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벡터와 공간 전체 문제

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

18문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 1.1절 · 1번대학 수준우리말 번역

R3\mathbb{R}^3 에서 다음을 만족하는 모든 점 (x,y,z)(x,y,z) 의 집합을 설명하세요.

(a) x2+y2+z2=2x−4y+4x^2 +y^2+z^2= 2x-4y+4 (b) x2+y2+z2<2x−4y+4x^2 +y^2+z^2< 2x-4y+4

영어 원문 보기

Describe the set of all points (x,y,z)(x,y,z) in R3\mathbb{R}^3 that satisfy

(a) x2+y2+z2=2x−4y+4x^2 +y^2+z^2= 2x-4y+4 (b) x2+y2+z2<2x−4y+4x^2 +y^2+z^2< 2x-4y+4

정답·풀이 보기

(a) 점 (x,y,z)(x,y,z) 가 x2+y2+z2=2x−4y+4x^2 +y^2+z^2= 2x-4y+4 를 만족하는 것은 x2−2x+y2+4y+z2=4x^2-2x +y^2+4y+z^2= 4 를 만족하는 것과 필요충분조건이고, 이는 (x−1)2+(y+2)2+z2=9(x-1)^2 +(y+2)^2+z^2=9 와 같다. (x−1)2+(y+2)2+z2\sqrt{(x-1)^2 +(y+2)^2+z^2} 은 (1,−2,0)(1, -2, 0) 에서 (x,y,z)(x,y,z) 까지의 거리이므로, 점이 주어진 방정식을 만족하는 것은 (1,−2,0)(1,-2,0) 으로부터의 거리가 3인 것과 필요충분조건이다. 따라서 구하는 집합은 (1,−2,0)(1,-2,0) 을 중심으로 하고 반지름이 3인 구이다.

(b) (a)와 같이, x2+y2+z2<2x−4y+4x^2 +y^2+z^2< 2x-4y+4 인 것은 (x−1)2+(y+2)2+z2<9(x-1)^2 +(y+2)^2+z^2<9 인 것과 필요충분조건이다. 따라서 점이 주어진 부등식을 만족하는 것은 (1,−2,0)(1,-2,0) 으로부터의 거리가 3보다 엄밀히 작은 것과 필요충분조건이다. 구하는 집합은 (1,−2,0)(1,-2,0) 을 중심으로 하고 반지름이 3인 구의 내부이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The point (x,y,z)(x,y,z) satisfies x2+y2+z2=2x−4y+4x^2 +y^2+z^2= 2x-4y+4 if and only if it satisfies x2−2x+y2+4y+z2=4x^2-2x +y^2+4y+z^2= 4, or equivalently (x−1)2+(y+2)2+z2=9(x-1)^2 +(y+2)^2+z^2=9 . Since (x−1)2+(y+2)2+z2\sqrt{(x-1)^2 +(y+2)^2+z^2} is the distance from (1,−2,0)(1, -2, 0) to (x,y,z)(x,y,z), our point satisfies the given equation if and only if its distance from (1,−2,0)(1,-2,0) is three. So the set is the sphere of radius 3 centered on (1,−2,0)(1,-2,0).

(b) As in part (a), x2+y2+z2<2x−4y+4x^2 +y^2+z^2< 2x-4y+4 if and only if (x−1)2+(y+2)2+z2<9(x-1)^2 +(y+2)^2+z^2<9 . Hence our point satifies the given inequality if and only if its distance from (1,−2,0)(1,-2,0) is strictly smaller than three. The set is the interior of the sphere of radius 3 centered on (1,−2,0)(1,-2,0).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.2절 · 15번
# 공간좌표계산기본자동 분류
2.CLP-3 · 1.1절 · 4번대학 수준우리말 번역

AA 를 점 (2,1,3)(2,1,3) 이라 하자.

(a) AA 에서 xyxy 평면까지의 거리를 구하세요. (b) AA 에서 xzxz 평면까지의 거리를 구하세요. (c) AA 에서 xx 축 위의 점 (x,0,0)(x,0,0) 까지의 거리를 구하세요. (d) xx 축 위의 점 중 AA 에 가장 가까운 점을 구하세요. (e) AA 에서 xx 축까지의 거리는 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

Let AA be the point (2,1,3)(2,1,3).

(a) Find the distance from AA to the xyxy-plane. (b) Find the distance from AA to the xzxz-plane. (c) Find the distance from AA to the point (x,0,0)(x,0,0) on the xx-axis. (d) Find the point on the xx-axis that is closest to AA. (e) What is the distance from AA to the xx-axis?

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
정답·풀이 보기

(a) 임의의 점의 zz 좌표는 그 점에서 xyxy 평면까지의 부호 있는 거리이다. 따라서 (2,1,3)(2,1,3) 에서 xyxy 평면까지의 거리는 ∣3∣=3|3|=3 이다.

