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벡터와 공간 전체 문제

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35문제 · 2 / 2쪽

21.CLP-3 · 1.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

세 점 (1,0,0)(1,0,0), (0,1,0)(0,1,0), (0,0,1)(0,0,1)을 지나는 평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the equation of the plane that contains (1,0,0)(1,0,0), (0,1,0)(0,1,0) and (0,0,1)(0,0,1).

정답·풀이 보기

풀이 1: 너무 쉽다. 그냥 짐작하면 된다. 평면 x+y+z=1x+y+z=1은 주어진 세 점을 모두 지난다.

풀이 2: 이 평면은 원점을 지나지 않는다. (간단히 그림을 그려 보면 알 수 있다.) 따라서 이 평면의 방정식은 ax+by+cz=1ax+by+cz=1 꼴이다.

  • (1,0,0)(1,0,0)이 평면 위에 있으려면

a(1)+b(0)+c(0)=1  ⟹  a=1a(1) +b(0) +c(0) =1 \implies a=1

  • (0,1,0)(0,1,0)이 평면 위에 있으려면

a(0)+b(1)+c(0)=1  ⟹  b=1a(0) +b(1) +c(0) =1 \implies b=1

  • (0,0,1)(0,0,1)이 평면 위에 있으려면

a(0)+b(0)+c(1)=1  ⟹  c=1a(0) +b(0) +c(1) =1 \implies c=1

따라서 이 평면은 x+y+z=1x+y+z=1이다.

풀이 3: (1,0,0)(1,0,0)에서 (0,1,0)(0,1,0)까지의 벡터, 즉 <−1,1,0>\left< -1,1,0\right>의 시점과 종점은 모두 평면 위에 있다. 마찬가지로 (1,0,0)(1,0,0)에서 (0,0,1)(0,0,1)까지의 벡터, 즉 <−1,0,1>\left< -1,0,1\right>의 시점과 종점도 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터

<−1,1,0>×<−1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^−110−101]=<1,1,1>\begin{aligned} \left< -1,1,0\right> \times \left< -1,0,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -1 & 1 & 0 \\ -1 & 0 & 1 \end{matrix}\right] =\left< 1 , 1 ,1 \right> \end{aligned}

은 이 평면의 법선 벡터이다. (1,0,0)(1,0,0)이 평면 위의 점이므로

<1,1,1>⋅<x−1 , y−0 , z−0>=0또는x+y+z=1\begin{aligned} \left< 1 , 1 ,1 \right> \cdot \left< x-1\,,\,y-0\,,\, z-0 \right> = 0\qquad \text{또는}\quad x+y+z=1 \end{aligned}

이 평면의 방정식이다.

원본 교재 풀이(영어)

Solution 1: That's too easy. We just guess. The plane x+y+z=1x+y+z=1 contains all three given points.

Solution 2: The plane does not pass through the origin. (You can see this by just making a quick sketch.) So the plane has an equation of the form ax+by+cz=1ax+by+cz=1.

  • For (1,0,0)(1,0,0) to be on the plane we need that

a(1)+b(0)+c(0)=1  ⟹  a=1a(1) +b(0) +c(0) =1 \implies a=1

  • For (0,1,0)(0,1,0) to be on the plane we need that

a(0)+b(1)+c(0)=1  ⟹  b=1a(0) +b(1) +c(0) =1 \implies b=1

  • For (0,0,1)(0,0,1) to be on the plane we need that

a(0)+b(0)+c(1)=1  ⟹  c=1a(0) +b(0) +c(1) =1 \implies c=1

So the plane is x+y+z=1x+y+z=1.

Solution 3: Both the head and the tail of the vector from (1,0,0)(1,0,0) to (0,1,0)(0,1,0), namely <−1,1,0>\left< -1,1,0\right>, lie in the plane. Similarly, both the head and the tail of the vector from (1,0,0)(1,0,0) to (0,0,1)(0,0,1), namely <−1,0,1>\left< -1,0,1\right>, lie in the plane. So the vector

<−1,1,0>×<−1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^−110−101]=<1,1,1>\begin{aligned} \left< -1,1,0\right> \times \left< -1,0,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -1 & 1 & 0 \\ -1 & 0 & 1 \end{matrix}\right] =\left< 1 , 1 ,1 \right> \end{aligned}

is a normal vector for the plane. As (1,0,0)(1,0,0) is a point in the plane,

<1,1,1>⋅<x−1 , y−0 , z−0>=0orx+y+z=1\begin{aligned} \left< 1 , 1 ,1 \right> \cdot \left< x-1\,,\,y-0\,,\, z-0 \right> = 0\qquad \text{or}\quad x+y+z=1 \end{aligned}

is an equation for the plane.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 3번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
22.CLP-3 · 1.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 무엇이 잘못되었는지 설명하세요. “세 점 (1,2,3)(1,2,3), (2,3,4)(2,3,4), (3,4,5)(3,4,5)를 포함하는 평면의 방정식을 구하세요.”

영어 원문 보기

What's wrong with the following exercise? “Find the equation of the plane containing (1,2,3)(1,2,3), (2,3,4)(2,3,4) and (3,4,5)(3,4,5).”

정답·풀이 보기

(1,2,3)(1,2,3)에서 (2,3,4)(2,3,4)까지의 벡터, 즉 <1,1,1>\left< 1,1,1\right>은 (1,2,3)(1,2,3)에서 (3,4,5)(3,4,5)까지의 벡터, 즉 <2,2,2>\left< 2,2,2\right>와 평행하다. 따라서 주어진 세 점은 한 직선 위에 있다. 정확히 말하면, 세 점 (1,2,3), (2,3,4)(1,2,3),\ (2,3,4), (3,4,5)(3,4,5)는 모두 직선 <x−1,y−2,z−3>=t<1,1,1>\left< x-1,y-2,z-3\right>=t\left< 1,1,1\right> 위에 있다. 이 직선을 지나는 평면은 많다.

원본 교재 풀이(영어)

The vector from (1,2,3)(1,2,3) to (2,3,4)(2,3,4), namely <1,1,1>\left< 1,1,1\right> is parallel to the vector from (1,2,3)(1,2,3) to (3,4,5)(3,4,5), namely <2,2,2>\left< 2,2,2\right>. So the three given points are collinear. Precisely, all three points (1,2,3), (2,3,4)(1,2,3),\ (2,3,4) and (3,4,5)(3,4,5) are on the line <x−1,y−2,z−3>=t<1,1,1>\left< x-1,y-2,z-3\right>=t\left< 1,1,1\right>. There are many planes through that line.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 4번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
23.CLP-3 · 1.5절 · 1번대학 수준우리말 번역

다음 문제에 어떤 잘못이 있는지 설명하세요.

“점 (3,1,3)(3,1,3) 을 지나고 벡터 <4,−6,2>\left< 4,-6,2 \right> 와 <13,−12,16>\left< \frac13,-\frac12,\frac16 \right> 에 수직인 직선의 방정식을 구하세요.”

영어 원문 보기

What is wrong with the following exercise?

“Give an equation for the line passing through the point (3,1,3)(3,1,3) that is normal to the vectors <4,−6,2>\left< 4,-6,2 \right> and <13,−12,16>\left< \frac13,-\frac12,\frac16 \right>."

