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.

69문제 · 4 / 4쪽

61.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
62.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
63.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
64.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
65.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
66.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
67.CLP-3 · 2.7절 · 29번대학 수준우리말 번역

함수 f(x,y,z)=x2+cos⁡(yz)f(x,y,z) = x^2 + \cos(yz) 를 생각하세요.

(a) 점 (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2) 에서 ff 가 가장 빠르게 증가하는 방향을 구하세요. (b) 점 (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2) 에서 곡면

S={ (x,y,z) ∣ f(x,y,z)=1 }S = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ f(x,y,z) = 1\ \big\}

에 접하는 평면 TT 의 방정식을 구하세요. (c) TT 와 점 (0,1,0)(0, 1, 0) 사이의 거리를 구하세요. (d) 평면 TT 와 평면

P={ (x,y,z) ∣ x+z=0 }P = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x + z = 0\ \big\}

가 이루는 각을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the function f(x,y,z)=x2+cos⁡(yz)f(x,y,z) = x^2 + \cos(yz).

(a) Give the direction in which ff is increasing the fastest at the point (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2). (b) Give an equation for the plane TT tangent to the surface

S={ (x,y,z) ∣ f(x,y,z)=1 }S = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ f(x,y,z) = 1\ \big\}

at the point (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2). (c) Find the distance between TT and the point (0,1,0)(0, 1, 0). (d) Find the angle between the plane TT and the plane

P={ (x,y,z) ∣ x+z=0 }.P = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x + z = 0\ \big\}.

정답·풀이 보기

ff 의 1계 편도함수를 임의의 점 (x,y,z)(x,y,z) 에서와 점 (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2) 에서 각각 구하면 다음과 같다.

fx(x,y,z)=2xfx(1,0,π/2)=2fy(x,y,z)=−zsin⁡(yz)fy(1,0,π/2)=0fz(x,y,z)=−ysin⁡(yz)fz(1,0,π/2)=0\begin{aligned} f_x(x,y,z)&= 2x\qquad & f_x(1, 0, \pi/2)&= 2 \\ f_y(x,y,z)&= -z\sin(yz)\qquad & f_y(1, 0, \pi/2)&= 0 \\ f_z(x,y,z)&= -y\sin(yz)\qquad & f_z(1, 0, \pi/2)&= 0 \end{aligned}

(a) ff 의 증가율이 가장 큰 방향은 ∇f(1,0,π/2)=<2,0,0>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1, 0, \pi/2)=\left< 2,0,0\right> 의 방향이다. 그 방향의 단위벡터는 ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} 이다.

(b) 기울기 벡터 ∇f(1,0,π/2)=<2,0,0>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1, 0, \pi/2)=\left< 2,0,0\right> 는 (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2) 에서 곡면 f=1f=1 의 법선벡터이다. 따라서 구하는 접평면은

<2,0,0>⋅<x−1 , y−0 , z−π/2>=0또는x=1\begin{aligned} \left< 2,0,0\right> \cdot \left< x-1\,,\,y-0\,,\,z-\pi/2\right>=0\qquad\text{또는}\qquad x=1 \end{aligned}

이다.

(c) 점 (0,1,0)(0,1,0) 에서 TT 위의 점 (1,1,0)(1,1,0) 으로 향하는 벡터는 <1,0,0>\left< 1,0,0\right> 이고, 이 벡터는 TT 에 수직이다. 따라서 (1,1,0)(1,1,0) 은 TT 위의 점 중 (0,1,0)(0,1,0) 에 가장 가까운 점이고, (0,1,0)(0,1,0) 에서 TT 까지의 거리는 ∣<1,0,0>∣=1|\left< 1,0,0\right>|=1 이다.

(d) 벡터 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 은 평면 x+z=0x+z=0 에 수직이다. 따라서 두 평면 TT 와 x+z=0x+z=0 이 이루는 각은 두 벡터 <1,0,0>\left< 1,0,0\right> 과 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 이 이루는 각 θ\theta 와 같고, 이 각은 다음을 만족한다.