(b) 임의의 점의 yy 좌표는 그 점에서 xzxz 평면까지의 부호 있는 거리이다. 따라서 (2,1,3)(2,1,3) 에서 xzxz 평면까지의 거리는 ∣1∣=1|1|=1 이다.

(c) (2,1,3)(2,1,3) 에서 (x,0,0)(x,0,0) 까지의 거리는

(2−x)2+(1−0)2+(3−0)2=(x−2)2+10\sqrt{(2-x)^2 + (1-0)^2 + (3-0)^2} = \sqrt{(x-2)^2 + 10}

이다.

(d) (x−2)2≥0(x-2)^2\ge 0 이므로 거리 (x−2)2+10\sqrt{(x-2)^2 + 10} 은 x=2x=2 일 때 최소이다. 다른 방법으로,

ddx(x−2)2+10=x−2(x−2)2+10=0  ⟺  x=2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \sqrt{(x-2)^2 + 10} =\frac{x-2}{\sqrt{(x-2)^2 + 10}} =0 &\iff x=2 \end{aligned}

이다. 따라서 xx 축 위의 점 중 AA 에 가장 가까운 점은 (2,0,0)(2,0,0) 이다.

(e) (2,0,0)(2,0,0) 이 xx 축 위의 점 중 (2,1,3)(2,1,3) 에 가장 가까운 점이므로, AA 에서 xx 축까지의 거리는

(2−2)2+(1−0)2+(3−0)2=12+32=10\sqrt{(2-2)^2 + (1-0)^2 + (3-0)^2} = \sqrt{1^2+3^2} = \sqrt{10}

이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) The zz coordinate of any point is the signed distance from the point to the xyxy-plane. So the distance from (2,1,3)(2,1,3) to the xyxy-plane is ∣3∣=3|3|=3.

(b) The yy coordinate of any point is the signed distance from the point to the xzxz-plane. So the distance from (2,1,3)(2,1,3) to the xzxz-plane is ∣1∣=1|1|=1.

(c) The distance from (2,1,3)(2,1,3) to (x,0,0)(x,0,0) is

(2−x)2+(1−0)2+(3−0)2=(x−2)2+10\sqrt{(2-x)^2 + (1-0)^2 + (3-0)^2} = \sqrt{(x-2)^2 + 10}

(d) Since (x−2)2≥0(x-2)^2\ge 0, the distance (x−2)2+10\sqrt{(x-2)^2 + 10} is minimized when x=2x=2. Alternatively,

ddx(x−2)2+10=x−2(x−2)2+10=0  ⟺  x=2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \sqrt{(x-2)^2 + 10} =\frac{x-2}{\sqrt{(x-2)^2 + 10}} =0 &\iff x=2 \end{aligned}

So the point on the xx-axis that is closest to AA is (2,0,0)(2,0,0).

(e) As (2,0,0)(2,0,0) is the point on the xx-axis that is nearest (2,1,3)(2,1,3), the distance from AA to the xx-axis is

(2−2)2+(1−0)2+(3−0)2=12+32=10\sqrt{(2-2)^2 + (1-0)^2 + (3-0)^2} = \sqrt{1^2+3^2} = \sqrt{10}

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.1절 · 5번
# 공간좌표계산기본자동 분류
3.CLP-3 · 1.2절 · 2번대학 수준우리말 번역

주어진 점들이 한 직선 위에 있는지(즉, 공선인지) 판단하세요.

(a) (1,2,3), (0,3,7), (3,5,11)(1,2,3),\ (0,3,7),\ (3,5,11) (b) (0,3,−5), (1,2,−2), (3,0,4)(0,3,-5),\ (1,2,-2),\ (3,0,4)

영어 원문 보기

Determine whether or not the given points are collinear (that is, lie on a common straight line)

(a) (1,2,3), (0,3,7), (3,5,11)(1,2,3),\ (0,3,7),\ (3,5,11) (b) (0,3,−5), (1,2,−2), (3,0,4)(0,3,-5),\ (1,2,-2),\ (3,0,4)

정답·풀이 보기

세 점이 한 직선 위에 있으면, 첫째 점에서 둘째 점으로 향하는 벡터와 첫째 점에서 셋째 점으로 향하는 벡터는 모두 그 직선과 평행하므로 서로 평행해야 한다(즉, 서로의 배수여야 한다).

그림

(a) 벡터 <0,3,7>−<1,2,3>=<−1,1,4>\left< 0,3,7\right> -\left< 1,2,3\right> =\left< -1,1,4\right> 과 <3,5,11>−<1,2,3>=<2,3,8>\left< 3,5,11\right> -\left< 1,2,3\right> =\left< 2,3,8\right> 은 평행하지 않으므로(즉, 서로의 배수가 아니므로) 세 점은 한 직선 위에 있지 않다.