정답·풀이 보기

12<13,−12,16>=<4,−6,2>12\left< \frac13,-\frac12,\frac16 \right>=\left< 4,-6,2 \right> 임에 주목한다. 따라서 우리가 구하려는 직선에 대해 실제로 알고 있는 법선 방향은 하나뿐이다. 즉 주어진 조건을 만족하는 직선은 사실 무수히 많다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Note 12<13,−12,16>=<4,−6,2>12\left< \frac13,-\frac12,\frac16 \right>=\left< 4,-6,2 \right>. So, we actually only know one normal direction to the line we're supposed to be describing. That means there are actually infinitely many lines satisfying the given conditions.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.5절 · 6번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
24.CLP-3 · 1.5절 · 2번대학 수준우리말 번역

가능하다면, 3차원 공간에서 다음 조건을 만족하는 직선 네 개를 구하세요.

  • 어떤 두 직선도 서로 평행하지 않고,
  • 어떤 두 직선도 서로 만나지 않는다.
영어 원문 보기

Find, if possible, four lines in 3d with

  • no two of the lines parallel to each other and
  • no two of the lines intersecting.
정답·풀이 보기

정답은 무수히 많다. 그중 하나는

L1: <x , y , z−1>=t<1,0,0>L2: <x , y , z−2>=t<0,1,0>L3: <x , y , z−3>=t<1,1,0>L4: <x , y , z−4>=t<1,−1,0>\begin{aligned} L_1:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-1\right> &= t\left< 1,0,0\right> & L_2:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-2\right> &= t\left< 0,1,0\right> \\ L_3:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-3\right> &= t\left< 1,1,0\right> & L_4:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-4\right> &= t\left< 1,-1,0\right> \end{aligned}

이다.

어떤 두 직선도 평행하지 않다. 그 이유는 다음과 같다.

  • L1L_1 과 L2L_2 는 평행하지 않다. 왜냐하면 <1,0,0>×<0,1,0>=<0,0,1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 0,1,0\right>=\left< 0,0,1\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.
  • L1L_1 과 L3L_3 은 평행하지 않다. 왜냐하면 <1,0,0>×<1,1,0>=<0,0,1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 1,1,0\right>=\left< 0,0,1\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.
  • L1L_1 과 L4L_4 는 평행하지 않다. 왜냐하면 <1,0,0>×<1,−1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.
  • L2L_2 와 L3L_3 은 평행하지 않다. 왜냐하면 <0,1,0>×<1,1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 0,1,0\right>\times \left< 1,1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.
  • L2L_2 와 L4L_4 는 평행하지 않다. 왜냐하면 <0,1,0>×<1,−1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 0,1,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.
  • L3L_3 과 L4L_4 는 평행하지 않다. 왜냐하면 <1,1,0>×<1,−1,0>=<0,0,−2>≠0\left< 1,1,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-2\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.

어떤 두 직선도 만나지 않는다. 그 이유는 다음과 같다.

  • L1L_1 위의 모든 점은 z=1z=1 이고
  • L2L_2 위의 모든 점은 z=2z=2 이고
  • L3L_3 위의 모든 점은 z=3z=3 이고
  • L4L_4 위의 모든 점은 z=4z=4 이다.
원본 교재 풀이(영어)

There are infinitely many correct answers. One is

L1: <x , y , z−1>=t<1,0,0>L2: <x , y , z−2>=t<0,1,0>L3: <x , y , z−3>=t<1,1,0>L4: <x , y , z−4>=t<1,−1,0>\begin{aligned} L_1:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-1\right> &= t\left< 1,0,0\right> & L_2:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-2\right> &= t\left< 0,1,0\right> \\ L_3:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-3\right> &= t\left< 1,1,0\right> & L_4:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-4\right> &= t\left< 1,-1,0\right> \end{aligned}

No two of the lines are parallel because

  • L1L_1 and L2L_2 are not parallel because <1,0,0>×<0,1,0>=<0,0,1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 0,1,0\right>=\left< 0,0,1\right>\ne\mathbf{0}.
  • L1L_1 and L3L_3 are not parallel because <1,0,0>×<1,1,0>=<0,0,1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 1,1,0\right>=\left< 0,0,1\right>\ne\mathbf{0}.
  • L1L_1 and L4L_4 are not parallel because <1,0,0>×<1,−1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0}.
  • L2L_2 and L3L_3 are not parallel because <0,1,0>×<1,1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 0,1,0\right>\times \left< 1,1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0}.
  • L2L_2 and L4L_4 are not parallel because <0,1,0>×<1,−1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 0,1,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0}.
  • L3L_3 and L4L_4 are not parallel because <1,1,0>×<1,−1,0>=<0,0,−2>≠0\left< 1,1,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-2\right>\ne\mathbf{0}.

No two of the lines intersect because

  • every point on L1L_1 has z=1z=1 and
  • every point on L2L_2 has z=2z=2 and
  • every point on L3L_3 has z=3z=3 and
  • every point on L4L_4 has z=4z=4.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.5절 · 1번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
25.CLP-3 · 1.7절 · 1번대학 수준우리말 번역

다음 방정식과 식을 알맞은 그림과 짝지으세요. 직교좌표는 (x,y,z)(x, y, z), 원기둥좌표는 (r,θ,z)(r, \theta, z), 구면좌표는 (ρ,θ,φ)(\rho, \theta, \varphi) 입니다.

(A) 그림

(B) 그림

(C) 그림

(D) 그림

(E) 그림

(F) 그림

(a)φ=π/3(b)r=2cos⁡θ(c)x2+y2=z2+1(d)y=x2+z2(e)ρ=2cos⁡φ(f)z=x4+y4−4xy\begin{aligned} &\text{(a)}\quad& \varphi&=\pi/3 & &\text{(b)}\quad& r&=2\cos\theta & &\text{(c)}\quad& x^2+y^2&=z^2+1 \\ &\text{(d)}& y&=x^2+z^2\qquad & &\text{(e)}& \rho&=2\cos\varphi\qquad & &\text{(f)}& z&=x^4+y^4-4xy & \end{aligned}

영어 원문 보기

Match the following equations and expressions with the corresponding pictures. Cartesian coordinates are (x,y,z)(x, y, z), cylindrical coordinates are (r,θ,z)(r, \theta, z), and spherical coordinates are (ρ,θ,φ)(\rho, \theta, \varphi).

(A) figure

(B) figure

(C) figure

(D) figure

(E) figure

(F) figure

(a)φ=π/3(b)r=2cos⁡θ(c)x2+y2=z2+1(d)y=x2+z2(e)ρ=2cos⁡φ(f)z=x4+y4−4xy\begin{aligned} &\text{(a)}\quad& \varphi&=\pi/3 & &\text{(b)}\quad& r&=2\cos\theta & &\text{(c)}\quad& x^2+y^2&=z^2+1 \\ &\text{(d)}& y&=x^2+z^2\qquad & &\text{(e)}& \rho&=2\cos\varphi\qquad & &\text{(f)}& z&=x^4+y^4-4xy & \end{aligned}

정답·풀이 보기

(a) φ=π3\varphi =\frac{\pi}{3} 는 (구면좌표) φ\varphi 가 상수인 곡면이다. 따라서 원점을 꼭짓점으로 하는 원뿔이다. 0≤φ≤π20\le\varphi\le\frac{\pi}{2} 이므로 z≥0z\ge 0 이고, 다음과 같이 φ=π3\varphi=\frac{\pi}{3} 를 직교좌표로 나타낼 수 있다.

