문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

벡터 미적분 전체 문제

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526문제 · 24 / 27쪽

461.CLP-4 · 2.4절 · 32번대학 수준우리말 번역

CC 를 곡면 y=x2y=x^2 과 z=x3z=x^3 의 교선을 따라 (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,1,1)(1,1,1) 까지 가는 곡선이라 하자.

(a) ss 가 CC 를 따른 호의 길이이고 ρ=8x+36z\rho=8x+36z 일 때, ∫Cρ ds\int_C \rho\, \mathrm{d}s 의 값을 구하세요. (b) F=sin⁡y ı^+(xcos⁡y+z) ȷ^+(y+z) k^\mathbf{F}=\sin y\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (x\cos y+z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ (y+z)\,\hat{\mathbf{k}} 일 때, ∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the curve from (0,0,0)(0,0,0) to (1,1,1)(1,1,1) along the intersection of the surfaces y=x2y=x^2 and z=x3z=x^3.

(a) Find ∫Cρ ds\int_C \rho\, \mathrm{d}s if ss is arc length along CC and ρ=8x+36z\rho=8x+36z. (b) Find ∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} if F=sin⁡y ı^+(xcos⁡y+z) ȷ^+(y+z) k^\mathbf{F}=\sin y\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (x\cos y+z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ (y+z)\,\hat{\mathbf{k}}.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) CC 를 xx 로 매개변수화한다. 곡선 위의 점의 첫째 성분이 xx 이면 둘째 성분 yy 는 x2x^2 이어야 하고, 셋째 성분 zz 는 x3x^3 이어야 한다. 따라서

r(x)=x ı^+x2 ȷ^+x3 k^0≤x≤1r′(x)=ı^+2x ȷ^+3x2 k^dsdx(x)=1+4x2+9x4\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+x^3\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le x\le 1\\ \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3x^2\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(x)&=\sqrt{1+4x^2+9x^4} \end{aligned}

이고

ρ(x) dsdx(x)=(8x+36x3)1+4x2+9x4∫Cρ ds=∫01(8x+36x3)1+4x2+9x4 dx\begin{aligned} \rho(x)\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(x) &=\big(8x+36x^3\big)\sqrt{1+4x^2+9x^4}\\ \int_C\rho\ \mathrm{d}s &=\int_0^1 \big(8x+36x^3\big)\sqrt{1+4x^2+9x^4}\,\mathrm{d}x \end{aligned}

이다.

u=1+4x2+9x4u=1+4x^2+9x^4, du=(8x+36x3) dx\mathrm{d}u = \big(8x+36x^3\big)\,\mathrm{d}x, u(0)=1u(0)=1, u(1)=14u(1)=14 로 치환하면

∫Cρ ds=∫114u du=23u3/2∣114=23[143/2−1]≈34.26\begin{aligned} \int_C\rho\ \mathrm{d}s &=\int_1^{14} \sqrt{u}\ \mathrm{d}u =\frac{2}{3}u^{3/2}\bigg|_1^{14}\\ &=\frac{2}{3}\big[14^{3/2}-1\big]\approx 34.26 \end{aligned}

이다.

(b) f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+12z2f(x,y,z)=x\sin y+yz+\tfrac{1}{2} z^2 에 대해 F(x,y,z)=∇f(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z)=\nabla f(x,y,z) 이므로

∫CF⋅dr=f(1,1,1)−f(0,0,0)=sin⁡1+32≈2.3415\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=f(1,1,1)-f(0,0,0) =\sin 1+\frac{3}{2} \approx 2.3415

이다.

퍼텐셜 ff 는 추측으로 구한 것이다. 다른 방법으로, 다음을 풀어서 구할 수도 있다.

∂f∂x(x,y,z)=sin⁡y∂f∂y(x,y,z)=xcos⁡y+z∂f∂z(x,y,z)=y+z\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(x,y,z) &= \sin y \\ \frac{\partial f}{\partial y}(x,y,z) &= x\cos y+z \\ \frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z) &= y+z \end{aligned}

이 중 첫째 식을 적분하면

f(x,y,z)=xsin⁡y+g(y,z)f(x,y,z) = x\sin y +g(y,z)

를 얻는다.

이것을 둘째 식에 대입하면

xcos⁡y+∂g∂y(y,z)=xcos⁡y+z또는∂g∂y(x,z)=zx\cos y+\frac{\partial g}{\partial y}(y,z) = x\cos y+z\qquad\text{또는}\qquad \frac{\partial g}{\partial y}(x,z)=z

이고, 이로부터 반드시

g(y,z)=yz+h(z)g(y,z) = yz + h(z)

이다.

마지막으로 f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+h(z)f(x,y,z) = x\sin y +yz + h(z) 를 마지막 식에 대입하면

y+h′(z)=y+z또는h′(z)=zy + h'(z) =y+z \quad\text{또는}\quad h'(z) = z

이다.

따라서 h(x)=z22+Ch(x) = \frac{z^2}{2}+C 이고, 그러므로 임의의 상수 CC 에 대해 f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+z22+Cf(x,y,z) = x\sin y + yz + \frac{z^2}{2}+C 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Parametrize CC by xx. When the first component of a point on the curve is xx, then the second component, yy, must be x2x^2 and the third component, zz, must be x3x^3. So

r(x)=x ı^+x2 ȷ^+x3 k^0≤x≤1r′(x)=ı^+2x ȷ^+3x2 k^dsdx(x)=1+4x2+9x4\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+x^3\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le x\le 1\\ \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3x^2\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(x)&=\sqrt{1+4x^2+9x^4} \end{aligned}

and

ρ(x) dsdx(x)=(8x+36x3)1+4x2+9x4∫Cρ ds=∫01(8x+36x3)1+4x2+9x4 dx\begin{aligned} \rho(x)\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(x) &=\big(8x+36x^3\big)\sqrt{1+4x^2+9x^4}\\ \int_C\rho\ \mathrm{d}s &=\int_0^1 \big(8x+36x^3\big)\sqrt{1+4x^2+9x^4}\,\mathrm{d}x \end{aligned}

Substituting u=1+4x2+9x4u=1+4x^2+9x^4, du=(8x+36x3) dx\mathrm{d}u = \big(8x+36x^3\big)\,\mathrm{d}x, u(0)=1u(0)=1, u(1)=14u(1)=14,

∫Cρ ds=∫114u du=23u3/2∣114=23[143/2−1]≈34.26\begin{aligned} \int_C\rho\ \mathrm{d}s &=\int_1^{14} \sqrt{u}\ \mathrm{d}u =\frac{2}{3}u^{3/2}\bigg|_1^{14}\\ &=\frac{2}{3}\big[14^{3/2}-1\big]\approx 34.26 \end{aligned}

(b) Since F(x,y,z)=∇f(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z)=\nabla f(x,y,z) with f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+12z2f(x,y,z)=x\sin y+yz+\tfrac{1}{2} z^2,

∫CF⋅dr=f(1,1,1)−f(0,0,0)=sin⁡1+32≈2.3415\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=f(1,1,1)-f(0,0,0) =\sin 1+\frac{3}{2} \approx 2.3415

The potential ff was just guessed. Alternatively, it can be found by solving

∂f∂x(x,y,z)=sin⁡y∂f∂y(x,y,z)=xcos⁡y+z∂f∂z(x,y,z)=y+z\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(x,y,z) &= \sin y \\ \frac{\partial f}{\partial y}(x,y,z) &= x\cos y+z \\ \frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z) &= y+z \end{aligned}

Integrating the first of these equations gives

f(x,y,z)=xsin⁡y+g(y,z)f(x,y,z) = x\sin y +g(y,z)

Substituting this into the second equation gives

xcos⁡y+∂g∂y(y,z)=xcos⁡y+zor∂g∂y(x,z)=zx\cos y+\frac{\partial g}{\partial y}(y,z) = x\cos y+z\qquad\text{or}\qquad \frac{\partial g}{\partial y}(x,z)=z

which forces

g(y,z)=yz+h(z)g(y,z) = yz + h(z)

Finally, substituting f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+h(z)f(x,y,z) = x\sin y +yz + h(z) into the last equation gives

y+h′(z)=y+zorh′(z)=zy + h'(z) =y+z \quad\text{or}\quad h'(z) = z

So h(x)=z22+Ch(x) = \frac{z^2}{2}+C and hence f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+z22+Cf(x,y,z) = x\sin y + yz + \frac{z^2}{2}+C for any constant CC.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.6절 · 2번
# 선적분계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
462.CLP-4 · 2.4절 · 34번대학 수준우리말 번역

아래 선적분의 값을 구하세요. (어떤 방법을 써도 좋습니다.)

(a) ∫C(x2+y) dx+x dy\int_C (x^2 + y)\,\mathrm{d}x + x\,\mathrm{d}y, 여기서 CC 는 포물선 y=9−x2y = 9 - x^2 의 호로서 (−3,0)(-3, 0) 에서 (3,0)(3, 0) 까지이다. (b) ∫CF⋅n^ ds\int_C \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s, 여기서 F(x,y)=2x2ı^+yexȷ^\mathbf{F}(x, y) = 2x^2\hat{\boldsymbol{\imath}} + ye^x\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고, CC 는 정사각형 0≤x≤10 \le x \le 1, 0≤y≤10 \le y \le 1 의 경계이다. 여기서 n^\hat{\mathbf{n}} 은 정사각형의 바깥쪽을 향하는 단위법선벡터이고, ss 는 호의 길이이다.

영어 원문 보기

Evaluate the line integrals below. (Use any method you like.)

(a) ∫C(x2+y) dx+x dy\int_C (x^2 + y)\,\mathrm{d}x + x\,\mathrm{d}y, where CC is the arc of the parabola y=9−x2y = 9 - x^2 from (−3,0)(-3, 0) to (3,0)(3, 0). (b) ∫CF⋅n^ ds\int_C \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s, where F(x,y)=2x2ı^+yexȷ^\mathbf{F}(x, y) = 2x^2\hat{\boldsymbol{\imath}} + ye^x\hat{\boldsymbol{\jmath}}, CC is the boundary of the square 0≤x≤10 \le x \le 1, 0≤y≤10 \le y \le 1. Here n^\hat{\mathbf{n}} is the unit normal vector pointing outward from the square, and ss is arc length.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 매개변수화

r(x)=x ı^+(9−x2) ȷ^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(9-x^2)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

를 이용하여 적분을 직접 계산하자. 단, −3≤x≤3-3\le x \le 3 이다.

r′(x)=ı^−2x ȷ^\mathbf{r}'(x) = \hat{\boldsymbol{\imath}} -2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이므로

∫C(x2+y) dx+x dy=∫−33(x2 + 9−x2⏞y +x(−2x)⏞dydx) dx=∫−33(9−2x2) dx=2∫03(9−2x2) dx=2(27−2333)=18\begin{aligned} \int_C (x^2 + y)\,\mathrm{d}x + x\,\mathrm{d}y &=\int_{-3}^3 \big(x^2\ +\ \overbrace{9-x^2}^{y}\ +x\overbrace{(-2x)}^{\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}\big)\,\mathrm{d}x =\int_{-3}^3 \big(9-2x^2\big)\,\mathrm{d}x \\ &=2\int_0^3 \big(9-2x^2\big)\,\mathrm{d}x =2\left(27-2\frac{3^3}{3}\right) =18 \end{aligned}

(b) 이 풀이에서는 적분을 직접 계산한다. 그림과 같이 정사각형의 네 변을 L1L_1, L2L_2, L3L_3, L4L_4 라 하자.

그림

L1L_1 을 호의 길이로 매개변수화하면 r(s)=s ı^\mathbf{r}(s) = s\,\hat{\boldsymbol{\imath}}, 0≤s≤10\le s\le 1 이다. L1L_1 에서 바깥쪽을 향하는 법선벡터는 −ȷ^-\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이므로

∫L1F⋅n^ ds=∫01F(s,0)⋅(−ȷ^) ds=∫01(−0) ds=0\begin{aligned} \int_{L_1} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(s,0) \cdot(-\hat{\boldsymbol{\jmath}})\, \mathrm{d}s =\int_0^1 (-0)\, \mathrm{d}s =0 \end{aligned}

L2L_2 를 호의 길이로 매개변수화하면 r(s)=ı^+s ȷ^\mathbf{r}(s) = \hat{\boldsymbol{\imath}}+s\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤s≤10\le s\le 1 이다. L2L_2 에서 바깥쪽을 향하는 법선벡터는 ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} 이므로

∫L2F⋅n^ ds=∫01F(1,s)⋅ı^ ds=∫012 ds=2\begin{aligned} \int_{L_2} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(1,s) \cdot \hat{\boldsymbol{\imath}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 2\, \mathrm{d}s =2 \end{aligned}

L3L_3 을 ((1,1)(1,1) 에서 시작하여) 호의 길이로 매개변수화하면 r(s)=(1−s) ı^+ȷ^\mathbf{r}(s) = (1-s)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤s≤10\le s\le 1 이다. L3L_3 에서 바깥쪽을 향하는 법선벡터는 ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이므로

∫L3F⋅n^ ds=∫01F(1−s,1)⋅ȷ^ ds=∫01e1−s ds=[−e1−s]01=e−1\begin{aligned} \int_{L_3} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(1-s,1) \cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 e^{1-s}\, \mathrm{d}s =\Big[-e^{1-s}\Big]_0^1 =e-1 \end{aligned}

L4L_4 를 ((0,1)(0,1) 에서 시작하여) 호의 길이로 매개변수화하면 r(s)=(1−s) ȷ^\mathbf{r}(s) = (1-s)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤s≤10\le s\le 1 이다. L4L_4 에서 바깥쪽을 향하는 법선벡터는 −ı^-\hat{\boldsymbol{\imath}} 이므로

∫L2F⋅n^ ds=∫01F(0,1−s)⋅(−ı^) ds=∫01(−0) ds=0\begin{aligned} \int_{L_2} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(0,1-s) \cdot(- \hat{\boldsymbol{\imath}})\, \mathrm{d}s =\int_0^1 (-0)\, \mathrm{d}s =0 \end{aligned}

모두 합하면

∫CF⋅n^ ds=∫L1F⋅n^ ds+∫L2F⋅n^ ds+∫L3F⋅n^ ds+∫L4F⋅n^ ds=0+2+(e−1)+0=e+1\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s &= \int_{L_1} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s +\int_{L_2} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s +\int_{L_3} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s +\int_{L_4} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s \\ &= 0+2+(e-1) +0 =e+1 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Let's evaluate the integral directly using the parametrization

r(x)=x ı^+(9−x2) ȷ^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(9-x^2)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

with −3≤x≤3-3\le x \le 3.

Since r′(x)=ı^−2x ȷ^\mathbf{r}'(x) = \hat{\boldsymbol{\imath}} -2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}},

∫C(x2+y) dx+x dy=∫−33(x2 + 9−x2⏞y +x(−2x)⏞dydx) dx=∫−33(9−2x2) dx=2∫03(9−2x2) dx=2(27−2333)=18\begin{aligned} \int_C (x^2 + y)\,\mathrm{d}x + x\,\mathrm{d}y &=\int_{-3}^3 \big(x^2\ +\ \overbrace{9-x^2}^{y}\ +x\overbrace{(-2x)}^{\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}\big)\,\mathrm{d}x =\int_{-3}^3 \big(9-2x^2\big)\,\mathrm{d}x \\ &=2\int_0^3 \big(9-2x^2\big)\,\mathrm{d}x =2\left(27-2\frac{3^3}{3}\right) =18 \end{aligned}

(b) In this solution, we'll evaluate the integral directly. Label the four sides of the square L1L_1, L2L_2, L3L_3 and L4L_4 as in the figure

figure

The parametrization of L1L_1 by arc length is r(s)=s ı^\mathbf{r}(s) = s\,\hat{\boldsymbol{\imath}}, 0≤s≤10\le s\le 1. As the outward pointing normal to L1L_1 is −ȷ^-\hat{\boldsymbol{\jmath}},

∫L1F⋅n^ ds=∫01F(s,0)⋅(−ȷ^) ds=∫01(−0) ds=0\begin{aligned} \int_{L_1} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(s,0) \cdot(-\hat{\boldsymbol{\jmath}})\, \mathrm{d}s =\int_0^1 (-0)\, \mathrm{d}s =0 \end{aligned}

The parametrization of L2L_2 by arc length is r(s)=ı^+s ȷ^\mathbf{r}(s) = \hat{\boldsymbol{\imath}}+s\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤s≤10\le s\le 1. As the outward pointing normal to L2L_2 is ı^\hat{\boldsymbol{\imath}},

∫L2F⋅n^ ds=∫01F(1,s)⋅ı^ ds=∫012 ds=2\begin{aligned} \int_{L_2} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(1,s) \cdot \hat{\boldsymbol{\imath}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 2\, \mathrm{d}s =2 \end{aligned}

The parametrization of L3L_3 by arc length (starting at (1,1)(1,1)) is r(s)=(1−s) ı^+ȷ^\mathbf{r}(s) = (1-s)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤s≤10\le s\le 1. As the outward pointing normal to L3L_3 is ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}},

∫L3F⋅n^ ds=∫01F(1−s,1)⋅ȷ^ ds=∫01e1−s ds=[−e1−s]01=e−1\begin{aligned} \int_{L_3} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(1-s,1) \cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 e^{1-s}\, \mathrm{d}s =\Big[-e^{1-s}\Big]_0^1 =e-1 \end{aligned}

The parametrization of L4L_4 by arc length (starting at (0,1)(0,1)) is r(s)=(1−s) ȷ^\mathbf{r}(s) = (1-s)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤s≤10\le s\le 1. As the outward pointing normal to L4L_4 is −ı^-\hat{\boldsymbol{\imath}},

∫L2F⋅n^ ds=∫01F(0,1−s)⋅(−ı^) ds=∫01(−0) ds=0\begin{aligned} \int_{L_2} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(0,1-s) \cdot(- \hat{\boldsymbol{\imath}})\, \mathrm{d}s =\int_0^1 (-0)\, \mathrm{d}s =0 \end{aligned}

All together

∫CF⋅n^ ds=∫L1F⋅n^ ds+∫L2F⋅n^ ds+∫L3F⋅n^ ds+∫L4F⋅n^ ds=0+2+(e−1)+0=e+1\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s &= \int_{L_1} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s +\int_{L_2} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s +\int_{L_3} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s +\int_{L_4} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s \\ &= 0+2+(e-1) +0 =e+1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 35번
# 선적분계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
463.CLP-4 · 3.1절 · 1번대학 수준우리말 번역

z=ex+1+xyz=e^{x+1}+xy 로 주어진 곡면을 xx 와 yy 로 매개화하세요.

영어 원문 보기

Parametrize the surface given by z=ex+1+xyz=e^{x+1}+xy in terms of xx and yy.