(b) 벡터 <1,2,−2>−<0,3,−5>=<1,−1,3>\left< 1,2,-2\right> -\left< 0,3,-5\right> =\left< 1,-1,3\right> 과 <3,0,4>−<0,3,−5>=<3,−3,9>\left< 3,0,4\right> -\left< 0,3,-5\right> =\left< 3,-3,9\right> 은 평행하므로(즉, 서로의 배수이므로) 세 점은 한 직선 위에 있다.

원본 교재 풀이(영어)

If three points are collinear, then the vector from the first point to the second point, and the vector from the first point to the third point must both be parallel to the line, and hence must be parallel to each other (i.e. must be multiples of each other).

figure

(a) The vectors <0,3,7>−<1,2,3>=<−1,1,4>\left< 0,3,7\right> -\left< 1,2,3\right> =\left< -1,1,4\right> and <3,5,11>−<1,2,3>=<2,3,8>\left< 3,5,11\right> -\left< 1,2,3\right> =\left< 2,3,8\right> are not parallel (i.e. are not multiples of each other), so the three points are not on the same line.

(b) The vectors <1,2,−2>−<0,3,−5>=<1,−1,3>\left< 1,2,-2\right> -\left< 0,3,-5\right> =\left< 1,-1,3\right> and <3,0,4>−<0,3,−5>=<3,−3,9>\left< 3,0,4\right> -\left< 0,3,-5\right> =\left< 3,-3,9\right> are parallel (i.e. are multiples of each other), so the three points are on the same line.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 10.2절 · 27번
# 벡터의 연산계산기본자동 분류
4.CLP-3 · 1.2절 · 6번대학 수준우리말 번역

a=<a1,a2>\mathbf{a}=\left< a_1,a_2\right> 라 하자. ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} 와 ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} 위로의 a\mathbf{a} 의 정사영을 구하세요.

영어 원문 보기

Let a=<a1,a2>\mathbf{a}=\left< a_1,a_2\right>. Compute the projection of a\mathbf{a} on ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} and ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}}.

정답·풀이 보기

projı^a=(a⋅ı^)ı^=a1ı^\text{proj}_{\hat{\boldsymbol{\imath}}}\mathbf{a}=(\mathbf{a}\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}})\hat{\boldsymbol{\imath}} =a_1\hat{\boldsymbol{\imath}} 이고 projȷ^a=(a⋅ȷ^)ȷ^=a2ȷ^\text{proj}_{\hat{\boldsymbol{\jmath}}}\mathbf{a}=(\mathbf{a}\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}})\hat{\boldsymbol{\jmath}} =a_2\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

projı^a=(a⋅ı^)ı^=a1ı^\text{proj}_{\hat{\boldsymbol{\imath}}}\mathbf{a}=(\mathbf{a}\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}})\hat{\boldsymbol{\imath}} =a_1\hat{\boldsymbol{\imath}} and projȷ^a=(a⋅ȷ^)ȷ^=a2ȷ^\text{proj}_{\hat{\boldsymbol{\jmath}}}\mathbf{a}=(\mathbf{a}\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}})\hat{\boldsymbol{\jmath}} =a_2\hat{\boldsymbol{\jmath}}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 1번
# 벡터의 연산계산기본자동 분류
5.CLP-3 · 1.2절 · 7번대학 수준우리말 번역

세 꼭짓점이 (1,2,3), (4,0,5)(1,2,3),\ (4,0,5), (3,6,4)(3,6,4) 인 삼각형은 직각을 가지고 있나요?

영어 원문 보기

Does the triangle with vertices (1,2,3), (4,0,5)(1,2,3),\ (4,0,5) and (3,6,4)(3,6,4) have a right angle?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

(1,2,3)(1,2,3) 에서 (4,0,5)(4,0,5) 로 향하는 벡터는 <3,−2,2>\left< 3,-2,2\right> 이다. (1,2,3)(1,2,3) 에서 (3,6,4)(3,6,4) 로 향하는 벡터는 <2,4,1>\left< 2,4,1\right> 이다. 이 두 벡터의 내적은 <3,−2,2>⋅<2,4,1>=0\left< 3,-2,2\right>\cdot\left< 2,4,1\right>=0 이므로 두 벡터는 수직이고, 따라서 이 삼각형은 직각을 가진다.

원본 교재 풀이(영어)

The vector from (1,2,3)(1,2,3) to (4,0,5)(4,0,5) is <3,−2,2>\left< 3,-2,2\right>. The vector from (1,2,3)(1,2,3) to (3,6,4)(3,6,4) is <2,4,1>\left< 2,4,1\right>. The dot product between these two vectors is <3,−2,2>⋅<2,4,1>=0\left< 3,-2,2\right>\cdot\left< 2,4,1\right>=0, so the vectors are perpendicular and the triangle does contain a right angle.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 6번
# 벡터의 연산계산기본자동 분류
6.CLP-3 · 1.2절 · 10번대학 수준우리말 번역

다음이 성립함을 직접 계산하여 확인하세요.

