문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

접평면과 선형근사

곡면의 접평면·법선, 선형근사와 전미분, 미분가능성을 다룬다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

13문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 2.5절 · 15번대학 수준우리말 번역

방정식이

z=xye−(x2+y2)/2z=xy e^{-(x^2+y^2)/2}

인 곡면에 접하는 수평 평면을 모두 구하세요.

이 곡면 위에서 zz의 최댓값과 최솟값은 각각 얼마입니까?

영어 원문 보기

Find all horizontal planes that are tangent to the surface with equation

z=xye−(x2+y2)/2z=xy e^{-(x^2+y^2)/2}

What are the largest and smallest values of zz on this surface?

정답·풀이 보기

(x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 을 곡면 위의 임의의 점이라 하자. (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 에서 곡면에 수직인 벡터는

∇(xye−(x2+y2)/2−z)∣(x0,y0,z0)=<y0e−(x02+y02)/2−x02y0e−(x02+y02)/2,x0e−(x02+y02)/2−x0y02e−(x02+y02)/2,−1>\begin{aligned} &{ \boldsymbol{\nabla} }\Big(xy e^{-(x^2+y^2)/2}-z\Big)\bigg|_{(x_0,y_0,z_0)} \\& =\left< y_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}-x_0^2y_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}, x_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}-x_0y_0^2 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2},-1\right> \end{aligned}

이다.

(x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 에서 곡면의 접평면이 수평이 될 필요충분조건은 이 벡터가 수직인 것이고, 이는 이 벡터의 xx성분과 yy성분이 모두 0인 것과 같으며, 이는 다시 다음과 같다.

y0(1−x02)=0 그리고 x0(1−y02)=0  ⟺  {y0=0 또는 x0=1 또는 x0=−1} 그리고 {x0=0 또는 y0=1 또는 y0=−1}  ⟺  (x0,y0)=(0,0) 또는 (1,1) 또는 (1,−1) 또는 (−1,1) 또는 (−1,−1)\begin{aligned} &y_0(1-x_0^2)=0\text{ 그리고 }x_0(1-y_0^2)=0\\ &\iff\big\{y_0=0\text{ 또는 }x_0=1\text{ 또는 }x_0=-1\big\} \text{ 그리고 }\big\{x_0=0\text{ 또는 }y_0=1\text{ 또는 }y_0=-1\big\}\\ &\iff (x_0,y_0)=(0,0)\text{ 또는 }(1,1)\text{ 또는 }(1,-1) \text{ 또는 }(-1,1)\text{ 또는 }(-1,-1) \end{aligned}

이 점들에서 z0z_0 의 값은 각각 00, e−1e^{-1}, −e−1-e^{-1}, −e−1-e^{-1}, e−1e^{-1} 이다. 따라서 수평인 접평면은 z=0z=0, z=e−1z=e^{-1}, z=−e−1z=-e^{-1} 이다. 곡면의 가장 높은 점과 가장 낮은 점에서는 접평면이 수평이다. 따라서 zz의 최댓값과 최솟값은 각각 e−1e^{-1} 과 −e−1-e^{-1} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) be any point on the surface. A vector normal to the surface at (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) is

∇(xye−(x2+y2)/2−z)∣(x0,y0,z0)=<y0e−(x02+y02)/2−x02y0e−(x02+y02)/2,x0e−(x02+y02)/2−x0y02e−(x02+y02)/2,−1>\begin{aligned} &{ \boldsymbol{\nabla} }\Big(xy e^{-(x^2+y^2)/2}-z\Big)\bigg|_{(x_0,y_0,z_0)} \\& =\left< y_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}-x_0^2y_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}, x_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}-x_0y_0^2 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2},-1\right> \end{aligned}

The tangent plane to the surface at (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) is horizontal if and only if this vector is vertical, which is the case if and only if its xx- and yy-components are zero, which in turn is the case if and only if

y0(1−x02)=0 and x0(1−y02)=0  ⟺  {y0=0 or x0=1 or x0=−1} and {x0=0 or y0=1 or y0=−1}  ⟺  (x0,y0)=(0,0) or (1,1) or (1,−1) or (−1,1) or (−1,−1)\begin{aligned} &y_0(1-x_0^2)=0\text{ and }x_0(1-y_0^2)=0\\ &\iff\big\{y_0=0\text{ or }x_0=1\text{ or }x_0=-1\big\} \text{ and }\big\{x_0=0\text{ or }y_0=1\text{ or }y_0=-1\big\}\\ &\iff (x_0,y_0)=(0,0)\text{ or }(1,1)\text{ or }(1,-1) \text{ or }(-1,1)\text{ or }(-1,-1) \end{aligned}

The values of z0z_0 at these points are 00, e−1e^{-1}, −e−1-e^{-1}, −e−1-e^{-1} and e−1e^{-1}, respectively. So the horizontal tangent planes are z=0z=0, z=e−1z=e^{-1} and z=−e−1z=-e^{-1}. At the highest and lowest points of the surface, the tangent plane is horizontal. So the largest and smallest values of zz are e−1e^{-1} and −e−1-e^{-1}, respectively.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 20번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
2.CLP-3 · 2.5절 · 16번대학 수준우리말 번역

SS 를 곡면

xy−2x+yz+x2+y2+z3=7xy-2x+yz+x^2+y^2+z^3=7

이라고 하자.

(a) 점 (0,2,1)(0,2,1) 에서 곡면 SS 의 접평면과 법선을 구하세요. (b) SS 를 정의하는 방정식은 (x,y,z)(x,y,z) 가 (0,2,1)(0,2,1) 근처에 있을 때 zz 를 xx 와 yy 의 함수로 음함수 꼴로 정의한다. ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x} 와 ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} 에 대한 식을 구하세요. (x,y,z)=(0,2,1)(x,y,z)=(0,2,1) 에서 ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} 의 값을 구하세요. (c) ∂2z ∂x∂y\frac{\partial^2 z\,}{\partial x\partial y} 에 대한 식을 구하세요.

영어 원문 보기

Let SS be the surface

xy−2x+yz+x2+y2+z3=7xy-2x+yz+x^2+y^2+z^3=7

(a) Find the tangent plane and normal line to the surface SS at the point (0,2,1)(0,2,1). (b) The equation defining SS implicitly defines zz as a function of xx and yy for (x,y,z)(x,y,z) near (0,2,1)(0,2,1). Find expressions for ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x} and ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y}. Evaluate ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} at (x,y,z)=(0,2,1)(x,y,z)=(0,2,1). (c) Find an expression for ∂2z ∂x∂y\frac{\partial^2 z\,}{\partial x\partial y}.

정답·풀이 보기

(a) 점 (0,2,1)(0,2,1) 에서 곡면의 법선벡터는

∇(xy−2x+yz+x2+y2+z3−7)∣(0,2,1)=<y−2+2x , x+z+2y , y+3z2>∣(0,2,1)=<0,5,5>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\big(xy-2x+yz+x^2+y^2+z^3-7\big)\big|_{(0,2,1)} &=\left< y-2+2x\,,\,x+z+2y\,,\,y+3z^2\right>\big|_{(0,2,1)}\\ &=\left< 0, 5, 5\right> \end{aligned}

이다. 따라서 접평면은

0(x−0)+5(y−2)+5(z−1)=0 또는 y+z=3\begin{aligned} 0(x-0)+5(y-2)+5(z-1)=0\text{ 또는 }y+z=3 \end{aligned}

이다. 법선의 벡터 매개변수 방정식은

r(t)=<0,2,1>+t<0,5,5>\mathbf{r}(t)=\left< 0,2,1\right>+t\left< 0,5,5\right>

이다.

(b)

xy−2x+y z(x,y)+x2+y2+z(x,y)3=7xy-2x+y\,z(x,y)+x^2+y^2+z(x,y)^3=7

을 미분하면

y−2+y zx(x,y)+2x+3z(x,y)2zx(x,y)=0  ⟹  zx(x,y)=2−2x−yy+3z(x,y)2x+z(x,y)+y zy(x,y)+2y+3z(x,y)2zy(x,y)=0  ⟹  zy(x,y)=−x+2y+z(x,y)y+3z(x,y)2\begin{aligned} y-2+y\,z_x(x,y)+2x+3z(x,y)^2z_x(x,y)&=0 & &\implies & z_x(x,y)&=\frac{2-2x-y}{y+3z(x,y)^2}\\ x+z(x,y)+y\,z_y(x,y)+2y+3z(x,y)^2z_y(x,y)&=0 & &\implies & z_y(x,y)&=-\frac{x+2y+z(x,y)}{y+3z(x,y)^2} \end{aligned}

이다. 특히 (0,2,1)(0,2,1) 에서 zy(0,2)=−4+12+3=−1z_y(0,2)=-\frac{4+1}{2+3}=-1 이다.

(c) zxz_x 를 yy 에 대해 미분하면

zxy(x,y)=−1y+3z(x,y)2−2−2x−y[y+3z(x,y)2]2(1+6z(x,y)zy(x,y))=−1y+3z(x,y)2−2−2x−y[y+3z(x,y)2]2(1−6z(x,y)x+2y+z(x,y)y+3z(x,y)2)\begin{aligned} z_{xy}(x,y) &=-\frac{1}{y+3z(x,y)^2} -\frac{2-2x-y}{{[y+3z(x,y)^2]}^2}\big(1+6z(x,y)z_y(x,y)\big)\\ &=-\frac{1}{y+3z(x,y)^2} -\frac{2-2x-y}{{[y+3z(x,y)^2]}^2} \left(1-6z(x,y)\frac{x+2y+z(x,y)}{y+3z(x,y)^2}\right) \end{aligned}

이다.