정답·풀이 보기

이 매개화는 거의 자명하다. 매개화는 r(x,y)=ψ1(x,y)ı^+ψ2(x,y)ȷ^+ψ3(x,y)k^\mathbf{r}(x,y)= \psi_1(x,y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+ \psi_2(x,y)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ \psi_3(x,y)\hat{\mathbf{k}} 꼴이 됨을 알 수 있다. 여기서 ψ1\psi_1 은 xx성분(즉 xx)을, ψ2\psi_2 는 yy성분(즉 yy)을, ψ3\psi_3 는 zz성분(즉 ex+1+xye^{x+1}+xy)을 나타낸다. 따라서 r(x,y)=xı^+yȷ^+(ex+1+xy)k^\mathbf{r}(x,y)= x\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ (e^{x+1}+xy)\hat{\mathbf{k}}

원본 교재 풀이(영어)

This parametrization is almost trivial. We know it will have the form r(x,y)=ψ1(x,y)ı^+ψ2(x,y)ȷ^+ψ3(x,y)k^\mathbf{r}(x,y)= \psi_1(x,y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+ \psi_2(x,y)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ \psi_3(x,y)\hat{\mathbf{k}} where ψ1\psi_1 gives the xx-component (i.e. xx), ψ2\psi_2 gives the yy-component (i.e. yy), and ψ3\psi_3 gives the zz-component (i.e. ex+1+xye^{x+1}+xy). So, r(x,y)=xı^+yȷ^+(ex+1+xy)k^\mathbf{r}(x,y)= x\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ (e^{x+1}+xy)\hat{\mathbf{k}}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.1절 · 7번
# 매개변수 곡면계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
464.CLP-4 · 3.1절 · 2번대학 수준우리말 번역

SS 를 다음과 같이 주어진 곡면이라 하자.

r(u,v)=(u+v , u2+v2 , u−v),−2≤u≤2, −2≤v≤2\mathbf{r}(u, v) = \big( u + v\,,\, u^2 + v^2 \,,\, u - v\big),\qquad -2 \le u \le 2,\ -2 \le v \le 2

이 곡면은 여러분이 잘 아는 곡면이다. 이 곡면은 무엇인가요? (다음 중 한 곡면의 일부분일 수도 있다.)

구 나선면 타원면 안장면 포물면 그릇 모양 곡면 원기둥 원뿔 평면

영어 원문 보기

Let SS be the surface given by

r(u,v)=(u+v , u2+v2 , u−v),−2≤u≤2, −2≤v≤2\mathbf{r}(u, v) = \big( u + v\,,\, u^2 + v^2 \,,\, u - v\big),\qquad -2 \le u \le 2,\ -2 \le v \le 2

This is a surface you are familiar with. What surface is it (it may be just a portion of one of the following)?

sphere helicoid ellipsoid saddle parabolic bowl cylinder cone plane

정답·풀이 보기

주어진 매개화는

x(u,v)=u+vy(u,v)=u2+v2z(u,v)=u−v\begin{aligned} x(u,v) &= u+v \\ y(u,v) &= u^2+v^2 \\ z(u,v) &= u-v \end{aligned}

이다.

  • x(u,v)x(u,v) 와 z(u,v)z(u,v) 를 더하면 x(u,v)+z(u,v)=2ux(u,v)+z(u,v) = 2u 이다.
  • x(u,v)x(u,v) 에서 z(u,v)z(u,v) 를 빼면 x(u,v)−z(u,v)=2vx(u,v)-z(u,v) = 2v 이다.

따라서 u=12(x(u,v)+z(u,v))u=\frac{1}{2}\big(x(u,v)+z(u,v)\big) 이고 v=12(x(u,v)−z(u,v))v=\frac{1}{2}\big(x(u,v)-z(u,v)\big) 이다. 그러므로 이 곡면 위에서

y(u,v)=u2+v2=14(x(u,v)+z(u,v))2+14(x(u,v)−z(u,v))2=12x(u,v)2+12z(u,v)2\begin{aligned} y(u,v) &= u^2+v^2 = \frac{1}{4}\big(x(u,v)+z(u,v)\big)^2 +\frac{1}{4}\big(x(u,v)-z(u,v)\big)^2 \\ &= \frac{1}{2} x(u,v)^2 + \frac{1}{2} z(u,v)^2 \end{aligned}

이다.

이 곡면의 모든 점은 2y=x2+z22y= x^2+z^2 위에 있다. 이것은 포물면 그릇 모양 곡면이다.

  • y<0y<0 인 점은 없고
  • y=Yy=Y (Y>0Y> 0) 인 단면은 원 x2+z2=2Yx^2+z^2=2Y, y=Yy=Y 이다.
  • x=0x=0 인 단면은 포물선 2y=z22y=z^2, x=0x=0 이다.
  • z=0z=0 인 단면은 포물선 2y=x22y=x^2, z=0z=0 이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Our parametrization is

x(u,v)=u+vy(u,v)=u2+v2z(u,v)=u−v\begin{aligned} x(u,v) &= u+v \\ y(u,v) &= u^2+v^2 \\ z(u,v) &= u-v \end{aligned}

  • Adding x(u,v)x(u,v) and z(u,v)z(u,v) gives x(u,v)+z(u,v)=2ux(u,v)+z(u,v) = 2u.
  • Subtracting z(u,v)z(u,v) from x(u,v)x(u,v) gives x(u,v)−z(u,v)=2vx(u,v)-z(u,v) = 2v.

So u=12(x(u,v)+z(u,v))u=\frac{1}{2}\big(x(u,v)+z(u,v)\big) and v=12(x(u,v)−z(u,v))v=\frac{1}{2}\big(x(u,v)-z(u,v)\big). So on our surface

y(u,v)=u2+v2=14(x(u,v)+z(u,v))2+14(x(u,v)−z(u,v))2=12x(u,v)2+12z(u,v)2\begin{aligned} y(u,v) &= u^2+v^2 = \frac{1}{4}\big(x(u,v)+z(u,v)\big)^2 +\frac{1}{4}\big(x(u,v)-z(u,v)\big)^2 \\ &= \frac{1}{2} x(u,v)^2 + \frac{1}{2} z(u,v)^2 \end{aligned}

All points of our surface lie on 2y=x2+z22y= x^2+z^2. This is a parabolic bowl:

  • no points have y<0y<0 and
  • the y=Yy=Y (with Y>0Y> 0) cross-section is the circle x2+z2=2Yx^2+z^2=2Y, y=Yy=Y
  • the x=0x=0 cross-section is the parabola 2y=z22y=z^2, x=0x=0
  • the z=0z=0 cross-section is the parabola 2y=x22y=x^2, z=0z=0

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.1절 · 1번
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CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
465.CLP-4 · 3.1절 · 3번대학 수준우리말 번역

SS 를 쌍곡면 x2+y2−2z2=1x^2 + y^2 - 2z^2 = 1 의 일부로서 원기둥 x2+y2=9x^2 + y^2 = 9 의 내부에 있고 평면 z=1z = 1 의 위쪽에 있는 부분이라고 하자 (즉, z≥1z \ge 1 인 부분).

다음 중 SS 의 매개변수화인 것을 모두 고르세요.

(a) 벡터함수

r(u,v)=u ı^+v ȷ^+u2+v2−12 k^\mathbf{r}(u,v) = u\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + v\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\frac{\sqrt{u^2+v^2-1}}{\sqrt{2}}\,\hat{\mathbf{k}}

이고 정의역은 D={ (u,v) ∣ 2≤u2+v2≤9 }D=\big\{ \ (u,v)\ \big|\ 2 \le u^2+v^2 \le 9\ \big\} 이다. (b) 벡터함수

r(u,v)=usin⁡v ı^−ucos⁡v ȷ^+u22−12 k^\mathbf{r}(u,v) = u\sin v\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - u\cos v\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sqrt{\frac{u^2}{2}-\frac{1}{2}}\,\hat{\mathbf{k}}

이고 정의역은 D={ (u,v) ∣ 3≤u≤3, 0≤v≤2π }D=\big\{ \ (u,v)\ \big|\ \sqrt{3} \le u\le 3,\ 0\le v\le 2\pi\ \big\} 이다. (c) 벡터함수

r(u,v)=1+2v2cos⁡u ı^+1+2v2sin⁡u ȷ^+v k^\mathbf{r}(u,v) = \sqrt{1+2v^2}\cos u\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sqrt{1+2v^2} \sin u\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +v\,\hat{\mathbf{k}}

이고 정의역은 D={ (u,v) ∣ 0≤u≤2π, 1≤v≤2 }D=\big\{ \ (u,v)\ \big|\ 0\le u\le 2\pi,\ 1\le v\le 2\ \big\} 이다. (d) 벡터함수

r(u,v)=1+usin⁡v ı^+1+ucos⁡v ȷ^+u2 k^\mathbf{r}(u,v) = \sqrt{1+u}\sin v\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sqrt{1+u} \cos v\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sqrt{\frac{u}{2}}\,\hat{\mathbf{k}}

이고 정의역은 D={ (u,v) ∣ 2≤u≤8, 0≤v≤2π }D=\big\{ \ (u,v)\ \big|\ 2\le u\le 8,\ 0\le v\le 2\pi\ \big\} 이다. (e) 벡터함수

r(u,v)=ucos⁡v ı^−usin⁡v ȷ^+u+12 k^\mathbf{r}(u,v) = \sqrt{u}\cos v\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - \sqrt{u} \sin v\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\frac{\sqrt{u+1}}{\sqrt{2}}\,\hat{\mathbf{k}}

이고 정의역은 D={ (u,v) ∣ 3≤u≤9, 0≤v≤2π }D=\big\{ \ (u,v)\ \big|\ 3\le u\le 9,\ 0\le v\le 2\pi\ \big\} 이다.

영어 원문 보기

Suppose SS is the part of the hyperboloid x2+y2−2z2=1x^2 + y^2 - 2z^2 = 1 that lies inside the cylinder x2+y2=9x^2 + y^2 = 9 and above the plane z=1z = 1 (i.e. for which z≥1z \ge 1).

Which of the following are parameterizations of SS?

(a) The vector function

r(u,v)=u ı^+v ȷ^+u2+v2−12 k^\mathbf{r}(u,v) = u\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + v\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\frac{\sqrt{u^2+v^2-1}}{\sqrt{2}}\,\hat{\mathbf{k}}

with domain D={ (u,v) ∣ 2≤u2+v2≤9 }D=\big\{ \ (u,v)\ \big|\ 2 \le u^2+v^2 \le 9\ \big\}. (b) The vector function

r(u,v)=usin⁡v ı^−ucos⁡v ȷ^+u22−12 k^\mathbf{r}(u,v) = u\sin v\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - u\cos v\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sqrt{\frac{u^2}{2}-\frac{1}{2}}\,\hat{\mathbf{k}}

with domain D={ (u,v) ∣ 3≤u≤3, 0≤v≤2π }D=\big\{ \ (u,v)\ \big|\ \sqrt{3} \le u\le 3,\ 0\le v\le 2\pi\ \big\}. (c) The vector function

r(u,v)=1+2v2cos⁡u ı^+1+2v2sin⁡u ȷ^+v k^\mathbf{r}(u,v) = \sqrt{1+2v^2}\cos u\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sqrt{1+2v^2} \sin u\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +v\,\hat{\mathbf{k}}

with domain D={ (u,v) ∣ 0≤u≤2π, 1≤v≤2 }D=\big\{ \ (u,v)\ \big|\ 0\le u\le 2\pi,\ 1\le v\le 2\ \big\}. (d) The vector function

r(u,v)=1+usin⁡v ı^+1+ucos⁡v ȷ^+u2 k^\mathbf{r}(u,v) = \sqrt{1+u}\sin v\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sqrt{1+u} \cos v\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sqrt{\frac{u}{2}}\,\hat{\mathbf{k}}

with domain D={ (u,v) ∣ 2≤u≤8, 0≤v≤2π }D=\big\{ \ (u,v)\ \big|\ 2\le u\le 8,\ 0\le v\le 2\pi\ \big\}. (e) The vector function

r(u,v)=ucos⁡v ı^−usin⁡v ȷ^+u+12 k^\mathbf{r}(u,v) = \sqrt{u}\cos v\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - \sqrt{u} \sin v\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\frac{\sqrt{u+1}}{\sqrt{2}}\,\hat{\mathbf{k}}

with domain D={ (u,v) ∣ 3≤u≤9, 0≤v≤2π }D=\big\{ \ (u,v)\ \big|\ 3\le u\le 9,\ 0\le v\le 2\pi\ \big\}.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
정답·풀이 보기

SS 위에서 x2+y2=1+2z2x^2+y^2=1+2z^2 이므로, 조건 z≥1z\ge 1 은 x2+y2≥3x^2+y^2\ge 3, z≥0z\ge 0 과 같다. 따라서 이 쌍곡면은 { (x,y,z) ∣ x2+y2=1+2z2, 3≤x2+y2≤9,z≥0 }\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+y^2=1+2z^2,\ 3\le x^2+y^2\le 9, z\ge 0\ \big\} 이다.

(a) 아니요. 이 매개변수화에서 조건 3≤x2+y2≤93\le x^2+y^2\le 9 는 3≤u2+v2≤93\le u^2+v^2\le 9 가 되므로, 2≤u2+v2≤92\le u^2+v^2\le 9 가 아니다.

(b) 예. 이 매개변수화에서 x=usin⁡vx=u\sin v, y=−ucos⁡vy=-u\cos v, z=u22−12z=\sqrt{\frac{u^2}{2}-\frac{1}{2}} 이다. 따라서

  • x2+y2−2z2=u2−2(u22−12)=1x^2+y^2-2z^2 = u^2-2\left(\frac{u^2}{2}-\frac{1}{2}\right) = 1 이므로 바라던 식이 성립한다.
  • u≥0u\ge 0 이므로 조건 x2+y2≤9x^2+y^2\le 9 는 u≤3u\le 3 과 같다.
  • u≥0u\ge 0 이므로 조건 x2+y2≥3x^2+y^2\ge 3 은 u≥3u\ge\sqrt{3} 과 같다.
  • z=u22−12≥0z=\sqrt{\frac{u^2}{2}-\frac{1}{2}}\ge 0

(c) 예. 이 매개변수화에서 x=1+2v2cos⁡ux=\sqrt{1+2v^2}\cos u, y=1+2v2sin⁡uy=\sqrt{1+2v^2}\sin u, z=vz=v 이다. 따라서

  • x2+y2−2z2=1+2v2−2v2=1x^2+y^2-2z^2 = 1+2v^2 -2v^2 = 1 이므로 원하는 대로 된다.
  • 조건 x2+y2≤9x^2+y^2\le 9 는 1+2v2≤91+2v^2\le 9 와 같고, v≥0v\ge 0 이므로 이는 v≤2v\le 2 와 같다.
  • 조건 x2+y2≥3x^2+y^2\ge 3 은 1+2v2≥31+2v^2\ge 3 과 같고, v≥0v\ge 0 이므로 이는 v≥1v\ge 1 과 같다.
  • z=v≥0z=v\ge 0

(d) 예. 이 매개변수화에서 x=1+usin⁡vx=\sqrt{1+u}\sin v, y=1+ucos⁡vy=\sqrt{1+u}\cos v, z=u/2z=\sqrt{u/2} 이다. 따라서

  • x2+y2−2z2=1+u−2(u/2)=1x^2+y^2-2z^2 = 1+u -2(u/2) = 1 이므로 원하는 대로 된다.
  • 조건 x2+y2≤9x^2+y^2\le 9 는 1+u≤91+u\le 9 와 같고, 이는 u≤8u\le 8 과 같다.
  • 조건 x2+y2≥3x^2+y^2\ge 3 은 1+u≥31+u\ge 3 과 같고, 이는 u≥2u\ge 2 와 같다.
  • z=u/2≥0z=\sqrt{u/2}\ge 0

(e) 아니요. 이 매개변수화에서 x=ucos⁡vx=\sqrt{u}\cos v, y=−usin⁡vy=-\sqrt{u}\sin v, z=(u+1)/2z=\sqrt{(u+1)/2} 이다. 따라서

  • x2+y2−2z2=u−2(u+1)/2=−1x^2+y^2-2z^2 = u -2(u+1)/2 = -1 이며, +1+1 이 아니다.
원본 교재 풀이(영어)

Note that, since x2+y2=1+2z2x^2+y^2=1+2z^2 on SS, the condition z≥1z\ge 1 is equivalent to x2+y2≥3x^2+y^2\ge 3, z≥0z\ge 0. So the hyperboloid is { (x,y,z) ∣ x2+y2=1+2z2, 3≤x2+y2≤9,z≥0 }\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+y^2=1+2z^2,\ 3\le x^2+y^2\le 9, z\ge 0\ \big\}.

(a) No. Under this parametrization, the condition 3≤x2+y2≤93\le x^2+y^2\le 9 is 3≤u2+v2≤93\le u^2+v^2\le 9, not 2≤u2+v2≤92\le u^2+v^2\le 9.

(b) Yes. Under this parametrization, x=usin⁡vx=u\sin v, y=−ucos⁡vy=-u\cos v and z=u22−12z=\sqrt{\frac{u^2}{2}-\frac{1}{2}}. So

  • x2+y2−2z2=u2−2(u22−12)=1x^2+y^2-2z^2 = u^2-2\left(\frac{u^2}{2}-\frac{1}{2}\right) = 1, as desired.
  • The condition x2+y2≤9x^2+y^2\le 9 is equivalent to u≤3u\le 3, since u≥0u\ge 0.
  • The condition x2+y2≥3x^2+y^2\ge 3 is equivalent to u≥3u\ge\sqrt{3}, since u≥0u\ge 0.
  • z=u22−12≥0z=\sqrt{\frac{u^2}{2}-\frac{1}{2}}\ge 0

(c) Yes. Under this parametrization, x=1+2v2cos⁡ux=\sqrt{1+2v^2}\cos u, y=1+2v2sin⁡uy=\sqrt{1+2v^2}\sin u and z=vz=v. So

  • x2+y2−2z2=1+2v2−2v2=1x^2+y^2-2z^2 = 1+2v^2 -2v^2 = 1, as desired.
  • The condition x2+y2≤9x^2+y^2\le 9 is equivalent to 1+2v2≤91+2v^2\le 9, which is equivalent to v≤2v\le 2, since v≥0v\ge 0.
  • The condition x2+y2≥3x^2+y^2\ge 3 is equivalent to 1+2v2≥31+2v^2\ge 3, which is equivalent to v≥1v\ge 1, since v≥0v\ge 0.
  • z=v≥0z=v\ge 0

(d) Yes. Under this parametrization, x=1+usin⁡vx=\sqrt{1+u}\sin v, y=1+ucos⁡vy=\sqrt{1+u}\cos v and z=u/2z=\sqrt{u/2}. So

  • x2+y2−2z2=1+u−2(u/2)=1x^2+y^2-2z^2 = 1+u -2(u/2) = 1, as desired.
  • The condition x2+y2≤9x^2+y^2\le 9 is equivalent to 1+u≤91+u\le 9, which is equivalent to u≤8u\le 8.
  • The condition x2+y2≥3x^2+y^2\ge 3 is equivalent to 1+u≥31+u\ge 3, which is equivalent to u≥2u\ge 2.
  • z=u/2≥0z=\sqrt{u/2}\ge 0

(e) No. Under this parametrization, x=ucos⁡vx=\sqrt{u}\cos v, y=−usin⁡vy=-\sqrt{u}\sin v and z=(u+1)/2z=\sqrt{(u+1)/2}. So

  • x2+y2−2z2=u−2(u+1)/2=−1x^2+y^2-2z^2 = u -2(u+1)/2 = -1, not +1+1
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.1절 · 2번
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CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
466.CLP-4 · 3.1절 · 4번대학 수준우리말 번역

곡면 SS 가 구면 x2+y2+z2=2x^2 + y^2 + z^2 = 2 의 일부로서 원기둥 x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 의 안쪽에 있고 z≥0z \ge 0 인 부분이라고 하자. 다음 중 SS 의 매개변수화인 것을 모두 고르세요.

