문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터와 공간

벡터함수의 미분과 적분

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

CLP-3 · 1.6절 · 11번대학 수준우리말 번역

위치가 r(t)\mathbf{r}(t) 인 입자의 시각 tt 에서의 속도, 속력, 가속도를 구하세요. 입자의 경로를 설명하세요. a>0a>0 이라 하세요.

(a) r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + ct\,\hat{\mathbf{k}} (b) r(t)=acos⁡tsin⁡t ı^+asin⁡2t ȷ^+acos⁡t k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + a\sin^2 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}

영어 원문 보기

Find the velocity, speed and acceleration at time tt of the particle whose position is r(t)\mathbf{r}(t). Describe the path of the particle. Let a>0a>0.

(a) r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + ct\,\hat{\mathbf{k}} (b) r(t)=acos⁡tsin⁡t ı^+asin⁡2t ȷ^+acos⁡t k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + a\sin^2 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}

정답·풀이 보기

(a) 정의에 의해,

r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^v(t)=r′(t)=−asin⁡t ı^+acos⁡t ȷ^+c k^dsdt(t)=∣v(t)∣=a2+c2a(t)=r′′(t)=−acos⁡t ı^−asin⁡t ȷ^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ct\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)&= -a \sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|&= \sqrt{a^2+c^2}\\ \mathbf{a}(t)=\mathbf{r}''(t)&= -a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

(x,y)=a(cos⁡t,sin⁡t)(x,y)= a(\cos t,\sin t) 좌표는 반지름이 aa 이고 중심이 (0,0)(0,0) 인 원을 반시계 방향으로 돈다. tt 가 2π2\pi 증가할 때마다 원을 한 바퀴 돈다. 동시에 zz 좌표는 일정한 비율로 증가한다. (x,y)(x,y) 좌표가 원을 한 바퀴 돌 때마다 zz 좌표는 2πc2 \pi c 만큼 증가한다. 경로는 반지름이 aa 이고 한 바퀴 돌 때마다 높이가 2πc2\pi c 만큼 올라가는 나선이다.

(b) 정의에 의해,

r(t)=acos⁡tsin⁡t ı^+asin⁡2t ȷ^+acos⁡t k^=a2sin⁡2t ı^+a1−cos⁡2t2 ȷ^+acos⁡t k^v(t)=r′(t)=acos⁡2t ı^+asin⁡2t ȷ^−asin⁡t k^dsdt(t)=∣v(t)∣=a1+sin⁡2ta(t)=r′′(t)=−2asin⁡2t ı^+2acos⁡2t ȷ^−acos⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= a \cos t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin^2 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}\\ &= \frac{a}{2} \sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\frac{1-\cos 2t}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)&= a \cos 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-a\sin t\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|&= a\sqrt{1+\sin^2t}\\ \mathbf{a}(t)=\mathbf{r}''(t)&= -2a \sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2a\cos 2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-a\cos t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

다음과 같이 놓자.

x(t)=a2sin⁡2ty(t)=a1−cos⁡2t2z(t)=acos⁡t\begin{aligned} x(t)=\tfrac{a}{2} \sin 2t \qquad y(t)=a\tfrac{1-\cos 2t}{2} \qquad z(t)=a\cos t \end{aligned}

그러면

x(t)2+[y(t)−a2]2=a24sin⁡22t+a24cos⁡22t=a24\begin{aligned} x(t)^2+\big[y(t)-\tfrac{a}{2}\big]^2&=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4} \cos^2 2t =\tfrac{a^2}{4} \end{aligned}

이므로 (x,y)(x,y) 좌표는 반지름이 a2\frac{a}{2} 이고 중심이 (0,a2)\big(0,\frac{a}{2}\big) 인 원을 반시계 방향으로 돈다. 동시에 zz 좌표는 절반의 빠르기로 11 과 −1-1 사이의 구간에서 진동한다. 사실 이 곡선에 대해서는 더 말할 수 있다.

x(t)2+y(t)2=a24sin⁡22t+a24(1−cos⁡2t)2=a24sin⁡22t+a24−a22cos⁡2t+a24cos⁡22t=a22−a22(1−2sin⁡2t)=a2sin⁡2tx(t)2+y(t)2+z(t)2=a2sin⁡2t+a2cos⁡2t=a2\begin{aligned} x(t)^2+y(t)^2&=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4}\big(1-\cos 2t\big)^2 \\ &=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4} - \tfrac{a^2}{2}\cos 2t + \tfrac{a^2}{4} \cos^2 2t \\ &= \tfrac{a^2}{2} - \tfrac{a^2}{2} (1- 2\sin^2 t) \\ &= a^2\sin^2 t \\ x(t)^2+y(t)^2+z(t)^2 &= a^2\sin^2 t + a^2\cos^2 t =a^2 \end{aligned}

따라서 이 곡선은 원기둥 x2+[y−a2]2=a24x^2+\big[y-\tfrac{a}{2}\big]^2=\tfrac{a^2}{4} 과 구 x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2 의 교선 위에 놓여 있다. (x(t)2+y(t)2+z(t)2x(t)^2+y(t)^2+z(t)^2 의 값을 구해 볼 생각을 하지 못했더라도 걱정하지 않아도 된다.)