다른 풀이로, zyz_y 를 xx 에 대해 미분할 수도 있다. 그러면

zyx(x,y)=−1+zx(x,y)y+3z(x,y)2+x+2y+z(x,y)[y+3z(x,y)2]26z(x,y)zx(x,y)=−1y+3z(x,y)2(1+2−2x−yy+3z(x,y)2)+x+2y+z(x,y)[y+3z(x,y)2]26z(x,y)2−2x−yy+3z(x,y)2\begin{aligned} z_{yx}(x,y) &=-\frac{1+z_x(x,y)}{y+3z(x,y)^2} +\frac{x+2y+z(x,y)}{{[y+3z(x,y)^2]}^2}6z(x,y)z_x(x,y)\\ &=-\frac{1}{y+3z(x,y)^2}\left(1+\frac{2-2x-y}{y+3z(x,y)^2}\right) +\frac{x+2y+z(x,y)}{{[y+3z(x,y)^2]}^2}6z(x,y)\frac{2-2x-y}{y+3z(x,y)^2} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) A normal vector to the surface at (0,2,1)(0,2,1) is

∇(xy−2x+yz+x2+y2+z3−7)∣(0,2,1)=<y−2+2x , x+z+2y , y+3z2>∣(0,2,1)=<0,5,5>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\big(xy-2x+yz+x^2+y^2+z^3-7\big)\big|_{(0,2,1)} &=\left< y-2+2x\,,\,x+z+2y\,,\,y+3z^2\right>\big|_{(0,2,1)}\\ &=\left< 0, 5, 5\right> \end{aligned}

So the tangent plane is

0(x−0)+5(y−2)+5(z−1)=0 or y+z=3\begin{aligned} 0(x-0)+5(y-2)+5(z-1)=0\text{ or }y+z=3 \end{aligned}

The vector parametric equations for the normal line are

r(t)=<0,2,1>+t<0,5,5>\mathbf{r}(t)=\left< 0,2,1\right>+t\left< 0,5,5\right>

(b) Differentiating

xy−2x+y z(x,y)+x2+y2+z(x,y)3=7xy-2x+y\,z(x,y)+x^2+y^2+z(x,y)^3=7

gives

y−2+y zx(x,y)+2x+3z(x,y)2zx(x,y)=0  ⟹  zx(x,y)=2−2x−yy+3z(x,y)2x+z(x,y)+y zy(x,y)+2y+3z(x,y)2zy(x,y)=0  ⟹  zy(x,y)=−x+2y+z(x,y)y+3z(x,y)2\begin{aligned} y-2+y\,z_x(x,y)+2x+3z(x,y)^2z_x(x,y)&=0 & &\implies & z_x(x,y)&=\frac{2-2x-y}{y+3z(x,y)^2}\\ x+z(x,y)+y\,z_y(x,y)+2y+3z(x,y)^2z_y(x,y)&=0 & &\implies & z_y(x,y)&=-\frac{x+2y+z(x,y)}{y+3z(x,y)^2} \end{aligned}

In particular, at (0,2,1)(0,2,1), zy(0,2)=−4+12+3=−1z_y(0,2)=-\frac{4+1}{2+3}=-1.

(c) Differentiating zxz_x with respect to yy gives

zxy(x,y)=−1y+3z(x,y)2−2−2x−y[y+3z(x,y)2]2(1+6z(x,y)zy(x,y))=−1y+3z(x,y)2−2−2x−y[y+3z(x,y)2]2(1−6z(x,y)x+2y+z(x,y)y+3z(x,y)2)\begin{aligned} z_{xy}(x,y) &=-\frac{1}{y+3z(x,y)^2} -\frac{2-2x-y}{{[y+3z(x,y)^2]}^2}\big(1+6z(x,y)z_y(x,y)\big)\\ &=-\frac{1}{y+3z(x,y)^2} -\frac{2-2x-y}{{[y+3z(x,y)^2]}^2} \left(1-6z(x,y)\frac{x+2y+z(x,y)}{y+3z(x,y)^2}\right) \end{aligned}

As an alternate solution, we could also differentiate zyz_y with respect to xx. This gives

zyx(x,y)=−1+zx(x,y)y+3z(x,y)2+x+2y+z(x,y)[y+3z(x,y)2]26z(x,y)zx(x,y)=−1y+3z(x,y)2(1+2−2x−yy+3z(x,y)2)+x+2y+z(x,y)[y+3z(x,y)2]26z(x,y)2−2x−yy+3z(x,y)2\begin{aligned} z_{yx}(x,y) &=-\frac{1+z_x(x,y)}{y+3z(x,y)^2} +\frac{x+2y+z(x,y)}{{[y+3z(x,y)^2]}^2}6z(x,y)z_x(x,y)\\ &=-\frac{1}{y+3z(x,y)^2}\left(1+\frac{2-2x-y}{y+3z(x,y)^2}\right) +\frac{x+2y+z(x,y)}{{[y+3z(x,y)^2]}^2}6z(x,y)\frac{2-2x-y}{y+3z(x,y)^2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 12.7절 · 3번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
3.CLP-3 · 2.5절 · 17번대학 수준우리말 번역

(a) 방정식이 x2+z2=10x^2+z^2=10 인 곡면에 수직이고 점 (1,1,3)(1,1,3) 에서의 벡터를 구하세요. (b) (a)의 곡면과 곡면 y2+z2=10y^2+z^2=10 의 교선인 곡선에 접하고 같은 점에서의 벡터를 구하세요. (c) 그 점에서 그 곡선에 접하는 직선의 매개변수 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find a vector perpendicular at the point (1,1,3)(1,1,3) to the surface with equation x2+z2=10x^2+z^2=10. (b) Find a vector tangent at the same point to the curve of intersection of the surface in part (a) with surface y2+z2=10y^2+z^2=10. (c) Find parametric equations for the line tangent to that curve at that point.

정답·풀이 보기

(a) 점 (1,1,3)(1,1,3) 에서 x2+z2=10x^2+z^2=10 에 수직인 벡터는

∇(x2+z2)∣(1,1,3)=(2xı^+2zk^)∣(1,1,3)=2ı^+6k^ 또는 12<2,0,6>=<1,0,3>{ \boldsymbol{\nabla} }(x^2+z^2)\big|_{(1,1,3)} =(2x\hat{\boldsymbol{\imath}}+2z\hat{\mathbf{k}})\big|_{(1,1,3)} =2\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\hat{\mathbf{k}}\text{ 또는 } \frac{1}{2} \left< 2,0,6\right>=\left< 1,0,3\right>

이다.

(b) 점 (1,1,3)(1,1,3) 에서 y2+z2=10y^2+z^2=10 에 수직인 벡터는

∇(y2+z2)∣(1,1,3)=(2yȷ^+2zk^)∣(1,1,3)=2ȷ^+6k^ 또는 12<0,2,6>=<0,1,3>{ \boldsymbol{\nabla} }(y^2+z^2)\big|_{(1,1,3)} =(2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2z\hat{\mathbf{k}})\big|_{(1,1,3)} =2\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\hat{\mathbf{k}}\text{ 또는 }\frac{1}{2} \left< 0,2,6\right>=\left< 0,1,3\right>

이다.

벡터가 주어진 점에서 주어진 곡선에 접하기 위한 필요충분조건은 그 벡터가 (1,0,3)(1,0,3) 과 (0,1,3)(0,1,3) 에 모두 수직인 것이다. 그러한 벡터 하나는

<0,1,3>×<1,0,3>=det⁡[ı^ȷ^k^013103]=<3,3,−1>\left< 0,1,3\right>\times\left<1,0,3\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 1 & 3 \\ 1 & 0 & 3 \end{matrix}\right] =\left< 3,3,-1\right>

이다.

(c) 구하는 접선은 점 (1,1,3)(1,1,3) 을 지나고 방향벡터가 <3,3,−1>\left< 3,3,-1\right> 이므로 벡터 매개변수 방정식은

r(t)=<1,1,3>+t<3,3,−1>\mathbf{r}(t)=\left< 1,1,3\right>+t\left< 3,3,-1\right>

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) A vector perpendicular to x2+z2=10x^2+z^2=10 at (1,1,3)(1,1,3) is

∇(x2+z2)∣(1,1,3)=(2xı^+2zk^)∣(1,1,3)=2ı^+6k^ or 12<2,0,6>=<1,0,3>{ \boldsymbol{\nabla} }(x^2+z^2)\big|_{(1,1,3)} =(2x\hat{\boldsymbol{\imath}}+2z\hat{\mathbf{k}})\big|_{(1,1,3)} =2\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\hat{\mathbf{k}}\text{ or } \frac{1}{2} \left< 2,0,6\right>=\left< 1,0,3\right>

(b) A vector perpendicular to y2+z2=10y^2+z^2=10 at (1,1,3)(1,1,3) is

∇(y2+z2)∣(1,1,3)=(2yȷ^+2zk^)∣(1,1,3)=2ȷ^+6k^ or 12<0,2,6>=<0,1,3>{ \boldsymbol{\nabla} }(y^2+z^2)\big|_{(1,1,3)} =(2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2z\hat{\mathbf{k}})\big|_{(1,1,3)} =2\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\hat{\mathbf{k}}\text{ or }\frac{1}{2} \left< 0,2,6\right>=\left< 0,1,3\right>

A vector is tangent to the specified curve at the specified point if and only if it perpendicular to both (1,0,3)(1,0,3) and (0,1,3)(0,1,3). One such vector is

<0,1,3>×<1,0,3>=det⁡[ı^ȷ^k^013103]=<3,3,−1>\left< 0,1,3\right>\times\left<1,0,3\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 1 & 3 \\ 1 & 0 & 3 \end{matrix}\right] =\left< 3,3,-1\right>

(c) The specified tangent line passes through (1,1,3)(1,1,3) and has direction vector <3,3,−1>\left< 3,3,-1\right> and so has vector parametric equation

r(t)=<1,1,3>+t<3,3,−1>\mathbf{r}(t)=\left< 1,1,3\right>+t\left< 3,3,-1\right>

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.5절 · 14번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
4.CLP-3 · 2.5절 · 18번대학 수준우리말 번역

곡선

r(t)=t3 ı^+t ȷ^+t2 k^,(0≤t<∞)\mathbf{r}(t) = t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + t^2\,\hat{\mathbf{k}},\qquad (0 \le t <\infty)

이 곡면

z3+xyz−2=0z^3 + xyz -2 = 0

과 만나는 점을 PP 라 합시다. PP 에서 곡선과 곡면이 이루는 (예각의) 각을 구하세요.

영어 원문 보기

Let PP be the point where the curve

r(t)=t3 ı^+t ȷ^+t2 k^,(0≤t<∞)\mathbf{r}(t) = t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + t^2\,\hat{\mathbf{k}},\qquad (0 \le t <\infty)

intersects the surface

z3+xyz−2=0z^3 + xyz -2 = 0

Find the (acute) angle between the curve and the surface at PP.

