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 · 12번대학 수준우리말 번역

f(x,y)=2x2+3xy+y2f(x,y) = 2x^2 + 3xy + y^2 을 xx 와 yy 의 함수라 하자.

(a) 점 P(1,−43)P\left(1, -\frac{4}{3}\right) 에서 f(x,y)f(x,y) 의 최대 변화율을 구하세요. (b) 점 P(1,−43)P\left(1, -\frac{4}{3}\right) 에서 f(x,y)f(x,y) 의 방향미분계수가 15\frac{1}{5} 이 되는 방향을 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x,y)=2x2+3xy+y2f(x,y) = 2x^2 + 3xy + y^2 be a function of xx and yy.

(a) Find the maximum rate of change of f(x,y)f(x,y) at the point P(1,−43)P\left(1, -\frac{4}{3}\right). (b) Find the directions in which the directional derivative of f(x,y)f(x,y) at the point P(1,−43)P\left(1, -\frac{4}{3}\right) has the value 15\frac{1}{5}.

정답·풀이 보기

이 문제의 두 소문제 모두에서 (x,y)=(1,−43)(x,y)=\left(1, -\frac{4}{3}\right) 에서의 f(x,y)f(x,y) 의 그래디언트가 필요하다. 따라서 먼저 이를 구한다.

fx(x,y)=4x+3yfx(1,−4/3)=0fy(x,y)=3x+2yfy(1,−4/3)=13\begin{aligned} f_x(x,y)&=4x+3y\qquad & f_x(1,-4/3)&=0 \\ f_y(x,y)&=3x+2y\qquad & f_y(1,-4/3)&=\frac{1}{3} \end{aligned}

이므로 ∇f(1,−43)=<0,13>{ \boldsymbol{\nabla} } f\left(1, -\frac{4}{3}\right) =\left< 0,\frac{1}{3}\right> 이다.

(a) PP 에서 ff 의 최대 변화율은

∣∇f(1,−43)∣=∣<0,13>∣=13\begin{aligned} \left|{ \boldsymbol{\nabla} } f\left(1, -\tfrac{4}{3}\right)\right| =\left|\left< 0,\tfrac{1}{3}\right>\right| =\tfrac{1}{3} \end{aligned}

이다.

(b) <a,b>\left< a,b\right> 가 단위벡터이면, PP 에서 <a,b>\left< a,b\right> 방향으로의 ff 의 방향미분계수는

D<a,b>f(1,−43)=∇f(1,−43)⋅<a,b>=<0,13>⋅<a,b>=b3\begin{aligned} D_{\left< a,b\right>}f\left(1, -\tfrac{4}{3}\right) ={ \boldsymbol{\nabla} } f\left(1, -\tfrac{4}{3}\right)\cdot \left< a,b\right> =\left< 0,\tfrac{1}{3}\right>\cdot \left< a,b\right> =\tfrac{b}{3} \end{aligned}

이다.

따라서 b3=15\frac{b}{3}=\frac{1}{5} 이어야 하므로 b=35b=\frac{3}{5} 이다. <a,b>\left< a,b\right> 가 단위벡터가 되려면 다음도 만족해야 한다.

a2+b2=1  ⟺  a2=1−b2=1−3252=1625  ⟺  a=±45\begin{aligned} a^2+b^2=1 \iff a^2=1-b^2=1-\frac{3^2}{5^2}=\frac{16}{25} \iff a=\pm\frac{4}{5} \end{aligned}

따라서 가능한 방향은 <±45 , 35>\left< \pm\frac{4}{5}\,,\,\frac{3}{5}\right> 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We are going to need, in both parts of this question, the gradient of f(x,y)f(x,y) at (x,y)=(1,−43)(x,y)=\left(1, -\frac{4}{3}\right). So we find it first.

fx(x,y)=4x+3yfx(1,−4/3)=0fy(x,y)=3x+2yfy(1,−4/3)=13\begin{aligned} f_x(x,y)&=4x+3y\qquad & f_x(1,-4/3)&=0 \\ f_y(x,y)&=3x+2y\qquad & f_y(1,-4/3)&=\frac{1}{3} \end{aligned}

so ∇f(1,−43)=<0,13>{ \boldsymbol{\nabla} } f\left(1, -\frac{4}{3}\right) =\left< 0,\frac{1}{3}\right>.

