문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터와 공간

벡터와 공간 전체 문제

이 단원의 모든 연습문제입니다. 소단원으로 좁혀 보려면 아래 꼬리표를 누르세요.

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

6문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 1.2절 · 8번대학 수준우리말 번역

벡터 a\mathbf{a} 와 b\mathbf{b} 로 결정되는 평행사변형의 넓이가 ∣a×b∣|\mathbf{a}\times \mathbf{b}| 임을 보이세요.

그림

영어 원문 보기

Show that the area of the parallelogram determined by the vectors a\mathbf{a} and b\mathbf{b} is ∣a×b∣|\mathbf{a}\times \mathbf{b}|.

figure

정답·풀이 보기

평행사변형의 넓이는 밑변의 길이와 높이의 곱이다.

그림

밑변을 a\mathbf{a} 로 잡을 수 있다. 그러면 θ\theta 가 변 a\mathbf{a} 와 b\mathbf{b} 사이의 각일 때, 높이는 ∣b∣sin⁡θ|\mathbf{b}|\sin\theta 이다. 따라서

area=∣a∣∣b∣sin⁡θ=∣a×b∣\text{area} = |\mathbf{a}||\mathbf{b}|\sin\theta=|\mathbf{a}\times\mathbf{b}|

원본 교재 풀이(영어)

The area of a parallelogram is the length of its base time its height.

figure

We can choose the base to be a\mathbf{a}. Then, if θ\theta is the angle between its sides a\mathbf{a} and b\mathbf{b}, its height is ∣b∣sin⁡θ|\mathbf{b}|\sin\theta. So

area=∣a∣∣b∣sin⁡θ=∣a×b∣\text{area} = |\mathbf{a}||\mathbf{b}|\sin\theta=|\mathbf{a}\times\mathbf{b}|

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 13번
# 벡터의 연산증명·논술기본자동 분류
2.CLP-3 · 1.2절 · 9번대학 수준우리말 번역

벡터 a, b\mathbf{a},\ \mathbf{b}, c\mathbf{c} 로 정해지는 평행육면체의 부피가

∣a⋅(b×c)∣|\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}\times\mathbf{c})|

임을 보이세요.

그림

영어 원문 보기

Show that the volume of the parallelepiped determined by the vectors a, b\mathbf{a},\ \mathbf{b} and c\mathbf{c} is

∣a⋅(b×c)∣|\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}\times\mathbf{c})|

figure

정답·풀이 보기

평행육면체의 부피는 밑면의 넓이와 높이의 곱이다. 밑면을 벡터 b\mathbf{b} 와 c\mathbf{c} 로 정해지는 평행사변형으로 잡을 수 있다. 이 밑면의 넓이는 ∣b×c∣|\mathbf{b}\times\mathbf{c}| 이다. 벡터 b×c\mathbf{b}\times\mathbf{c} 는 밑면에 수직이다.

그림

a\mathbf{a} 와 밑면에 수직인 벡터 b×c\mathbf{b}\times\mathbf{c} 가 이루는 각을 θ\theta 라 하자. 평행육면체의 높이는 ∣a∣∣cos⁡θ∣|\mathbf{a}| |\cos\theta| 이다. 따라서

volume=∣a∣ ∣cos⁡θ∣ ∣b×c∣=∣a⋅(b×c)∣\text{volume} = |\mathbf{a}|\, |\cos\theta|\, |\mathbf{b}\times\mathbf{c}| =|\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}\times\mathbf{c})|

원본 교재 풀이(영어)

The volume of a parallelepiped is the area of its base time its height. We can choose the base to be the parallelogram determined by the vectors b\mathbf{b} and c\mathbf{c}. It has area ∣b×c∣|\mathbf{b}\times\mathbf{c}|. The vector b×c\mathbf{b}\times\mathbf{c} is perpendicular to the base.

figure

Denote by θ\theta the angle between a\mathbf{a} and the perpendicular b×c\mathbf{b}\times\mathbf{c}. The height of the parallelepiped is ∣a∣∣cos⁡θ∣|\mathbf{a}| |\cos\theta|. So

volume=∣a∣ ∣cos⁡θ∣ ∣b×c∣=∣a⋅(b×c)∣\text{volume} = |\mathbf{a}|\, |\cos\theta|\, |\mathbf{b}\times\mathbf{c}| =|\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}\times\mathbf{c})|

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2장 복습 · 19번
# 벡터의 연산증명·논술기본자동 분류
3.CLP-3 · 1.2절 · 11번대학 수준우리말 번역

다음 명제를 생각하세요: "a≠0\mathbf{a}\ne\mathbf{0} 이고 a⋅b=a⋅c\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}=\mathbf{a}\cdot\mathbf{c} 이면 b=c\mathbf{b}=\mathbf{c} 이다." 이 명제가 참이면 증명하세요. 거짓이면 반례를 드세요.