정답·풀이 보기

r(t)=<x(t) , y(t) , z(t)>\mathbf{r}(t)=\left< x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\right> 가 z3+xyz−2=0z^3 + xyz -2 = 0 과 만나는 경우는

z(t)3+x(t) y(t) z(t)−2=0  ⟺  (t2)3+(t3)(t)(t2)−2=0  ⟺  2t6=2  ⟺  t=1z(t)^3+x(t)\,y(t)\,z(t)-2=0\iff \big(t^2\big)^3 + \big(t^3)(t)\big(t^2\big)-2=0 \iff 2t^6=2\iff t=1

이다. tt 는 양수여야 하기 때문이다. t=1t=1 에서 곡선의 방향 벡터는

r′(1)=3 ı^+ȷ^+2 k^\mathbf{r}'(1)=3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}

이다.

r(1)=<1,1,1>\mathbf{r}(1)=\left< 1,1,1\right> 에서 곡면의 법선 벡터는

∇(z3+xyz)∣(1,1,1)=[yzı^+xzȷ^+(3z2+xy)k^](1,1,1)=ı^+ȷ^+4k^{ \boldsymbol{\nabla} }(z^3+xyz)\big|_{(1,1,1)}=[yz\hat{\boldsymbol{\imath}}+xz\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(3z^2+xy)\hat{\mathbf{k}}]_{(1,1,1)} =\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\hat{\mathbf{k}}

이다.

곡선과 곡면의 법선 벡터가 이루는 각 θ\theta 는 다음으로 결정된다.

∣<3,1,2>∣ ∣<1,1,4>∣cos⁡θ=<3,1,2>⋅<1,1,4>  ⟺  1418cos⁡θ=12  ⟺  7×36cos⁡θ=12  ⟺  cos⁡θ=27  ⟺  θ=40.89∘\begin{aligned} \big|\left< 3,1,2\right>\big|\,\big|\left< 1,1,4\right>\big|\cos\theta =\left< 3,1,2\right> \cdot\left< 1,1,4\right> &\iff \sqrt{14}\sqrt{18}\cos\theta=12 \\ &\iff \sqrt{7\times 36}\cos\theta=12 \\ &\iff \cos\theta=\frac{2}{\sqrt{7}} \\ &\iff \theta=40.89^\circ \end{aligned}

따라서 곡선과 곡면이 이루는 각은 90−40.89=49.11∘90-40.89=49.11^\circ (소수 둘째 자리까지)이다.

원본 교재 풀이(영어)

r(t)=<x(t) , y(t) , z(t)>\mathbf{r}(t)=\left< x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\right> intersects z3+xyz−2=0z^3 + xyz -2 = 0 when

z(t)3+x(t) y(t) z(t)−2=0  ⟺  (t2)3+(t3)(t)(t2)−2=0  ⟺  2t6=2  ⟺  t=1z(t)^3+x(t)\,y(t)\,z(t)-2=0\iff \big(t^2\big)^3 + \big(t^3)(t)\big(t^2\big)-2=0 \iff 2t^6=2\iff t=1

since tt is required to be positive. The direction vector for the curve at t=1t=1 is

r′(1)=3 ı^+ȷ^+2 k^\mathbf{r}'(1)=3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}

A normal vector for the surface at r(1)=<1,1,1>\mathbf{r}(1)=\left< 1,1,1\right> is

∇(z3+xyz)∣(1,1,1)=[yzı^+xzȷ^+(3z2+xy)k^](1,1,1)=ı^+ȷ^+4k^{ \boldsymbol{\nabla} }(z^3+xyz)\big|_{(1,1,1)}=[yz\hat{\boldsymbol{\imath}}+xz\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(3z^2+xy)\hat{\mathbf{k}}]_{(1,1,1)} =\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\hat{\mathbf{k}}

The angle θ\theta between the curve and the normal vector to the surface is determined by

∣<3,1,2>∣ ∣<1,1,4>∣cos⁡θ=<3,1,2>⋅<1,1,4>  ⟺  1418cos⁡θ=12  ⟺  7×36cos⁡θ=12  ⟺  cos⁡θ=27  ⟺  θ=40.89∘\begin{aligned} \big|\left< 3,1,2\right>\big|\,\big|\left< 1,1,4\right>\big|\cos\theta =\left< 3,1,2\right> \cdot\left< 1,1,4\right> &\iff \sqrt{14}\sqrt{18}\cos\theta=12 \\ &\iff \sqrt{7\times 36}\cos\theta=12 \\ &\iff \cos\theta=\frac{2}{\sqrt{7}} \\ &\iff \theta=40.89^\circ \end{aligned}

The angle between the curve and the surface is 90−40.89=49.11∘90-40.89=49.11^\circ (to two decimal places).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 12.7절 · 4번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
5.CLP-3 · 2.6절 · 19번대학 수준우리말 번역

다음 곡면을 생각하세요.

z3−xyz2−4x=0.z^3 - xyz^2 - 4x = 0.

(a) ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}, ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} 를 xx, yy, zz 의 함수로 나타내는 식을 구하세요. (b) (1,1,2)(1, 1, 2) 에서 ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}, ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} 의 값을 구하세요. (c) 측정에는 오차가 있어서 x=1±0.03x = 1 \pm 0.03 이고 y=1±0.02y = 1 \pm 0.02 입니다. 이때 zz 를 측정할 때의 최대 오차를 구하세요. (d) 한 입자가 이 곡면 위를 움직이는데, 그 경로를 xyxy 평면에 사영한 것이 각 θ\theta 에 대하여

x(θ)=1+cos⁡θ, y(θ)=sin⁡θx(\theta) = 1 + \cos\theta,\ y(\theta) = \sin\theta

로 주어지고, 점 A:x=2, y=0A : x = 2,\ y = 0 에서 점 B:x=1, y=1B : x = 1,\ y = 1 까지 움직입니다. 점 AA 와 BB 에서 dzdθ\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}\theta} 를 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the surface given by:

z3−xyz2−4x=0.z^3 - xyz^2 - 4x = 0.

(a) Find expressions for ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}, ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} as functions of xx, yy, zz. (b) Evaluate ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}, ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} at (1,1,2)(1, 1, 2). (c) Measurements are made with errors, so that x=1±0.03x = 1 \pm 0.03 and y=1±0.02y = 1 \pm 0.02. Find the corresponding maximum error in measuring zz. (d) A particle moves over the surface along the path whose projection in the xyxy–plane is given in terms of the angle θ\theta as

x(θ)=1+cos⁡θ, y(θ)=sin⁡θx(\theta) = 1 + \cos\theta,\ y(\theta) = \sin\theta

from the point A:x=2, y=0A : x = 2,\ y = 0 to the point B:x=1, y=1B : x = 1,\ y = 1. Find dzdθ\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}\theta} at points AA and BB.

정답·풀이 보기

(a) 주어진 조건에서

z(x,y)3−xy z(x,y)2−4x=0z(x,y)^3 - xy\,z(x,y)^2 - 4x = 0

이 모든 (x,y)(x,y) ((1,1)(1,1) 에 충분히 가까운)에 대해 성립한다. 이 방정식의 양변을 xx 에 대해 미분하면

3z(x,y)2 ∂z∂x(x,y)−y z(x,y)2−2xy z(x,y)∂z∂x(x,y)−4=0  ⟹  ∂z∂x=4+yz23z2−2xyz\begin{aligned} & 3z(x,y)^2\,\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) -y\, z(x,y)^2 -2xy\,z(x,y)\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) - 4=0 \\ \implies &\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{4+yz^2}{3z^2-2xyz} \end{aligned}

이고, yy 에 대해 미분하면

3z(x,y)2 ∂z∂y(x,y)−x z(x,y)2−2xy z(x,y)∂z∂y(x,y)=0  ⟹  ∂z∂y=xz23z2−2xyz\begin{aligned} & 3z(x,y)^2\,\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) -x\, z(x,y)^2 -2xy\,z(x,y)\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) =0 \\ \implies &\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{xz^2}{3z^2-2xyz} \end{aligned}

이다.

(b) (x,y,z)=(1,1,2)(x,y,z)=(1,1,2) 일 때,

∂z∂x(1,1)=4+(1)(2)23(2)2−2(1)(1)(2)=1∂z∂y(1,1)=(1)(2)23(2)2−2(1)(1)(2)=12\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) = \frac{4+(1)(2)^2}{3(2)^2-2(1)(1)(2)} = 1\qquad \frac{\partial z}{\partial y}(1,1) = \frac{(1)(2)^2}{3(2)^2-2(1)(1)(2)} = \frac{1}{2} \end{aligned}

이다.

(c) (1,1)(1,1) 에서의 일차 근사에 의하면

z(x,y)≈z(1,1)+zx(1,1) (x−1)+zy (1,1) (y−1)=2+(x−1)+12(y−1)z(x,y) \approx z(1,1) + z_x(1,1)\,(x-1) + z_y\,(1,1)\,(y-1) = 2 + (x-1) +\frac{1}{2}(y-1)

이다. 따라서 xx 의 오차 ±0.03\pm 0.03 과 yy 의 오차 ±0.02\pm 0.02 로 인해 zz 에는 약

±[0.03+12(0.02)]=±0.04\pm\left[0.03 + \frac{1}{2}(0.02)\right] =\pm 0.04

의 오차가 생긴다.

(d) 연쇄 법칙에 의해

ddθz(x(θ),y(θ))=zx(x(θ),y(θ)) x′(θ)+zy(x(θ),y(θ)) y′(θ)=−zx(1+cos⁡θ,sin⁡θ) sin⁡θ+zy(1+cos⁡θ,sin⁡θ) cos⁡θ\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}\theta} z\big(x(\theta),y(\theta)\big) &= z_x\big(x(\theta),y(\theta)\big)\,x'(\theta) +z_y\big(x(\theta),y(\theta)\big)\,y'(\theta) \\ &=-z_x\big(1 + \cos\theta,\sin\theta\big)\,\sin\theta +z_y\big(1 + \cos\theta,\sin\theta\big)\,\cos\theta \end{aligned}

이다.

AA 에서는 x=2x=2, y=0y=0, z=2z=2 (z3−(2)(0)z2−4(2)=0z^3-(2)(0)z^2-4(2)=0 이므로)이고 θ=0\theta=0 이므로

∂z∂x(2,0)=4+(0)(2)23(2)2−2(2)(0)(2)=13∂z∂y(2,0)=(2)(2)23(2)2−2(2)(0)(2)=23\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(2,0) = \frac{4+(0)(2)^2}{3(2)^2-2(2)(0)(2)} = \frac{1}{3}\qquad \frac{\partial z}{\partial y}(2,0) = \frac{(2)(2)^2}{3(2)^2-2(2)(0)(2)} = \frac{2}{3} \end{aligned}

이고

dzdθ=−13sin⁡(0)+23cos⁡(0)=23\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}\theta} &=-\frac{1}{3}\sin(0) +\frac{2}{3}\cos(0) =\frac{2}{3} \end{aligned}

이다.