(a) r(ϕ,θ)=2sin⁡ϕcos⁡θ ı^+2cos⁡ϕ ȷ^+2sin⁡ϕsin⁡θ k^\mathbf{r}(\phi,\theta) = 2\sin \phi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2\cos \phi\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +2\sin \phi\sin\theta\,\hat{\mathbf{k}}

0≤ϕ≤π40\le\phi\le\frac{\pi}{4}, 0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi (b) r(x,y)=x ı^−y ȷ^+2−x2−y2 k^\mathbf{r}(x,y) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sqrt{2-x^2-y^2}\,\hat{\mathbf{k}}

x2+y2≤1x^2+y^2\le 1 (c) r(u,θ)=usin⁡θ ı^+ucos⁡θ ȷ^+2−u2 k^\mathbf{r}(u,\theta) = u\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +u\cos \theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sqrt{2-u^2}\,\hat{\mathbf{k}}

0≤u≤20\le u\le 2, 0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi (d) r(ϕ,θ)=2sin⁡ϕcos⁡θ ı^+2sin⁡ϕsin⁡θ ȷ^+2cos⁡ϕ k^\mathbf{r}(\phi,\theta) = \sqrt{2}\sin \phi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sqrt{2}\sin \phi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sqrt{2}\cos \phi\,\hat{\mathbf{k}}

0≤ϕ≤π40\le\phi\le\frac{\pi}{4}, 0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi (e) r(ϕ,z)=−2−z2sin⁡ϕ ı^+2−z2cos⁡ϕ ȷ^+z k^\mathbf{r}(\phi,z) = -\sqrt{2-z^2}\sin \phi\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sqrt{2-z^2}\cos \phi\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +z\,\hat{\mathbf{k}}

0≤ϕ≤2π0\le\phi\le2\pi, 1≤z≤21\le z\le\sqrt{2}

영어 원문 보기

Suppose the surface SS is the part of the sphere x2+y2+z2=2x^2 + y^2 + z^2 = 2 that lies inside the cylinder x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 and for which z≥0z \ge 0. Which of the following are parameterizations of SS?

(a) r(ϕ,θ)=2sin⁡ϕcos⁡θ ı^+2cos⁡ϕ ȷ^+2sin⁡ϕsin⁡θ k^\mathbf{r}(\phi,\theta) = 2\sin \phi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2\cos \phi\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +2\sin \phi\sin\theta\,\hat{\mathbf{k}}

0≤ϕ≤π40\le\phi\le\frac{\pi}{4}, 0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi (b) r(x,y)=x ı^−y ȷ^+2−x2−y2 k^\mathbf{r}(x,y) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sqrt{2-x^2-y^2}\,\hat{\mathbf{k}}

x2+y2≤1x^2+y^2\le 1 (c) r(u,θ)=usin⁡θ ı^+ucos⁡θ ȷ^+2−u2 k^\mathbf{r}(u,\theta) = u\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +u\cos \theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sqrt{2-u^2}\,\hat{\mathbf{k}}

0≤u≤20\le u\le 2, 0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi (d) r(ϕ,θ)=2sin⁡ϕcos⁡θ ı^+2sin⁡ϕsin⁡θ ȷ^+2cos⁡ϕ k^\mathbf{r}(\phi,\theta) = \sqrt{2}\sin \phi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sqrt{2}\sin \phi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sqrt{2}\cos \phi\,\hat{\mathbf{k}}

0≤ϕ≤π40\le\phi\le\frac{\pi}{4}, 0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi (e) r(ϕ,z)=−2−z2sin⁡ϕ ı^+2−z2cos⁡ϕ ȷ^+z k^\mathbf{r}(\phi,z) = -\sqrt{2-z^2}\sin \phi\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sqrt{2-z^2}\cos \phi\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +z\,\hat{\mathbf{k}}

0≤ϕ≤2π0\le\phi\le2\pi, 1≤z≤21\le z\le\sqrt{2}

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
정답·풀이 보기

(a) 아니요. 0<ϕ≤π40 <\phi\le\frac{\pi}{4}, π<θ<2π\pi < \theta <2\pi 일 때 z=sin⁡ϕsin⁡θz=\sin\phi\sin \theta 는 음수이다.

(b) 예. x2+(−y)2+(2−x2−y2)2=2x^2+\big(-y\big)^2+\big(\sqrt{2-x^2-y^2}\big)^2=2 이고, x2+y2≤1x^2+y^2\le 1 일 때 x2+(−y)2≤1x^2+(-y)^2\le 1 과 2−x2−y2≥0\sqrt{2-x^2-y^2}\ge 0 이 모두 성립함에 주목한다.

(c) 아니요. 1<u≤21<u\le 2 일 때 (usin⁡θ)2+(ucos⁡θ)2=u2>1(u\sin\theta)^2+(u\cos\theta)^2=u^2>1 이다. 또한 2<u≤2\sqrt{2}<u\le 2 일 때 2−u2\sqrt{2-u^2} 는 정의되지 않는다.

(d) 예. 다음에 주목한다.

  • (2sin⁡ϕcos⁡θ)2+(2sin⁡ϕsin⁡θ)2+(2cos⁡ϕ)2=2\big(\sqrt{2}\sin \phi\cos\theta\big)^2 +\big(\sqrt{2}\sin \phi\sin\theta\big)^2 +\big(\sqrt{2}\cos \phi\big)^2=2
  • 0≤ϕ≤π40\le\phi\le\frac{\pi}{4} 일 때 z=2cos⁡ϕ>0z=\sqrt{2}\cos \phi>0 이다.
  • ϕ\phi 가 00 에서 π4\frac{\pi}{4} 까지 변할 때 r(ϕ)=2sin⁡ϕr(\phi)=\sqrt{2}\sin\phi 는 00 에서 11 까지 변하므로, ϕ\phi 가 00 에서 π4\frac{\pi}{4} 까지, θ\theta 가 00 에서 2π2\pi 까지 변할 때 (x=r(ϕ)cos⁡θ , y=r(ϕ)sin⁡θ)\big(x=r(\phi)\cos\theta\,,\,y=r(\phi)\sin\theta\big) 는 x2+y2≤1x^2+y^2\le1 전체를 덮는다.

(e) 예. 다음에 주목한다.

  • (−2−z2sin⁡ϕ)2+(2−z2cos⁡ϕ)2+(z)2=2\big(-\sqrt{2-z^2}\sin \phi\big)^2 +\big(\sqrt{2-z^2}\cos \phi\big)^2 +\big(z\big)^2=2
  • 1≤z≤21\le z\le\sqrt{2} 일 때 당연히 z>0z>0 이다.
  • zz 가 11 에서 2\sqrt{2} 까지 변할 때 r(z)=2−z2r(z)=\sqrt{2-z^2} 는 11 에서 00 까지 변하므로, zz 가 11 에서 2\sqrt{2} 까지, ϕ\phi 가 00 에서 2π2\pi 까지 변할 때 (x=−r(z)sin⁡ϕ , y=r(z)cos⁡ϕ)\big(x=-r(z)\sin\phi\,,\,y=r(z)\cos\phi\big) 는 x2+y2≤1x^2+y^2\le1 전체를 덮는다.
원본 교재 풀이(영어)

(a) No. z=sin⁡ϕsin⁡θz=\sin\phi\sin \theta is negative when 0<ϕ≤π40 <\phi\le\frac{\pi}{4}, π<θ<2π\pi < \theta <2\pi.

(b) Yes. Note that x2+(−y)2+(2−x2−y2)2=2x^2+\big(-y\big)^2+\big(\sqrt{2-x^2-y^2}\big)^2=2 and that, for x2+y2≤1x^2+y^2\le 1, we have both x2+(−y)2≤1x^2+(-y)^2\le 1 and 2−x2−y2≥0\sqrt{2-x^2-y^2}\ge 0.

(c) No. (usin⁡θ)2+(ucos⁡θ)2=u2>1(u\sin\theta)^2+(u\cos\theta)^2=u^2>1 for 1<u≤21<u\le 2. Also 2−u2\sqrt{2-u^2} is not defined for 2<u≤2\sqrt{2}<u\le 2.

(d) Yes. Note that

  • (2sin⁡ϕcos⁡θ)2+(2sin⁡ϕsin⁡θ)2+(2cos⁡ϕ)2=2\big(\sqrt{2}\sin \phi\cos\theta\big)^2 +\big(\sqrt{2}\sin \phi\sin\theta\big)^2 +\big(\sqrt{2}\cos \phi\big)^2=2
  • For 0≤ϕ≤π40\le\phi\le\frac{\pi}{4}, we have z=2cos⁡ϕ>0z=\sqrt{2}\cos \phi>0.
  • As ϕ\phi runs from 00 to π4\frac{\pi}{4}, r(ϕ)=2sin⁡ϕr(\phi)=\sqrt{2}\sin\phi runs from 00 to 11, so that (x=r(ϕ)cos⁡θ , y=r(ϕ)sin⁡θ)\big(x=r(\phi)\cos\theta\,,\,y=r(\phi)\sin\theta\big) covers all of x2+y2≤1x^2+y^2\le1 as ϕ\phi runs from 00 to π4\frac{\pi}{4} and θ\theta runs from 00 to 2π2\pi.

(e) Yes. Note that

  • (−2−z2sin⁡ϕ)2+(2−z2cos⁡ϕ)2+(z)2=2\big(-\sqrt{2-z^2}\sin \phi\big)^2 +\big(\sqrt{2-z^2}\cos \phi\big)^2 +\big(z\big)^2=2
  • For 1≤z≤21\le z\le\sqrt{2}, we have obviously have z>0z>0.
  • As zz runs from 11 to 2\sqrt{2}, r(z)=2−z2r(z)=\sqrt{2-z^2} runs from 11 to 00, so that (x=−r(z)sin⁡ϕ , y=r(z)cos⁡ϕ)\big(x=-r(z)\sin\phi\,,\,y=r(z)\cos\phi\big) covers all of x2+y2≤1x^2+y^2\le1 as zz runs from 11 to 2\sqrt{2} and ϕ\phi runs from 00 to 2π2\pi.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.2절 · 1번
# 매개변수 곡면계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
467.CLP-4 · 3.1절 · 5번대학 수준우리말 번역

SS 를 포물면 z+x2+y2=4z + x^2 + y^2 = 4 의 일부로서 평면 z=0z = 0 과 z=1z = 1 사이에 놓인 부분이라고 하자. 다음 각각이 곡면 SS 를 올바르게 매개화하는지 판단하세요.

(a) r(u,v)=u ı^+v ȷ^+(4−u2−v2) k^\mathbf{r}(u,v) = u\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + v\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + (4 - u^2 - v^2)\,\hat{\mathbf{k}}, 0≤u2+v2≤10 \le u^2 + v^2 \le 1 (b) r(u,v)=(4−u cos⁡v) ı^+(4−u sin⁡v) ȷ^+u k^\mathbf{r}(u,v) = (\sqrt{4-u}\,\cos v)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (\sqrt{4-u}\, \sin v)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + u\,\hat{\mathbf{k}},

0≤u≤10 \le u \le 1, 0≤v≤2π0 \le v \le 2\pi (c) r(u,v)=(ucos⁡v) ı^+(usin⁡v) ȷ^+(4−u2) k^\mathbf{r}(u, v) = (u \cos v)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (u \sin v)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + (4 - u^2 )\,\hat{\mathbf{k}}, 3≤u≤2\sqrt{3} \le u \le 2, 0≤v≤2π0 \le v \le 2\pi

영어 원문 보기

Let SS be the part of the paraboloid z+x2+y2=4z + x^2 + y^2 = 4 lying between the planes z=0z = 0 and z=1z = 1. For each of the following, indicate whether or not it correctly parameterizes the surface SS.

(a) r(u,v)=u ı^+v ȷ^+(4−u2−v2) k^\mathbf{r}(u,v) = u\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + v\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + (4 - u^2 - v^2)\,\hat{\mathbf{k}}, 0≤u2+v2≤10 \le u^2 + v^2 \le 1 (b) r(u,v)=(4−u cos⁡v) ı^+(4−u sin⁡v) ȷ^+u k^\mathbf{r}(u,v) = (\sqrt{4-u}\,\cos v)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (\sqrt{4-u}\, \sin v)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + u\,\hat{\mathbf{k}},

0≤u≤10 \le u \le 1, 0≤v≤2π0 \le v \le 2\pi (c) r(u,v)=(ucos⁡v) ı^+(usin⁡v) ȷ^+(4−u2) k^\mathbf{r}(u, v) = (u \cos v)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (u \sin v)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + (4 - u^2 )\,\hat{\mathbf{k}}, 3≤u≤2\sqrt{3} \le u \le 2, 0≤v≤2π0 \le v \le 2\pi

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
정답·풀이 보기

(a) 아니요. u=v=0u=v=0 일 때 z=4z=4 는 00 과 11 사이에 있지 않다.

(b) 예. x=4−u cos⁡vx=\sqrt{4-u}\,\cos v, y=4−u sin⁡vy=\sqrt{4-u}\,\sin v, z=uz= u 이고 0≤u≤10 \le u \le 1, 0≤v≤2π0 \le v \le 2\pi 일 때 다음이 성립한다.

  • z+x2+y2=4z+x^2+y^2=4
  • 0≤z=u≤10\le z=u\le 1
  • 00 과 11 사이의 각각의 고정된 z=uz=u 에 대해, vv 가 00 에서 2π2\pi 까지 변할 때 (x,y)(x,y) 는 원 x2+y2=4−z=4−ux^2+y^2 =4-z =4-u 를 꼭 한 바퀴 돈다.

(c) 예. x=u cos⁡vx=u\,\cos v, y=u sin⁡vy=u\,\sin v, z=4−u2z= 4-u^2 이고 3≤u≤2\sqrt{3} \le u \le 2, 0≤v≤2π0 \le v \le 2\pi 일 때 다음이 성립한다.

  • z+x2+y2=4z+x^2+y^2=4
  • 0≤z=4−u2≤10\le z=4-u^2\le 1
  • 00 과 11 사이의 각각의 고정된 z=4−u2z=4-u^2 에 대해, vv 가 00 에서 2π2\pi 까지 변할 때 (x,y)(x,y) 는 원 x2+y2=4−z=u2x^2+y^2 =4-z =u^2 을 꼭 한 바퀴 돈다.
원본 교재 풀이(영어)

(a) No. When u=v=0u=v=0, z=4z=4 is not between 00 and 11.

(b) Yes. Note that when x=4−u cos⁡vx=\sqrt{4-u}\,\cos v, y=4−u sin⁡vy=\sqrt{4-u}\,\sin v and z=uz= u with 0≤u≤10 \le u \le 1, 0≤v≤2π0 \le v \le 2\pi,

  • z+x2+y2=4z+x^2+y^2=4
  • 0≤z=u≤10\le z=u\le 1
  • For each fixed z=uz=u between 00 and 11, (x,y)(x,y) runs once around the circle x2+y2=4−z=4−ux^2+y^2 =4-z =4-u as vv runs from 00 to 2π2\pi.

(c) Yes. Note that when x=u cos⁡vx=u\,\cos v, y=u sin⁡vy=u\,\sin v and z=4−u2z= 4-u^2, with 3≤u≤2\sqrt{3} \le u \le 2, 0≤v≤2π0 \le v \le 2\pi

  • z+x2+y2=4z+x^2+y^2=4
  • 0≤z=4−u2≤10\le z=4-u^2\le 1
  • For each fixed z=4−u2z=4-u^2 between 00 and 11, (x,y)(x,y) runs once around the circle x2+y2=4−z=u2x^2+y^2 =4-z =u^2 as vv runs from 00 to 2π2\pi.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.1절 · 4번
# 매개변수 곡면계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
468.CLP-4 · 3.1절 · 6번대학 수준우리말 번역

다음 곡면을 생각하세요.

  • S1S_1 은 방정식 x2+y2+z2=4x^2 + y^2 + z^2 = 4 (단, z≥0z\ge 0)로 주어지는 반구이다.
  • S2S_2 는 방정식 x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 로 주어지는 원기둥이다.
  • S3S_3 은 방정식 z2=x2+y2z^2 = x^2 + y^2 (단, z≥0z\ge 0)로 주어지는 원뿔이다.

다음의 매개변수 표현을 생각하세요.