∣<1,0,0>∣ ∣<1,0,1>∣ cos⁡θ=∣<1,0,0>⋅<1,0,1>∣=1  ⟹  cos⁡θ=12  ⟹  θ=π4\begin{aligned} & |\left< 1,0,0\right>| \ |\left< 1,0,1\right>|\ \cos\theta =|\left< 1,0,0\right>\cdot\left< 1,0,1\right>| =1 \\ &\implies \cos\theta=\frac{1}{\sqrt{2}} \implies \theta=\frac{\pi}{4} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The first order partial derivatives of ff, both at a general point (x,y,z)(x,y,z) and at the point (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2), are

fx(x,y,z)=2xfx(1,0,π/2)=2fy(x,y,z)=−zsin⁡(yz)fy(1,0,π/2)=0fz(x,y,z)=−ysin⁡(yz)fz(1,0,π/2)=0\begin{aligned} f_x(x,y,z)&= 2x\qquad & f_x(1, 0, \pi/2)&= 2 \\ f_y(x,y,z)&= -z\sin(yz)\qquad & f_y(1, 0, \pi/2)&= 0 \\ f_z(x,y,z)&= -y\sin(yz)\qquad & f_z(1, 0, \pi/2)&= 0 \end{aligned}

(a) The rate of increase of ff is largest in the direction of ∇f(1,0,π/2)=<2,0,0>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1, 0, \pi/2)=\left< 2,0,0\right>. A unit vector in that direction is ı^\hat{\boldsymbol{\imath}}.

(b) The gradient vector ∇f(1,0,π/2)=<2,0,0>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1, 0, \pi/2)=\left< 2,0,0\right> is a normal vector to the surface f=1f=1 at (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2). So the specified tangent plane is

<2,0,0>⋅<x−1 , y−0 , z−π/2>=0orx=1\begin{aligned} \left< 2,0,0\right> \cdot \left< x-1\,,\,y-0\,,\,z-\pi/2\right>=0\qquad\text{or}\qquad x=1 \end{aligned}

(c) The vector from the point (0,1,0)(0,1,0) to the point (1,1,0)(1,1,0), on TT, is <1,0,0>\left< 1,0,0\right>, which is perpendicular to TT. So (1,1,0)(1,1,0) is the point on TT nearest (0,1,0)(0,1,0) and the distance from (0,1,0)(0,1,0) to TT is ∣<1,0,0>∣=1|\left< 1,0,0\right>|=1.

(d) The vector <1,0,1>\left< 1,0,1\right> is perpendicular to the plane x+z=0x+z=0. So the angle between the planes TT and x+z=0x+z=0 is the same as the angle θ\theta between the vectors <1,0,0>\left< 1,0,0\right> and <1,0,1>\left< 1,0,1\right>, which obeys

∣<1,0,0>∣ ∣<1,0,1>∣ cos⁡θ=∣<1,0,0>⋅<1,0,1>∣=1  ⟹  cos⁡θ=12  ⟹  θ=π4\begin{aligned} & |\left< 1,0,0\right>| \ |\left< 1,0,1\right>|\ \cos\theta =|\left< 1,0,0\right>\cdot\left< 1,0,1\right>| =1 \\ &\implies \cos\theta=\frac{1}{\sqrt{2}} \implies \theta=\frac{\pi}{4} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 32번
# 방향도함수와 기울기벡터계산도전자동 분류
68.CLP-3 · 2.7절 · 30번대학 수준우리말 번역

함수 T(x,y,z)T(x,y,z) 가 P=(2,1,1)P = (2,1,1) 에서 T(P)=5T(P) = 5, Tx(P)=1T_x (P) = 1, Ty(P)=2T_y(P) = 2, Tz(P)=3T_z(P) = 3 임이 알려져 있다.

