유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
4문제 · 1 / 1쪽
1.CLP-4 · 3.1절 · 7번대학 수준우리말 번역
축에 평행하지 않은 직선을 회전축으로 하는 회전체를 매개변수로 나타내세요. 먼저 회전시키는 평면이 그 축에 수직임을 보이는 것이 좋을 수 있습니다.
(a) 평면 x=y 위에 있고 중심이 (2,2,4) 이며 반지름이 1인 원의 매개변수 방정식을 구하세요.
(b) (a)의 원을 직선 r(t)=4^+4^+tk^ 를 축으로 회전시켜 만들어지는 곡면의 매개변수 방정식을 구하세요.
영어 원문 보기
Parametrize a solid of rotation about a line not parallel to an axis. Maybe first show that the plane you're rotating is normal to that axis.
(a) Give a parametric equation for the circle of radius 1, centred at (2,2,4), lying in the plane x=y.
(b) Give a parametrized equation for the surface formed by rotating the circle from part (a) about the line r(t)=4^+4^+tk^.
정답·풀이 보기
(a) 아래 그림에서 점 (x,y,z) 는 중심 (2,2,4) 에서 k^ 방향으로 sinθ 단위, 21(^+^) 방향으로 cosθ 단위만큼 벗어나 있다. 따라서 (x,y,z)=(2+21cosθ,2+21cosθ,4+sinθ) 이다.
따라서 이 원을 0≤θ≤2π 에서 (x,y,z)=(2+21cosθ,2+21cosθ,4+sinθ) 로 매개변수화할 수 있다.
참고: 이 방정식이 우리가 원하는 두 가지 성질을 만족함은 쉽게 확인할 수 있다. x좌표와 y좌표가 같으므로 평면 x=y 위에 있다. 중심이 (2,2,4) 인 원임을 확인하기 위해, (x,y,z) 에서 (2,2,4) 까지의 거리를 구하면 다음과 같다.
따라서 모든 점이 같은 한 점으로부터 거리가 1이다. 즉, 이 점들은 반지름이 1인 원 위에 있다.
(b) 점 (x,y,z)=(2+21cosθ,2+21cosθ,4+sinθ) 를 직선 x=y=4 를 축으로 ϕ 라디안만큼 회전시키는 경우를 생각한다.
회전한 점의 높이는 z=4+sinθ 로 그대로이다. 직선 x=y=4 까지의 거리도 변하지 않는다: R=(x−4)2+(y−4)2+(z−z)2=(21cosθ−2)2+(21cosθ−2)2+0)=cosθ−22.
원 위의 점 (x,y,z)=(2+21cosθ,2+21cosθ,4+sinθ) 가 그리는 원은 중심이 (4,4,z) 이고 반지름이 2(4−x) 이므로, 그 방정식은 x=4+2(2−2cosθ)cosϕ, y=4+2(2−2cosθ)sinϕ, z=4sinθ 이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) In the sketch below, the point (x,y,z) deviates from the centre (2,2,4) by sinθ units in the k^ direction, and by cosθ units in the 21(^+^) direction. So, (x,y,z)=(2+21cosθ,2+21cosθ,4+sinθ).
So, we can parametrize the circle as (x,y,z)=(2+21cosθ,2+21cosθ,4+sinθ), with 0≤θ≤2π.
Remark: it's easy to check that this equation satisfies the two properties we desire. Since the x- and y coordinates match, it's in the plane x=y. To check that it's a circle centred at (2,2,4), we note the distance from (x,y,z) to (2,2,4) is:
So, our points all have distance one from the same point — that is, they lie on a circle of radius 1.
(b) Consider a point (x,y,z)=(2+21cosθ,2+21cosθ,4+sinθ), rotating ϕ radians about the line x=y=4.
The new position of the point has the same height, z=4+sinθ. Its distance from the line x=y=4 is also preserved: R=(x−4)2+(y−4)2+(z−z)2=(21cosθ−2)2+(21cosθ−2)2+0)=cosθ−22.