A. r(θ,ϕ)=(4cos⁡θsin⁡ϕ , 4sin⁡θsin⁡ϕ , 4cos⁡ϕ),0≤θ≤2π,0≤ϕ≤π/6\mathbf{r}(\theta, \phi) =\big(\sqrt{4}\cos\theta\sin\phi\,,\, \sqrt{4}\sin\theta\sin\phi\,,\, \sqrt{4}\cos\phi\big),\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad 0\le\phi\le\pi/6 B. r(θ,ϕ)=(4cos⁡θsin⁡ϕ , 4sin⁡θsin⁡ϕ , 4cos⁡ϕ),0≤θ≤2π,0≤ϕ≤π/4\mathbf{r}(\theta, \phi) =\big(\sqrt{4}\cos\theta\sin\phi\,,\, \sqrt{4}\sin\theta\sin\phi\,,\, \sqrt{4}\cos\phi\big),\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad 0\le\phi\le\pi/4 C. r(θ,ϕ)=(4cos⁡θsin⁡ϕ , 4sin⁡θsin⁡ϕ , 4cos⁡ϕ),0≤θ≤2π,0≤ϕ≤π/3\mathbf{r}(\theta, \phi) =\big(\sqrt{4}\cos\theta\sin\phi\,,\, \sqrt{4}\sin\theta\sin\phi\,,\, \sqrt{4}\cos\phi\big),\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad 0\le\phi\le\pi/3 D. r(θ,z)=(4−z2cos⁡θ , 4−z2sin⁡θ , z)0≤θ≤2π,1≤z≤2\mathbf{r}(\theta,z) = \big(\sqrt{4-z^2}\cos\theta\,,\,\sqrt{4-z^2}\sin\theta\,,\,z\big)\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad 1\le z\le 2 E. r(θ,z)=(4−z2cos⁡θ , 4−z2sin⁡θ , z)0≤θ≤2π,2≤z≤2\mathbf{r}(\theta,z) = \big(\sqrt{4-z^2}\cos\theta\,,\,\sqrt{4-z^2}\sin\theta\,,\,z\big)\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad \sqrt{2}\le z\le 2 F. r(θ,z)=(4−z2cos⁡θ , 4−z2sin⁡θ , z)0≤θ≤2π,3≤z≤2\mathbf{r}(\theta,z) = \big(\sqrt{4-z^2}\cos\theta\,,\,\sqrt{4-z^2}\sin\theta\,,\,z\big)\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad \sqrt{3}\le z\le 2 G. r(θ,z)=(zcos⁡θ , zsin⁡θ , z)0≤θ≤2π,0≤z≤1\mathbf{r}(\theta,z) = \big(z\cos\theta\,,\,z\sin\theta\,,\,z\big)\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad 0\le z\le 1 H. r(θ,z)=(zcos⁡θ , zsin⁡θ , z)0≤θ≤2π,0≤z≤2\mathbf{r}(\theta,z) = \big(z\cos\theta\,,\,z\sin\theta\,,\,z\big)\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad 0\le z\le \sqrt{2} I. r(θ,z)=(zcos⁡θ , zsin⁡θ , z)0≤θ≤2π,0≤z≤3\mathbf{r}(\theta,z) = \big(z\cos\theta\,,\,z\sin\theta\,,\,z\big)\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad 0\le z\le \sqrt{3} J. r(x,y)=(x , y , x2+y2)x2+y2≤1\mathbf{r}(x,y) =\big(x\,,\,y\,,\,\sqrt{x^2+y^2}\big)\qquad x^2+y^2\le 1 K. r(x,y)=(x , y , x2+y2)x2+y2≤2\mathbf{r}(x,y) =\big(x\,,\,y\,,\,\sqrt{x^2+y^2}\big)\qquad x^2+y^2\le \sqrt{2} L. r(x,y)=(x , y , x2+y2)x2+y2≤2\mathbf{r}(x,y) =\big(x\,,\,y\,,\,\sqrt{x^2+y^2}\big)\qquad x^2+y^2\le 2

다음 각각에 대해, 위의 매개변수 표현 중에서 주어진 곡면의 올바른 매개변수 표현을 모두 고르세요. 각 곡면에 대해 올바른 매개변수 표현이 하나 이상 있을 수 있으며, 위의 매개변수 표현이 모두 사용되는 것은 아님에 유의하세요.

(a) S1S_1 중에서 S2S_2 의 안쪽에 있는 부분: (b) S1S_1 중에서 S3S_3 의 안쪽에 있는 부분: (c) S3S_3 중에서 S2S_2 의 안쪽에 있는 부분: (d) S3S_3 중에서 S1S_1 의 안쪽에 있는 부분:

영어 원문 보기

Consider the following surfaces

  • S1S_1 is the hemisphere given by the equation x2+y2+z2=4x^2 + y^2 + z^2 = 4 with z≥0z\ge 0.
  • S2S_2 is the cylinder given by the equation x2+y2=1x^2 + y^2 = 1.
  • S3S_3 is the cone given by the equation z2=x2+y2z^2 = x^2 + y^2 with z≥0z\ge 0.

Consider the following parameterizations:

A. r(θ,ϕ)=(4cos⁡θsin⁡ϕ , 4sin⁡θsin⁡ϕ , 4cos⁡ϕ),0≤θ≤2π,0≤ϕ≤π/6\mathbf{r}(\theta, \phi) =\big(\sqrt{4}\cos\theta\sin\phi\,,\, \sqrt{4}\sin\theta\sin\phi\,,\, \sqrt{4}\cos\phi\big),\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad 0\le\phi\le\pi/6 B. r(θ,ϕ)=(4cos⁡θsin⁡ϕ , 4sin⁡θsin⁡ϕ , 4cos⁡ϕ),0≤θ≤2π,0≤ϕ≤π/4\mathbf{r}(\theta, \phi) =\big(\sqrt{4}\cos\theta\sin\phi\,,\, \sqrt{4}\sin\theta\sin\phi\,,\, \sqrt{4}\cos\phi\big),\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad 0\le\phi\le\pi/4 C. r(θ,ϕ)=(4cos⁡θsin⁡ϕ , 4sin⁡θsin⁡ϕ , 4cos⁡ϕ),0≤θ≤2π,0≤ϕ≤π/3\mathbf{r}(\theta, \phi) =\big(\sqrt{4}\cos\theta\sin\phi\,,\, \sqrt{4}\sin\theta\sin\phi\,,\, \sqrt{4}\cos\phi\big),\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad 0\le\phi\le\pi/3 D. r(θ,z)=(4−z2cos⁡θ , 4−z2sin⁡θ , z)0≤θ≤2π,1≤z≤2\mathbf{r}(\theta,z) = \big(\sqrt{4-z^2}\cos\theta\,,\,\sqrt{4-z^2}\sin\theta\,,\,z\big)\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad 1\le z\le 2 E. r(θ,z)=(4−z2cos⁡θ , 4−z2sin⁡θ , z)0≤θ≤2π,2≤z≤2\mathbf{r}(\theta,z) = \big(\sqrt{4-z^2}\cos\theta\,,\,\sqrt{4-z^2}\sin\theta\,,\,z\big)\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad \sqrt{2}\le z\le 2 F. r(θ,z)=(4−z2cos⁡θ , 4−z2sin⁡θ , z)0≤θ≤2π,3≤z≤2\mathbf{r}(\theta,z) = \big(\sqrt{4-z^2}\cos\theta\,,\,\sqrt{4-z^2}\sin\theta\,,\,z\big)\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad \sqrt{3}\le z\le 2 G. r(θ,z)=(zcos⁡θ , zsin⁡θ , z)0≤θ≤2π,0≤z≤1\mathbf{r}(\theta,z) = \big(z\cos\theta\,,\,z\sin\theta\,,\,z\big)\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad 0\le z\le 1 H. r(θ,z)=(zcos⁡θ , zsin⁡θ , z)0≤θ≤2π,0≤z≤2\mathbf{r}(\theta,z) = \big(z\cos\theta\,,\,z\sin\theta\,,\,z\big)\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad 0\le z\le \sqrt{2} I. r(θ,z)=(zcos⁡θ , zsin⁡θ , z)0≤θ≤2π,0≤z≤3\mathbf{r}(\theta,z) = \big(z\cos\theta\,,\,z\sin\theta\,,\,z\big)\qquad 0\le\theta\le2\pi,\quad 0\le z\le \sqrt{3} J. r(x,y)=(x , y , x2+y2)x2+y2≤1\mathbf{r}(x,y) =\big(x\,,\,y\,,\,\sqrt{x^2+y^2}\big)\qquad x^2+y^2\le 1 K. r(x,y)=(x , y , x2+y2)x2+y2≤2\mathbf{r}(x,y) =\big(x\,,\,y\,,\,\sqrt{x^2+y^2}\big)\qquad x^2+y^2\le \sqrt{2} L. r(x,y)=(x , y , x2+y2)x2+y2≤2\mathbf{r}(x,y) =\big(x\,,\,y\,,\,\sqrt{x^2+y^2}\big)\qquad x^2+y^2\le 2

For each of the following, choose from above all of the valid parameterization of each of the given surfaces. Note that there may be one or more valid parameterization for each surface, and not necessarily all of the above parameterizations will be used.

(a) The part of S1S_1 contained inside S2S_2: (b) The part of S1S_1 contained inside S3S_3: (c) The part of S3S_3 contained inside S2S_2: (d) The part of S3S_3 contained inside S1S_1:

정답·풀이 보기

먼저 다음에 유의한다.

  • A, B, C에서 r(θ,ϕ)=x(θ,ϕ) ı^+y(θ,ϕ) ȷ^+z(θ,ϕ) k^\mathbf{r}(\theta, \phi) =x(\theta, \phi)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, \phi)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, \phi)\,\hat{\mathbf{k}} 는

x(θ,ϕ)2+y(θ,ϕ)2+z(θ,ϕ)2=4x(\theta, \phi)^2+ y(\theta, \phi)^2+z(\theta, \phi)^2 = 4

를 만족하므로 S1S_1 위에 있다.

  • D, E, F에서 r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta, z) =x(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, z)\,\hat{\mathbf{k}} 는

x(θ,z)2+y(θ,z)2=4−z(θ,z)2x(\theta, z)^2+ y(\theta, z)^2=4-z(\theta, z)^2

을 만족하므로 S1S_1 위에 있다.

  • G, H, I에서 r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta, z) =x(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, z)\,\hat{\mathbf{k}} 는

x(θ,z)2+y(θ,z)2=z(θ,z)2x(\theta, z)^2+ y(\theta, z)^2=z(\theta, z)^2

을 만족하므로 S3S_3 위에 있다.

  • J, K, L에서 r(x,y)=x(x,y) ı^+y(x,y) ȷ^+z(x,y) k^\mathbf{r}(x, y) =x(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(x, y)\,\hat{\mathbf{k}} 는

x(x,y)2+y(x,y)2=z(x,y)2x(x, y)^2+ y(x, y)^2=z(x, y)^2

을 만족하므로 S3S_3 위에 있다.

(a) S1S_1 의 일부를 얻으려면 매개변수 표현 A, B, C, D, E, F 중 하나를 써야 한다. A, B, C의 경우, r(θ,ϕ)=x(θ,ϕ) ı^+y(θ,ϕ) ȷ^+z(θ,ϕ) k^\mathbf{r}(\theta, \phi) =x(\theta, \phi)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, \phi)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, \phi)\,\hat{\mathbf{k}} 가 S2S_2 의 안쪽에 있으려면 (S1S_1 의 모든 점에서 z(θ,ϕ)≥0z(\theta,\phi)\ge 0 이므로 0≤ϕ≤π/20\le\phi\le{\pi}/{2} 임을 떠올리면)

x(θ,ϕ)2+y(θ,ϕ)2≤1  ⟺  4sin⁡2ϕ≤1  ⟺  sin⁡ϕ≤12  ⟺  0≤ϕ≤π6\begin{aligned} x(\theta, \phi)^2 + y(\theta, \phi)^2 \le 1 &\iff 4\sin^2\phi \le 1 \iff \sin\phi \le \frac{1}{2} \iff 0\le\phi\le \frac{\pi}{6} \end{aligned}

이어야 한다.

D, E, F의 경우, r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta, z) =x(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, z)\,\hat{\mathbf{k}} 가 S2S_2 의 안쪽에 있으려면 (S1S_1 의 모든 점에서 z(θ,z)≥0z(\theta,z)\ge 0 이므로 z≥0z\ge 0 임을 떠올리면)

x(θ,z)2+y(θ,z)2≤1  ⟺  4−z2≤1  ⟺  z≥3\begin{aligned} x(\theta, z)^2 + y(\theta, z)^2 \le 1 &\iff 4-z^2 \le 1 \iff z \ge \sqrt{3} \end{aligned}

이어야 한다.

따라서 매개변수 표현 A와 F가 알맞다.

(b) S1S_1 의 일부를 얻으려면 매개변수 표현 A, B, C, D, E, F 중 하나를 써야 한다. A, B, C의 경우, r(θ,ϕ)=x(θ,ϕ) ı^+y(θ,ϕ) ȷ^+z(θ,ϕ) k^\mathbf{r}(\theta, \phi) =x(\theta, \phi)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, \phi)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, \phi)\,\hat{\mathbf{k}} 가 S3S_3 의 안쪽에 있으려면 (S1S_1 의 모든 점에서 z(θ,ϕ)≥0z(\theta,\phi)\ge 0 이므로 0≤ϕ≤π/20\le\phi\le{\pi}/{2} 임을 떠올리면)

x(θ,ϕ)2+y(θ,ϕ)2≤z(θ,ϕ)2  ⟺  4sin⁡2ϕ≤4cos⁡2ϕ  ⟺  tan⁡ϕ≤1  ⟺  0≤ϕ≤π4\begin{aligned} x(\theta, \phi)^2 + y(\theta, \phi)^2 \le z(\theta,\phi)^2 &\iff 4\sin^2\phi \le 4\cos^2\phi \iff \tan\phi \le 1 \iff 0\le\phi\le \frac{\pi}{4} \end{aligned}

이어야 한다.

D, E, F의 경우, r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta, z) =x(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, z)\,\hat{\mathbf{k}} 가 S3S_3 의 안쪽에 있으려면 (S1S_1 의 모든 점에서 z(θ,z)≥0z(\theta,z)\ge 0 이므로 z≥0z\ge 0 임을 떠올리면)

x(θ,z)2+y(θ,z)2≤z(θ,z)2  ⟺  4−z2≤z2  ⟺  z≥2\begin{aligned} x(\theta, z)^2 + y(\theta, z)^2 \le z(\theta, z)^2 &\iff 4-z^2 \le z^2 \iff z \ge \sqrt{2} \end{aligned}

이어야 한다.

따라서 매개변수 표현 B와 E가 알맞다.

(c) S3S_3 의 일부를 얻으려면 매개변수 표현 G, H, I, J, K, L 중 하나를 써야 한다. G, H, I의 경우, r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta, z) =x(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, z)\,\hat{\mathbf{k}} 가 S2S_2 의 안쪽에 있으려면 (S3S_3 의 모든 점에서 z≥0z\ge 0 임을 떠올리면)

x(θ,z)2+y(θ,z)2≤1  ⟺  z2≤1  ⟺  0≤z≤1\begin{aligned} x(\theta, z)^2 + y(\theta, z)^2 \le 1 &\iff z^2 \le 1 \iff 0\le z\le 1 \end{aligned}

이어야 한다.

J, K, L의 경우, r(x,y)=x(x,y) ı^+y(x,y) ȷ^+z(x,y) k^\mathbf{r}(x, y) =x(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(x, y)\,\hat{\mathbf{k}} 가 S3S_3 의 안쪽에 있으려면

x(x,y)2+y(x,y)2≤1  ⟺  x2+y2≤1\begin{aligned} x(x, y)^2 + y(x, y)^2 \le 1 &\iff x^2+y^2 \le 1 \end{aligned}

이어야 한다.

따라서 매개변수 표현 G와 J가 알맞다.

(d) S3S_3 의 일부를 얻으려면 매개변수 표현 G, H, I, J, K, L 중 하나를 써야 한다. G, H, I의 경우, r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta, z) =x(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, z)\,\hat{\mathbf{k}} 가 S1S_1 의 안쪽에 있으려면 (S3S_3 의 모든 점에서 z≥0z\ge 0 임을 떠올리면)

x(θ,z)2+y(θ,z)2+z(θ,z)2≤4  ⟺  2z2≤4  ⟺  0≤z≤2\begin{aligned} x(\theta, z)^2 + y(\theta, z)^2+ z(\theta, z)^2 \le 4 &\iff 2z^2 \le 4 \iff 0\le z\le \sqrt{2} \end{aligned}

이어야 한다.

J, K, L의 경우, r(x,y)=x(x,y) ı^+y(x,y) ȷ^+z(x,y) k^\mathbf{r}(x, y) =x(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(x, y)\,\hat{\mathbf{k}} 가 S3S_3 의 안쪽에 있으려면

x(x,y)2+y(x,y)2+z(x,y)2≤4  ⟺  2x2+2y2≤4\begin{aligned} x(x, y)^2 + y(x, y)^2 + z(x, y)^2 \le 4 &\iff 2x^2+2y^2 \le 4 \end{aligned}

이어야 한다.

따라서 매개변수 표현 H와 L이 알맞다.

원본 교재 풀이(영어)

First note that,

  • for A, B and C, r(θ,ϕ)=x(θ,ϕ) ı^+y(θ,ϕ) ȷ^+z(θ,ϕ) k^\mathbf{r}(\theta, \phi) =x(\theta, \phi)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, \phi)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, \phi)\,\hat{\mathbf{k}} obeys

x(θ,ϕ)2+y(θ,ϕ)2+z(θ,ϕ)2=4x(\theta, \phi)^2+ y(\theta, \phi)^2+z(\theta, \phi)^2 = 4

and so lies on S1S_1

  • for D, E and F, r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta, z) =x(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, z)\,\hat{\mathbf{k}} obeys

x(θ,z)2+y(θ,z)2=4−z(θ,z)2x(\theta, z)^2+ y(\theta, z)^2=4-z(\theta, z)^2

and so lies on S1S_1

  • for G, H and I, r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta, z) =x(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, z)\,\hat{\mathbf{k}} obeys

x(θ,z)2+y(θ,z)2=z(θ,z)2x(\theta, z)^2+ y(\theta, z)^2=z(\theta, z)^2

and so lies on S3S_3

  • for J, K and L, r(x,y)=x(x,y) ı^+y(x,y) ȷ^+z(x,y) k^\mathbf{r}(x, y) =x(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(x, y)\,\hat{\mathbf{k}} obeys

x(x,y)2+y(x,y)2=z(x,y)2x(x, y)^2+ y(x, y)^2=z(x, y)^2

and so lies on S3S_3

(a) To get a part of S1S_1, we need to use one of the parametrizations A, B, C, D, E, F. In the cases of A, B, C, for r(θ,ϕ)=x(θ,ϕ) ı^+y(θ,ϕ) ȷ^+z(θ,ϕ) k^\mathbf{r}(\theta, \phi) =x(\theta, \phi)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, \phi)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, \phi)\,\hat{\mathbf{k}} to lie inside S2S_2 we need (recalling that all points of S1S_1 have z(θ,ϕ)≥0z(\theta,\phi)\ge 0 and hence 0≤ϕ≤π/20\le\phi\le{\pi}/{2})

x(θ,ϕ)2+y(θ,ϕ)2≤1  ⟺  4sin⁡2ϕ≤1  ⟺  sin⁡ϕ≤12  ⟺  0≤ϕ≤π6\begin{aligned} x(\theta, \phi)^2 + y(\theta, \phi)^2 \le 1 &\iff 4\sin^2\phi \le 1 \iff \sin\phi \le \frac{1}{2} \iff 0\le\phi\le \frac{\pi}{6} \end{aligned}

In the cases of D, E, F, for r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta, z) =x(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, z)\,\hat{\mathbf{k}} to lie inside S2S_2 we need (recalling that all points of S1S_1 have z(θ,z)≥0z(\theta,z)\ge 0 and hence z≥0z\ge 0)

x(θ,z)2+y(θ,z)2≤1  ⟺  4−z2≤1  ⟺  z≥3\begin{aligned} x(\theta, z)^2 + y(\theta, z)^2 \le 1 &\iff 4-z^2 \le 1 \iff z \ge \sqrt{3} \end{aligned}

So parametrizations A and F work.

