언덕의 높이가 방정식 으로 주어져 있다. 개미 한 마리가 점 에 앉아 있다.
(a) 다음 값을 최대로 하는 단위벡터 를 구하세요.
(b) 개미가 같은 높이 를 유지하기 위해 갈 수 있는 경로의 방향을 가리키는 벡터 를 구하세요. (c) 개미가 순간 높이 증가율을 최대로 하기 위해 가야 하는 경로의 방향을 가리키는 벡터 를 구하세요.
영어 원문 보기
The elevation of a hill is given by the equation . An ant sits at the point .
(a) Find the unit vector that maximizes
(b) Find a vector pointing in the direction of the path that the ant could take in order to stay on the same elevation level . (c) Find a vector 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 은 방향으로의 에서 의 방향미분계수이며, 이는 이다. 이 값은 가 과 평행할 때 최대가 된다.
이므로
이고, 따라서 구하는 단위벡터 는 이다.
(b) 높이 를 유지하려면 개미는 이 되도록 움직여야 한다. 이는 일 때 성립한다. 예를 들어 로 잡을 수 있다. 개미가 언덕의 표면 위에 머물면서 이 방향으로 움직이면 속도의 수직 성분은 0이다. 따라서 0이 아닌 임의의 상수 에 대해 이다.
(c) 순간 높이 증가율을 최대로 하려면 개미는 속도 벡터의 좌표와 좌표를 과 같은 방향으로 택해야 한다. 즉 인 임의의 에 대해 이다. 를 단위벡터로 만들기 위해 로 택한다. 속도 벡터의 좌표의 값은 수평으로 이동한 단위 거리당 의 변화율이며, 이는 방향미분계수
이다.
따라서 이다. 이 벡터의 양의 배수는 모두 정답이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) The expression is the directional derivative of at in the direction , which is . This is mazimized when is parallel to . Since
we have
so that the desired unit vector is .
(b) In order to remain at elevation , the ant must move so that . This is the case if . For example, we can take . When the ant moves in this direction, while remaining on the surface of the hill, its vertical component of velocity is zero. So for any nonzero constant .
(c) In order to maximize its instantaneous rate of level increase, the ant must choose the and coordinates of its velocity vector in the same direction as . Namely for any . To make a unit vector, we choose . The corresponding value of the coordinate of its velocity vector is the rate of change of per unit horizontal distance travelled, which is the directional derivative
So . Any positive multiple of this vector is also a correct answer.
한 번 더 — 비슷한 문제APEX · 12.6절 · 1번우리말 번역
벡터 가 어떻게 "기울기" 3을 갖는 것으로 볼 수 있는지 설명하세요.
다 풀었으면 정답 확인
답은 다양할 수 있다. 이 벡터의 변위는 방향으로 1단위, 방향으로 3단위이며 는 변하지 않는다. 따라서 에 평행한 직선을 따라 의 변화량은 의 변화량의 3배이다. 즉 "기울기"가 3이다. 구체적으로, 에 평행한 - 평면 위의 직선은 기울기가 3이다.