(a) ı^×ȷ^=k^\hat{\boldsymbol{\imath}}\times\hat{\boldsymbol{\jmath}}=\hat{\mathbf{k}}, ȷ^×k^=ı^\hat{\boldsymbol{\jmath}}\times\hat{\mathbf{k}}=\hat{\boldsymbol{\imath}}, k^×ı^=ȷ^\hat{\mathbf{k}}\times\hat{\boldsymbol{\imath}}=\hat{\boldsymbol{\jmath}} (b) a⋅(a×b)=b⋅(a×b)=0\mathbf{a}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b})=\mathbf{b}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b})=\mathbf{0}

영어 원문 보기

Verify by direct computation that

(a) ı^×ȷ^=k^\hat{\boldsymbol{\imath}}\times\hat{\boldsymbol{\jmath}}=\hat{\mathbf{k}}, ȷ^×k^=ı^\hat{\boldsymbol{\jmath}}\times\hat{\mathbf{k}}=\hat{\boldsymbol{\imath}}, k^×ı^=ȷ^\hat{\mathbf{k}}\times\hat{\boldsymbol{\imath}}=\hat{\boldsymbol{\jmath}} (b) a⋅(a×b)=b⋅(a×b)=0\mathbf{a}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b})=\mathbf{b}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b})=\mathbf{0}

정답·풀이 보기

(a)

ı^×ȷ^=det⁡[ı^ȷ^k^100010]=ı^(0×0−0×1)−ȷ^(1×0−0×0)+k^(1×1−0×0)=k^ȷ^×k^=det⁡[ı^ȷ^k^010001]=ı^(1×1−0×0)−ȷ^(0×1−0×0)+k^(0×0−1×0)=ı^k^×ı^=det⁡[ı^ȷ^k^001100]=ı^(0×0−1×0)−ȷ^(0×0−1×1)+k^(0×0−0×1)=ȷ^\begin{aligned} \hat{\boldsymbol{\imath}}\times\hat{\boldsymbol{\jmath}}&=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ 1&0&0\\ 0&1&0\end{matrix}\right] &&=\hat{\boldsymbol{\imath}}(0\times 0-0\times 1) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}(1\times 0-0\times 0) +\hat{\mathbf{k}}(1\times 1-0\times 0) \\ &=\hat{\mathbf{k}}\\[0.1in] \hat{\boldsymbol{\jmath}}\times\hat{\mathbf{k}}&=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ 0&1&0\\ 0&0&1\end{matrix}\right] &&=\hat{\boldsymbol{\imath}}(1\times 1-0\times 0) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}(0\times 1-0\times 0) +\hat{\mathbf{k}}(0\times 0-1\times 0)\\ &=\hat{\boldsymbol{\imath}}\\[0.1in] \hat{\mathbf{k}}\times\hat{\boldsymbol{\imath}}&=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ 0&0&1\\ 1&0&0\end{matrix}\right] &&=\hat{\boldsymbol{\imath}}(0\times 0-1\times 0) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}(0\times 0-1\times 1) +\hat{\mathbf{k}}(0\times 0-0\times 1)\\ &=\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

(b)

a⋅(a×b)=a1(a2b3−a3b2)−a2(a1b3−a3b1)+a3(a1b2−a2b1)=0b⋅(a×b)=b1(a2b3−a3b2)−b2(a1b3−a3b1)+b3(a1b2−a2b1)=0\begin{aligned} \mathbf{a}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b}) &=a_1\big(a_2b_3-a_3b_2\big) -a_2\big(a_1b_3-a_3b_1\big) +a_3\big(a_1b_2-a_2b_1\big) &&=0\\ \mathbf{b}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b}) &=b_1\big(a_2b_3-a_3b_2\big) -b_2\big(a_1b_3-a_3b_1\big) +b_3\big(a_1b_2-a_2b_1\big) &&=0 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a)