(b) To get a part of S1S_1, we need to use one of the parametrizations A, B, C, D, E, F. In the cases of A, B, C, for r(θ,ϕ)=x(θ,ϕ) ı^+y(θ,ϕ) ȷ^+z(θ,ϕ) k^\mathbf{r}(\theta, \phi) =x(\theta, \phi)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, \phi)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, \phi)\,\hat{\mathbf{k}} to lie inside S3S_3 we need (recalling that all points of S1S_1 have z(θ,ϕ)≥0z(\theta,\phi)\ge 0 and hence 0≤ϕ≤π/20\le\phi\le{\pi}/{2})

x(θ,ϕ)2+y(θ,ϕ)2≤z(θ,ϕ)2  ⟺  4sin⁡2ϕ≤4cos⁡2ϕ  ⟺  tan⁡ϕ≤1  ⟺  0≤ϕ≤π4\begin{aligned} x(\theta, \phi)^2 + y(\theta, \phi)^2 \le z(\theta,\phi)^2 &\iff 4\sin^2\phi \le 4\cos^2\phi \iff \tan\phi \le 1 \iff 0\le\phi\le \frac{\pi}{4} \end{aligned}

In the cases of D, E, F, for r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta, z) =x(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, z)\,\hat{\mathbf{k}} to lie inside S3S_3 we need (recalling that all points of S1S_1 have z(θ,z)≥0z(\theta,z)\ge 0 and hence z≥0z\ge 0)

x(θ,z)2+y(θ,z)2≤z(θ,z)2  ⟺  4−z2≤z2  ⟺  z≥2\begin{aligned} x(\theta, z)^2 + y(\theta, z)^2 \le z(\theta, z)^2 &\iff 4-z^2 \le z^2 \iff z \ge \sqrt{2} \end{aligned}

So parametrizations B and E work.

(c) To get a part of S3S_3, we need to use one of the parametrizations G, H, I, J, K, L. In the cases of G, H, I, for r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta, z) =x(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, z)\,\hat{\mathbf{k}} to lie inside S2S_2 we need (recalling that all points of S3S_3 have z≥0z\ge 0)

x(θ,z)2+y(θ,z)2≤1  ⟺  z2≤1  ⟺  0≤z≤1\begin{aligned} x(\theta, z)^2 + y(\theta, z)^2 \le 1 &\iff z^2 \le 1 \iff 0\le z\le 1 \end{aligned}

In the cases of J, K, L, for r(x,y)=x(x,y) ı^+y(x,y) ȷ^+z(x,y) k^\mathbf{r}(x, y) =x(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(x, y)\,\hat{\mathbf{k}} to lie inside S3S_3 we need

x(x,y)2+y(x,y)2≤1  ⟺  x2+y2≤1\begin{aligned} x(x, y)^2 + y(x, y)^2 \le 1 &\iff x^2+y^2 \le 1 \end{aligned}

So parametrizations G and J work.

(d) To get a part of S3S_3, we need to use one of the parametrizations G, H, I, J, K, L. In the cases of G, H, I, for r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta, z) =x(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta, z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(\theta, z)\,\hat{\mathbf{k}} to lie inside S1S_1 we need (recalling that all points of S3S_3 have z≥0z\ge 0)

x(θ,z)2+y(θ,z)2+z(θ,z)2≤4  ⟺  2z2≤4  ⟺  0≤z≤2\begin{aligned} x(\theta, z)^2 + y(\theta, z)^2+ z(\theta, z)^2 \le 4 &\iff 2z^2 \le 4 \iff 0\le z\le \sqrt{2} \end{aligned}

In the cases of J, K, L, for r(x,y)=x(x,y) ı^+y(x,y) ȷ^+z(x,y) k^\mathbf{r}(x, y) =x(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z(x, y)\,\hat{\mathbf{k}} to lie inside S3S_3 we need

x(x,y)2+y(x,y)2+z(x,y)2≤4  ⟺  2x2+2y2≤4\begin{aligned} x(x, y)^2 + y(x, y)^2 + z(x, y)^2 \le 4 &\iff 2x^2+2y^2 \le 4 \end{aligned}

So parametrizations H and L work.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.1절 · 5번
# 매개변수 곡면계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
469.CLP-4 · 3.2절 · 1번대학 수준우리말 번역

곡면 x2+y2+(z−1)2=1x^2+y^2+(z-1)^2=1 과 x2+y2+(z+1)2=1x^2+y^2+(z+1)^2=1 이 (0,0,0)(0,0,0) 에서 서로 접한다고 말하는 것이 타당한가요?

영어 원문 보기

Is it reasonable to say that the surfaces x2+y2+(z−1)2=1x^2+y^2+(z-1)^2=1 and x2+y2+(z+1)2=1x^2+y^2+(z+1)^2=1 are tangent to each other at (0,0,0)(0,0,0)?

정답·풀이 보기

F(x,y,z)=x2+y2+(z−1)2−1F(x,y,z) = x^2+y^2+(z-1)^2-1, G(x,y,z)=x2+y2+(z+1)2−1G(x,y,z) = x^2+y^2+(z+1)^2-1 이라 쓰자. 곡면 F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0 을 S1S_1, 곡면 G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 을 S2S_2 라 하자. 먼저 F(0,0,0)=G(0,0,0)=0F(0,0,0)=G(0,0,0)=0 이므로 점 (0,0,0)(0,0,0) 은 S1S_1 과 S2S_2 위에 모두 놓여 있다. FF 와 GG 의 기울기벡터는 다음과 같다.

∇F(x,y,z)=(∂F∂x(x,y,z) , ∂F∂y(x,y,z) , ∂F∂z(x,y,z))=(2x , 2y , 2(z−1))∇G(x,y,z)=(∂G∂x(x,y,z) , ∂G∂y(x,y,z) , ∂G∂z(x,y,z))=(2x , 2y , 2(z+1))\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } F(x,y,z) &=\left(\frac{\partial F}{\partial x}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial F}{\partial y}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial F}{\partial z}(x,y,z)\right) =\left( 2x\,,\,2y\,,\,2(z-1)\right) \\ { \boldsymbol{\nabla} } G(x,y,z) &=\left(\frac{\partial G}{\partial x}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}(x,y,z)\right) =\left( 2x\,,\,2y\,,\,2(z+1)\right) \end{aligned}

특히,

∇F(0,0,0)=(0,0,−2)∇G(0,0,0)=(0,0,2){ \boldsymbol{\nabla} } F(0,0,0)=\left( 0,0,-2\right)\qquad { \boldsymbol{\nabla} } G(0,0,0)=\left( 0,0,2\right)

이므로 벡터 k^=−12∇F(0,0,0)=12∇G(0,0,0)\hat{\mathbf{k}}=-\frac{1}{2}{ \boldsymbol{\nabla} } F(0,0,0) =\frac{1}{2}{ \boldsymbol{\nabla} } G(0,0,0) 은 (0,0,0)(0,0,0) 에서 두 곡면에 모두 수직이다. 따라서 (0,0,0)(0,0,0) 에서 S1S_1 과 S2S_2 모두에 접하는 접평면은

k^⋅(x−0,y−0,z−0)=0또는z=0\hat{\mathbf{k}}\cdot\left(x-0,y-0,z-0\right)=0\qquad\text{또는}\qquad z=0

이다.

평면 z=0z=0 을 PP 라 하자. 그러면 S1S_1 은 (0,0,0)(0,0,0) 에서 PP 에 접하고, PP 는 (0,0,0)(0,0,0) 에서 S2S_2 에 접한다. 따라서 S1S_1 과 S2S_2 가 (0,0,0)(0,0,0) 에서 접한다고 말하는 것은 타당하다.

원본 교재 풀이(영어)

Write F(x,y,z)=x2+y2+(z−1)2−1F(x,y,z) = x^2+y^2+(z-1)^2-1 and G(x,y,z)=x2+y2+(z+1)2−1G(x,y,z) = x^2+y^2+(z+1)^2-1. Let S1S_1 denote the surface F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0 and S2S_2 denote the surface G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0. First note that F(0,0,0)=G(0,0,0)=0F(0,0,0)=G(0,0,0)=0 so that the point (0,0,0)(0,0,0) lies on both S1S_1 and S2S_2. The gradients of FF and GG are

∇F(x,y,z)=(∂F∂x(x,y,z) , ∂F∂y(x,y,z) , ∂F∂z(x,y,z))=(2x , 2y , 2(z−1))∇G(x,y,z)=(∂G∂x(x,y,z) , ∂G∂y(x,y,z) , ∂G∂z(x,y,z))=(2x , 2y , 2(z+1))\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } F(x,y,z) &=\left(\frac{\partial F}{\partial x}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial F}{\partial y}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial F}{\partial z}(x,y,z)\right) =\left( 2x\,,\,2y\,,\,2(z-1)\right) \\ { \boldsymbol{\nabla} } G(x,y,z) &=\left(\frac{\partial G}{\partial x}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}(x,y,z)\right) =\left( 2x\,,\,2y\,,\,2(z+1)\right) \end{aligned}

In particular,

∇F(0,0,0)=(0,0,−2)∇G(0,0,0)=(0,0,2){ \boldsymbol{\nabla} } F(0,0,0)=\left( 0,0,-2\right)\qquad { \boldsymbol{\nabla} } G(0,0,0)=\left( 0,0,2\right)

so that the vector k^=−12∇F(0,0,0)=12∇G(0,0,0)\hat{\mathbf{k}}=-\frac{1}{2}{ \boldsymbol{\nabla} } F(0,0,0) =\frac{1}{2}{ \boldsymbol{\nabla} } G(0,0,0) is normal to both surfaces at (0,0,0)(0,0,0). So the tangent plane to both S1S_1 and S2S_2 at (0,0,0)(0,0,0) is

k^⋅(x−0,y−0,z−0)=0orz=0\hat{\mathbf{k}}\cdot\left(x-0,y-0,z-0\right)=0\qquad\text{or}\qquad z=0

Denote by PP the plane z=0z=0. Thus S1S_1 is tangent to PP at (0,0,0)(0,0,0) and PP is tangent to S2S_2 at (0,0,0)(0,0,0). So it is reasonable to say that S1S_1 and S2S_2 are tangent at (0,0,0)(0,0,0).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.2절 · 2번
# 매개변수 곡면계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
470.CLP-4 · 3.2절 · 13번대학 수준우리말 번역

곡면 x2+9y2+4z2=17x^2 + 9y^2 + 4z^2 = 17 위의 점 중에서 접평면이 평면 x−8z=0x - 8z = 0 과 평행인 점을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

Find all the points on the surface x2+9y2+4z2=17x^2 + 9y^2 + 4z^2 = 17 where the tangent plane is parallel to the plane x−8z=0x - 8z = 0.

정답·풀이 보기

곡면 x2+9y2+4z2=17x^2 + 9y^2 + 4z^2 = 17 의 점 (x,y,z)(x,y,z) 에서의 법선벡터는 (2x , 18y , 8z)( 2x\,,\, 18y\,,\,8z) 이다. 평면 x−8z=0x - 8z = 0 의 법선벡터는 (1 , 0 , −8)( 1\,,\,0\,,\,-8) 이다. 따라서 (2x , 18y , 8z)( 2x\,,\, 18y\,,\,8z) 가 (1 , 0 , −8)( 1\,,\,0\,,\,-8) 과 평행, 즉 (1 , 0 , −8)( 1\,,\,0\,,\,-8) 의 0이 아닌 상수배가 되어야 한다. 이는 x≠0x\ne 0 이면서 y=0y=0 이고 z=−2xz=-2x 일 때 성립한다. 또한 (x,y,z)(x,y,z) 는 곡면 x2+9y2+4z2=17x^2 + 9y^2 + 4z^2 = 17 위에 있어야 한다. 따라서 y=0y=0, z=−2xz=-2x 이고

17=x2+9y2+4z2=x2+4(−2x)2=17x2  ⟹  x=±1\begin{aligned} 17= x^2 + 9y^2 + 4z^2 =x^2 +4(-2x)^2=17x^2 \implies x=\pm 1 \end{aligned}

이다. 그러므로 구하는 점은 ±(1,0,−2)\pm(1,0,-2) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

A normal vector to the surface x2+9y2+4z2=17x^2 + 9y^2 + 4z^2 = 17 at the point (x,y,z)(x,y,z) is (2x , 18y , 8z)( 2x\,,\, 18y\,,\,8z). A normal vector to the plane x−8z=0x - 8z = 0 is (1 , 0 , −8)( 1\,,\,0\,,\,-8). So we want (2x , 18y , 8z)( 2x\,,\, 18y\,,\,8z) to be parallel to (1 , 0 , −8)( 1\,,\,0\,,\,-8), i.e. to be a nonzero constant times (1 , 0 , −8)( 1\,,\,0\,,\,-8). This is the case whenever y=0y=0 and z=−2xz=-2x with x≠0x\ne 0. In addition, we want (x,y,z)(x,y,z) to lie on the surface x2+9y2+4z2=17x^2 + 9y^2 + 4z^2 = 17. So we want y=0y=0, z=−2xz=-2x and

17=x2+9y2+4z2=x2+4(−2x)2=17x2  ⟹  x=±1\begin{aligned} 17= x^2 + 9y^2 + 4z^2 =x^2 +4(-2x)^2=17x^2 \implies x=\pm 1 \end{aligned}

So the allowed points are ±(1,0,−2)\pm(1,0,-2).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.2절 · 17번
# 매개변수 곡면계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
471.CLP-4 · 3.2절 · 15번대학 수준우리말 번역

쌍곡면 z2=4x2+y2−1z^2=4x^2+y^2-1 위의 점 중에서 접평면이 평면 2x−y+z=02x-y+z=0 과 평행인 점을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

Find all points on the hyperboloid z2=4x2+y2−1z^2=4x^2+y^2-1 where the tangent plane is parallel to the plane 2x−y+z=02x-y+z=0.

정답·풀이 보기

(x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 을 쌍곡면 z2=4x2+y2−1z^2=4x^2+y^2-1 위의 점 중에서 접평면이 평면 2x−y+z=02x-y+z=0 과 평행인 점이라 하자. 평면 2x−y+z=02x-y+z=0 의 법선벡터는 (2,−1,1)( 2,-1,1) 이다. 쌍곡면은 G(x,y,z)=4x2+y2−z2−1G(x,y,z)=4x^2+y^2-z^2-1 이고 ∇G(x,y,z)=(8x,2y,−2z){ \boldsymbol{\nabla} } G(x,y,z) = ( 8x,2y,-2z) 이므로, (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 에서 쌍곡면의 법선벡터는 ∇G(x0,y0,z0)=(8x0,2y0,−2z0){ \boldsymbol{\nabla} } G(x_0,y_0,z_0)=( 8x_0,2y_0,-2z_0) 이다. 따라서 (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 이 주어진 조건을 만족시키는 것은 다음을 만족시키는 0이 아닌 tt 가 존재하는 것과 같다.

(8x0,2y0,−2z0)=t(2,−1,1) 그리고 z02=4x02+y02−1  ⟺  x0=t4, y0=z0=−t2 그리고 z02=4x02+y02−1  ⟺  t24=t24+t24−1 그리고 x0=t4, y0=z0=−t2  ⟺  t=±2(x0,y0,z0)=±(12,−1,−1)\begin{aligned} &( 8x_0,2y_0,-2z_0) =t( 2,-1,1) \text{ 그리고 } z_0^2=4x_0^2+y_0^2-1\\ &\iff x_0=\frac{t}{4},\ y_0=z_0=-\frac{t}{2}\text{ 그리고 } z_0^2=4x_0^2+y_0^2-1\\ &\iff \frac{t^2}{4}= \frac{t^2}{4}+ \frac{t^2}{4}-1\text{ 그리고 } x_0=\frac{t}{4},\ y_0=z_0=-\frac{t}{2}\\ & \iff t=\pm 2\qquad (x_0,y_0,z_0)=\pm \big(\tfrac{1}{2},-1,-1\big) \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Let (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) be a point on the hyperboloid z2=4x2+y2−1z^2=4x^2+y^2-1 where the tangent plane is parallel to the plane 2x−y+z=02x-y+z=0. A normal vector to the plane 2x−y+z=02x-y+z=0 is (2,−1,1)( 2,-1,1). Because the hyperboloid is G(x,y,z)=4x2+y2−z2−1G(x,y,z)=4x^2+y^2-z^2-1 and ∇G(x,y,z)=(8x,2y,−2z){ \boldsymbol{\nabla} } G(x,y,z) = ( 8x,2y,-2z), a normal vector to the hyperboloid at (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) is ∇G(x0,y0,z0)=(8x0,2y0,−2z0){ \boldsymbol{\nabla} } G(x_0,y_0,z_0)=( 8x_0,2y_0,-2z_0). So (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) satisfies the required conditions if and only if there is a nonzero tt obeying

(8x0,2y0,−2z0)=t(2,−1,1) and z02=4x02+y02−1  ⟺  x0=t4, y0=z0=−t2 and z02=4x02+y02−1  ⟺  t24=t24+t24−1 and x0=t4, y0=z0=−t2  ⟺  t=±2(x0,y0,z0)=±(12,−1,−1)\begin{aligned} &( 8x_0,2y_0,-2z_0) =t( 2,-1,1) \text{ and } z_0^2=4x_0^2+y_0^2-1\\ &\iff x_0=\frac{t}{4},\ y_0=z_0=-\frac{t}{2}\text{ and } z_0^2=4x_0^2+y_0^2-1\\ &\iff \frac{t^2}{4}= \frac{t^2}{4}+ \frac{t^2}{4}-1\text{ and } x_0=\frac{t}{4},\ y_0=z_0=-\frac{t}{2}\\ & \iff t=\pm 2\qquad (x_0,y_0,z_0)=\pm \big(\tfrac{1}{2},-1,-1\big) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.2절 · 18번
# 매개변수 곡면계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
472.CLP-4 · 3.2절 · 16번대학 수준우리말 번역

(a) 방정식이 x2+z2=10x^2+z^2=10 인 곡면에 점 (1,1,3)(1,1,3) 에서 수직인 벡터를 구하세요. (b) (a)의 곡면과 곡면 y2+z2=10y^2+z^2=10 이 만나서 생기는 곡선에 같은 점에서 접하는 벡터를 구하세요. (c) 그 점에서 그 곡선에 접하는 접선의 매개변수방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find a vector perpendicular at the point (1,1,3)(1,1,3) to the surface with equation x2+z2=10x^2+z^2=10. (b) Find a vector tangent at the same point to the curve of intersection of the surface in part (a) with surface y2+z2=10y^2+z^2=10. (c) Find parametric equations for the line tangent to that curve at that point.

