있다.
이 순간 새가 느끼는 기온의 변화율을 구하세요.
(b) 만약 새가 (2,1,3) 을 지날 때 고도를 일정하게(z=3) 유지하면서 동시에 기온도 T=8 로 일정하게 유지한다면,
새가 진행할 수 있는 두 방향은 무엇인지 구하세요.
영어 원문 보기
The air temperature T(x,y,z) at a location (x,y,z) is given by:
T(x,y,z)=1+x2+yz.
(a) A bird passes through (2,1,3) travelling towards (4,3,4) with speed 2.
At what rate does the air temperature it experiences change at this instant?
(b) If instead the bird maintains constant altitude (z=3) as it passes
through (2,1,3) while also keeping at a fixed air temperature, T=8,
what are its two possible directions of travel?
정답·풀이 보기
(2,1,3) 에서의 기온의 기울기 벡터(그레이디언트)는
∇T(2,1,3)=⟨2x,z,y⟩(x,y,z)=(2,1,3)=⟨4,3,1⟩
이다.
(a) 새는 방향 ⟨4−2,3−1,4−3⟩=⟨2,2,1⟩ 으로 속력 2 로 날아가므로 속도는
v=2∣⟨2,2,1⟩∣⟨2,2,1⟩=32⟨2,2,1⟩
이다.
이 순간 새가 느끼는 기온의 변화율은
∇T(2,1,3)⋅v=32⟨4,3,1⟩⋅⟨2,2,1⟩=10
이다.
(b) 고도를 일정하게 유지하려면(정지해 있지 않은 상태에서) 새의 진행 방향은
어떤 상수 a, b (둘 다 0은 아님)에 대해
⟨a,b,0⟩ 꼴이어야 한다. 기온을 일정하게 유지하려면 진행 방향이
∇T(2,1,3)=⟨4,3,1⟩ 에 수직이어야 한다.
따라서 a, b 는 다음을 만족해야 한다.
0=⟨a,b,0⟩⋅⟨4,3,1⟩=4a+3b⟺b=−34a
그러므로 진행 방향은 ⟨3,−4,0⟩ 에 0이 아닌 상수를 곱한 꼴이어야 한다. 이러한 단위벡터는
±51⟨3,−4,0⟩ 두 개이다.
원본 교재 풀이(영어)
The temperature gradient at (2,1,3) is
∇T(2,1,3)=⟨2x,z,y⟩(x,y,z)=(2,1,3)=⟨4,3,1⟩
(a) The bird is flying in the direction ⟨4−2,3−1,4−3⟩=⟨2,2,1⟩ at speed 2 and so has velocity
v=2∣⟨2,2,1⟩∣⟨2,2,1⟩=32⟨2,2,1⟩.
The rate of change of air temperature experienced by the bird at that
instant is
∇T(2,1,3)⋅v=32⟨4,3,1⟩⋅⟨2,2,1⟩=10
(b) To maintain constant altitude (while not being stationary),
the bird's direction of travel has to be
of the form ⟨a,b,0⟩, for some constants a and b,
not both zero. To keep the air temperature fixed, its direction of travel
has to be perpendicular to ∇T(2,1,3)=⟨4,3,1⟩.
So a and b have to obey
0=⟨a,b,0⟩⋅⟨4,3,1⟩=4a+3b⟺b=−34a
and the direction of travel has to be a nonzero constant times
⟨3,−4,0⟩. The two such unit vectors are
±51⟨3,−4,0⟩.
(a) 점 P(1,−34) 에서 f(x,y) 의 최대 변화율을 구하세요.
(b) 점 P(1,−34) 에서 f(x,y) 의 방향미분계수가 51 이 되는 방향을 구하세요.
영어 원문 보기
Let f(x,y)=2x2+3xy+y2 be a function of x and y.
(a) Find the maximum rate of change of f(x,y) at the point
P(1,−34).
