문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

방향도함수와 기울기벡터

주어진 방향의 변화율과 가장 빨리 증가하는 방향(기울기벡터)을 구한다

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−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
2.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
3.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
4.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
5.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
6.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
7.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
8.CLP-3 · 2.7절 · 10번대학 수준우리말 번역

모기 한 마리가 R3\mathbb{R}^3 의 점 (3,2,1)(3, 2, 1) 에 있다. 모기는 그 근처의 온도 TT 가 T=2x2+y2−z2T = 2x^2 + y^2 - z^2 으로 주어진다는 것을 알고 있다.

(a) 모기는 같은 온도를 유지하고 싶지만, 어떤 처음 방향으로든 날아가야 한다. 온도의 처음 변화율이 00 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)(3, 2, 1) in R3\mathbb{R}^3. She knows that the temperature TT near there is given by T=2x2+y2−z2T = 2x^2 + y^2 - z^2.

(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 00. (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)(3,2,1) 에서의 온도의 기울기벡터는

∇T(3,2,1)=<4x , 2y , −2z>∣(x,y,z)=(3,2,1)=<12 , 4 , −2>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(3,2,1) = \left< 4x\,,\,2y\,,\,-2z\right>\Big|_{(x,y,z)=(3,2,1)} = \left< 12\,,\,4\,,\,-2\right> \end{aligned}

이다.

모기는 ∇T(3,2,1){ \boldsymbol{\nabla} } T(3,2,1) 에 수직인 방향으로 날아가야 한다. 즉, 다음을 만족하는 방향 <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> 로 날아가야 한다.

0=<12 , 4 , −2>⋅<a , b , c>=12a+4b−2c0 = \left< 12\,,\,4\,,\,-2\right>\cdot \left< a\,,\,b\,,\,c\right> = 12a+4b-2c

12a+4b−2c=012a+4b-2c=0 을 만족하는 0이 아닌 임의의 <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> 는 허용되는 방향이다. 허용되는 단위벡터 네 개는 ±<0 , 1 , 2>5\pm\frac{\left< 0\,,\,1\,,\,2\right>}{\sqrt{5}} 와 ±<1 , −3 , 0>10\pm\frac{\left< 1\,,\,-3\,,\,0\right>}{\sqrt{10}} 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 −<6 , 2 , −1>41-\frac{\left< 6\,,\,2\,,\,-1\right>}{\sqrt{41}} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The temperature gradient at (3,2,1)(3,2,1) is

∇T(3,2,1)=<4x , 2y , −2z>∣(x,y,z)=(3,2,1)=<12 , 4 , −2>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(3,2,1) = \left< 4x\,,\,2y\,,\,-2z\right>\Big|_{(x,y,z)=(3,2,1)} = \left< 12\,,\,4\,,\,-2\right> \end{aligned}

She wishes to fly in a direction that is perpendicular to ∇T(3,2,1){ \boldsymbol{\nabla} } T(3,2,1). That is, she wishes to fly in a direction <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> that obeys

0=<12 , 4 , −2>⋅<a , b , c>=12a+4b−2c0 = \left< 12\,,\,4\,,\,-2\right>\cdot \left< a\,,\,b\,,\,c\right> = 12a+4b-2c

Any nonzero <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> that obeys 12a+4b−2c=012a+4b-2c=0 is an allowed direction. Four allowed unit vectors are ±<0 , 1 , 2>5\pm\frac{\left< 0\,,\,1\,,\,2\right>}{\sqrt{5}} and ±<1 , −3 , 0>10\pm\frac{\left< 1\,,\,-3\,,\,0\right>}{\sqrt{10}}.

(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 −<6 , 2 , −1>41-\frac{\left< 6\,,\,2\,,\,-1\right>}{\sqrt{41}}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 11번
# 방향도함수와 기울기벡터개념 확인보통자동 분류
9.CLP-3 · 2.7절 · 11번대학 수준우리말 번역

위치 (x,y,z)(x,y,z) 에서의 기온 T(x,y,z)T(x,y,z) 는 다음과 같이 주어진다.

T(x,y,z)=1+x2+yz.T(x,y,z) = 1 + x^2 + yz.

(a) 새 한 마리가 (2,1,3)(2,1,3) 을 지나 (4,3,4)(4,3,4) 를 향해 속력 22 로 날아가고 있다. 이 순간 새가 느끼는 기온의 변화율을 구하세요. (b) 만약 새가 (2,1,3)(2,1,3) 을 지날 때 고도를 일정하게(z=3z = 3) 유지하면서 동시에 기온도 T=8T = 8 로 일정하게 유지한다면, 새가 진행할 수 있는 두 방향은 무엇인지 구하세요.

영어 원문 보기

The air temperature T(x,y,z)T(x,y,z) at a location (x,y,z)(x,y,z) is given by:

T(x,y,z)=1+x2+yz.T(x,y,z) = 1 + x^2 + yz.

(a) A bird passes through (2,1,3)(2,1,3) travelling towards (4,3,4)(4,3,4) with speed 22. At what rate does the air temperature it experiences change at this instant? (b) If instead the bird maintains constant altitude (z=3z = 3) as it passes through (2,1,3)(2,1,3) while also keeping at a fixed air temperature, T=8T = 8, what are its two possible directions of travel?

정답·풀이 보기

(2,1,3)(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>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(2,1,3) = \left< 2x\,,\,z\,,\,y \right>\Big|_{(x,y,z)=(2,1,3)} = \left< 4\,,\,3\,,\,1 \right> \end{aligned}

이다.

(a) 새는 방향 <4−2 , 3−1 , 4−3>=<2 , 2 , 1>\left< 4-2\,,\,3-1\,,\,4-3 \right> =\left< 2\,,\,2\,,\,1\right> 으로 속력 22 로 날아가므로 속도는 v=2<2 , 2 , 1>∣<2 , 2 , 1>∣=23<2 , 2 , 1> \mathbf{v}=2\frac{\left< 2\,,\,2\,,\,1\right>}{|\left< 2\,,\,2\,,\,1\right>|} =\frac{2}{3} \left< 2\,,\,2\,,\,1\right> 이다. 이 순간 새가 느끼는 기온의 변화율은

∇T(2,1,3)⋅v=23<4 , 3 , 1>⋅<2 , 2 , 1>=10\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(2,1,3) \cdot\mathbf{v} =\frac{2}{3} \left< 4\,,\,3\,,\,1 \right> \cdot \left< 2\,,\,2\,,\,1\right> = 10 \end{aligned}

이다.

(b) 고도를 일정하게 유지하려면(정지해 있지 않은 상태에서) 새의 진행 방향은 어떤 상수 aa, bb (둘 다 0은 아님)에 대해 <a , b , 0>\left< a\,,\,b\,,\,0\right> 꼴이어야 한다. 기온을 일정하게 유지하려면 진행 방향이 ∇T(2,1,3)=<4 , 3 , 1>{ \boldsymbol{\nabla} } T(2,1,3)= \left< 4\,,\,3\,,\,1 \right> 에 수직이어야 한다. 따라서 aa, bb 는 다음을 만족해야 한다.

0=<a , b , 0>⋅<4 , 3 , 1>=4a+3b  ⟺  b=−43a\begin{aligned} 0 = \left< a\,,\,b\,,\,0\right> \cdot \left< 4\,,\,3\,,\,1 \right> = 4a+3b \iff b=-\frac{4}{3}a \end{aligned}

그러므로 진행 방향은 <3 ,−4 ,0>\left< 3\,,-4\,,0\right> 에 0이 아닌 상수를 곱한 꼴이어야 한다. 이러한 단위벡터는 ±15<3 ,−4 ,0>\pm \frac{1}{5}\left< 3\,,-4\,,0\right> 두 개이다.

원본 교재 풀이(영어)

The temperature gradient at (2,1,3)(2,1,3) is

∇T(2,1,3)=<2x , z , y>∣(x,y,z)=(2,1,3)=<4 , 3 , 1>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(2,1,3) = \left< 2x\,,\,z\,,\,y \right>\Big|_{(x,y,z)=(2,1,3)} = \left< 4\,,\,3\,,\,1 \right> \end{aligned}

(a) The bird is flying in the direction <4−2 , 3−1 , 4−3>=<2 , 2 , 1>\left< 4-2\,,\,3-1\,,\,4-3 \right> =\left< 2\,,\,2\,,\,1\right> at speed 22 and so has velocity v=2<2 , 2 , 1>∣<2 , 2 , 1>∣=23<2 , 2 , 1> \mathbf{v}=2\frac{\left< 2\,,\,2\,,\,1\right>}{|\left< 2\,,\,2\,,\,1\right>|} =\frac{2}{3} \left< 2\,,\,2\,,\,1\right> . The rate of change of air temperature experienced by the bird at that instant is

∇T(2,1,3)⋅v=23<4 , 3 , 1>⋅<2 , 2 , 1>=10\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(2,1,3) \cdot\mathbf{v} =\frac{2}{3} \left< 4\,,\,3\,,\,1 \right> \cdot \left< 2\,,\,2\,,\,1\right> = 10 \end{aligned}

(b) To maintain constant altitude (while not being stationary), the bird's direction of travel has to be of the form <a , b , 0>\left< a\,,\,b\,,\,0\right>, for some constants aa and bb, 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>{ \boldsymbol{\nabla} } T(2,1,3)= \left< 4\,,\,3\,,\,1 \right>. So aa and bb have to obey

0=<a , b , 0>⋅<4 , 3 , 1>=4a+3b  ⟺  b=−43a\begin{aligned} 0 = \left< a\,,\,b\,,\,0\right> \cdot \left< 4\,,\,3\,,\,1 \right> = 4a+3b \iff b=-\frac{4}{3}a \end{aligned}

and the direction of travel has to be a nonzero constant times <3 ,−4 ,0>\left< 3\,,-4\,,0\right>. The two such unit vectors are ±15<3 ,−4 ,0>\pm \frac{1}{5}\left< 3\,,-4\,,0\right>.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 12번
# 방향도함수와 기울기벡터활용보통자동 분류
10.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
11.CLP-3 · 2.7절 · 13번대학 수준우리말 번역

xyxy–평면 위의 한 점에서의 온도 T(x,y)T(x, y) 가 다음과 같이 주어져 있다.

T(x,y)=yex2T(x, y) = ye^{x^2}

벌레 한 마리가 곡선 y=x2y = x^2 을 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 0.010.01m/sec 의 속력으로 움직인다. 이 벌레는 T(x,y)T(x, y) 를 계속 측정한다. 벌레가 점 (1,1)(1, 1) 을 지날 때 TT 의 변화율은 얼마인지 구하여라.

