문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터와 공간

벡터의 연산

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

CLP-3 · 1.2절 · 35번대학 수준우리말 번역

구슬 하나가 평면 ax+by+cz=dax+by+cz=d 위에 놓여 있다. 좌표계는 양의 zz축이 똑바로 위를 향하도록 잡았다. 계수 cc 는 0이 아니고, 계수 aa 와 bb 는 둘 다 0은 아니다. 구슬은 어느 방향으로 구르는가? "c≠0c\ne 0" 과 "a,ba,b 가 둘 다 0은 아니다"라는 조건은 왜 붙였는지 설명하세요.

영어 원문 보기

A marble is placed on the plane ax+by+cz=dax+by+cz=d. The coordinate system has been chosen so that the positive zz–axis points straight up. The coefficient cc is nonzero and the coefficients aa and bb are not both zero. In which direction does the marble roll? Why were the conditions “c≠0c\ne 0” and “a,ba,b not both zero” imposed?

정답·풀이 보기

구슬에는 두 힘이 작용한다. 첫째는 중력으로 −mg k^-mg\,\hat{\mathbf{k}} 이며, mm 은 구슬의 질량이다. 둘째는 평면이 가하는 수직항력이다. 이 힘은 평면에 수직인 방향으로 작용한다. 평면에 수직인 벡터 하나는 a ı^+b ȷ^+c k^a\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+b\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}} 이다. 따라서 평면에 의한 힘은 T<a,b,c>T\left< a,b,c\right> 이다. 여기서 TT 는 평면에 수직인 알짜힘이 정확히 0이어야 한다는 성질로 정해지는데, 그래야 구슬이 평면 속으로 파고들지도, 평면에서 튀어 오르지도 않고 평면 위에 머문다. 중력을 법선 벡터 <a,b,c>\left< a,b,c\right> 위로 정사영한 것은 다음과 같다.

−mg<0,0,1>⋅<a,b,c>∣<a,b,c>∣2<a,b,c>=−mgca2+b2+c2<a,b,c>\frac{-mg\left< 0,0,1\right>\cdot\left< a,b,c\right>}{|\left< a,b,c\right>|^2}\left< a,b,c\right> =\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>

따라서 TT 를 정하는 조건은 다음과 같다.

T<a,b,c>+−mgca2+b2+c2<a,b,c>=0  ⟹  T=mgca2+b2+c2T\left< a,b,c\right>+\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right> =0 \implies T=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}

그러면 구슬에 작용하는 전체 힘은 다음과 같다(마찰은 무시한다. 마찰은 운동 방향에 영향을 주지 않는다).

T<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgca2+b2+c2<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgc<a,b,c>−<0,0,a2+b2+c2>a2+b2+c2=mg<ac,bc,−a2−b2>a2+b2+c2\begin{aligned} T\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>&=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>\\ &=mg\frac{c\left< a,b,c\right>-\left< 0,0,a^2+b^2+c^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ &=mg\frac{\left< ac,bc,-a^2-b^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ \end{aligned}

운동 방향은 <ac,bc,−a2−b2>\left< ac,bc,-a^2-b^2\right> 이다. 이를 단위벡터로 바꾸려면 (a2+b2)(a2+b2+c2)\sqrt{(a^2+b^2)(a^2+b^2+c^2)} 으로 나누면 된다. 이 방향 벡터는 <a,b,c>\left< a,b,c\right> 에 수직이므로 평면에 평행하다. c=0c=0 이면 평면은 수직이다. 이 경우 구슬은 구르지 않고 곧장 아래로 떨어진다. a=b=0a=b=0 이면 평면은 수평이다. 이 경우 구슬은 구르지 않고 정지해 있다.

원본 교재 풀이(영어)

The marble is subject to two forces. The first, gravity, is −mg k^-mg\,\hat{\mathbf{k}} with mm being the mass of the marble. The second is the normal force imposed by the plane. This forces acts in a direction perpendicular to the plane. One vector normal to the plane is a ı^+b ȷ^+c k^a\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+b\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}}. So the force due to the plane is T<a,b,c>T\left< a,b,c\right> with TT determined by the property that the net force perpendicular to the plane must be exactly zero, so that the marble remains on the plane, neither digging into nor flying off of it. The projection of the gravitational force onto the normal vector <a,b,c>\left< a,b,c\right> is

−mg<0,0,1>⋅<a,b,c>∣<a,b,c>∣2<a,b,c>=−mgca2+b2+c2<a,b,c>\frac{-mg\left< 0,0,1\right>\cdot\left< a,b,c\right>}{|\left< a,b,c\right>|^2}\left< a,b,c\right> =\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>

The condition that determines TT is thus

T<a,b,c>+−mgca2+b2+c2<a,b,c>=0  ⟹  T=mgca2+b2+c2T\left< a,b,c\right>+\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right> =0 \implies T=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}

The total force on the marble is then (ignoring friction – which will have no effect on the direction of motion)

T<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgca2+b2+c2<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgc<a,b,c>−<0,0,a2+b2+c2>a2+b2+c2=mg<ac,bc,−a2−b2>a2+b2+c2\begin{aligned} T\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>&=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>\\ &=mg\frac{c\left< a,b,c\right>-\left< 0,0,a^2+b^2+c^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ &=mg\frac{\left< ac,bc,-a^2-b^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ \end{aligned}

The direction of motion <ac,bc,−a2−b2>\left< ac,bc,-a^2-b^2\right>. If you want to turn this into a unit vector, just divide by (a2+b2)(a2+b2+c2)\sqrt{(a^2+b^2)(a^2+b^2+c^2)}. Note that the direction vector in perpendicular <a,b,c>\left< a,b,c\right> and hence is parallel to the plane. If c=0c=0, the plane is vertical. In this case, the marble doesn't roll – it falls straight down. If a=b=0a=b=0, the plane is horizontal. In this case, the marble doesn't roll — it remains stationary.

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 3권 · 2.1절 · 13번우리말 번역

벡터 v\text{v} 의 시점은 P(1,0)P(1,0) 이고, 종점 QQ 는 y축 위에 있으면서 시점보다 위쪽에 있습니다. 벡터 v\text{v} 의 크기가 5\sqrt{5} 가 되도록 종점 QQ 의 좌표를 구하세요.

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Q(0,2)Q(0,2)

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