BB 에서는 x=1x=1, y=1y=1, z=2z=2 이고 θ=π2\theta=\frac{\pi}{2} 이므로 (b)에 의해

∂z∂x(1,1)=1∂z∂y(1,1)=12\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) = 1\qquad \frac{\partial z}{\partial y}(1,1) = \frac{1}{2} \end{aligned}

이고

dzdθ=−sin⁡π2+12cos⁡π2=−1\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}\theta} &=-\sin\frac{\pi}{2} +\frac{1}{2}\cos\frac{\pi}{2} = -1 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We are told that

z(x,y)3−xy z(x,y)2−4x=0z(x,y)^3 - xy\,z(x,y)^2 - 4x = 0

for all (x,y)(x,y) (sufficiently near (1,1)(1,1)). Differentiating this equation with respect to xx gives

3z(x,y)2 ∂z∂x(x,y)−y z(x,y)2−2xy z(x,y)∂z∂x(x,y)−4=0  ⟹  ∂z∂x=4+yz23z2−2xyz\begin{aligned} & 3z(x,y)^2\,\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) -y\, z(x,y)^2 -2xy\,z(x,y)\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) - 4=0 \\ \implies &\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{4+yz^2}{3z^2-2xyz} \end{aligned}

and differentiating with respect to yy gives

3z(x,y)2 ∂z∂y(x,y)−x z(x,y)2−2xy z(x,y)∂z∂y(x,y)=0  ⟹  ∂z∂y=xz23z2−2xyz\begin{aligned} & 3z(x,y)^2\,\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) -x\, z(x,y)^2 -2xy\,z(x,y)\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) =0 \\ \implies &\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{xz^2}{3z^2-2xyz} \end{aligned}

(b) When (x,y,z)=(1,1,2)(x,y,z)=(1,1,2),

∂z∂x(1,1)=4+(1)(2)23(2)2−2(1)(1)(2)=1∂z∂y(1,1)=(1)(2)23(2)2−2(1)(1)(2)=12\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) = \frac{4+(1)(2)^2}{3(2)^2-2(1)(1)(2)} = 1\qquad \frac{\partial z}{\partial y}(1,1) = \frac{(1)(2)^2}{3(2)^2-2(1)(1)(2)} = \frac{1}{2} \end{aligned}

(c) Under the linear approximation at (1,1)(1,1)

z(x,y)≈z(1,1)+zx(1,1) (x−1)+zy (1,1) (y−1)=2+(x−1)+12(y−1)z(x,y) \approx z(1,1) + z_x(1,1)\,(x-1) + z_y\,(1,1)\,(y-1) = 2 + (x-1) +\frac{1}{2}(y-1)

So errors of ±0.03\pm 0.03 in xx and ±0.02\pm 0.02 in yy leads of errors of about

±[0.03+12(0.02)]=±0.04\pm\left[0.03 + \frac{1}{2}(0.02)\right] =\pm 0.04

in zz.

(d) By the chain rule

ddθz(x(θ),y(θ))=zx(x(θ),y(θ)) x′(θ)+zy(x(θ),y(θ)) y′(θ)=−zx(1+cos⁡θ,sin⁡θ) sin⁡θ+zy(1+cos⁡θ,sin⁡θ) cos⁡θ\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}\theta} z\big(x(\theta),y(\theta)\big) &= z_x\big(x(\theta),y(\theta)\big)\,x'(\theta) +z_y\big(x(\theta),y(\theta)\big)\,y'(\theta) \\ &=-z_x\big(1 + \cos\theta,\sin\theta\big)\,\sin\theta +z_y\big(1 + \cos\theta,\sin\theta\big)\,\cos\theta \end{aligned}

At AA, x=2x=2, y=0y=0, z=2z=2 (since z3−(2)(0)z2−4(2)=0z^3-(2)(0)z^2-4(2)=0) and θ=0\theta=0, so that

∂z∂x(2,0)=4+(0)(2)23(2)2−2(2)(0)(2)=13∂z∂y(2,0)=(2)(2)23(2)2−2(2)(0)(2)=23\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(2,0) = \frac{4+(0)(2)^2}{3(2)^2-2(2)(0)(2)} = \frac{1}{3}\qquad \frac{\partial z}{\partial y}(2,0) = \frac{(2)(2)^2}{3(2)^2-2(2)(0)(2)} = \frac{2}{3} \end{aligned}

and

dzdθ=−13sin⁡(0)+23cos⁡(0)=23\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}\theta} &=-\frac{1}{3}\sin(0) +\frac{2}{3}\cos(0) =\frac{2}{3} \end{aligned}

At BB, x=1x=1, y=1y=1, z=2z=2 and θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, so that, by part (b),

∂z∂x(1,1)=1∂z∂y(1,1)=12\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) = 1\qquad \frac{\partial z}{\partial y}(1,1) = \frac{1}{2} \end{aligned}

and

dzdθ=−sin⁡π2+12cos⁡π2=−1\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}\theta} &=-\sin\frac{\pi}{2} +\frac{1}{2}\cos\frac{\pi}{2} = -1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 18번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
6.CLP-3 · 2.6절 · 20번대학 수준우리말 번역

R2\mathbb{R}^2 의 각 점 (x,y)(x, y) 를 ye−xye^{-x} 에 대응시키는 함수 ff 를 생각하자.

(a) x=1x = 1, y=ey = e 이고, xx 와 yy 를 각각 측정할 때 크기 0.10.1 의 오차가 생긴다고 하자. 이로 인해 f(x,y)f(x,y) 에 생길 수 있는 최대 오차를 어림하세요. (b) 함수 ff 의 그래프는 R3\mathbb{R}^3 안에 있고, 점 (1,e,1)(1, e, 1) 은 그 그래프 위에 있다. 그 점에서 그래프에 수직인 영벡터가 아닌 벡터를 하나 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the function ff that maps each point (x,y)(x, y) in R2\mathbb{R}^2 to ye−xye^{-x}.

(a) Suppose that x=1x = 1 and y=ey = e, but errors of size 0.10.1 are made in measuring each of xx and yy. Estimate the maximum error that this could cause in f(x,y)f(x,y). (b) The graph of the function ff sits in R3\mathbb{R}^3 , and the point (1,e,1)(1, e, 1) lies on that graph. Find a nonzero vector that is perpendicular to that graph at that point.

정답·풀이 보기

(x,y)=(1,e)(x,y)=(1,e) 에서 f(x,y)=ye−xf(x,y)=ye^{-x} 의 1계 편도함수가 필요하다. 다음과 같다.

fx(x,y)=−ye−xfx(1,e)=−e e−1=−1fy(x,y)=e−xfy(1,e)=e−1\begin{aligned} f_x(x,y)&= -ye^{-x} & f_x(1,e)&=-e\,e^{-1}=-1 \\ f_y(x,y)&=e^{-x} & f_y(1,e)&= e^{-1} \end{aligned}

(a) (x,y)=(1,e)(x,y)=(1,e) 에서 f(x,y)f(x,y) 의 선형 근사는 다음과 같다.

f(x,y)≈f(1,e)+fx(1,e) (x−1)+fy(1,e) (y−e)=1−(x−1)+e−1(y−e)\begin{aligned} f(x,y) \approx f(1,e) + f_x(1,e)\,(x-1) +f_y(1,e)\,(y-e) = 1 -(x-1) +e^{-1}(y-e) \end{aligned}

따라서 최대 오차는 대략 다음과 같다.

−1(−0.1)+e−1(0.1)=1+e−110\begin{aligned} -1(-0.1) +e^{-1}(0.1) =\frac{1+e^{-1}}{10} \end{aligned}

(b) 그래프의 방정식은 g(x,y,z)=f(x,y)−z=0g(x,y,z) = f(x,y) -z =0 이다. 다음 벡터의 0이 아닌 임의의 상수배는

∇g(1,e,1)=<fx(1,e) , fy(1,e) , −1>=<−1 , e−1 , −1>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } g(1,e,1) =\left< f_x(1,e)\,,\,f_y(1,e)\,,\,-1\right> =\left< -1\,,\,e^{-1}\,,\,-1\right> \end{aligned}

점 (1,e,1)(1,e,1) 에서 g=0g=0 에 수직이다.

원본 교재 풀이(영어)

We are going to need the first order partial derivatives of f(x,y)=ye−xf(x,y)=ye^{-x} at (x,y)=(1,e)(x,y)=(1,e). Here they are.

fx(x,y)=−ye−xfx(1,e)=−e e−1=−1fy(x,y)=e−xfy(1,e)=e−1\begin{aligned} f_x(x,y)&= -ye^{-x} & f_x(1,e)&=-e\,e^{-1}=-1 \\ f_y(x,y)&=e^{-x} & f_y(1,e)&= e^{-1} \end{aligned}

(a) The linear approximation to f(x,y)f(x,y) at (x,y)=(1,e)(x,y)=(1,e) is

f(x,y)≈f(1,e)+fx(1,e) (x−1)+fy(1,e) (y−e)=1−(x−1)+e−1(y−e)\begin{aligned} f(x,y) \approx f(1,e) + f_x(1,e)\,(x-1) +f_y(1,e)\,(y-e) = 1 -(x-1) +e^{-1}(y-e) \end{aligned}

The maximum error is then approximately

−1(−0.1)+e−1(0.1)=1+e−110\begin{aligned} -1(-0.1) +e^{-1}(0.1) =\frac{1+e^{-1}}{10} \end{aligned}

(b) The equation of the graph is g(x,y,z)=f(x,y)−z=0g(x,y,z) = f(x,y) -z =0. Any vector that is a nonzero constant times

∇g(1,e,1)=<fx(1,e) , fy(1,e) , −1>=<−1 , e−1 , −1>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } g(1,e,1) =\left< f_x(1,e)\,,\,f_y(1,e)\,,\,-1\right> =\left< -1\,,\,e^{-1}\,,\,-1\right> \end{aligned}

is perpendicular to g=0g=0 at (1,e,1)(1,e,1).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 21번
# 접평면과 선형근사그래프·표 해석도전자동 분류
7.CLP-3 · 2.6절 · 21번대학 수준우리말 번역

곡면이 z4−xy2z2+y=0z^4 - xy^2 z^2 + y = 0 으로 음함수 꼴로 정의되어 있다.

