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.

83문제 · 5 / 5쪽

81.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
82.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
83.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