(b) Find the directions in which the directional derivative of f(x,y)
at the point P(1,−34) has the value 51.
정답·풀이 보기
이 문제의 두 소문제 모두에서 (x,y)=(1,−34) 에서의 f(x,y) 의 그래디언트가 필요하다.
따라서 먼저 이를 구한다.
벌레 한 마리가 곡선 y=x2 을 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 0.01m/sec 의 속력으로 움직인다. 이 벌레는 T(x,y) 를 계속 측정한다. 벌레가 점 (1,1) 을 지날 때 T 의 변화율은 얼마인지 구하여라.
영어 원문 보기
The temperature T(x,y) at a point of the xy–plane is given by
T(x,y)=yex2
A bug travels from left to right along the curve y=x2 at a speed of 0.01m/sec. The bug
monitors T(x,y) continuously. What is the rate of change of T as the bug passes through
the point (1,1)?
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
(1,1) 에서 y=x2 의 기울기는 dxdx2x=1=2 이다.
따라서 벌레가 움직이는 방향의 단위벡터는
5⟨1,2⟩ 이고, 벌레의 속도 벡터는 v=0.015⟨1,2⟩ 이다.
(1,1) 에서 온도의 그래디언트(기울기 벡터)는
∇T(1,1)=⟨2xyex2,ex2⟩(x.y)=(1,1)=⟨2e,e⟩
이고, 벌레가 점 (1,1) 을 지날 때 느끼는 T 의 (단위 시간당) 변화율은
∇T(1,1)⋅v=50.01⟨2e,e⟩⋅⟨1,2⟩=50.04e
이다.
원본 교재 풀이(영어)
The slope of y=x2 at (1,1) is dxdx2x=1=2.
So a unit vector in the bug's direction of motion is
5⟨1,2⟩ and the bug's velocity vector is
v=0.015⟨1,2⟩.
The temperature gradient at (1,1) is
∇T(1,1)=⟨2xyex2,ex2⟩(x.y)=(1,1)=⟨2e,e⟩
and the rate of change of T (per unit time) that the bug feels as it
passes through the point (1,1) is
함수 T=F(x,y,z)=3+xy−y2+z2−x 가 공간의 점 (x,y,z) 에서의 온도를 나타낸다고 하자. 이때 F(3,2,1)=3 이다.
(a) (3,2,1) 에서 점 (0,1,2) 방향으로의 T 의 방향미분계수를 구하세요.
(b) 점 (3,2,1) 에서 온도가 가장 빠르게 감소하는 방향은 어느 방향인지 구하세요.
(c) 곡선 x=3et, y=2cost, z=1+t 를 따라 움직일 때, t=0 에서 t 에 대한 온도의 변화율 dtdT 를 구하세요.
(d) ^+5^+ak^ 가 (3,2,1) 에서 온도 등위면 T(x,y,z)=3 에 접하는 벡터라고 하자. a 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Suppose the function T=F(x,y,z)=3+xy−y2+z2−x describes the temperature at
a point (x,y,z) in space, with F(3,2,1)=3.
(a) Find the directional derivative of T at (3,2,1), in the direction of the
point (0,1,2).
(b) At the point (3,2,1), in what direction does the temperature
decrease most rapidly?
(c) Moving along the curve given by x=3et, y=2cost, z=1+t,
find dtdT, the rate of change of temperature with respect to t, at t=0.
(d) Suppose ^+5^+ak^ is a vector that is tangent to the temperature level surface
T(x,y,z)=3 at (3,2,1). What is a?
(a) (0,1,−1) 에서 f 와 g 의 그래디언트를 구하세요.
(b) (0,1,−1) 에 있는 새가 f(x,y,z) 가 가장 빠르게 증가하는 방향으로 속력 6 으로 날아간다. 새가 (0,1,−1) 을 지날 때, 새가 보기에 g(x,y,z) 는 얼마나 빠르게 변하는 것으로 보이는지 구하세요.