원본 교재 풀이(영어)

(a) By definition,

r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^v(t)=r′(t)=−asin⁡t ı^+acos⁡t ȷ^+c k^dsdt(t)=∣v(t)∣=a2+c2a(t)=r′′(t)=−acos⁡t ı^−asin⁡t ȷ^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ct\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)&= -a \sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|&= \sqrt{a^2+c^2}\\ \mathbf{a}(t)=\mathbf{r}''(t)&= -a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

The (x,y)=a(cos⁡t,sin⁡t)(x,y)= a(\cos t,\sin t) coordinates go around a circle of radius aa and centre (0,0)(0,0) counterclockwise. One circle is completed for each increase of tt by 2π2\pi. At the same time, the zz coordinate increases at a constant rate. Each time the (x,y)(x,y) coordinates complete one circle, the zz coordinate increases by 2πc2 \pi c. The path is a helix with radius aa and with each turn having height 2πc2\pi c.

(b) By definition,

r(t)=acos⁡tsin⁡t ı^+asin⁡2t ȷ^+acos⁡t k^=a2sin⁡2t ı^+a1−cos⁡2t2 ȷ^+acos⁡t k^v(t)=r′(t)=acos⁡2t ı^+asin⁡2t ȷ^−asin⁡t k^dsdt(t)=∣v(t)∣=a1+sin⁡2ta(t)=r′′(t)=−2asin⁡2t ı^+2acos⁡2t ȷ^−acos⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= a \cos t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin^2 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}\\ &= \frac{a}{2} \sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\frac{1-\cos 2t}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)&= a \cos 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-a\sin t\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|&= a\sqrt{1+\sin^2t}\\ \mathbf{a}(t)=\mathbf{r}''(t)&= -2a \sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2a\cos 2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-a\cos t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

Write

x(t)=a2sin⁡2ty(t)=a1−cos⁡2t2z(t)=acos⁡t\begin{aligned} x(t)=\tfrac{a}{2} \sin 2t \qquad y(t)=a\tfrac{1-\cos 2t}{2} \qquad z(t)=a\cos t \end{aligned}

Then

x(t)2+[y(t)−a2]2=a24sin⁡22t+a24cos⁡22t=a24\begin{aligned} x(t)^2+\big[y(t)-\tfrac{a}{2}\big]^2&=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4} \cos^2 2t =\tfrac{a^2}{4} \end{aligned}

Thus the (x,y)(x,y) coordinates go around a circle of radius a2\frac{a}{2} and centre (0,a2)\big(0,\frac{a}{2}\big) counterclockwise. At the same time the zz coordinate oscillates over the interval between 11 and −1-1 half as fast. In fact, one can say more about the curve.

x(t)2+y(t)2=a24sin⁡22t+a24(1−cos⁡2t)2=a24sin⁡22t+a24−a22cos⁡2t+a24cos⁡22t=a22−a22(1−2sin⁡2t)=a2sin⁡2tx(t)2+y(t)2+z(t)2=a2sin⁡2t+a2cos⁡2t=a2\begin{aligned} x(t)^2+y(t)^2&=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4}\big(1-\cos 2t\big)^2 \\ &=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4} - \tfrac{a^2}{2}\cos 2t + \tfrac{a^2}{4} \cos^2 2t \\ &= \tfrac{a^2}{2} - \tfrac{a^2}{2} (1- 2\sin^2 t) \\ &= a^2\sin^2 t \\ x(t)^2+y(t)^2+z(t)^2 &= a^2\sin^2 t + a^2\cos^2 t =a^2 \end{aligned}

So our curve lies on the intersection of the cylinder x2+[y−a2]2=a24x^2+\big[y-\tfrac{a}{2}\big]^2=\tfrac{a^2}{4} and the sphere x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2. (Don't worry if you didn't think of trying to evaluate x(t)2+y(t)2+z(t)2x(t)^2+y(t)^2+z(t)^2.)

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 1.6절 · 28번우리말 번역

시각 t=0t=0 에서 어떤 입자의 위치 벡터와 속도 벡터가 r(0)=<−1,0,0>\mathbf{r}(0)=\left< -1,0,0\right>, v(0)=<0,−1,1>\mathbf{v}(0)=\left< 0,-1,1\right> 이다. 시각 tt 에서 이 입자의 가속도 벡터는

a(t)=<cos⁡t,sin⁡t,0>\mathbf{a}(t)=\left< \cos t,\sin t,0\right>

이다.