ı^×ȷ^=det⁡[ı^ȷ^k^100010]=ı^(0×0−0×1)−ȷ^(1×0−0×0)+k^(1×1−0×0)=k^ȷ^×k^=det⁡[ı^ȷ^k^010001]=ı^(1×1−0×0)−ȷ^(0×1−0×0)+k^(0×0−1×0)=ı^k^×ı^=det⁡[ı^ȷ^k^001100]=ı^(0×0−1×0)−ȷ^(0×0−1×1)+k^(0×0−0×1)=ȷ^\begin{aligned} \hat{\boldsymbol{\imath}}\times\hat{\boldsymbol{\jmath}}&=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ 1&0&0\\ 0&1&0\end{matrix}\right] &&=\hat{\boldsymbol{\imath}}(0\times 0-0\times 1) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}(1\times 0-0\times 0) +\hat{\mathbf{k}}(1\times 1-0\times 0) \\ &=\hat{\mathbf{k}}\\[0.1in] \hat{\boldsymbol{\jmath}}\times\hat{\mathbf{k}}&=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ 0&1&0\\ 0&0&1\end{matrix}\right] &&=\hat{\boldsymbol{\imath}}(1\times 1-0\times 0) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}(0\times 1-0\times 0) +\hat{\mathbf{k}}(0\times 0-1\times 0)\\ &=\hat{\boldsymbol{\imath}}\\[0.1in] \hat{\mathbf{k}}\times\hat{\boldsymbol{\imath}}&=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ 0&0&1\\ 1&0&0\end{matrix}\right] &&=\hat{\boldsymbol{\imath}}(0\times 0-1\times 0) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}(0\times 0-1\times 1) +\hat{\mathbf{k}}(0\times 0-0\times 1)\\ &=\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

(b)

a⋅(a×b)=a1(a2b3−a3b2)−a2(a1b3−a3b1)+a3(a1b2−a2b1)=0b⋅(a×b)=b1(a2b3−a3b2)−b2(a1b3−a3b1)+b3(a1b2−a2b1)=0\begin{aligned} \mathbf{a}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b}) &=a_1\big(a_2b_3-a_3b_2\big) -a_2\big(a_1b_3-a_3b_1\big) +a_3\big(a_1b_2-a_2b_1\big) &&=0\\ \mathbf{b}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b}) &=b_1\big(a_2b_3-a_3b_2\big) -b_2\big(a_1b_3-a_3b_1\big) +b_3\big(a_1b_2-a_2b_1\big) &&=0 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 11번
# 벡터의 연산계산기본자동 분류
7.CLP-3 · 1.2절 · 13번대학 수준우리말 번역

a⋅(b×c)=<1,2,3>\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}\times\mathbf{c})=\left< 1,2,3\right> 로부터 어떤 기하학적 결론을 이끌어 낼 수 있는지 설명하세요.

영어 원문 보기

What geometric conclusions can you draw from a⋅(b×c)=<1,2,3>\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}\times\mathbf{c})=\left< 1,2,3\right>?

정답·풀이 보기

없다. 주어진 등식은 말이 되지 않는다. 좌변은 수이고 우변은 벡터이기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

None. The given equation is nonsense. The left hand side is a number while the right hand side is a vector.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 10번
# 벡터의 연산계산기본자동 분류
8.CLP-3 · 1.3절 · 1번대학 수준우리말 번역

R2\mathbb R^2 에서 직선이 방향 d\mathbf d 를 가지고 점 c\mathbf c 를 지납니다.

다음 중 이 직선의 매개변수 방정식은 <x,y>=c+td\left< x,y\right> =\mathbf c + t\mathbf d 와 <x,y>=c−td\left< x,y\right> =\mathbf c - t\mathbf d 중 어느 것인가요?

영어 원문 보기

A line in R2\mathbb R^2 has direction d\mathbf d and passes through point c\mathbf c.

Which of the following gives its parametric equation: <x,y>=c+td\left< x,y\right> =\mathbf c + t\mathbf d , or <x,y>=c−td\left< x,y\right> =\mathbf c - t\mathbf d ?

정답·풀이 보기

tt 는 어떤 실수라도 될 수 있으므로 두 방정식은 같은 직선을 나타낸다. 둘 다 옳다. 예를 들어, 첫 번째 매개변수 방정식에서 t=7t=7 일 때의 점, 즉 c+7d\mathbf c + 7\mathbf d 는 두 번째 매개변수 방정식에서 t=−7t=-7 일 때의 점, 즉 c−(−7)d\mathbf c -(-7)\mathbf d 와 정확히 같다.

원본 교재 풀이(영어)

Since tt can be any real number, these equation describe the same line. They're both valid. For example, the point given by the first parametric equation with t=7t=7, namely c+7d\mathbf c + 7\mathbf d , is exactly the same as the point given by the second parametric equation with t=−7t=-7, namely c−(−7)d\mathbf c -(-7)\mathbf d .