φ=π3  ⟺  tan⁡φ=32  ⟺  ρsin⁡φ=32ρcos⁡φ  ⟺  x2+y2=32z\begin{aligned} \varphi=\frac{\pi}{3} \iff \tan\varphi =\frac{\sqrt{3}}{2} \iff \rho\sin\varphi =\frac{\sqrt{3}}{2}\rho\cos\varphi \iff \sqrt{x^2+y^2}=\frac{\sqrt{3}}{2} z \end{aligned}

따라서 (a)에 해당하는 그림은 (C)이다.

(b) rr 와 θ\theta 는 원기둥좌표이므로

r=2cos⁡θ  ⟺  r2=2rcos⁡θ  ⟺  x2+y2=2x  ⟺  (x−1)2+y2=1\begin{aligned} r=2\cos\theta \iff r^2=2 r\cos\theta \iff x^2+y^2 = 2x \iff (x-1)^2+y^2=1 \end{aligned}

(x−1)2+y2=1(x-1)^2+y^2=1 에는 zz 가 나타나지 않는다. 따라서 (x−1)2+y2=1(x-1)^2+y^2=1 의 zz 가 상수인 모든 단면은 직선 x=1x=1, y=0y=0 위에 중심이 있고 반지름이 11 인 (수평) 원이다. 이는 직선 x=1x=1, y=0y=0 을 중심축으로 하고 반지름이 11 인 원기둥이다. 따라서 (b)에 해당하는 그림은 (F)이다.

(c) x2+y2=z2+1x^2+y^2=z^2+1 의 zz 가 상수인 각 단면은 zz 축 위에 중심이 있는 (수평) 원이다. 이 원의 반지름은 z=0z=0 일 때 11 이고, zz 가 z=0z=0 에서 멀어질수록 커진다. 따라서 x2+y2=z2+1x^2+y^2=z^2+1 은 (수평) 원들이 차곡차곡 쌓인 모양이고, 반지름은 ∣z∣|z| 에 따라 증가한다. 이는 일엽쌍곡면이다. (c)에 해당하는 그림은 (D)이다.

(d) y=x2+z2y=x^2+z^2 의 모든 점은 y≥0y\ge 0 이다. 이 성질을 가진 것은 (B)뿐이다. 또한 yy 가 상수인 각 단면은 x=z=0x=z=0 에 중심이 있는 원임을 알 수 있다. 이 원의 반지름은 y=0y=0 일 때 00 이고, yy 가 커질수록 증가한다. 곡면 y=x2+z2y=x^2+z^2 은 포물면이다. (d)에 해당하는 그림은 (B)이다.

(e) ρ\rho 와 φ\varphi 는 구면좌표이므로

ρ=2cos⁡φ  ⟺  ρ2=2ρcos⁡φ  ⟺  x2+y2+z2=2z  ⟺  x2+y2+(z−1)2=1\begin{aligned} \rho=2\cos\varphi \iff \rho^2=2\rho\cos\varphi \iff x^2+y^2+z^2=2z \iff x^2+y^2 + (z-1)^2=1 \end{aligned}

이는 (0,0,1)(0,0,1) 을 중심으로 하고 반지름이 11 인 구이다. (e)에 해당하는 그림은 (A)이다.

(f) 남은 가능성은 하나뿐이므로 (f)에 해당하는 그림은 (E)이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) φ=π3\varphi =\frac{\pi}{3} is a surface of constant (spherical coordinate) φ\varphi. So it is a cone with vertex at the origin. We can express φ=π3\varphi=\frac{\pi}{3} in cartesian coordinates by observing that 0≤φ≤π20\le\varphi\le\frac{\pi}{2} so that z≥0z\ge 0, and

φ=π3  ⟺  tan⁡φ=32  ⟺  ρsin⁡φ=32ρcos⁡φ  ⟺  x2+y2=32z\begin{aligned} \varphi=\frac{\pi}{3} \iff \tan\varphi =\frac{\sqrt{3}}{2} \iff \rho\sin\varphi =\frac{\sqrt{3}}{2}\rho\cos\varphi \iff \sqrt{x^2+y^2}=\frac{\sqrt{3}}{2} z \end{aligned}

So the picture that corresponds to (a) is (C).

(b) As rr and θ\theta are cylindrical coordinates

r=2cos⁡θ  ⟺  r2=2rcos⁡θ  ⟺  x2+y2=2x  ⟺  (x−1)2+y2=1\begin{aligned} r=2\cos\theta \iff r^2=2 r\cos\theta \iff x^2+y^2 = 2x \iff (x-1)^2+y^2=1 \end{aligned}

There is no zz appearing in (x−1)2+y2=1(x-1)^2+y^2=1. So every constant zz cross–section of (x−1)2+y2=1(x-1)^2+y^2=1 is a (horizontal) circle of radius 11 centred on the line x=1x=1, y=0y=0. It is a cylinder of radius 11 centred on the line x=1x=1, y=0y=0. So the picture that corresponds to (b) is (F).

(c) Each constant zz cross–section of x2+y2=z2+1x^2+y^2=z^2+1 is a (horizontal) circle centred on the zz–axis. The radius of the circle is 11 when z=0z=0 and grows as zz moves away from z=0z=0. So x2+y2=z2+1x^2+y^2=z^2+1 consists of a bunch of (horizontal) circles stacked on top of each other, with the radius increasing with ∣z∣|z|. It is a hyperboloid of one sheet. The picture that corresponds to (c) is (D).

(d) Every point of y=x2+z2y=x^2+z^2 has y≥0y\ge 0. Only (B) has that property. We can also observe that every constant yy cross–section is a circle centred on x=z=0x=z=0. The radius of the circle is zero when y=0y=0 and increases as yy increases. The surface y=x2+z2y=x^2+z^2 is a paraboloid. The picture that corresponds to (d) is (B).

(e) As ρ\rho and φ\varphi are spherical coordinates

ρ=2cos⁡φ  ⟺  ρ2=2ρcos⁡φ  ⟺  x2+y2+z2=2z  ⟺  x2+y2+(z−1)2=1\begin{aligned} \rho=2\cos\varphi \iff \rho^2=2\rho\cos\varphi \iff x^2+y^2+z^2=2z \iff x^2+y^2 + (z-1)^2=1 \end{aligned}

This is the sphere of radius 11 centred on (0,0,1)(0,0,1). The picture that corresponds to (e) is (A).

(f) The only possibility left is that the picture that corresponds to (f) is (E).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 2번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석기본자동 분류
26.CLP-3 · 1.7절 · 2번대학 수준우리말 번역

아래 (a), (b) 각각에는 어떤 함수 f(x,y)f(x,y) 의 등위곡선 몇 개 중 제1사분면 부분을 그린 스케치가 주어져 있다. 이에 대응하는 그래프 z=f(x,y)z=f(x,y) 의 제1팔분공간 부분을 그리세요.