The circle traced out by a point (x,y,z)=(2+21cosθ,2+21cosθ,4+sinθ) on the circle is centred at (4,4,z) with radius 2(4−x), so it has equation x=4+2(2−2cosθ)cosϕ, y=4+2(2−2cosθ)sinϕ, z=4sinθ.
기하학적 설명은 다음 관찰에서 시작한다. 꼭짓점이 (0,0,0) 이고 밑면이 곡면의 아주 작은 조각 dS 인 원뿔의 부피는 밑면의 넓이와 원뿔의 높이를 곱한 값의 31 배이다. 원뿔의 높이는 ∣n^⋅r∣ 이고, 여기서 r 은 dS 위의 한 점이다. 따라서 원뿔의 부피는 31∣n^⋅r∣dS 이다.
먼저 (0,0,0) 이 V 안에 있고 V 가 볼록하다고 가정하자.
그러면
n^⋅r>0 이고, 부피는 31n^⋅rdS 이다.
원뿔은 V 에 포함되고,
V 는 dS 가 ∂V 전체를 움직일 때 생기는 모든 아주 작은 원뿔 조각들의 합집합이다.
따라서
Volume(V)=31∬∂Vr⋅n^dS
V 가 볼록하지 않거나 (0,0,0) 이 V 안에 있지 않은 경우로 일반화하려면,
V 를 큰 볼록 입체 하나와 하나 이상의 더 작은 볼록 입체들의 차로 나타내면 된다.
Our gemetric explanation starts with the observation that
the volume of the cone with vertex (0,0,0) and base a tiny piece of
surface dS is 31 times the area of the base times
the height of the cone. The height of the cone is ∣n^⋅r∣,
where r is a point in dS. So the volume of the cone is 31∣n^⋅r∣dS.
First assume that (0,0,0) is in V and V is convex.
Then
n^⋅r>0, and the volume is 31n^⋅rdS.
the cone is contained in V and
V is the union of all the tiny conical pieces
with dS running over ∂V.
So
Volume(V)=31∬∂Vr⋅n^dS
To generalise to the case that V is not convex or (0,0,0) is not in V,
write V as the difference between a large convex solid and one or more
smaller convex solids.
S 가 바깥쪽 법선장 n^ 을 갖는 매끄러운 닫힌 곡면이면, R3 에서 정의된 임의의 매끄러운 함수 p(x,y,z) 에 대해 다음이 성립함을 기억하세요.
∬Spn^ds=∭E∇pdV
여기서 E 는 S 로 둘러싸인 입체입니다. 이 결과로부터, 상수 압력의 기체 속에 놓인 입체의 겉면에 작용하는 전체 힘이 0임을 보이세요. (압력은 곡면에 수직인 방향으로 작용함을 기억하세요.)
영어 원문 보기
Recall that if S is a smooth closed surface with outer
normal field n^, then for any smooth function p(x,y,z) on R3,
we have
∬Spn^ds=∭E∇pdV
where E is the solid bounded by S. Show that as a consequence,
the total force exerted on the surface of a solid body contained in a gas
of constant pressure is zero. (Recall that the pressure acts in the direction
normal to the surface.)
정답·풀이 보기
압력은 곡면 안쪽으로 수직하게 작용하는, 단위 겉넓이당 힘이다. 따라서 단위 겉넓이당 힘은 −pn^ 이다. S 에 작용하는 전체 힘은
−∬Spn^dS=−∭E∇pdV
이다. p 가 상수라고 가정하므로 ∇p=0 이고, 따라서 전체 힘은 0이다.
원본 교재 풀이(영어)
Pressure is force per unit surface area acting normally into
a surface. So the force per unit surface area is −pn^. The total force
acting on S is
−∬Spn^dS=−∭E∇pdV
We are assuming that p is a constant, so that ∇p=0 and the
total force is zero.