정답·풀이 보기

(a) 점 (1,1,3)(1,1,3) 에서 x2+z2=10x^2+z^2=10 에 수직인 벡터는

∇(x2+z2)∣(1,1,3)=(2xı^+2zk^)∣(1,1,3)=2ı^+6k^ 또는 12(2,0,6)=(1,0,3){ \boldsymbol{\nabla} }(x^2+z^2)\big|_{(1,1,3)} =(2x\hat{\boldsymbol{\imath}}+2z\hat{\mathbf{k}})\big|_{(1,1,3)} =2\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\hat{\mathbf{k}}\text{ 또는 } \frac{1}{2} ( 2,0,6)=( 1,0,3)

(b) 점 (1,1,3)(1,1,3) 에서 y2+z2=10y^2+z^2=10 에 수직인 벡터는

∇(y2+z2)∣(1,1,3)=(2yȷ^+2zk^)∣(1,1,3)=2ȷ^+6k^ 또는 12(0,2,6)=(0,1,3){ \boldsymbol{\nabla} }(y^2+z^2)\big|_{(1,1,3)} =(2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2z\hat{\mathbf{k}})\big|_{(1,1,3)} =2\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\hat{\mathbf{k}}\text{ 또는 }\frac{1}{2} ( 0,2,6)=( 0,1,3)

어떤 벡터가 주어진 점에서 주어진 곡선에 접할 필요충분조건은 그 벡터가 (1,0,3)(1,0,3) 과 (0,1,3)(0,1,3) 에 모두 수직인 것이다. 이러한 벡터 중 하나는

(0,1,3)×(1,0,3)=det⁡[ı^ȷ^k^013103]=(3,3,−1)( 0,1,3)\times(1,0,3) =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 1 & 3 \\ 1 & 0 & 3 \end{matrix}\right] =( 3,3,-1)

(c) 구하는 접선은 점 (1,1,3)(1,1,3) 을 지나고 방향벡터가 (1,1,3)( 1,1,3) 이므로 벡터 매개변수방정식은 r(t)=(1,1,3)+t(3,3,−1)\mathbf{r}(t)=( 1,1,3)+t( 3,3,-1)

원본 교재 풀이(영어)

(a) A vector perpendicular to x2+z2=10x^2+z^2=10 at (1,1,3)(1,1,3) is

∇(x2+z2)∣(1,1,3)=(2xı^+2zk^)∣(1,1,3)=2ı^+6k^ or 12(2,0,6)=(1,0,3){ \boldsymbol{\nabla} }(x^2+z^2)\big|_{(1,1,3)} =(2x\hat{\boldsymbol{\imath}}+2z\hat{\mathbf{k}})\big|_{(1,1,3)} =2\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\hat{\mathbf{k}}\text{ or } \frac{1}{2} ( 2,0,6)=( 1,0,3)

(b) A vector perpendicular to y2+z2=10y^2+z^2=10 at (1,1,3)(1,1,3) is

∇(y2+z2)∣(1,1,3)=(2yȷ^+2zk^)∣(1,1,3)=2ȷ^+6k^ or 12(0,2,6)=(0,1,3){ \boldsymbol{\nabla} }(y^2+z^2)\big|_{(1,1,3)} =(2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2z\hat{\mathbf{k}})\big|_{(1,1,3)} =2\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\hat{\mathbf{k}}\text{ or }\frac{1}{2} ( 0,2,6)=( 0,1,3)

A vector is tangent to the specified curve at the specified point if and only if it perpendicular to both (1,0,3)(1,0,3) and (0,1,3)(0,1,3). One such vector is

(0,1,3)×(1,0,3)=det⁡[ı^ȷ^k^013103]=(3,3,−1)( 0,1,3)\times(1,0,3) =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 1 & 3 \\ 1 & 0 & 3 \end{matrix}\right] =( 3,3,-1)

(c) The specified tangent line passes through (1,1,3)(1,1,3) and has direction vector (1,1,3)( 1,1,3) and so has vector parametric equation r(t)=(1,1,3)+t(3,3,−1)\mathbf{r}(t)=( 1,1,3)+t( 3,3,-1)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.2절 · 15번
# 매개변수 곡면계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
473.CLP-4 · 3.2절 · 17번대학 수준우리말 번역

곡선

r(t)=t3 ı^+t ȷ^+t2 k^,(0≤t<∞)\mathbf{r}(t) = t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + t^2\,\hat{\mathbf{k}},\qquad (0 \le t <\infty)

이 곡면

z3+xyz−2=0z^3 + xyz -2 = 0

과 만나는 점을 PP 라 하자.

PP 에서 곡선과 곡면 사이의 (예각) 각을 구하세요.

영어 원문 보기

Let PP be the point where the curve

r(t)=t3 ı^+t ȷ^+t2 k^,(0≤t<∞)\mathbf{r}(t) = t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + t^2\,\hat{\mathbf{k}},\qquad (0 \le t <\infty)

intersects the surface

z3+xyz−2=0z^3 + xyz -2 = 0

Find the (acute) angle between the curve and the surface at PP.

정답·풀이 보기

r(t)=(x(t) , y(t) , z(t))\mathbf{r}(t)=( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)) 가 z3+xyz−2=0z^3 + xyz -2 = 0 과 만나는 것은 다음과 같을 때이다.

z(t)3+x(t) y(t) z(t)−2=0  ⟺  (t2)3+(t3)(t)(t2)−2=0  ⟺  2t6=2  ⟺  t=1z(t)^3+x(t)\,y(t)\,z(t)-2=0\iff \big(t^2\big)^3 + \big(t^3)(t)\big(t^2\big)-2=0 \iff 2t^6=2\iff t=1

tt 는 양수여야 하기 때문이다. t=1t=1 에서 곡선의 방향벡터는

r′(1)=3 ı^+ȷ^+2 k^\mathbf{r}'(1)=3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}

r(1)=(1,1,1)\mathbf{r}(1)=( 1,1,1) 에서 곡면의 법선벡터는

∇(z3+xyz)∣(1,1,1)=[yzı^+xzȷ^+(3z2+xy)k^](1,1,1)=ı^+ȷ^+4k^{ \boldsymbol{\nabla} }(z^3+xyz)\big|_{(1,1,1)}=[yz\hat{\boldsymbol{\imath}}+xz\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(3z^2+xy)\hat{\mathbf{k}}]_{(1,1,1)} =\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\hat{\mathbf{k}}

곡선과 곡면의 법선벡터 사이의 각 θ\theta 는 다음으로 정해진다.

∣(3,1,2)∣ ∣(1,1,4)∣cos⁡θ=(3,1,2)⋅(1,1,4)  ⟺  1418cos⁡θ=12  ⟺  7×36cos⁡θ=12  ⟺  cos⁡θ=27  ⟺  θ=40.89∘\begin{aligned} \big|( 3,1,2)\big|\,\big|( 1,1,4)\big|\cos\theta =( 3,1,2) \cdot( 1,1,4) &\iff \sqrt{14}\sqrt{18}\cos\theta=12 \\ &\iff \sqrt{7\times 36}\cos\theta=12 \\ &\iff \cos\theta=\frac{2}{\sqrt{7}} \\ &\iff \theta=40.89^\circ \end{aligned}

곡선과 곡면 사이의 각은 90−40.89=49.11∘90-40.89=49.11^\circ (소수 둘째 자리까지)이다.

원본 교재 풀이(영어)

r(t)=(x(t) , y(t) , z(t))\mathbf{r}(t)=( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)) intersects z3+xyz−2=0z^3 + xyz -2 = 0 when

z(t)3+x(t) y(t) z(t)−2=0  ⟺  (t2)3+(t3)(t)(t2)−2=0  ⟺  2t6=2  ⟺  t=1z(t)^3+x(t)\,y(t)\,z(t)-2=0\iff \big(t^2\big)^3 + \big(t^3)(t)\big(t^2\big)-2=0 \iff 2t^6=2\iff t=1

since tt is required to be positive. The direction vector for the curve at t=1t=1 is

r′(1)=3 ı^+ȷ^+2 k^\mathbf{r}'(1)=3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}

A normal vector for the surface at r(1)=(1,1,1)\mathbf{r}(1)=( 1,1,1) is

∇(z3+xyz)∣(1,1,1)=[yzı^+xzȷ^+(3z2+xy)k^](1,1,1)=ı^+ȷ^+4k^{ \boldsymbol{\nabla} }(z^3+xyz)\big|_{(1,1,1)}=[yz\hat{\boldsymbol{\imath}}+xz\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(3z^2+xy)\hat{\mathbf{k}}]_{(1,1,1)} =\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\hat{\mathbf{k}}

The angle θ\theta between the curve and the normal vector to the surface is determined by

∣(3,1,2)∣ ∣(1,1,4)∣cos⁡θ=(3,1,2)⋅(1,1,4)  ⟺  1418cos⁡θ=12  ⟺  7×36cos⁡θ=12  ⟺  cos⁡θ=27  ⟺  θ=40.89∘\begin{aligned} \big|( 3,1,2)\big|\,\big|( 1,1,4)\big|\cos\theta =( 3,1,2) \cdot( 1,1,4) &\iff \sqrt{14}\sqrt{18}\cos\theta=12 \\ &\iff \sqrt{7\times 36}\cos\theta=12 \\ &\iff \cos\theta=\frac{2}{\sqrt{7}} \\ &\iff \theta=40.89^\circ \end{aligned}

The angle between the curve and the surface is 90−40.89=49.11∘90-40.89=49.11^\circ (to two decimal places).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.2절 · 16번
# 매개변수 곡면계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
474.CLP-4 · 3.2절 · 18번대학 수준우리말 번역

방정식

z=xye−(x2+y2)/2z=xy e^{-(x^2+y^2)/2}

인 곡면에 접하는 수평인 평면을 모두 구하세요.

이 곡면 위에서 zz 의 최댓값과 최솟값은 각각 얼마입니까?

영어 원문 보기

Find all horizontal planes that are tangent to the surface with equation

z=xye−(x2+y2)/2z=xy e^{-(x^2+y^2)/2}

What are the largest and smallest values of zz on this surface?

정답·풀이 보기

(x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 을 곡면 위의 임의의 점이라 하자. 점 (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 에서 곡면에 수직인 벡터는

∇(xye−(x2+y2)/2−z)∣(x0,y0,z0)=(y0e−(x02+y02)/2−x02y0e−(x02+y02)/2,x0e−(x02+y02)/2−x0y02e−(x02+y02)/2,−1)\begin{aligned} &{ \boldsymbol{\nabla} }\Big(xy e^{-(x^2+y^2)/2}-z\Big)\bigg|_{(x_0,y_0,z_0)} \\& =\left( y_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}-x_0^2y_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}, x_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}-x_0y_0^2 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2},-1\right) \end{aligned}

이다.

점 (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 에서 곡면의 접평면이 수평인 것은 이 벡터가 수직인 것과 필요충분조건이고, 이는 xx성분과 yy성분이 모두 0인 것과 필요충분조건이며, 이는 다시 다음과 필요충분조건이다.

y0(1−x02)=0 그리고 x0(1−y02)=0  ⟺  {y0=0 또는 x0=1 또는 x0=−1} 그리고 {x0=0 또는 y0=1 또는 y0=−1}  ⟺  (x0,y0)=(0,0) 또는 (1,1) 또는 (1,−1) 또는 (−1,1) 또는 (−1,−1)\begin{aligned} &y_0(1-x_0^2)=0\text{ 그리고 }x_0(1-y_0^2)=0\\ &\iff\big\{y_0=0\text{ 또는 }x_0=1\text{ 또는 }x_0=-1\big\} \text{ 그리고 }\big\{x_0=0\text{ 또는 }y_0=1\text{ 또는 }y_0=-1\big\}\\ &\iff (x_0,y_0)=(0,0)\text{ 또는 }(1,1)\text{ 또는 }(1,-1) \text{ 또는 }(-1,1)\text{ 또는 }(-1,-1) \end{aligned}

이 점들에서 z0z_0 의 값은 각각 00, e−1e^{-1}, −e−1-e^{-1}, −e−1-e^{-1}, e−1e^{-1} 이다. 따라서 수평인 접평면은 z=0z=0, z=e−1z=e^{-1}, z=−e−1z=-e^{-1} 이다. 곡면의 가장 높은 점과 가장 낮은 점에서 접평면은 수평이다. 따라서 zz 의 최댓값과 최솟값은 각각 e−1e^{-1} 과 −e−1-e^{-1} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) be any point on the surface. A vector normal to the surface at (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) is

∇(xye−(x2+y2)/2−z)∣(x0,y0,z0)=(y0e−(x02+y02)/2−x02y0e−(x02+y02)/2,x0e−(x02+y02)/2−x0y02e−(x02+y02)/2,−1)\begin{aligned} &{ \boldsymbol{\nabla} }\Big(xy e^{-(x^2+y^2)/2}-z\Big)\bigg|_{(x_0,y_0,z_0)} \\& =\left( y_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}-x_0^2y_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}, x_0 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2}-x_0y_0^2 e^{-(x_0^2+y_0^2)/2},-1\right) \end{aligned}

The tangent plane to the surface at (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) is horizontal if and only if this vector is vertical, which is the case if and only if its xx- and yy-components are zero, which in turn is the case if and only if

y0(1−x02)=0 and x0(1−y02)=0  ⟺  {y0=0 or x0=1 or x0=−1} and {x0=0 or y0=1 or y0=−1}  ⟺  (x0,y0)=(0,0) or (1,1) or (1,−1) or (−1,1) or (−1,−1)\begin{aligned} &y_0(1-x_0^2)=0\text{ and }x_0(1-y_0^2)=0\\ &\iff\big\{y_0=0\text{ or }x_0=1\text{ or }x_0=-1\big\} \text{ and }\big\{x_0=0\text{ or }y_0=1\text{ or }y_0=-1\big\}\\ &\iff (x_0,y_0)=(0,0)\text{ or }(1,1)\text{ or }(1,-1) \text{ or }(-1,1)\text{ or }(-1,-1) \end{aligned}

The values of z0z_0 at these points are 00, e−1e^{-1}, −e−1-e^{-1}, −e−1-e^{-1} and e−1e^{-1}, respectively. So the horizontal tangent planes are z=0z=0, z=e−1z=e^{-1} and z=−e−1z=-e^{-1}. At the highest and lowest points of the surface, the tangent plane is horizontal. So the largest and smallest values of zz are e−1e^{-1} and −e−1-e^{-1}, respectively.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 14.5절 · 1번
# 매개변수 곡면계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
475.CLP-4 · 3.3절 · 13번대학 수준우리말 번역

반지름이 aa인 구 껍질이 원점에 중심을 두고 있다. 이 구에서 제1팔분공간에 놓인 부분의 무게중심(즉, 밀도가 상수일 때의 질량중심)을 구하세요.

영어 원문 보기

A spherical shell of radius aa is centred at the origin. Find the centroid (i.e. the centre of mass with constant density) of the part of the sphere that lies in the first octant.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

대칭성에 의해 무게중심 (xˉ,yˉ,zˉ)(\bar x,\bar y,\bar z)는 xˉ=yˉ=zˉ\bar x=\bar y=\bar z를 만족한다. 구면좌표를 이용하여 구를 매개변수로 나타내면 다음과 같다.

r(θ,φ)=asin⁡φcos⁡θ ı^+asin⁡φsin⁡θ ȷ^+acos⁡φ k^\mathbf{r}(\theta,\varphi) = a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +a\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}

그러면

∂r∂θ=−asin⁡φsin⁡θ ı^+asin⁡φcos⁡θ ȷ^∂r∂φ=acos⁡φcos⁡θ ı^+acos⁡φsin⁡θ ȷ^−asin⁡φ k^\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} =-a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\qquad \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} =a\cos\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\cos\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a\sin\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이므로

∂r∂θ×∂r∂φ=det⁡[ı^ȷ^k^−asin⁡φsin⁡θasin⁡φcos⁡θ0acos⁡φcos⁡θacos⁡φsin⁡θ−asin⁡φ]=−a2sin⁡2φcos⁡θ ı^−a2sin⁡2φsin⁡θ ȷ^−a2sin⁡φcos⁡φ k^  ⟹  dS=∣∂r∂θ×∂r∂φ∣ dθ dφ=a2sin⁡φ dθ dφ\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -a\sin\varphi\sin\theta & a\sin\varphi\cos\theta & 0 \\ a\cos\varphi\cos\theta & a\cos\varphi\sin\theta & -a\sin\varphi \end{matrix}\right] \\ &=-a^2\sin^2\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-a^2\sin^2\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a^2\sin\varphi\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\\ \implies \mathrm{d}S&=\left|\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi}\right| \,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi =a^2\sin\varphi\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi \end{aligned}

제1팔분공간에 있는 구면 부분의 겉넓이는 184πa2=πa22\frac{1}{8}4\pi a^2=\frac{\pi a^2}{2} 이므로

xˉ=yˉ=zˉ=∬Sz dS∬S dS=1πa2/2∫0π/2dθ∫0π/2dφ (a2sin⁡φ)(acos⁡φ⏞z)=2aππ2∫0π/2dφ sin⁡φcos⁡φ=a[12sin⁡2φ]0π/2=a2\begin{aligned} \bar x=\bar y=\bar z &=\frac{\iint _S z\,\mathrm{d}S}{\iint _S\,\mathrm{d}S} =\frac{1}{\pi a^2/2}\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\varphi \ (a^2\sin\varphi)(\overbrace{a\cos\varphi}^{z}) \\ &=\frac{2a}{\pi}\frac{\pi}{2}\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\varphi \ \sin\varphi\cos\varphi =a\bigg[\frac{1}{2}\sin^2\varphi\bigg]_0^{\pi/2} =\frac{a}{2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

By symmetry, the centroid (xˉ,yˉ,zˉ)(\bar x,\bar y,\bar z) obeys xˉ=yˉ=zˉ\bar x=\bar y=\bar z. Parametrize the sphere using spherical coordinates.

r(θ,φ)=asin⁡φcos⁡θ ı^+asin⁡φsin⁡θ ȷ^+acos⁡φ k^\mathbf{r}(\theta,\varphi) = a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +a\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}

Then

∂r∂θ=−asin⁡φsin⁡θ ı^+asin⁡φcos⁡θ ȷ^∂r∂φ=acos⁡φcos⁡θ ı^+acos⁡φsin⁡θ ȷ^−asin⁡φ k^\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} =-a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\qquad \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} =a\cos\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\cos\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a\sin\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

so that

∂r∂θ×∂r∂φ=det⁡[ı^ȷ^k^−asin⁡φsin⁡θasin⁡φcos⁡θ0acos⁡φcos⁡θacos⁡φsin⁡θ−asin⁡φ]=−a2sin⁡2φcos⁡θ ı^−a2sin⁡2φsin⁡θ ȷ^−a2sin⁡φcos⁡φ k^  ⟹  dS=∣∂r∂θ×∂r∂φ∣ dθ dφ=a2sin⁡φ dθ dφ\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -a\sin\varphi\sin\theta & a\sin\varphi\cos\theta & 0 \\ a\cos\varphi\cos\theta & a\cos\varphi\sin\theta & -a\sin\varphi \end{matrix}\right] \\ &=-a^2\sin^2\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-a^2\sin^2\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a^2\sin\varphi\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\\ \implies \mathrm{d}S&=\left|\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi}\right| \,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi =a^2\sin\varphi\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi \end{aligned}

As the surface area of the part of the sphere in the first octant is 184πa2=πa22\frac{1}{8}4\pi a^2=\frac{\pi a^2}{2}

xˉ=yˉ=zˉ=∬Sz dS∬S dS=1πa2/2∫0π/2dθ∫0π/2dφ (a2sin⁡φ)(acos⁡φ⏞z)=2aππ2∫0π/2dφ sin⁡φcos⁡φ=a[12sin⁡2φ]0π/2=a2\begin{aligned} \bar x=\bar y=\bar z &=\frac{\iint _S z\,\mathrm{d}S}{\iint _S\,\mathrm{d}S} =\frac{1}{\pi a^2/2}\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\varphi \ (a^2\sin\varphi)(\overbrace{a\cos\varphi}^{z}) \\ &=\frac{2a}{\pi}\frac{\pi}{2}\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\varphi \ \sin\varphi\cos\varphi =a\bigg[\frac{1}{2}\sin^2\varphi\bigg]_0^{\pi/2} =\frac{a}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.3절 · 10번
# 면적분과 플럭스계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
476.CLP-4 · 3.3절 · 21번대학 수준우리말 번역

(a) 꼭짓점이 점 (0,0,3)(0, 0, 3) 에 있고, 밑면이 xyxy평면 위의 원 x2+y2=4x^2 + y^2 = 4 인 원뿔의 곡면 SS 의 매개변수화를 구하세요. 원뿔의 옆면만 SS 에 속하고, 밑면은 속하지 않습니다. 매개변수의 정의역을 반드시 포함하세요. (b) (a)의 곡면 SS 의 질량중심의 zz좌표를 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find a parametrization of the surface SS of the cone whose vertex is at the point (0,0,3)(0, 0, 3), and whose base is the circle x2+y2=4x^2 + y^2 = 4 in the xyxy-plane. Only the cone surface belongs to SS, not the base. Be careful to include the domain for the parameters. (b) Find the zz-coordinate of the centre of mass of the surface SS from (a).

