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10문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 1.1절 · 2번대학 수준우리말 번역

R2\mathbb{R}^2 에서 다음을 만족하는 모든 점 (x,y)(x,y) 의 집합을 설명하고 그래프를 그리세요.

(a) x=yx=y (b) x+y=1x+y=1 (c) x2+y2=4x^2+y^2=4 (d) x2+y2=2yx^2+y^2=2y (e) x2+y2<2yx^2+y^2<2y

영어 원문 보기

Describe and sketch the set of all points (x,y)(x,y) in R2\mathbb{R}^2 that satisfy

(a) x=yx=y (b) x+y=1x+y=1 (c) x2+y2=4x^2+y^2=4 (d) x2+y2=2yx^2+y^2=2y (e) x2+y2<2yx^2+y^2<2y

정답·풀이 보기

(a) x=yx=y 는 직선이고 두 점 (0,0)(0,0) 과 (1,1)(1,1) 을 지난다. 따라서 원점을 지나고 xx 축 및 yy 축과 45∘45^\circ 의 각을 이루는 직선이다. 아래 왼쪽 그림에 그려져 있다.

그림

그림

(b) x+y=1x+y=1 은 두 점 (1,0)(1,0) 과 (0,1)(0,1) 을 지나는 직선이다. 위 오른쪽 그림에 그려져 있다.

(c) x2+y2x^2+y^2 은 (0,0)(0,0) 에서 (x,y)(x,y) 까지의 거리의 제곱이다. 따라서 x2+y2=4x^2+y^2=4 는 중심이 (0,0)(0,0) 이고 반지름이 2인 원이다. 아래 왼쪽 그림에 그려져 있다.

그림

그림

(d) 방정식 x2+y2=2yx^2+y^2=2y 는 x2+(y−1)2=1x^2+(y-1)^2=1 과 같다. x2+(y−1)2x^2+(y-1)^2 은 (0,1)(0,1) 에서 (x,y)(x,y) 까지의 거리의 제곱이므로, x2+(y−1)2=1x^2+(y-1)^2=1 은 중심이 (0,1)(0,1) 이고 반지름이 1인 원이다. 위 오른쪽 그림에 그려져 있다.

(e) (d)와 같이,

x2+y2<2y  ⟺  x2+y2−2y<0  ⟺  x2+y2−2y+1<1  ⟺  x2+(y−1)2<1x^2+y^2<2y \iff x^2+y^2-2y<0 \iff x^2+y^2-2y+1<1 \iff x^2+(y-1)^2<1

이다. x2+(y−1)2x^2+(y-1)^2 은 (0,1)(0,1) 에서 (x,y)(x,y) 까지의 거리의 제곱이므로, x2+(y−1)2<1x^2+(y-1)^2<1 은 (0,1)(0,1) 로부터의 거리가 11 보다 엄밀하게 작은 점들의 집합이다. 즉, 중심이 (0,1)(0,1) 이고 반지름이 1인 원의 엄밀하게 안쪽에 있는 점들의 집합이다. 이 집합은 아래 그림에서 색칠한 부분(점선으로 그린 원은 포함하지 않음)이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) x=yx=y is a straight line and passes through the points (0,0)(0,0) and (1,1)(1,1). So it is the straight line through the origin that makes an angle 45∘45^\circ with the xx– and yy–axes. It is sketched in the figure on the left below.

figure

figure

(b) x+y=1x+y=1 is the straight line through the points (1,0)(1,0) and (0,1)(0,1). It is sketched in the figure on the right above.

(c) x2+y2x^2+y^2 is the square of the distance from (0,0)(0,0) to (x,y)(x,y). So x2+y2=4x^2+y^2=4 is the circle with centre (0,0)(0,0) and radius 2. It is sketched in the figure on the left below.

figure

figure

(d) The equation x2+y2=2yx^2+y^2=2y is equivalent to x2+(y−1)2=1x^2+(y-1)^2=1. As x2+(y−1)2x^2+(y-1)^2 is the square of the distance from (0,1)(0,1) to (x,y)(x,y), x2+(y−1)2=1x^2+(y-1)^2=1 is the circle with centre (0,1)(0,1) and radius 1. It is sketched in the figure on the right above.

