The left hand sketch below contains the points, (x1,y1), (x3,y3),
(x5,y5), that are on the axes. The right hand sketch below contains the
points, (x2,y2), (x4,y4), that are not on the axes.
Recall that the polar coordinates r, θ
are related to the cartesian coordinates x, y, by x=rcosθ,
y=rsinθ. So r=x2+y2 and tanθ=xy
(assuming that x=0) and
(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3)(x4,y4)(x5,y5)=(3,0)=(1,1)=(0,1)=(−1,1)=(−2,0)⟹⟹⟹⟹⟹r1=3,tanθ1=0r2=2,tanθ2=1r3=1,cosθ3=0r4=2,tanθ4=−1r5=2,tanθ5=0⟹θ1⟹θ2⟹θ3⟹θ4⟹θ5=0 as (x1,y1) is on the positive x-axis=4π as (x2,y2) is in the first octant=2π as (x3,y3) is on the positive y-axis=43π as (x4,y4) is in the third octant=π as (x5,y5) is on the negative x-axis
아래 왼쪽 그림에서 파란 반직선은 극좌표가 θ=π, r>0 인 모든 점의 집합이고, 분홍 반직선은 극좌표가 θ=π, r<0 인 모든 점의 집합이다.
아래 오른쪽 그림에서 파란 반직선은 극좌표가 θ=0, r>0 인 모든 점의 집합이고, 분홍 반직선은 극좌표가 θ=0, r<0 인 모든 점의 집합이다.
(b)
(1,1) 에서 원점까지의 거리는 2 이다.
따라서 r=2 또는 r=−2 이다.
아래 왼쪽 그림에서 파란 반직선은 극좌표가 θ=4π, r>0 인 모든 점의 집합이고, 분홍 반직선은 극좌표가 θ=4π, r<0 인 모든 점의 집합이다.
아래 오른쪽 그림에서 파란 반직선은 극좌표가 θ=45π, r>0 인 모든 점의 집합이고, 분홍 반직선은 극좌표가 θ=45π, r<0 인 모든 점의 집합이다.
(c)
(−1,−1) 에서 원점까지의 거리는 2 이다.
따라서 r=2 또는 r=−2 이다.
아래 왼쪽 그림에서 파란 반직선은 극좌표가 θ=45π, r>0 인 모든 점의 집합이고, 분홍 반직선은 극좌표가 θ=45π, r<0 인 모든 점의 집합이다.
아래 오른쪽 그림에서 파란 반직선은 극좌표가 θ=4π, r>0 인 모든 점의 집합이고, 분홍 반직선은 극좌표가 θ=4π, r<0 인 모든 점의 집합이다.
원본 교재 풀이(영어)
Note that the distance from the point (rcosθ,rsinθ)
to the origin is
r2cos2θ+r2sin2θ=r2=∣r∣
Thus r can be either the distance to the origin or minus the distance to the
origin.
(a)
The distance from (−2,0) to the origin is 2. So either r=2 or r=−2.
(−2,0)=(−2cosθ,−2sinθ)⟺sinθ=0,cosθ=1⟺θ=nπ,n integer ,cosθ=1⟺θ=nπ,n even integer
In the figure on the left below, the blue half-line is the set of all points
with polar coordinates θ=π, r>0 and the pink half-line is the set
of all points with polar coordinates θ=π, r<0.
In the figure on the right below, the blue half-line is the set of all points
with polar coordinates θ=0, r>0 and the pink half-line is the set
of all points with polar coordinates θ=0, r<0.
(b)
The distance from (1,1) to the origin is 2.
So either r=2 or r=−2.
In the figure on the left below, the blue half-line is the set of all points
with polar coordinates θ=4π, r>0 and the pink half-line
is the set of all points with polar coordinates θ=4π, r<0.
In the figure on the right below, the blue half-line is the set of all points
with polar coordinates θ=45π, r>0 and the pink
half-line is the set of all points with polar coordinates
θ=45π, r<0.
(c)
The distance from (−1,−1) to the origin is 2.
So either r=2 or r=−2.
In the figure on the left below, the blue half-line is the set of all points
with polar coordinates θ=45π, r>0 and the pink half-line
is the set of all points with polar coordinates
θ=45π, r<0.
In the figure on the right below, the blue half-line is the set of all points
with polar coordinates θ=4π, r>0 and the pink
half-line is the set of all points with polar coordinates
θ=4π, r<0.
(a) 각 각 θ 에 대해 벡터 e^r(θ) 와 e^θ(θ) 의 길이, 그리고 두 벡터 e^r(θ) 와 e^θ(θ) 사이의 각을 구하세요. 외적 e^r(θ)×e^θ(θ) 를 계산하세요 (e^r(θ) 와 e^θ(θ) 를 k^ 성분이 0인 3차원 벡터로 보세요).
(b) 1≤i≤5 인 각 i 에 대해, xy평면에 점 (xi,yi) 와 벡터 e^r(θi), e^θ(θi) 를 그리세요. 벡터를 그릴 때에는 벡터 e^r(θi) 와 e^θ(θi) 의 꼬리를 (xi,yi) 에 두세요.
(a) Determine, for each angle θ, the lengths of the vectors
e^r(θ) and e^θ(θ) and the angle between
the vectors e^r(θ) and e^θ(θ). Compute
e^r(θ)×e^θ(θ) (viewing e^r(θ) and e^θ(θ) as vectors in three dimensions with zero k^
components).
(b) For each 1≤i≤5, sketch, in the xy-plane, the point (xi,yi)
and the vectors e^r(θi) and e^θ(θi). In your
sketch of the vectors, place the tails of the vectors
e^r(θi) and e^θ(θi) at (xi,yi).
