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.

9문제 · 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).

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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}

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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
7.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
8.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
9.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