영어 원문 보기

The temperature T(x,y)T(x, y) at a point of the xyxy–plane is given by

T(x,y)=yex2T(x, y) = ye^{x^2}

A bug travels from left to right along the curve y=x2y = x^2 at a speed of 0.010.01m/sec. The bug monitors T(x,y)T(x, y) continuously. What is the rate of change of TT as the bug passes through the point (1,1)(1, 1)?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

(1,1)(1,1) 에서 y=x2y=x^2 의 기울기는 ddxx2∣x=1=2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}x^2\Big|_{x=1}=2 이다. 따라서 벌레가 움직이는 방향의 단위벡터는 <1,2>5\frac{\left< 1,2\right>}{\sqrt{5}} 이고, 벌레의 속도 벡터는 v=0.01<1,2>5\mathbf{v}=0.01\frac{\left< 1,2\right>}{\sqrt{5}} 이다.

(1,1)(1,1) 에서 온도의 그래디언트(기울기 벡터)는

∇T(1,1)=<2xyex2 , ex2>∣(x.y)=(1,1)=<2e , e>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(1,1) = \left< 2xy e^{x^2}\,,\,e^{x^2}\right>\Big|_{(x.y)=(1,1)} =\left< 2e\,,\,e\right> \end{aligned}

이고, 벌레가 점 (1,1)(1, 1) 을 지날 때 느끼는 TT 의 (단위 시간당) 변화율은

∇T(1,1)⋅v=0.015<2e , e>⋅<1,2>=0.04e5\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(1,1)\cdot \mathbf{v} =\frac{0.01}{\sqrt{5}} \left< 2e\,,\,e\right>\cdot \left< 1,2\right> =\frac{0.04 e}{\sqrt{5}} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The slope of y=x2y=x^2 at (1,1)(1,1) is ddxx2∣x=1=2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}x^2\Big|_{x=1}=2. So a unit vector in the bug's direction of motion is <1,2>5\frac{\left< 1,2\right>}{\sqrt{5}} and the bug's velocity vector is v=0.01<1,2>5\mathbf{v}=0.01\frac{\left< 1,2\right>}{\sqrt{5}}.

The temperature gradient at (1,1)(1,1) is

∇T(1,1)=<2xyex2 , ex2>∣(x.y)=(1,1)=<2e , e>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(1,1) = \left< 2xy e^{x^2}\,,\,e^{x^2}\right>\Big|_{(x.y)=(1,1)} =\left< 2e\,,\,e\right> \end{aligned}

and the rate of change of TT (per unit time) that the bug feels as it passes through the point (1,1)(1, 1) is

∇T(1,1)⋅v=0.015<2e , e>⋅<1,2>=0.04e5\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(1,1)\cdot \mathbf{v} =\frac{0.01}{\sqrt{5}} \left< 2e\,,\,e\right>\cdot \left< 1,2\right> =\frac{0.04 e}{\sqrt{5}} \end{aligned}

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

함수 T=F(x,y,z)=3+xy−y2+z2−xT=F(x,y,z)=3+xy-y^2+z^2-x 가 공간의 점 (x,y,z)(x,y,z) 에서의 온도를 나타낸다고 하자. 이때 F(3,2,1)=3F(3,2,1)=3 이다.

(a) (3,2,1)(3, 2, 1) 에서 점 (0,1,2)(0,1,2) 방향으로의 TT 의 방향미분계수를 구하세요. (b) 점 (3,2,1)(3, 2, 1) 에서 온도가 가장 빠르게 감소하는 방향은 어느 방향인지 구하세요. (c) 곡선 x=3etx=3e^t, y=2cos⁡ty = 2 \cos t, z=1+tz= \sqrt{1 + t} 를 따라 움직일 때, t=0t = 0 에서 tt 에 대한 온도의 변화율 dTdt\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t} 를 구하세요. (d) ı^+5ȷ^+ak^\hat{\boldsymbol{\imath}}+5\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\hat{\mathbf{k}} 가 (3,2,1)(3, 2, 1) 에서 온도 등위면 T(x,y,z)=3T(x, y, z) = 3 에 접하는 벡터라고 하자. aa 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose the function T=F(x,y,z)=3+xy−y2+z2−xT=F(x,y,z)=3+xy-y^2+z^2-x describes the temperature at a point (x,y,z)(x,y,z) in space, with F(3,2,1)=3F(3,2,1)=3.

(a) Find the directional derivative of TT at (3,2,1)(3, 2, 1), in the direction of the point (0,1,2)(0,1,2). (b) At the point (3,2,1)(3, 2, 1), in what direction does the temperature decrease most rapidly? (c) Moving along the curve given by x=3etx=3e^t, y=2cos⁡ty = 2 \cos t, z=1+tz= \sqrt{1 + t}, find dTdt\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t}, the rate of change of temperature with respect to tt, at t=0t = 0. (d) Suppose ı^+5ȷ^+ak^\hat{\boldsymbol{\imath}}+5\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\hat{\mathbf{k}} is a vector that is tangent to the temperature level surface T(x,y,z)=3T(x, y, z) = 3 at (3,2,1)(3, 2, 1). What is aa?

정답·풀이 보기

(a) 이 방향으로의 방향미분계수를 구한다. 방향은 다음과 같다.

<0−3 , 1−2 , 2−1>=<−3 , −1 , 1>\left< 0-3\,,\,1-2\,,\,2-1\right> = \left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>

FF 의 기울기벡터는

∇F(x,y,z)=<y−1 , x−2y , 2z>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } F(x,y,z) = \left< y-1\,,\,x-2y\,,\,2z \right> \end{aligned}

이므로 방향미분계수는

D<−3 , −1 , 1>∣<−3 , −1 , 1>∣F(3,2,1)=∇F(3,2,1)⋅<−3 , −1 , 1>∣<−3 , −1 , 1>∣=<2−1 , 3−2(2) , 2(1)>⋅<−3 , −1 , 1>∣<−3 , −1 , 1>∣=<1 , −1 , 2>⋅<−3 , −1 , 1>11=0\begin{aligned} D_{\frac{\left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>}{|\left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>|}}F(3,2,1) &={ \boldsymbol{\nabla} } F(3,2,1)\cdot \frac{\left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>}{|\left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>|} \\ &= \left< 2-1\,,\,3-2(2)\,,\,2(1) \right> \cdot \frac{\left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>}{|\left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>|} =\left< 1\,,\,-1\,,\,2\right> \cdot \frac{\left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>}{\sqrt{11}}\\ &=0 \end{aligned}

(b) 온도는 기울기벡터와 반대 방향으로 가장 빠르게 감소한다. 그 방향의 단위벡터는

−∇F(3,2,1)∣∇F(3,2,1)∣=−<1 , −1 , 2>∣<1 , −1 , 2>∣=16<−1 , 1 , −2>\begin{aligned} -\frac{{ \boldsymbol{\nabla} } F(3,2,1)}{|{ \boldsymbol{\nabla} } F(3,2,1)|} = -\frac{\left< 1\,,\,-1\,,\,2 \right>}{|\left< 1\,,\,-1\,,\,2 \right>|} = \frac{1}{\sqrt{6}}\left< -1\,,\,1\,,\,-2 \right> \end{aligned}

이다.

(c) 시각 00 에서의 속도 벡터는

v=<x′(0) , y′(0) , z′(0)>=<3et , −2sin⁡t , 121+t>∣t=0=<3 , 0 , 12>\begin{aligned} \mathbf{v}=\left< x'(0)\,,\,y'(0)\,,\,z'(0)\right> =\left< 3e^t\,,\,-2\sin t\,,\,\frac{1}{2\sqrt{1+t}}\right>\Big|_{t=0} =\left< 3\,,\,0\,,\,\frac{1}{2}\right> \end{aligned}

이다. 따라서 t=0t=0 에서 tt 에 대한 온도의 변화율은

∇F(3,2,1)⋅v=<1 , −1 , 2>⋅<3 , 0 , 12>=4\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } F(3,2,1)\cdot \mathbf{v} =\left< 1\,,\,-1\,,\,2 \right>\cdot \left< 3\,,\,0\,,\,\frac{1}{2}\right> =4 \end{aligned}

이다.

(d) ı^+5ȷ^+ak^\hat{\boldsymbol{\imath}}+5\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\hat{\mathbf{k}} 가 (3,2,1)(3, 2, 1) 에서 등위면 F(x,y,z)=3F(x, y, z) = 3 에 접하려면 ı^+5ȷ^+ak^\hat{\boldsymbol{\imath}}+5\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\hat{\mathbf{k}} 가 ∇F(3,2,1){ \boldsymbol{\nabla} } F(3,2,1) 에 수직이어야 한다. 따라서

0=<1 , 5 , a>⋅<1 , −1 , 2>=−4+2a\begin{aligned} 0=\left< 1\,,\,5\,,\,a \right> \cdot \left< 1\,,\,-1\,,\,2 \right> = -4+2a \end{aligned}

이므로 a=2a=2 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We are to find the directional derivative in the direction

<0−3 , 1−2 , 2−1>=<−3 , −1 , 1>\left< 0-3\,,\,1-2\,,\,2-1\right> = \left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>

As the gradient of FF is

∇F(x,y,z)=<y−1 , x−2y , 2z>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } F(x,y,z) = \left< y-1\,,\,x-2y\,,\,2z \right> \end{aligned}

the directional derivative is

D<−3 , −1 , 1>∣<−3 , −1 , 1>∣F(3,2,1)=∇F(3,2,1)⋅<−3 , −1 , 1>∣<−3 , −1 , 1>∣=<2−1 , 3−2(2) , 2(1)>⋅<−3 , −1 , 1>∣<−3 , −1 , 1>∣=<1 , −1 , 2>⋅<−3 , −1 , 1>11=0\begin{aligned} D_{\frac{\left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>}{|\left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>|}}F(3,2,1) &={ \boldsymbol{\nabla} } F(3,2,1)\cdot \frac{\left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>}{|\left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>|} \\ &= \left< 2-1\,,\,3-2(2)\,,\,2(1) \right> \cdot \frac{\left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>}{|\left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>|} =\left< 1\,,\,-1\,,\,2\right> \cdot \frac{\left< -3\,,\,-1\,,\,1\right>}{\sqrt{11}}\\ &=0 \end{aligned}

(b) The temperature decreases most rapidly in the direction opposite the gradient. A unit vector in that direction is

−∇F(3,2,1)∣∇F(3,2,1)∣=−<1 , −1 , 2>∣<1 , −1 , 2>∣=16<−1 , 1 , −2>\begin{aligned} -\frac{{ \boldsymbol{\nabla} } F(3,2,1)}{|{ \boldsymbol{\nabla} } F(3,2,1)|} = -\frac{\left< 1\,,\,-1\,,\,2 \right>}{|\left< 1\,,\,-1\,,\,2 \right>|} = \frac{1}{\sqrt{6}}\left< -1\,,\,1\,,\,-2 \right> \end{aligned}

