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.

1문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 2.7절 · 26번대학 수준우리말 번역

상수 kk 가 있어서 u=k/vu=k/v 일 때, uu 는 vv 에 반비례한다고 합니다. 금속 공 안의 온도 TT 가 공의 중심으로부터의 거리에 반비례한다고 합시다. 여기서 공의 중심은 원점으로 잡습니다. 점 (1,2,2)(1,2,2) 에서의 온도는 120∘120^\circ 입니다.

(a) 비례상수를 구하세요. (b) (1,2,2)(1,2,2) 에서 점 (2,1,3)(2,1,3) 을 향하는 방향으로의 TT 의 변화율을 구하세요. (c) 공 안의 대부분의 점에서 온도가 가장 크게 증가하는 방향은 원점을 향하는 방향임을 보이세요.

영어 원문 보기

We say that uu is inversely proportional to vv if there is a constant kk so that u=k/vu=k/v. Suppose that the temperature TT in a metal ball is inversely proportional to the distance from the centre of the ball, which we take to be the origin. The temperature at the point (1,2,2)(1,2,2) is 120∘120^\circ.

(a) Find the constant of proportionality. (b) Find the rate of change of TT at (1,2,2)(1,2,2) in the direction towards the point (2,1,3)(2,1,3). (c) Show that at most points in the ball, the direction of greatest increase is towards the origin.

정답·풀이 보기

(a) 어떤 상수 kk 에 대하여 T(x,y,z)=k∣<x,y,z>∣=kx2+y2+z2T(x,y,z)=\frac{k}{|\left< x,y,z\right>|} =\frac{k}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}} 이고,

120=T(1,2,2)=k∣<1,2,2>∣  ⟹  k=120×1+22+22=360120=T(1,2,2)=\frac{k}{|\left< 1,2,2\right>|} \implies k=120\times\sqrt{1+2^2+2^2} = 360

이다.

(b) (1,2,2)(1,2,2) 에서 (2,1,3)(2,1,3) 으로 향하는 (단위)방향은 d=<2,1,3>−<1,2,2>∣<2,1,3>−<1,2,2>∣=<1,−1,1>∣<1,−1,1>∣=13<1,−1,1>\mathbf{d}=\frac{\left< 2,1,3\right>-\left< 1,2,2\right>}{|\left< 2,1,3\right>-\left< 1,2,2\right>|} =\frac{\left< 1,-1,1\right>}{|\left< 1,-1,1\right>|}=\frac{1}{\sqrt{3}}\left< 1,-1,1\right> 이다. 따라서 구하는 온도의 변화율은

DdT(1,2,2)=∇T(1,2,2)⋅d=−360xı^+yȷ^+zk^(x2+y2+z2)3/2∣<1,2,2>⋅d=−360<1,2,2>27⋅<1,−1,1>3=−4033≈−7.70\begin{aligned} D_{\mathbf{d}} T(1,2,2) &={ \boldsymbol{\nabla} } T(1,2,2)\cdot\mathbf{d} =-360\frac{x\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\hat{\mathbf{k}}}{{(x^2+y^2+z^2)}^{3/2}}\Big|_{\left< 1,2,2\right>}\cdot\mathbf{d} \\ &=-360\frac{\left< 1,2,2\right>}{27}\cdot\frac{\left< 1,-1,1\right>}{\sqrt{3}} =-\frac{40}{3\sqrt{3}}\approx-7.70 \end{aligned}

이고, 단위 거리당 도이다.

(c) (x,y,z)(x,y,z) 에서 온도가 가장 크게 증가하는 방향은 (x,y,z)(x,y,z) 에서의 온도 기울기(그레이디언트)의 방향이며, 이는 ∇T(x,y,z)=−360xı^+yȷ^+zk^(x2+y2+z2)3/2{ \boldsymbol{\nabla} } T(x,y,z) =-360\frac{x\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\hat{\mathbf{k}}}{{(x^2+y^2+z^2)}^{3/2}} 이고, 반지름 벡터와 반대 방향을 가리킨다. 즉, 원점을 향한다. 이 논증은 (x,y,z)=(0,0,0)(x,y,z)=(0,0,0) 에서만 성립하지 않는데, 그 점에서는 기울기뿐 아니라 T(x,y,z)T(x,y,z) 도 정의되지 않기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We are told that T(x,y,z)=k∣<x,y,z>∣=kx2+y2+z2T(x,y,z)=\frac{k}{|\left< x,y,z\right>|} =\frac{k}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}} for some constant kk and that

120=T(1,2,2)=k∣<1,2,2>∣  ⟹  k=120×1+22+22=360120=T(1,2,2)=\frac{k}{|\left< 1,2,2\right>|} \implies k=120\times\sqrt{1+2^2+2^2} = 360

(b) The (unit) direction from (1,2,2)(1,2,2) to (2,1,3)(2,1,3) is d=<2,1,3>−<1,2,2>∣<2,1,3>−<1,2,2>∣=<1,−1,1>∣<1,−1,1>∣=13<1,−1,1>\mathbf{d}=\frac{\left< 2,1,3\right>-\left< 1,2,2\right>}{|\left< 2,1,3\right>-\left< 1,2,2\right>|} =\frac{\left< 1,-1,1\right>}{|\left< 1,-1,1\right>|}=\frac{1}{\sqrt{3}}\left< 1,-1,1\right>. The desired rate of change of temperature is

DdT(1,2,2)=∇T(1,2,2)⋅d=−360xı^+yȷ^+zk^(x2+y2+z2)3/2∣<1,2,2>⋅d=−360<1,2,2>27⋅<1,−1,1>3=−4033≈−7.70\begin{aligned} D_{\mathbf{d}} T(1,2,2) &={ \boldsymbol{\nabla} } T(1,2,2)\cdot\mathbf{d} =-360\frac{x\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\hat{\mathbf{k}}}{{(x^2+y^2+z^2)}^{3/2}}\Big|_{\left< 1,2,2\right>}\cdot\mathbf{d} \\ &=-360\frac{\left< 1,2,2\right>}{27}\cdot\frac{\left< 1,-1,1\right>}{\sqrt{3}} =-\frac{40}{3\sqrt{3}}\approx-7.70 \end{aligned}

degrees per unit distance.

(c) At (x,y,z)(x,y,z), the direction of greatest increase is in the direction of the temperature gradient at (x,y,z)(x,y,z), which is ∇T(x,y,z)=−360xı^+yȷ^+zk^(x2+y2+z2)3/2{ \boldsymbol{\nabla} } T(x,y,z) =-360\frac{x\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\hat{\mathbf{k}}}{{(x^2+y^2+z^2)}^{3/2}} and which points opposite to the radius vector. That is, it points towards the origin. This argument only fails at (x,y,z)=(0,0,0)(x,y,z)=(0,0,0), where the gradient, and indeed T(x,y,z)T(x,y,z), is not defined.

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