문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

접평면과 선형근사

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

CLP-3 · 2.5절 · 2번대학 수준우리말 번역

점 r0=(x0,y0,z0)\mathbf{r}_0= (x_0,y_0,z_0) 이 곡면 G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 위에 있다고 하자. ∇G(x0,y0,z0)≠0{ \boldsymbol{\nabla} } G(x_0,y_0,z_0)\ne\mathbf{0} 이라고 가정하자. 매개변수로 나타낸 곡선 r(t)=(x(t),y(t),z(t))\mathbf{r}(t)=\big(x(t),y(t),z(t)\big) 가 이 곡면에 포함되어 있고 r(t0)=r0\mathbf{r}(t_0)=\mathbf{r}_0 이라고 하자. 이때 r0\mathbf{r}_0 에서 곡선의 접선이 r0\mathbf{r}_0 에서 G=0G=0 의 접평면 위에 놓임을 보이세요.

영어 원문 보기

Let the point r0=(x0,y0,z0)\mathbf{r}_0= (x_0,y_0,z_0) lie on the surface G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0. Assume that ∇G(x0,y0,z0)≠0{ \boldsymbol{\nabla} } G(x_0,y_0,z_0)\ne\mathbf{0}. Suppose that the parametrized curve r(t)=(x(t),y(t),z(t))\mathbf{r}(t)=\big(x(t),y(t),z(t)\big) is contained in the surface and that r(t0)=r0\mathbf{r}(t_0)=\mathbf{r}_0. Show that the tangent line to the curve at r0\mathbf{r}_0 lies in the tangent plane to G=0G=0 at r0\mathbf{r}_0.

정답·풀이 보기

곡면 G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 을 SS 라 하고, 매개변수로 나타낸 곡선 r(t)=(x(t),y(t),z(t))\mathbf{r}(t)=\big(x(t),y(t),z(t)\big) 를 CC 라 하자. 먼저 r0\mathbf{r}_0 에서 SS 의 접평면과 r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선을 구한다.

  • r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선벡터는 <x′(t0) , y′(t0) , z′(t0)>\left< x'(t_0)\,,\,y'(t_0)\,,\,z'(t_0) \right> 이므로, r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선의 매개변수 방정식은

x−x0=tx′(t0)y−y0=ty′(t0)z−z0=tz′(t0)(E1)x-x_0 = t x'(t_0)\qquad y-y_0 = t y'(t_0)\qquad z-z_0 = t z'(t_0) \tag{$E_1$}

  • 기울기 벡터 <∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0)>\left<\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right> 는 (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 에서 곡면 SS 의 법선벡터이다. 따라서 (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 에서 곡면 SS 의 접평면은

<∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0)>⋅<x−x0 , y−y0 , z−z0>=0\left<\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right> \cdot \left< x-x_0\,,\, y-y_0\,,\,z-z_0\right> = 0

곧

∂G∂x(x0 , y0 , z0) (x−x0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) (y−y0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) (z−z0)=0(E2)\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (x-x_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (y-y_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (z-z_0) = 0 \tag{$E_2$}

이다.

다음으로, r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선벡터 <x′(t0) , y′(t0) , z′(t0)>\left< x'(t_0)\,,\,y'(t_0)\,,\,z'(t_0) \right> 와 r0\mathbf{r}_0 에서 SS 의 법선벡터 <∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0)>\left<\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right> 가 서로 수직임을 보인다. 이를 위해, 모든 tt 에 대해 점 (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) 가 곡면 G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 위에 있으므로 다음이 성립함에 주목한다.

G(x(t),y(t),z(t))=0\begin{aligned} G\big(x(t),y(t),z(t)\big) =0 \end{aligned}

이 등식의 양변을 tt 에 대해 미분하면 연쇄 법칙에 의해

0=ddtG(x(t),y(t),z(t))=∂G∂x(x(t) , y(t) , z(t)) x′(t)+∂G∂y(x(t) , y(t) , z(t)) y′(t)+∂G∂z(x(t) , y(t) , z(t)) z′(t)\begin{aligned} 0&= \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}G\big(x(t),y(t),z(t)\big) \\ &=\frac{\partial G}{\partial x}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ x'(t) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ y'(t) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ z'(t) \end{aligned}

을 얻는다. 여기에 t=t0t=t_0 을 대입하면

∂G∂x(x0 , y0 , z0) x′(t0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) y′(t0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) z′(t0)=0(E3)\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ x'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ y'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ z'(t_0) = 0 \tag{$E_3$}

이다.