(c) The velocity vector at time 00 is

v=<x′(0) , y′(0) , z′(0)>=<3et , −2sin⁡t , 121+t>∣t=0=<3 , 0 , 12>\begin{aligned} \mathbf{v}=\left< x'(0)\,,\,y'(0)\,,\,z'(0)\right> =\left< 3e^t\,,\,-2\sin t\,,\,\frac{1}{2\sqrt{1+t}}\right>\Big|_{t=0} =\left< 3\,,\,0\,,\,\frac{1}{2}\right> \end{aligned}

So the rate of change of temperature with respect to tt at t=0t=0 is

∇F(3,2,1)⋅v=<1 , −1 , 2>⋅<3 , 0 , 12>=4\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } F(3,2,1)\cdot \mathbf{v} =\left< 1\,,\,-1\,,\,2 \right>\cdot \left< 3\,,\,0\,,\,\frac{1}{2}\right> =4 \end{aligned}

(d) For ı^+5ȷ^+ak^\hat{\boldsymbol{\imath}}+5\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\hat{\mathbf{k}} to be tangent to the level surface F(x,y,z)=3F(x, y, z) = 3 at (3,2,1)(3, 2, 1), ı^+5ȷ^+ak^\hat{\boldsymbol{\imath}}+5\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\hat{\mathbf{k}} must be perpendicular to ∇F(3,2,1){ \boldsymbol{\nabla} } F(3,2,1). So

0=<1 , 5 , a>⋅<1 , −1 , 2>=−4+2a\begin{aligned} 0=\left< 1\,,\,5\,,\,a \right> \cdot \left< 1\,,\,-1\,,\,2 \right> = -4+2a \end{aligned}

So a=2a=2.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 2번
# 방향도함수와 기울기벡터활용보통자동 분류
13.CLP-3 · 2.7절 · 15번대학 수준우리말 번역

f(x,y,z)=(2x+y)e−(x2+y2+z2)g(x,y,z)=xz+y2+yz+z2\begin{aligned} f(x, y, z) &= (2x + y)e^{-(x^2 +y^2 +z^2)} \\ g(x, y, z) &= xz + y^2 + yz + z^2 \end{aligned}

라 하자.

(a) (0,1,−1)(0,1,-1) 에서 ff 와 gg 의 그래디언트를 구하세요. (b) (0,1,−1)(0,1,-1) 에 있는 새가 f(x,y,z)f(x, y, z) 가 가장 빠르게 증가하는 방향으로 속력 66 으로 날아간다. 새가 (0,1,−1)(0,1,-1) 을 지날 때, 새가 보기에 g(x,y,z)g(x, y, z) 는 얼마나 빠르게 변하는 것으로 보이는지 구하세요. (c) (0,1,−1)(0,1,-1) 에 있는 박쥐가 f(x,y,z)f (x, y, z) 와 g(x,y,z)g(x, y, z) 가 변하지 않는 방향으로, 그러나 zz 가 증가하도록 날아간다. 이 방향의 벡터를 하나 구하세요.

영어 원문 보기

Let

f(x,y,z)=(2x+y)e−(x2+y2+z2)g(x,y,z)=xz+y2+yz+z2\begin{aligned} f(x, y, z) &= (2x + y)e^{-(x^2 +y^2 +z^2)} \\ g(x, y, z) &= xz + y^2 + yz + z^2 \end{aligned}

(a) Find the gradients of ff and gg at (0,1,−1)(0,1,-1). (b) A bird at (0,1,−1)(0,1,-1) flies at speed 66 in the direction in which f(x,y,z)f(x, y, z) increases most rapidly. As it passes through (0,1,−1)(0,1,-1), how quickly does g(x,y,z)g(x, y, z) appear (to the bird) to be changing? (c) A bat at (0,1,−1)(0,1,-1) flies in the direction in which f(x,y,z)f (x, y, z) and g(x,y,z)g(x, y, z) do not change, but zz increases. Find a vector in this direction.

정답·풀이 보기

(a) ff 와 gg 의 1계 편도함수는 다음과 같다.

∂f∂x(x,y,z)=2e−(x2+y2+z2)−2x(2x+y)e−(x2+y2+z2)  ⟹  ∂f∂x(0,1,−1)=2e−2∂f∂y(x,y,z)=e−(x2+y2+z2)−2y(2x+y)e−(x2+y2+z2)  ⟹  ∂f∂y(0,1,−1)=−e−2∂f∂z(x,y,z)=−2z(2x+y)e−(x2+y2+z2)  ⟹  ∂f∂z(0,1,−1)=2e−2∂g∂x(x,y,z)=z  ⟹  ∂g∂x(0,1,−1)=−1∂g∂y(x,y,z)=2y+z  ⟹  ∂g∂y(0,1,−1)=1∂g∂z(x,y,z)=x+y+2z  ⟹  ∂g∂z(0,1,−1)=−1\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(x,y,z)&= 2e^{-(x^2 +y^2 +z^2)} -2x(2x + y)e^{-(x^2 +y^2 +z^2)} &\quad\implies \frac{\partial f}{\partial x}(0,1,-1)&=2e^{-2} \\ \frac{\partial f}{\partial y}(x,y,z)&= e^{-(x^2 +y^2 +z^2)} -2y(2x + y)e^{-(x^2 +y^2 +z^2)} &\quad\implies \frac{\partial f}{\partial y}(0,1,-1)&=-e^{-2} \\ \frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z)&= -2z(2x + y)e^{-(x^2 +y^2 +z^2)} &\quad\implies \frac{\partial f}{\partial z}(0,1,-1)&=2e^{-2} \\ \frac{\partial g}{\partial x}(x,y,z)&= z &\quad\implies \frac{\partial g}{\partial x}(0,1,-1)&=-1 \\ \frac{\partial g}{\partial y}(x,y,z)&= 2y+z &\quad\implies \frac{\partial g}{\partial y}(0,1,-1)&= 1 \\ \frac{\partial g}{\partial z}(x,y,z)&= x+y+2z &\quad\implies \frac{\partial g}{\partial z}(0,1,-1)&=-1 \end{aligned}

따라서 그래디언트는 다음과 같다.

∇f(0,1,−1)=e−2<2,−1,2>∇g(0,1,−1)=<−1,1,−1>{ \boldsymbol{\nabla} } f(0,1,-1) =e^{-2}\left< 2,-1,2\right>\qquad { \boldsymbol{\nabla} } g(0,1,-1) =\left< -1,1,-1\right>

(b) 새의 속도는 ∇f(0,1,−1){ \boldsymbol{\nabla} } f(0,1,-1) 방향의 길이가 66 인 벡터이므로

v=6<2,−1,2>∣<2,−1,2>∣=<4,−2,4>\mathbf{v}= 6\frac{\left< 2,-1,2\right>}{|\left< 2,-1,2\right>|} =\left< 4,-2,4\right>

이다. 새가 보는 gg 의 (단위 시간당) 변화율은

∇g(0,1,−1)⋅v=<−1,1,−1>⋅<4,−2,4>=−10\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } g(0,1,-1) \cdot \mathbf{v} =\left< -1,1,-1\right> \cdot \left< 4,-2,4\right> = -10 \end{aligned}

이다.

(c) 박쥐가 날아가는 방향은 ∇f(0,1,−1)=e−2<2,−1,2>{ \boldsymbol{\nabla} } f(0,1,-1) =e^{-2}\left< 2,-1,2\right> 과 ∇g(0,1,−1)=<−1,1,−1>{ \boldsymbol{\nabla} } g(0,1,-1) =\left< -1,1,-1\right> 모두에 수직이어야 한다. 0 이 아닌 상수에

<2,−1,2>×<−1,1,−1>=det⁡[ı^ȷ^k^2−12−11−1]=<−1 , 0 , 1>\begin{aligned} \left< 2,-1,2\right> \times \left< -1,1,-1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 2 & -1 & 2 \\ -1 & 1 & -1 \end{matrix}\right] =\left< -1 \,,\, 0 \,,\, 1 \right> \end{aligned}

을 곱한 벡터는 ∇f(0,1,−1){ \boldsymbol{\nabla} } f(0,1,-1) 과 ∇g(0,1,−1){ \boldsymbol{\nabla} } g(0,1,-1) 모두에 수직이다. 또한 박쥐가 날아가는 방향은 zz 성분이 양수이어야 한다. 따라서 (엄밀하게) 양의 상수에 <−1 , 0 , 1>\left< -1 \,,\, 0 \,,\, 1 \right> 을 곱한 벡터이면 어떤 것이든 좋다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The first order partial derivatives of ff and gg are

∂f∂x(x,y,z)=2e−(x2+y2+z2)−2x(2x+y)e−(x2+y2+z2)  ⟹  ∂f∂x(0,1,−1)=2e−2∂f∂y(x,y,z)=e−(x2+y2+z2)−2y(2x+y)e−(x2+y2+z2)  ⟹  ∂f∂y(0,1,−1)=−e−2∂f∂z(x,y,z)=−2z(2x+y)e−(x2+y2+z2)  ⟹  ∂f∂z(0,1,−1)=2e−2∂g∂x(x,y,z)=z  ⟹  ∂g∂x(0,1,−1)=−1∂g∂y(x,y,z)=2y+z  ⟹  ∂g∂y(0,1,−1)=1∂g∂z(x,y,z)=x+y+2z  ⟹  ∂g∂z(0,1,−1)=−1\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(x,y,z)&= 2e^{-(x^2 +y^2 +z^2)} -2x(2x + y)e^{-(x^2 +y^2 +z^2)} &\quad\implies \frac{\partial f}{\partial x}(0,1,-1)&=2e^{-2} \\ \frac{\partial f}{\partial y}(x,y,z)&= e^{-(x^2 +y^2 +z^2)} -2y(2x + y)e^{-(x^2 +y^2 +z^2)} &\quad\implies \frac{\partial f}{\partial y}(0,1,-1)&=-e^{-2} \\ \frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z)&= -2z(2x + y)e^{-(x^2 +y^2 +z^2)} &\quad\implies \frac{\partial f}{\partial z}(0,1,-1)&=2e^{-2} \\ \frac{\partial g}{\partial x}(x,y,z)&= z &\quad\implies \frac{\partial g}{\partial x}(0,1,-1)&=-1 \\ \frac{\partial g}{\partial y}(x,y,z)&= 2y+z &\quad\implies \frac{\partial g}{\partial y}(0,1,-1)&= 1 \\ \frac{\partial g}{\partial z}(x,y,z)&= x+y+2z &\quad\implies \frac{\partial g}{\partial z}(0,1,-1)&=-1 \end{aligned}

so that gradients are

∇f(0,1,−1)=e−2<2,−1,2>∇g(0,1,−1)=<−1,1,−1>{ \boldsymbol{\nabla} } f(0,1,-1) =e^{-2}\left< 2,-1,2\right>\qquad { \boldsymbol{\nabla} } g(0,1,-1) =\left< -1,1,-1\right>