(e) As in part (d),

x2+y2<2y  ⟺  x2+y2−2y<0  ⟺  x2+y2−2y+1<1  ⟺  x2+(y−1)2<1x^2+y^2<2y \iff x^2+y^2-2y<0 \iff x^2+y^2-2y+1<1 \iff x^2+(y-1)^2<1

As x2+(y−1)2x^2+(y-1)^2 is the square of the distance from (0,1)(0,1) to (x,y)(x,y), x2+(y−1)2<1x^2+(y-1)^2<1 is the set of points whose distance from (0,1)(0,1) is strictly less than 11. That is, it is the set of points strictly inside the circle with centre (0,1)(0,1) and radius 1. That set is the shaded region (not including the dashed circle) in the sketch below.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.1절 · 3번
# 공간좌표그래프·표 해석기본자동 분류
2.CLP-3 · 1.1절 · 3번대학 수준우리말 번역

다음 조건을 만족하는 R3\mathbb{R}^3 의 모든 점 (x,y,z)(x,y,z) 의 집합을 설명하세요. 그 집합 중 제1팔분공간에 있는 부분의 그래프를 그리세요.

(a) z=xz = x (b) x+y+z=1x + y + z = 1 (c) x2+y2+z2=4x^2 + y^2 + z^2 = 4 (d) x2+y2+z2=4x^2 + y^2 + z^2 = 4, z=1z = 1 (e) x2+y2=4x^2+y^2=4 (f) z=x2+y2z = x^2 + y^2

영어 원문 보기

Describe the set of all points (x,y,z)(x,y,z) in R3\mathbb{R}^3 that satisfy the following conditions. Sketch the part of the set that is in the first octant.

(a) z=xz = x (b) x+y+z=1x + y + z = 1 (c) x2+y2+z2=4x^2 + y^2 + z^2 = 4 (d) x2+y2+z2=4x^2 + y^2 + z^2 = 4, z=1z = 1 (e) x2+y2=4x^2+y^2=4 (f) z=x2+y2z = x^2 + y^2

정답·풀이 보기

(a) 고정된 각 y0y_0 에 대해 z=x, y=y0z=x,\ y=y_0 은 평면 y=y0y=y_0 위에 놓인 직선이다. (이 평면은 xx축과 zz축을 포함하는 평면과 평행하며, 그 평면으로부터의 거리가 y0y_0 이다.) 이 직선은 x=z=0x=z=0 인 점을 지나고 xyxy평면과 45∘45^\circ 의 각을 이룬다. 이러한 직선(y0=0y_0=0 인 경우)을 아래 그림에 그렸다. 집합 z=xz=x 는 y0y_0 의 모든 값에 대한 직선 z=x, y=y0z=x,\ y=y_0 들의 합집합이다. y0y_0 가 변함에 따라 z=x, y=y0z=x,\ y=y_0 은 yy축을 포함하고 xyxy평면과 45∘45^\circ 의 각을 이루는 평면을 훑는다. 다음은 이 평면 중 제1팔분공간에 있는 부분의 그래프이다.

그림

(b) x+y+z=1x+y+z=1 은 세 점 (1,0,0)(1,0,0), (0,1,0)(0,1,0), (0,0,1)(0,0,1) 을 지나는 평면이다. 다음은 이 평면 중 제1팔분공간에 있는 부분의 그래프이다.

그림

(c) x2+y2+z2x^2+y^2+z^2 은 (0,0,0)(0,0,0) 에서 (x,y,z)(x,y,z) 까지의 거리의 제곱이다. 따라서 x2+y2+z2=4x^2+y^2+z^2=4 는 (0,0,0)(0,0,0) 으로부터의 거리가 22 인 점들의 집합이다. 이것은 중심이 (0,0,0)(0,0,0) 이고 반지름이 2인 구이다. 다음은 이 구 중 제1팔분공간에 있는 부분의 그래프이다.

그림

(d) x2+y2+z2=4x^2+y^2+z^2=4, z=1z=1 은, 즉 x2+y2=3x^2+y^2=3, z=1z=1 은, 평면 z=1z=1 과 중심이 (0,0,0)(0,0,0) 이고 반지름이 2인 구의 교집합이다. 이것은 평면 z=1z=1 위에 있고 중심이 (0,0,1)(0,0,1) 이며 반지름이 3\sqrt{3} 인 원이다. 이 원 중 제1팔분공간에 있는 부분은 다음 그림에서 굵게 표시된 사분원이다.

