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 · 16번대학 수준우리말 번역

벌 한 마리가 곡면 3z+x2+y2=23z + x^2 + y^2 = 2 와 z=x2−y2z = x^2 - y^2 의 교선을 따라 zz 가 증가하는 방향으로 날고 있다. 시각 t=2t = 2 에서 벌은 점 (1,1,0)(1, 1, 0) 을 속력 66 으로 지난다.

(a) 시각 t=2t = 2 에서 벌의 속도(벡터)를 구하세요. (b) 위치 (x,y,z)(x, y, z), 시각 tt 에서의 온도 TT 가 T=xy−3x+2yt+zT = xy - 3x+2yt+z 로 주어진다. 시각 t=2t = 2 에서 벌이 느끼는 온도의 변화율을 구하세요.

영어 원문 보기

A bee is flying along the curve of intersection of the surfaces 3z+x2+y2=23z + x^2 + y^2 = 2 and z=x2−y2z = x^2 - y^2 in the direction for which zz is increasing. At time t=2t = 2, the bee passes through the point (1,1,0)(1, 1, 0) at speed 66.

(a) Find the velocity (vector) of the bee at time t=2t = 2. (b) The temperature TT at position (x,y,z)(x, y, z) at time tt is given by T=xy−3x+2yt+zT = xy - 3x+2yt+z. Find the rate of change of temperature experienced by the bee at time t=2t = 2.

정답·풀이 보기

(a) v\mathbf{v} 로 시각 t=2t=2 에서 벌의 속도 벡터를 나타내자.

  • 벌의 운동 방향은 곡선의 접선 방향이다. 이 접선은 (1,1,0)(1,1,0) 에서 3z+x2+y2=23z + x^2 + y^2 = 2 의 법선벡터

<2x , 2y , 3>∣(x,y,z)=(1,1,0)=<2 , 2 , 3>\left< 2x\,,\,2y\,,\,3\right>\Big|_{(x,y,z)=(1,1,0)} = \left< 2\,,\,2\,,\,3\right>

와 (1,1,0)(1,1,0) 에서 z=x2−y2z = x^2 - y^2 의 법선벡터

<2x , −2y , −1>∣(x,y,z)=(1,1,0)=<2 , −2 , −1>\left< 2x\,,\,-2y\,,\,-1\right>\Big|_{(x,y,z)=(1,1,0)} = \left< 2\,,\,-2\,,\,-1\right>

모두에 수직이다.

따라서 v\mathbf{v} 는 다음 벡터의 어떤 상수배이다.

<2 , 2 , 3>×<2 , −2 , −1>=det⁡[ı^ȷ^k^2232−2−1]=<4 , 8 , −8>\begin{aligned} \left< 2\,,\,2\,,\,3\right> \times \left< 2\,,\,-2\,,\,-1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 2 & 2 & 3 \\ 2 & -2 & -1 \end{matrix}\right] =\left< 4 \,,\, 8 \,,\, -8 \right> \end{aligned}

즉, <1 , 2 , −2>\left< 1 \,,\, 2 \,,\, -2 \right> 의 어떤 상수배이다.

  • v\mathbf{v} 의 zz 성분이 양수여야 하므로, v\mathbf{v} 는 <−1 , −2 , 2>\left< -1 \,,\, -2 \,,\, 2 \right> 의 양의 상수배이다.
  • 속력이 66 이어야 하므로 v\mathbf{v} 의 길이는 66 이어야 한다.