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 18번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
9.CLP-3 · 1.3절 · 4번대학 수준우리말 번역

R2\mathbb R^2 에서 한 직선의 매개변수 방정식이 다음과 같습니다. x−3=9ty−5=7t\begin{array}{lcl} x-3&=&9t\\ y-5&=&7t \end{array} 이 직선의 매개변수 방정식을 쓰는 방법은 여러 가지가 있습니다. 이 방정식을 다음과 같이 다시 쓸 때, x−x0=dxty−y0=dyt\begin{array}{lcl} x-x_0&=&d_xt\\ y-y_0&=&d_yt \end{array} <x0,y0>\left< x_0,y_0\right> 와 <dx,dy>\left< d_x,d_y\right> 가 가질 수 있는 값을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

A line in R2\mathbb R^2 has parametric equations x−3=9ty−5=7t\begin{array}{lcl} x-3&=&9t\\ y-5&=&7t \end{array} There are many different ways to write the parametric equations of this line. If we rewrite the equations as x−x0=dxty−y0=dyt\begin{array}{lcl} x-x_0&=&d_xt\\ y-y_0&=&d_yt \end{array} what are all possible values of <x0,y0>\left< x_0,y_0\right> and <dx,dy>\left< d_x,d_y\right>?

정답·풀이 보기

<dx,dy>\left< d_x,d_y\right> 는 직선의 방향이므로 <9,7>\left< 9,7\right> 의 0이 아닌 임의의 스칼라배가 될 수 있다.

<x0,y0>\left< x_0,y_0\right> 는 직선 위의 임의의 점이 될 수 있다. 이 점들을 나타내는 것은 직선 자체를 나타내는 것과 같다. 어떤 실수 tt 에 대해

{x0−3=9ty0−5=7t\begin{aligned} \begin{cases} x_0-3&=9t\\ y_0-5&=7t \end{cases} \end{aligned}

을 만족하는 순서쌍 <x0,y0>\left< x_0,y_0\right> 를 모두 찾으면 된다. 즉,

t=x0−39=y0−577(x0−3)=9(y0−5)7x0+24=9y0\begin{aligned} t=\frac{x_0-3}{9}&=\frac{y_0-5}{7}\\ 7(x_0-3)&=9(y_0-5)\\ 7x_0+24&=9y_0 \end{aligned}

이다. 이 단계들 중 어느 것으로든 <x0,y0>\left< x_0,y_0\right> 의 가능한 값을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 7x0+24=9y07x_0+24=9y_0 을 만족하는 임의의 순서쌍이라고 할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

<dx,dy>\left< d_x,d_y\right> is the direction of the line, so it can be any non-zero scalar multiple of <9,7>\left< 9,7\right>.

<x0,y0>\left< x_0,y_0\right> can be any point on the line. Describing these is the same as describing the line itself. We're trying to find all doubles <x0,y0>\left< x_0,y_0\right> that obey

{x0−3=9ty0−5=7t\begin{aligned} \begin{cases} x_0-3&=9t\\ y_0-5&=7t \end{cases} \end{aligned}

for some real number tt. That is,

t=x0−39=y0−577(x0−3)=9(y0−5)7x0+24=9y0\begin{aligned} t=\frac{x_0-3}{9}&=\frac{y_0-5}{7}\\ 7(x_0-3)&=9(y_0-5)\\ 7x_0+24&=9y_0 \end{aligned}

Any of these steps could specify the possible values of <x0,y0>\left< x_0,y_0\right>. Say, they can be any pair satisfying 7x0+24=9y07x_0+24=9y_0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.3절 · 5번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
10.CLP-3 · 1.4절 · 1번대학 수준우리말 번역

벡터 k^\hat{\mathbf{k}} 는 평면 z=0z=0 의 법선벡터(즉, 수직인 벡터)이다. z=0z=0 에 수직인 또 다른 영벡터가 아닌 벡터를 구하세요.

영어 원문 보기

The vector k^\hat{\mathbf{k}} is a normal vector (i.e. is perpendicular) to the plane z=0z=0. Find another nonzero vector that is normal to z=0z=0.

정답·풀이 보기

구하는 벡터는 z=0z=0 에 수직이므로 k^\hat{\mathbf{k}} 와 평행하다. k^\hat{\mathbf{k}} 와 평행하려면 그 벡터는 어떤 실수 cc 에 대해 c k^c\,\hat{\mathbf{k}} 꼴이어야 한다. 이 벡터가 영벡터가 아니려면 c≠0c\ne 0 이어야 하고, k^\hat{\mathbf{k}} 와 다르려면 c≠1c\ne 1 이어야 한다. 따라서 가능한 세 가지 예는 −k^-\hat{\mathbf{k}}, 2 k^2\,\hat{\mathbf{k}}, 7.12345 k^7.12345\,\hat{\mathbf{k}} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We are looking for a vector that is perpendicular to z=0z=0 and hence is parallel to k^\hat{\mathbf{k}}. To be parallel of k^\hat{\mathbf{k}}, the vector has to be of the form c k^c\,\hat{\mathbf{k}} for some real number cc. For the vector to be nonzero, we need c≠0c\ne 0 and for the vector to be different from k^\hat{\mathbf{k}}, we need c≠1c\ne 1. So three possible choices are −k^-\hat{\mathbf{k}}, 2 k^2\,\hat{\mathbf{k}}, 7.12345 k^7.12345\,\hat{\mathbf{k}}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 9번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
11.CLP-3 · 1.4절 · 3번대학 수준우리말 번역

