문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터와 공간

벡터의 연산

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CLP-3 · 1.2절 · 33번대학 수준우리말 번역

정육면체의 대각선과 그 면 중 한 면의 대각선 사이의 각을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the angle between the diagonal of a cube and the diagonal of one of its faces.

정답·풀이 보기

정육면체의 높이, 길이, 너비가 ss 라고 하자. 정육면체의 꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (0,0,s)(0,0,s), (s,s,0)(s,s,0), (0,s,s)(0,s,s), (s,0,s)(s,0,s), (s,s,s)(s,s,s) 에 오도록 좌표축을 잡을 수 있다.

먼저 몇 가지 예를 살펴보자. (0,0,0)(0,0,0) 에서 (s,s,s)(s,s,s) 까지의 대각선은 <s,s,s>\left< s,s,s\right> 이다. 정육면체의 한 면은 꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (s,s,0)(s,s,0) 이다. 이 면의 한 대각선은 (0,0,0)(0,0,0) 에서 (s,s,0)(s,s,0) 까지이므로 <s,s,0>\left< s,s,0\right> 이다. <s,s,s>\left< s,s,s\right> 와 <s,s,0>\left< s,s,0\right> 사이의 각은

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<s,s,0>∣)=cos⁡−1(2s23s 2s)=cos⁡−1(26)≈35.26∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2s^2}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2}{\sqrt{6}}\right)\approx 35.26^\circ \end{aligned}

꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (s,s,0)(s,s,0) 인 면의 다른 대각선은 (s,0,0)(s,0,0) 에서 (0,s,0)(0,s,0) 까지의 대각선이다. 이 대각선은 <−s,s,0>\left< -s,s,0\right> 이다. <s,s,s>\left< s,s,s\right> 와 <−s,s,0>\left< -s,s,0\right> 사이의 각은

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<−s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<−s,s,0>∣)=cos⁡−1(03s 2s)=cos⁡−1(0)=90∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< -s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< -s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{0}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}(0)=90^\circ \end{aligned}

이제 일반적인 경우를 살펴보자. 정육면체의 모든 꼭짓점의 모든 성분은 00 또는 ss 이다. 일반적으로 정육면체의 두 꼭짓점은 두 꼭짓점의 세 성분이 모두 서로 다르면 정육면체의 대각선의 반대쪽 양 끝에 있다. 예를 들어 대각선의 한 끝이 (s,0,s)(s,0,s) 이면 다른 끝은 (0,s,0)(0,s,0) 이다. 정육면체의 대각선은 모두 <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right> 꼴이다. 이 대각선의 길이는 모두 3s\sqrt{3}s 이다. 두 꼭짓점은 성분 중 하나가 같으면 정육면체의 같은 면 위에 있다. 나머지 두 성분이 서로 다르면 그 두 꼭짓점은 그 면의 대각선의 반대쪽 양 끝에 있다. 예를 들어 (0,s,s)(0,s,s) 와 (s,0,s)(s,0,s) 는 모두 z=sz=s 인 면 위에 있다. xx 성분 0, s0,\ s 가 서로 다르고 yy 성분 s, 0s,\ 0 도 서로 다르므로 (0,s,s)(0,s,s) 와 (s,0,s)(s,0,s) 는 z=sz=s 인 면의 대각선의 양 끝이다. z=0z=0 또는 z=sz=s 인 면의 대각선은 <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right> 이다. y=0y=0 또는 y=sy=s 인 면의 대각선은 <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right> 이다. x=0x=0 또는 x=sx=s 인 면의 대각선은 <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right> 이다. 이 대각선의 길이는 모두 2s\sqrt{2}s 이다. 정육면체의 대각선 <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right> 중 하나와 면의 대각선 <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right>, <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right>, <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right> 중 하나의 내적은 ±s2±s2+0\pm s^2\pm s^2+0 꼴이므로 2s22s^2 또는 00 또는 −2s2-2s^2 이어야 한다. 일반적으로 정육면체의 대각선과 면의 대각선 사이의 각은

cos⁡−1(2s2 또는 0 또는 −2s23s 2s)=cos⁡−1(2 또는 0 또는 −26)≈35.26∘ 또는 90∘ 또는 144.74∘.\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\text{$2s^2$ 또는 0 또는 $-2s^2$}}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{\text{$2$ 또는 $0$ 또는 $-2$}}{\sqrt{6}}\right)\approx \text{$35.26^\circ$ 또는 $90^\circ$ 또는 $144.74^\circ$}. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Suppose that the cube has height, length and width ss. We may choose our coordinate axes so that the vertices of the cube are at (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (0,0,s)(0,0,s), (s,s,0)(s,s,0), (0,s,s)(0,s,s), (s,0,s)(s,0,s) and (s,s,s)(s,s,s).

