(b) f(x,y) 는 (0,0) 에서 두 편도함수가 모두 존재하지만 연속이 아니다. 이를 확인하기 위해 좌표를 (x,y) 에서 (X,y) 로 바꾸되 X=x+y (분모)로 둔다. 물론 (x,y)→(0,0) 인 것과 (X,y)→(0,0) 인 것은 동치이다.
이제 X 가 y 보다 훨씬 작은 상태로 (X,y)→(0,0) 일 때 어떻게 되는지 보자. 예를 들어 X=ay2 이면
x+y(x+2y)2=X(X+y)2=ay2(ay2+y)2=a(1+ay)2→a1
이다. 이 값은 a 에 따라 달라진다. 따라서 서로 다른 경로를 따라 (0,0) 에 접근하면 극한이 서로 다르다. (좌표를 바꾸지 않고도 x=−y+ay2 으로 놓고 (x,y)→(0,0) 으로 보내면 같은 현상을 볼 수 있다.) 더 극단적으로, X=y3 으로 놓고 (X,y)→(0,0) 일 때를 보면
(b) f(x,y) is not continuous at (0,0), even though both partial
derivatives exist there. To see this, make a change of coordinates from
(x,y) to (X,y) with X=x+y (the denominator). Of course,
(x,y)→(0,0) if and only if (X,y)→(0,0).
Now watch what happens when (X,y)→(0,0) with X a lot smaller
than y. For example, X=ay2. Then
x+y(x+2y)2=X(X+y)2=ay2(ay2+y)2=a(1+ay)2→a1
This depends on a. So approaching (0,0) along different paths gives
different limits. (You can see the same effect without changing coordinates
by sending (x,y)→(0,0) with x=−y+ay2.) Even more dramatically,
watch what happens when (X,y)→(0,0) with X=y3. Then
밑면이 xy 평면 위에서 중심이 (0,0) 이고 반지름이 1인 원이고, yz 평면에서 직선 z=y 에 평행하게 기울어진 원기둥을 생각하세요.
점 (0,−1,0) 에 서서 y 축의 양의 방향을 바라볼 때, 곡면의 기울기는 얼마인가요? x 축의 양의 방향을 바라볼 때는 얼마인가요?
영어 원문 보기
Consider the cylinder whose base is the radius-1 circle in the xy-plane
centred at (0,0), and which slopes parallel to the line in the yz-plane
given by z=y.
When you stand at the point (0,−1,0), what is the slope of the surface if you look in the positive y direction? The positive x direction?
정답·풀이 보기
풀이 1
먼저 이 곡면의 방정식을 구하자. 모든 등위곡선은 반지름이 1인 수평 방향의 원이므로, 방정식은 다음 꼴이어야 한다.
(x−f1)2+(y−f2)2=1
여기서 f1 과 f2 는 z 에만 의존하는 함수이다. 높이 z 에서 원의 중심이 x=0, y=z 에 있으므로, 이 곡면의 방정식은 다음과 같다.
x2+(y−z)2=1
점 (x,y) 에서 곡면의 높이는 이 방정식을 풀어 얻은 z(x,y) 이다. 즉,
x2+(y−z(x,y))2=1(∗)
원하는 점 (x,y)=(0,−1) 에서 zx(x,y) 와 zy(x,y) 를 구하기 위해 이 등식을 음함수 미분한다. 먼저 (∗) 를 y 에 대해 미분하면
(0,−1,0) 에 서서 y 축의 양의 방향을 바라보면, 곡면은 다음 조건을 만족하는 직선을 따른다.
점 (0,−1,0) 을 지난다.
원기둥의 중심선 z=y,x=0 에 평행하다.
중심선을 y 방향으로 1만큼 옮기면 직선 z=y+1, x=0 을 얻는다. (확인해 보면 (0,−1,0) 은 실제로 z=y+1,
x=0 위에 있다.) 이 직선의 기울기는 1이다.
(0,−1,0) 에 서서 x 축의 양의 방향을 바라보면, 곡면은 원 x2+y2=1, z=0 을 따른다. 이 원은 원기둥과 xy 평면의 교선이다. 이 원을 따라 움직이는 동안 z 좌표는 0 으로 고정된다. 따라서 이 방향의 기울기는 0이다.
원본 교재 풀이(영어)
Solution 1
Let's start by finding an equation for this surface. Every level curve
is a horizontal circle of radius one, so the equation should be of the form
(x−f1)2+(y−f2)2=1
where f1 and f2 are functions depending only on z. Since the centre of the circle at height z is at position x=0, y=z, we see that the equation of our surface is
x2+(y−z)2=1
The height of the surface at the point (x,y) is the z(x,y) found by solving
that equation. That is,
x2+(y−z(x,y))2=1(∗)
We differentiate this equation implicitly to find zx(x,y) and zy(x,y) at the desired point (x,y)=(0,−1). First, differentiating (∗) with respect
to y gives
0+2(y−z(x,y))(1−zy(x,y))2(−1−0)(1−zy(0,−1))=0=0 at (0,−1,0)
so that the slope looking in the positive y direction is zy(0,−1)=1.
Similarly, differentiating (∗) with respect to x gives
2x+2(y−z(x,y))⋅(0−zx(x,y))2xzx(x,y)zx(0,−1)=0=2(y−z(x,y))⋅zx(x,y)=y−z(x,y)x=0 at (0,−1,0)
The slope looking in the positive x direction is zx(0,−1)=0.
Solution 2
Standing at (0,−1,0) and looking in the positive y direction,
the surface follows the straight line that
passes through the point (0,−1,0), and
is parallel to the central line z=y,x=0 of the cylinder.
Shifting the central line one unit in the y-direction, we get the line z=y+1, x=0. (As a check, notice that (0,−1,0) is indeed on z=y+1,
x=0.) The slope of this line is 1.
Standing at (0,−1,0) and looking in the positive x direction,
the surface follows the circle x2+y2=1, z=0, which is the intersection
of the cylinder with the xy-plane. As we move along that circle our z coordinate stays fixed at 0. So the slope in that direction is 0.
(a) 이계편도함수 frr, frθ,
fθθ 를 구하고, (r,θ)=(1,0) 에서 각각의 값을 구하세요.
(b) f(r,θ) 가 미분방정식
frr+rλfr+r21fθθ=0
을 만족하도록 실수 λ 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Let f(r,θ)=rmcosmθ be a function of r and θ,
where m is a positive integer.
(a) Find the second order partial derivatives frr, frθ,
fθθ and evaluate their respective values at (r,θ)=(1,0).
(b) Determine the value of the real number λ so that f(r,θ)
satisfies the differential equation