문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

접평면과 선형근사

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CLP-3 · 2.6절 · 25번대학 수준우리말 번역

z=f(x,y)=ln⁡(4x2+y2)z = f (x, y) = \ln(4x^2 + y^2) 라 하자.

(a) 점 (0,1)(0, 1) 에서 함수 z=f(x,y)z = f (x, y) 의 선형 근사를 이용하여 f(0.1,1.2)f(0.1, 1.2) 의 값을 어림하세요. (b) 점 PP 에서 z=f(x,y)z = f (x, y) 의 그래프에 접하는 접평면이 평면 2x+2y−z=32x + 2y - z = 3 과 평행하도록 하는, z=f(x,y)z = f(x, y) 의 그래프 위의 점 P(a,b,c)P (a, b, c) 를 구하세요.

영어 원문 보기

Let z=f(x,y)=ln⁡(4x2+y2)z = f (x, y) = \ln(4x^2 + y^2).

(a) Use a linear approximation of the function z=f(x,y)z = f (x, y) at (0,1)(0, 1) to estimate f(0.1,1.2)f(0.1, 1.2). (b) Find a point P(a,b,c)P (a, b, c) on the graph of z=f(x,y)z = f(x, y) such that the tangent plane to the graph of z=f(x,y)z = f (x, y) at the point PP is parallel to the plane 2x+2y−z=32x + 2y - z = 3.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 점 (a,b)(a,b) 에서 f(x,y)f(x,y) 의 선형 근사는 다음과 같다.

f(x,y)≈f(a,b)+fx(a,b) (x−a)+fy(a,b) (y−b)=ln⁡(4a2+b2)+8a4a2+b2 (x−a)+2b4a2+b2 (y−b)\begin{aligned} f(x,y) &\approx f(a,b) + f_x(a,b)\,(x-a) + f_y(a,b)\,(y-b) \\ &= \ln(4a^2 + b^2) + \frac{8a}{4a^2+b^2}\, (x-a) + \frac{2b}{4a^2+b^2}\, (y-b) \end{aligned}

특히 a=0a=0, b=1b=1 일 때

f(x,y)≈2 (y−1)\begin{aligned} f(x,y) &\approx 2\, (y-1) \end{aligned}

이고, x=0.1x=0.1, y=1.2y=1.2 일 때

f(0.1,1.2)≈0.4\begin{aligned} f(0.1,1.2) &\approx 0.4 \end{aligned}

이다.

(b) 점 (a,b,c)(a,b,c) 가 곡면 z=f(x,y)z=f(x,y) 위에 있을 필요충분조건은

c=f(a,b)=ln⁡(4a2+b2)c = f(a,b) = \ln(4a^2 + b^2)

이다. 이에 따라 4a2+b24a^2 + b^2 은 0이 아니어야 한다. 점 (a,b,c)(a,b,c) 에서 곡면 z=f(x,y)z = f (x, y) 의 접평면이 평면 2x+2y−z=32x + 2y - z = 3 과 평행할 필요충분조건은 <2 , 2 , −1>\left< 2\,,\,2\,,\,-1\right> 이 그 접평면의 법선 벡터인 것이다. 즉, 0이 아닌 수 tt 가 존재하여

<2 , 2 , −1>=t<fx(a,b) , fy(a,b) , −1>=t<8a4a2+b2 , 2b4a2+b2 , −1>\begin{aligned} \left< 2\,,\,2\,,\,-1\right> =t\left< f_x(a,b)\,,\,f_y(a,b)\,,\ -1\right> =t\left< \frac{8a}{4a^2+b^2} \,,\, \frac{2b}{4a^2+b^2} \,,\,-1\right> \end{aligned}

이다. zz 좌표가 같으려면 tt 는 11 이어야 한다. 그러면 xx 좌표와 yy 좌표가 같아야 하므로

8a4a2+b2=22b4a2+b2=2\begin{aligned} \frac{8a}{4a^2+b^2} &= 2 \\ \frac{2b}{4a^2+b^2} &= 2 \end{aligned}

