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 · 29번대학 수준우리말 번역

함수 f(x,y,z)=x2+cos⁡(yz)f(x,y,z) = x^2 + \cos(yz) 를 생각하세요.

(a) 점 (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2) 에서 ff 가 가장 빠르게 증가하는 방향을 구하세요. (b) 점 (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2) 에서 곡면

S={ (x,y,z) ∣ f(x,y,z)=1 }S = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ f(x,y,z) = 1\ \big\}

에 접하는 평면 TT 의 방정식을 구하세요. (c) TT 와 점 (0,1,0)(0, 1, 0) 사이의 거리를 구하세요. (d) 평면 TT 와 평면

P={ (x,y,z) ∣ x+z=0 }P = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x + z = 0\ \big\}

가 이루는 각을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the function f(x,y,z)=x2+cos⁡(yz)f(x,y,z) = x^2 + \cos(yz).

(a) Give the direction in which ff is increasing the fastest at the point (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2). (b) Give an equation for the plane TT tangent to the surface

S={ (x,y,z) ∣ f(x,y,z)=1 }S = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ f(x,y,z) = 1\ \big\}

at the point (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2). (c) Find the distance between TT and the point (0,1,0)(0, 1, 0). (d) Find the angle between the plane TT and the plane

P={ (x,y,z) ∣ x+z=0 }.P = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x + z = 0\ \big\}.

정답·풀이 보기

ff 의 1계 편도함수를 임의의 점 (x,y,z)(x,y,z) 에서와 점 (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2) 에서 각각 구하면 다음과 같다.

fx(x,y,z)=2xfx(1,0,π/2)=2fy(x,y,z)=−zsin⁡(yz)fy(1,0,π/2)=0fz(x,y,z)=−ysin⁡(yz)fz(1,0,π/2)=0\begin{aligned} f_x(x,y,z)&= 2x\qquad & f_x(1, 0, \pi/2)&= 2 \\ f_y(x,y,z)&= -z\sin(yz)\qquad & f_y(1, 0, \pi/2)&= 0 \\ f_z(x,y,z)&= -y\sin(yz)\qquad & f_z(1, 0, \pi/2)&= 0 \end{aligned}

(a) ff 의 증가율이 가장 큰 방향은 ∇f(1,0,π/2)=<2,0,0>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1, 0, \pi/2)=\left< 2,0,0\right> 의 방향이다. 그 방향의 단위벡터는 ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} 이다.

(b) 기울기 벡터 ∇f(1,0,π/2)=<2,0,0>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1, 0, \pi/2)=\left< 2,0,0\right> 는 (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2) 에서 곡면 f=1f=1 의 법선벡터이다. 따라서 구하는 접평면은

<2,0,0>⋅<x−1 , y−0 , z−π/2>=0또는x=1\begin{aligned} \left< 2,0,0\right> \cdot \left< x-1\,,\,y-0\,,\,z-\pi/2\right>=0\qquad\text{또는}\qquad x=1 \end{aligned}

이다.

(c) 점 (0,1,0)(0,1,0) 에서 TT 위의 점 (1,1,0)(1,1,0) 으로 향하는 벡터는 <1,0,0>\left< 1,0,0\right> 이고, 이 벡터는 TT 에 수직이다. 따라서 (1,1,0)(1,1,0) 은 TT 위의 점 중 (0,1,0)(0,1,0) 에 가장 가까운 점이고, (0,1,0)(0,1,0) 에서 TT 까지의 거리는 ∣<1,0,0>∣=1|\left< 1,0,0\right>|=1 이다.

(d) 벡터 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 은 평면 x+z=0x+z=0 에 수직이다. 따라서 두 평면 TT 와 x+z=0x+z=0 이 이루는 각은 두 벡터 <1,0,0>\left< 1,0,0\right> 과 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 이 이루는 각 θ\theta 와 같고, 이 각은 다음을 만족한다.

∣<1,0,0>∣ ∣<1,0,1>∣ cos⁡θ=∣<1,0,0>⋅<1,0,1>∣=1  ⟹  cos⁡θ=12  ⟹  θ=π4\begin{aligned} & |\left< 1,0,0\right>| \ |\left< 1,0,1\right>|\ \cos\theta =|\left< 1,0,0\right>\cdot\left< 1,0,1\right>| =1 \\ &\implies \cos\theta=\frac{1}{\sqrt{2}} \implies \theta=\frac{\pi}{4} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The first order partial derivatives of ff, both at a general point (x,y,z)(x,y,z) and at the point (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2), are

fx(x,y,z)=2xfx(1,0,π/2)=2fy(x,y,z)=−zsin⁡(yz)fy(1,0,π/2)=0fz(x,y,z)=−ysin⁡(yz)fz(1,0,π/2)=0\begin{aligned} f_x(x,y,z)&= 2x\qquad & f_x(1, 0, \pi/2)&= 2 \\ f_y(x,y,z)&= -z\sin(yz)\qquad & f_y(1, 0, \pi/2)&= 0 \\ f_z(x,y,z)&= -y\sin(yz)\qquad & f_z(1, 0, \pi/2)&= 0 \end{aligned}

(a) The rate of increase of ff is largest in the direction of ∇f(1,0,π/2)=<2,0,0>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1, 0, \pi/2)=\left< 2,0,0\right>. A unit vector in that direction is ı^\hat{\boldsymbol{\imath}}.

