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 · 23번대학 수준우리말 번역

언덕의 높이가 방정식 f(x,y)=x2y2e−x−yf(x,y)=x^2y^2e^{-x-y} 으로 주어져 있다. 개미 한 마리가 점 (1,1,e−2)(1,1,e^{-2}) 에 앉아 있다.

(a) 다음 값을 최대로 하는 단위벡터 u=<u1,u2>\mathbf{u}=\left< u_1,u_2\right> 를 구하세요.

lim⁡t→0f((1,1)+tu)−f(1,1)t\lim_{t\rightarrow 0}\frac{f\big((1,1)+t\mathbf{u}\big)-f(1,1)}{t} (b) 개미가 같은 높이 e−2e^{-2} 를 유지하기 위해 갈 수 있는 경로의 방향을 가리키는 벡터 v=<v1,v2,v3>\mathbf{v}=\left< v_1,v_2,v_3\right> 를 구하세요. (c) 개미가 순간 높이 증가율을 최대로 하기 위해 가야 하는 경로의 방향을 가리키는 벡터 v=<v1,v2,v3>\mathbf{v}=\left< v_1,v_2,v_3\right> 를 구하세요.

영어 원문 보기

The elevation of a hill is given by the equation f(x,y)=x2y2e−x−yf(x,y)=x^2y^2e^{-x-y}. An ant sits at the point (1,1,e−2)(1,1,e^{-2}).

(a) Find the unit vector u=<u1,u2>\mathbf{u}=\left< u_1,u_2\right> that maximizes

lim⁡t→0f((1,1)+tu)−f(1,1)t\lim_{t\rightarrow 0}\frac{f\big((1,1)+t\mathbf{u}\big)-f(1,1)}{t} (b) Find a vector v=<v1,v2,v3>\mathbf{v}=\left< v_1,v_2,v_3\right> pointing in the direction of the path that the ant could take in order to stay on the same elevation level e−2e^{-2}. (c) Find a vector v=<v1,v2,v3>\mathbf{v}=\left< v_1,v_2,v_3\right> pointing in the direction of the path that the ant should take in order to maximize its instantaneous rate of level increase.

정답·풀이 보기

(a) 식 lim⁡t→0f((1,1)+tu)−f(1,1)t \lim_{t\rightarrow 0}\frac{f((1,1)+t\mathbf{u})-f(1,1)}{t} 은 u\mathbf{u} 방향으로의 (1,1)(1,1) 에서 ff 의 방향미분계수이며, 이는 Duf(1,1)=∇f(1,1)⋅uD_\mathbf{u} f(1,1)={ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1)\cdot\mathbf{u} 이다. 이 값은 u\mathbf{u} 가 ∇f(1,1){ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1) 과 평행할 때 최대가 된다.

fx(x,y)=2xy2e−x−y−x2y2e−x−yfy(x,y)=2x2ye−x−y−x2y2e−x−yf_x(x,y)=2xy^2e^{-x-y}-x^2y^2e^{-x-y}\qquad f_y(x,y)=2x^2ye^{-x-y}-x^2y^2e^{-x-y}

이므로

∇f(1,1)=e−2<1,1>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1)=e^{-2}\left< 1,1\right>

이고, 따라서 구하는 단위벡터 u\mathbf{u} 는 12<1,1>\frac{1}{\sqrt{2}}\left< 1,1\right> 이다.

(b) 높이 e−2e^{-2} 를 유지하려면 개미는 Duf(1,1)=0D_\mathbf{u} f(1,1)=0 이 되도록 움직여야 한다. 이는 u⊥∇f(1,1)\mathbf{u}\perp{ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1) 일 때 성립한다. 예를 들어 u=<1,−1>\mathbf{u}=\left< 1,-1\right> 로 잡을 수 있다. 개미가 언덕의 표면 위에 머물면서 이 방향으로 움직이면 속도의 수직 성분은 0이다. 따라서 0이 아닌 임의의 상수 cc 에 대해 v=c<1,−1,0>\mathbf{v}=c\left< 1,-1,0\right> 이다.