정답·풀이 보기

(a) zz 가 상수인 (수평) 단면은 각각 zz축을 중심으로 하는 원이다. 반지름은 z=0z=0 일 때 22 에서 z=3z=3 일 때 00 까지 일차적으로 변한다. 따라서 높이 zz 에서의 반지름은 23(3−z)\frac{2}{3}(3-z) 이고, 다음을 사용할 수 있다.

r(θ,z)=23(3−z)cos⁡θ ı^+23(3−z)sin⁡θ ȷ^+z k^0≤θ<2π,0≤z≤3\begin{aligned} \mathbf{r}(\theta,z) = \frac{2}{3}(3-z)\cos\theta\ \hat{\boldsymbol{\imath}} +\frac{2}{3}(3-z)\sin\theta\ \hat{\boldsymbol{\jmath}} +z\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le\theta<2\pi,\quad 0\le z\le 3 \end{aligned}

이것이 매개변수화이다.

(b) 대칭성에 의해 질량중심은 zz축 위에 있다. 어차피 zz좌표만 구하면 된다. 질량중심의 zz좌표는 원뿔 위에서 zz 의 가중평균이다. 밀도가 주어지지 않았으므로 상수라고 가정한다. 밀도를 11 로 잡을 수 있으므로, 질량중심의 zz좌표는 ∬Sz dS/∬SdS\iint _S z\,\mathrm{d}S/ \iint _S \mathrm{d}S 이다.

∂r∂θ=(−23(3−z)sin⁡θ , 23(3−z)cos⁡θ , 0)∂r∂z=(−23cos⁡θ , −23sin⁡θ , 1)∂r∂θ×∂r∂z=(23(3−z)cos⁡θ , 23(3−z)sin⁡θ , 49(3−z))\begin{aligned} \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial\theta} &=\big(-\tfrac{2}{3}(3-z)\sin\theta\,,\, \tfrac{2}{3}(3-z)\cos\theta\,,\, 0 \big) \\ \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial z} &=\big(-\tfrac{2}{3}\cos\theta\,,\, -\tfrac{2}{3}\sin\theta\,,\, 1 \big) \\ \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial\theta} \times \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial z} &=\big(\tfrac{2}{3}(3-z)\cos\theta\,,\, \tfrac{2}{3}(3-z)\sin\theta\,,\, \tfrac{4}{9}(3-z)\big) \end{aligned}

이므로, 이 매개변수화에 대한 겉넓이 요소는 다음과 같다.

dS=∣∂r∂θ×∂r∂z∣dθdz=23(3−z)∣(cos⁡θ , sin⁡θ , 23)∣dθdz=2139(3−z)dθdz\begin{aligned} \mathrm{d}S &= \big|\tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial\theta}\times \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial z} \big|\mathrm{d}\theta\mathrm{d}z =\tfrac{2}{3}(3-z)\big|(\cos\theta\,,\,\sin\theta\,,\,\tfrac{2}{3}\big)\big| \mathrm{d}\theta\mathrm{d}z \\ &=\tfrac{2\sqrt{13}}{9}(3-z) \mathrm{d}\theta\mathrm{d}z \end{aligned}

따라서 원뿔의 겉넓이 ∬SdS\iint _S \mathrm{d}S 는 다음과 같다.

∫03dz∫02πdθ 2139(3−z)=4139π∫03dz (3−z)=−2139π(3−z)2∣03=213π\begin{aligned} \int_0^3\mathrm{d}z\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \tfrac{2\sqrt{13}}{9}(3-z) &=\tfrac{4\sqrt{13}}{9}\pi\int_0^3\mathrm{d}z\ (3-z) =-\tfrac{2\sqrt{13}}{9}\pi(3-z)^2\Big|_0^3 \\ &=2\sqrt{13}\pi \end{aligned}

그리고 질량중심의 zz좌표는 다음과 같다.

zˉ=1213π∫03dz∫02πdθ 2139(3−z)z=29∫03dz (3z−z2)=29[3z22−z33]03=29276=1\begin{aligned} \bar z &=\frac{1}{2\sqrt{13}\pi} \int_0^3\mathrm{d}z\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \tfrac{2\sqrt{13}}{9}(3-z) z =\frac{2}{9}\int_0^3\mathrm{d}z\ (3z-z^2) =\frac{2}{9}{\Big[\frac{3z^2}{2}-\frac{z^3}{3}\Big]}_0^3 \\ &=\frac{2}{9}\frac{27}{6} =1 \end{aligned}

이는 원뿔의 절반 높이보다 조금 낮은 값인데, 원뿔이 “아래쪽이 무겁기” 때문에 타당하다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Each (horizontal) constant zz cross-section is a circle centred on the zz-axis. The radius varies linearly from 22, when z=0z=0 to 00, when z=3z=3. So the radius at height zz is 23(3−z)\frac{2}{3}(3-z) and we can use

r(θ,z)=23(3−z)cos⁡θ ı^+23(3−z)sin⁡θ ȷ^+z k^0≤θ<2π,0≤z≤3\begin{aligned} \mathbf{r}(\theta,z) = \frac{2}{3}(3-z)\cos\theta\ \hat{\boldsymbol{\imath}} +\frac{2}{3}(3-z)\sin\theta\ \hat{\boldsymbol{\jmath}} +z\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le\theta<2\pi,\quad 0\le z\le 3 \end{aligned}

as the parametrization.

(b) By symmetry the centre of mass will lie on the zz-axis. We are only asked for the zz-coordinate anyway. The zz-coordinate of the centre of mass is the weighted average of zz over the cone. Since a density has not been specified, we assume that it is a constant. We may take the density to be 11, so the zz-coordinate of the centre of mass is ∬Sz dS/∬SdS\iint _S z\,\mathrm{d}S/ \iint _S \mathrm{d}S.

Since

∂r∂θ=(−23(3−z)sin⁡θ , 23(3−z)cos⁡θ , 0)∂r∂z=(−23cos⁡θ , −23sin⁡θ , 1)∂r∂θ×∂r∂z=(23(3−z)cos⁡θ , 23(3−z)sin⁡θ , 49(3−z))\begin{aligned} \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial\theta} &=\big(-\tfrac{2}{3}(3-z)\sin\theta\,,\, \tfrac{2}{3}(3-z)\cos\theta\,,\, 0 \big) \\ \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial z} &=\big(-\tfrac{2}{3}\cos\theta\,,\, -\tfrac{2}{3}\sin\theta\,,\, 1 \big) \\ \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial\theta} \times \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial z} &=\big(\tfrac{2}{3}(3-z)\cos\theta\,,\, \tfrac{2}{3}(3-z)\sin\theta\,,\, \tfrac{4}{9}(3-z)\big) \end{aligned}

the element of surface area for this parametrization is

dS=∣∂r∂θ×∂r∂z∣dθdz=23(3−z)∣(cos⁡θ , sin⁡θ , 23)∣dθdz=2139(3−z)dθdz\begin{aligned} \mathrm{d}S &= \big|\tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial\theta}\times \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial z} \big|\mathrm{d}\theta\mathrm{d}z =\tfrac{2}{3}(3-z)\big|(\cos\theta\,,\,\sin\theta\,,\,\tfrac{2}{3}\big)\big| \mathrm{d}\theta\mathrm{d}z \\ &=\tfrac{2\sqrt{13}}{9}(3-z) \mathrm{d}\theta\mathrm{d}z \end{aligned}

So the surface area, ∬SdS\iint _S \mathrm{d}S, of the cone is

∫03dz∫02πdθ 2139(3−z)=4139π∫03dz (3−z)=−2139π(3−z)2∣03=213π\begin{aligned} \int_0^3\mathrm{d}z\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \tfrac{2\sqrt{13}}{9}(3-z) &=\tfrac{4\sqrt{13}}{9}\pi\int_0^3\mathrm{d}z\ (3-z) =-\tfrac{2\sqrt{13}}{9}\pi(3-z)^2\Big|_0^3 \\ &=2\sqrt{13}\pi \end{aligned}

and the zz-coordinate of the centre of mass is

zˉ=1213π∫03dz∫02πdθ 2139(3−z)z=29∫03dz (3z−z2)=29[3z22−z33]03=29276=1\begin{aligned} \bar z &=\frac{1}{2\sqrt{13}\pi} \int_0^3\mathrm{d}z\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \tfrac{2\sqrt{13}}{9}(3-z) z =\frac{2}{9}\int_0^3\mathrm{d}z\ (3z-z^2) =\frac{2}{9}{\Big[\frac{3z^2}{2}-\frac{z^3}{3}\Big]}_0^3 \\ &=\frac{2}{9}\frac{27}{6} =1 \end{aligned}

This is a little less than half way up the cone, which is reasonable since the cone is “bottom heavy”.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 14.6절 · 4번
# 면적분과 플럭스계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
477.CLP-4 · 3.3절 · 31번대학 수준우리말 번역

벡터장

F=r∣r∣=x ı^+y ȷ^+z k^x2+y2+z2\mathbf{F} = \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|} = \frac{x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}}}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}

의 순 바깥쪽 플럭스를, 원점을 중심으로 하는 반지름 11 인 구와 반지름 22 인 구 사이 영역의 경계면에 대해 구하세요.

영어 원문 보기

Compute the net outward flux of the vector field

F=r∣r∣=x ı^+y ȷ^+z k^x2+y2+z2\mathbf{F} = \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|} = \frac{x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}}}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}

across the boundary of the region between the spheres of radius 11 and radius 22 centred at the origin.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

다음과 같이 놓는다.

V={ (x,y,z) ∣ 1≤x2+y2+z2≤4 }V=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 1\le x^2+y^2+z^2\le 4\ \big\}

VV 의 경계는 두 부분으로 이루어진다. 하나는 원점을 중심으로 하는 반지름 22 인 구 S2S_2 로, (바깥쪽) 법선벡터는 n^=r∣r∣=r2\hat{\mathbf{n}}=\frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}=\frac{\mathbf{r}}{2} 이다. 다른 하나는 원점을 중심으로 하는 반지름 11 인 구 S1S_1 로, (안쪽) 법선벡터는 n^=−r\hat{\mathbf{n}} = -\mathbf{r} 이다. 따라서

∬∂VF⋅n^ dS=∬S2r∣r∣⋅r2 dS−∬S1r∣r∣⋅r dS=∬S2dS−∬S1dS=4π(2)2−4π(1)2=12π\begin{aligned} \iint _{\partial V} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iint _{S_2} \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}\cdot\frac{\mathbf{r}}{2}\,\mathrm{d}S -\iint _{S_1} \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}\cdot\mathbf{r}\,\mathrm{d}S \\ &=\iint _{S_2} \mathrm{d}S -\iint _{S_1} \mathrm{d}S \\ &=4\pi(2)^2 -4\pi(1)^2 \\ &=12\pi \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Write

V={ (x,y,z) ∣ 1≤x2+y2+z2≤4 }V=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 1\le x^2+y^2+z^2\le 4\ \big\}

The boundary of VV consists of two parts — the sphere, S2S_2, of radius 22, centred on the origin, with (outward) normal n^=r∣r∣=r2\hat{\mathbf{n}}=\frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}=\frac{\mathbf{r}}{2}, and the sphere S1S_1 of radius 11, centred on the origin, with (inward) normal n^=−r\hat{\mathbf{n}} = -\mathbf{r}, So,

∬∂VF⋅n^ dS=∬S2r∣r∣⋅r2 dS−∬S1r∣r∣⋅r dS=∬S2dS−∬S1dS=4π(2)2−4π(1)2=12π\begin{aligned} \iint _{\partial V} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iint _{S_2} \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}\cdot\frac{\mathbf{r}}{2}\,\mathrm{d}S -\iint _{S_1} \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}\cdot\mathbf{r}\,\mathrm{d}S \\ &=\iint _{S_2} \mathrm{d}S -\iint _{S_1} \mathrm{d}S \\ &=4\pi(2)^2 -4\pi(1)^2 \\ &=12\pi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.3절 · 21번
# 면적분과 플럭스계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
478.CLP-4 · 3.3절 · 42번대학 수준우리말 번역

S\mathcal{S} 를 곡면 (x+y+1)2+z2=4(x+y+1)^2+z^2=4 중 제1팔분공간에 놓인 부분이라 하자. S\mathcal{S} 를 통과하는 F\mathbf{F} 의 아래쪽 방향 플럭스를 구하세요. 여기서 F=xy ı^+(z−xy) ȷ^\mathbf{F}=xy\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(z-xy)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

영어 원문 보기

Let S\mathcal{S} be the part of the surface (x+y+1)2+z2=4(x+y+1)^2+z^2=4 which lies in the first octant. Find the flux of F\mathbf{F} downwards through S\mathcal{S} where F=xy ı^+(z−xy) ȷ^\mathbf{F}=xy\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(z-xy)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

먼저 다음을 관찰하자.

  • (x+y+1)2≥0(x+y+1)^2\ge 0 이므로, (x+y+1)2+z2=4(x+y+1)^2+z^2=4 위의 모든 점은 ∣z∣≤2|z|\le 2 이다. 그리고,
  • ∣z0∣≤2|z_0|\le 2 일 때, 곡면 (x+y+1)2+z2=4(x+y+1)^2+z^2=4 는 수평면 z=z0z=z_0 와 (x+y+1)2=4−z02(x+y+1)^2 = 4-z_0^2 에서 만난다. 즉 두 직선 x+y=±4−z02−1x+y=\pm\sqrt{4-z_0^2}-1, z=z0z=z_0 에서 만난다.
  • 직선 x+y=±4−z02−1x+y=\pm\sqrt{4-z_0^2}-1, z=z0z=z_0 가 제1팔분공간과 만나는 것은 z0≥0z_0\ge0 이고 ±4−z02−1≥0\pm\sqrt{4-z_0^2}-1\ge 0 일 때, 그리고 그때에 한한다.
  • 따라서 x+y=−4−z02−1x+y=-\sqrt{4-z_0^2}-1, z=z0z=z_0 는 제1팔분공간과 절대 만나지 않고,
  • x+y=4−z02−1x+y=\sqrt{4-z_0^2}-1, z=z0z=z_0 가 제1팔분공간과 만나는 것은 0≤z0≤30\le z_0\le \sqrt{3} 일 때, 그리고 그때에 한한다.
  • z0=0z_0=0 일 때, 직선 x+y=4−z02−1x+y=\sqrt{4-z_0^2}-1, z=z0z=z_0 는 x+y=1x+y=1, z=0z=0 이다.
  • z0=3z_0=\sqrt{3} 일 때, 직선 x+y=4−z02−1x+y=\sqrt{4-z_0^2}-1, z=z0z=z_0 는 x+y=0x+y=0, z=2z=2 이다.
  • 그러므로 (x,y,z)(x,y,z) 가 S\mathcal{S} 위를 움직일 때, (x,y)(x,y) 는 삼각형 x≥0x\ge0, y≥0y\ge 0, x+y≤1x+y\le 1 위를 움직인다.

G(x,y,z)=(x+y+1)2+z2G(x,y,z)=(x+y+1)^2+z^2 이라 하자. 그러면 n^ dS=±∇G∇G⋅k^ dxdy=±2(x+y+1)ı^+2(x+y+1)ȷ^+2zk^2z dxdy\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S=\pm\frac{{ \boldsymbol{\nabla} } G}{{ \boldsymbol{\nabla} } G\cdot\hat{\mathbf{k}}}\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y =\pm\frac{2(x+y+1)\hat{\boldsymbol{\imath}}+2(x+y+1)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2z\hat{\mathbf{k}}}{2z}\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y 아래쪽 법선을 택하려면 음의 부호가 필요하므로

F⋅n^ dS=−[xy ı^+(z−xy) ȷ^]⋅[(x+y+1)ı^+(x+y+1)ȷ^+zk^z] dxdy=−1z[xy(x+y+1)+(z−xy)(x+y+1)] dxdy=−1z[z(x+y+1)] dxdy=−(x+y+1) dxdy\begin{aligned} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=-\big[xy\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(z-xy)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big]\cdot \Big[\frac{(x+y+1)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x+y+1)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\hat{\mathbf{k}}}{z}\Big]\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y\\ &=-\frac{1}{z}\big[xy(x+y+1)+(z-xy)(x+y+1)\big]\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y\\ &=-\frac{1}{z}\big[z(x+y+1)\big]\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y\\ &=-(x+y+1)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y \end{aligned}

적분 정의역은 x≥0, y≥0, x+y≤1x\ge 0,\ y\ge 0,\ x+y\le 1 이므로

∬SF⋅n^ dS=−∫01dx∫01−xdy (x+y+1)=−∫01dx [(1+x)(1−x)+12(1−x)2]=−∫01dx [32−x−12x2]=−[32−12−16]=−56\begin{aligned} \iint _\mathcal{S}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=-\int_0^1 \mathrm{d}x\int_0^{1-x} \mathrm{d}y \ (x+y+1) =-\int_0^1 \mathrm{d}x\ \Big[(1+x)(1-x)+\frac{1}{2}(1-x)^2\Big]\\ &=-\int_0^1 \mathrm{d}x\ \Big[\frac{3}{2}-x-\frac{1}{2} x^2\Big] =-\Big[\frac{3}{2}-\frac{1}{2}-\frac{1}{6}\Big] =-\frac{5}{6} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

First observe that,

  • because (x+y+1)2≥0(x+y+1)^2\ge 0, all points on (x+y+1)2+z2=4(x+y+1)^2+z^2=4 have ∣z∣≤2|z|\le 2 and that,
  • for ∣z0∣≤2|z_0|\le 2, the surface (x+y+1)2+z2=4(x+y+1)^2+z^2=4 intersects the horizontal plane z=z0z=z_0 on (x+y+1)2=4−z02(x+y+1)^2 = 4-z_0^2, i.e. on the two lines x+y=±4−z02−1x+y=\pm\sqrt{4-z_0^2}-1, z=z0z=z_0.
  • The line x+y=±4−z02−1x+y=\pm\sqrt{4-z_0^2}-1, z=z0z=z_0 intersects the first octant if and only if z0≥0z_0\ge0 and ±4−z02−1≥0\pm\sqrt{4-z_0^2}-1\ge 0.
  • Thus x+y=−4−z02−1x+y=-\sqrt{4-z_0^2}-1, z=z0z=z_0 never intersects the first octant and
  • x+y=4−z02−1x+y=\sqrt{4-z_0^2}-1, z=z0z=z_0 intersects the first octant if and only if 0≤z0≤30\le z_0\le \sqrt{3}.
  • When z0=0z_0=0, the line x+y=4−z02−1x+y=\sqrt{4-z_0^2}-1, z=z0z=z_0 is x+y=1x+y=1, z=0z=0.
  • When z0=3z_0=\sqrt{3}, the line x+y=4−z02−1x+y=\sqrt{4-z_0^2}-1, z=z0z=z_0 is x+y=0x+y=0, z=2z=2.
  • So as (x,y,z)(x,y,z) runs over S\mathcal{S}, (x,y)(x,y) runs over the triangle x≥0x\ge0, y≥0y\ge 0, x+y≤1x+y\le 1.