(b) The bird's velocity is the vector of length 66 in the direction of ∇f(0,1,−1){ \boldsymbol{\nabla} } f(0,1,-1), which is

v=6<2,−1,2>∣<2,−1,2>∣=<4,−2,4>\mathbf{v}= 6\frac{\left< 2,-1,2\right>}{|\left< 2,-1,2\right>|} =\left< 4,-2,4\right>

The rate of change of gg (per unit time) seen by the bird is

∇g(0,1,−1)⋅v=<−1,1,−1>⋅<4,−2,4>=−10\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } g(0,1,-1) \cdot \mathbf{v} =\left< -1,1,-1\right> \cdot \left< 4,-2,4\right> = -10 \end{aligned}

(c) The direction of flight for the bat has to be perpendicular to both ∇f(0,1,−1)=e−2<2,−1,2>{ \boldsymbol{\nabla} } f(0,1,-1) =e^{-2}\left< 2,-1,2\right> and ∇g(0,1,−1)=<−1,1,−1>{ \boldsymbol{\nabla} } g(0,1,-1) =\left< -1,1,-1\right>. Any vector which is a non zero constant times

<2,−1,2>×<−1,1,−1>=det⁡[ı^ȷ^k^2−12−11−1]=<−1 , 0 , 1>\begin{aligned} \left< 2,-1,2\right> \times \left< -1,1,-1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 2 & -1 & 2 \\ -1 & 1 & -1 \end{matrix}\right] =\left< -1 \,,\, 0 \,,\, 1 \right> \end{aligned}

is perpendicular to both ∇f(0,1,−1){ \boldsymbol{\nabla} } f(0,1,-1) and ∇g(0,1,−1){ \boldsymbol{\nabla} } g(0,1,-1). In addition, the direction of flight for the bat must have a positive zz–component. So any vector which is a (strictly) positive constant times <−1 , 0 , 1>\left< -1 \,,\, 0 \,,\, 1 \right> is fine.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 1번
# 방향도함수와 기울기벡터활용보통자동 분류
14.CLP-3 · 2.7절 · 16번대학 수준우리말 번역

벌 한 마리가 곡면 3z+x2+y2=23z + x^2 + y^2 = 2 와 z=x2−y2z = x^2 - y^2 의 교선을 따라 zz 가 증가하는 방향으로 날고 있다. 시각 t=2t = 2 에서 벌은 점 (1,1,0)(1, 1, 0) 을 속력 66 으로 지난다.

(a) 시각 t=2t = 2 에서 벌의 속도(벡터)를 구하세요. (b) 위치 (x,y,z)(x, y, z), 시각 tt 에서의 온도 TT 가 T=xy−3x+2yt+zT = xy - 3x+2yt+z 로 주어진다. 시각 t=2t = 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=23z + x^2 + y^2 = 2 and z=x2−y2z = x^2 - y^2 in the direction for which zz is increasing. At time t=2t = 2, the bee passes through the point (1,1,0)(1, 1, 0) at speed 66.

(a) Find the velocity (vector) of the bee at time t=2t = 2. (b) The temperature TT at position (x,y,z)(x, y, z) at time tt is given by T=xy−3x+2yt+zT = xy - 3x+2yt+z. Find the rate of change of temperature experienced by the bee at time t=2t = 2.

정답·풀이 보기

(a) v\mathbf{v} 로 시각 t=2t=2 에서 벌의 속도 벡터를 나타내자.

  • 벌의 운동 방향은 곡선의 접선 방향이다. 이 접선은 (1,1,0)(1,1,0) 에서 3z+x2+y2=23z + x^2 + y^2 = 2 의 법선벡터

<2x , 2y , 3>∣(x,y,z)=(1,1,0)=<2 , 2 , 3>\left< 2x\,,\,2y\,,\,3\right>\Big|_{(x,y,z)=(1,1,0)} = \left< 2\,,\,2\,,\,3\right>

와 (1,1,0)(1,1,0) 에서 z=x2−y2z = x^2 - y^2 의 법선벡터

<2x , −2y , −1>∣(x,y,z)=(1,1,0)=<2 , −2 , −1>\left< 2x\,,\,-2y\,,\,-1\right>\Big|_{(x,y,z)=(1,1,0)} = \left< 2\,,\,-2\,,\,-1\right>

모두에 수직이다.

따라서 v\mathbf{v} 는 다음 벡터의 어떤 상수배이다.

<2 , 2 , 3>×<2 , −2 , −1>=det⁡[ı^ȷ^k^2232−2−1]=<4 , 8 , −8>\begin{aligned} \left< 2\,,\,2\,,\,3\right> \times \left< 2\,,\,-2\,,\,-1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 2 & 2 & 3 \\ 2 & -2 & -1 \end{matrix}\right] =\left< 4 \,,\, 8 \,,\, -8 \right> \end{aligned}

즉, <1 , 2 , −2>\left< 1 \,,\, 2 \,,\, -2 \right> 의 어떤 상수배이다.

  • v\mathbf{v} 의 zz 성분이 양수여야 하므로, v\mathbf{v} 는 <−1 , −2 , 2>\left< -1 \,,\, -2 \,,\, 2 \right> 의 양의 상수배이다.
  • 속력이 66 이어야 하므로 v\mathbf{v} 의 길이는 66 이어야 한다.

∣<−1 , −2 , 2>∣=3|\left< -1 \,,\, -2 \,,\, 2 \right>|=3 이므로

v=2<−1 , −2 , 2>=<−2 , −4 , 4>\mathbf{v} = 2\left< -1 \,,\, -2 \,,\, 2 \right> =\left< -2 \,,\, -4 \,,\, 4 \right>

(b) 풀이 1: 시각 tt 에서 벌의 위치가 (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) 라 하자. 그러면 시각 tt 에서 벌이 느끼는 온도는

T(x(t),y(t),z(t),t)=x(t)y(t)−3x(t)+2y(t)t+z(t)\begin{aligned} T\big(x(t),y(t),z(t),t\big) = x(t) y(t) -3x(t) +2y(t) t +z(t) \end{aligned}

이다. 따라서 시각 t=2t=2 에서 벌이 느끼는 (단위 시간당) 온도의 변화율은

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=x′(2)y(2)+x(2)y′(2)−3x′(2)+2y′(2)2+2y(2)+z′(2)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=x'(2)y(2) + x(2)y'(2) -3x'(2) +2y'(2)2+2y(2) +z'(2) \\ \end{aligned}

이다. 시각 t=2t=2 에서 벌이 (1,1,0)(1,1,0) 에 있고 속도가 <−2 , −4 , 4>\left< -2 \,,\, -4 \,,\, 4 \right> 임을 이용하면

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=(−2)(1)+(1)(−4)−3(−2)+2(−4)2+2(1)+4=−10\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=(-2)(1) + (1)(-4) -3(-2) +2(-4)2+2(1) +4 \\ &=-10 \end{aligned}

(b) 풀이 2: 시각 tt 에서 벌의 위치가 (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) 라 하자. 그러면 시각 tt 에서 벌이 느끼는 온도는

T(x(t),y(t),z(t),t)\begin{aligned} T\big(x(t),y(t),z(t),t\big) \end{aligned}

이다. 연쇄 법칙에 의해, 시각 t=2t=2 에서 벌이 느끼는 (단위 시간당) 온도의 변화율은

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=[∂T∂x(x(t),y(t),z(t),t) x′(t)+∂T∂y(x(t),y(t),z(t),t) y′(t)+∂T∂z(x(t),y(t),z(t),t) z′(t)+∂T∂t(x(t),y(t),z(t),t)]t=2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=\bigg[\frac{\partial T}{\partial x}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\,x'(t) +\frac{\partial T}{\partial y}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\,y'(t) \\& +\frac{\partial T}{\partial z}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\,z'(t) +\frac{\partial T}{\partial t}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\bigg]_{t=2} \end{aligned}

이다. T=xy−3x+2yt+zT = xy - 3x+2yt+z 이므로

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=[y(2)−3]x′(2)+[x(2)+2×2]y′(2)+z′(2)+2y(2)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=[y(2)-3]x'(2) + [x(2)+2\times 2]y'(2) +z'(2) +2y(2) \end{aligned}

이다. 마찬가지로 시각 t=2t=2 에서 벌이 (1,1,0)(1,1,0) 에 있고 속도가 <−2 , −4 , 4>\left< -2 \,,\, -4 \,,\, 4 \right> 임을 이용하면

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=[−2](−2)+[5](−4)+4+2=−10\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=[-2](-2) + [5](-4) +4 +2 \\ &=-10 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Let's use v\mathbf{v} to denote the bee's velocity vector at time t=2t=2.

  • The bee's direction of motion is tangent to the curve. That tangent is perpendicular to both the normal vector to 3z+x2+y2=23z + x^2 + y^2 = 2 at (1,1,0)(1,1,0), which is

<2x , 2y , 3>∣(x,y,z)=(1,1,0)=<2 , 2 , 3>\left< 2x\,,\,2y\,,\,3\right>\Big|_{(x,y,z)=(1,1,0)} = \left< 2\,,\,2\,,\,3\right>

and the normal vector to z=x2−y2z = x^2 - y^2 at (1,1,0)(1,1,0), which is

<2x , −2y , −1>∣(x,y,z)=(1,1,0)=<2 , −2 , −1>\left< 2x\,,\,-2y\,,\,-1\right>\Big|_{(x,y,z)=(1,1,0)} = \left< 2\,,\,-2\,,\,-1\right>

So v\mathbf{v} has to be some constant times

<2 , 2 , 3>×<2 , −2 , −1>=det⁡[ı^ȷ^k^2232−2−1]=<4 , 8 , −8>\begin{aligned} \left< 2\,,\,2\,,\,3\right> \times \left< 2\,,\,-2\,,\,-1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 2 & 2 & 3 \\ 2 & -2 & -1 \end{matrix}\right] =\left< 4 \,,\, 8 \,,\, -8 \right> \end{aligned}

or, equivalently, some constant times <1 , 2 , −2>\left< 1 \,,\, 2 \,,\, -2 \right>.

  • Since the zz–component of v\mathbf{v} has to be positive, v\mathbf{v} has to be a positive constant times <−1 , −2 , 2>\left< -1 \,,\, -2 \,,\, 2 \right>.
  • Since the speed has to be 66, v\mathbf{v} has to have length 66.

