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=0 평면으로부터 산의 높이는 다음과 같이 주어진다.
z=f(x,y)=6−xy2
양의 x 축은 동쪽을, 양의 y 축은 북쪽을 가리키고,
등산객은 점 P(2,1,4) 에서 출발한다.
(a) 가장 가파른 길을 따라 올라가려면 등산객은 P 에서 어느 방향으로 나아가야 하는지 구하세요. 그 길의 기울기는 얼마인지 구하세요.
(b) P 에서 북쪽으로 걸으면 등산객은 오르기 시작하는지 내려가기 시작하는지 판단하세요. 기울기는 얼마인지 구하세요.
(c) 같은 높이를 유지하려면 등산객은 P 에서 어느 방향으로 걸어야 하는지 구하세요.
영어 원문 보기
A hiker is walking on a mountain with height above the z=0 plane given by
z=f(x,y)=6−xy2
The positive x–axis points east and the positive y–axis points north,
and the hiker starts from the point P(2,1,4).
(a) In what direction should the hiker proceed from P to ascend
along the steepest path? What is the slope of the path?
(b) Walking north from P, will the hiker start to ascend or descend?
What is the slope?
(c) In what direction should the hiker walk from P to remain at the same height?
정답·풀이 보기
(a) (x,y)=(2,1) 에서 f 의 그래디언트는
∇f(2,1)=⟨−y2,−2xy⟩(x,y)=(2,1)=⟨−1,−4⟩
이므로 가장 가파르게 올라가는 길의 방향은
−171⟨1,4⟩ 이며, 이는 남쪽에서 약간 서쪽으로 치우친 방향이다. 기울기는
∣∇f(2,1)∣=∣⟨−1,−4⟩∣=17
이다.
(b) 북쪽 방향의 방향미분계수는
D⟨0,1⟩f(2,1)=∇f(2,1)⋅⟨0,1⟩=⟨−1,−4⟩⋅⟨0,1⟩=−4
이므로 등산객은 기울기 ∣−4∣=4 로 내려간다.
(c) 등고선을 따라 걷는, 즉 같은 높이를 유지하려면 등산객은
∇f(2,1)=⟨−1,−4⟩ 에 수직인 방향으로 걸어야 한다.
⟨−1,−4⟩ 에 수직인 두 단위벡터는
±171⟨4,−1⟩ 이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) The gradient of f at (x,y)=(2,1) is
∇f(2,1)=⟨−y2,−2xy⟩(x,y)=(2,1)=⟨−1,−4⟩
So the path of steepest ascent is in the direction
−171⟨1,4⟩, which is a little
west of south. The slope is
∣∇f(2,1)∣=∣⟨−1,−4⟩∣=17
(b) The directional derivative in the north direction is
D⟨0,1⟩f(2,1)=∇f(2,1)⋅⟨0,1⟩=⟨−1,−4⟩⋅⟨0,1⟩=−4
So the hiker descends with slope ∣−4∣=4.
(c) To contour, i.e. remain at the same height, the hiker should walk
in a direction perpendicular to ∇f(2,1)=⟨−1,−4⟩.
Two unit vectors perpendicular to ⟨−1,−4⟩
are ±171⟨4,−1⟩.
두 등산객이 높이가 z=1000−2x2−3y2 인 (작은) 산을 오르고 있다.
이들은 (1,1,995) 에서 출발하여 가장 가파른 오르막 경로를 따라간다. 이들의
(x,y) 좌표는 어떤 상수 a,b 에 대해 y=axb 를 만족한다.
a 와 b 를 구하세요.
영어 원문 보기
Two hikers are climbing a (small) mountain whose height is
z=1000−2x2−3y2.
They start at (1,1,995) and follow the path of steepest ascent. Their
(x,y) coordinates obey y=axb for some constants a,b.
Determine a and b.
정답·풀이 보기
h(x,y)=1000−2x2−3y2 의 기울기벡터는
∇h(x,y)=(−4x,−6y) 이다. 이 기울기벡터(가장 가파르게 오르는 방향을 가리킨다)는
y=axb 위의 모든 점에서 y=axb 의 접선과 평행해야 한다. y=axb 의 접선은 ⟨1,dxdy⟩=⟨1,abxb−1⟩ 이다.