Let G(x,y,z)=(x+y+1)2+z2G(x,y,z)=(x+y+1)^2+z^2. Then n^ dS=±∇G∇G⋅k^ dxdy=±2(x+y+1)ı^+2(x+y+1)ȷ^+2zk^2z dxdy\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S=\pm\frac{{ \boldsymbol{\nabla} } G}{{ \boldsymbol{\nabla} } G\cdot\hat{\mathbf{k}}}\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y =\pm\frac{2(x+y+1)\hat{\boldsymbol{\imath}}+2(x+y+1)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2z\hat{\mathbf{k}}}{2z}\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y For the downward normal, we need the minus sign, so

F⋅n^ dS=−[xy ı^+(z−xy) ȷ^]⋅[(x+y+1)ı^+(x+y+1)ȷ^+zk^z] dxdy=−1z[xy(x+y+1)+(z−xy)(x+y+1)] dxdy=−1z[z(x+y+1)] dxdy=−(x+y+1) dxdy\begin{aligned} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=-\big[xy\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(z-xy)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big]\cdot \Big[\frac{(x+y+1)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x+y+1)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\hat{\mathbf{k}}}{z}\Big]\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y\\ &=-\frac{1}{z}\big[xy(x+y+1)+(z-xy)(x+y+1)\big]\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y\\ &=-\frac{1}{z}\big[z(x+y+1)\big]\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y\\ &=-(x+y+1)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y \end{aligned}

The domain of integration is x≥0, y≥0, x+y≤1x\ge 0,\ y\ge 0,\ x+y\le 1, so

∬SF⋅n^ dS=−∫01dx∫01−xdy (x+y+1)=−∫01dx [(1+x)(1−x)+12(1−x)2]=−∫01dx [32−x−12x2]=−[32−12−16]=−56\begin{aligned} \iint _\mathcal{S}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=-\int_0^1 \mathrm{d}x\int_0^{1-x} \mathrm{d}y \ (x+y+1) =-\int_0^1 \mathrm{d}x\ \Big[(1+x)(1-x)+\frac{1}{2}(1-x)^2\Big]\\ &=-\int_0^1 \mathrm{d}x\ \Big[\frac{3}{2}-x-\frac{1}{2} x^2\Big] =-\Big[\frac{3}{2}-\frac{1}{2}-\frac{1}{6}\Big] =-\frac{5}{6} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.3절 · 31번
# 면적분과 플럭스계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
479.CLP-4 · 4.1절 · 2번대학 수준우리말 번역

∇×F{ \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F} 는 반드시 F\mathbf{F} 에 수직인가요?

영어 원문 보기

Does ∇×F{ \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F} have to be perpendicular to F\mathbf{F}?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

아니요. 벡터장 F(x,y,z)=ı^+y k^\mathbf{F}(x,y,z) = \hat{\boldsymbol{\imath}} +y\,\hat{\mathbf{k}} 에 대해

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂z10y]=ı^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial }{\partial x} & \frac{\partial }{\partial y} & \frac{\partial }{\partial z} \\ 1 & 0 & y \end{matrix}\right] \\ &=\hat{\boldsymbol{\imath}} \end{aligned}

이고, 이 벡터는 모든 xx, yy, zz 에 대해 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 와의 내적이 11 이므로 이 벡터장과 수직이 아니다.

원본 교재 풀이(영어)

No. The vector field F(x,y,z)=ı^+y k^\mathbf{F}(x,y,z) = \hat{\boldsymbol{\imath}} +y\,\hat{\mathbf{k}} has

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂z10y]=ı^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial }{\partial x} & \frac{\partial }{\partial y} & \frac{\partial }{\partial z} \\ 1 & 0 & y \end{matrix}\right] \\ &=\hat{\boldsymbol{\imath}} \end{aligned}

has dot product 11 with F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) (for all xx, yy, zz) and so is not perpendicular to it.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.1절 · 3번
# 발산과 회전계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
480.CLP-4 · 4.1절 · 3번대학 수준우리말 번역

다음 벡터 항등식을 확인하세요.

(a) ∇⋅(fF)=f∇⋅F+F⋅∇f{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(f\mathbf{F})=f{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}+\mathbf{F}\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } f (b) ∇⋅(F×G)=G⋅(∇×F)−F⋅(∇×G){ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(\mathbf{F}\times\mathbf{G}) =\mathbf{G}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})- \mathbf{F}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{G}) (c) ∇2(fg)=f ∇2g+2∇f⋅∇g+g ∇2f{ \boldsymbol{\nabla} }^2(fg)=f\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 g+2{ \boldsymbol{\nabla} } f\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } g+g\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 f

영어 원문 보기

Verify the vector identities

(a) ∇⋅(fF)=f∇⋅F+F⋅∇f{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(f\mathbf{F})=f{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}+\mathbf{F}\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } f (b) ∇⋅(F×G)=G⋅(∇×F)−F⋅(∇×G){ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(\mathbf{F}\times\mathbf{G}) =\mathbf{G}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})- \mathbf{F}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{G}) (c) ∇2(fg)=f ∇2g+2∇f⋅∇g+g ∇2f{ \boldsymbol{\nabla} }^2(fg)=f\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 g+2{ \boldsymbol{\nabla} } f\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } g+g\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 f

정답·풀이 보기

(a) 곱의 미분법에 의해

∇⋅(fF)=∂∂x(fF1)+∂∂y(fF2)+∂∂z(fF3)=+f∂F1∂x+f∂F2∂y+f∂F3∂z=+F1∂f∂x+F2∂f∂y+F3∂f∂z=f ∇⋅F+F⋅∇f\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\cdot(f\mathbf{F}) &=\frac{\partial }{\partial x}(fF_1) +\frac{\partial }{\partial y}(fF_2) +\frac{\partial }{\partial z}(fF_3) \\ &=\phantom{+}f\frac{\partial F_1}{\partial x} +f\frac{\partial F_2}{\partial y} +f\frac{\partial F_3}{\partial z} \\ &\phantom{=}+F_1\frac{\partial f}{\partial x} +F_2\frac{\partial f}{\partial y} +F_3\frac{\partial f}{\partial z} \\ &=f\,{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}+\mathbf{F}\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } f \end{aligned}

(b) 다시 곱의 미분법에 의해

∇⋅(F×G)=∂∂x(F2G3−F3G2)+∂∂y(F3G1−F1G3)+∂∂z(F1G2−F2G1)=+∂F2∂xG3−∂F3∂xG2+∂F3∂yG1−∂F1∂yG3+∂F1∂zG2−∂F2∂zG1=+F2∂G3∂x−F3∂G2∂x+F3∂G1∂y−F1∂G3∂y+F1∂G2∂z−F2∂G1∂z=+(∂F3∂y−∂F2∂z)G1+(∂F1∂z−∂F3∂x)G2+(∂F2∂x−∂F1∂y)G3=−F1(∂G3∂y−∂G2∂z)−F2(∂G1∂z−∂G3∂x)−F3(∂G2∂x−∂G1∂y)=G⋅(∇×F)−F⋅(∇×G)\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\cdot(\mathbf{F}\times\mathbf{G}) &=\frac{\partial }{\partial x}(F_2G_3-F_3G_2) +\frac{\partial }{\partial y}(F_3G_1-F_1G_3) +\frac{\partial }{\partial z}(F_1G_2-F_2G_1) \\ &=\phantom{+}\frac{\partial F_2}{\partial x}G_3 -\frac{\partial F_3}{\partial x}G_2 +\frac{\partial F_3}{\partial y}G_1 - \frac{\partial F_1}{\partial y}G_3 +\frac{\partial F_1}{\partial z}G_2 - \frac{\partial F_2}{\partial z}G_1 \\ &\phantom{=}+F_2\frac{\partial G_3}{\partial x} -F_3\frac{\partial G_2}{\partial x} +F_3\frac{\partial G_1}{\partial y} -F_1\frac{\partial G_3}{\partial y} +F_1\frac{\partial G_2}{\partial z} - F_2\frac{\partial G_1}{\partial z} \\ &=\phantom{+} \left(\frac{\partial F_3}{\partial y}-\frac{\partial F_2}{\partial z}\right)G_1 +\left(\frac{\partial F_1}{\partial z}-\frac{\partial F_3}{\partial x}\right)G_2 +\left(\frac{\partial F_2}{\partial x}-\frac{\partial F_1}{\partial y}\right)G_3 \\ &\phantom{=} -F_1\left(\frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z}\right) -F_2\left(\frac{\partial G_1}{\partial z}-\frac{\partial G_3}{\partial x}\right) -F_3\left(\frac{\partial G_2}{\partial x}-\frac{\partial G_1}{\partial y}\right) \\ &=\mathbf{G}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})- \mathbf{F}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{G}) \end{aligned}

(c) ∇2(fg)=∇⋅[∇(fg)]{ \boldsymbol{\nabla} }^2(fg) = { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\big[{ \boldsymbol{\nabla} }(fg)\big] 임을 떠올리자. 먼저

∇(fg)=ı^∂∂x(fg)+ȷ^∂∂y(fg)+k^∂∂z(fg)=+ı^g∂f∂x+ȷ^g∂f∂y+k^g∂f∂z=+ı^f∂g∂x+ȷ^f∂g∂y+k^f∂g∂z=g∇f+f∇g\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }(fg) &=\hat{\boldsymbol{\imath}}\frac{\partial }{\partial x}(fg) +\hat{\boldsymbol{\jmath}}\frac{\partial }{\partial y}(fg) +\hat{\mathbf{k}}\frac{\partial }{\partial z}(fg) \\ &=\phantom{+}\hat{\boldsymbol{\imath}} g\frac{\partial f}{\partial x} +\hat{\boldsymbol{\jmath}} g\frac{\partial f}{\partial y} +\hat{\mathbf{k}} g\frac{\partial f}{\partial z} \\ &\phantom{=}+\hat{\boldsymbol{\imath}} f\frac{\partial g}{\partial x} +\hat{\boldsymbol{\jmath}} f\frac{\partial g}{\partial y} +\hat{\mathbf{k}} f\frac{\partial g}{\partial z} \\ &=g{ \boldsymbol{\nabla} } f+f{ \boldsymbol{\nabla} } g \end{aligned}

따라서 (a)를 두 번 이용하면

∇2(fg)=∇⋅(g∇f)+∇⋅(f∇g)=g(∇⋅∇f)+(∇g)⋅(∇f)+f(∇⋅∇g)+(∇f)⋅(∇g)=f ∇2g+2∇f⋅∇g+g ∇2f\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }^2(fg) & = { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\big(g{ \boldsymbol{\nabla} } f\big) +{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\big(f{ \boldsymbol{\nabla} } g\big) \\ &= g\big({ \boldsymbol{\nabla} }\cdot { \boldsymbol{\nabla} } f\big) + \big({ \boldsymbol{\nabla} } g\big)\cdot\big({ \boldsymbol{\nabla} } f\big) +f\big({ \boldsymbol{\nabla} }\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } g\big) + \big({ \boldsymbol{\nabla} } f\big)\cdot\big({ \boldsymbol{\nabla} } g\big) \\ &=f\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 g+2{ \boldsymbol{\nabla} } f\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } g+g\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 f \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) By the product rule

∇⋅(fF)=∂∂x(fF1)+∂∂y(fF2)+∂∂z(fF3)=+f∂F1∂x+f∂F2∂y+f∂F3∂z=+F1∂f∂x+F2∂f∂y+F3∂f∂z=f ∇⋅F+F⋅∇f\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\cdot(f\mathbf{F}) &=\frac{\partial }{\partial x}(fF_1) +\frac{\partial }{\partial y}(fF_2) +\frac{\partial }{\partial z}(fF_3) \\ &=\phantom{+}f\frac{\partial F_1}{\partial x} +f\frac{\partial F_2}{\partial y} +f\frac{\partial F_3}{\partial z} \\ &\phantom{=}+F_1\frac{\partial f}{\partial x} +F_2\frac{\partial f}{\partial y} +F_3\frac{\partial f}{\partial z} \\ &=f\,{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}+\mathbf{F}\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } f \end{aligned}

(b) Again by the product rule

∇⋅(F×G)=∂∂x(F2G3−F3G2)+∂∂y(F3G1−F1G3)+∂∂z(F1G2−F2G1)=+∂F2∂xG3−∂F3∂xG2+∂F3∂yG1−∂F1∂yG3+∂F1∂zG2−∂F2∂zG1=+F2∂G3∂x−F3∂G2∂x+F3∂G1∂y−F1∂G3∂y+F1∂G2∂z−F2∂G1∂z=+(∂F3∂y−∂F2∂z)G1+(∂F1∂z−∂F3∂x)G2+(∂F2∂x−∂F1∂y)G3=−F1(∂G3∂y−∂G2∂z)−F2(∂G1∂z−∂G3∂x)−F3(∂G2∂x−∂G1∂y)=G⋅(∇×F)−F⋅(∇×G)\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\cdot(\mathbf{F}\times\mathbf{G}) &=\frac{\partial }{\partial x}(F_2G_3-F_3G_2) +\frac{\partial }{\partial y}(F_3G_1-F_1G_3) +\frac{\partial }{\partial z}(F_1G_2-F_2G_1) \\ &=\phantom{+}\frac{\partial F_2}{\partial x}G_3 -\frac{\partial F_3}{\partial x}G_2 +\frac{\partial F_3}{\partial y}G_1 - \frac{\partial F_1}{\partial y}G_3 +\frac{\partial F_1}{\partial z}G_2 - \frac{\partial F_2}{\partial z}G_1 \\ &\phantom{=}+F_2\frac{\partial G_3}{\partial x} -F_3\frac{\partial G_2}{\partial x} +F_3\frac{\partial G_1}{\partial y} -F_1\frac{\partial G_3}{\partial y} +F_1\frac{\partial G_2}{\partial z} - F_2\frac{\partial G_1}{\partial z} \\ &=\phantom{+} \left(\frac{\partial F_3}{\partial y}-\frac{\partial F_2}{\partial z}\right)G_1 +\left(\frac{\partial F_1}{\partial z}-\frac{\partial F_3}{\partial x}\right)G_2 +\left(\frac{\partial F_2}{\partial x}-\frac{\partial F_1}{\partial y}\right)G_3 \\ &\phantom{=} -F_1\left(\frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z}\right) -F_2\left(\frac{\partial G_1}{\partial z}-\frac{\partial G_3}{\partial x}\right) -F_3\left(\frac{\partial G_2}{\partial x}-\frac{\partial G_1}{\partial y}\right) \\ &=\mathbf{G}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})- \mathbf{F}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{G}) \end{aligned}

(c) Recall that ∇2(fg)=∇⋅[∇(fg)]{ \boldsymbol{\nabla} }^2(fg) = { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\big[{ \boldsymbol{\nabla} }(fg)\big]. First

∇(fg)=ı^∂∂x(fg)+ȷ^∂∂y(fg)+k^∂∂z(fg)=+ı^g∂f∂x+ȷ^g∂f∂y+k^g∂f∂z=+ı^f∂g∂x+ȷ^f∂g∂y+k^f∂g∂z=g∇f+f∇g\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }(fg) &=\hat{\boldsymbol{\imath}}\frac{\partial }{\partial x}(fg) +\hat{\boldsymbol{\jmath}}\frac{\partial }{\partial y}(fg) +\hat{\mathbf{k}}\frac{\partial }{\partial z}(fg) \\ &=\phantom{+}\hat{\boldsymbol{\imath}} g\frac{\partial f}{\partial x} +\hat{\boldsymbol{\jmath}} g\frac{\partial f}{\partial y} +\hat{\mathbf{k}} g\frac{\partial f}{\partial z} \\ &\phantom{=}+\hat{\boldsymbol{\imath}} f\frac{\partial g}{\partial x} +\hat{\boldsymbol{\jmath}} f\frac{\partial g}{\partial y} +\hat{\mathbf{k}} f\frac{\partial g}{\partial z} \\ &=g{ \boldsymbol{\nabla} } f+f{ \boldsymbol{\nabla} } g \end{aligned}

So by part (a), twice,

∇2(fg)=∇⋅(g∇f)+∇⋅(f∇g)=g(∇⋅∇f)+(∇g)⋅(∇f)+f(∇⋅∇g)+(∇f)⋅(∇g)=f ∇2g+2∇f⋅∇g+g ∇2f\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }^2(fg) & = { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\big(g{ \boldsymbol{\nabla} } f\big) +{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\big(f{ \boldsymbol{\nabla} } g\big) \\ &= g\big({ \boldsymbol{\nabla} }\cdot { \boldsymbol{\nabla} } f\big) + \big({ \boldsymbol{\nabla} } g\big)\cdot\big({ \boldsymbol{\nabla} } f\big) +f\big({ \boldsymbol{\nabla} }\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } g\big) + \big({ \boldsymbol{\nabla} } f\big)\cdot\big({ \boldsymbol{\nabla} } g\big) \\ &=f\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 g+2{ \boldsymbol{\nabla} } f\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } g+g\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 f \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.1절 · 13번
# 발산과 회전계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)