(b) Note that for θ determined by x=rcosθ, y=rsinθ,
the vector e^r(θ) is a unit vector in the same direction as the
vector from (0,0) to (x,y) and
the vector e^θ(θ) is a unit vector that is perpendicular
to e^r(θ).
The y-component of e^θ(θ) has the same sign
as the x-component of e^r(θ).
The x-component of e^θ(θ) has opposite sign to that of the y-component of e^r(θ).
Here is a sketch of (xi,yi), e^r(θi),
e^θ(θi) for i=1,3,5 (the points on the axes)
and here is a sketch (to a different scale) of (xi,yi), e^r(θi),
e^θ(θi) for i=2,4 (the points off the axes).
(a) −1≤sin(4θ)≤1 이므로, θ 가 0 에서 2π 까지 변할 때 좌표 r=2+sin(4θ) 는 r=1 과 r=3 사이에서 진동한다.
최댓값 r=3 은 sin(4θ)=1 일 때, 즉 4θ=2π+2nπ 일 때, 즉 θ=8π+2nπ 일 때 얻어진다.
이는 그림 (E)와 일치한다.
(b) −1≤sin(4θ)≤1 이므로, 좌표 r=1+2sin(4θ) 는 (a) 의 경우와 마찬가지로 sin(4θ)=1 일 때, 즉 θ=8π+2nπ 일 때 최댓값 r=3 을 갖는다. 그러나 이번에는 r 가 값 0 도 가질 수 있다. 이는 그림 (B)와 일치한다.
(c) r=1 은 θ 와 완전히 무관하다. 곡선 r=1 위의 모든 점은 원점으로부터의 거리가 1 이다. 즉, r=1 은 원점을 중심으로 하고 반지름이 1 인 원이다. 이는 그림 (F)이다.
(d) 이 경우 θ 에는 −2π≤θ≤2π 라는 제한이 있으며, 그림 (C)와 같다.
그림 (C)는 원처럼 보인다. 직교좌표로 바꾸어 r=2cos(θ) 가 실제로 원임을 확인할 수 있다. 방정식 전체에 r 를 곱하면 우변을 정확히 2x=2rcos(θ) 로 바꿀 수 있다.
r=2cos(θ)⟺r2=2rcos(θ)⟺x2+y2=2x⟺(x−1)2+y2=1
따라서 r=2cos(θ) 는 x=1, y=0 을 중심으로 하고 반지름이 1 인 원이며, 이는 실제로 그림 (C)와 일치한다.
(e) θ=0 일 때 r=eθ/10+e−θ/10=2 이다.
dθd(eθ/10+e−θ/10)=101(eθ/10−e−θ/10)>0모든θ>0에대해
이므로 r=eθ/10+e−θ/10 는 모든 θ≥0 에서 θ 가 증가함에 따라 증가한다. 게다가 θ 가 커질수록 증가율도 점점 더 커진다. 따라서 r 는 θ=0 일 때 r=2 에서 시작하여 θ 가 증가함에 따라 점점 더 빠르게 증가한다. 이는 그림 (A)와 일치한다.
(f) θ=0 일 때 r=θ=0 이다.
dθdθ=1모든θ에대해
이므로 r=θ 는 모든 θ≥0 에서 θ 가 증가함에 따라 증가한다. 게다가 증가율은 θ 와 무관하다. 따라서 r 는 θ=0 일 때 r=0 에서 시작하여 θ 가 증가함에 따라 일정한 비율로 증가한다.
이는 그림 (D)와 일치한다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) Since −1≤sin(4θ)≤1, the coordinate r=2+sin(4θ) oscillates between r=1 and r=3 as θ runs from 0 to 2π.
The maximum value r=3 is achieved when sin(4θ)=1, i.e when
4θ=2π+2nπ, i.e. when θ=8π+2nπ.
That matches figure (E).
(b) Since −1≤sin(4θ)≤1, the coordinate r=1+2sin(4θ) takes its maximum value r=3 when sin(4θ)=1, i.e. when θ=8π+2nπ, just as the case with (a). But now
r can also take the value 0. That matches figure (B).
(c) r=1 is completely indepedent of θ. All points on the curve r=1
are a distance 1 from the origin. That is, r=1 is the circle of radius 1
centred on the origin. That's figure (F).
(d) In this case, θ is subject to the restriction
−2π≤θ≤2π, like figure (C).
Figure (C) looks like a circle. We can verify that r=2cos(θ) is
indeed a circle by converting to Cartesian coordinates. We can convert the right hand side to exactly 2x=2rcos(θ) by multiplying the
whole equation by r.
r=2cos(θ)⟺r2=2rcos(θ)⟺x2+y2=2x⟺(x−1)2+y2=1
So r=2cos(θ) is the circle of radius 1 centred on x=1, y=0,
which indeed matches figure (C).
(e) When θ=0, r=eθ/10+e−θ/10=2.
As
dθd(eθ/10+e−θ/10)=101(eθ/10−e−θ/10)>0for all θ>0
r=eθ/10+e−θ/10 increases as θ increases for all
θ≥0. Furthermore the rate of increase gets bigger and bigger as
θ gets bigger and bigger. So r starts at r=2 when θ=0
and increases faster and faster as θ increases. That matches figure (A).
(f) When θ=0, r=θ=0.
As
dθdθ=1for all θ
r=θ increases as θ increases for all
θ≥0. Furthermore the rate of increase is independent of θ.
So r starts at r=0 when θ=0
and increases at a constant rate as θ increases.
That matches figure (D).