⟨−4x,−6y⟩∥⟨1,abxb−1⟩⟹1abxb−1=−4x−6y⟹23y=abxb
이것이 y=axb 위의 모든 점에서 성립하는 것은 b=23 일 때, 그리고 그때에 한한다.
(1,1) 도 y=axb 위에 있어야 하므로 1=a1b 이어야 하고, 따라서
a=1, b=23 이다. 다음은 등산로를 나타낸 등고선 지도이다.
원본 교재 풀이(영어)
The gradient of h(x,y)=1000−2x2−3y2 is
∇h(x,y)=(−4x,−6y). This gradient (which points in the direction
of steepest ascent) must be parallel to the tangent to y=axb at all
points on y=axb. A tangent to y=axb is ⟨1,dxdy⟩=⟨1,abxb−1⟩.
⟨−4x,−6y⟩∥⟨1,abxb−1⟩⟹1abxb−1=−4x−6y⟹23y=abxb
This is true at all points on y=axb if and only if b=23.
As (1,1) must also be on y=axb, we need 1=a1b, which forces
a=1, b=23. Here is a contour map showing the hiking trail.
(a) 점 P(1,−34) 에서 f(x,y) 의 최대 변화율을 구하세요.
(b) 점 P(1,−34) 에서 f(x,y) 의 방향미분계수가 51 이 되는 방향을 구하세요.
영어 원문 보기
Let f(x,y)=2x2+3xy+y2 be a function of x and y.
(a) Find the maximum rate of change of f(x,y) at the point
P(1,−34).
(b) Find the directions in which the directional derivative of f(x,y)
at the point P(1,−34) has the value 51.
정답·풀이 보기
이 문제의 두 소문제 모두에서 (x,y)=(1,−34) 에서의 f(x,y) 의 그래디언트가 필요하다.
따라서 먼저 이를 구한다.
함수 w=f(x,y,z) 의 점 P 에서의 방향미분계수는 벡터 ^ 의 방향으로 2, 벡터 ^+^ 의 방향으로 −2, 벡터 ^+^+k^ 의 방향으로 −35 이다.
함수 w=f(x,y,z) 의 점 P 에서 변화율이 최대가 되는 방향을 구하세요. 이때 최대 변화율은 얼마인지 구하세요.
영어 원문 보기
The directional derivative of a function w=f(x,y,z) at a point P in the direction
of the vector ^ is 2, in the direction of the vector ^+^ is −2, and
in the direction of the vector ^+^+k^ is −35.
Find the direction in which the function w=f(x,y,z) has the
maximum rate of change at the point P . What is this maximum rate of change?
정답·풀이 보기
함수 f 의 P 에서의 그레이디언트를 ⟨a,b,c⟩ 라 하자. 주어진 조건은 다음과 같다.
From these equations we read off, in order,
a=2, b=−4 and c=−3.
The function f has maximum rate of change at P in the
direction if the gradient of f. The unit vector in that direction is
∣⟨2,−4,−3⟩∣⟨2,−4,−3⟩=29⟨2,−4,−3⟩
The maximum rate of change is the magnitude of the gradient, which is
29.
함수 f(x,y) 가 원점에서 가장 빠르게 증가하는 방향이 벡터 ⟨1,2⟩ 로 주어진다고 하자.
원점을 지나는 f(x,y) 의 등위곡선에 접하는 단위벡터 u 를 구하세요.
영어 원문 보기
Suppose it is known that the direction of the fastest increase of the
function f(x,y) at the origin is given by the vector ⟨1,2⟩.
Find a unit vector u that is tangent to the level curve of f(x,y)
that passes through the origin.
정답·풀이 보기
함수 f(x,y) 가 원점에서 가장 빠르게 증가하는 방향이 벡터 ⟨1,2⟩ 로 주어졌다.
이는 ∇f(0,0) 이 ⟨1,2⟩ 와 평행함을 뜻한다.
따라서 ⟨1,2⟩ 는 원점을 지나는 f(x,y) 의 등위곡선에 수직이다(법선벡터이다). 그러므로 ⟨1,2⟩ 와 수직인 ⟨2,−1⟩ 은 원점을 지나는 f(x,y) 의 등위곡선에 접한다.
⟨2,−1⟩ 과 평행한 단위벡터는
±51⟨2,−1⟩ 이다.
원본 교재 풀이(영어)
We are told that the direction of fastest increase for the
function f(x,y) at the origin is given by the vector ⟨1,2⟩.