(a) ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}, ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} 를 xx, yy, zz 로 나타내세요. (b) (x,y,z)=(2,−1/2,1)(x, y, z) = (2, -1/2, 1) 에서 ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x} 와 ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} 의 값을 구하세요. (c) xx 가 22 에서 1.941.94 로 감소하고, yy 가 −0.5-0.5 에서 −0.4-0.4 로 증가할 때, zz 가 11 에서 변하는 양을 어림하세요. (d) 점 (2,−1/2,1)(2, -1/2, 1) 에서 이 곡면의 접평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

A surface is defined implicitly by z4−xy2z2+y=0z^4 - xy^2 z^2 + y = 0.

(a) Compute ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x}, ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} in terms of xx, yy, zz. (b) Evaluate ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x} and ∂z∂y\frac{\partial z}{\partial y} at (x,y,z)=(2,−1/2,1)(x, y, z) = (2, -1/2, 1). (c) If xx decreases from 22 to 1.941.94, and yy increases from −0.5-0.5 to −0.4-0.4, find the approximate change in zz from 11. (d) Find the equation of the tangent plane to the surface at the point (2,−1/2,1)(2, -1/2, 1).

정답·풀이 보기

(a) 모든 x,yx,y 에 대해 ((x,y,z)(x,y,z) 가 (2,−1/2,1)(2,-1/2,1) 근처일 때), 함수 z(x,y)z(x,y) 는 다음을 만족한다.

z(x,y)4−xy2z(x,y)2+y=0(∗)\begin{aligned} z(x,y)^4 -xy^2 z(x,y)^2 +y=0 \tag{$*$}\end{aligned}

(∗)(*) 를 xx 에 대해 미분하면

4z(x,y)3∂z∂x(x,y)−y2z(x,y)2−2xy2z(x,y)∂z∂x(x,y)=0  ⟹  ∂z∂x(x,y)=y2z(x,y)24z(x,y)3−2xy2z(x,y)\begin{aligned} &4z(x,y)^3\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) - y^2z(x,y)^2 -2xy^2z(x,y)\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) =0 \\ &\implies \frac{\partial z}{\partial x}(x,y) = \frac{y^2 z(x,y)^2}{4z(x,y)^3-2xy^2z(x,y)} \end{aligned}

마찬가지로, 이 등식을 yy 에 대해 미분하면

4z(x,y)3∂z∂y(x,y)−2xy z(x,y)2−2xy2z(x,y)∂z∂y(x,y)+1=0  ⟹  ∂z∂y(x,y)=2xy z(x,y)2−14z(x,y)3−2xy2z(x,y)\begin{aligned} &4z(x,y)^3\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) - 2xy\,z(x,y)^2 -2xy^2z(x,y)\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) +1=0 \\ &\implies \frac{\partial z}{\partial y}(x,y) = \frac{2xy\, z(x,y)^2-1}{4z(x,y)^3-2xy^2z(x,y)} \end{aligned}

(b) (a)의 결과에 (x,y,z)=(2,−1/2,1)(x, y, z) = (2, -1/2, 1) 을 대입하면

∂z∂x(2,−1/2)=1/44−1=112∂z∂y(2,−1/2)=−2−14−1=−1\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(2,-1/2) &= \frac{1/4}{4-1} =\frac{1}{12}\\ \frac{\partial z}{\partial y}(2,-1/2) &= \frac{-2-1}{4-1}=-1 \end{aligned}

(c) (2,−1/2)(2,-1/2) 에서의 선형 근사에 의해

f(x,y)≈f(2,−1/2)+fx(2,−1/2) (x−2)+fy(2,−1/2) (y+1/2)=1+112(x−2)−(y+0.5)\begin{aligned} f(x,y) &\approx f(2,-1/2) + f_x(2,-1/2)\,(x-2) + f_y(2,-1/2)\,(y+1/2) \\ &= 1 +\frac{1}{12}(x-2) - (y+0.5) \end{aligned}

특히

f(1.94,−0.4)≈1−0.0612−0.1\begin{aligned} f(1.94,-0.4) \approx 1 -\frac{0.06}{12}-0.1 \end{aligned}

이므로

f(1.94,−0.4)−1≈−0.105\begin{aligned} f(1.94,-0.4) - 1 \approx -0.105 \end{aligned}

(d) 접평면의 방정식은

z=f(2,−1/2)+fx(2,−1/2) (x−2)+fy(2,−1/2) (y+1/2)=1+112(x−2)−(y+0.5)\begin{aligned} z&=f(2,-1/2) + f_x(2,-1/2)\,(x-2) + f_y(2,-1/2)\,(y+1/2) \\ &= 1 +\frac{1}{12}(x-2) - (y+0.5) \end{aligned}

또는

x12−y−z=−13\begin{aligned} \frac{x}{12} -y -z = -\frac{1}{3} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We are told that for all x,yx,y (with (x,y,z)(x,y,z) near (2,−1/2,1)(2,-1/2,1)), the function z(x,y)z(x,y) obeys

z(x,y)4−xy2z(x,y)2+y=0(∗)\begin{aligned} z(x,y)^4 -xy^2 z(x,y)^2 +y=0 \tag{$*$}\end{aligned}

Differentiating (∗)(*) with respect to xx gives

4z(x,y)3∂z∂x(x,y)−y2z(x,y)2−2xy2z(x,y)∂z∂x(x,y)=0  ⟹  ∂z∂x(x,y)=y2z(x,y)24z(x,y)3−2xy2z(x,y)\begin{aligned} &4z(x,y)^3\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) - y^2z(x,y)^2 -2xy^2z(x,y)\frac{\partial z}{\partial x}(x,y) =0 \\ &\implies \frac{\partial z}{\partial x}(x,y) = \frac{y^2 z(x,y)^2}{4z(x,y)^3-2xy^2z(x,y)} \end{aligned}

Similarly, differentiating this equation with respect to yy gives

4z(x,y)3∂z∂y(x,y)−2xy z(x,y)2−2xy2z(x,y)∂z∂y(x,y)+1=0  ⟹  ∂z∂y(x,y)=2xy z(x,y)2−14z(x,y)3−2xy2z(x,y)\begin{aligned} &4z(x,y)^3\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) - 2xy\,z(x,y)^2 -2xy^2z(x,y)\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) +1=0 \\ &\implies \frac{\partial z}{\partial y}(x,y) = \frac{2xy\, z(x,y)^2-1}{4z(x,y)^3-2xy^2z(x,y)} \end{aligned}

(b) Substituting (x,y,z)=(2,−1/2,1)(x, y, z) = (2, -1/2, 1) into the results of part (a) gives

∂z∂x(2,−1/2)=1/44−1=112∂z∂y(2,−1/2)=−2−14−1=−1\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(2,-1/2) &= \frac{1/4}{4-1} =\frac{1}{12}\\ \frac{\partial z}{\partial y}(2,-1/2) &= \frac{-2-1}{4-1}=-1 \end{aligned}

(c) Under the linear approximation about (2,−1/2)(2,-1/2),

f(x,y)≈f(2,−1/2)+fx(2,−1/2) (x−2)+fy(2,−1/2) (y+1/2)=1+112(x−2)−(y+0.5)\begin{aligned} f(x,y) &\approx f(2,-1/2) + f_x(2,-1/2)\,(x-2) + f_y(2,-1/2)\,(y+1/2) \\ &= 1 +\frac{1}{12}(x-2) - (y+0.5) \end{aligned}

In particular

f(1.94,−0.4)≈1−0.0612−0.1\begin{aligned} f(1.94,-0.4) \approx 1 -\frac{0.06}{12}-0.1 \end{aligned}

so that

f(1.94,−0.4)−1≈−0.105\begin{aligned} f(1.94,-0.4) - 1 \approx -0.105 \end{aligned}

(d) The tangent plane is

z=f(2,−1/2)+fx(2,−1/2) (x−2)+fy(2,−1/2) (y+1/2)=1+112(x−2)−(y+0.5)\begin{aligned} z&=f(2,-1/2) + f_x(2,-1/2)\,(x-2) + f_y(2,-1/2)\,(y+1/2) \\ &= 1 +\frac{1}{12}(x-2) - (y+0.5) \end{aligned}

or

x12−y−z=−13\begin{aligned} \frac{x}{12} -y -z = -\frac{1}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 22번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
8.CLP-3 · 2.6절 · 22번대학 수준우리말 번역

곡면 z=f(x,y)z = f (x, y) 는 (x,y,z)=(1,3,1)(x, y, z) = (1, 3, 1) 에서 편도함수 ∂f∂x=3\frac{\partial f}{\partial x}=3 과 ∂f∂y=−2\frac{\partial f}{\partial y}=-2 를 갖는다.

(a) xx 가 11 에서 1.21.2 로 증가하고 yy 가 33 에서 2.62.6 으로 감소할 때, 선형 근사를 이용하여 zz 의 변화량을 구하세요. (b) 점 (1,3,1)(1, 3, 1) 에서 이 곡면의 접평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

A surface z=f(x,y)z = f (x, y) has derivatives ∂f∂x=3\frac{\partial f}{\partial x}=3 and ∂f∂y=−2\frac{\partial f}{\partial y}=-2 at (x,y,z)=(1,3,1)(x, y, z) = (1, 3, 1).

(a) If xx increases from 11 to 1.21.2, and yy decreases from 33 to 2.62.6, find the change in zz using a linear approximation. (b) Find the equation of the tangent plane to the surface at the point (1,3,1)(1, 3, 1).

정답·풀이 보기

(a) (1,3)(1,3) 에서 f(x,y)f(x,y) 의 선형 근사는 다음과 같다.

f(x,y)≈f(1,3)+fx(1,3) (x−1)+fy(1,3) (y−3)=1+3(x−1)−2(y−3)\begin{aligned} f(x,y) \approx f(1,3) + f_x(1,3)\,(x-1) +f_y(1,3)\,(y-3) = 1 + 3(x-1) -2(y-3) \end{aligned}

따라서 zz 의 변화량은 대략 다음과 같다.