We'll start with a couple of examples. The diagonal from (0,0,0)(0,0,0) to (s,s,s)(s,s,s) is <s,s,s>\left< s,s,s\right>. One face of the cube has vertices (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0) and (s,s,0)(s,s,0). One diagonal of this face runs from (0,0,0)(0,0,0) to (s,s,0)(s,s,0) and hence is <s,s,0>\left< s,s,0\right>. The angle between <s,s,s>\left< s,s,s\right> and <s,s,0>\left< s,s,0\right> is

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<s,s,0>∣)=cos⁡−1(2s23s 2s)=cos⁡−1(26)≈35.26∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2s^2}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2}{\sqrt{6}}\right)\approx 35.26^\circ \end{aligned}

A second diagonal for the face with vertices (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0) and (s,s,0)(s,s,0) is that running from (s,0,0)(s,0,0) to (0,s,0)(0,s,0). This diagonal is <−s,s,0>\left< -s,s,0\right>. The angle between <s,s,s>\left< s,s,s\right> and <−s,s,0>\left< -s,s,0\right> is

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<−s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<−s,s,0>∣)=cos⁡−1(03s 2s)=cos⁡−1(0)=90∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< -s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< -s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{0}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}(0)=90^\circ \end{aligned}

Now we'll consider the general case. Note that every component of every vertex of the cube is either 00 or ss. In general, two vertices of the cube are at opposite ends of a diagonal of the cube if all three components of the two vertices are different. For example, if one end of the diagonal is (s,0,s)(s,0,s), the other end is (0,s,0)(0,s,0). The diagonals of the cube are all of the form <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right>. All of these diagonals are of length 3s\sqrt{3}s. Two vertices are on the same face of the cube if one of their components agree. They are on opposite ends of a diagonal for the face if their other two components differ. For example (0,s,s)(0,s,s) and (s,0,s)(s,0,s) are both on the face with z=sz=s. Because the xx components 0, s0,\ s are different and the yy components s, 0s,\ 0 are different, (0,s,s)(0,s,s) and (s,0,s)(s,0,s) are the ends of a diagonal of the face with z=sz=s. The diagonals of the faces with z=0z=0 or z=sz=s are <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right>. The diagonals of the faces with y=0y=0 or y=sy=s are <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right>. The diagonals of the faces with x=0x=0 or x=sx=s are <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right>. All of these diagonals have length 2s\sqrt{2}s. The dot product of one the cube diagonals <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right> with one of the face diagonals <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right>, <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right>, <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right> is of the form ±s2±s2+0\pm s^2\pm s^2+0 and hence must be either 2s22s^2 or 00 or −2s2-2s^2. In general, the angle between a cube diagonal and a face diagonal is

cos⁡−1(2s2 or 0 or −2s23s 2s)=cos⁡−1(2 or 0 or −26)≈35.26∘ or 90∘ or 144.74∘.\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\text{$2s^2$ or 0 or $-2s^2$}}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{\text{$2$ or $0$ or $-2$}}{\sqrt{6}}\right)\approx \text{$35.26^\circ$ or $90^\circ$ or $144.74^\circ$}. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 3권 · 2장 복습 · 17번우리말 번역

다음 연습문제에서 평면 x=k,y=k, 그리고 z=kx=k,y=k,\,\text{그리고}\,z=k 에서 곡면의 자취를 구하세요. 그런 다음 곡면을 설명하고 그림을 그리세요.

x2=y2+z2{x}^{2}={y}^{2}+{z}^{2}

다 풀었으면 정답 확인

x=kx=k 자취: k2=y2+z2{k}^{2}={y}^{2}+{z}^{2} 은 원이다. y=ky=k 자취: x2−z2=k2{x}^{2}-{z}^{2}={k}^{2} 은 쌍곡선이다. (k=0)k=0) 일 때는 한 쌍의 직선이다. z=kz=k 자취: x2−y2=k2{x}^{2}-{y}^{2}={k}^{2} 은 쌍곡선이다. (k=0)k=0) 일 때는 한 쌍의 직선이다. 이 곡면은 원뿔이다.

이 그림은 옆으로 누운 타원뿔이다. 타원뿔은 상자 안에 들어 있다. 상자의 모서리는 x축, y축, z축을 나타낸다.

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