As ∣<−1 , −2 , 2>∣=3|\left< -1 \,,\, -2 \,,\, 2 \right>|=3

v=2<−1 , −2 , 2>=<−2 , −4 , 4>\mathbf{v} = 2\left< -1 \,,\, -2 \,,\, 2 \right> =\left< -2 \,,\, -4 \,,\, 4 \right>

(b) Solution 1: Suppose that the bee is at (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) at time tt. Then the temperature that the bee feels at time tt is

T(x(t),y(t),z(t),t)=x(t)y(t)−3x(t)+2y(t)t+z(t)\begin{aligned} T\big(x(t),y(t),z(t),t\big) = x(t) y(t) -3x(t) +2y(t) t +z(t) \end{aligned}

Then the rate of change of temperature (per unit time) felt by the bee at time t=2t=2 is

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=x′(2)y(2)+x(2)y′(2)−3x′(2)+2y′(2)2+2y(2)+z′(2)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=x'(2)y(2) + x(2)y'(2) -3x'(2) +2y'(2)2+2y(2) +z'(2) \\ \end{aligned}

Recalling that, at time t=2t=2, the bee is at (1,1,0)(1,1,0) and has velocity <−2 , −4 , 4>\left< -2 \,,\, -4 \,,\, 4 \right>

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=(−2)(1)+(1)(−4)−3(−2)+2(−4)2+2(1)+4=−10\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=(-2)(1) + (1)(-4) -3(-2) +2(-4)2+2(1) +4 \\ &=-10 \end{aligned}

(b) Solution 2: Suppose that the bee is at (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) at time tt. Then the temperature that the bee feels at time tt is

T(x(t),y(t),z(t),t)\begin{aligned} T\big(x(t),y(t),z(t),t\big) \end{aligned}

By the chain rule, the rate of change of temperature (per unit time) felt by the bee at time t=2t=2 is

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=[∂T∂x(x(t),y(t),z(t),t) x′(t)+∂T∂y(x(t),y(t),z(t),t) y′(t)+∂T∂z(x(t),y(t),z(t),t) z′(t)+∂T∂t(x(t),y(t),z(t),t)]t=2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=\bigg[\frac{\partial T}{\partial x}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\,x'(t) +\frac{\partial T}{\partial y}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\,y'(t) \\& +\frac{\partial T}{\partial z}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\,z'(t) +\frac{\partial T}{\partial t}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\bigg]_{t=2} \end{aligned}

Recalling that T=xy−3x+2yt+zT = xy - 3x+2yt+z, we have

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=[y(2)−3]x′(2)+[x(2)+2×2]y′(2)+z′(2)+2y(2)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=[y(2)-3]x'(2) + [x(2)+2\times 2]y'(2) +z'(2) +2y(2) \end{aligned}

Also recalling that, at time t=2t=2, the bee is at (1,1,0)(1,1,0) and has velocity <−2 , −4 , 4>\left< -2 \,,\, -4 \,,\, 4 \right>

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=[−2](−2)+[5](−4)+4+2=−10\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=[-2](-2) + [5](-4) +4 +2 \\ &=-10 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 17번
# 방향도함수와 기울기벡터활용보통자동 분류
15.CLP-3 · 2.7절 · 17번대학 수준우리말 번역

점 (x,y,z)(x, y, z) 에서의 온도가 다음과 같이 주어져 있다. T(x,y,z)=5e−2x2−y2−3z2T(x, y, z) = 5e^{-2x^2-y^2-3z^2}, 여기서 TT 는 섭씨 온도로, xx, yy, zz 는 미터 단위로 측정한다.

(a) 점 P(1,2,−1)P(1, 2, -1) 에서 점 (1,1,0)(1, 1, 0) 을 향하는 방향으로의 온도의 변화율을 구하세요. (b) 온도가 가장 빠르게 감소하는 방향은 어느 방향인지 구하세요. (c) PP 에서 온도의 최대 감소율을 구하세요.

영어 원문 보기

The temperature at a point (x,y,z)(x, y, z) is given by T(x,y,z)=5e−2x2−y2−3z2T(x, y, z) = 5e^{-2x^2-y^2-3z^2}, where TT is measured in centigrade and xx, yy, zz in meters.

(a) Find the rate of change of temperature at the point P(1,2,−1)P(1, 2, -1) in the direction toward the point (1,1,0)(1, 1, 0). (b) In which direction does the temperature decrease most rapidly? (c) Find the maximum rate of decrease at PP.

정답·풀이 보기

(a) (1,2,−1)(1, 2, -1) 에서 방향 <1,1,0>−<1,2,−1>=<0,−1,1>\left< 1, 1, 0\right> - \left< 1, 2, -1\right> = \left< 0,-1,1 \right> 으로의 T(x,y,z)T(x,y,z) 의 변화율을 구하는 것이다. 이 변화율(단위 거리당)은 방향미분계수

D<0,−1,1>2T(1,2,−1)=∇T(1,2,−1)⋅<0,−1,1>2\begin{aligned} D_{\frac{\left< 0,-1,1 \right>}{\sqrt{2}}} T(1,2,-1) ={ \boldsymbol{\nabla} } T(1,2,-1)\cdot \frac{\left< 0,-1,1 \right>}{\sqrt{2}} \end{aligned}

이다.

∂T∂x(x,y,z)=−20x e−2x2−y2−3z2∂T∂x(1,2,−1)=−20 e−9∂T∂y(x,y,z)=−10y e−2x2−y2−3z2∂T∂y(1,2,−1)=−20 e−9∂T∂z(x,y,z)=−30z e−2x2−y2−3z2∂T∂z(1,2,−1)=30 e−9\begin{aligned} \frac{\partial T}{\partial x}(x,y,z)&= -20 x\,e^{-2x^2-y^2-3z^2} & \frac{\partial T}{\partial x}(1,2,-1)&= -20\, e^{-9} \\ \frac{\partial T}{\partial y}(x,y,z)&= -10 y\,e^{-2x^2-y^2-3z^2} & \frac{\partial T}{\partial y}(1,2,-1)&= -20\, e^{-9} \\ \frac{\partial T}{\partial z}(x,y,z)&= -30 z\,e^{-2x^2-y^2-3z^2} & \frac{\partial T}{\partial z}(1,2,-1)&= 30\, e^{-9} \end{aligned}

이므로 방향미분계수는

D<0,−1,1>2T(1,2,−1)=e−9<−20,−20,30>⋅<0,−1,1>2=502e−9=25 2 e−9\begin{aligned} D_{\frac{\left< 0,-1,1 \right>}{\sqrt{2}}} T(1,2,-1) =e^{-9}\left< -20,-20,30\right>\cdot \frac{\left< 0,-1,1 \right>}{\sqrt{2}} =\frac{50}{\sqrt{2}}e^{-9} =25\,\sqrt{2}\,e^{-9} \end{aligned}

이다.

(b) 최대 감소율의 방향은 −∇T(1,2,−1)-{ \boldsymbol{\nabla} } T(1,2,-1) 이다. 이 방향의 단위벡터는 <2,2,−3>17\frac{\left< 2,2,-3\right>}{\sqrt{17}} 이다.

(c) PP 에서의 최대 감소율은 −∣∇T(1,2,−1)∣=−10e−9∣<−2,−2,3>∣=−1017e−9-|{ \boldsymbol{\nabla} } T(1,2,-1)|=-10 e^{-9} |\left< -2,-2,3\right>| = -10\sqrt{17} e^{-9} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We are to find the rate of change of T(x,y,z)T(x,y,z) at (1,2,−1)(1, 2, -1) in the direction <1,1,0>−<1,2,−1>=<0,−1,1>\left< 1, 1, 0\right> - \left< 1, 2, -1\right> = \left< 0,-1,1 \right>. That rate of change (per unit distance) is the directional derivative

D<0,−1,1>2T(1,2,−1)=∇T(1,2,−1)⋅<0,−1,1>2\begin{aligned} D_{\frac{\left< 0,-1,1 \right>}{\sqrt{2}}} T(1,2,-1) ={ \boldsymbol{\nabla} } T(1,2,-1)\cdot \frac{\left< 0,-1,1 \right>}{\sqrt{2}} \end{aligned}

As

∂T∂x(x,y,z)=−20x e−2x2−y2−3z2∂T∂x(1,2,−1)=−20 e−9∂T∂y(x,y,z)=−10y e−2x2−y2−3z2∂T∂y(1,2,−1)=−20 e−9∂T∂z(x,y,z)=−30z e−2x2−y2−3z2∂T∂z(1,2,−1)=30 e−9\begin{aligned} \frac{\partial T}{\partial x}(x,y,z)&= -20 x\,e^{-2x^2-y^2-3z^2} & \frac{\partial T}{\partial x}(1,2,-1)&= -20\, e^{-9} \\ \frac{\partial T}{\partial y}(x,y,z)&= -10 y\,e^{-2x^2-y^2-3z^2} & \frac{\partial T}{\partial y}(1,2,-1)&= -20\, e^{-9} \\ \frac{\partial T}{\partial z}(x,y,z)&= -30 z\,e^{-2x^2-y^2-3z^2} & \frac{\partial T}{\partial z}(1,2,-1)&= 30\, e^{-9} \end{aligned}

the directional derivative

D<0,−1,1>2T(1,2,−1)=e−9<−20,−20,30>⋅<0,−1,1>2=502e−9=25 2 e−9\begin{aligned} D_{\frac{\left< 0,-1,1 \right>}{\sqrt{2}}} T(1,2,-1) =e^{-9}\left< -20,-20,30\right>\cdot \frac{\left< 0,-1,1 \right>}{\sqrt{2}} =\frac{50}{\sqrt{2}}e^{-9} =25\,\sqrt{2}\,e^{-9} \end{aligned}

(b) The direction of maximum rate of decrease is −∇T(1,2,−1)-{ \boldsymbol{\nabla} } T(1,2,-1). A unit vector in that direction is <2,2,−3>17\frac{\left< 2,2,-3\right>}{\sqrt{17}}.

(c) The maximum rate of decrease at PP is −∣∇T(1,2,−1)∣=−10e−9∣<−2,−2,3>∣=−1017e−9-|{ \boldsymbol{\nabla} } T(1,2,-1)|=-10 e^{-9} |\left< -2,-2,3\right>| = -10\sqrt{17} e^{-9}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 7번
# 방향도함수와 기울기벡터활용보통자동 분류
16.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
17.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
18.CLP-3 · 2.7절 · 20번대학 수준우리말 번역

언덕의 모양이 z=1000−0.02x2−0.01y2z = 1000 - 0.02x^2 - 0.01y^2 으로 주어져 있다. xx–축은 동쪽을, yy–축은 북쪽을 향하고, 모든 거리의 단위는 미터(m)라고 하자.

(a) 점 (0,100,900)(0, 100, 900) 에서 가장 가파르게 올라가는 방향은 어느 쪽인가요? (답은 나침반의 방위로 나타내세요.) (b) (a)의 방향으로 점 (0,100,900)(0, 100, 900) 에서 언덕의 기울기를 구하세요. (c) 이 언덕에서 가장 가파르게 내려가는 방향으로 자전거를 속력 55 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=1000−0.02x2−0.01y2z = 1000 - 0.02x^2 - 0.01y^2. Assume that the xx–axis is pointing East, and the yy–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)(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)(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 55 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)=1000−0.02 x2−0.01y2h(x,y) = 1000 -0.02\,x^2-0.01 y^2 으로 놓으면 언덕은 z=h(x,y)z=h(x,y) 이다.