3(1.2−1)−2(2.6−3)=1.4\begin{aligned} 3(1.2-1) -2(2.6-3) = 1.4 \end{aligned}

(b) 접평면의 방정식은 다음과 같다.

z=f(1,3)+fx(1,3) (x−1)+fy(1,3) (y−3)=1+3(x−1)−2(y−3)\begin{aligned} z = f(1,3) + f_x(1,3)\,(x-1) +f_y(1,3)\,(y-3) = 1 + 3(x-1) -2(y-3) \end{aligned}

또는

3x−2y−z=−43x-2y-z = -4

원본 교재 풀이(영어)

(a) The linear approximation to f(x,y)f(x,y) at (1,3)(1,3) is

f(x,y)≈f(1,3)+fx(1,3) (x−1)+fy(1,3) (y−3)=1+3(x−1)−2(y−3)\begin{aligned} f(x,y) \approx f(1,3) + f_x(1,3)\,(x-1) +f_y(1,3)\,(y-3) = 1 + 3(x-1) -2(y-3) \end{aligned}

So the change is zz is approximately

3(1.2−1)−2(2.6−3)=1.4\begin{aligned} 3(1.2-1) -2(2.6-3) = 1.4 \end{aligned}

(b) The equation of the tangent plane is

z=f(1,3)+fx(1,3) (x−1)+fy(1,3) (y−3)=1+3(x−1)−2(y−3)\begin{aligned} z = f(1,3) + f_x(1,3)\,(x-1) +f_y(1,3)\,(y-3) = 1 + 3(x-1) -2(y-3) \end{aligned}

or

3x−2y−z=−43x-2y-z = -4

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 23번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
9.CLP-3 · 2.6절 · 23번대학 수준우리말 번역

판데르발스 방정식에 따르면 기체는 다음 방정식을 만족시킨다.

(pV2+16)(V−1)=TV2,(pV^2 + 16)(V - 1) = T V^2 ,

여기서 pp, VV, TT 는 각각 압력, 부피, 온도를 나타낸다. 이 기체가 현재 압력 11, 부피 22, 온도 55 인 상태라고 하자. pp 가 0.20.2 만큼, TT 가 0.30.3 만큼 증가할 때 부피의 변화량을 어림하세요.

영어 원문 보기

According to van der Waal's equation, a gas satisfies the equation

(pV2+16)(V−1)=TV2,(pV^2 + 16)(V - 1) = T V^2 ,

where pp, VV and TT denote pressure, volume and temperature respectively. Suppose the gas is now at pressure 11, volume 22 and temperature 55. Find the approximate change in its volume if pp is increased by 0.20.2 and TT is increased by 0.30.3.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

부피를 압력과 온도의 함수 V(p,T)V(p,T) 로 생각하자. 이 함수는 (적어도 p≈1p\approx 1, T≈5T\approx 5, V≈2V\approx 2 일 때) 다음 방정식에 의해 음함수로 결정된다.

(pV(p,T)2+16)(V(p,T)−1)=TV(p,T)2(∗)\big(pV(p,T)^2 + 16\big)\big(V(p,T) - 1\big) = T V(p,T)^2 \tag{$*$}

VV 의 변화량을 어림하기 위해 p=1p=1, T=5T=5 에서 V(p,T)V(p,T) 의 선형 근사를 이용한다. 그러려면 편도함수 Vp(1,5)V_p(1,5) 와 VT(1,5)V_T(1,5) 가 필요하다. 방정식 (∗)(*) 는 11 에 가까운 모든 pp 와 55 에 가까운 모든 TT 에 대해 성립하므로, (∗)(*) 의 양변을 pp 에 대해 미분하면

(V2+2pVVp)(V−1)+(pV2+16)Vp=2TVVp\begin{aligned} &\big(V^2 +2 pV V_p\big)\big(V - 1\big) + \big(pV ^2 + 16\big)V_p = 2T V V_p \end{aligned}

이고, (∗)(*) 의 양변을 TT 에 대해서도 미분하면

(2pVVT)(V−1)+(pV2+16)VT=V2+2TVVT\begin{aligned} &\big(2 pV V_T\big)\big(V - 1\big) + \big(pV ^2 + 16\big)V_T = V^2 + 2T V V_T \end{aligned}

이다. 특히 p=1p=1, V=2V=2, T=5T=5 일 때

(4+4Vp(1,5))(2−1)+(4+16)Vp(1,5)=20Vp(1,5)  ⟹  Vp(1,5)=−14VT(1,5)(2−1)+(4+16)VT(1,5)=4+20VT(1,5)  ⟹  VT(1,5)=1\begin{aligned} \big(4 +4 V_p(1,5)\big)\big(2 - 1\big) + \big(4 + 16\big)V_p(1,5) &= 20 V_p(1,5) &\quad\implies V_p(1,5)&=-1 \\ 4 V_T(1,5)\big(2 - 1\big) + \big(4 + 16\big)V_T(1,5) &= 4 + 20 V_T(1,5) &\quad\implies V_T(1,5)&=1 \end{aligned}

이므로 VV 의 변화량은 다음과 같다.

V(1.2 , 5.3)−V(1,5)≈Vp(1,5) (0.2)+VT(1,5) (0.3)=−0.2+0.3=0.1\begin{aligned} V(1.2\,,\,5.3)-V(1,5) \approx V_p(1,5)\,(0.2) + V_T(1,5)\,(0.3) = -0.2+0.3 = 0.1 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Think of the volume as being the function V(p,T)V(p,T) of pressure and temperature that is determined implicitly (at least for p≈1p\approx 1, T≈5T\approx 5 and V≈2V\approx 2) by the equation

(pV(p,T)2+16)(V(p,T)−1)=TV(p,T)2(∗)\big(pV(p,T)^2 + 16\big)\big(V(p,T) - 1\big) = T V(p,T)^2 \tag{$*$}

To determine the approximate change in VV, we will use the linear approximation to V(p,T)V(p,T) at p=1p=1, T=5T=5. So we will need the partial derivatives Vp(1,5)V_p(1,5) and VT(1,5)V_T(1,5). As the equation (∗)(*) is valid for all pp near 11 and TT near 5, we may differentiate (∗)(*) with respect to pp, giving

(V2+2pVVp)(V−1)+(pV2+16)Vp=2TVVp\begin{aligned} &\big(V^2 +2 pV V_p\big)\big(V - 1\big) + \big(pV ^2 + 16\big)V_p = 2T V V_p \end{aligned}

and we may also differentiate (∗)(*) with respect to TT, giving

(2pVVT)(V−1)+(pV2+16)VT=V2+2TVVT\begin{aligned} &\big(2 pV V_T\big)\big(V - 1\big) + \big(pV ^2 + 16\big)V_T = V^2 + 2T V V_T \end{aligned}

In particular, when p=1p=1, V=2V=2, T=5T=5,

(4+4Vp(1,5))(2−1)+(4+16)Vp(1,5)=20Vp(1,5)  ⟹  Vp(1,5)=−14VT(1,5)(2−1)+(4+16)VT(1,5)=4+20VT(1,5)  ⟹  VT(1,5)=1\begin{aligned} \big(4 +4 V_p(1,5)\big)\big(2 - 1\big) + \big(4 + 16\big)V_p(1,5) &= 20 V_p(1,5) &\quad\implies V_p(1,5)&=-1 \\ 4 V_T(1,5)\big(2 - 1\big) + \big(4 + 16\big)V_T(1,5) &= 4 + 20 V_T(1,5) &\quad\implies V_T(1,5)&=1 \end{aligned}

so that the change in VV is

V(1.2 , 5.3)−V(1,5)≈Vp(1,5) (0.2)+VT(1,5) (0.3)=−0.2+0.3=0.1\begin{aligned} V(1.2\,,\,5.3)-V(1,5) \approx V_p(1,5)\,(0.2) + V_T(1,5)\,(0.3) = -0.2+0.3 = 0.1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 24번
# 접평면과 선형근사활용도전자동 분류
10.CLP-3 · 2.6절 · 24번대학 수준우리말 번역

함수 f(x,y)=e−x2+4y2f(x, y) = e^{-x^2 +4y^2} 을 생각하자.

(a) (x,y)=(2,1)(x, y) = (2, 1) 인 점에서 그래프 z=f(x,y)z = f (x,y) 에 접하는 접평면의 방정식을 구하세요. (b) (a)에서 구한 접평면을 이용하여 f(1.99,1.01)f(1.99, 1.01) 의 값에 대한 접평면 근삿값을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the function f(x,y)=e−x2+4y2f(x, y) = e^{-x^2 +4y^2}.

(a) Find the equation of the tangent plane to the graph z=f(x,y)z = f (x,y) at the point where (x,y)=(2,1)(x, y) = (2, 1). (b) Find the tangent plane approximation to the value of f(1.99,1.01)f(1.99, 1.01) using the tangent plane from part (a).

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

다음이 성립하므로

fx(2,1)=−2xe−x2+4y2∣(x,y)=(2,1)=−4fy(2,1)=−8ye−x2+4y2∣(x,y)=(2,1)=8\begin{aligned} f_x(2,1) & = -2x e^{-x^2 +4y^2}\Big|_{(x,y)=(2,1)} = -4 \\ f_y(2,1) & = \phantom{-}8y e^{-x^2 +4y^2}\Big|_{(x,y)=(2,1)} = 8 \end{aligned}

z=f(x,y)z=f(x,y) 의 (2,1)(2,1) 에서의 접평면은 다음과 같다.

z=f(2,1)+fx(2,1) (x−2)+fy(2,1) (y−1)=1−4(x−2)+8(y−1)=1−4x+8y\begin{aligned} z &= f(2,1) +f_x(2,1)\,(x-2) +f_y(2,1)\,(y-1) = 1 -4 (x-2) +8(y-1) \\ &= 1-4x +8y \end{aligned}

그리고 f(1.99,1.01)f(1.99, 1.01) 의 값에 대한 접평면 근삿값은 다음과 같다.

f(1.99,1.01)≈1−4(1.99−2)+8(1.01−1)=1.12\begin{aligned} f(1.99, 1.01) \approx 1 -4 (1.99-2) +8(1.01-1) = 1.12 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Since

fx(2,1)=−2xe−x2+4y2∣(x,y)=(2,1)=−4fy(2,1)=−8ye−x2+4y2∣(x,y)=(2,1)=8\begin{aligned} f_x(2,1) & = -2x e^{-x^2 +4y^2}\Big|_{(x,y)=(2,1)} = -4 \\ f_y(2,1) & = \phantom{-}8y e^{-x^2 +4y^2}\Big|_{(x,y)=(2,1)} = 8 \end{aligned}

The tangent plane to z=f(x,y)z=f(x,y) at (2,1)(2,1) is

z=f(2,1)+fx(2,1) (x−2)+fy(2,1) (y−1)=1−4(x−2)+8(y−1)=1−4x+8y\begin{aligned} z &= f(2,1) +f_x(2,1)\,(x-2) +f_y(2,1)\,(y-1) = 1 -4 (x-2) +8(y-1) \\ &= 1-4x +8y \end{aligned}

and the tangent plane approximation to the value of f(1.99,1.01)f(1.99, 1.01) is

f(1.99,1.01)≈1−4(1.99−2)+8(1.01−1)=1.12\begin{aligned} f(1.99, 1.01) \approx 1 -4 (1.99-2) +8(1.01-1) = 1.12 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 25번
# 접평면과 선형근사그래프·표 해석도전자동 분류
11.CLP-3 · 2.6절 · 25번대학 수준우리말 번역

z=f(x,y)=ln⁡(4x2+y2)z = f (x, y) = \ln(4x^2 + y^2) 라 하자.