(b) The gradient vector ∇f(1,0,π/2)=<2,0,0>{ \boldsymbol{\nabla} } f(1, 0, \pi/2)=\left< 2,0,0\right> is a normal vector to the surface f=1f=1 at (1,0,π/2)(1, 0, \pi/2). So the specified tangent plane is

<2,0,0>⋅<x−1 , y−0 , z−π/2>=0orx=1\begin{aligned} \left< 2,0,0\right> \cdot \left< x-1\,,\,y-0\,,\,z-\pi/2\right>=0\qquad\text{or}\qquad x=1 \end{aligned}

(c) The vector from the point (0,1,0)(0,1,0) to the point (1,1,0)(1,1,0), on TT, is <1,0,0>\left< 1,0,0\right>, which is perpendicular to TT. So (1,1,0)(1,1,0) is the point on TT nearest (0,1,0)(0,1,0) and the distance from (0,1,0)(0,1,0) to TT is ∣<1,0,0>∣=1|\left< 1,0,0\right>|=1.

(d) The vector <1,0,1>\left< 1,0,1\right> is perpendicular to the plane x+z=0x+z=0. So the angle between the planes TT and x+z=0x+z=0 is the same as the angle θ\theta between the vectors <1,0,0>\left< 1,0,0\right> and <1,0,1>\left< 1,0,1\right>, which obeys

∣<1,0,0>∣ ∣<1,0,1>∣ cos⁡θ=∣<1,0,0>⋅<1,0,1>∣=1  ⟹  cos⁡θ=12  ⟹  θ=π4\begin{aligned} & |\left< 1,0,0\right>| \ |\left< 1,0,1\right>|\ \cos\theta =|\left< 1,0,0\right>\cdot\left< 1,0,1\right>| =1 \\ &\implies \cos\theta=\frac{1}{\sqrt{2}} \implies \theta=\frac{\pi}{4} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 2.7절 · 32번우리말 번역

유성이 캐나다 중심부 지역의 땅에 떨어진다. 위성 사진을 이용하여, 그 결과로 생긴 크레이터의 모델

z=f(x,y)=−100x2+2x+4y2+11z=f(x,y)=-\frac{100}{x^2+2x+4y^2+11}

을 만들고, 이 장소를 관광 명소로 바꾸는 계획을 세운다. 주차장은 (4,5)(4,5) 에 만들고 등산로도 만들 예정이다. 등산로는 주차장에서 시작하여 크레이터 바닥까지 가장 가파른 경로를 따라 간다.

(a) 주차장, 함수 ff 의 등고선 몇 개, 그리고 등산로가 분명하게 표시된 계획 부지의 지도를 그리세요. (b) 등산로는 주차장에서 어느 방향으로 출발하는지 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a)

z=−100x2+2x+4y2+11=−100(x+1)2+4y2+10z=-\frac{100}{x^2+2x+4y^2+11}=-\frac{100}{(x+1)^2+4y^2+10}

이므로 크레이터의 바닥은 x=−1x=-1, y=0y=0 (분모가 최소가 되는 곳)에 있고, 등고선(등위곡선)은 방정식이 (x+1)2+4y2=C(x+1)^2+4y^2=C 인 타원이다. 아래 그림에서 속이 찬 점은 크레이터의 바닥을, 속이 빈 점은 주차장을 나타낸다. 그린 등고선은 (안쪽부터 바깥쪽으로) z=−7.5,−5,−2.5,−1z=-7.5, -5, -2.5, -1 이다. 등산로가 등고선과 직각으로 만남에 유의한다.

그림

(b) 등산로는

∇z=100(x2+2x+4y2+11)2(2x+2,8y){ \boldsymbol{\nabla} } z = \frac{100}{{(x^2+2x+4y^2+11)}^2}(2x+2,8y)

와 평행하다. 주차장에서는 ∇z(4,5)∥<10,40>∥<1,4>{ \boldsymbol{\nabla} } z(4,5)\parallel \left< 10, 40\right>\parallel \left< 1,4\right> 이다. 크레이터의 바닥을 향해 가려면 −<1,4>-\left< 1,4\right> 방향으로 출발해야 한다.

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