(a) 그림

(b) 그림

영어 원문 보기

In each of (a) and (b) below, you are provided with a sketch of the first quadrant parts of a few level curves of some function f(x,y)f(x,y). Sketch the first octant part of the corresponding graph z=f(x,y)z=f(x,y).

(a) figure

(b) figure

정답·풀이 보기

아래 각 풀이는 세 개의 스케치로 이루어진다.

  • 첫 번째 스케치에서는 주어진 등위곡선을 그대로 다시 그리되, zz축 위 높은 곳에서 xyxy평면을 내려다보는 것처럼 보이도록 xx축과 yy축의 방향을 고쳐 그린다.
  • 두 번째 스케치에서는 각 등위곡선 f(x,y)=Cf(x,y)=C 를 위로 들어 올려 수평면 z=Cz=C 위에 그린다. 즉 다음 집합을 그린다.

{ (x,y,z) ∣ f(x,y)=C, z=C, x≥0,y≥0 }={ (x,y,z) ∣ z=f(x,y), z=C, x≥0,y≥0 }\begin{aligned} &\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ f(x,y)=C,\ z=C,\ x\ge 0, y\ge 0\ \big\} \\ &=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ z=f(x,y),\ z=C,\ x\ge 0, y\ge 0\ \big\} \end{aligned}

  • 마지막으로 세 번째 스케치에서는 “두 번째 스케치의 빈틈을 메워서” 그래프 z=f(x,y)z=f(x,y) 의 제1팔분공간 부분을 그린다.

(a)

그림

그림

그림

(b)

그림

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

Each solution below consists of three sketchs.

  • In the first sketch, we just redraw the given level curves with the xx- and yy-axes reoriented so that the sketch looks like we are high on the zz-axis looking down at the xyxy-plane.
  • In the second sketch, we lift up each level curve f(x,y)=Cf(x,y)=C and draw it in the horizontal plane z=Cz=C. That is we draw

{ (x,y,z) ∣ f(x,y)=C, z=C, x≥0,y≥0 }={ (x,y,z) ∣ z=f(x,y), z=C, x≥0,y≥0 }\begin{aligned} &\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ f(x,y)=C,\ z=C,\ x\ge 0, y\ge 0\ \big\} \\ &=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ z=f(x,y),\ z=C,\ x\ge 0, y\ge 0\ \big\} \end{aligned}

  • Finally, in the third sketch, we draw the part of graph z=f(x,y)z=f(x,y) in the first octant, just by “filling in the gaps in the second sketch”.

(a)

figure

figure

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(b)

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 3번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석기본자동 분류
27.CLP-3 · 1.7절 · 3번대학 수준우리말 번역

아래에 그래프 z=f(x,y)z=f(x,y) 가 스케치되어 있는 함수 f(x,y)f(x,y) 의 등위곡선을 몇 개 그리세요.

그림

영어 원문 보기

Sketch a few level curves for the function f(x,y)f(x,y) whose graph z=f(x,y)z=f(x,y) is sketched below.

figure

정답·풀이 보기

먼저 그래프의 스케치에 C=3C=3, 22, 11, 0.50.5, 0.250.25 에 대한 수평면 z=Cz=C 를 덧붙인다.

그림

복잡해 보이지 않도록, 각 CC 에 대해 다음 두 가지만 그려 넣었다.

  • 수평면 z=Cz=C 와 yzyz평면, 즉 수직 평면 x=0x=0 의 교선(회색)
  • 수평면 z=Cz=C 와 그래프 z=f(x,y)z=f(x,y) 의 교선(파란색)

평면 z=0.25z=0.25 의 이름표는 생략했다.

평면 z=Cz=C 와 그래프 z=f(x,y)z=f(x,y) 의 교선은 직선

{ (x,y,z) ∣ z=f(x,y), z=C }={ (x,y,z) ∣ f(x,y)=C, z=C }\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ z=f(x,y),\ z=C\ \big\} = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ f(x,y)=C,\ z=C\ \big\}

이다. (xx축에 평행한) 이 직선을 평면 z=Cz=C 가 아니라 xyxy평면에 그리면 등위곡선이 된다. C=3C=3, 22, 11, 0.50.5, 0.250.25 각각에 대해 이렇게 하면 다섯 개의 등위곡선을 얻는다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

We first add into the sketch of the graph the horizontal planes z=Cz=C, for C=3C=3, 22, 11, 0.50.5, 0.250.25.

figure

To reduce clutter, for each CC, we have drawn in only

  • the (gray) intersection of the horizontal plane z=Cz=C with the yzyz–plane, i.e. with the vertical plane x=0x=0, and
  • the (blue) intersection of the horizontal plane z=Cz=C with the graph z=f(x,y)z=f(x,y).

We have also omitted the label for the plane z=0.25z=0.25.

The intersection of the plane z=Cz=C with the graph z=f(x,y)z=f(x,y) is line

{ (x,y,z) ∣ z=f(x,y), z=C }={ (x,y,z) ∣ f(x,y)=C, z=C }\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ z=f(x,y),\ z=C\ \big\} = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ f(x,y)=C,\ z=C\ \big\}

Drawing this line (which is parallel to the xx-axis) in the xyxy-plane, rather than in the plane z=Cz=C, gives a level curve. Doing this for each of C=3C=3, 22, 11, 0.50.5, 0.250.25 gives five level curves.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 12번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석기본자동 분류
28.CLP-4 · 1.2절 · 2번대학 수준우리말 번역

함수 r(s)=sin⁡(s+12)ı^+cos⁡(s+12)ȷ^+32(s+1)k^\mathbf{r}(s)=\sin\left(\frac{s+1}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\cos\left(\frac{s+1}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{\sqrt3}{2}(s+1)\hat{\mathbf{k}} 는 점 PP 에서 시작하여 호의 길이로 매개화되어 있다. PP 는 어디인지 구하세요.

영어 원문 보기

The function r(s)=sin⁡(s+12)ı^+cos⁡(s+12)ȷ^+32(s+1)k^\mathbf{r}(s)=\sin\left(\frac{s+1}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\cos\left(\frac{s+1}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{\sqrt3}{2}(s+1)\hat{\mathbf{k}} is parametrized in terms of arclength, starting from the point PP. What is PP?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

PP 에서 PP 까지의 호의 길이는 0이므로, PP 는 s=0s=0 인 점이다. 즉, r(0)\mathbf{r}(0), 곧 (sin⁡(1/2),cos⁡(1/2),3/2)\left( \sin(1/2),\cos(1/2),\sqrt{3}/2\right) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The arclength from PP to PP will be 0, so PP is the point where s=0s=0. That is, r(0)\mathbf{r}(0), or (sin⁡(1/2),cos⁡(1/2),3/2)\left( \sin(1/2),\cos(1/2),\sqrt{3}/2\right).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 40번
# 호의 길이와 곡률계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
29.CLP-4 · 1.2절 · 3번대학 수준우리말 번역

곡선 R=a(t)\mathbf{R}=\mathbf{a}(t) 를 호의 길이로 다시 매개변수화하여 R=b(s)=a(t(s))\mathbf{R}=\mathbf{b}(s)=\mathbf{a}(t(s)) 로 나타냈습니다. t(s0)=t0t(s_0)=t_0 일 때, 다음 보기 중 벡터 a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) 와 b′(s0)\mathbf{b}'(s_0) 사이의 관계를 가장 잘 설명하는 것은 무엇인지 고르세요.

