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.

3문제 · 1 / 1쪽

1.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
2.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
3.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