(a) 원점을 지나고 법선벡터가 <1,2,3>\left< 1,2,3\right> 인 평면의 방정식을 구하세요. (b) 점 (0,0,1)(0,0,1) 을 지나고 법선벡터가 <1,1,3>\left< 1,1,3\right> 인 평면의 방정식을 구하세요. (c) 가능하다면, (1,2,3)(1,2,3) 과 (1,0,0)(1,0,0) 을 모두 지나고 법선벡터가 <4,5,6>\left< 4,5,6\right> 인 평면의 방정식을 구하세요. (d) 가능하다면, (1,2,3)(1,2,3) 과 (0,3,4)(0,3,4) 를 모두 지나고 법선벡터가 <2,1,1>\left< 2,1,1\right> 인 평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find the equation of the plane that passes through the origin and has normal vector <1,2,3>\left< 1,2,3\right>. (b) Find the equation of the plane that passes through the point (0,0,1)(0,0,1) and has normal vector <1,1,3>\left< 1,1,3\right>. (c) Find, if possible, the equation of a plane that passes through both (1,2,3)(1,2,3) and (1,0,0)(1,0,0) and has normal vector <4,5,6>\left< 4,5,6\right>. (d) Find, if possible, the equation of a plane that passes through both (1,2,3)(1,2,3) and (0,3,4)(0,3,4) and has normal vector <2,1,1>\left< 2,1,1\right>.

정답·풀이 보기

(a) (x,y,z)(x,y,z) 가 평면 위의 임의의 점이면, (x,y,z)(x,y,z) 에서 (0,0,0)(0,0,0) 으로 향하는 벡터, 즉 <x,y,z>\left< x,y,z\right> 의 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터 <x,y,z>\left< x,y,z\right> 는 <1,2,3>\left< 1,2,3\right> 과 수직이어야 하므로

0=<x,y,z>⋅<1,2,3>=x+2y+3z0=\left< x,y,z\right>\cdot \left< 1,2,3\right> =x+2y+3z

(b) (x,y,z)(x,y,z) 가 평면 위의 임의의 점이면, (x,y,z)(x,y,z) 에서 (0,0,1)(0,0,1) 로 향하는 벡터, 즉 <x,y,z−1>\left< x,y,z-1\right> 의 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터 <x,y,z−1>\left< x,y,z-1\right> 는 <1,1,3>\left< 1,1,3\right> 과 수직이어야 하므로

0=<x,y,z−1>⋅<1,1,3>=x+y+3(z−1)  ⟺  x+y+3z=30=\left< x,y,z-1\right>\cdot \left< 1,1,3\right> =x+y+3(z-1) \iff x+y+3z=3

(c) (1,2,3)(1,2,3) 과 (1,0,0)(1,0,0) 이 모두 평면 위에 있다면, (1,2,3)(1,2,3) 에서 (1,0,0)(1,0,0) 으로 향하는 벡터, 즉 <0,2,3>\left< 0,2,3\right> 의 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터 <0,2,3>\left< 0,2,3\right> 는 <4,5,6>\left< 4,5,6\right> 과 수직이어야 한다. 그런데

<0,2,3>⋅<4,5,6>=28≠0\left< 0,2,3\right> \cdot \left< 4,5,6\right> = 28\ne 0

이므로 벡터 <0,2,3>\left< 0,2,3\right> 는 <4,5,6>\left< 4,5,6\right> 과 수직이 아니다. 따라서 (1,2,3)(1,2,3) 과 (1,0,0)(1,0,0) 을 모두 지나고 법선벡터가 <4,5,6>\left< 4,5,6\right> 인 평면은 존재하지 않는다.

(d) (1,2,3)(1,2,3) 과 (0,3,4)(0,3,4) 가 모두 평면 위에 있다면, (1,2,3)(1,2,3) 에서 (0,3,4)(0,3,4) 로 향하는 벡터, 즉 <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right> 의 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터 <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right> 는 <2,1,1>\left< 2,1,1\right> 과 수직이어야 한다. 그런데

<1,−1,−1>⋅<2,1,1>=0\left< 1,-1,-1\right> \cdot \left< 2,1,1\right> = 0

이므로 벡터 <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right> 는 실제로 <2,1,1>\left< 2,1,1\right> 과 수직이다. 따라서 (1,2,3)(1,2,3) 과 (0,3,4)(0,3,4) 를 모두 지나고 법선벡터가 <2,1,1>\left< 2,1,1\right> 인 평면이 존재한다. 이제 그 방정식을 세우기만 하면 된다.