모든 t,s≥0t,s\ge0 에 대해 a′(t)\mathbf{a}'(t) 와 b′(s)\mathbf{b}'(s) 가 존재하고 영벡터가 아니라고 가정해도 됩니다.

A. 두 벡터는 평행하고 같은 방향을 향한다 B. 두 벡터는 평행하고 반대 방향을 향한다 C. 두 벡터는 수직이다 D. 두 벡터는 크기가 같다 E. 두 벡터는 서로 같다

영어 원문 보기

A curve R=a(t)\mathbf{R}=\mathbf{a}(t) is reparametrized in terms of arclength as R=b(s)=a(t(s))\mathbf{R}=\mathbf{b}(s)=\mathbf{a}(t(s)). Of the following options, which best describes the relationship between the vectors a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) and b′(s0)\mathbf{b}'(s_0), where t(s0)=t0t(s_0)=t_0?

You may assume a′(t)\mathbf{a}'(t) and b′(s)\mathbf{b}'(s) exist and are nonzero for all t,s≥0t,s\ge0.

A. they are parallel and point in the same direction B. they are parallel and point in opposite directions C. they are perpendicular D. they have the same magnitude E. they are equal

정답·풀이 보기
  • 풀이 1: 상황을 기하학적으로 살펴보자. R\mathbf{R} 을 (해당 차원의) 공간에 그리면, 매개변수화 방법에 관계없이 한 점에서의 미분계수는 R\mathbf{R} 에 접하는 벡터를 주며, 이 벡터는 매개변수가 증가할 때 곡선이 움직이는 방향을 향한다. a(t0)\mathbf{a}(t_0) 와 b(s0)\mathbf{b}(s_0) 는 곡선 위의 같은 점을 나타내므로 a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) 와 b′(s0)\mathbf{b}'(s_0) 는 평행하다. (미분계수가 영벡터가 아니라고 정했으므로, 영벡터와 평행한지를 따지는 번거로움은 없다.) 두 벡터는 모두 곡선의 같은 부분에 접한다. 또한 tt 가 증가하면 ss 도 증가하므로, tt 가 증가하는 방향은 ss 가 증가하는 방향과 같다. 따라서 A가 성립한다.

그림

이제 E를 제외하기 위해 두 벡터의 크기를 살펴보자. ∣a′(t)∣|\mathbf{a}'(t)| 는 tt 에 대해 곡선이 변하는 속력이며, 이는 (음이 아닌) 어떤 수도 될 수 있다. 마찬가지로 ∣b′(s)∣=1 |\mathbf{b}'(s)|=1 이다. 따라서 b′(s0)\mathbf{b}'(s_0) 는 단위벡터이지만 a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) 는 단위벡터일 수도, 아닐 수도 있다. 그러므로 두 벡터가 반드시 같은 것은 아니다. (같을 수는 있다.)

따라서 가장 알맞은 답은 A이다.

  • 풀이 2: 합성함수의 미분법으로 b′(s)\mathbf{b}'(s) 와 a′(t)\mathbf{a}'(t) 사이의 관계를 얻는다.

dbds=dds[a(t(s))]=dadt dtds\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}\mathbf{b}}{\mathrm{d}s}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}s}[\mathbf{a}(t(s))]=\frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}\,\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s} \end{aligned}

따라서 벡터 dbds\frac{\mathrm{d}\mathbf{b}}{\mathrm{d}s} 와 dadt\frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t} 는 스칼라 함수 dtds\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s} 만큼만 차이가 난다. 그러므로 곡선 위의 어느 점에서든 이 두 벡터는 평행하다.

또한 tt 와 ss 는 양의 상관관계에 있다. tt 가 증가하면 호의 길이가 더 늘어나므로 ss 도 증가한다. 따라서 dtds\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s} 는 음이 아니다. 게다가 미분계수가 영벡터가 아니므로 dtds\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s} 는 0이 아니다. 그러므로 b′(s0)\mathbf{b}'(s_0) 와 a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) 는 서로 양의 스칼라 배수이다. 즉, 두 벡터는 평행하고 같은 방향을 향한다. 그러나 dtds=1\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s}=1 (즉, 어떤 상수 CC 에 대해 t(s)=s+Ct(s)=s+C) 이 아닌 한 두 벡터의 크기는 같지 않으며, 따라서 서로 같지 않다.

따라서 가장 알맞은 답은 A이다.

원본 교재 풀이(영어)
  • Solution 1: We consider the situation geometrically. If we plot R\mathbf{R} in space (of the relevant dimension), regardless of its parametrization, the derivative at a point will give a vector tangent to R\mathbf{R}, in the direction the curve moves when the parameter is increasing. Since a(t0)\mathbf{a}(t_0) and b(s0)\mathbf{b}(s_0) describe the same spot on the curve, a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) and b′(s0)\mathbf{b}'(s_0) will be parallel (Since we specified the derivatives are nonzero, there's no messiness about vectors being parallel to a zero vector.) — they're both tangent to the same piece of curve. Furthermore, as tt increases, so does ss, so the direction of increasing tt is the same as the direction of increasing ss. Therefore, A. holds.

figure

Now we consider the magnitudes of the vectors, to rule out E. Recall ∣a′(t)∣|\mathbf{a}'(t)| is the speed at which the curve changes relative to tt; this could be any (nonnegative) number. By the same token, ∣b′(s)∣=1 |\mathbf{b}'(s)|=1. So, b′(s0)\mathbf{b}'(s_0) is a unit vector, while a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) may or may not be. Then the two vectors are not necessarily equal (although they could be).

So, the best answer is A.

  • Solution 2: The chain rule gives us a relationship between b′(s)\mathbf{b}'(s) and a′(t)\mathbf{a}'(t).

dbds=dds[a(t(s))]=dadt dtds\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}\mathbf{b}}{\mathrm{d}s}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}s}[\mathbf{a}(t(s))]=\frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}\,\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s} \end{aligned}

So, the vectors dbds\frac{\mathrm{d}\mathbf{b}}{\mathrm{d}s} and dadt\frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t} differ only by the scalar function dtds\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s}. So, at any point along the curve, these vectors are parallel.

Furthermore, we know that tt and ss are positively correlated: as tt increases, so does ss, because we're covering more arclength. So, dtds\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s} is nonnegative. Furthermore, since the derivatives are nonzero, dtds\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s} is nonzero. So, b′(s0)\mathbf{b}'(s_0) and a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) are positive scalar multiples of each other. That is, they are parallel, and pointing in the same direction. However, unless dtds=1\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s}=1 (that is, t(s)=s+Ct(s)=s+C for some constant CC), the vectors do not have the same magnitude, and hence are not equal.