(c) (0,1,−1) 에 있는 박쥐가 f(x,y,z) 와 g(x,y,z) 가 변하지 않는 방향으로, 그러나 z 가 증가하도록 날아간다. 이 방향의 벡터를 하나 구하세요.
영어 원문 보기
Let
f(x,y,z)g(x,y,z)=(2x+y)e−(x2+y2+z2)=xz+y2+yz+z2
(a) Find the gradients of f and g at (0,1,−1).
(b) A bird at (0,1,−1) flies at speed 6 in the direction in which f(x,y,z) increases
most rapidly. As it passes through (0,1,−1), how quickly does g(x,y,z) appear (to the bird)
to be changing?
(c) A bat at (0,1,−1) flies in the direction in which f(x,y,z) and g(x,y,z) do not change,
but z increases. Find a vector in this direction.
(b) The bird's velocity is the vector of length 6 in the direction of
∇f(0,1,−1), which is
v=6∣⟨2,−1,2⟩∣⟨2,−1,2⟩=⟨4,−2,4⟩
The rate of change of g (per unit time) seen by the bird is
∇g(0,1,−1)⋅v=⟨−1,1,−1⟩⋅⟨4,−2,4⟩=−10
(c) The direction of flight for the bat has to be perpendicular to both
∇f(0,1,−1)=e−2⟨2,−1,2⟩ and
∇g(0,1,−1)=⟨−1,1,−1⟩. Any vector which is a non zero constant
times
is perpendicular to both ∇f(0,1,−1) and
∇g(0,1,−1). In addition, the direction of flight for the bat
must have a positive z–component. So any vector which is a (strictly)
positive constant times ⟨−1,0,1⟩ is fine.
벌 한 마리가 곡면 3z+x2+y2=2 와
z=x2−y2 의 교선을 따라 z 가 증가하는 방향으로 날고 있다. 시각 t=2 에서 벌은
점 (1,1,0) 을 속력 6 으로 지난다.
(a) 시각 t=2 에서 벌의 속도(벡터)를 구하세요.
(b) 위치 (x,y,z), 시각 t 에서의 온도 T 가 T=xy−3x+2yt+z 로 주어진다.
시각 t=2 에서 벌이 느끼는 온도의 변화율을 구하세요.
영어 원문 보기
A bee is flying along the curve of intersection of the surfaces 3z+x2+y2=2 and
z=x2−y2 in the direction for which z is increasing. At time t=2, the bee passes
through the point (1,1,0) at speed 6.
(a) Find the velocity (vector) of the bee at time t=2.
(b) The temperature T at position (x,y,z) at time t is given by T=xy−3x+2yt+z.
Find the rate of change of temperature experienced by the bee at time t=2.
정답·풀이 보기
(a) v 로 시각 t=2 에서 벌의 속도 벡터를 나타내자.
벌의 운동 방향은 곡선의 접선 방향이다.
이 접선은 (1,1,0) 에서 3z+x2+y2=2 의 법선벡터
점 (x,y,z) 에서의 온도가 다음과 같이 주어져 있다.
T(x,y,z)=5e−2x2−y2−3z2,
여기서 T 는 섭씨 온도로, x, y, z 는 미터 단위로 측정한다.
(a) 점 P(1,2,−1) 에서 점 (1,1,0) 을 향하는 방향으로의 온도의 변화율을 구하세요.
(b) 온도가 가장 빠르게 감소하는 방향은 어느 방향인지 구하세요.
(c) P 에서 온도의 최대 감소율을 구하세요.
영어 원문 보기
The temperature at a point (x,y,z) is given by
T(x,y,z)=5e−2x2−y2−3z2,
where T is measured in centigrade and x, y, z in meters.
(a) Find the rate of change of temperature at the point P(1,2,−1) in the
direction toward the point (1,1,0).
(b) In which direction does the temperature decrease most rapidly?
(c) Find the maximum rate of decrease at P.
