문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터와 공간

단위접선·법선벡터

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

CLP-4 · 1.4절 · 9번대학 수준우리말 번역

어떤 상수 cc 에 대하여 r(t)=(t3,t,ect)\mathbf{r}(t)=(t^3,t,e^{ct}) 라고 하자. cc 의 어떤 값에 대하여 τ(5)=0\tau(5)=0 인지 구하세요. 그러한 각각의 cc 의 값에 대하여, t=5t=5 에서 이 곡선의 접촉원을 포함하는 평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

For some constant cc, define r(t)=(t3,t,ect)\mathbf{r}(t)=(t^3,t,e^{ct}). For which value(s) of cc is τ(5)=0\tau(5)=0? For each of those values of cc, find an equation for the plane containing the osculating circle to the curve at t=5t=5.

정답·풀이 보기

먼저 준비 계산을 한다:

r(t)=(t3,t,ect)r(5)=(53,5,e5c)v(t)=(3t2,1,cect)v(5)=(3⋅52,1,ce5c)a(t)=(6t,0,c2ect)a(5)=(6⋅5,0,c2e5c)dadt(t)=(6,0,c3ect)dadt(5)=(6,0,c3e5c)v(5)×a(5)=(c2e5c,15ce5c(2−5c),−30)\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=(t^3,t,e^{ct}) & \mathbf{r}(5)&=(5^3,5,e^{5c})\\ \mathbf{v}(t)&=(3t^2,1,ce^{ct}) & \mathbf{v}(5)&=(3\cdot 5^2,1,ce^{5c})\\ \mathbf{a}(t)&=(6t,0,c^2e^{ct}) & \mathbf{a}(5)&=(6\cdot 5,0,c^2e^{5c}) \\ \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(t)&= (6,0,c^3e^{ct})& \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(5)&= (6,0,c^3e^{5c})\\ && \mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5)&=(c^2e^{5c},15ce^{5c}(2-5c),-30) \end{aligned}

둘째, τ(5)=0\tau(5)=0 이 되게 하는 cc 의 값을 구한다.

0=τ(5)=(v(5)×a(5))⋅dadt(5)∣v(5)×a(5)∣20=(v(5)×a(5))⋅dadt(5)=(c2e5c,15ce5c(2−5c),−30)⋅(6,0,c3e5c)=6c2e5c(1−5c)c=0 또는 c=15\begin{aligned} 0&=\tau(5)=\dfrac{(\mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5))\cdot\frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(5)}{|\mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5)|^2}\\ 0&=(\mathbf{v}(5)\times\mathbf{a}(5))\cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(5)\\ &=(c^2e^{5c},15ce^{5c}(2-5c),-30)\cdot (6,0,c^3e^{5c})\\ &=6c^2e^{5c}(1-5c)\\ c&=0 \text{ 또는 } c=\frac15 \end{aligned}

c=0c=0 이면 r(t)=(t3,t,1)\mathbf{r}(t)=(t^3,t,1) 이므로 곡선 전체가 평면 z=1z=1 위에 놓인다. (꼬임률은 t=5t=5 에서만이 아니라 모든 곳에서 0이다.)

c=15c=\frac15 인 경우를 생각하자. t=5t=5 일 때, 곡선(과 그 접촉원)은 점 r(5)=(53,5,e)\mathbf{r}(5)=(5^3,5,e) 를 지난다. 접촉원이 놓인 평면의 법선벡터는 종법선벡터 B^(5)=v(5)×a(5)∣v(5)×a(5)∣\hat{\mathbf{B}}(5)=\frac{\mathbf{v}(5)\times \mathbf{a}(5)}{|\mathbf{v}(5)\times \mathbf{a}(5)|} 이다. 평면의 법선벡터가 단위벡터일 필요는 없으므로, 평면의 법선벡터로 간단히 v(5)×a(5)\mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5), 즉 (e/25,3e,−30)(e/25,3e,-30) 을 택할 수 있다. 그러면 접촉원을 포함하는 평면의 방정식은 (e/25)x+(3e)y−30z=−10e(e/25)x+(3e)y-30z=-10e 이다. 이 평면의 같은 방정식은 (1/25)x+3y−(30/e)z=−10(1/25)x+3y-(30/e)z=-10 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, some preliminaries:

r(t)=(t3,t,ect)r(5)=(53,5,e5c)v(t)=(3t2,1,cect)v(5)=(3⋅52,1,ce5c)a(t)=(6t,0,c2ect)a(5)=(6⋅5,0,c2e5c)dadt(t)=(6,0,c3ect)dadt(5)=(6,0,c3e5c)v(5)×a(5)=(c2e5c,15ce5c(2−5c),−30)\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=(t^3,t,e^{ct}) & \mathbf{r}(5)&=(5^3,5,e^{5c})\\ \mathbf{v}(t)&=(3t^2,1,ce^{ct}) & \mathbf{v}(5)&=(3\cdot 5^2,1,ce^{5c})\\ \mathbf{a}(t)&=(6t,0,c^2e^{ct}) & \mathbf{a}(5)&=(6\cdot 5,0,c^2e^{5c}) \\ \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(t)&= (6,0,c^3e^{ct})& \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(5)&= (6,0,c^3e^{5c})\\ && \mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5)&=(c^2e^{5c},15ce^{5c}(2-5c),-30) \end{aligned}

Second, we figure out what value of cc makes τ(5)=0\tau(5)=0.

0=τ(5)=(v(5)×a(5))⋅dadt(5)∣v(5)×a(5)∣20=(v(5)×a(5))⋅dadt(5)=(c2e5c,15ce5c(2−5c),−30)⋅(6,0,c3e5c)=6c2e5c(1−5c)c=0 or c=15\begin{aligned} 0&=\tau(5)=\dfrac{(\mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5))\cdot\frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(5)}{|\mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5)|^2}\\ 0&=(\mathbf{v}(5)\times\mathbf{a}(5))\cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(5)\\ &=(c^2e^{5c},15ce^{5c}(2-5c),-30)\cdot (6,0,c^3e^{5c})\\ &=6c^2e^{5c}(1-5c)\\ c&=0 \text{ or } c=\frac15 \end{aligned}

If c=0c=0, then r(t)=(t3,t,1)\mathbf{r}(t)=(t^3,t,1), and so the entire curve is contained inside the plane z=1z=1. (Its torsion is zero everywhere — not just at t=5t=5.)

Consider the case c=15c=\frac15. When t=5t=5, our curve (and its osculating circle) passes through the point r(5)=(53,5,e)\mathbf{r}(5)=(5^3,5,e). The normal vector to the plane of the osculating curve is the binormal vector B^(5)=v(5)×a(5)∣v(5)×a(5)∣\hat{\mathbf{B}}(5)=\frac{\mathbf{v}(5)\times \mathbf{a}(5)}{|\mathbf{v}(5)\times \mathbf{a}(5)|}. Since we don't need the normal vector to the plane to be a unit vector, we can take as the normal vector to the plane simply v(5)×a(5)\mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5), or (e/25,3e,−30)(e/25,3e,-30). Then, an equation of the plane containing the osculating circle is (e/25)x+(3e)y−30z=−10e(e/25)x+(3e)y-30z=-10e. An equivalent equation for this plane is (1/25)x+3y−(30/e)z=−10(1/25)x+3y-(30/e)z=-10.

한 번 더 — 비슷한 문제APEX · 11.4절 · 1번우리말 번역

T⃗(t)\vec T(t) 가 단위 접선 벡터일 때, ∥T⃗(t)∥\left\|\vec T(t)\right\| 는 얼마인지 구하세요.

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