∣<−1 , −2 , 2>∣=3|\left< -1 \,,\, -2 \,,\, 2 \right>|=3 이므로

v=2<−1 , −2 , 2>=<−2 , −4 , 4>\mathbf{v} = 2\left< -1 \,,\, -2 \,,\, 2 \right> =\left< -2 \,,\, -4 \,,\, 4 \right>

(b) 풀이 1: 시각 tt 에서 벌의 위치가 (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) 라 하자. 그러면 시각 tt 에서 벌이 느끼는 온도는

T(x(t),y(t),z(t),t)=x(t)y(t)−3x(t)+2y(t)t+z(t)\begin{aligned} T\big(x(t),y(t),z(t),t\big) = x(t) y(t) -3x(t) +2y(t) t +z(t) \end{aligned}

이다. 따라서 시각 t=2t=2 에서 벌이 느끼는 (단위 시간당) 온도의 변화율은

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=x′(2)y(2)+x(2)y′(2)−3x′(2)+2y′(2)2+2y(2)+z′(2)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=x'(2)y(2) + x(2)y'(2) -3x'(2) +2y'(2)2+2y(2) +z'(2) \\ \end{aligned}

이다. 시각 t=2t=2 에서 벌이 (1,1,0)(1,1,0) 에 있고 속도가 <−2 , −4 , 4>\left< -2 \,,\, -4 \,,\, 4 \right> 임을 이용하면

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=(−2)(1)+(1)(−4)−3(−2)+2(−4)2+2(1)+4=−10\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=(-2)(1) + (1)(-4) -3(-2) +2(-4)2+2(1) +4 \\ &=-10 \end{aligned}

(b) 풀이 2: 시각 tt 에서 벌의 위치가 (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) 라 하자. 그러면 시각 tt 에서 벌이 느끼는 온도는

T(x(t),y(t),z(t),t)\begin{aligned} T\big(x(t),y(t),z(t),t\big) \end{aligned}

이다. 연쇄 법칙에 의해, 시각 t=2t=2 에서 벌이 느끼는 (단위 시간당) 온도의 변화율은

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=[∂T∂x(x(t),y(t),z(t),t) x′(t)+∂T∂y(x(t),y(t),z(t),t) y′(t)+∂T∂z(x(t),y(t),z(t),t) z′(t)+∂T∂t(x(t),y(t),z(t),t)]t=2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=\bigg[\frac{\partial T}{\partial x}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\,x'(t) +\frac{\partial T}{\partial y}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\,y'(t) \\& +\frac{\partial T}{\partial z}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\,z'(t) +\frac{\partial T}{\partial t}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\bigg]_{t=2} \end{aligned}

이다. T=xy−3x+2yt+zT = xy - 3x+2yt+z 이므로

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=[y(2)−3]x′(2)+[x(2)+2×2]y′(2)+z′(2)+2y(2)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=[y(2)-3]x'(2) + [x(2)+2\times 2]y'(2) +z'(2) +2y(2) \end{aligned}

이다. 마찬가지로 시각 t=2t=2 에서 벌이 (1,1,0)(1,1,0) 에 있고 속도가 <−2 , −4 , 4>\left< -2 \,,\, -4 \,,\, 4 \right> 임을 이용하면

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=[−2](−2)+[5](−4)+4+2=−10\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=[-2](-2) + [5](-4) +4 +2 \\ &=-10 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Let's use v\mathbf{v} to denote the bee's velocity vector at time t=2t=2.

  • The bee's direction of motion is tangent to the curve. That tangent is perpendicular to both the normal vector to 3z+x2+y2=23z + x^2 + y^2 = 2 at (1,1,0)(1,1,0), which is

<2x , 2y , 3>∣(x,y,z)=(1,1,0)=<2 , 2 , 3>\left< 2x\,,\,2y\,,\,3\right>\Big|_{(x,y,z)=(1,1,0)} = \left< 2\,,\,2\,,\,3\right>

and the normal vector to z=x2−y2z = x^2 - y^2 at (1,1,0)(1,1,0), which is

<2x , −2y , −1>∣(x,y,z)=(1,1,0)=<2 , −2 , −1>\left< 2x\,,\,-2y\,,\,-1\right>\Big|_{(x,y,z)=(1,1,0)} = \left< 2\,,\,-2\,,\,-1\right>

So v\mathbf{v} has to be some constant times

<2 , 2 , 3>×<2 , −2 , −1>=det⁡[ı^ȷ^k^2232−2−1]=<4 , 8 , −8>\begin{aligned} \left< 2\,,\,2\,,\,3\right> \times \left< 2\,,\,-2\,,\,-1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 2 & 2 & 3 \\ 2 & -2 & -1 \end{matrix}\right] =\left< 4 \,,\, 8 \,,\, -8 \right> \end{aligned}

or, equivalently, some constant times <1 , 2 , −2>\left< 1 \,,\, 2 \,,\, -2 \right>.

