문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터와 공간

직선과 평면의 방정식

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

CLP-3 · 1.4절 · 20번대학 수준우리말 번역

다음 구면을 생각하자. (x−1)2+(y−2)2+(z+1)2=2(x-1)^2+(y-2)^2+(z+1)^2=2 여러분이 SS 위의 점 (2,2,0)(2,2,0) 에 있고, SS 위에서 가장 짧은 경로를 따라 (2,1,−1)(2,1,-1) 로 가려고 한다고 하자. 처음 진행 방향을 외적으로 나타내세요.

영어 원문 보기

Consider the sphere given by (x−1)2+(y−2)2+(z+1)2=2(x-1)^2+(y-2)^2+(z+1)^2=2 Suppose that you are at the point (2,2,0)(2,2,0) on SS, and you plan to follow the shortest path on SS to (2,1,−1)(2,1,-1). Express your initial direction as a cross product.

정답·풀이 보기

새로운 좌표계로 바꾸어 X=x−1Y=y−2Z=z+1X=x-1\qquad Y=y-2\qquad Z=z+1 이라 하자. 이 새로운 좌표계에서 구의 방정식은 X2+Y2+Z2=2X^2+Y^2+Z^2=2 이다. 따라서 구의 중심은 (X,Y,Z)=(0,0,0)(X,Y,Z)=(0,0,0) 이고 반지름은 2\sqrt{2} 이다. 새로운 좌표계에서 출발점 (x,y,z)=(2,2,0)(x,y,z)=(2,2,0) 은 (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) 이고, 도착점 (x,y,z)=(2,1,−1)(x,y,z)=(2,1,-1) 은 (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0) 이다. 출발점을 PP, 도착점을 QQ 라 하자. 가장 짧은 경로는 PP 에서 QQ 까지 대원을 따라간다.

그림

구 위의 대원은 구의 중심을 포함하는 평면과 구가 만나서 생기는 도형이다. 처음 방향을 구하는 전략은 다음 두 가지 관찰에 바탕을 둔다.

  • 가장 짧은 경로는 원점과 두 점 PP, QQ 를 포함하는 평면 Π\Pi 위에 있다. 가장 짧은 경로가 Π\Pi 위에 있으므로 방향 벡터도 Π\Pi 위에 놓여야 하고, 따라서 Π\Pi 의 법선벡터와 수직이어야 한다.
  • 가장 짧은 경로는 구 위에도 머물러 있으므로, 처음 방향은 출발점 PP 에서 구의 법선벡터와도 수직이어야 한다.

처음 방향이 두 법선벡터에 모두 수직이므로, 두 법선벡터의 외적과 평행하다.

따라서 우리가 할 일은 평면 Π\Pi 의 법선벡터와 PP 에서 구의 법선벡터를 구하는 것이다.

  • Π\Pi 의 법선벡터를 구하는 한 가지 방법은 Π\Pi 의 방정식을 짐작해 보는 것이다. (0,0,0)(0,0,0) 이 Π\Pi 위에 있으므로 (0,0,0)(0,0,0) 은 Π\Pi 의 방정식을 만족해야 한다. 따라서 Π\Pi 의 방정식은 aX+bY+cZ=0aX+bY+cZ=0 꼴이어야 한다. (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) 이 Π\Pi 위에 있으므로 a+c=0a+c=0 이다. (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0) 이 Π\Pi 위에 있으므로 a−b=0a-b=0 이다. 따라서 a=1a=1, b=1b=1, c=−1c=-1 로 잡을 수 있다. 즉 Π\Pi 는 X+Y−Z=0X+Y-Z=0 이다. (세 점 (0,0,0)(0,0,0), (1,0,1)(1,0,1), (1,−1,0)(1,-1,0) 이 모두 X+Y−Z=0X+Y-Z=0 을 만족하는지 확인하세요.) Π\Pi 의 법선벡터는 <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 이다.

  • Π\Pi 의 법선벡터를 구하는 두 번째 방법은 다음 두 가지를 관찰하는 것이다.

  • (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,0,1)(1,0,1) 로 가는 벡터, 즉 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 은 완전히 Π\Pi 안에 놓여 있고

  • (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,−1,0)(1,-1,0) 로 가는 벡터, 즉 <1,−1,0>\left< 1,-1,0\right> 도 완전히 Π\Pi 안에 놓여 있다.

따라서 벡터

<1,0,1>×<1,−1,0>=det⁡[ı^ȷ^k^1011−10]=ı^+ȷ^−k^\left< 1,0,1\right>\times\left< 1,-1,0\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 0 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

는 Π\Pi 에 수직이다.

  • 구의 중심에서 구 위의 점 PP 로 가는 벡터는 PP 에서 구에 수직이다. 따라서 출발점 (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) 에서 구의 법선벡터는 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 이다.

처음 방향(좌표 변환 X=x−1X=x-1, Y=y−2Y=y-2, Z=z+1Z=z+1 은 속도 벡터나 방향 벡터에 전혀 영향을 주지 않음에 주의하자. 시각 tt 에서의 위치가 원래 좌표계에서 (x(t),y(t),z(t))(x(t),y(t),z(t)) 이면, 새로운 좌표계에서는 (X(t),Y(t),Z(t))=(x(t)−1,y(t)−2,z(t)+1)(X(t),Y(t),Z(t)) =(x(t)-1,y(t)-2,z(t)+1) 이다. 두 좌표계에서의 속도 벡터 <x′(t),y′(t),z′(t)>=<X′(t),Y′(t),Z′(t)>\left< x'(t),y'(t),z'(t)\right> =\left< X'(t),Y'(t),Z'(t)\right> 는 같다.) 은 <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 과 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 에 모두 수직이어야 하므로, ±<1,1,−1>×<1,0,1>\pm\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right> 중 하나이다. 가장 짧은 경로로 (1,0,1)(1,0,1) 에서 (1,−1,0)(1,-1,0) 으로 가려면 ZZ 좌표가 11 에서 00 으로 감소해야 한다. 따라서 처음 방향의 ZZ 좌표는 음수여야 한다. 이는 다음의 경우에 해당한다.