So, A is the best solution.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 42번
# 호의 길이와 곡률계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
30.CLP-4 · 1.4절 · 1번대학 수준우리말 번역

아래는 삼차원 곡선과 한 점에서의 접촉원(밀착원)을 그린 것이다. 이 그림에 T^\hat{\mathbf{T}} 와 N^\hat{\mathbf{N}} 을 표시하세요. B^\hat{\mathbf{B}} 는 종이 밖으로 독자 쪽을 향하나요, 아니면 종이 안으로 독자에게서 멀어지는 쪽을 향하나요?

그림

영어 원문 보기

In the sketch below of a three-dimensional curve and its osculating circle at a point, label T^\hat{\mathbf{T}} and N^\hat{\mathbf{N}}. Will B^\hat{\mathbf{B}} be pointing out of the paper towards the reader, or into the paper away from the reader?

figure

정답·풀이 보기

T^\hat{\mathbf{T}} 는 곡선에 접하고, N^\hat{\mathbf{N}} 은 곡선에 수직이다.

그림

오른손 법칙과 B^=T^×N^\hat{\mathbf{B}}=\hat{\mathbf{T}} \times \hat{\mathbf{N}} 을 이용하면 B^\hat{\mathbf{B}} 는 종이 밖(독자 쪽)을 향한다.

이를 확인하려면, 오른손의 네 손가락을 T^\hat{\mathbf{T}} 의 방향으로 향한 뒤 N^\hat{\mathbf{N}} 의 방향이 될 때까지 안쪽으로 감아 쥔다. 이렇게 하려면 엄지손가락이 자신에게서 멀어지는 쪽이 아니라 자신을 향해야 한다. 엄지손가락이 가리키는 방향이 T^×N^\hat{\mathbf{T}} \times \hat{\mathbf{N}} 의 방향이다.

원본 교재 풀이(영어)

T^\hat{\mathbf{T}} is tangent to the curve, while N^\hat{\mathbf{N}} is perpendicular to it.

figure

Using the right-hand rule and B^=T^×N^\hat{\mathbf{B}}=\hat{\mathbf{T}} \times \hat{\mathbf{N}}, B^\hat{\mathbf{B}} points out of the page (towards the reader).

To see this, point the fingers of your right hand in the direction of T^\hat{\mathbf{T}}, and curl them inwards until they are in the direction of N^\hat{\mathbf{N}}. To do this, your thumb must be pointing towards you, not away from you. Your thumb shows the direction of T^×N^\hat{\mathbf{T}} \times \hat{\mathbf{N}}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.4절 · 2번
# 단위접선·법선벡터그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
31.CLP-4 · 1.4절 · 2번대학 수준우리말 번역

공식 dsdt(t)=∣v(t)∣=∣r′(t)∣\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|=|\mathbf{r}'(t)| 에서 ss 는 속력을 뜻하나요, 아니면 호의 길이를 뜻하나요?

영어 원문 보기

In the formula dsdt(t)=∣v(t)∣=∣r′(t)∣\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|=|\mathbf{r}'(t)| does ss stand for speed, or for arclength?

정답·풀이 보기

이 식에서 ss 는 호의 길이를 뜻한다.

tt 에서 t+ht+h 까지의 아주 작은 구간을 잡으면, 곡선이 직선으로 근사되므로 호의 길이의 변화량 s(t+h)−s(t)s(t+h)-s(t) 는 근사적으로 ∣r(t+h)−r(t)∣|\mathbf{r}(t+h)-\mathbf{r}(t)| 이다. 따라서 s(t+h)−s(t)h≈∣r(t+h)−r(t)∣h\frac{s(t+h)-s(t)}{h} \approx \frac{|\mathbf{r}(t+h)-\mathbf{r}(t)|}{h} 이고, 이로부터 dsdt=∣drdt∣=∣v(t)∣\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=|\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}|=|\mathbf{v}(t)| 를 얻는다.

속도의 크기는 속력이며, 이 교재에서는 보통 이것을 vv 로 나타낸다. 즉 v=∣v(t)∣v=|\mathbf{v}(t)| 이다. 이 때문에 ss 는 호의 길이를, vv 는 속력을 뜻한다는, 혼동하기 쉽지만 표준적인 관례가 생긴다.

원본 교재 풀이(영어)

In this equation, ss stands for arclength.

When we take a very small interval from tt to t+ht+h, the change in arclength s(t+h)−s(t)s(t+h)-s(t) is approximately ∣r(t+h)−r(t)∣|\mathbf{r}(t+h)-\mathbf{r}(t)|, because our curve is approximated by a straight line. So, s(t+h)−s(t)h≈∣r(t+h)−r(t)∣h\frac{s(t+h)-s(t)}{h} \approx \frac{|\mathbf{r}(t+h)-\mathbf{r}(t)|}{h}, leading to dsdt=∣drdt∣=∣v(t)∣\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=|\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}|=|\mathbf{v}(t)|.

The magnitude of velocity is speed; in this text we generally call this vv. That is, v=∣v(t)∣v=|\mathbf{v}(t)|. This leads to the potentially confusing (but standard) convention that ss stands for arclength, while vv stands for speed.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.4절 · 31번
# 단위접선·법선벡터활용기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
32.CLP-4 · 1.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

호의 길이 ss 로 매개화된 곡선을 생각하세요.

(a) 모든 ss 에 대해 곡선의 곡률이 κ(s)=0\kappa (s)=0 이면 이 곡선은 직선임을 보이세요. (b) 모든 ss 에 대해 곡선의 곡률이 κ(s)>0\kappa (s)>0 이고 열률이 τ(s)=0\tau(s)=0 이면 이 곡선은 한 평면 위에 놓여 있음을 보이세요. (c) 모든 ss 에 대해 곡선의 곡률이 양의 상수 κ(s)=κ0\kappa (s)=\kappa _0 이고 열률이 τ(s)=0\tau(s)=0 이면 이 곡선은 원임을 보이세요.

영어 원문 보기

Consider a curve that is parametrized by arc length ss.

(a) Show that if the curve has curvature κ(s)=0\kappa (s)=0 for all ss, then the curve is a straight line. (b) Show that if the curve has curvature κ(s)>0\kappa (s)>0 and torsion τ(s)=0\tau(s)=0 for all ss, then the curve lies in a plane. (c) Show that if the curve has curvature κ(s)=κ0\kappa (s)=\kappa _0, a strictly positive constant, and torsion τ(s)=0\tau(s)=0 for all ss, then the curve is a circle.

정답·풀이 보기

(a) κ(s)≡0\kappa (s)\equiv 0 이면 dT^ds=κ(s)N^(s)≡0\frac{\mathrm{d}\hat{\mathbf{T}}}{\mathrm{d}s}=\kappa (s)\hat{\mathbf{N}}(s)\equiv 0 이므로 T^\hat{\mathbf{T}} 는 상수이다. 따라서 drds(s)=T^\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}s}(s)=\hat{\mathbf{T}} 이고 r(s)=sT^+r(0)\mathbf{r}(s) =s\hat{\mathbf{T}}+\mathbf{r}(0) 이므로, 이 곡선은 방향 벡터가 T^\hat{\mathbf{T}} 이고 r(0)\mathbf{r}(0) 을 지나는 직선이다.

