문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

매개변수 곡면

곡면을 두 매개변수로 나타내고 접평면과 넓이를 구한다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

4문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-4 · 3.1절 · 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)
2.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
# 매개변수 곡면계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.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)
4.CLP-4 · 3.2절 · 2번대학 수준우리말 번역

점 r0=(x0,y0,z0)\mathbf{r}_0= (x_0,y_0,z_0) 가 곡면 G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 위에 있다고 하자. ∇G(x0,y0,z0)≠0{ \boldsymbol{\nabla} } G(x_0,y_0,z_0)\ne\mathbf{0} 이라 가정한다. 매개변수로 나타낸 곡선 r(t)=(x(t),y(t),z(t))\mathbf{r}(t)=\big(x(t),y(t),z(t)\big) 가 이 곡면에 포함되고 r(t0)=r0\mathbf{r}(t_0)=\mathbf{r}_0 이라 하자. 점 r0\mathbf{r}_0 에서 이 곡선의 접선이 점 r0\mathbf{r}_0 에서 G=0G=0 의 접평면 위에 있음을 보이세요.

영어 원문 보기

Let the point r0=(x0,y0,z0)\mathbf{r}_0= (x_0,y_0,z_0) lie on the surface G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0. Assume that ∇G(x0,y0,z0)≠0{ \boldsymbol{\nabla} } G(x_0,y_0,z_0)\ne\mathbf{0}. Suppose that the parametrized curve r(t)=(x(t),y(t),z(t))\mathbf{r}(t)=\big(x(t),y(t),z(t)\big) is contained in the surface and that r(t0)=r0\mathbf{r}(t_0)=\mathbf{r}_0. Show that the tangent line to the curve at r0\mathbf{r}_0 lies in the tangent plane to G=0G=0 at r0\mathbf{r}_0.

정답·풀이 보기

곡면 G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 을 SS, 매개변수로 나타낸 곡선 r(t)=(x(t),y(t),z(t))\mathbf{r}(t)=\big(x(t),y(t),z(t)\big) 를 CC 라 하자. 먼저 r0\mathbf{r}_0 에서 SS 의 접평면과 r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선을 구한다.

  • r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선벡터는 (x′(t0) , y′(t0) , z′(t0))\left( x'(t_0)\,,\,y'(t_0)\,,\,z'(t_0) \right) 이므로, r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선의 매개변수방정식은

x−x0=tx′(t0)y−y0=tx′(t0)z−z0=tx′(t0)(E1)x-x_0 = t x'(t_0)\qquad y-y_0 = t x'(t_0)\qquad z-z_0 = t x'(t_0) \tag{$E_1$}

  • 그레이디언트 (∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0))\left(\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right) 는 (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 에서 곡면 SS 의 법선벡터이다. 따라서 (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 에서 곡면 SS 의 접평면은

(∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0))⋅(x−x0 , y−y0 , z−z0)=0\left(\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right) \cdot \left( x-x_0\,,\, y-y_0\,,\,z-z_0\right) = 0

즉

∂G∂x(x0 , y0 , z0) (x−x0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) (y−y0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) (z−z0)=0(E2)\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (x-x_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (y-y_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (z-z_0) = 0 \tag{$E_2$}

이다.

다음으로, r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선벡터 (x′(t0) , y′(t0) , z′(t0))\left( x'(t_0)\,,\,y'(t_0)\,,\,z'(t_0) \right) 와 r0\mathbf{r}_0 에서 SS 의 법선벡터 (∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0))\left(\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right) 가 서로 수직임을 보인다. 이를 위해, 모든 tt 에 대해 점 (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) 가 곡면 G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 위에 있으므로 다음이 성립함을 이용한다.

G(x(t),y(t),z(t))=0\begin{aligned} G\big(x(t),y(t),z(t)\big) =0 \end{aligned}

이 등식의 양변을 tt 에 대해 미분하면 연쇄 법칙에 의해

0=ddtG(x(t),y(t),z(t))=∂G∂x(x(t) , y(t) , z(t)) x′(t)+∂G∂y(x(t) , y(t) , z(t)) y′(t)+∂G∂z(x(t) , y(t) , z(t)) z′(t)\begin{aligned} 0&= \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}G\big(x(t),y(t),z(t)\big) \\ &=\frac{\partial G}{\partial x}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ x'(t) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ y'(t) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ z'(t) \end{aligned}

을 얻는다. 여기에 t=t0t=t_0 을 대입하면

∂G∂x(x0 , y0 , z0) x′(t0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) y′(t0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) z′(t0)=0(E3)\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ x'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ y'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ z'(t_0) = 0 \tag{$E_3$}

이다.

마지막으로, (x,y,z)(x,y,z) 가 r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선 위의 임의의 점이면 (x,y,z)(x,y,z) 는 r0\mathbf{r}_0 에서 SS 의 접평면 위에도 있음을 보인다. (x,y,z)(x,y,z) 가 r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선 위에 있으므로, (E1)(E_1) 에 의해 다음을 만족하는 tt 가 존재한다.