정답·풀이 보기
(a) (1,2,−1) 에서 방향 ⟨1,1,0⟩−⟨1,2,−1⟩=⟨0,−1,1⟩ 으로의 T(x,y,z) 의 변화율을 구하는 것이다.
이 변화율(단위 거리당)은 방향미분계수
(b) 최대 감소율의 방향은 −∇T(1,2,−1) 이다.
이 방향의 단위벡터는 17⟨2,2,−3⟩ 이다.
(c) P 에서의 최대 감소율은
−∣∇T(1,2,−1)∣=−10e−9∣⟨−2,−2,3⟩∣=−1017e−9 이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) We are to find the rate of change of T(x,y,z) at (1,2,−1)
in the direction ⟨1,1,0⟩−⟨1,2,−1⟩=⟨0,−1,1⟩.
That rate of change (per unit distance) is the directional derivative
함수 w=f(x,y,z) 의 점 P 에서의 방향미분계수는 벡터 ^ 의 방향으로 2, 벡터 ^+^ 의 방향으로 −2, 벡터 ^+^+k^ 의 방향으로 −35 이다.
함수 w=f(x,y,z) 의 점 P 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) at a point P in the direction
of the vector ^ is 2, in the direction of the vector ^+^ is −2, and
in the direction of the vector ^+^+k^ is −35.
Find the direction in which the function w=f(x,y,z) has the
maximum rate of change at the point P . What is this maximum rate of change?
정답·풀이 보기
함수 f 의 P 에서의 그레이디언트를 ⟨a,b,c⟩ 라 하자. 주어진 조건은 다음과 같다.
From these equations we read off, in order,
a=2, b=−4 and c=−3.
The function f has maximum rate of change at P in the
direction if the gradient of f. The unit vector in that direction is
∣⟨2,−4,−3⟩∣⟨2,−4,−3⟩=29⟨2,−4,−3⟩
The maximum rate of change is the magnitude of the gradient, which is
29.
함수 f(x,y) 가 원점에서 가장 빠르게 증가하는 방향이 벡터 ⟨1,2⟩ 로 주어진다고 하자.
원점을 지나는 f(x,y) 의 등위곡선에 접하는 단위벡터 u 를 구하세요.
영어 원문 보기
Suppose it is known that the direction of the fastest increase of the
function f(x,y) at the origin is given by the vector ⟨1,2⟩.
Find a unit vector u that is tangent to the level curve of f(x,y)
that passes through the origin.
정답·풀이 보기
함수 f(x,y) 가 원점에서 가장 빠르게 증가하는 방향이 벡터 ⟨1,2⟩ 로 주어졌다.
이는 ∇f(0,0) 이 ⟨1,2⟩ 와 평행함을 뜻한다.
따라서 ⟨1,2⟩ 는 원점을 지나는 f(x,y) 의 등위곡선에 수직이다(법선벡터이다). 그러므로 ⟨1,2⟩ 와 수직인 ⟨2,−1⟩ 은 원점을 지나는 f(x,y) 의 등위곡선에 접한다.
⟨2,−1⟩ 과 평행한 단위벡터는
±51⟨2,−1⟩ 이다.
원본 교재 풀이(영어)
We are told that the direction of fastest increase for the
function f(x,y) at the origin is given by the vector ⟨1,2⟩.
This implies that ∇f(0,0) is parallel to ⟨1,2⟩.
This in turn implies that ⟨1,2⟩ is normal to the level curve
of f(x,y) that passes through the origin. So ⟨2,−1⟩, being
perpendicular to ⟨1,2⟩, is tangent to the level curve of
f(x,y) that passes through the origin.
The unit vectors that are parallel to ⟨2,−1⟩
are ±51⟨2,−1⟩.
언덕의 모양이 z=1000−0.02x2−0.01y2 으로 주어져 있다.
x–축은 동쪽을, y–축은 북쪽을 향하고, 모든 거리의 단위는 미터(m)라고 하자.