이어야 한다. 이 방정식들로부터 aa 와 bb 는 모두 0이 아니다. 두 방정식을 서로 나누면 8a2b=1\frac{8a}{2b}=1 이므로 b=4ab=4a 이다. b=4ab=4a 를 두 방정식 중 어느 하나에 대입하면

8a20a2=2  ⟹  a=15\begin{aligned} \frac{8a}{20a^2}=2 \implies a=\frac{1}{5} \end{aligned}

이다. 따라서 a=15a=\frac{1}{5}, b=45b=\frac{4}{5} 이고

c=ln⁡(452+4252)=ln⁡45\begin{aligned} c=\ln\left(\frac{4}{5^2}+\frac{4^2}{5^2}\right) =\ln\frac{4}{5} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The linear approximation to f(x,y)f(x,y) at (a,b)(a,b) is

f(x,y)≈f(a,b)+fx(a,b) (x−a)+fy(a,b) (y−b)=ln⁡(4a2+b2)+8a4a2+b2 (x−a)+2b4a2+b2 (y−b)\begin{aligned} f(x,y) &\approx f(a,b) + f_x(a,b)\,(x-a) + f_y(a,b)\,(y-b) \\ &= \ln(4a^2 + b^2) + \frac{8a}{4a^2+b^2}\, (x-a) + \frac{2b}{4a^2+b^2}\, (y-b) \end{aligned}

In particular, for a=0a=0 and b=1b=1,

f(x,y)≈2 (y−1)\begin{aligned} f(x,y) &\approx 2\, (y-1) \end{aligned}

and, for x=0.1x=0.1 and y=1.2y=1.2,

f(0.1,1.2)≈0.4\begin{aligned} f(0.1,1.2) &\approx 0.4 \end{aligned}

(b) The point (a,b,c)(a,b,c) is on the surface z=f(x,y)z=f(x,y) if and only if

c=f(a,b)=ln⁡(4a2+b2)c = f(a,b) = \ln(4a^2 + b^2)

Note that this forces 4a2+b24a^2 + b^2 to be nonzero. The tangent plane to the surface z=f(x,y)z = f (x, y) at the point (a,b,c)(a,b,c) is parallel to the plane 2x+2y−z=32x + 2y - z = 3 if and only if <2 , 2 , −1>\left< 2\,,\,2\,,\,-1\right> is a normal vector for the tangent plane. That is, there is a nonzero number tt such that

<2 , 2 , −1>=t<fx(a,b) , fy(a,b) , −1>=t<8a4a2+b2 , 2b4a2+b2 , −1>\begin{aligned} \left< 2\,,\,2\,,\,-1\right> =t\left< f_x(a,b)\,,\,f_y(a,b)\,,\ -1\right> =t\left< \frac{8a}{4a^2+b^2} \,,\, \frac{2b}{4a^2+b^2} \,,\,-1\right> \end{aligned}

For the zz–coordinates to be equal, tt must be 11. Then, for the xx– and yy–coordinates to be equal, we need

8a4a2+b2=22b4a2+b2=2\begin{aligned} \frac{8a}{4a^2+b^2} &= 2 \\ \frac{2b}{4a^2+b^2} &= 2 \end{aligned}

Note that these equations force both aa and bb to be nonzero. Dividing these equations gives 8a2b=1\frac{8a}{2b}=1 and hence b=4ab=4a. Substituting b=4ab=4a into either of the two equations gives

8a20a2=2  ⟹  a=15\begin{aligned} \frac{8a}{20a^2}=2 \implies a=\frac{1}{5} \end{aligned}

So a=15a=\frac{1}{5}, b=45b=\frac{4}{5} and

c=ln⁡(452+4252)=ln⁡45\begin{aligned} c=\ln\left(\frac{4}{5^2}+\frac{4^2}{5^2}\right) =\ln\frac{4}{5} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 2.6절 · 26번우리말 번역