마지막으로, (x,y,z)(x,y,z) 가 r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선 위의 임의의 점이면 (x,y,z)(x,y,z) 는 r0\mathbf{r}_0 에서 SS 의 접평면 위에도 있음을 보인다. (x,y,z)(x,y,z) 가 r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선 위에 있으므로 (E1)(E_1) 에 의해 어떤 tt 가 존재하여

∂G∂x(x0 , y0 , z0) {x−x0}+∂G∂y(x0 , y0 , z0) {y−y0}+∂G∂z(x0 , y0 , z0) {z−z0}=∂G∂x(x0 , y0 , z0) {t x′(t0)}+∂G∂y(x0 , y0 , z0) {t y′(t0)}+∂G∂z(x0 , y0 , z0) {t z′(t0)}=t[∂G∂x(x0 , y0 , z0) x′(t0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) y′(t0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) z′(t0)]=0\begin{aligned} &\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{x-x_0\} +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{y-y_0\} +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{z-z_0\} \\ &=\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,x'(t_0)\big\} +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,y'(t_0)\big\} +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,z'(t_0)\big\}\\ &= t\left[\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ x'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ y'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ z'(t_0) \right] =0 \end{aligned}

이다. 마지막 등호는 (E3)(E_3) 에 의한 것이다. 즉 (x,y,z)(x,y,z) 는 r0\mathbf{r}_0 에서 SS 의 접평면의 방정식 (E2)(E_2) 를 만족하므로 그 접평면 위에 있다. 따라서 r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선은 r0\mathbf{r}_0 에서 SS 의 접평면에 포함된다.

원본 교재 풀이(영어)

Denote by SS the surface G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 and by CC the parametrized curve r(t)=(x(t),y(t),z(t))\mathbf{r}(t)=\big(x(t),y(t),z(t)\big). To start, we'll find the tangent plane to SS at r0\mathbf{r}_0 and the tangent line to CC at r0\mathbf{r}_0.

  • The tangent vector to CC at r0\mathbf{r}_0 is <x′(t0) , y′(t0) , z′(t0)>\left< x'(t_0)\,,\,y'(t_0)\,,\,z'(t_0) \right>, so the parametric equations for the tangent line to CC at r0\mathbf{r}_0 are

x−x0=tx′(t0)y−y0=ty′(t0)z−z0=tz′(t0)(E1)x-x_0 = t x'(t_0)\qquad y-y_0 = t y'(t_0)\qquad z-z_0 = t z'(t_0) \tag{$E_1$}

  • The gradient <∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0)>\left<\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right> is a normal vector to the surface SS at (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0). So the tangent plane to the surface SS at (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) is

<∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0)>⋅<x−x0 , y−y0 , z−z0>=0\left<\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right> \cdot \left< x-x_0\,,\, y-y_0\,,\,z-z_0\right> = 0

or

∂G∂x(x0 , y0 , z0) (x−x0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) (y−y0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) (z−z0)=0(E2)\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (x-x_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (y-y_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (z-z_0) = 0 \tag{$E_2$}

Next, we'll show that the tangent vector <x′(t0) , y′(t0) , z′(t0)>\left< x'(t_0)\,,\,y'(t_0)\,,\,z'(t_0) \right> to CC at r0\mathbf{r}_0 and the normal vector <∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0)>\left<\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right> to SS at r0\mathbf{r}_0 are perpendicular to each other. To do so, we observe that, for every tt, the point (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) lies on the surface G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 and so obeys

G(x(t),y(t),z(t))=0\begin{aligned} G\big(x(t),y(t),z(t)\big) =0 \end{aligned}

Differentiating this equation with respect to tt gives, by the chain rule,

0=ddtG(x(t),y(t),z(t))=∂G∂x(x(t) , y(t) , z(t)) x′(t)+∂G∂y(x(t) , y(t) , z(t)) y′(t)+∂G∂z(x(t) , y(t) , z(t)) z′(t)\begin{aligned} 0&= \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}G\big(x(t),y(t),z(t)\big) \\ &=\frac{\partial G}{\partial x}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ x'(t) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ y'(t) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ z'(t) \end{aligned}