(a) 꿀벌이 PP 에서 출발하여 점 Q=(3,2,2)Q = (3,2,2) 를 향하는 단위벡터를 따라 날아간다. 이 방향으로의 T(x,y,z)T(x,y,z) 의 변화율을 구하세요. (b) 점 PP 에서 TT 의 선형 근사를 이용하여 T(1.9,1,1.2)T(1.9,1,1.2) 를 어림하세요. (c) S(x,y,z)=x+zS(x,y,z) = x + z 라 하자. 꿀벌이 PP 에서 출발할 때, 이 방향으로의 T(x,y,z)T(x,y,z) 의 변화율과 S(x,y,z)S(x,y,z) 의 변화율이 모두 0이 되려면 어느 단위벡터 방향으로 날아가야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

A function T(x,y,z)T(x,y,z) at P=(2,1,1)P = (2,1,1) is known to have T(P)=5T(P) = 5, Tx(P)=1T_x (P) = 1, Ty(P)=2T_y(P) = 2, and Tz(P)=3T_z(P) = 3.

(a) A bee starts flying at PP and flies along the unit vector pointing towards the point Q=(3,2,2)Q = (3,2,2). What is the rate of change of T(x,y,z)T(x,y,z) in this direction? (b) Use the linear approximation of TT at the point PP to approximate T(1.9,1,1.2)T(1.9,1,1.2). (c) Let S(x,y,z)=x+zS(x,y,z) = x + z. A bee starts flying at PP; along which unit vector direction should the bee fly so that the rate of change of T(x,y,z)T(x,y,z) and of S(x,y,z)S(x,y,z) are both zero in this direction?

정답·풀이 보기

(a) P=(2,1,1)P=(2,1,1) 에서 Q=(3,2,2)Q=(3,2,2) 로 향하는 단위벡터 방향으로의 TT 의 방향도함수를 구하는 문제이다. 이 단위벡터는 <1,1,1>3\frac{\left< 1,1,1\right>}{\sqrt{3}} 이다. 따라서 방향도함수는

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

이다.

(b) PP 에서 TT 의 선형 근사는

T(2+Δx , 1+Δy , 1+Δz)≈T(P)+Tx(P) Δx+Ty(P) Δy+Tz(P) Δz=5+Δx+2 Δy+3 Δz\begin{aligned} T(2+\Delta x\,,\,1+\Delta y\,,\,1+\Delta z) &\approx T(P) + T_x(P)\,\Delta x + T_y(P)\,\Delta y + T_z(P)\,\Delta z \\ &= 5 +\Delta x +2\,\Delta y +3\,\Delta z \end{aligned}

이다. 여기에 Δx=−0.1\Delta x = -0.1, Δy=0\Delta y = 0, Δz=0.2\Delta z=0.2 를 대입하면

T(1.9 , 1 , 1.2)≈5+(−0.1)+2 (0)+3 (0.2)=5.5\begin{aligned} T(1.9\,,\,1\,,\,1.2) &\approx 5 +(-0.1) +2\,(0) +3\,(0.2) =5.5 \end{aligned}

이다.

(c) TT 의 변화율이 0이 되려면 운동 방향이 ∇T(P)=<1,2,3>{ \boldsymbol{\nabla} } T(P) = \left< 1,2,3\right> 에 수직이어야 한다. SS 의 변화율도 0이 되려면 운동 방향이 ∇S(P)=<1,0,1>{ \boldsymbol{\nabla} } S(P) = \left< 1,0,1\right> 에도 수직이어야 한다. 벡터

<1,2,3>×<1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^123101]=<2,2,−2>\begin{aligned} \left< 1,2,3\right> \times \left< 1,0,1\right> &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}}\\ 1 & 2 & 3 \\ 1 & 0 & 1\end{matrix}\right] =\left< 2,2,-2\right> \end{aligned}