(a) 점 (0,1)(0, 1) 에서 함수 z=f(x,y)z = f (x, y) 의 선형 근사를 이용하여 f(0.1,1.2)f(0.1, 1.2) 의 값을 어림하세요. (b) 점 PP 에서 z=f(x,y)z = f (x, y) 의 그래프에 접하는 접평면이 평면 2x+2y−z=32x + 2y - z = 3 과 평행하도록 하는, z=f(x,y)z = f(x, y) 의 그래프 위의 점 P(a,b,c)P (a, b, c) 를 구하세요.

영어 원문 보기

Let z=f(x,y)=ln⁡(4x2+y2)z = f (x, y) = \ln(4x^2 + y^2).

(a) Use a linear approximation of the function z=f(x,y)z = f (x, y) at (0,1)(0, 1) to estimate f(0.1,1.2)f(0.1, 1.2). (b) Find a point P(a,b,c)P (a, b, c) on the graph of z=f(x,y)z = f(x, y) such that the tangent plane to the graph of z=f(x,y)z = f (x, y) at the point PP is parallel to the plane 2x+2y−z=32x + 2y - z = 3.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 점 (a,b)(a,b) 에서 f(x,y)f(x,y) 의 선형 근사는 다음과 같다.

f(x,y)≈f(a,b)+fx(a,b) (x−a)+fy(a,b) (y−b)=ln⁡(4a2+b2)+8a4a2+b2 (x−a)+2b4a2+b2 (y−b)\begin{aligned} f(x,y) &\approx f(a,b) + f_x(a,b)\,(x-a) + f_y(a,b)\,(y-b) \\ &= \ln(4a^2 + b^2) + \frac{8a}{4a^2+b^2}\, (x-a) + \frac{2b}{4a^2+b^2}\, (y-b) \end{aligned}

특히 a=0a=0, b=1b=1 일 때

f(x,y)≈2 (y−1)\begin{aligned} f(x,y) &\approx 2\, (y-1) \end{aligned}

이고, x=0.1x=0.1, y=1.2y=1.2 일 때

f(0.1,1.2)≈0.4\begin{aligned} f(0.1,1.2) &\approx 0.4 \end{aligned}

이다.

(b) 점 (a,b,c)(a,b,c) 가 곡면 z=f(x,y)z=f(x,y) 위에 있을 필요충분조건은

c=f(a,b)=ln⁡(4a2+b2)c = f(a,b) = \ln(4a^2 + b^2)

이다. 이에 따라 4a2+b24a^2 + b^2 은 0이 아니어야 한다. 점 (a,b,c)(a,b,c) 에서 곡면 z=f(x,y)z = f (x, y) 의 접평면이 평면 2x+2y−z=32x + 2y - z = 3 과 평행할 필요충분조건은 <2 , 2 , −1>\left< 2\,,\,2\,,\,-1\right> 이 그 접평면의 법선 벡터인 것이다. 즉, 0이 아닌 수 tt 가 존재하여

<2 , 2 , −1>=t<fx(a,b) , fy(a,b) , −1>=t<8a4a2+b2 , 2b4a2+b2 , −1>\begin{aligned} \left< 2\,,\,2\,,\,-1\right> =t\left< f_x(a,b)\,,\,f_y(a,b)\,,\ -1\right> =t\left< \frac{8a}{4a^2+b^2} \,,\, \frac{2b}{4a^2+b^2} \,,\,-1\right> \end{aligned}

이다. zz 좌표가 같으려면 tt 는 11 이어야 한다. 그러면 xx 좌표와 yy 좌표가 같아야 하므로

8a4a2+b2=22b4a2+b2=2\begin{aligned} \frac{8a}{4a^2+b^2} &= 2 \\ \frac{2b}{4a^2+b^2} &= 2 \end{aligned}

이어야 한다. 이 방정식들로부터 aa 와 bb 는 모두 0이 아니다. 두 방정식을 서로 나누면 8a2b=1\frac{8a}{2b}=1 이므로 b=4ab=4a 이다. b=4ab=4a 를 두 방정식 중 어느 하나에 대입하면

8a20a2=2  ⟹  a=15\begin{aligned} \frac{8a}{20a^2}=2 \implies a=\frac{1}{5} \end{aligned}

이다. 따라서 a=15a=\frac{1}{5}, b=45b=\frac{4}{5} 이고

c=ln⁡(452+4252)=ln⁡45\begin{aligned} c=\ln\left(\frac{4}{5^2}+\frac{4^2}{5^2}\right) =\ln\frac{4}{5} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The linear approximation to f(x,y)f(x,y) at (a,b)(a,b) is

f(x,y)≈f(a,b)+fx(a,b) (x−a)+fy(a,b) (y−b)=ln⁡(4a2+b2)+8a4a2+b2 (x−a)+2b4a2+b2 (y−b)\begin{aligned} f(x,y) &\approx f(a,b) + f_x(a,b)\,(x-a) + f_y(a,b)\,(y-b) \\ &= \ln(4a^2 + b^2) + \frac{8a}{4a^2+b^2}\, (x-a) + \frac{2b}{4a^2+b^2}\, (y-b) \end{aligned}

In particular, for a=0a=0 and b=1b=1,

f(x,y)≈2 (y−1)\begin{aligned} f(x,y) &\approx 2\, (y-1) \end{aligned}

and, for x=0.1x=0.1 and y=1.2y=1.2,

f(0.1,1.2)≈0.4\begin{aligned} f(0.1,1.2) &\approx 0.4 \end{aligned}

(b) The point (a,b,c)(a,b,c) is on the surface z=f(x,y)z=f(x,y) if and only if

c=f(a,b)=ln⁡(4a2+b2)c = f(a,b) = \ln(4a^2 + b^2)

Note that this forces 4a2+b24a^2 + b^2 to be nonzero. The tangent plane to the surface z=f(x,y)z = f (x, y) at the point (a,b,c)(a,b,c) is parallel to the plane 2x+2y−z=32x + 2y - z = 3 if and only if <2 , 2 , −1>\left< 2\,,\,2\,,\,-1\right> is a normal vector for the tangent plane. That is, there is a nonzero number tt such that

<2 , 2 , −1>=t<fx(a,b) , fy(a,b) , −1>=t<8a4a2+b2 , 2b4a2+b2 , −1>\begin{aligned} \left< 2\,,\,2\,,\,-1\right> =t\left< f_x(a,b)\,,\,f_y(a,b)\,,\ -1\right> =t\left< \frac{8a}{4a^2+b^2} \,,\, \frac{2b}{4a^2+b^2} \,,\,-1\right> \end{aligned}

For the zz–coordinates to be equal, tt must be 11. Then, for the xx– and yy–coordinates to be equal, we need

8a4a2+b2=22b4a2+b2=2\begin{aligned} \frac{8a}{4a^2+b^2} &= 2 \\ \frac{2b}{4a^2+b^2} &= 2 \end{aligned}

Note that these equations force both aa and bb to be nonzero. Dividing these equations gives 8a2b=1\frac{8a}{2b}=1 and hence b=4ab=4a. Substituting b=4ab=4a into either of the two equations gives

8a20a2=2  ⟹  a=15\begin{aligned} \frac{8a}{20a^2}=2 \implies a=\frac{1}{5} \end{aligned}

So a=15a=\frac{1}{5}, b=45b=\frac{4}{5} and

c=ln⁡(452+4252)=ln⁡45\begin{aligned} c=\ln\left(\frac{4}{5^2}+\frac{4^2}{5^2}\right) =\ln\frac{4}{5} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 26번
# 접평면과 선형근사그래프·표 해석도전자동 분류
12.CLP-3 · 2.6절 · 26번대학 수준우리말 번역

(a) 곡면 x2z3+ysin⁡(πx)=−y2x^2 z^3 + y \sin(\pi x) = -y^2 위의 점 P=(1,1,−1)P = (1,1,-1) 에서의 접평면의 방정식을 구하세요. (b) x2z3+ysin⁡(πx)=−y2x^2 z^3 + y \sin(\pi x) = -y^2 에 의해 zz 가 음함수로 정의되어 있다고 하자. 점 P=(1,1,−1)P = (1,1,-1) 에서 ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x} 의 값을 구하세요. (c) zz 를 (ii)에서와 같이 방정식 x2z3+ysin⁡(πx)=−y2x^2 z^3 + y \sin(\pi x) = -y^2 으로 정의되는 같은 음함수라고 하자. x=0.97x = 0.97, y=1y = 1 일 때, zz 의 근삿값을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find the equation of the tangent plane to the surface x2z3+ysin⁡(πx)=−y2x^2 z^3 + y \sin(\pi x) = -y^2 at the point P=(1,1,−1)P = (1,1,-1). (b) Let zz be defined implicitly by x2z3+ysin⁡(πx)=−y2x^2 z^3 + y \sin(\pi x) = -y^2. Find ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x} at the point P=(1,1,−1)P = (1,1,-1). (c) Let zz be the same implicit function as in part (ii), defined by the equation x2z3+ysin⁡(πx)=−y2x^2 z^3 + y \sin(\pi x) = -y^2. Let x=0.97x = 0.97, and y=1y = 1. Find the approximate value of zz.

정답·풀이 보기

(a) 이 곡면의 방정식은 G(x,y,z)=x2z3+ysin⁡(πx)+y2=0G(x,y,z) = x^2 z^3 + y \sin(\pi x) + y^2 =0 이다. 따라서 점 (1,1−1)(1,1-1) 에서 곡면의 법선 벡터는

∇G(1,1,−1)=[(2xz3+πycos⁡(πx))ı^+(sin⁡(πx)+2y)ȷ^+3z2x2 k^](x,y,z)=(1,1,−1)=(−2−π)ı^+2 ȷ^+3 k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } G(1,1,-1) &= \big[ \big(2x z^3 +\pi y\cos(\pi x)\big)\hat{\boldsymbol{\imath}} +\big(\sin(\pi x) +2y\big)\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3z^2 x^2\,\hat{\mathbf{k}}\big]_{(x,y,z)=(1,1,-1)} \\ &= \big(-2-\pi\big)\hat{\boldsymbol{\imath}} +2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다. 그러므로 접평면의 방정식은

(−2−π)(x−1)+2(y−1)+3(z+1)=0또는−(2+π)x+2y+3z=−π−3\begin{aligned} \big(-2-\pi\big)(x-1) + 2(y-1) +3 (z+1) =0\quad\text{또는}\quad -(2+\pi)x +2y +3z = -\pi-3 \end{aligned}

이다.