  • Since the zz–component of v\mathbf{v} has to be positive, v\mathbf{v} has to be a positive constant times <−1 , −2 , 2>\left< -1 \,,\, -2 \,,\, 2 \right>.
  • Since the speed has to be 66, v\mathbf{v} has to have length 66.

As ∣<−1 , −2 , 2>∣=3|\left< -1 \,,\, -2 \,,\, 2 \right>|=3

v=2<−1 , −2 , 2>=<−2 , −4 , 4>\mathbf{v} = 2\left< -1 \,,\, -2 \,,\, 2 \right> =\left< -2 \,,\, -4 \,,\, 4 \right>

(b) Solution 1: Suppose that the bee is at (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) at time tt. Then the temperature that the bee feels at time tt is

T(x(t),y(t),z(t),t)=x(t)y(t)−3x(t)+2y(t)t+z(t)\begin{aligned} T\big(x(t),y(t),z(t),t\big) = x(t) y(t) -3x(t) +2y(t) t +z(t) \end{aligned}

Then the rate of change of temperature (per unit time) felt by the bee at time t=2t=2 is

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=x′(2)y(2)+x(2)y′(2)−3x′(2)+2y′(2)2+2y(2)+z′(2)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=x'(2)y(2) + x(2)y'(2) -3x'(2) +2y'(2)2+2y(2) +z'(2) \\ \end{aligned}

Recalling that, at time t=2t=2, the bee is at (1,1,0)(1,1,0) and has velocity <−2 , −4 , 4>\left< -2 \,,\, -4 \,,\, 4 \right>

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=(−2)(1)+(1)(−4)−3(−2)+2(−4)2+2(1)+4=−10\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=(-2)(1) + (1)(-4) -3(-2) +2(-4)2+2(1) +4 \\ &=-10 \end{aligned}

(b) Solution 2: Suppose that the bee is at (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) at time tt. Then the temperature that the bee feels at time tt is

T(x(t),y(t),z(t),t)\begin{aligned} T\big(x(t),y(t),z(t),t\big) \end{aligned}

By the chain rule, the rate of change of temperature (per unit time) felt by the bee at time t=2t=2 is

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=[∂T∂x(x(t),y(t),z(t),t) x′(t)+∂T∂y(x(t),y(t),z(t),t) y′(t)+∂T∂z(x(t),y(t),z(t),t) z′(t)+∂T∂t(x(t),y(t),z(t),t)]t=2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=\bigg[\frac{\partial T}{\partial x}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\,x'(t) +\frac{\partial T}{\partial y}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\,y'(t) \\& +\frac{\partial T}{\partial z}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\,z'(t) +\frac{\partial T}{\partial t}\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\bigg]_{t=2} \end{aligned}

Recalling that T=xy−3x+2yt+zT = xy - 3x+2yt+z, we have

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=[y(2)−3]x′(2)+[x(2)+2×2]y′(2)+z′(2)+2y(2)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=[y(2)-3]x'(2) + [x(2)+2\times 2]y'(2) +z'(2) +2y(2) \end{aligned}

Also recalling that, at time t=2t=2, the bee is at (1,1,0)(1,1,0) and has velocity <−2 , −4 , 4>\left< -2 \,,\, -4 \,,\, 4 \right>

ddtT(x(t),y(t),z(t),t)∣t=2=[−2](−2)+[5](−4)+4+2=−10\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}T\big(x(t),y(t),z(t),t\big)\Big|_{t=2} &=[-2](-2) + [5](-4) +4 +2 \\ &=-10 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 2.7절 · 17번우리말 번역

점 (x,y,z)(x, y, z) 에서의 온도가 다음과 같이 주어져 있다. T(x,y,z)=5e−2x2−y2−3z2T(x, y, z) = 5e^{-2x^2-y^2-3z^2}, 여기서 TT 는 섭씨 온도로, xx, yy, zz 는 미터 단위로 측정한다.