(b) τ(s)≡0\tau(s)\equiv 0 이면 dB^ds=−τ(s)N^(s)≡0\frac{\mathrm{d}\hat{\mathbf{B}}}{\mathrm{d}s}=-\tau(s)\hat{\mathbf{N}}(s)\equiv 0 이므로 B^\hat{\mathbf{B}} 는 상수이다. T^(s)⊥B^\hat{\mathbf{T}}(s)\perp\hat{\mathbf{B}} 이므로

dds(r(s)−r(0))⋅B^=T^(s)⋅B^=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}s} (\mathbf{r}(s)-\mathbf{r}(0))\cdot\hat{\mathbf{B}} =\hat{\mathbf{T}}(s)\cdot\hat{\mathbf{B}}=0

이고, (r(s)−r(0))⋅B^ (\mathbf{r}(s)-\mathbf{r}(0))\cdot\hat{\mathbf{B}} 는 상수이어야 한다. 이 상수는 0이어야 하므로(s=0s=0 을 대입), (r(s)−r(0))⋅B^=0 (\mathbf{r}(s)-\mathbf{r}(0))\cdot\hat{\mathbf{B}}=0 이고 r(s)\mathbf{r}(s) 는 항상 r(0)\mathbf{r}(0) 을 지나고 법선 벡터가 B^\hat{\mathbf{B}} 인 평면 위에 놓인다.

(c) 곡선을 호의 길이로 매개화한다. ss 에서의 "곡률 중심"을 다음과 같이 정의한다.

rc(s)=r(s)+1κ(s)N^(s)\mathbf{r}_c(s)=\mathbf{r}(s)+\frac{1}{\kappa (s)}\hat{\mathbf{N}}(s)

κ(s)=κ0\kappa (s)=\kappa _0 는 상수이고 τ(s)≡0\tau(s)\equiv 0 이므로

ddsrc(s)=T^(s)+1κ0[τ(s)B^−κ(s)T^]=T^(s)+1κ0[0B^−κ0T^]=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}s}\mathbf{r}_c(s) =\hat{\mathbf{T}}(s)+\frac{1}{\kappa _0}\big[\tau(s)\hat{\mathbf{B}}-\kappa (s)\hat{\mathbf{T}}\big] =\hat{\mathbf{T}}(s)+\frac{1}{\kappa _0}\big[0\hat{\mathbf{B}}-\kappa _0\hat{\mathbf{T}}\big] =0

이다. 따라서 rc(s)=rc\mathbf{r}_c(s)=\mathbf{r}_c 는 상수이고, ∣r(s)−rc∣=1κ0\big|\mathbf{r}(s)-\mathbf{r}_c\big|=\frac{1}{\kappa _0} 이므로 곡선은 중심이 rc\mathbf{r}_c 이고 반지름이 1κ0\frac{1}{\kappa _0} 인 구 위에 놓인다. τ(s)≡0\tau(s)\equiv 0 이므로 곡선은 한 평면 위에도 놓이고, 따라서 이 곡선은 원이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If κ(s)≡0\kappa (s)\equiv 0, then dT^ds=κ(s)N^(s)≡0\frac{\mathrm{d}\hat{\mathbf{T}}}{\mathrm{d}s}=\kappa (s)\hat{\mathbf{N}}(s)\equiv 0 so that T^\hat{\mathbf{T}} is a constant. As a result drds(s)=T^\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}s}(s)=\hat{\mathbf{T}} and r(s)=sT^+r(0)\mathbf{r}(s) =s\hat{\mathbf{T}}+\mathbf{r}(0) so that the curve is the straight line with direction vector T^\hat{\mathbf{T}} that passes through r(0)\mathbf{r}(0).

(b) If τ(s)≡0\tau(s)\equiv 0, then dB^ds=−τ(s)N^(s)≡0\frac{\mathrm{d}\hat{\mathbf{B}}}{\mathrm{d}s}=-\tau(s)\hat{\mathbf{N}}(s)\equiv 0 so that B^\hat{\mathbf{B}} is a constant. As T^(s)⊥B^\hat{\mathbf{T}}(s)\perp\hat{\mathbf{B}},

dds(r(s)−r(0))⋅B^=T^(s)⋅B^=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}s} (\mathbf{r}(s)-\mathbf{r}(0))\cdot\hat{\mathbf{B}} =\hat{\mathbf{T}}(s)\cdot\hat{\mathbf{B}}=0

and (r(s)−r(0))⋅B^ (\mathbf{r}(s)-\mathbf{r}(0))\cdot\hat{\mathbf{B}} must be a constant. The constant must be zero (set s=0s=0), so (r(s)−r(0))⋅B^=0 (\mathbf{r}(s)-\mathbf{r}(0))\cdot\hat{\mathbf{B}}=0 and r(s)\mathbf{r}(s) always lies in the plane through r(0)\mathbf{r}(0) with normal vector B^\hat{\mathbf{B}}.

(c) Parametrize the curve by arc length. Define the “centre of curvature” at ss by

rc(s)=r(s)+1κ(s)N^(s)\mathbf{r}_c(s)=\mathbf{r}(s)+\frac{1}{\kappa (s)}\hat{\mathbf{N}}(s)

Since κ(s)=κ0\kappa (s)=\kappa _0 is a constant and τ(s)≡0\tau(s)\equiv 0,

ddsrc(s)=T^(s)+1κ0[τ(s)B^−κ(s)T^]=T^(s)+1κ0[0B^−κ0T^]=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}s}\mathbf{r}_c(s) =\hat{\mathbf{T}}(s)+\frac{1}{\kappa _0}\big[\tau(s)\hat{\mathbf{B}}-\kappa (s)\hat{\mathbf{T}}\big] =\hat{\mathbf{T}}(s)+\frac{1}{\kappa _0}\big[0\hat{\mathbf{B}}-\kappa _0\hat{\mathbf{T}}\big] =0

Thus rc(s)=rc\mathbf{r}_c(s)=\mathbf{r}_c is a constant and ∣r(s)−rc∣=1κ0\big|\mathbf{r}(s)-\mathbf{r}_c\big|=\frac{1}{\kappa _0} lies on the sphere of radius 1κ0\frac{1}{\kappa _0} centred on rc\mathbf{r}_c. Since τ(s)≡0\tau(s)\equiv 0, the curve also lies on a plane, so it is a circle.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.4절 · 6번
# 단위접선·법선벡터증명·논술기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
33.CLP-4 · 1.7절 · 1번대학 수준우리말 번역

아래 그림은 철사를 따라 미끄러져 내려가는 구슬을 나타낸 것입니다. 철사가 구슬에 작용하는 수직항력과 중력을 나타내는 벡터를 그리세요.

그림

페이지의 위쪽이 "수직 위쪽"이라고 가정하세요.

영어 원문 보기

The figure below represents a bead sliding down a wire. Sketch vectors representing the normal force the wire exerts on the bead, and the force of gravity.

figure

Assume the top of the page is “straight up."

