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 · 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)
2.CLP-4 · 3.1절 · 7번대학 수준우리말 번역

축에 평행하지 않은 직선을 회전축으로 하는 회전체를 매개변수로 나타내세요. 먼저 회전시키는 평면이 그 축에 수직임을 보이는 것이 좋을 수 있습니다.

(a) 평면 x=yx=y 위에 있고 중심이 (2,2,4)(2,2,4) 이며 반지름이 1인 원의 매개변수 방정식을 구하세요. (b) (a)의 원을 직선 r(t)=4ı^+4ȷ^+tk^\mathbf{r}(t)=4\hat{\boldsymbol{\imath}}+4\hat{\boldsymbol{\jmath}}+t\hat{\mathbf{k}} 를 축으로 회전시켜 만들어지는 곡면의 매개변수 방정식을 구하세요.

그림

영어 원문 보기

Parametrize a solid of rotation about a line not parallel to an axis. Maybe first show that the plane you're rotating is normal to that axis.

(a) Give a parametric equation for the circle of radius 1, centred at (2,2,4)(2,2,4), lying in the plane x=yx=y. (b) Give a parametrized equation for the surface formed by rotating the circle from part (a) about the line r(t)=4ı^+4ȷ^+tk^\mathbf{r}(t)=4\hat{\boldsymbol{\imath}}+4\hat{\boldsymbol{\jmath}}+t\hat{\mathbf{k}}.

figure

정답·풀이 보기

(a) 아래 그림에서 점 (x,y,z)(x,y,z) 는 중심 (2,2,4)(2,2,4) 에서 k^\hat{\mathbf{k}} 방향으로 sin⁡θ\sin\theta 단위, 12(ı^+ȷ^)\sqrt \frac1{\sqrt 2}(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}) 방향으로 cos⁡θ\cos\theta 단위만큼 벗어나 있다. 따라서 (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta) 이다.

그림

따라서 이 원을 0≤θ≤2π0 \le \theta \le 2\pi 에서 (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta) 로 매개변수화할 수 있다.

참고: 이 방정식이 우리가 원하는 두 가지 성질을 만족함은 쉽게 확인할 수 있다. xx좌표와 yy좌표가 같으므로 평면 x=yx=y 위에 있다. 중심이 (2,2,4)(2,2,4) 인 원임을 확인하기 위해, (x,y,z)(x,y,z) 에서 (2,2,4)(2,2,4) 까지의 거리를 구하면 다음과 같다.

d=(x−2)2+(y−2)2+(z−4)2=(12cos⁡θ)2+(12cos⁡θ)2+(sin⁡θ)2=12cos⁡2θ+12cos⁡2θ+sin⁡2θ=cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\begin{aligned} d&=\sqrt{(x-2)^2+(y-2)^2+(z-4)^2}=\sqrt{\left(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta\right)^2+\left(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta\right)^2+\left(\sin\theta\right)^2}\\ &=\sqrt{\frac12\cos^2\theta+\frac12\cos^2\theta+\sin^2\theta}=\sqrt{\cos^2\theta+\sin^2\theta}=1 \end{aligned}

따라서 모든 점이 같은 한 점으로부터 거리가 1이다. 즉, 이 점들은 반지름이 1인 원 위에 있다.

(b) 점 (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta) 를 직선 x=y=4x=y=4 를 축으로 ϕ\phi 라디안만큼 회전시키는 경우를 생각한다.

그림

회전한 점의 높이는 z=4+sin⁡θz=4+\sin\theta 로 그대로이다. 직선 x=y=4x=y=4 까지의 거리도 변하지 않는다: R=(x−4)2+(y−4)2+(z−z)2=(12cos⁡θ−2)2+(12cos⁡θ−2)2+0)=cos⁡θ−22R=\sqrt{(x-4)^2+(y-4)^2+(z-z)^2}=\sqrt{(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta-2)^2+(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta-2)^2+0)}=\cos\theta-2\sqrt2.

원 위의 점 (x,y,z)=(2+12cos⁡θ,2+12cos⁡θ,4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt2}\cos\theta,2+\frac{1}{\sqrt 2} \cos \theta,4+\sin\theta) 가 그리는 원은 중심이 (4,4,z)(4,4,z) 이고 반지름이 2(4−x)\sqrt2(4-x) 이므로, 그 방정식은 x=4+2(2−2cos⁡θ)cos⁡ϕx=4+\sqrt2(2-\sqrt2\cos\theta)\cos\phi, y=4+2(2−2cos⁡θ)sin⁡ϕy=4+\sqrt2(2-\sqrt2\cos\theta)\sin\phi, z=4sin⁡θz=4\sin\theta 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) In the sketch below, the point (x,y,z)(x,y,z) deviates from the centre (2,2,4)(2,2,4) by sin⁡θ\sin\theta units in the k^\hat{\mathbf{k}} direction, and by cos⁡θ\cos\theta units in the 12(ı^+ȷ^)\sqrt \frac1{\sqrt 2}(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}) direction. So, (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta).

figure

So, we can parametrize the circle as (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta), with 0≤θ≤2π0 \le \theta \le 2\pi.

Remark: it's easy to check that this equation satisfies the two properties we desire. Since the xx- and yy coordinates match, it's in the plane x=yx=y. To check that it's a circle centred at (2,2,4)(2,2,4), we note the distance from (x,y,z)(x,y,z) to (2,2,4)(2,2,4) is:

d=(x−2)2+(y−2)2+(z−4)2=(12cos⁡θ)2+(12cos⁡θ)2+(sin⁡θ)2=12cos⁡2θ+12cos⁡2θ+sin⁡2θ=cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\begin{aligned} d&=\sqrt{(x-2)^2+(y-2)^2+(z-4)^2}=\sqrt{\left(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta\right)^2+\left(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta\right)^2+\left(\sin\theta\right)^2}\\ &=\sqrt{\frac12\cos^2\theta+\frac12\cos^2\theta+\sin^2\theta}=\sqrt{\cos^2\theta+\sin^2\theta}=1 \end{aligned}

So, our points all have distance one from the same point — that is, they lie on a circle of radius 1.

(b) Consider a point (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta), rotating ϕ\phi radians about the line x=y=4x=y=4.

figure

The new position of the point has the same height, z=4+sin⁡θz=4+\sin\theta. Its distance from the line x=y=4x=y=4 is also preserved: R=(x−4)2+(y−4)2+(z−z)2=(12cos⁡θ−2)2+(12cos⁡θ−2)2+0)=cos⁡θ−22R=\sqrt{(x-4)^2+(y-4)^2+(z-z)^2}=\sqrt{(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta-2)^2+(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta-2)^2+0)}=\cos\theta-2\sqrt2.

The circle traced out by a point (x,y,z)=(2+12cos⁡θ,2+12cos⁡θ,4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt2}\cos\theta,2+\frac{1}{\sqrt 2} \cos \theta,4+\sin\theta) on the circle is centred at (4,4,z)(4,4,z) with radius 2(4−x)\sqrt2(4-x), so it has equation x=4+2(2−2cos⁡θ)cos⁡ϕx=4+\sqrt2(2-\sqrt2\cos\theta)\cos\phi, y=4+2(2−2cos⁡θ)sin⁡ϕy=4+\sqrt2(2-\sqrt2\cos\theta)\sin\phi, z=4sin⁡θz=4\sin\theta.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.1절 · 6번
# 매개변수 곡면증명·논술도전자동 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 · 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)
4.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)
5.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.

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# 매개변수 곡면계산도전자동 분류
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