(x,y,z)(x,y,z) 가 평면 위의 임의의 점이면, (x,y,z)(x,y,z) 에서 (1,2,3)(1,2,3) 으로 향하는 벡터, 즉 <x−1,y−2,z−3>\left< x-1,y-2,z-3\right> 의 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터 <x−1,y−2,z−3>\left< x-1,y-2,z-3\right> 는 <2,1,1>\left< 2,1,1\right> 과 수직이어야 하므로

0=<x−1,y−2,z−3>⋅<2,1,1>=2(x−1)+(y−2)+(z−3)  ⟺  2x+y+z=70=\left< x-1,y-2,z-3\right>\cdot \left< 2,1,1\right> =2(x-1)+(y-2)+(z-3) \iff 2x+y+z=7

검산으로, (x,y,z)=(1,2,3)(x,y,z)=(1,2,3) 과 (x,y,z)=(0,3,4)(x,y,z)=(0,3,4) 가 모두 방정식 2x+y+z=72x+y+z=7 을 만족함을 확인할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If (x,y,z)(x,y,z) is any point on the plane, then both the head and the tail of the vector from (x,y,z)(x,y,z) to (0,0,0)(0,0,0), namely <x,y,z>\left< x,y,z\right>, lie in the plane. So the vector <x,y,z>\left< x,y,z\right> must be perpendicular to <1,2,3>\left< 1,2,3\right> and

0=<x,y,z>⋅<1,2,3>=x+2y+3z0=\left< x,y,z\right>\cdot \left< 1,2,3\right> =x+2y+3z

(b) If (x,y,z)(x,y,z) is any point on the plane, then both the head and the tail of the vector from (x,y,z)(x,y,z) to (0,0,1)(0,0,1), namely <x,y,z−1>\left< x,y,z-1\right>, lie in the plane. So the vector <x,y,z−1>\left< x,y,z-1\right> must be perpendicular to <1,1,3>\left< 1,1,3\right> and

0=<x,y,z−1>⋅<1,1,3>=x+y+3(z−1)  ⟺  x+y+3z=30=\left< x,y,z-1\right>\cdot \left< 1,1,3\right> =x+y+3(z-1) \iff x+y+3z=3

(c) If both (1,2,3)(1,2,3) and (1,0,0)(1,0,0) are on the plane, then both the head and the tail of the vector from (1,2,3)(1,2,3) to (1,0,0)(1,0,0), namely <0,2,3>\left< 0,2,3\right>, lie in the plane. So the vector <0,2,3>\left< 0,2,3\right> must be perpendicular to <4,5,6>\left< 4,5,6\right>. As

<0,2,3>⋅<4,5,6>=28≠0\left< 0,2,3\right> \cdot \left< 4,5,6\right> = 28\ne 0

the vector <0,2,3>\left< 0,2,3\right> is not perpendicular to <4,5,6>\left< 4,5,6\right>. So there is no plane that passes through both (1,2,3)(1,2,3) and (1,0,0)(1,0,0) and has normal vector <4,5,6>\left< 4,5,6\right>.

(d) If both (1,2,3)(1,2,3) and (0,3,4)(0,3,4) are on the plane, then both the head and the tail of the vector from (1,2,3)(1,2,3) to (0,3,4)(0,3,4), namely <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right>, lie in the plane. So the vector <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right> must be perpendicular to <2,1,1>\left< 2,1,1\right>. As

<1,−1,−1>⋅<2,1,1>=0\left< 1,-1,-1\right> \cdot \left< 2,1,1\right> = 0

the vector <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right> is indeed perpendicular to <2,1,1>\left< 2,1,1\right>. So there is a plane that passes through both (1,2,3)(1,2,3) and (0,3,4)(0,3,4) and has normal vector <2,1,1>\left< 2,1,1\right>. We now just have to build its equation.

If (x,y,z)(x,y,z) is any point on the plane, then both the head and the tail of the vector from (x,y,z)(x,y,z) to (1,2,3)(1,2,3), namely <x−1,y−2,z−3>\left< x-1,y-2,z-3\right>, lie in the plane. So the vector <x−1,y−2,z−3>\left< x-1,y-2,z-3\right> must be perpendicular to <2,1,1>\left< 2,1,1\right> and

0=<x−1,y−2,z−3>⋅<2,1,1>=2(x−1)+(y−2)+(z−3)  ⟺  2x+y+z=70=\left< x-1,y-2,z-3\right>\cdot \left< 2,1,1\right> =2(x-1)+(y-2)+(z-3) \iff 2x+y+z=7

As a check, note that both (x,y,z)=(1,2,3)(x,y,z)=(1,2,3) and (x,y,z)=(0,3,4)(x,y,z)=(0,3,4) obey the equation 2x+y+z=72x+y+z=7.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 2번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
12.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
13.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
14.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
15.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
16.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)
17.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)
18.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)