(a) 점 (0,100,900)(0,100,900) 에서 가장 가파르게 올라가는 방향은 (0,100)(0,100) 에서 h(x,y)h(x,y) 의 증가율이 최대인 방향이다. 이는 ∇h(0,100)=<0 , −0.01(2)(100)>=<0 , −2>{ \boldsymbol{\nabla} } h(0,100) = \left< 0\,,\, -0.01(2)(100)\right> = \left< 0\,,\,-2\right> 이다. 나침반의 방위로는 남쪽이다.

(b) 그곳에서 언덕의 기울기는 다음과 같다.

∇h(0,100)⋅<0,−1>=−∂h∂y(0,100)=2\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } h(0,100)\cdot\left< 0,-1\right> =-\frac{\partial h}{\partial y}(0,100) = 2 \end{aligned}

(c) 시각 tt 에서 자신의 위치를 (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) 라 하고, 시각 t=0t=0 에 (0,100,900)(0,100,900) 에 있다고 하자. 그러면 다음을 알 수 있다.

  • 언덕 위에 있으므로 z(t)=1000−0.02 x(t)2−0.01y(t)2z(t) = 1000 -0.02\,x(t)^2-0.01 y(t)^2 이고, 따라서 z′(t)=−0.04 x(t)x′(t)−0.02y(t)y′(t)z'(t) = -0.04\,x(t)x'(t)-0.02 y(t)y'(t) 이다.
  • 가장 가파르게 내려가는 방향으로 가고 있으므로 x′(0)=0x'(0)=0 이고 y′(0)>0y'(0)>0 이다.
  • 속력 55 로 움직이므로 x′(0)2+y′(0)2+z′(0)2=25x'(0)^2+y'(0)^2+z'(0)^2=25 이다.

x(0)x(0) 와 y(0)=100y(0)=100 이므로 z′(0)=−0.02(100)y′(0)=−2y′(0)z'(0)= -0.02(100)y'(0) = -2y'(0) 이다. 따라서

25=x′(0)2+y′(0)2+z′(0)2=5 y′(0)2  ⟹  y′(0)=5  ⟹  <x′(0) , y′(0) , z′(0)>=<0 , 5 , −25>\begin{aligned} 25 = x'(0)^2+y'(0)^2+z'(0)^2 =5\ y'(0)^2 &\implies y'(0) = \sqrt{5} \\ &\implies \left< x'(0)\,,\,y'(0)\,,\,z'(0) \right> =\left< 0\,,\, \sqrt{5}\,,\, -2\sqrt{5}\right> \end{aligned}

이고, 고도의 변화율은 다음과 같다.

ddth(x(t) , y(t))∣t=0=∇h(0,100)⋅<x′(0) , y′(0)>=<0 , −2>⋅<0 , 5>=−25\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} h\big(x(t)\,,\,y(t)\big)\Big|_{t=0} &={ \boldsymbol{\nabla} } h(0,100)\cdot \left< x'(0)\,,\,y'(0) \right> =\left< 0\,,\,-2\right> \cdot \left< 0\,,\, \sqrt{5}\right> =-2\sqrt{5} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Write h(x,y)=1000−0.02 x2−0.01y2h(x,y) = 1000 -0.02\,x^2-0.01 y^2 so that the hill is z=h(x,y)z=h(x,y).

(a) The direction of steepest ascent at (0,100,900)(0,100,900) is the direction of maximum rate of increase of h(x,y)h(x,y) at (0,100)(0,100) which is ∇h(0,100)=<0 , −0.01(2)(100)>=<0 , −2>{ \boldsymbol{\nabla} } h(0,100) = \left< 0\,,\, -0.01(2)(100)\right> = \left< 0\,,\,-2\right>. In compass directions that is South.

(b) The slope of the hill there is

∇h(0,100)⋅<0,−1>=−∂h∂y(0,100)=2\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } h(0,100)\cdot\left< 0,-1\right> =-\frac{\partial h}{\partial y}(0,100) = 2 \end{aligned}

(c) Denote by (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) your position at time tt and suppose that you are at (0,100,900)(0,100,900) at time t=0t=0. Then we know

  • z(t)=1000−0.02 x(t)2−0.01y(t)2z(t) = 1000 -0.02\,x(t)^2-0.01 y(t)^2, so that z′(t)=−0.04 x(t)x′(t)−0.02y(t)y′(t)z'(t) = -0.04\,x(t)x'(t)-0.02 y(t)y'(t), since you are on the hill and
  • x′(0)=0x'(0)=0 and y′(0)>0y'(0)>0 since you are going in the direction of steepest descent and
  • x′(0)2+y′(0)2+z′(0)2=25x'(0)^2+y'(0)^2+z'(0)^2=25 since you are moving at speed 55.

Since x(0)x(0) and y(0)=100y(0)=100, we have z′(0)=−0.02(100)y′(0)=−2y′(0)z'(0)= -0.02(100)y'(0) = -2y'(0). So

25=x′(0)2+y′(0)2+z′(0)2=5 y′(0)2  ⟹  y′(0)=5  ⟹  <x′(0) , y′(0) , z′(0)>=<0 , 5 , −25>\begin{aligned} 25 = x'(0)^2+y'(0)^2+z'(0)^2 =5\ y'(0)^2 &\implies y'(0) = \sqrt{5} \\ &\implies \left< x'(0)\,,\,y'(0)\,,\,z'(0) \right> =\left< 0\,,\, \sqrt{5}\,,\, -2\sqrt{5}\right> \end{aligned}

and your rate of change of altitude is

ddth(x(t) , y(t))∣t=0=∇h(0,100)⋅<x′(0) , y′(0)>=<0 , −2>⋅<0 , 5>=−25\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} h\big(x(t)\,,\,y(t)\big)\Big|_{t=0} &={ \boldsymbol{\nabla} } h(0,100)\cdot \left< x'(0)\,,\,y'(0) \right> =\left< 0\,,\,-2\right> \cdot \left< 0\,,\, \sqrt{5}\right> =-2\sqrt{5} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.6절 · 28번
# 방향도함수와 기울기벡터계산보통자동 분류
19.CLP-3 · 2.7절 · 21번대학 수준우리말 번역

점 (x,y,z)(x, y, z) 에서의 압력 PP 와 온도 TT 가 다음과 같다고 하자.

P(x,y,z)=x2+2y21+z2,T(x,y,z)=5+xy−z2P(x,y,z) = \frac{x^2+2y^2}{1+z^2},\qquad T(x,y,z) = 5 + xy - z^2

(a) 시각 tt 에서 비행기의 위치가

(x(t),y(t),z(t))=(2t,t2−1,cos⁡t)(x(t), y(t), z(t)) = (2t, t^2 - 1, \cos t)

일 때, 비행기에서 관측한 시각 t=0t = 0 에서의 ddt(PT)2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} (PT)^2 의 값을 구하세요. (b) 점 (0,−1,1)(0,-1,1) 에 있는 새가 PP 와 TT 를 모두 일정하게 유지하려면 어느 방향으로 날아야 하는지 구하세요. (가능한 방향 벡터를 하나 쓰세요. 단위벡터일 필요는 없습니다.) (c) 개미가 곡면 z3+zx+y2=2z^3 + zx + y^2 = 2 위를 기어가고 있다. 개미가 점 (0,−1,1)(0,-1,1) 에 있을 때, 온도 T=5+xy−z2T = 5 + xy - z^2 이 가장 크게 증가하려면 어느 방향으로 가야 하는지 구하세요. 답은 벡터 <a,b,c>\left< a, b, c\right> 로 쓰세요. 단위벡터일 필요는 없습니다. (개미는 그래디언트 방향으로 기어갈 수 없다는 점에 주의하세요. 그 방향은 곡면에서 벗어나기 때문입니다. 방향 벡터 <a,b,c>\left< a, b, c\right> 는 곡면의 접평면 위에 있어야 합니다.)

영어 원문 보기

Let the pressure PP and temperature TT at a point (x,y,z)(x, y, z) be

P(x,y,z)=x2+2y21+z2,T(x,y,z)=5+xy−z2P(x,y,z) = \frac{x^2+2y^2}{1+z^2},\qquad T(x,y,z) = 5 + xy - z^2

(a) If the position of an airplane at time tt is

(x(t),y(t),z(t))=(2t,t2−1,cos⁡t)(x(t), y(t), z(t)) = (2t, t^2 - 1, \cos t)

find ddt(PT)2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} (PT)^2 at time t=0t = 0 as observed from the airplane. (b) In which direction should a bird at the point (0,−1,1)(0,-1,1) fly if it wants to keep both PP and TT 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=2z^3 + zx + y^2 = 2. When the ant is at the point (0,−1,1)(0,-1,1), in which direction should it go for maximum increase of the temperature T=5+xy−z2T = 5 + xy - z^2? Your answer should be a vector <a,b,c>\left< a, b, c\right>, 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>\left< a, b, c\right> 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,cos⁡t)∣t=0=(0,−1,1)(2t, t^2 - 1, \cos t)\Big|_{t=0} =(0,-1,1) 에서의 PTPT 의 그래디언트
  • (b)에서는 (0,−1,1)(0,-1,1) 에서의 PP 와 TT 의 그래디언트
  • (c)에서는 (0,−1,1)(0,-1,1) 에서의 TT 의 그래디언트와, (0,−1,1)(0,-1,1) 에서의 S=z3+xz+y2S=z^3+xz+y^2 의 그래디언트(그 점에서 곡면의 법선 벡터를 얻기 위해)

따라서 준비 단계로 이 그래디언트들을 모두 계산하자.