This implies that ∇f(0,0) is parallel to ⟨1,2⟩.
This in turn implies that ⟨1,2⟩ is normal to the level curve
of f(x,y) that passes through the origin. So ⟨2,−1⟩, being
perpendicular to ⟨1,2⟩, is tangent to the level curve of
f(x,y) that passes through the origin.
The unit vectors that are parallel to ⟨2,−1⟩
are ±51⟨2,−1⟩.
언덕의 모양이 z=1000−0.02x2−0.01y2 으로 주어져 있다.
x–축은 동쪽을, y–축은 북쪽을 향하고, 모든 거리의 단위는 미터(m)라고 하자.
(a) 점 (0,100,900) 에서 가장 가파르게 올라가는 방향은 어느 쪽인가요?
(답은 나침반의 방위로 나타내세요.)
(b) (a)의 방향으로 점 (0,100,900) 에서 언덕의 기울기를 구하세요.
(c) 이 언덕에서 가장 가파르게 내려가는 방향으로 자전거를 속력 5 m/s 로 타고 갈 때, 점 (0, 100, 900) 을 지나는 순간 (시간에 대한) 고도의 변화율을 구하세요.
영어 원문 보기
The shape of a hill is given by z=1000−0.02x2−0.01y2.
Assume that the x–axis is pointing East, and the y–axis
is pointing North, and all distances are in metres.
(a) What is the direction of the steepest ascent at the point (0,100,900)?
(The answer should be in terms of directions of the compass).
(b) What is the slope of the hill at the point (0,100,900) in the
direction from (a)?
(c) If you ride a bicycle on this hill in the direction of the steepest
descent at 5 m/s, what is the rate of change of your altitude
(with respect to time) as you pass through the point (0, 100, 900)?
정답·풀이 보기
h(x,y)=1000−0.02x2−0.01y2 으로 놓으면 언덕은 z=h(x,y) 이다.
(a) 점 (0,100,900) 에서 가장 가파르게 올라가는 방향은 (0,100) 에서 h(x,y) 의 증가율이 최대인 방향이다.
이는 ∇h(0,100)=⟨0,−0.01(2)(100)⟩=⟨0,−2⟩ 이다. 나침반의 방위로는 남쪽이다.
(b) 그곳에서 언덕의 기울기는 다음과 같다.
∇h(0,100)⋅⟨0,−1⟩=−∂y∂h(0,100)=2
(c) 시각 t 에서 자신의 위치를 (x(t),y(t),z(t)) 라 하고, 시각 t=0 에 (0,100,900) 에 있다고 하자.
그러면 다음을 알 수 있다.
언덕 위에 있으므로 z(t)=1000−0.02x(t)2−0.01y(t)2 이고, 따라서
z′(t)=−0.04x(t)x′(t)−0.02y(t)y′(t) 이다.
가장 가파르게 내려가는 방향으로 가고 있으므로 x′(0)=0 이고 y′(0)>0 이다.
속력 5 로 움직이므로 x′(0)2+y′(0)2+z′(0)2=25 이다.
x(0) 와 y(0)=100 이므로 z′(0)=−0.02(100)y′(0)=−2y′(0) 이다. 따라서
Write
h(x,y)=1000−0.02x2−0.01y2 so that the hill is z=h(x,y).
(a) The direction of steepest ascent at (0,100,900)
is the direction of maximum rate of increase of h(x,y) at (0,100)
which is ∇h(0,100)=⟨0,−0.01(2)(100)⟩=⟨0,−2⟩. In compass
directions that is South.
(b) The slope of the hill there is
∇h(0,100)⋅⟨0,−1⟩=−∂y∂h(0,100)=2
(c) Denote by (x(t),y(t),z(t)) your position at time t
and suppose that you are at (0,100,900) at time t=0.
Then we know
z(t)=1000−0.02x(t)2−0.01y(t)2, so that
z′(t)=−0.04x(t)x′(t)−0.02y(t)y′(t),
since you are on the hill and
x′(0)=0 and y′(0)>0 since you are going in the direction of steepest
descent and
x′(0)2+y′(0)2+z′(0)2=25 since you are moving at speed 5.
Since x(0) and y(0)=100, we have z′(0)=−0.02(100)y′(0)=−2y′(0). So
(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).