(a) 곡면 x2z3+ysin⁡(πx)=−y2x^2 z^3 + y \sin(\pi x) = -y^2 위의 점 P=(1,1,−1)P = (1,1,-1) 에서의 접평면의 방정식을 구하세요. (b) x2z3+ysin⁡(πx)=−y2x^2 z^3 + y \sin(\pi x) = -y^2 에 의해 zz 가 음함수로 정의되어 있다고 하자. 점 P=(1,1,−1)P = (1,1,-1) 에서 ∂z∂x\frac{\partial z}{\partial x} 의 값을 구하세요. (c) zz 를 (ii)에서와 같이 방정식 x2z3+ysin⁡(πx)=−y2x^2 z^3 + y \sin(\pi x) = -y^2 으로 정의되는 같은 음함수라고 하자. x=0.97x = 0.97, y=1y = 1 일 때, zz 의 근삿값을 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) 이 곡면의 방정식은 G(x,y,z)=x2z3+ysin⁡(πx)+y2=0G(x,y,z) = x^2 z^3 + y \sin(\pi x) + y^2 =0 이다. 따라서 점 (1,1−1)(1,1-1) 에서 곡면의 법선 벡터는

∇G(1,1,−1)=[(2xz3+πycos⁡(πx))ı^+(sin⁡(πx)+2y)ȷ^+3z2x2 k^](x,y,z)=(1,1,−1)=(−2−π)ı^+2 ȷ^+3 k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } G(1,1,-1) &= \big[ \big(2x z^3 +\pi y\cos(\pi x)\big)\hat{\boldsymbol{\imath}} +\big(\sin(\pi x) +2y\big)\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3z^2 x^2\,\hat{\mathbf{k}}\big]_{(x,y,z)=(1,1,-1)} \\ &= \big(-2-\pi\big)\hat{\boldsymbol{\imath}} +2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다. 그러므로 접평면의 방정식은

(−2−π)(x−1)+2(y−1)+3(z+1)=0또는−(2+π)x+2y+3z=−π−3\begin{aligned} \big(-2-\pi\big)(x-1) + 2(y-1) +3 (z+1) =0\quad\text{또는}\quad -(2+\pi)x +2y +3z = -\pi-3 \end{aligned}

이다.

(b) 함수 z(x,y)z(x,y) 는 모든 xx 와 yy 에 대해

x2z(x,y)3+ysin⁡(πx)+y2=0\begin{aligned} x^2 z(x,y)^3 +y\sin(\pi x) +y^2 = 0 \end{aligned}

을 만족한다. 이 등식을 xx 에 대해 미분하면

2xz(x,y)3+3x2z(x,y)2∂z∂x(x,y)+πycos⁡(πx)=0\begin{aligned} 2x z(x,y)^3 + 3 x^2 z(x,y)^2 \frac{\partial z}{\partial x}(x,y) + \pi y \cos(\pi x) =0 \end{aligned}

을 얻는다. (1,1,−1)(1,1,-1) 에서의 값을 구하면

−2+3∂z∂x(1,1)−π=0  ⟹  ∂z∂x(1,1)=π+23\begin{aligned} -2 + 3 \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) -\pi =0 \implies \frac{\partial z}{\partial x}(1,1) = \frac{\pi+2}{3} \end{aligned}

이다.

(c) (x,y)=(1,1)(x,y)=(1,1) 근방에서 선형 근사를 이용하면

z(x,1)≈z(1,1)+∂z∂x(1,1) (x−1)\begin{aligned} z(x,1) \approx z(1,1) +\frac{\partial z}{\partial x}(1,1)\ (x-1) \end{aligned}

이므로

z(0.97,1)≈−1+π+23 (−0.03)=−1−π+2100=−π+102100\begin{aligned} z(0.97,1) \approx -1 +\frac{\pi+2}{3}\ (-0.03) = -1 -\frac{\pi+2}{100} = -\frac{\pi+102}{100} \end{aligned}

이다.

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