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.

5문제 · 1 / 1쪽

1.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
# 매개변수 곡면계산보통자동 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 · 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)
3.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)
4.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)
5.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)