는 ∇T(P){ \boldsymbol{\nabla} } T(P) 와 ∇S(P){ \boldsymbol{\nabla} } S(P) 에 모두 수직이다. 따라서 구하는 단위벡터는 ±<1,1,−1>3\pm\frac{\left< 1,1,-1\right>}{\sqrt{3}} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We are being asked for the directional derivative of TT in the direction of the unit vector from P=(2,1,1)P=(2,1,1) to Q=(3,2,2)Q=(3,2,2), which is <1,1,1>3\frac{\left< 1,1,1\right>}{\sqrt{3}}. That directional derivative is

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

(b) The linear approximation to TT at PP is

T(2+Δx , 1+Δy , 1+Δz)≈T(P)+Tx(P) Δx+Ty(P) Δy+Tz(P) Δz=5+Δx+2 Δy+3 Δz\begin{aligned} T(2+\Delta x\,,\,1+\Delta y\,,\,1+\Delta z) &\approx T(P) + T_x(P)\,\Delta x + T_y(P)\,\Delta y + T_z(P)\,\Delta z \\ &= 5 +\Delta x +2\,\Delta y +3\,\Delta z \end{aligned}

Applying this with Δx=−0.1\Delta x = -0.1, Δy=0\Delta y = 0, Δz=0.2\Delta z=0.2 gives

T(1.9 , 1 , 1.2)≈5+(−0.1)+2 (0)+3 (0.2)=5.5\begin{aligned} T(1.9\,,\,1\,,\,1.2) &\approx 5 +(-0.1) +2\,(0) +3\,(0.2) =5.5 \end{aligned}

(c) For the rate of change of TT to be zero, the direction of motion must be perpendicular to ∇T(P)=<1,2,3>{ \boldsymbol{\nabla} } T(P) = \left< 1,2,3\right>. For the rate of change of SS to also be zero, the direction of motion must also be perpendicular to ∇S(P)=<1,0,1>{ \boldsymbol{\nabla} } S(P) = \left< 1,0,1\right>. The vector

<1,2,3>×<1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^123101]=<2,2,−2>\begin{aligned} \left< 1,2,3\right> \times \left< 1,0,1\right> &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}}\\ 1 & 2 & 3 \\ 1 & 0 & 1\end{matrix}\right] =\left< 2,2,-2\right> \end{aligned}

is perpendicular to both ∇T(P){ \boldsymbol{\nabla} } T(P) and ∇S(P){ \boldsymbol{\nabla} } S(P). So the desired unit vectors are ±<1,1,−1>3\pm\frac{\left< 1,1,-1\right>}{\sqrt{3}}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.7절 · 31번
# 방향도함수와 기울기벡터계산도전자동 분류
69.CLP-3 · 2.7절 · 31번대학 수준우리말 번역

함수 F(x,y,z)=z3+xy2+xzF(x,y,z) = z^3 +xy^2 +xz 와 G(x,y,z)=3x−y+4zG(x,y,z)=3x-y+4z 를 생각하세요. 당신은 점 P(0,1,2)P(0,1,2) 에 서 있습니다.

(a) PP 에서 Q(0.1 , 0.9 , 1.8)Q(0.1\,,\,0.9\,,\,1.8) 로 뛰어갑니다. 선형 근사를 이용하여 FF 가 변하는 양을 대략 구하세요. (b) PP 에서 GG 가 가장 빠르게 증가하는 방향으로 뛰어갑니다. FF 는 증가하는지 감소하는지 판단하세요. (c) PP 에서 FF 와 GG 의 변화율이 모두 0 인 방향 <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> 로 뛰어갑니다. 이러한 방향의 예를 하나 구하세요(단위벡터일 필요는 없습니다).

영어 원문 보기

Consider the functions F(x,y,z)=z3+xy2+xzF(x,y,z) = z^3 +xy^2 +xz and G(x,y,z)=3x−y+4zG(x,y,z)=3x-y+4z. You are standing at the point P(0,1,2)P(0,1,2).

(a) You jump from PP to Q(0.1 , 0.9 , 1.8)Q(0.1\,,\,0.9\,,\,1.8). Use the linear approximation to determine approximately the amount by which FF changes. (b) You jump from PP in the direction along which GG increases most rapidly. Will FF increase or decrease? (c) You jump from PP in a direction <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> along which the rates of change of FF and GG are both zero. Give an example of such a direction (need not be a unit vector).