그림

(e) 고정된 각 z0z_0 에 대해 x2+y2=4x^2+y^2=4, z=z0z=z_0 은 평면 z=z0z=z_0 위에 있고 중심이 (0,0,z0)(0,0,z_0) 이며 반지름이 22 인 원이다. 따라서 x2+y2=4x^2+y^2=4 는 z0z_0 의 모든 가능한 값에 대한 x2+y2=4, z=z0x^2+y^2=4,\ z=z_0 들의 합집합이다. 이것은 수평인 원들이 수직으로 쌓인 것이며, zz축을 중심축으로 하고 반지름이 22 인 원기둥이다. 다음은 이 원기둥 중 제1팔분공간에 있는 부분의 그래프이다.

그림

(f) 고정된 각 z0≥0z_0\ge 0 에 대해 곡선 z=x2+y2, z=z0z = x^2 + y^2,\ z=z_0 은 평면 z=z0z=z_0 위에 있고 중심이 (0,0,z0)(0,0,z_0) 이며 반지름이 z0\sqrt{z_0} 인 원이다. z=x2+y2z = x^2 + y^2 은 z0≥0z_0\ge 0 의 모든 가능한 값에 대한 z=x2+y2, z=z0z = x^2 + y^2,\ z=z_0 들의 합집합이므로, 수평인 원들이 수직으로 쌓인 것이다. 이 곡면과 yzyz평면의 교선은 포물선 z=y2z=y^2 이다. 다음은 이 포물면 중 제1팔분공간에 있는 부분의 그래프이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) For each fixed y0y_0, z=x, y=y0z=x,\ y=y_0 is a straight line that lies in the plane, y=y0y=y_0 (which is parallel to the plane containing the xx and zz axes and is a distance y0y_0 from it). This line passes through x=z=0x=z=0 and makes an angle 45∘45^\circ with the xyxy–plane. Such a line (with y0=0y_0=0) is sketched in the figure below. The set z=xz=x is the union of all the lines z=x, y=y0z=x,\ y=y_0 with all values of y0y_0. As y0y_0 varies z=x, y=y0z=x,\ y=y_0 sweeps out the plane which contains the yy–axis and which makes an angle 45∘45^\circ with the xyxy–plane. Here is a sketch of the part of the plane that is in the first octant.

figure

(b) x+y+z=1x+y+z=1 is the plane through the points (1,0,0)(1,0,0), (0,1,0)(0,1,0) and (0,0,1)(0,0,1). Here is a sketch of the part of the plane that is in the first octant.

figure

(c) x2+y2+z2x^2+y^2+z^2 is the square of the distance from (0,0,0)(0,0,0) to (x,y,z)(x,y,z). So x2+y2+z2=4x^2+y^2+z^2=4 is the set of points whose distance from (0,0,0)(0,0,0) is 22. It is the sphere with centre (0,0,0)(0,0,0) and radius 2. Here is a sketch of the part of the sphere that is in the first octant.

figure

(d) x2+y2+z2=4x^2+y^2+z^2=4, z=1z=1 or equivalently x2+y2=3x^2+y^2=3, z=1z=1, is the intersection of the plane z=1z=1 with the sphere of centre (0,0,0)(0,0,0) and radius 2. It is a circle in the plane z=1z=1 that has centre (0,0,1)(0,0,1) and radius 3\sqrt{3}. The part of the circle in the first octant is the heavy quarter circle in the sketch

figure

(e) For each fixed z0z_0, x2+y2=4x^2+y^2=4, z=z0z=z_0 is a circle in the plane z=z0z=z_0 with centre (0,0,z0)(0,0,z_0) and radius 22. So x2+y2=4x^2+y^2=4 is the union of x2+y2=4, z=z0x^2+y^2=4,\ z=z_0 for all possible values of z0z_0. It is a vertical stack of horizontal circles. It is the cylinder of radius 22 centered on the zz–axis. Here is a sketch of the part of the cylinder that is in the first octant.

figure

(f) For each fixed z0≥0z_0\ge 0, the curve z=x2+y2, z=z0z = x^2 + y^2,\ z=z_0 is the circle in the plane z=z0z=z_0 with centre (0,0,z0)(0,0,z_0) and radius z0\sqrt{z_0}. As z=x2+y2z = x^2 + y^2 is the union of z=x2+y2, z=z0z = x^2 + y^2,\ z=z_0 for all possible values of z0≥0z_0\ge 0, it is a vertical stack of horizontal circles. The intersection of the surface with the yzyz–plane is the parabola z=y2z=y^2. Here is a sketch of the part of the paraboloid that is in the first octant.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.2절 · 17번
# 공간좌표그래프·표 해석기본자동 분류
3.CLP-3 · 1.2절 · 1번대학 수준우리말 번역

a=<2,0>\mathbf{a}=\left< 2,0\right> , b=<1,1>\mathbf{b}=\left< 1,1\right> 라 하자. a+b, a+2b\mathbf{a}+\mathbf{b},\ \mathbf{a}+2\mathbf{b}, 2a−b2\mathbf{a}-\mathbf{b} 의 값을 구하고 그림으로 나타내세요.