∇P(x,y,z)=2x1+z2ı^+4y1+z2ȷ^−(x2+2y2)2z(1+z2)2k^∇P(0,−1,1)=−2 ȷ^−k^∇T(x,y,z)=y ı^+x ȷ^−2z k^∇T(0,−1,1)=−ı^−2k^∇S(x,y,z)=z ı^+2y ȷ^+(x+3z2) k^∇S(0,−1,1)=ı^−2ȷ^+3 k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } P(x,y,z) &= \frac{2x}{1+z^2}\hat{\boldsymbol{\imath}} + \frac{4y}{1+z^2}\hat{\boldsymbol{\jmath}} -\frac{(x^2+2y^2)2z}{{(1+z^2)}^2}\hat{\mathbf{k}} & { \boldsymbol{\nabla} } P(0,-1,1) &= -2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} - \hat{\mathbf{k}} \\ { \boldsymbol{\nabla} } T(x,y,z) &= y\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -2z\,\hat{\mathbf{k}} & { \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) &= -\hat{\boldsymbol{\imath}} - 2\hat{\mathbf{k}} \\ { \boldsymbol{\nabla} } S(x,y,z) &= z\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 2y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +(x+3z^2)\,\hat{\mathbf{k}} & { \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1) &= \hat{\boldsymbol{\imath}} - 2\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

PTPT 의 그래디언트를 구하기 위해 곱의 미분법을 쓰면

∇(PT)(x,y,z)=T(x,y,z) ∇P(x,y,z)+P(x,y,z) ∇T(x,y,z){ \boldsymbol{\nabla} }(PT)(x,y,z) =T(x,y,z)\,{ \boldsymbol{\nabla} } P(x,y,z) +P(x,y,z)\,{ \boldsymbol{\nabla} } T(x,y,z)

이므로

∇(PT)(0,−1,1)=T(0,−1,1) ∇P(0,−1,1)+P(0,−1,1) ∇T(0,−1,1)=(5+0−1)(−2 ȷ^−k^)+0+21+1(−ı^−2k^)=−ı^−8 ȷ^−6 k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }(PT)(0,-1,1) &=T(0,-1,1)\,{ \boldsymbol{\nabla} } P(0,-1,1) +P(0,-1,1)\,{ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) \\ &=(5+0-1) \big(-2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} - \hat{\mathbf{k}}\big) + \frac{0+2}{1+1}\big(-\hat{\boldsymbol{\imath}} - 2\hat{\mathbf{k}}\big) \\ &= -\hat{\boldsymbol{\imath}} -8\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -6\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(a) ddt(PT)2=2(PT)ddt(PT)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}(PT)^2 = 2(PT)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}(PT) 이고, 시각 00 에서 비행기의 속도 벡터는

ddt<2t,t2−1,cos⁡t>∣t=0=<2,2t,−sin⁡t>∣t=0=<2,0,0>\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left< 2t, t^2 - 1, \cos t\right>\Big|_{t=0} =\left< 2, 2t, -\sin t\right>\Big|_{t=0} =\left< 2,0,0\right>

이므로

ddt(PT)2∣t=0=2 P(0,−1,1) T(0,−1,1) ∇(PT)(0,−1,1)⋅<2,0,0>=2 0+21+1 (5+0−1)<−1,−8,−6>⋅<2,0,0>=−16\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}(PT)^2\Big|_{t=0} &= 2\,P(0,-1,1)\,T(0,-1,1)\ { \boldsymbol{\nabla} }(PT)(0,-1,1)\cdot \left< 2,0,0\right> \\ &= 2\ \frac{0+2}{1+1}\ (5+0-1)\left< -1,-8,-6\right> \cdot \left< 2,0,0\right> \\ &= -16 \end{aligned}

이다.

(b) 방향은 (PP 를 일정하게 유지하려면) ∇P(0,−1,1){ \boldsymbol{\nabla} } P(0,-1,1) 에 수직이어야 하고, (TT 를 일정하게 유지하려면) ∇T(0,−1,1){ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) 에도 수직이어야 한다. 따라서 0이 아닌 상수에

±∇P(0,−1,1)×∇T(0,−1,1)=±<0 , −2 , −1>×<−1 , 0 , −2>=±det⁡[ı^ȷ^k^021102]=±<4 , 1 , −2>\begin{aligned} \pm { \boldsymbol{\nabla} } P(0,-1,1) \times { \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) &=\pm \left< 0 \,,\, -2 \,,\, -1\right> \times \left< -1\,,\,0 \,,\,- 2\right> =\pm \det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 2 & 1 \\ 1 & 0 & 2 \end{matrix}\right] \\ &=\pm \left< 4\,,\, 1 \,,\, -2\right> \end{aligned}

을 곱한 것이 모두 가능한 방향이다.

(c) 방향이 곡면에 접하면서도, 즉 법선 벡터 ∇S(0,−1,1)=<1 , −2 , 3>{ \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1)=\left< 1 \,,\, -2 \,,\, 3\right> 에 수직이면서도, ∇T(0,−1,1)=<−1 , 0 , −2>{ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) =\left< -1 \,,\, 0 \,,\, -2\right> 에 최대한 가까워야 한다. 이 최적의 방향은 ∇T(0,−1,1){ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) 에서 ∇T(0,−1,1){ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) 을 법선 벡터에 정사영한 벡터를 빼면 얻는다.

그림

∇T(0,−1,1){ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) 을 법선 벡터 ∇S(0,−1,1){ \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1) 에 정사영한 벡터는

proj∇S(0,−1,1)∇T(0,−1,1)=∇T(0,−1,1)⋅∇S(0,−1,1)∣∇S(0,−1,1)∣2∇S(0,−1,1)=<−1 , 0 , −2>⋅<1 , −2 , 3>∣<1 , −2 , 3>∣2<1 , −2 , 3>=−714<1 , −2 , 3>\begin{aligned} \text{proj}_{{ \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1)}{ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) &=\frac{{ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1)\cdot { \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1)} {|{ \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1)|^2}{ \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1) \\ &=\frac{\left< -1\,,\,0 \,,\,- 2\right>\cdot \left< 1\,,\, -2 \,,\,3\right>} {|\left< 1\,,\, -2 \,,\,3\right>|^2}\left< 1\,,\, -2 \,,\,3\right> \\ &=\frac{-7}{14}\left< 1\,,\, -2 \,,\,3\right> \end{aligned}

이다. 따라서 최적의 방향은

d=∇T(0,−1,1)−proj∇S(0,−1,1)∇T(0,−1,1)=<−1 , 0 , −2>−−714<1 , −2 , 3>=<−12 , −1 , −12>\begin{aligned} \mathbf{d}&={ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) - \text{proj}_{{ \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1)}{ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) \\ &=\left< -1\,,\,0 \,,\,- 2\right> -\frac{-7}{14}\left< 1\,,\, -2 \,,\,3\right> \\ &= \left< -\frac{1}{2}\,,\,-1 \,,\,- \frac{1}{2}\right> \end{aligned}

이다. 그러므로 −<1 , 2 , 1>-\left< 1\,,\, 2\,,\,1\right> 의 0이 아닌 양의 배수이면 모두 답이다. 검산으로, −<1 , 2 , 1>-\left< 1\,,\, 2\,,\,1\right> 과 ∇S(0,−1,1)=<1 , −2 , 3>{ \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1)=\left< 1 \,,\, -2 \,,\, 3\right> 의 내적이 0임, 즉 두 벡터가 수직임을 확인할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

Reading through the question as a whole we see that we will need

  • for part (a), the gradient of PTPT at (2t,t2−1,cos⁡t)∣t=0=(0,−1,1)(2t, t^2 - 1, \cos t)\Big|_{t=0} =(0,-1,1)
  • for part (b), the gradients of both PP and TT at (0,−1,1)(0,-1,1) and
  • for part (c), the gradient of TT at (0,−1,1)(0,-1,1) and the gradient of S=z3+xz+y2S=z^3+xz+y^2 at (0,−1,1)(0,-1,1) (to get the normal vector to the surface at that point).

So, by way of preparation, let's compute all of these gradients.

∇P(x,y,z)=2x1+z2ı^+4y1+z2ȷ^−(x2+2y2)2z(1+z2)2k^∇P(0,−1,1)=−2 ȷ^−k^∇T(x,y,z)=y ı^+x ȷ^−2z k^∇T(0,−1,1)=−ı^−2k^∇S(x,y,z)=z ı^+2y ȷ^+(x+3z2) k^∇S(0,−1,1)=ı^−2ȷ^+3 k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } P(x,y,z) &= \frac{2x}{1+z^2}\hat{\boldsymbol{\imath}} + \frac{4y}{1+z^2}\hat{\boldsymbol{\jmath}} -\frac{(x^2+2y^2)2z}{{(1+z^2)}^2}\hat{\mathbf{k}} & { \boldsymbol{\nabla} } P(0,-1,1) &= -2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} - \hat{\mathbf{k}} \\ { \boldsymbol{\nabla} } T(x,y,z) &= y\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -2z\,\hat{\mathbf{k}} & { \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) &= -\hat{\boldsymbol{\imath}} - 2\hat{\mathbf{k}} \\ { \boldsymbol{\nabla} } S(x,y,z) &= z\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 2y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +(x+3z^2)\,\hat{\mathbf{k}} & { \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1) &= \hat{\boldsymbol{\imath}} - 2\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

To get the gradient of PTPT we use the product rule

∇(PT)(x,y,z)=T(x,y,z) ∇P(x,y,z)+P(x,y,z) ∇T(x,y,z){ \boldsymbol{\nabla} }(PT)(x,y,z) =T(x,y,z)\,{ \boldsymbol{\nabla} } P(x,y,z) +P(x,y,z)\,{ \boldsymbol{\nabla} } T(x,y,z)

so that

∇(PT)(0,−1,1)=T(0,−1,1) ∇P(0,−1,1)+P(0,−1,1) ∇T(0,−1,1)=(5+0−1)(−2 ȷ^−k^)+0+21+1(−ı^−2k^)=−ı^−8 ȷ^−6 k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }(PT)(0,-1,1) &=T(0,-1,1)\,{ \boldsymbol{\nabla} } P(0,-1,1) +P(0,-1,1)\,{ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) \\ &=(5+0-1) \big(-2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} - \hat{\mathbf{k}}\big) + \frac{0+2}{1+1}\big(-\hat{\boldsymbol{\imath}} - 2\hat{\mathbf{k}}\big) \\ &= -\hat{\boldsymbol{\imath}} -8\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -6\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(a) Since ddt(PT)2=2(PT)ddt(PT)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}(PT)^2 = 2(PT)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}(PT), and the velocity vector of the plane at time 00 is

ddt<2t,t2−1,cos⁡t>∣t=0=<2,2t,−sin⁡t>∣t=0=<2,0,0>\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left< 2t, t^2 - 1, \cos t\right>\Big|_{t=0} =\left< 2, 2t, -\sin t\right>\Big|_{t=0} =\left< 2,0,0\right>

we have

ddt(PT)2∣t=0=2 P(0,−1,1) T(0,−1,1) ∇(PT)(0,−1,1)⋅<2,0,0>=2 0+21+1 (5+0−1)<−1,−8,−6>⋅<2,0,0>=−16\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}(PT)^2\Big|_{t=0} &= 2\,P(0,-1,1)\,T(0,-1,1)\ { \boldsymbol{\nabla} }(PT)(0,-1,1)\cdot \left< 2,0,0\right> \\ &= 2\ \frac{0+2}{1+1}\ (5+0-1)\left< -1,-8,-6\right> \cdot \left< 2,0,0\right> \\ &= -16 \end{aligned}

(b) The direction should be perpendicular to ∇P(0,−1,1){ \boldsymbol{\nabla} } P(0,-1,1) (to keep PP constant) and should also be perpendicular to ∇T(0,−1,1){ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) (to keep TT constant). So any nonzero constant times

±∇P(0,−1,1)×∇T(0,−1,1)=±<0 , −2 , −1>×<−1 , 0 , −2>=±det⁡[ı^ȷ^k^021102]=±<4 , 1 , −2>\begin{aligned} \pm { \boldsymbol{\nabla} } P(0,-1,1) \times { \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) &=\pm \left< 0 \,,\, -2 \,,\, -1\right> \times \left< -1\,,\,0 \,,\,- 2\right> =\pm \det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 2 & 1 \\ 1 & 0 & 2 \end{matrix}\right] \\ &=\pm \left< 4\,,\, 1 \,,\, -2\right> \end{aligned}

are allowed directions.