(a) 점 (0,100,900) 에서 가장 가파르게 올라가는 방향은 어느 쪽인가요?
(답은 나침반의 방위로 나타내세요.)
(b) (a)의 방향으로 점 (0,100,900) 에서 언덕의 기울기를 구하세요.
(c) 이 언덕에서 가장 가파르게 내려가는 방향으로 자전거를 속력 5 m/s 로 타고 갈 때, 점 (0, 100, 900) 을 지나는 순간 (시간에 대한) 고도의 변화율을 구하세요.
영어 원문 보기
The shape of a hill is given by z=1000−0.02x2−0.01y2.
Assume that the x–axis is pointing East, and the y–axis
is pointing North, and all distances are in metres.
(a) What is the direction of the steepest ascent at the point (0,100,900)?
(The answer should be in terms of directions of the compass).
(b) What is the slope of the hill at the point (0,100,900) in the
direction from (a)?
(c) If you ride a bicycle on this hill in the direction of the steepest
descent at 5 m/s, what is the rate of change of your altitude
(with respect to time) as you pass through the point (0, 100, 900)?
정답·풀이 보기
h(x,y)=1000−0.02x2−0.01y2 으로 놓으면 언덕은 z=h(x,y) 이다.
(a) 점 (0,100,900) 에서 가장 가파르게 올라가는 방향은 (0,100) 에서 h(x,y) 의 증가율이 최대인 방향이다.
이는 ∇h(0,100)=⟨0,−0.01(2)(100)⟩=⟨0,−2⟩ 이다. 나침반의 방위로는 남쪽이다.
(b) 그곳에서 언덕의 기울기는 다음과 같다.
∇h(0,100)⋅⟨0,−1⟩=−∂y∂h(0,100)=2
(c) 시각 t 에서 자신의 위치를 (x(t),y(t),z(t)) 라 하고, 시각 t=0 에 (0,100,900) 에 있다고 하자.
그러면 다음을 알 수 있다.
언덕 위에 있으므로 z(t)=1000−0.02x(t)2−0.01y(t)2 이고, 따라서
z′(t)=−0.04x(t)x′(t)−0.02y(t)y′(t) 이다.
가장 가파르게 내려가는 방향으로 가고 있으므로 x′(0)=0 이고 y′(0)>0 이다.
속력 5 로 움직이므로 x′(0)2+y′(0)2+z′(0)2=25 이다.
x(0) 와 y(0)=100 이므로 z′(0)=−0.02(100)y′(0)=−2y′(0) 이다. 따라서
Write
h(x,y)=1000−0.02x2−0.01y2 so that the hill is z=h(x,y).
(a) The direction of steepest ascent at (0,100,900)
is the direction of maximum rate of increase of h(x,y) at (0,100)
which is ∇h(0,100)=⟨0,−0.01(2)(100)⟩=⟨0,−2⟩. In compass
directions that is South.
(b) The slope of the hill there is
∇h(0,100)⋅⟨0,−1⟩=−∂y∂h(0,100)=2
(c) Denote by (x(t),y(t),z(t)) your position at time t
and suppose that you are at (0,100,900) at time t=0.
Then we know
z(t)=1000−0.02x(t)2−0.01y(t)2, so that
z′(t)=−0.04x(t)x′(t)−0.02y(t)y′(t),
since you are on the hill and
x′(0)=0 and y′(0)>0 since you are going in the direction of steepest
descent and
x′(0)2+y′(0)2+z′(0)2=25 since you are moving at speed 5.
Since x(0) and y(0)=100, we have z′(0)=−0.02(100)y′(0)=−2y′(0). So
일 때, 비행기에서 관측한 시각 t=0 에서의 dtd(PT)2 의 값을 구하세요.
