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.

2문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-4 · 3.1절 · 7번대학 수준우리말 번역

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

(a) 평면 x=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.

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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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