(a) f 의 증가율이 가장 큰 방향은
∇f(1,0,π/2)=⟨2,0,0⟩ 의 방향이다. 그 방향의 단위벡터는
^ 이다.
(b) 기울기 벡터 ∇f(1,0,π/2)=⟨2,0,0⟩ 는 (1,0,π/2) 에서 곡면 f=1 의 법선벡터이다. 따라서 구하는 접평면은
⟨2,0,0⟩⋅⟨x−1,y−0,z−π/2⟩=0또는x=1
이다.
(c) 점 (0,1,0) 에서 T 위의 점 (1,1,0) 으로 향하는 벡터는
⟨1,0,0⟩ 이고, 이 벡터는 T 에 수직이다. 따라서 (1,1,0) 은 T 위의 점 중 (0,1,0) 에 가장 가까운 점이고, (0,1,0) 에서 T 까지의 거리는
∣⟨1,0,0⟩∣=1 이다.
(d) 벡터 ⟨1,0,1⟩ 은 평면 x+z=0 에 수직이다.
따라서 두 평면 T 와 x+z=0 이 이루는 각은 두 벡터 ⟨1,0,0⟩ 과 ⟨1,0,1⟩ 이 이루는 각
θ 와 같고, 이 각은 다음을 만족한다.
(a) The rate of increase of f is largest in the direction of
∇f(1,0,π/2)=⟨2,0,0⟩. A unit vector in that direction
is ^.
(b) The gradient vector ∇f(1,0,π/2)=⟨2,0,0⟩ is a normal
vector to the surface f=1 at (1,0,π/2). So the specified tangent
plane is
⟨2,0,0⟩⋅⟨x−1,y−0,z−π/2⟩=0orx=1
(c) The vector from the point (0,1,0) to the point (1,1,0), on T,
is ⟨1,0,0⟩, which is perpendicular to T. So (1,1,0)
is the point on T nearest (0,1,0) and the distance from (0,1,0) to T
is ∣⟨1,0,0⟩∣=1.
(d) The vector ⟨1,0,1⟩ is perpendicular to the plane x+z=0.
So the angle between the planes T and x+z=0 is the same as the angle
θ between the vectors ⟨1,0,0⟩ and ⟨1,0,1⟩,
which obeys
함수 T(x,y,z) 가 P=(2,1,1) 에서
T(P)=5, Tx(P)=1, Ty(P)=2, Tz(P)=3 임이 알려져 있다.
(a) 꿀벌이 P 에서 출발하여 점 Q=(3,2,2) 를 향하는 단위벡터를 따라 날아간다. 이 방향으로의 T(x,y,z) 의 변화율을 구하세요.
(b) 점 P 에서 T 의 선형 근사를 이용하여
T(1.9,1,1.2) 를 어림하세요.
(c) S(x,y,z)=x+z 라 하자. 꿀벌이 P 에서 출발할 때, 이 방향으로의 T(x,y,z) 의 변화율과
S(x,y,z) 의 변화율이 모두 0이 되려면 어느 단위벡터 방향으로 날아가야 하는지 구하세요.
영어 원문 보기
A function T(x,y,z) at P=(2,1,1) is known to have
T(P)=5, Tx(P)=1, Ty(P)=2, and Tz(P)=3.
(a) A bee starts flying at P and flies along the unit vector pointing
towards the point Q=(3,2,2). What is the rate of change of
T(x,y,z) in this direction?
(b) Use the linear approximation of T at the point P to approximate
T(1.9,1,1.2).
(c) Let S(x,y,z)=x+z. A bee starts flying at P; along which unit
vector direction should the bee fly so that the rate of change of T(x,y,z)
and of S(x,y,z) are both zero in this direction?
정답·풀이 보기
(a) P=(2,1,1) 에서 Q=(3,2,2) 로 향하는 단위벡터 방향으로의 T 의 방향도함수를 구하는 문제이다. 이 단위벡터는 3⟨1,1,1⟩ 이다. 따라서 방향도함수는
(c) T 의 변화율이 0이 되려면 운동 방향이 ∇T(P)=⟨1,2,3⟩ 에 수직이어야 한다.
S 의 변화율도 0이 되려면 운동 방향이 ∇S(P)=⟨1,0,1⟩ 에도 수직이어야 한다.
벡터
⟨1,2,3⟩×⟨1,0,1⟩=det^11^20k^31=⟨2,2,−2⟩
는 ∇T(P) 와 ∇S(P) 에 모두 수직이다.