영어 원문 보기

Consider the following statement: “If a≠0\mathbf{a}\ne\mathbf{0} and if a⋅b=a⋅c\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}=\mathbf{a}\cdot\mathbf{c} then b=c\mathbf{b}=\mathbf{c}.” If the statment is true, prove it. If the statement is false, give a counterexample.

정답·풀이 보기

이 명제는 거짓이다. 두 수 a⋅b\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}, a⋅c\mathbf{a}\cdot\mathbf{c} 가 같을 필요충분조건은 a⋅(b−c)=0\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}-\mathbf{c})= 0 이다. 이는 다시 a\mathbf{a} 가 b−c\mathbf{b}-\mathbf{c} 와 수직인 것과 필요충분조건이다(0\mathbf{0} 은 모든 벡터와 수직이라는 약속에 따른다). 예를 들어 a=<1,0,0>\mathbf{a}=\left< 1,0,0\right> , b=<0,1,0>, c=<0,0,1>\mathbf{b}=\left< 0,1,0\right> ,\ \mathbf{c}=\left< 0,0,1\right> 이면 b−c=<0,1,−1>\mathbf{b}-\mathbf{c}=\left< 0,1,-1\right> 은 a\mathbf{a} 와 수직이므로 a⋅b=a⋅c\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}=\mathbf{a}\cdot\mathbf{c} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

This statement is false. The two numbers a⋅b\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}, a⋅c\mathbf{a}\cdot\mathbf{c} are equal if and only if a⋅(b−c)=0\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}-\mathbf{c})= 0. This in turn is the case if and only if a\mathbf{a} is perpendicular to b−c\mathbf{b}-\mathbf{c} (under the convention that 0\mathbf{0} is perpendicular to all vectors). For example, if a=<1,0,0>\mathbf{a}=\left< 1,0,0\right> , b=<0,1,0>, c=<0,0,1>\mathbf{b}=\left< 0,1,0\right> ,\ \mathbf{c}=\left< 0,0,1\right> , then b−c=<0,1,−1>\mathbf{b}-\mathbf{c}=\left< 0,1,-1\right> is perpendicular to a\mathbf{a} so that a⋅b=a⋅c\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}=\mathbf{a}\cdot\mathbf{c}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 16번
# 벡터의 연산증명·논술기본자동 분류
4.CLP-3 · 1.2절 · 12번대학 수준우리말 번역

다음 명제를 생각하세요. "벡터 a×(b×c)\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c}) 는 어떤 실수 α\alpha 와 β\beta 에 대해 αb+βc\alpha \mathbf{b}+\beta \mathbf{c} 의 꼴이다." 이 명제가 참이면 증명하세요. 거짓이면 반례를 드세요.

영어 원문 보기

Consider the following statement: “The vector a×(b×c)\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c}) is of the form αb+βc\alpha \mathbf{b}+\beta \mathbf{c} for some real numbers α\alpha and β\beta .” If the statement is true, prove it. If the statement is false, give a counterexample.

정답·풀이 보기

이 명제는 참이다. b\mathbf{b} 와 c\mathbf{c} 가 평행한 경우에는 b×c=0\mathbf{b}\times\mathbf{c}=\mathbf{0} 이므로 a×(b×c)=0=0b+0c\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c})=\mathbf{0}=0\mathbf{b}+0\mathbf{c} 이다. 따라서 b\mathbf{b} 와 c\mathbf{c} 가 평행하지 않다고 가정해도 된다. 그러면 α\alpha 와 β\beta 가 R\mathbb{R} 전체를 움직일 때, 벡터 αb+βc\alpha \mathbf{b}+\beta \mathbf{c} 는 원점과 벡터 b\mathbf{b}, c\mathbf{c} 를 포함하는 평면 위를 움직인다. 이 평면을 PP 라 하자. d=b×c\mathbf{d}=\mathbf{b}\times\mathbf{c} 는 영벡터가 아니고 b\mathbf{b} 와 c\mathbf{c} 모두에 수직이므로, PP 는 원점을 포함하고 d\mathbf{d} 에 수직인 평면이다. a×(b×c)=a×d\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c})=\mathbf{a}\times\mathbf{d} 는 언제나 d\mathbf{d} 에 수직이므로 PP 위에 놓인다.