정답·풀이 보기

(0,1,2)(0,1,2) 에서 FF 와 GG 의 기울기벡터가 모두 필요하다. 따라서 다음을 계산한다.

∂F∂x(x,y,z)=y2+z∂F∂y(x,y,z)=2xy∂F∂z(x,y,z)=3z2+x∂G∂x(x,y,z)=3∂G∂y(x,y,z)=−1∂G∂z(x,y,z)=4\begin{aligned} \frac{\partial F}{\partial x}(x,y,z)&=y^2+z & \frac{\partial F}{\partial y}(x,y,z)&=2xy & \frac{\partial F}{\partial z}(x,y,z)&=3z^2+x \\ \frac{\partial G}{\partial x}(x,y,z)&=3 & \frac{\partial G}{\partial y}(x,y,z)&=-1 & \frac{\partial G}{\partial z}(x,y,z)&=4 \end{aligned}

그러면

∇F(0,1,2)=<3,0,12>∇G(0,1,2)=<3,−1,4>{ \boldsymbol{\nabla} } F(0,1,2) = \left< 3,0,12 \right>\qquad { \boldsymbol{\nabla} } G(0,1,2) = \left< 3,-1,4 \right>

이다.

(a) (0,1,2)(0,1,2) 에서 FF 의 선형 근사는

F(x,y,z)≈F(0,1,2)+Fx(0,1,2) x+Fy(0,1,2) (y−1)+Fz(0,1,2) (z−2)=8+3x+12(z−2)\begin{aligned} F(x,y,z) &\approx F(0,1,2) + F_x(0,1,2)\,x + F_y(0,1,2)\,(y-1) + F_z(0,1,2)\,(z-2) \\ &=8+ 3 x + 12 (z-2) \end{aligned}

이다. 특히

F(0.1 , 0.9 , 1.8)−F(0,1,2)≈3(0.1)+12(−0.2)=−2.1\begin{aligned} F(0.1\,,\,0.9\,,\,1.8) - F(0,1,2) &\approx 3(0.1) + 12(-0.2) =-2.1 \end{aligned}

이다.

(b) PP 에서 GG 가 가장 빠르게 증가하는 방향은 ∇G(0,1,2)=<3,−1,4>{ \boldsymbol{\nabla} } G(0,1,2) = \left< 3,-1,4 \right> 이다. 그 방향으로의 FF 의 방향미분계수는

D<3,−1,4>26F(0,1,2)=∇F(0,1,2)⋅<3,−1,4>26=<3,0,12>⋅<3,−1,4>26>0\begin{aligned} D_{\frac{\left< 3,-1,4\right>}{\sqrt{26}}}F(0,1,2) = { \boldsymbol{\nabla} } F(0,1,2) \cdot \frac{\left< 3,-1,4\right>}{\sqrt{26}} = \left< 3,0,12 \right>\cdot \frac{\left< 3,-1,4\right>}{\sqrt{26}} > 0 \end{aligned}

이다. 따라서 FF 는 증가한다.

(c) FF 의 변화율이 0 이 되려면 <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> 가 ∇F(0,1,2)=<3,0,12>{ \boldsymbol{\nabla} } F(0,1,2) = \left< 3,0,12 \right> 에 수직이어야 한다.

GG 의 변화율이 0 이 되려면 <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> 가 ∇G(0,1,2)=<3,−1,4>{ \boldsymbol{\nabla} } G(0,1,2) = \left< 3,-1,4 \right> 에 수직이어야 한다.

따라서 0이 아닌 임의의 상수 곱

det⁡[ı^ȷ^k^30123−14]=<12 , 24 , −3>=3<4 , 8 , −1>\begin{aligned} \det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 3 & 0 & 12 \\ 3 & -1 & 4 \end{matrix}\right] =\left< 12 \,,\, 24 \,,\, -3 \right> =3 \left< 4 \,,\, 8 \,,\, -1 \right> \end{aligned}

이 조건을 만족하는 방향이다.