정답·풀이 보기

벡터의 크기를 가늠할 만한 정보는 충분하지 않지만, 방향은 알 수 있다. 중력은 바로 아래로 당기므로 벡터 −mgȷ^-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}} 는 바로 아래를 향한다. 수직항력은 곡선에 수직인 방향이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

We don't have enough information to gauge the size of the vectors, but we can figure out their direction. Gravity pulls straight down, so the vector −mgȷ^-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}} points straight down. The normal force will be normal to the curve.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 13번
# 공간에서의 운동그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
34.CLP-4 · 1.7절 · 2번대학 수준우리말 번역

E=12m∣v∣2+mgyE=\frac12m|\mathbf{v}|^2+mgy 의 정의에서 v\mathbf{v} 는 위치를 어떤 양에 대해 미분한 도함수입니까?

영어 원문 보기

In the definition E=12m∣v∣2+mgyE=\frac12m|\mathbf{v}|^2+mgy, v\mathbf{v} is the derivative of position with respect to what quantity?

정답·풀이 보기

이 식은 F=ma\mathbf{F}=m\mathbf{a} 에서 나온 것이다. 이 식에서 a\mathbf{a} 는 가속도로, 위치를 시간에 대해 두 번 미분한 것이다. 따라서 v\mathbf{v} 는 위치를 시간에 대해 미분한 도함수이다.

앞에서는 v\mathbf{v} 를 위치를 정의하는 데 쓰는 매개변수에 대한 위치의 도함수로 사용했다. 그 매개변수는 흔히 tt 라고 불렀지만 반드시 시간인 것은 아니었다. 그러므로 이 점은 잘 구별해 두어야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

This equation stems from F=ma\mathbf{F}=m\mathbf{a}. In that equation, a\mathbf{a} is acceleration — the second derivative of position with respect to time. So, v\mathbf{v} is the derivative of position with respect to time.

We previously used v\mathbf{v} as the derivative of position with respect to the parameter we use to define our position — which was often called tt, but was not the necessarily time. So this is a good point to keep straight.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 1번
# 공간에서의 운동계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
35.CLP-4 · 1.7절 · 3번대학 수준우리말 번역

아래와 같은 모양의 철사를 따라 구슬이 미끄러져 내려갑니다. x<0x<0 입니다.

그림

구슬이 위치 xx 에 있을 때 철사가 구슬에 가하는 수직항력을 WN^W\hat{\mathbf{N}} 이라 하세요. 단, W>0W>0 입니다. dWdx\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x} 는 양수인지 음수인지 판단하세요.

영어 원문 보기

A bead slides down a wire with the shape shown below, x<0x<0.

figure

Let WN^W\hat{\mathbf{N}} be the normal force exerted by the wire when the bead is at position xx. Note W>0W>0. Is dWdx\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x} positive or negative?

정답·풀이 보기

풀이 1:

xx 가 음수이고 절댓값이 클수록 철사는 점점 수직선에 가까워진다. 구슬이 수직인 철사를 따라 내려간다면 철사에 닿지 않고도 내려갈 수 있으므로, 구슬에 가해지는 힘은 0이다. xx 가 왼쪽에서 0에 가까워질수록 철사는 수평선에 가까워진다. 구슬이 수평선 위에 놓여 있다면 철사는 중력을 상쇄하도록 위로 밀어 올릴 것이다. 따라서 철사가 가하는 힘의 크기는 xx 가 증가함에 따라 증가한다고 생각할 수 있다. 즉, dWdx>0\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x}>0 이다.

풀이 2:

구슬에 작용하는 알짜힘은 다음과 같다.

F=ma=WN^−mgȷ^양변에 N^ 을 내적한다.WN^⋅N^−mgȷ^⋅N^=ma⋅N^식 a(t)=d2sdt2T^+κ(dsdt)2N^ 을 이용하면,W−mgȷ^⋅N^=mκ(dsdt)2W=mgn^⋅N^+mκ(dsdt)2=mgcos⁡θ+mκ(dsdt)2\begin{aligned} F=m\mathbf{a}&= W\hat{\mathbf{N}} -mg\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \text{양변에 $\hat{\mathbf{N}}$ 을 내적한다.} \\ W\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\mathbf{N}} - mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}&=m\mathbf{a}\cdot\hat{\mathbf{N}} \\ \text{식 $\mathbf{a}(t) = \frac{\mathrm{d}^2s}{\mathrm{d}{t}^2}\hat{\mathbf{T}} + \kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\hat{\mathbf{N}}$ 을 이용하면,} \\ W-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}&=m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ W&=mg\hat{\mathbf{n}}\cdot\hat{\mathbf{N}}+m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ &=mg\cos\theta+m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2 \end{aligned}

여기서 θ\theta 는 ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} 와 N^\hat{\mathbf{N}} 사이의 각이다.

xx 가 절댓값이 큰 음수에서 0으로 움직이면 θ\theta 는 π/2\pi/2 에 가까운 값에서 00 에 가까운 값으로 움직인다. 따라서 cos⁡θ\cos \theta 는 0에 가까운 값에서 1에 가까운 값으로 증가한다. 그러면 mgcos⁡θmg\cos\theta 는 증가한다.

또한 xx 가 증가함에 따라 그림에서 곡률 κ\kappa 가 증가하고, 속력 dsdt\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} 도 증가함을 알 수 있다(위치 에너지가 감소하므로 운동 에너지는 증가한다).

따라서 dWdx>0\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x}>0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Solution 1:

For large, negative values of xx, the wire is closer and closer to a vertical line. If the bead were sliding down a vertical wire, it could do so without even touching the wire, so the force exerted on the bead would be zero. As xx approaches 0 from the left, the wire approximates a horizontal line. If the bead were sitting on a horizontal line, the wire would be pushing up to counter gravity. So, we imagine the magnitude of the force exerted by the wire might increase as xx increases. That is, dWdx>0\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x}>0.

Solution 2:

The net force exerted on the bead is

F=ma=WN^−mgȷ^We dot both sides with N^.WN^⋅N^−mgȷ^⋅N^=ma⋅N^Using the equation a(t)=d2sdt2T^+κ(dsdt)2N^,W−mgȷ^⋅N^=mκ(dsdt)2W=mgn^⋅N^+mκ(dsdt)2=mgcos⁡θ+mκ(dsdt)2\begin{aligned} F=m\mathbf{a}&= W\hat{\mathbf{N}} -mg\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \text{We dot both sides with $\hat{\mathbf{N}}$.} \\ W\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\mathbf{N}} - mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}&=m\mathbf{a}\cdot\hat{\mathbf{N}} \\ \text{Using the equation $\mathbf{a}(t) = \frac{\mathrm{d}^2s}{\mathrm{d}{t}^2}\hat{\mathbf{T}} + \kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\hat{\mathbf{N}}$,} \\ W-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}&=m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ W&=mg\hat{\mathbf{n}}\cdot\hat{\mathbf{N}}+m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ &=mg\cos\theta+m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2 \end{aligned}

where θ\theta is the angle between ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} and N^\hat{\mathbf{N}}.

As xx moves from a highly negative number to zero, θ\theta moves from nearly π/2\pi/2 to nearly 00. Therefore cos⁡θ\cos \theta increases from nearly zero to nearly one. Then mgcos⁡θmg\cos\theta is increasing.

Furthermore, as xx increases, we see from the picture that the curvature κ\kappa increases, and speed dsdt\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} increases as well (kinetic energy is increasing as potential energy decreases).

So, dWdx>0\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x}>0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 2번
# 공간에서의 운동그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)