(a) The maximum rate of change of ff at PP is

∣∇f(1,−43)∣=∣<0,13>∣=13\begin{aligned} \left|{ \boldsymbol{\nabla} } f\left(1, -\tfrac{4}{3}\right)\right| =\left|\left< 0,\tfrac{1}{3}\right>\right| =\tfrac{1}{3} \end{aligned}

(b) If <a,b>\left< a,b\right> is a unit vector, the directional derivative of ff at PP in the direction <a,b>\left< a,b\right> is

D<a,b>f(1,−43)=∇f(1,−43)⋅<a,b>=<0,13>⋅<a,b>=b3\begin{aligned} D_{\left< a,b\right>}f\left(1, -\tfrac{4}{3}\right) ={ \boldsymbol{\nabla} } f\left(1, -\tfrac{4}{3}\right)\cdot \left< a,b\right> =\left< 0,\tfrac{1}{3}\right>\cdot \left< a,b\right> =\tfrac{b}{3} \end{aligned}

So we need b3=15\frac{b}{3}=\frac{1}{5} and hence b=35b=\frac{3}{5}. For <a,b>\left< a,b\right> to be a unit vector, we also need

a2+b2=1  ⟺  a2=1−b2=1−3252=1625  ⟺  a=±45\begin{aligned} a^2+b^2=1 \iff a^2=1-b^2=1-\frac{3^2}{5^2}=\frac{16}{25} \iff a=\pm\frac{4}{5} \end{aligned}

So the allowed directions are <±45 , 35>\left< \pm\frac{4}{5}\,,\,\frac{3}{5}\right>.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 2.7절 · 13번우리말 번역

xyxy–평면 위의 한 점에서의 온도 T(x,y)T(x, y) 가 다음과 같이 주어져 있다.

T(x,y)=yex2T(x, y) = ye^{x^2}

벌레 한 마리가 곡선 y=x2y = x^2 을 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 0.010.01m/sec 의 속력으로 움직인다. 이 벌레는 T(x,y)T(x, y) 를 계속 측정한다. 벌레가 점 (1,1)(1, 1) 을 지날 때 TT 의 변화율은 얼마인지 구하여라.

답 쓰고 채점
다 풀었으면 정답 확인

(1,1)(1,1) 에서 y=x2y=x^2 의 기울기는 ddxx2∣x=1=2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}x^2\Big|_{x=1}=2 이다. 따라서 벌레가 움직이는 방향의 단위벡터는 <1,2>5\frac{\left< 1,2\right>}{\sqrt{5}} 이고, 벌레의 속도 벡터는 v=0.01<1,2>5\mathbf{v}=0.01\frac{\left< 1,2\right>}{\sqrt{5}} 이다.

(1,1)(1,1) 에서 온도의 그래디언트(기울기 벡터)는

∇T(1,1)=<2xyex2 , ex2>∣(x.y)=(1,1)=<2e , e>\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(1,1) = \left< 2xy e^{x^2}\,,\,e^{x^2}\right>\Big|_{(x.y)=(1,1)} =\left< 2e\,,\,e\right> \end{aligned}

이고, 벌레가 점 (1,1)(1, 1) 을 지날 때 느끼는 TT 의 (단위 시간당) 변화율은

∇T(1,1)⋅v=0.015<2e , e>⋅<1,2>=0.04e5\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(1,1)\cdot \mathbf{v} =\frac{0.01}{\sqrt{5}} \left< 2e\,,\,e\right>\cdot \left< 1,2\right> =\frac{0.04 e}{\sqrt{5}} \end{aligned}

이다.

이 문제로 이어서 풀기
# 방향도함수와 기울기벡터계산보통자동 분류

「방향도함수와 기울기벡터」 문제 목록으로