(b) 점 (0,−1,1) 에 있는 새가 P 와 T 를 모두 일정하게 유지하려면 어느 방향으로 날아야 하는지 구하세요. (가능한 방향 벡터를 하나 쓰세요. 단위벡터일 필요는 없습니다.)
(c) 개미가 곡면 z3+zx+y2=2 위를 기어가고 있다. 개미가 점 (0,−1,1) 에 있을 때, 온도 T=5+xy−z2 이 가장 크게 증가하려면 어느 방향으로 가야 하는지 구하세요. 답은 벡터 ⟨a,b,c⟩ 로 쓰세요. 단위벡터일 필요는 없습니다. (개미는 그래디언트 방향으로 기어갈 수 없다는 점에 주의하세요. 그 방향은 곡면에서 벗어나기 때문입니다. 방향 벡터 ⟨a,b,c⟩ 는 곡면의 접평면 위에 있어야 합니다.)
영어 원문 보기
Let the pressure P and temperature T at a point (x,y,z) be
P(x,y,z)=1+z2x2+2y2,T(x,y,z)=5+xy−z2
(a) If the position of an airplane at time t is
(x(t),y(t),z(t))=(2t,t2−1,cost)
find dtd(PT)2 at time t=0 as observed from the airplane.
(b) In which direction should a bird at the point (0,−1,1) fly if it
wants to keep both P and T constant. (Give one possible direction
vector. It does not need to be a unit vector.)
(c) An ant crawls on the surface z3+zx+y2=2.
When the ant is at the point (0,−1,1), in which direction should it
go for maximum increase of the temperature T=5+xy−z2?
Your answer should be a vector ⟨a,b,c⟩, not necessarily
of unit length. (Note that the ant cannot crawl in the direction of
the gradient because that leads off the surface. The direction vector
⟨a,b,c⟩ has to be on the tangent plane to the surface.)
정답·풀이 보기
문제 전체를 읽어 보면 다음이 필요함을 알 수 있다.
(a)에서는 (2t,t2−1,cost)t=0=(0,−1,1) 에서의 PT 의 그래디언트
(b)에서는 (0,−1,1) 에서의 P 와 T 의 그래디언트
(c)에서는 (0,−1,1) 에서의 T 의 그래디언트와, (0,−1,1) 에서의 S=z3+xz+y2 의 그래디언트(그 점에서 곡면의 법선 벡터를 얻기 위해)
(c) 방향이 곡면에 접하면서도, 즉 법선 벡터 ∇S(0,−1,1)=⟨1,−2,3⟩ 에 수직이면서도, ∇T(0,−1,1)=⟨−1,0,−2⟩ 에 최대한 가까워야 한다.
이 최적의 방향은 ∇T(0,−1,1) 에서 ∇T(0,−1,1) 을 법선 벡터에 정사영한 벡터를 빼면 얻는다.
(b)
The direction should be perpendicular to ∇P(0,−1,1)
(to keep P constant) and should also be perpendicular to
∇T(0,−1,1) (to keep T constant). So any nonzero constant times
(c) We want the direction to be as close as possible to ∇T(0,−1,1)=⟨−1,0,−2⟩ while still being tangent to the surface,
i.e. being perpendicular to the normal vector
∇S(0,−1,1)=⟨1,−2,3⟩.
We can get that optimal direction by subtracting from ∇T(0,−1,1)
the projection of ∇T(0,−1,1) onto the normal vector.
The projection of ∇T(0,−1,1) onto the normal vector
∇S(0,−1,1) is
So any positive non zero multiple of −⟨1,2,1⟩ will do.
Note, as a check, that −⟨1,2,1⟩ has dot product zero,
i.e. is perpendicular to, ∇S(0,−1,1)=⟨1,−2,3⟩.
언덕의 높이가 방정식
f(x,y)=x2y2e−x−y
으로 주어져 있다. 개미 한 마리가 점 (1,1,e−2) 에 앉아 있다.