<1,1,−1>×<1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^11−1101]=ı^−2 ȷ^−k^\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 1 & -1 \\ 1 & 0 & 1 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} - 2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

원본 교재 풀이(영어)

Switch to a new coordinate system with X=x−1Y=y−2Z=z+1X=x-1\qquad Y=y-2\qquad Z=z+1 In this new coordinate system, the sphere has equation X2+Y2+Z2=2X^2+Y^2+Z^2=2. So the sphere is centred at (X,Y,Z)=(0,0,0)(X,Y,Z)=(0,0,0) and has radius 2\sqrt{2}. In the new coordinate system, the initial point (x,y,z)=(2,2,0)(x,y,z)=(2,2,0) has (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) and our final point (x,y,z)=(2,1,−1)(x,y,z)=(2,1,-1) has (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0). Call the initial point PP and the final point QQ. The shortest path will follow the great circle from PP to QQ.

figure

A great circle on a sphere is the intersection of the sphere with a plane that contains the centre of the sphere. Our strategy for finding the initial direction will be based on two observations.

  • The shortest path lies on the plane Π\Pi that contains the origin and the points PP and QQ. Since the shortest path lies on Π\Pi, our direction vector must also lie on Π\Pi and hence must be perpendicular to the normal vector to Π\Pi.
  • The shortest path also remains on the sphere, so our initial direction must also be perpendicular to the normal vector to the sphere at our initial point PP.

As our initial direction is perpendicular to the two normal vectors, it is parallel to their cross product.

So our main job is to find normal vectors to the plane Π\Pi and to the sphere at PP.

  • One way to find a normal vector to Π\Pi is to guess an equation for Π\Pi. As (0,0,0)(0,0,0) is on Π\Pi, (0,0,0)(0,0,0) must obey Π\Pi's equation. So Π\Pi's equation must be of the form aX+bY+cZ=0aX+bY+cZ=0. That (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) is on Π\Pi forces a+c=0a+c=0. That (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0) is on Π\Pi forces a−b=0a-b=0. So we may take a=1a=1, b=1b=1 and c=−1c=-1. That is, Π\Pi is X+Y−Z=0X+Y-Z=0. (Check that all three points (0,0,0)(0,0,0), (1,0,1)(1,0,1) and (1,−1,0)(1,-1,0) do indeed obey X+Y−Z=0X+Y-Z=0.) A normal vector to Π\Pi is <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right>.

  • A second way to find a normal vector to Π\Pi is to observe that both

  • the vector from (0,0,0)(0,0,0) to (1,0,1)(1,0,1), that is <1,0,1>\left< 1,0,1\right>, lies completely inside Π\Pi and

  • the vector from (0,0,0)(0,0,0) to (1,−1,0)(1,-1,0), that is <1,−1,0>\left< 1,-1,0\right>, lies completely inside Π\Pi.

So the vector

<1,0,1>×<1,−1,0>=det⁡[ı^ȷ^k^1011−10]=ı^+ȷ^−k^\left< 1,0,1\right>\times\left< 1,-1,0\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 0 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

is perpendicular to Π\Pi.

  • The vector from the centre of the sphere to the point PP on the sphere is perpendicular to the sphere at PP. So a normal vector to the sphere at our initial point (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) is <1,0,1>\left< 1,0,1\right>.

Since our initial direction (Note that the change of coordinates X=x−1X=x-1, Y=y−2Y=y-2, Z=z+1Z=z+1 has absolutely no effect on any velocity or direction vector. If our position at time tt is (x(t),y(t),z(t))(x(t),y(t),z(t)) in the original coordinate system, then it is (X(t),Y(t),Z(t))=(x(t)−1,y(t)−2,z(t)+1)(X(t),Y(t),Z(t)) =(x(t)-1,y(t)-2,z(t)+1) in the new coordinate system. The velocity vectors in the two coordinate systems <x′(t),y′(t),z′(t)>=<X′(t),Y′(t),Z′(t)>\left< x'(t),y'(t),z'(t)\right> =\left< X'(t),Y'(t),Z'(t)\right> are identical.) must be perpendicular to both <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> and <1,0,1>\left< 1,0,1\right>, it must be one of ±<1,1,−1>×<1,0,1>\pm\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right>. To get from (1,0,1)(1,0,1) to (1,−1,0)(1,-1,0) by the shortest path, our ZZ coordinate should decrease from 11 to 00. So the ZZ coordinate of our initial direction should be negative. This is the case for

<1,1,−1>×<1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^11−1101]=ı^−2 ȷ^−k^\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 1 & -1 \\ 1 & 0 & 1 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} - 2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

한 번 더 — 비슷한 문제APEX · 10.5절 · 4번우리말 번역

공간에서 두 직선이 꼬인 위치에 있다는 것이 무엇을 뜻하는지 자신의 말로 설명하세요.

다 풀었으면 정답 확인

답은 다양하다.

이 문제로 이어서 풀기
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류

「직선과 평면의 방정식」 문제 목록으로