원본 교재 풀이(영어)

This statement is true. In the event that b\mathbf{b} and c\mathbf{c} are parallel, b×c=0\mathbf{b}\times\mathbf{c}=\mathbf{0} so that a×(b×c)=0=0b+0c\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c})=\mathbf{0}=0\mathbf{b}+0\mathbf{c}, so we may assume that b\mathbf{b} and c\mathbf{c} are not parallel. Then as α\alpha and β\beta run over R\mathbb{R}, the vector αb+βc\alpha \mathbf{b}+\beta \mathbf{c} runs over the plane that contains the origin and the vectors b\mathbf{b} and c\mathbf{c}. Call this plane PP. Because d=b×c\mathbf{d}=\mathbf{b}\times\mathbf{c} is nonzero and perpendicular to both b\mathbf{b} and c\mathbf{c}, PP is the plane that contains the origin and is perpendicular to d\mathbf{d}. As a×(b×c)=a×d\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c})=\mathbf{a}\times\mathbf{d} is always perpendicular to d\mathbf{d}, it lies in PP.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 8번
# 벡터의 연산증명·논술기본자동 분류
5.CLP-3 · 1.3절 · 3번대학 수준우리말 번역

두 점은 하나의 직선을 결정합니다. 두 직선 위에 모두 놓이는 서로 다른 두 점을 구하여, 방정식

<x−1,y−9>=t<8,4>\left< x-1,y-9\right>=t\left< 8,4\right> 과 <x−9,y−13>=t<1,12>\left< x-9,y-13\right>=t\left< 1,\tfrac12\right>

이 같은 직선을 나타냄을 확인하세요.

영어 원문 보기

Two points determine a line. Verify that the equations

<x−1,y−9>=t<8,4>\left< x-1,y-9\right>=t\left< 8,4\right> and <x−9,y−13>=t<1,12>\left< x-9,y-13\right>=t\left< 1,\tfrac12\right>

describe the same line by finding two different points that lie on both lines.

정답·풀이 보기

여러 답 중 하나는 다음과 같다.

첫 번째 방정식에 t=0t=0 을 대입하면 (1,9)(1,9) 가 첫 번째 직선 위에 있음을 알 수 있다. (1,9)(1,9) 가 두 번째 직선 위에도 있음을 확인하기 위해 두 번째 방정식에 x=1x=1, y=9y=9 를 대입하면

<1−9,9−13>=t<1,12>또는<−8,−4>=t<1,12>\left< 1-9,9-13\right>=t\left< 1,\tfrac12\right>\qquad \text{또는}\qquad \left< -8,-4\right>=t\left< 1,\tfrac12\right>

이다. 이 방정식은 t=−8t=-8 일 때 성립한다. 따라서 (1,9)(1,9) 는 두 직선 위에 모두 있다.

두 번째 방정식에 t=0t=0 을 대입하면 (9,13)(9,13) 이 두 번째 직선 위에 있음을 알 수 있다. (9,13)(9,13) 이 첫 번째 직선 위에도 있음을 확인하기 위해 첫 번째 방정식에 x=9x=9, y=13y=13 을 대입하면

<9−1,13−9>=t<8,4>또는<8,4>=t<8,4>\left< 9-1,13-9\right>=t\left< 8,4\right>\qquad \text{또는}\qquad \left< 8,4\right>=t\left< 8,4\right>

이다. 이 방정식은 t=1t=1 일 때 성립한다. 따라서 (9,13)(9,13) 은 두 직선 위에 모두 있다.

두 직선 모두 (1,9)(1,9) 와 (9,13)(9,13) 을 지나므로 두 직선은 일치한다.

원본 교재 풀이(영어)

Here is one answer of many.

Setting t=0t=0 in the first equation shows that (1,9)(1,9) is on the first line. To see that (1,9)(1,9) is also on the second line, we substitute x=1x=1, y=9y=9 into the second equation to give

<1−9,9−13>=t<1,12>or<−8,−4>=t<1,12>\left< 1-9,9-13\right>=t\left< 1,\tfrac12\right>\qquad \text{or}\qquad \left< -8,-4\right>=t\left< 1,\tfrac12\right>

This equation is satisfied when t=−8t=-8. So (1,9)(1,9) is on both lines.

Setting t=0t=0 in the second equation shows that (9,13)(9,13) is on the second line. To see that (9,13)(9,13) is also on the first line, we substitute x=9x=9, y=13y=13 into the first equation to give

<9−1,13−9>=t<8,4>or<8,4>=t<8,4>\left< 9-1,13-9\right>=t\left< 8,4\right>\qquad \text{or}\qquad \left< 8,4\right>=t\left< 8,4\right>

This equation is satisfied when t=1t=1. So (9,13)(9,13) is on both lines.

Since both lines pass through (1,9)(1,9) and (9,13)(9,13), the lines are identical.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 19번
# 직선과 평면의 방정식증명·논술기본자동 분류
6.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)