(c) We want the direction to be as close as possible to ∇T(0,−1,1)=<−1 , 0 , −2>{ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) =\left< -1 \,,\, 0 \,,\, -2\right> while still being tangent to the surface, i.e. being perpendicular to the normal vector ∇S(0,−1,1)=<1 , −2 , 3>{ \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1)=\left< 1 \,,\, -2 \,,\, 3\right>. We can get that optimal direction by subtracting from ∇T(0,−1,1){ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) the projection of ∇T(0,−1,1){ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) onto the normal vector.

figure

The projection of ∇T(0,−1,1){ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) onto the normal vector ∇S(0,−1,1){ \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1) is

proj∇S(0,−1,1)∇T(0,−1,1)=∇T(0,−1,1)⋅∇S(0,−1,1)∣∇S(0,−1,1)∣2∇S(0,−1,1)=<−1 , 0 , −2>⋅<1 , −2 , 3>∣<1 , −2 , 3>∣2<1 , −2 , 3>=−714<1 , −2 , 3>\begin{aligned} \text{proj}_{{ \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1)}{ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) &=\frac{{ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1)\cdot { \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1)} {|{ \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1)|^2}{ \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1) \\ &=\frac{\left< -1\,,\,0 \,,\,- 2\right>\cdot \left< 1\,,\, -2 \,,\,3\right>} {|\left< 1\,,\, -2 \,,\,3\right>|^2}\left< 1\,,\, -2 \,,\,3\right> \\ &=\frac{-7}{14}\left< 1\,,\, -2 \,,\,3\right> \end{aligned}

So the optimal direction is

d=∇T(0,−1,1)−proj∇S(0,−1,1)∇T(0,−1,1)=<−1 , 0 , −2>−−714<1 , −2 , 3>=<−12 , −1 , −12>\begin{aligned} \mathbf{d}&={ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) - \text{proj}_{{ \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1)}{ \boldsymbol{\nabla} } T(0,-1,1) \\ &=\left< -1\,,\,0 \,,\,- 2\right> -\frac{-7}{14}\left< 1\,,\, -2 \,,\,3\right> \\ &= \left< -\frac{1}{2}\,,\,-1 \,,\,- \frac{1}{2}\right> \end{aligned}

So any positive non zero multiple of −<1 , 2 , 1>-\left< 1\,,\, 2\,,\,1\right> will do. Note, as a check, that −<1 , 2 , 1>-\left< 1\,,\, 2\,,\,1\right> has dot product zero, i.e. is perpendicular to, ∇S(0,−1,1)=<1 , −2 , 3>{ \boldsymbol{\nabla} } S(0,-1,1)=\left< 1 \,,\, -2 \,,\, 3\right>.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 12.6절 · 4번
# 방향도함수와 기울기벡터활용보통자동 분류
20.CLP-3 · 2.7절 · 23번대학 수준우리말 번역

언덕의 높이가 방정식 f(x,y)=x2y2e−x−yf(x,y)=x^2y^2e^{-x-y} 으로 주어져 있다. 개미 한 마리가 점 (1,1,e−2)(1,1,e^{-2}) 에 앉아 있다.

(a) 다음 값을 최대로 하는 단위벡터 u=<u1,u2>\mathbf{u}=\left< u_1,u_2\right> 를 구하세요.

lim⁡t→0f((1,1)+tu)−f(1,1)t\lim_{t\rightarrow 0}\frac{f\big((1,1)+t\mathbf{u}\big)-f(1,1)}{t} (b) 개미가 같은 높이 e−2e^{-2} 를 유지하기 위해 갈 수 있는 경로의 방향을 가리키는 벡터 v=<v1,v2,v3>\mathbf{v}=\left< v_1,v_2,v_3\right> 를 구하세요. (c) 개미가 순간 높이 증가율을 최대로 하기 위해 가야 하는 경로의 방향을 가리키는 벡터 v=<v1,v2,v3>\mathbf{v}=\left< v_1,v_2,v_3\right> 를 구하세요.

영어 원문 보기

The elevation of a hill is given by the equation f(x,y)=x2y2e−x−yf(x,y)=x^2y^2e^{-x-y}. An ant sits at the point (1,1,e−2)(1,1,e^{-2}).

(a) Find the unit vector u=<u1,u2>\mathbf{u}=\left< u_1,u_2\right> that maximizes

lim⁡t→0f((1,1)+tu)−f(1,1)t\lim_{t\rightarrow 0}\frac{f\big((1,1)+t\mathbf{u}\big)-f(1,1)}{t} (b) Find a vector v=<v1,v2,v3>\mathbf{v}=\left< v_1,v_2,v_3\right> pointing in the direction of the path that the ant could take in order to stay on the same elevation level e−2e^{-2}. (c) Find a vector v=<v1,v2,v3>\mathbf{v}=\left< v_1,v_2,v_3\right> 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 lim⁡t→0f((1,1)+tu)−f(1,1)t \lim_{t\rightarrow 0}\frac{f((1,1)+t\mathbf{u})-f(1,1)}{t} 은 u\mathbf{u} 방향으로의 (1,1)(1,1) 에서 ff 의 방향미분계수이며, 이는 Duf(1,1)=∇f(1,1)⋅uD_\mathbf{u} f(1,1)={ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1)\cdot\mathbf{u} 이다. 이 값은 u\mathbf{u} 가 ∇f(1,1){ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1) 과 평행할 때 최대가 된다.

fx(x,y)=2xy2e−x−y−x2y2e−x−yfy(x,y)=2x2ye−x−y−x2y2e−x−yf_x(x,y)=2xy^2e^{-x-y}-x^2y^2e^{-x-y}\qquad f_y(x,y)=2x^2ye^{-x-y}-x^2y^2e^{-x-y}

이므로

∇f(1,1)=e−2<1,1>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1)=e^{-2}\left< 1,1\right>

이고, 따라서 구하는 단위벡터 u\mathbf{u} 는 12<1,1>\frac{1}{\sqrt{2}}\left< 1,1\right> 이다.

(b) 높이 e−2e^{-2} 를 유지하려면 개미는 Duf(1,1)=0D_\mathbf{u} f(1,1)=0 이 되도록 움직여야 한다. 이는 u⊥∇f(1,1)\mathbf{u}\perp{ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1) 일 때 성립한다. 예를 들어 u=<1,−1>\mathbf{u}=\left< 1,-1\right> 로 잡을 수 있다. 개미가 언덕의 표면 위에 머물면서 이 방향으로 움직이면 속도의 수직 성분은 0이다. 따라서 0이 아닌 임의의 상수 cc 에 대해 v=c<1,−1,0>\mathbf{v}=c\left< 1,-1,0\right> 이다.

(c) 순간 높이 증가율을 최대로 하려면 개미는 속도 벡터의 xx 좌표와 yy 좌표를 ∇f(1,1){ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1) 과 같은 방향으로 택해야 한다. 즉 c>0c>0 인 임의의 cc 에 대해 u=c<1,1>\mathbf{u}=c\left< 1,1\right> 이다. u\mathbf{u} 를 단위벡터로 만들기 위해 c=12c=\frac{1}{\sqrt{2}} 로 택한다. 속도 벡터의 zz 좌표의 값은 수평으로 이동한 단위 거리당 ff 의 변화율이며, 이는 방향미분계수

Duf(1,1)=∇f(1,1)⋅u=e−2<1,1>⋅<c,c>=2ce−2D_\mathbf{u} f(1,1)={ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1)\cdot\mathbf{u}=e^{-2}\left< 1,1\right> \cdot\left< c,c\right> =2ce^{-2}

이다.

따라서 v=12<1,1,2e−2>\mathbf{v}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left< 1,1,2e^{-2}\right> 이다. 이 벡터의 양의 배수는 모두 정답이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The expression lim⁡t→0f((1,1)+tu)−f(1,1)t \lim_{t\rightarrow 0}\frac{f((1,1)+t\mathbf{u})-f(1,1)}{t} is the directional derivative of ff at (1,1)(1,1) in the direction u\mathbf{u}, which is Duf(1,1)=∇f(1,1)⋅uD_\mathbf{u} f(1,1)={ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1)\cdot\mathbf{u}. This is mazimized when u\mathbf{u} is parallel to ∇f(1,1){ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1). Since

fx(x,y)=2xy2e−x−y−x2y2e−x−yfy(x,y)=2x2ye−x−y−x2y2e−x−yf_x(x,y)=2xy^2e^{-x-y}-x^2y^2e^{-x-y}\qquad f_y(x,y)=2x^2ye^{-x-y}-x^2y^2e^{-x-y}

we have

∇f(1,1)=e−2<1,1>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1)=e^{-2}\left< 1,1\right>

so that the desired unit vector u\mathbf{u} is 12<1,1>\frac{1}{\sqrt{2}}\left< 1,1\right>.

(b) In order to remain at elevation e−2e^{-2}, the ant must move so that Duf(1,1)=0D_\mathbf{u} f(1,1)=0. This is the case if u⊥∇f(1,1)\mathbf{u}\perp{ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1). For example, we can take u=<1,−1>\mathbf{u}=\left< 1,-1\right>. 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>\mathbf{v}=c\left< 1,-1,0\right> for any nonzero constant cc.

(c) In order to maximize its instantaneous rate of level increase, the ant must choose the xx and yy coordinates of its velocity vector in the same direction as ∇f(1,1){ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1). Namely u=c<1,1>\mathbf{u}=c\left< 1,1\right> for any c>0c>0. To make u\mathbf{u} a unit vector, we choose c=12c=\frac{1}{\sqrt{2}}. The corresponding value of the zz coordinate of its velocity vector is the rate of change of ff per unit horizontal distance travelled, which is the directional derivative

Duf(1,1)=∇f(1,1)⋅u=e−2<1,1>⋅<c,c>=2ce−2D_\mathbf{u} f(1,1)={ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1)\cdot\mathbf{u}=e^{-2}\left< 1,1\right> \cdot\left< c,c\right> =2ce^{-2}

So v=12<1,1,2e−2>\mathbf{v}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left< 1,1,2e^{-2}\right>. Any positive multiple of this vector is also a correct answer.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 12.6절 · 1번
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