따라서 구하는 단위벡터는 ±3⟨1,1,−1⟩ 이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) We are being asked for the directional derivative of
T in the direction of the unit vector from P=(2,1,1) to Q=(3,2,2),
which is 3⟨1,1,1⟩. That directional
derivative is
(c) For the rate of change of T to be zero, the direction of
motion must be perpendicular to ∇T(P)=⟨1,2,3⟩.
For the rate of change of S to also be zero, the direction of
motion must also be perpendicular to ∇S(P)=⟨1,0,1⟩.
The vector
⟨1,2,3⟩×⟨1,0,1⟩=det^11^20k^31=⟨2,2,−2⟩
is perpendicular to both ∇T(P) and ∇S(P).
So the desired unit vectors are ±3⟨1,1,−1⟩.
함수 F(x,y,z)=z3+xy2+xz 와 G(x,y,z)=3x−y+4z 를 생각하세요.
당신은 점 P(0,1,2) 에 서 있습니다.
(a) P 에서 Q(0.1,0.9,1.8) 로 뛰어갑니다. 선형 근사를 이용하여 F 가 변하는 양을 대략 구하세요.
(b) P 에서 G 가 가장 빠르게 증가하는 방향으로 뛰어갑니다. F 는 증가하는지 감소하는지 판단하세요.
(c) P 에서 F 와 G 의 변화율이 모두 0 인 방향 ⟨a,b,c⟩ 로 뛰어갑니다. 이러한 방향의 예를 하나 구하세요(단위벡터일 필요는 없습니다).
영어 원문 보기
Consider the functions F(x,y,z)=z3+xy2+xz and G(x,y,z)=3x−y+4z.
You are standing at the point P(0,1,2).
(a) You jump from P to Q(0.1,0.9,1.8). Use the linear approximation
to determine approximately the amount by which F changes.
(b) You jump from P in the direction along which G increases most rapidly.
Will F increase or decrease?
(c) You jump from P in a direction ⟨a,b,c⟩ along which the rates
of change of F and G are both zero. Give an example of such a direction
(need not be a unit vector).
유성이 캐나다 중심부 지역의 땅에 떨어진다.
위성 사진을 이용하여, 그 결과로 생긴 크레이터의 모델
z=f(x,y)=−x2+2x+4y2+11100
을 만들고, 이 장소를 관광 명소로 바꾸는 계획을 세운다. 주차장은 (4,5) 에 만들고 등산로도 만들 예정이다. 등산로는 주차장에서 시작하여 크레이터 바닥까지 가장 가파른 경로를 따라 간다.
(a) 주차장, 함수 f 의 등고선 몇 개, 그리고 등산로가 분명하게 표시된 계획 부지의 지도를 그리세요.
(b) 등산로는 주차장에서 어느 방향으로 출발하는지 구하세요.
영어 원문 보기
A meteor strikes the ground in the heartland of Canada.
Using satellite photographs, a model
z=f(x,y)=−x2+2x+4y2+11100
of the resulting crater is made and a plan is drawn up to convert the site into
a tourist attraction. A car park is to be built at (4,5) and a hiking trail is to be made. The trail is to start at the car park and take the steepest route to the bottom of the crater.
(a) Sketch a map of the proposed site clearly marking the car park,
a few level curves for the function f and the trail.
(b) In which direction does the trail leave the car park?
정답·풀이 보기
(a)
z=−x2+2x+4y2+11100=−(x+1)2+4y2+10100
이므로 크레이터의 바닥은 x=−1, y=0 (분모가 최소가 되는 곳)에 있고, 등고선(등위곡선)은 방정식이
(x+1)2+4y2=C 인 타원이다. 아래 그림에서 속이 찬 점은 크레이터의 바닥을, 속이 빈 점은 주차장을 나타낸다. 그린 등고선은 (안쪽부터 바깥쪽으로) z=−7.5,−5,−2.5,−1 이다. 등산로가 등고선과 직각으로 만남에 유의한다.
(b) 등산로는
∇z=(x2+2x+4y2+11)2100(2x+2,8y)
와 평행하다. 주차장에서는
∇z(4,5)∥⟨10,40⟩∥⟨1,4⟩ 이다.
크레이터의 바닥을 향해 가려면 −⟨1,4⟩ 방향으로 출발해야 한다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) Since
z=−x2+2x+4y2+11100=−(x+1)2+4y2+10100
the bottom of the crater is at x=−1, y=0 (where the denominator is
a minimum) and the contours (level curves) are ellipses having equations
(x+1)2+4y2=C. In the sketch below, the filled dot represents the
bottom of the crater and the open dot represents the car park. The
contours sketched are (from inside out) z=−7.5,−5,−2.5,−1. Note that
the trail crosses the contour lines at right angles.