(b) 함수 z(x,y)z(x,y) 는 모든 xx 와 yy 에 대해

x2z(x,y)3+ysin⁡(πx)+y2=0\begin{aligned} x^2 z(x,y)^3 +y\sin(\pi x) +y^2 = 0 \end{aligned}

을 만족한다. 이 등식을 xx 에 대해 미분하면

2xz(x,y)3+3x2z(x,y)2∂z∂x(x,y)+πycos⁡(πx)=0\begin{aligned} 2x z(x,y)^3 + 3 x^2 z(x,y)^2 \frac{\partial z}{\partial x}(x,y) + \pi y \cos(\pi x) =0 \end{aligned}

을 얻는다. (1,1,−1)(1,1,-1) 에서의 값을 구하면

−2+3∂z∂x(1,1)−π=0  ⟹  ∂z∂x(1,1)=π+23\begin{aligned} -2 + 3 \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) -\pi =0 \implies \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) = \frac{\pi+2}{3} \end{aligned}

이다.

(c) (x,y)=(1,1)(x,y)=(1,1) 근방에서 선형 근사를 이용하면

z(x,1)≈z(1,1)+∂z∂x(1,1) (x−1)\begin{aligned} z(x,1) \approx z(1,1) +\frac{\partial z}{\partial x}(1,1)\ (x-1) \end{aligned}

이므로

z(0.97,1)≈−1+π+23 (−0.03)=−1−π+2100=−π+102100\begin{aligned} z(0.97,1) \approx -1 +\frac{\pi+2}{3}\ (-0.03) = -1 -\frac{\pi+2}{100} = -\frac{\pi+102}{100} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The surface has equation G(x,y,z)=x2z3+ysin⁡(πx)+y2=0G(x,y,z) = x^2 z^3 + y \sin(\pi x) + y^2 =0. So a normal vector to the surface at (1,1−1)(1,1-1) is

∇G(1,1,−1)=[(2xz3+πycos⁡(πx))ı^+(sin⁡(πx)+2y)ȷ^+3z2x2 k^](x,y,z)=(1,1,−1)=(−2−π)ı^+2 ȷ^+3 k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } G(1,1,-1) &= \big[ \big(2x z^3 +\pi y\cos(\pi x)\big)\hat{\boldsymbol{\imath}} +\big(\sin(\pi x) +2y\big)\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3z^2 x^2\,\hat{\mathbf{k}}\big]_{(x,y,z)=(1,1,-1)} \\ &= \big(-2-\pi\big)\hat{\boldsymbol{\imath}} +2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

So the equation of the tangent plane is

(−2−π)(x−1)+2(y−1)+3(z+1)=0or−(2+π)x+2y+3z=−π−3\begin{aligned} \big(-2-\pi\big)(x-1) + 2(y-1) +3 (z+1) =0\quad\text{or}\quad -(2+\pi)x +2y +3z = -\pi-3 \end{aligned}

(b) The functions z(x,y)z(x,y) obeys

x2z(x,y)3+ysin⁡(πx)+y2=0\begin{aligned} x^2 z(x,y)^3 +y\sin(\pi x) +y^2 = 0 \end{aligned}

for all xx and yy. Differentiating this equation with respect to xx gives

2xz(x,y)3+3x2z(x,y)2∂z∂x(x,y)+πycos⁡(πx)=0\begin{aligned} 2x z(x,y)^3 + 3 x^2 z(x,y)^2 \frac{\partial z}{\partial x}(x,y) + \pi y \cos(\pi x) =0 \end{aligned}

Evaluating at (1,1,−1)(1,1,-1) gives

−2+3∂z∂x(1,1)−π=0  ⟹  ∂z∂x(1,1)=π+23\begin{aligned} -2 + 3 \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) -\pi =0 \implies \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) = \frac{\pi+2}{3} \end{aligned}

(c) Using the linear approximation about (x,y)=(1,1)(x,y)=(1,1),

z(x,1)≈z(1,1)+∂z∂x(1,1) (x−1)\begin{aligned} z(x,1) \approx z(1,1) +\frac{\partial z}{\partial x}(1,1)\ (x-1) \end{aligned}

gives

z(0.97,1)≈−1+π+23 (−0.03)=−1−π+2100=−π+102100\begin{aligned} z(0.97,1) \approx -1 +\frac{\pi+2}{3}\ (-0.03) = -1 -\frac{\pi+2}{100} = -\frac{\pi+102}{100} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.6절 · 27번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류
13.CLP-3 · 2.6절 · 27번대학 수준우리말 번역

곡면 x4+y4+z4+xyz=17x^4+y^4+z^4+xyz=17 은 점 (0,1,2)(0,1,2) 를 지나고, 이 점 근처에서 이 곡면은 xx 를 yy 와 zz 의 함수 x=F(y,z)x=F(y,z) 로 정한다.

(a) (x,y,z)=(0,1,2)(x,y,z)=(0,1,2) 에서 FyF_y 와 FzF_z 를 구하세요. (b) 접평면 근사(선형근사, 1차 근사 또는 미분 근사라고도 한다)를 이용하여, 점 (x,1.01,1.98)(x,1.01, 1.98) 이 곡면 위에 있도록 하는 xx (00 근처)의 근삿값을 구하세요.

영어 원문 보기

The surface x4+y4+z4+xyz=17x^4+y^4+z^4+xyz=17 passes through (0,1,2)(0,1,2), and near this point the surface determines xx as a function, x=F(y,z)x=F(y,z), of yy and zz.

(a) Find FyF_y and FzF_z at (x,y,z)=(0,1,2)(x,y,z)=(0,1,2). (b) Use the tangent plane approximation (also known as linear, first order or differential approximation) to find the approximate value of xx (near 00) such that (x,1.01,1.98)(x,1.01, 1.98) lies on the surface.

정답·풀이 보기

(a) y=1y=1, z=2z=2 근처의 모든 yy 와 zz 에 대해 함수 F(y,z)F(y,z) 는 F(y,z)4+y4+z4+F(y,z)yz=17F(y,z)^4+y^4+z^4+F(y,z)yz=17 을 만족한다. 이 등식에 ∂∂y\frac{\partial }{\partial y} 와 ∂∂z\frac{\partial }{\partial z} 를 각각 적용하면 다음과 같다.

4F(y,z)3Fy(y,z)+4y3+Fy(y,z)yz+F(y,z)z=04F(y,z)3Fz(y,z)+4z3+Fz(y,z)yz+F(y,z)y=0\begin{aligned} 4F(y,z)^3F_y(y,z)+4y^3+F_y(y,z)yz +F(y,z)z&=0 \\ 4F(y,z)^3F_z(y,z)+4z^3+F_z(y,z)yz +F(y,z)y&=0 \end{aligned}

F(1,2)=0F(1,2)=0, y=1y=1, z=2z=2 를 대입하면 다음과 같다.

4+2Fy(1,2)=0   ⟹   Fy(1,2)=−232+2Fz(1,2)=0   ⟹   Fz(1,2)=−16\begin{aligned} 4+2F_y(1,2)&=0 & &\ \implies\ & &F_y(1,2)=-2 \\ 32+2F_z(1,2)&=0 & &\ \implies\ & & F_z(1,2)=-16 \end{aligned}

(b) y=1y=1, z=2z=2 에서 x=F(y,z)x=F(y,z) 의 접평면은 다음과 같다.

x≈F(1,2)+Fy(1,2) (y−1)+Fz(1,2) (z−2)x \approx F(1,2) +F_y(1,2)\,(y-1) +F_z(1,2)\,(z-2)

여기에 y=1.01y=1.01, z=1.98z=1.98 을 대입하면 다음과 같다.

x=F(1.01,1.98)≈F(1,2)+Fy(1,2)(1.01−1)+Fz(1,2)(1.98−2)=0−2(.01)−16(−0.02)=0.3\begin{aligned} x=F(1.01, 1.98) &\approx F(1,2)+F_y(1,2)(1.01-1)+F_z(1,2)(1.98-2) \\ &=0-2(.01)-16(-0.02) =0.3 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The function F(y,z)F(y,z) obeys F(y,z)4+y4+z4+F(y,z)yz=17F(y,z)^4+y^4+z^4+F(y,z)yz=17 for all yy and zz near y=1y=1, z=2z=2. Applying the derivatives ∂∂y\frac{\partial }{\partial y} and ∂∂z\frac{\partial }{\partial z} to this equation gives

4F(y,z)3Fy(y,z)+4y3+Fy(y,z)yz+F(y,z)z=04F(y,z)3Fz(y,z)+4z3+Fz(y,z)yz+F(y,z)y=0\begin{aligned} 4F(y,z)^3F_y(y,z)+4y^3+F_y(y,z)yz +F(y,z)z&=0 \\ 4F(y,z)^3F_z(y,z)+4z^3+F_z(y,z)yz +F(y,z)y&=0 \end{aligned}

Substiututing F(1,2)=0F(1,2)=0, y=1y=1 and z=2z=2 gives

4+2Fy(1,2)=0   ⟹   Fy(1,2)=−232+2Fz(1,2)=0   ⟹   Fz(1,2)=−16\begin{aligned} 4+2F_y(1,2)&=0 & &\ \implies\ & &F_y(1,2)=-2 \\ 32+2F_z(1,2)&=0 & &\ \implies\ & & F_z(1,2)=-16 \end{aligned}

(b) Using the tangent plane to x=F(y,z)x=F(y,z) at y=1y=1 and z=2z=2, which is

x≈F(1,2)+Fy(1,2) (y−1)+Fz(1,2) (z−2)x \approx F(1,2) +F_y(1,2)\,(y-1) +F_z(1,2)\,(z-2)

with y=1.01y=1.01 and z=1.98z=1.98 gives

x=F(1.01,1.98)≈F(1,2)+Fy(1,2)(1.01−1)+Fz(1,2)(1.98−2)=0−2(.01)−16(−0.02)=0.3\begin{aligned} x=F(1.01, 1.98) &\approx F(1,2)+F_y(1,2)(1.01-1)+F_z(1,2)(1.98-2) \\ &=0-2(.01)-16(-0.02) =0.3 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 12.4절 · 3번
# 접평면과 선형근사계산도전자동 분류