원본 교재 풀이(영어)

We are going to need the gradients of both FF and GG at (0,1,2)(0,1,2). So we compute

∂F∂x(x,y,z)=y2+z∂F∂y(x,y,z)=2xy∂F∂z(x,y,z)=3z2+x∂G∂x(x,y,z)=3∂G∂y(x,y,z)=−1∂G∂z(x,y,z)=4\begin{aligned} \frac{\partial F}{\partial x}(x,y,z)&=y^2+z & \frac{\partial F}{\partial y}(x,y,z)&=2xy & \frac{\partial F}{\partial z}(x,y,z)&=3z^2+x \\ \frac{\partial G}{\partial x}(x,y,z)&=3 & \frac{\partial G}{\partial y}(x,y,z)&=-1 & \frac{\partial G}{\partial z}(x,y,z)&=4 \end{aligned}

and then

∇F(0,1,2)=<3,0,12>∇G(0,1,2)=<3,−1,4>{ \boldsymbol{\nabla} } F(0,1,2) = \left< 3,0,12 \right>\qquad { \boldsymbol{\nabla} } G(0,1,2) = \left< 3,-1,4 \right>

(a) The linear approximation to FF at (0,1,2)(0,1,2) is

F(x,y,z)≈F(0,1,2)+Fx(0,1,2) x+Fy(0,1,2) (y−1)+Fz(0,1,2) (z−2)=8+3x+12(z−2)\begin{aligned} F(x,y,z) &\approx F(0,1,2) + F_x(0,1,2)\,x + F_y(0,1,2)\,(y-1) + F_z(0,1,2)\,(z-2) \\ &=8+ 3 x + 12 (z-2) \end{aligned}

In particular

F(0.1 , 0.9 , 1.8)−F(0,1,2)≈3(0.1)+12(−0.2)=−2.1\begin{aligned} F(0.1\,,\,0.9\,,\,1.8) - F(0,1,2) &\approx 3(0.1) + 12(-0.2) =-2.1 \end{aligned}

(b) The direction along which GG increases most rapidly at PP is ∇G(0,1,2)=<3,−1,4>{ \boldsymbol{\nabla} } G(0,1,2) = \left< 3,-1,4 \right>. The directional derivative of FF in that direction is

D<3,−1,4>26F(0,1,2)=∇F(0,1,2)⋅<3,−1,4>26=<3,0,12>⋅<3,−1,4>26>0\begin{aligned} D_{\frac{\left< 3,-1,4\right>}{\sqrt{26}}}F(0,1,2) = { \boldsymbol{\nabla} } F(0,1,2) \cdot \frac{\left< 3,-1,4\right>}{\sqrt{26}} = \left< 3,0,12 \right>\cdot \frac{\left< 3,-1,4\right>}{\sqrt{26}} > 0 \end{aligned}

So FF increases.

(c) For the rate of change of FF to be zero, <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> must be perpendicular to ∇F(0,1,2)=<3,0,12>{ \boldsymbol{\nabla} } F(0,1,2) = \left< 3,0,12 \right>.

For the rate of change of GG to be zero, <a , b , c>\left< a\,,\,b\,,\,c\right> must be perpendicular to ∇G(0,1,2)=<3,−1,4>{ \boldsymbol{\nabla} } G(0,1,2) = \left< 3,-1,4 \right>.

So any nonzero constant times

det⁡[ı^ȷ^k^30123−14]=<12 , 24 , −3>=3<4 , 8 , −1>\begin{aligned} \det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 3 & 0 & 12 \\ 3 & -1 & 4 \end{matrix}\right] =\left< 12 \,,\, 24 \,,\, -3 \right> =3 \left< 4 \,,\, 8 \,,\, -1 \right> \end{aligned}

is an allowed direction.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.6절 · 42번
# 방향도함수와 기울기벡터계산도전자동 분류