Then setting t=t0t=t_0 gives

∂G∂x(x0 , y0 , z0) x′(t0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) y′(t0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) z′(t0)=0(E3)\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ x'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ y'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ z'(t_0) = 0 \tag{$E_3$}

Finally, we are in a position to show that if (x,y,z)(x,y,z) is any point on the tangent line to CC at r0\mathbf{r}_0, then (x,y,z)(x,y,z) is also on the tangent plane to SS at r0\mathbf{r}_0. As (x,y,z)(x,y,z) is on the tangent line to CC at r0\mathbf{r}_0 then there is a tt such that, by (E1)(E_1),

∂G∂x(x0 , y0 , z0) {x−x0}+∂G∂y(x0 , y0 , z0) {y−y0}+∂G∂z(x0 , y0 , z0) {z−z0}=∂G∂x(x0 , y0 , z0) {t x′(t0)}+∂G∂y(x0 , y0 , z0) {t y′(t0)}+∂G∂z(x0 , y0 , z0) {t z′(t0)}=t[∂G∂x(x0 , y0 , z0) x′(t0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) y′(t0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) z′(t0)]=0\begin{aligned} &\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{x-x_0\} +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{y-y_0\} +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{z-z_0\} \\ &=\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,x'(t_0)\big\} +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,y'(t_0)\big\} +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,z'(t_0)\big\}\\ &= t\left[\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ x'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ y'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ z'(t_0) \right] =0 \end{aligned}

by (E3)(E_3). That is, (x,y,z)(x,y,z) obeys the equation, (E2)(E_2), of the tangent plane to SS at r0\mathbf{r}_0 and so is on that tangent plane. So the tangent line to CC at r0\mathbf{r}_0 is contained in the tangent plane to SS at r0\mathbf{r}_0.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 2.6절 · 10번우리말 번역

고체 내부의 압력은

P(s,r)=sr(4s2−r2−2)P(s,r) = sr(4s^2 - r^2 - 2)

로 주어진다. 여기서 ss 는 비열이고 rr 는 밀도이다. (s,r)(s,r) 를 측정하면 대략 (2,2)(2,2) 일 것으로 예상하며, PP 의 값을 가장 정확하게 얻고자 한다. ss 와 rr 를 측정하는 방법은 두 가지가 있다. 방법 11 은 ss 의 오차가 ±0.01\pm 0.01 이고 rr 의 오차가 ±0.1\pm 0.1 이며, 방법 2 는 ss 와 rr 모두 오차가 ±0.02\pm 0.02 이다.

방법 1 과 방법 2 중 어느 것을 사용해야 하는지 판단하세요. 이유를 자세히 설명하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(2,2)(2,2) 에서 P(s,r)P(s,r) 의 선형 근사는

P(s,r)≈P(2,2)+Ps(2,2) (s−2)+Pr(2,2) (r−2)\begin{aligned} P(s,r)\approx P(2,2) +P_s(2,2)\,(s-2) + P_r(2,2)\,(r-2) \end{aligned}

이다.

P(2,2)=(2)(2)[4(2)2−(2)2−2]=40(which we don’t actually need) Ps(2,2)=[12s2r−r3−2r]s=r=2=84Pr(2,2)=[4s3−3sr2−2s]s=r=2=4\begin{aligned} P(2,2) &= (2)(2)\big[4(2)^2-(2)^2-2\big] = 40 \qquad\text{(which we don't actually need) } \\ P_s(2,2) &= \Big[12s^2r-r^3-2r\Big]_{s=r=2} = 84 \\ P_r(2,2) &= \Big[4s^3-3sr^2-2s\Big]_{s=r=2} = 4 \end{aligned}

이므로 선형 근사는

P(s,r)≈40+84 (s−2)+4 (r−2)\begin{aligned} P(s,r)\approx 40 +84\,(s-2) + 4\,(r-2) \end{aligned}

이다.

방법 1에서 PP 의 최대 오차의 크기는 (근사적으로) 많아야

84(0.01)+4(0.1)=1.24\begin{aligned} 84(0.01) + 4(0.1) = 1.24 \end{aligned}

이다.

방법 2에서 PP 의 최대 오차의 크기는 (근사적으로) 많아야

84(0.02)+4(0.02)=1.76\begin{aligned} 84(0.02) + 4(0.02) = 1.76 \end{aligned}

이다.

따라서 방법 1이 더 좋다.

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