(c) 순간 높이 증가율을 최대로 하려면 개미는 속도 벡터의 xx 좌표와 yy 좌표를 ∇f(1,1){ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1) 과 같은 방향으로 택해야 한다. 즉 c>0c>0 인 임의의 cc 에 대해 u=c<1,1>\mathbf{u}=c\left< 1,1\right> 이다. u\mathbf{u} 를 단위벡터로 만들기 위해 c=12c=\frac{1}{\sqrt{2}} 로 택한다. 속도 벡터의 zz 좌표의 값은 수평으로 이동한 단위 거리당 ff 의 변화율이며, 이는 방향미분계수

Duf(1,1)=∇f(1,1)⋅u=e−2<1,1>⋅<c,c>=2ce−2D_\mathbf{u} f(1,1)={ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1)\cdot\mathbf{u}=e^{-2}\left< 1,1\right> \cdot\left< c,c\right> =2ce^{-2}

이다.

따라서 v=12<1,1,2e−2>\mathbf{v}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left< 1,1,2e^{-2}\right> 이다. 이 벡터의 양의 배수는 모두 정답이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The expression lim⁡t→0f((1,1)+tu)−f(1,1)t \lim_{t\rightarrow 0}\frac{f((1,1)+t\mathbf{u})-f(1,1)}{t} is the directional derivative of ff at (1,1)(1,1) in the direction u\mathbf{u}, which is Duf(1,1)=∇f(1,1)⋅uD_\mathbf{u} f(1,1)={ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1)\cdot\mathbf{u}. This is mazimized when u\mathbf{u} is parallel to ∇f(1,1){ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1). Since

fx(x,y)=2xy2e−x−y−x2y2e−x−yfy(x,y)=2x2ye−x−y−x2y2e−x−yf_x(x,y)=2xy^2e^{-x-y}-x^2y^2e^{-x-y}\qquad f_y(x,y)=2x^2ye^{-x-y}-x^2y^2e^{-x-y}

we have

∇f(1,1)=e−2<1,1>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1)=e^{-2}\left< 1,1\right>

so that the desired unit vector u\mathbf{u} is 12<1,1>\frac{1}{\sqrt{2}}\left< 1,1\right>.

(b) In order to remain at elevation e−2e^{-2}, the ant must move so that Duf(1,1)=0D_\mathbf{u} f(1,1)=0. This is the case if u⊥∇f(1,1)\mathbf{u}\perp{ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1). For example, we can take u=<1,−1>\mathbf{u}=\left< 1,-1\right>. When the ant moves in this direction, while remaining on the surface of the hill, its vertical component of velocity is zero. So v=c<1,−1,0>\mathbf{v}=c\left< 1,-1,0\right> for any nonzero constant cc.

(c) In order to maximize its instantaneous rate of level increase, the ant must choose the xx and yy coordinates of its velocity vector in the same direction as ∇f(1,1){ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1). Namely u=c<1,1>\mathbf{u}=c\left< 1,1\right> for any c>0c>0. To make u\mathbf{u} a unit vector, we choose c=12c=\frac{1}{\sqrt{2}}. The corresponding value of the zz coordinate of its velocity vector is the rate of change of ff per unit horizontal distance travelled, which is the directional derivative

Duf(1,1)=∇f(1,1)⋅u=e−2<1,1>⋅<c,c>=2ce−2D_\mathbf{u} f(1,1)={ \boldsymbol{\nabla} } f(1,1)\cdot\mathbf{u}=e^{-2}\left< 1,1\right> \cdot\left< c,c\right> =2ce^{-2}

So v=12<1,1,2e−2>\mathbf{v}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left< 1,1,2e^{-2}\right>. Any positive multiple of this vector is also a correct answer.

한 번 더 — 비슷한 문제APEX · 12.6절 · 1번우리말 번역

벡터 v⃗=⟨1,0,3⟩\vec v=\left\langle 1,0,3\right\rangle 가 어떻게 "기울기" 3을 갖는 것으로 볼 수 있는지 설명하세요.

다 풀었으면 정답 확인

답은 다양할 수 있다. 이 벡터의 변위는 xx방향으로 1단위, zz방향으로 3단위이며 yy는 변하지 않는다. 따라서 v⃗\vec v에 평행한 직선을 따라 zz의 변화량은 xx의 변화량의 3배이다. 즉 "기울기"가 3이다. 구체적으로, zz에 평행한 xx-zz 평면 위의 직선은 기울기가 3이다.

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