(a) 다음 값을 최대로 하는 단위벡터 u=⟨u1,u2⟩ 를 구하세요.
t→0limtf((1,1)+tu)−f(1,1)
(b) 개미가 같은 높이 e−2 를 유지하기 위해 갈 수 있는 경로의 방향을 가리키는 벡터 v=⟨v1,v2,v3⟩ 를 구하세요.
(c) 개미가 순간 높이 증가율을 최대로 하기 위해 가야 하는 경로의 방향을 가리키는 벡터 v=⟨v1,v2,v3⟩ 를 구하세요.
영어 원문 보기
The elevation of a hill is given by the equation
f(x,y)=x2y2e−x−y. An ant sits at the point (1,1,e−2).
(a) Find the unit vector u=⟨u1,u2⟩ that maximizes
t→0limtf((1,1)+tu)−f(1,1)
(b) Find a vector v=⟨v1,v2,v3⟩ pointing in the direction
of the path that the ant could take in order to stay on the same elevation
level e−2.
(c) Find a vector v=⟨v1,v2,v3⟩ pointing in the direction
of the path that the ant should take in order to maximize its instantaneous
rate of level increase.
정답·풀이 보기
(a) 식
limt→0tf((1,1)+tu)−f(1,1)
은 u 방향으로의 (1,1) 에서 f 의 방향미분계수이며, 이는 Duf(1,1)=∇f(1,1)⋅u 이다. 이 값은 u 가 ∇f(1,1) 과 평행할 때 최대가 된다.
(b) 높이 e−2 를 유지하려면 개미는 Duf(1,1)=0 이 되도록 움직여야 한다. 이는 u⊥∇f(1,1) 일 때 성립한다. 예를 들어 u=⟨1,−1⟩ 로 잡을 수 있다. 개미가 언덕의 표면 위에 머물면서 이 방향으로 움직이면 속도의 수직 성분은 0이다. 따라서 0이 아닌 임의의 상수 c 에 대해 v=c⟨1,−1,0⟩ 이다.
(c) 순간 높이 증가율을 최대로 하려면 개미는 속도 벡터의 x 좌표와 y 좌표를 ∇f(1,1) 과 같은 방향으로 택해야 한다. 즉 c>0 인 임의의 c 에 대해 u=c⟨1,1⟩ 이다. u 를 단위벡터로 만들기 위해 c=21 로 택한다. 속도 벡터의 z 좌표의 값은 수평으로 이동한 단위 거리당 f 의 변화율이며, 이는 방향미분계수
Duf(1,1)=∇f(1,1)⋅u=e−2⟨1,1⟩⋅⟨c,c⟩=2ce−2
이다.
따라서 v=21⟨1,1,2e−2⟩ 이다. 이 벡터의 양의 배수는 모두 정답이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) The expression
limt→0tf((1,1)+tu)−f(1,1)
is the directional derivative of f at (1,1) in the direction u,
which is Duf(1,1)=∇f(1,1)⋅u. This is mazimized when u is
parallel to ∇f(1,1). Since
(b) In order to remain at elevation e−2, the ant must move so
that Duf(1,1)=0. This is the case if u⊥∇f(1,1).
For example, we can take u=⟨1,−1⟩. When the ant moves
in this direction, while remaining on the surface of the hill, its
vertical component of velocity is zero. So v=c⟨1,−1,0⟩ for any
nonzero constant c.
(c) In order to maximize its instantaneous rate of level increase,
the ant must choose the x and y coordinates of its velocity vector
in the same direction as ∇f(1,1). Namely u=c⟨1,1⟩ for any
c>0. To make u a unit vector, we choose c=21.
The corresponding value of the z coordinate of its velocity vector is
the rate of change of f per unit horizontal distance travelled, which
is the directional derivative
Duf(1,1)=∇f(1,1)⋅u=e−2⟨1,1⟩⋅⟨c,c⟩=2ce−2
So v=21⟨1,1,2e−2⟩. Any positive multiple
of this vector is also a correct answer.