(b) The trail is to be parallel to
∇z=(x2+2x+4y2+11)2100(2x+2,8y)
At the car park ∇z(4,5)∥⟨10,40⟩∥⟨1,4⟩.
To move towards the bottom of the crater, we should leave in the direction
−⟨1,4⟩.
당신은 지수 사막 한가운데에 있는 외딴 야자나무 옆에 서 있습니다. 주변 모래언덕의 높이는 미터 단위로 다음과 같이 주어집니다.
h(x,y)=100e−(x2+2y2)
여기서 x 는 야자나무에서 동쪽으로 떨어진 거리(미터)를 나타내며 x 가 음수이면 서쪽을 뜻하고, y 는 야자나무에서 북쪽으로 떨어진 거리(미터)를 나타내며 y 가 음수이면 남쪽을 뜻합니다.
(a) 동쪽으로 3 미터, 북쪽으로 2 미터 걸어갔다고 하자. 새 위치 (3,2) 에서 모래언덕이 가장 가파르게 내려가는 방향은 어느 방향인지 구하세요.
(b) (a)에서 구한 위치에서 북쪽으로 걸어가면 모래언덕 높이의 순간변화율은 얼마인지 구하세요.
(c) (3,2) 에 서 있을 때, 같은 높이를 유지하려면 어느 방향으로 걸어야 하는지 구하세요.
(d) 곡선 위의 각 점에서 항상 가장 가파르게 내려가는 방향을 향하도록 따라 움직여야 할 곡선 중 (3,2) 를 지나는 곡선의 방정식을 구하세요.
영어 원문 보기
You are standing at a lone palm tree in the middle of the
Exponential Desert. The height of the sand dunes around you is given in
meters by
h(x,y)=100e−(x2+2y2)
where x represents the number of meters east of the palm tree (west if
x is negative) and y represents the number of meters north of the palm
tree (south if y is negative).
(a) Suppose that you walk 3 meters east and 2 meters north.
At your new location, (3,2), in what direction is the sand dune sloping
most steeply downward?
(b) If you walk north from the location described in part (a),
what is the instantaneous rate of change of height of the sand dune?
(c) If you are standing at (3,2) in what direction should you
walk to ensure that you remain at the same height?
(d) Find the equation of the curve through (3,2) that you should
move along in order that you are always pointing in a steepest descent
direction at each point of this curve.
(a) (3,2) 에서 모래언덕이 가장 가파르게 내려가는 방향은 ∇h(3,2) 와 반대 방향, 즉 ⟨3,4⟩ 의 (임의의 양의 배수) 방향이다.
(b) 변화율은 D^h(3,2)=∇h(3,2)⋅^=−800e−17 이다.
(c) 같은 높이를 유지하려면 ∇h(3,2) 에 수직인 방향으로 걸어야 한다. 따라서 ±(54,−53) 중 한 방향으로 걸어야 한다.
(d) 가장 가파르게 내려가는 곡선을 따라 걷고 있다고 하자. 그러면 (x,y) 에서 (x+dx,y+dy) 로 향하는 방향(단, (dx,dy) 는 무한소)은 ∇h(x,y)=−200e−(x2+2y2)(x,2y) 와 반대여야 한다.
따라서 (dx,dy) 는 (x,2y) 와 평행해야 하므로 기울기는
dxdy=x2y⟹ydy=2xdx⟹lny=2lnx+C
점 (3,2) 를 지나려면 ln2=2ln3+C 를 만족하도록 C 를 택해야 한다. 따라서 C=ln92 이고 곡선은 lny=2lnx+ln92 즉 y=92x2 이다.
원본 교재 풀이(영어)
We have
∇h(x,y)=−200e−(x2+2y2)⟨x,2y⟩ and, in particular, ∇h(3,2)=−200e−17⟨3,4⟩
(a) At (3,2) the dune slopes downward the most steeply in the direction
opposite ∇h(3,2), which is (any positive multiple of) ⟨3,4⟩.
(b) The rate is D^h(3,2)=∇h(3,2)⋅^=−800e−17.
(c) To remain at the same height, you should walk perpendicular to
∇h(3,2). So you should walk in one of the directions
±(54,−53).
(d) Suppose that you are walking along a steepest descent curve.
Then the direction from (x,y) to (x+dx,y+dy), with
(dx,dy) infinitesmal, must be opposite to
∇h(x,y)=−200e−(x2+2y2)(x,2y).
Thus (dx,dy) must be parallel to (x,2y) so that the slope
dxdy=x2y⟹ydy=2xdx⟹lny=2lnx+C
We must choose C to obey ln2=2ln3+C in order to pass through
the point (3,2). Thus C=ln92 and the curve is
lny=2lnx+ln92 or y=92x2.