영어 원문 보기

Let a=<2,0>\mathbf{a}=\left< 2,0\right> and b=<1,1>\mathbf{b}=\left< 1,1\right> . Evaluate and sketch a+b, a+2b\mathbf{a}+\mathbf{b},\ \mathbf{a}+2\mathbf{b} and 2a−b2\mathbf{a}-\mathbf{b}.

정답·풀이 보기

a+b=<3,1>\mathbf{a}+\mathbf{b}=\left< 3,1\right> , a+2b=<4,2>\mathbf{a}+2\mathbf{b}=\left< 4,2\right> , 2a−b=<3,−1>2\mathbf{a}-\mathbf{b}=\left< 3,-1\right>

그림

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

a+b=<3,1>\mathbf{a}+\mathbf{b}=\left< 3,1\right> , a+2b=<4,2>\mathbf{a}+2\mathbf{b}=\left< 4,2\right> , 2a−b=<3,−1>2\mathbf{a}-\mathbf{b}=\left< 3,-1\right>

figure

figure

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 10.2절 · 26번
# 벡터의 연산그래프·표 해석기본자동 분류
4.CLP-3 · 1.4절 · 2번대학 수준우리말 번역

방정식 3x+12y+z=43x+\frac{1}{2}y+z=4 로 주어진 평면 PP 를 생각하자.

(a) PP 와 yy축의 교점을 구하세요. (b) PP 와 zz축의 교점을 구하세요. (c) PP 와 yzyz평면의 교선 중 제1팔분공간에 있는 부분의 그래프를 그리세요. (즉, x,y,z≥0x,y,z\ge 0 인 부분이다.)

영어 원문 보기

Consider the plane PP with equation 3x+12y+z=43x+\frac{1}{2}y+z=4.

(a) Find the intersection of PP with the yy-axis. (b) Find the intersection of PP with the zz-axis. (c) Sketch the part of the intersection of PP with the yzyz-plane that is in the first octant. (That is, with x,y,z≥0x,y,z\ge 0.)

정답·풀이 보기

(a) yy축 위의 각 점은 (0,y,0)(0,y,0) 꼴이다. 이러한 점이 평면 PP 위에 있으려면

3(0)+12y+0=4  ⟺  y=83(0)+\frac{1}{2}y+0=4 \iff y=8

이어야 한다. 따라서 PP 와 yy축의 교점은 한 점 (0,8,0)(0,8,0) 이다. (b) zz축 위의 각 점은 (0,0,z)(0,0,z) 꼴이다. 이러한 점이 평면 PP 위에 있으려면

3(0)+12(0)+z=4  ⟺  z=43(0)+\frac{1}{2}(0)+z=4 \iff z=4

이어야 한다. 따라서 PP 와 zz축의 교점은 한 점 (0,0,4)(0,0,4) 이다. (c) 평면 PP 와 yzyz평면의 교선은 직선이다. (a)와 (b)에서 두 점 (0,8,0)(0,8,0) 과 (0,0,4)(0,0,4) 가 그 직선 위에 있음을 보였다. 다음은 그 직선 중 제1팔분공간에 있는 부분의 그래프이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) Each point on the yy-axis is of the form (0,y,0)(0,y,0). Such a point is on the plane PP if

3(0)+12y+0=4  ⟺  y=83(0)+\frac{1}{2}y+0=4 \iff y=8

So the intersection of PP with the yy-axis is the single point (0,8,0)(0,8,0). (b) Each point on the zz-axis is of the form (0,0,z)(0,0,z). Such a point is on the plane PP if

3(0)+12(0)+z=4  ⟺  z=43(0)+\frac{1}{2}(0)+z=4 \iff z=4

So the intersection of PP with the zz-axis is the single point (0,0,4)(0,0,4). (c) The intersection of the plane PP with the yzyz-plane is a line. We have shown in parts (a) and (b) that the points (0,8,0)(0,8,0) and (0,0,4)(0,0,4) are on that line. Here is a sketch of the part of that line that is in the first octant.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 1번
# 직선과 평면의 방정식그래프·표 해석기본자동 분류
5.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
6.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

figure

(b)

figure

figure

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 3번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석기본자동 분류
7.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
8.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)
9.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)
10.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)