문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

방향도함수와 기울기벡터

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

CLP-3 · 2.7절 · 4번대학 수준우리말 번역

점 (2,0)(2,0) 에서 함수 f(x,y)=xyf(x,y)=xy 가 주어진 변화율을 갖는 방향을 각각 구하세요.

(a) −1-1 (b) −2-2 (c) −3-3

영어 원문 보기

In what directions at the point (2,0)(2,0) does the function f(x,y)=xyf(x,y)=xy have the specified rates of change?

(a) −1-1 (b) −2-2 (c) −3-3

정답·풀이 보기

f(x,y)f(x,y) 의 기울기벡터는 ∇f(x,y)=<y,x>{ \boldsymbol{\nabla} } f(x,y)=\left< y,x\right> 이다. 특히 점 (2,0)(2,0) 에서 ff 의 기울기벡터는 ∇f(2,0)=<0,2>{ \boldsymbol{\nabla} } f(2,0)=\left< 0,2 \right> 이다. 따라서 xx 축과 이루는 각이 θ\theta 인 방향, 즉 <cos⁡θ,sin⁡θ>\left< \cos\theta,\sin\theta\right> 방향으로의 변화율은

<cos⁡θ,sin⁡θ>⋅∇f(2,0)=<cos⁡θ,sin⁡θ>⋅<0,2>=2sin⁡θ\left< \cos\theta,\sin\theta\right> \cdot{ \boldsymbol{\nabla} } f(2,0) =\left< \cos\theta,\sin\theta\right> \cdot\left< 0, 2\right> =2\sin\theta

이다.

(a) 변화율 −1-1 을 얻으려면

sin⁡θ=−12  ⟹  θ=−30∘, −150∘\sin\theta=-\frac{1}{2} \implies \theta=-30^\circ,\ -150^\circ

이어야 한다. 따라서 구하는 방향은

<cos⁡θ,sin⁡θ>=<±32,−12>\left< \cos\theta,\sin\theta\right> =\left<\pm\frac{\sqrt{3}}{2} ,-\frac{1}{2} \right>

이다.

(b) 변화율 −2-2 를 얻으려면

sin⁡θ=−1  ⟹  θ=−90∘\sin\theta=-1 \implies \theta=-90^\circ

이어야 한다. 따라서 구하는 방향은

<cos⁡θ,sin⁡θ>=<0,−1>\left< \cos\theta,\sin\theta\right> =\left< 0 ,-1 \right>

이다.

(c) 변화율 −3-3 을 얻으려면

sin⁡θ=−32\sin\theta=-\frac{3}{2}

이어야 한다.

모든 θ\theta 에 대해 −1≤sin⁡θ≤1-1\le\sin\theta\le 1 이므로 이를 만족하는 θ\theta 는 없다. 따라서 알맞은 방향이 없다!

원본 교재 풀이(영어)

The gradient of f(x,y)f(x,y) is ∇f(x,y)=<y,x>{ \boldsymbol{\nabla} } f(x,y)=\left< y,x\right>. In particular, the gradient of ff at the point (2,0)(2,0) is ∇f(2,0)=<0,2>{ \boldsymbol{\nabla} } f(2,0)=\left< 0,2 \right>. So the rate of change in the direction that makes angle θ\theta with respect to the xx-axis, that is, in the direction <cos⁡θ,sin⁡θ>\left< \cos\theta,\sin\theta\right> is

<cos⁡θ,sin⁡θ>⋅∇f(2,0)=<cos⁡θ,sin⁡θ>⋅<0,2>=2sin⁡θ\left< \cos\theta,\sin\theta\right> \cdot{ \boldsymbol{\nabla} } f(2,0) =\left< \cos\theta,\sin\theta\right> \cdot\left< 0, 2\right> =2\sin\theta

(a) To get a rate −1-1, we need

sin⁡θ=−12  ⟹  θ=−30∘, −150∘\sin\theta=-\frac{1}{2} \implies \theta=-30^\circ,\ -150^\circ

So the desired directions are

<cos⁡θ,sin⁡θ>=<±32,−12>\left< \cos\theta,\sin\theta\right> =\left<\pm\frac{\sqrt{3}}{2} ,-\frac{1}{2} \right>

(b) To get a rate −2-2, we need

sin⁡θ=−1  ⟹  θ=−90∘\sin\theta=-1 \implies \theta=-90^\circ

So the desired direction is

<cos⁡θ,sin⁡θ>=<0,−1>\left< \cos\theta,\sin\theta\right> =\left< 0 ,-1 \right>

(c) To get a rate −3-3, we need

sin⁡θ=−32\sin\theta=-\frac{3}{2}

No θ\theta obeys this, since −1≤sin⁡θ≤1-1\le\sin\theta\le 1 for all θ\theta. So no direction works!

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 3권 · 4.6절 · 4번우리말 번역

다음 문제에서 점 PP 에서 uu 또는 vv 중 해당하는 방향으로 함수의 방향미분계수를 구하세요.

f(x,y)=xy,f(x,y)=xy, P(0,−2),P(0,-2), v=12i+32jv=\frac{1}{2}i+\frac{\sqrt{3}}{2}j

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−1-1

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