(a) tt 초 후 입자의 위치를 구하세요. (b) 모든 tt 에 대해 입자의 속도와 가속도가 항상 수직임을 보이세요. (c) t=−π/2t=-\pi/2 에서 입자의 경로에 접하는 접선의 방정식을 구하세요. (d) 참 또는 거짓: 입자의 경로에 접하는 직선 중 (0,0,0)(0,0,0) 을 지나는 것은 하나도 없다. 답의 이유를 밝히세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) 정의에 의해

v′(t)=a(t)=<cos⁡t,sin⁡t,0>  ⟹  v(t)=<sin⁡t+c1,−cos⁡t+c2,c3>\mathbf{v}'(t)=\mathbf{a}(t)=\left< \cos t,\sin t,0\right> \implies \mathbf{v}(t)=\left< \sin t+c_1, -\cos t+c_2, c_3\right>

이고, 여기서 c1c_1, c2c_2, c3c_3 은 어떤 상수이다. v(0)=<0,−1,1>\mathbf{v}(0)=\left< 0,-1,1\right> 을 만족하려면 c1=0c_1=0, c2=0c_2=0, c3=1c_3=1 이어야 한다. 따라서 v(t)=<sin⁡t,−cos⁡t,1>\mathbf{v}(t)=\left< \sin t, -\cos t, 1\right> 이다. 마찬가지로

r′(t)=v(t)=<sin⁡t,−cos⁡t,1>  ⟹  r(t)=<−cos⁡t+d1,−sin⁡t+d2,t+d3>\mathbf{r}'(t)=\mathbf{v}(t)=\left< \sin t,-\cos t,1\right> \implies \mathbf{r}(t)=\left< -\cos t+d_1, -\sin t+d_2, t+d_3\right>

이고, 여기서 d1d_1, d2d_2, d3d_3 은 어떤 상수이다. r(0)=<−1,0,0>\mathbf{r}(0)=\left< -1,0,0\right> 을 만족하려면 d1=0d_1=0, d2=0d_2=0, d3=0d_3=0 이어야 한다. 따라서 r(t)=<−cos⁡t,−sin⁡t,t>\mathbf{r}(t)=\left< -\cos t, -\sin t, t\right> 이다.

(b) 수직 여부를 확인하기 위해 내적을 계산하면

v(t)⋅a(t)=<sin⁡t,−cos⁡t,1>⋅<cos⁡t,sin⁡t,0>=sin⁡tcos⁡t−cos⁡tsin⁡t+1×0=0\mathbf{v}(t)\cdot\mathbf{a}(t)=\left< \sin t, -\cos t, 1\right>\cdot\left< \cos t,\sin t,0\right> =\sin t\cos t-\cos t \sin t+1\times 0=0

이므로 모든 tt 에 대해 v(t)⊥a(t)\mathbf{v}(t)\perp\mathbf{a}(t) 이다.

(c) t=−π2t=-\frac{\pi}{2} 에서 입자는 r(−π2)=<0,1,−π2>\mathbf{r}\big(-\frac{\pi}{2}\big)=\left< 0,1,-\frac{\pi}{2}\right> 에 있고 속도는 v(−π2)=<−1,0,1>\mathbf{v}\big(-\frac{\pi}{2}\big)=\left< -1,0,1\right> 이다. 따라서 접선은 <0,1,−π2>\left< 0,1,-\frac{\pi}{2}\right> 을 지나고 방향 벡터가 <−1,0,1>\left< -1,0,1\right> 이어야 한다. 다음은 접선의 벡터 매개변수 방정식이다.

r(u)=<0,1,−π2>+u<−1,0,1>\mathbf{r}(u)=\left< 0,1,-\frac{\pi}{2}\right>+u\left< -1,0,1\right>

(d) 참이다. 입자가 지나는 경로를 위에서 내려다보아 xx 좌표와 yy 좌표만 보이게 하자. 우리가 보는 경로(이를 사영 경로라 하자)는 x(t)=−cos⁡tx(t)=-\cos t, y(t)=−sin⁡ty(t)=-\sin t 이며, 이는 원점을 중심으로 하는 반지름이 1인 원이다. 원의 어떤 접선이든 항상 그 원의 바깥에 놓인다. 따라서 사영 경로에 접하는 어떤 접선도 (0,0)(0,0) 을 지날 수 없다. 그러므로 입자가 지나는 경로에 접하는 어떤 접선도 zz 축을 지날 수 없고, 특히 (0,0,0)(0,0,0) 을 지날 수 없다.

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