(a) 점 P(1,2,−1)P(1, 2, -1) 에서 점 (1,1,0)(1, 1, 0) 을 향하는 방향으로의 온도의 변화율을 구하세요. (b) 온도가 가장 빠르게 감소하는 방향은 어느 방향인지 구하세요. (c) PP 에서 온도의 최대 감소율을 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) (1,2,−1)(1, 2, -1) 에서 방향 <1,1,0>−<1,2,−1>=<0,−1,1>\left< 1, 1, 0\right> - \left< 1, 2, -1\right> = \left< 0,-1,1 \right> 으로의 T(x,y,z)T(x,y,z) 의 변화율을 구하는 것이다. 이 변화율(단위 거리당)은 방향미분계수

D<0,−1,1>2T(1,2,−1)=∇T(1,2,−1)⋅<0,−1,1>2\begin{aligned} D_{\frac{\left< 0,-1,1 \right>}{\sqrt{2}}} T(1,2,-1) ={ \boldsymbol{\nabla} } T(1,2,-1)\cdot \frac{\left< 0,-1,1 \right>}{\sqrt{2}} \end{aligned}

이다.

∂T∂x(x,y,z)=−20x e−2x2−y2−3z2∂T∂x(1,2,−1)=−20 e−9∂T∂y(x,y,z)=−10y e−2x2−y2−3z2∂T∂y(1,2,−1)=−20 e−9∂T∂z(x,y,z)=−30z e−2x2−y2−3z2∂T∂z(1,2,−1)=30 e−9\begin{aligned} \frac{\partial T}{\partial x}(x,y,z)&= -20 x\,e^{-2x^2-y^2-3z^2} & \frac{\partial T}{\partial x}(1,2,-1)&= -20\, e^{-9} \\ \frac{\partial T}{\partial y}(x,y,z)&= -10 y\,e^{-2x^2-y^2-3z^2} & \frac{\partial T}{\partial y}(1,2,-1)&= -20\, e^{-9} \\ \frac{\partial T}{\partial z}(x,y,z)&= -30 z\,e^{-2x^2-y^2-3z^2} & \frac{\partial T}{\partial z}(1,2,-1)&= 30\, e^{-9} \end{aligned}

이므로 방향미분계수는

D<0,−1,1>2T(1,2,−1)=e−9<−20,−20,30>⋅<0,−1,1>2=502e−9=25 2 e−9\begin{aligned} D_{\frac{\left< 0,-1,1 \right>}{\sqrt{2}}} T(1,2,-1) =e^{-9}\left< -20,-20,30\right>\cdot \frac{\left< 0,-1,1 \right>}{\sqrt{2}} =\frac{50}{\sqrt{2}}e^{-9} =25\,\sqrt{2}\,e^{-9} \end{aligned}

이다.

(b) 최대 감소율의 방향은 −∇T(1,2,−1)-{ \boldsymbol{\nabla} } T(1,2,-1) 이다. 이 방향의 단위벡터는 <2,2,−3>17\frac{\left< 2,2,-3\right>}{\sqrt{17}} 이다.

(c) PP 에서의 최대 감소율은 −∣∇T(1,2,−1)∣=−10e−9∣<−2,−2,3>∣=−1017e−9-|{ \boldsymbol{\nabla} } T(1,2,-1)|=-10 e^{-9} |\left< -2,-2,3\right>| = -10\sqrt{17} e^{-9} 이다.

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