∂G∂x(x0 , y0 , z0) {x−x0}+∂G∂y(x0 , y0 , z0) {y−y0}+∂G∂z(x0 , y0 , z0) {z−z0}=∂G∂x(x0 , y0 , z0) {t x′(t0)}+∂G∂y(x0 , y0 , z0) {t y′(t0)}+∂G∂z(x0 , y0 , z0) {t z′(t0)}=t[∂G∂x(x0 , y0 , z0) x′(t0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) y′(t0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) z′(t0)]=0\begin{aligned} &\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{x-x_0\} +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{y-y_0\} +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{z-z_0\} \\ &=\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,x'(t_0)\big\} +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,y'(t_0)\big\} +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,z'(t_0)\big\}\\ &= t\left[\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ x'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ y'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ z'(t_0) \right] =0 \end{aligned}

이며, 마지막 등호는 (E3)(E_3) 에 의한 것이다. 즉 (x,y,z)(x,y,z) 는 r0\mathbf{r}_0 에서 SS 의 접평면의 방정식 (E2)(E_2) 를 만족하므로 그 접평면 위에 있다. 따라서 r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선은 r0\mathbf{r}_0 에서 SS 의 접평면에 포함된다.

원본 교재 풀이(영어)

Denote by SS the surface G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 and by CC the parametrized curve r(t)=(x(t),y(t),z(t))\mathbf{r}(t)=\big(x(t),y(t),z(t)\big). To start, we'll find the tangent plane to SS at r0\mathbf{r}_0 and the tangent line to CC at r0\mathbf{r}_0.

  • The tangent vector to CC at r0\mathbf{r}_0 is (x′(t0) , y′(t0) , z′(t0))\left( x'(t_0)\,,\,y'(t_0)\,,\,z'(t_0) \right), so the parametric equations for the tangent line to CC at r0\mathbf{r}_0 are

x−x0=tx′(t0)y−y0=tx′(t0)z−z0=tx′(t0)(E1)x-x_0 = t x'(t_0)\qquad y-y_0 = t x'(t_0)\qquad z-z_0 = t x'(t_0) \tag{$E_1$}

  • The gradient (∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0))\left(\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right) is a normal vector to the surface SS at (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0). So the tangent plane to the surface SS at (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) is

(∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0))⋅(x−x0 , y−y0 , z−z0)=0\left(\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right) \cdot \left( x-x_0\,,\, y-y_0\,,\,z-z_0\right) = 0

or

∂G∂x(x0 , y0 , z0) (x−x0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) (y−y0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) (z−z0)=0(E2)\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (x-x_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (y-y_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (z-z_0) = 0 \tag{$E_2$}

Next, we'll show that the tangent vector (x′(t0) , y′(t0) , z′(t0))\left( x'(t_0)\,,\,y'(t_0)\,,\,z'(t_0) \right) to CC at r0\mathbf{r}_0 and the normal vector (∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0))\left(\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right) to SS at r0\mathbf{r}_0 are perpendicular to each other. To do so, we observe that, for every tt, the point (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) lies on the surface G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 and so obeys

G(x(t),y(t),z(t))=0\begin{aligned} G\big(x(t),y(t),z(t)\big) =0 \end{aligned}

Differentiating this equation with respect to tt gives, by the chain rule,

0=ddtG(x(t),y(t),z(t))=∂G∂x(x(t) , y(t) , z(t)) x′(t)+∂G∂y(x(t) , y(t) , z(t)) y′(t)+∂G∂z(x(t) , y(t) , z(t)) z′(t)\begin{aligned} 0&= \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}G\big(x(t),y(t),z(t)\big) \\ &=\frac{\partial G}{\partial x}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ x'(t) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ y'(t) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ z'(t) \end{aligned}

Then setting t=t0t=t_0 gives

∂G∂x(x0 , y0 , z0) x′(t0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) y′(t0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) z′(t0)=0(E3)\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ x'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ y'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ z'(t_0) = 0 \tag{$E_3$}

Finally, we are in a position to show that if (x,y,z)(x,y,z) is any point on the tangent line to CC at r0\mathbf{r}_0, then (x,y,z)(x,y,z) is also on the tangent plane to SS at r0\mathbf{r}_0. As (x,y,z)(x,y,z) is on the tangent line to CC at r0\mathbf{r}_0 then there is a tt such that, by (E1)(E_1),

∂G∂x(x0 , y0 , z0) {x−x0}+∂G∂y(x0 , y0 , z0) {y−y0}+∂G∂z(x0 , y0 , z0) {z−z0}=∂G∂x(x0 , y0 , z0) {t x′(t0)}+∂G∂y(x0 , y0 , z0) {t y′(t0)}+∂G∂z(x0 , y0 , z0) {t z′(t0)}=t[∂G∂x(x0 , y0 , z0) x′(t0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) y′(t0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) z′(t0)]=0\begin{aligned} &\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{x-x_0\} +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{y-y_0\} +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{z-z_0\} \\ &=\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,x'(t_0)\big\} +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,y'(t_0)\big\} +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,z'(t_0)\big\}\\ &= t\left[\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ x'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ y'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ z'(t_0) \right] =0 \end{aligned}

by (E3)(E_3). That is, (x,y,z)(x,y,z) obeys the equation, (E2)(E_2), of the tangent plane to SS at r0\mathbf{r}_0 and so is on that tangent plane. So the tangent line to CC at r0\mathbf{r}_0 is contained in the tangent plane to SS at r0\mathbf{r}_0.

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