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벡터와 공간 전체 문제

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58문제 · 2 / 3쪽

21.CLP-3 · 1.5절 · 10번대학 수준우리말 번역

직선 LL 은 평면 2x+y−z=52x + y - z = 5 에 평행하고 직선 x=3−tx = 3 - t, y=1−2ty = 1 - 2t, z=3tz = 3t 에 수직이다.

(a) 직선 LL 에 평행한 벡터를 구하세요. (b) 직선 LL 이 점 Q(a,b,c)Q(a, b, c) 를 지난다고 할 때, 직선 LL 의 매개변수 방정식을 구하세요. 여기서 a<0a < 0, b>0b > 0, c>0c > 0 이고, QQ 에서 xyxy–평면, xzxz–평면, yzyz–평면까지의 거리는 각각 22, 33, 44 이다.

영어 원문 보기

Let LL be a line which is parallel to the plane 2x+y−z=52x + y - z = 5 and perpendicular to the line x=3−tx = 3 - t, y=1−2ty = 1 - 2t and z=3tz = 3t.

(a) Find a vector parallel to the line LL. (b) Find parametric equations for the line LL if LL passes through a point Q(a,b,c)Q(a, b, c) where a<0a < 0, b>0b > 0, c>0c > 0, and the distances from QQ to the xyxy–plane, the xzxz–plane and the yzyz–plane are 22, 33 and 44 respectively.

정답·풀이 보기

(a) 직선 LL 은 평면 2x+y−z=52x + y - z = 5 의 법선 벡터인 <2 , 1 , −1>\left< 2\,,\,1\,,\,-1\right> 과, 직선 x=3−tx = 3 - t, y=1−2ty = 1 - 2t, z=3tz = 3t 의 방향 벡터인 <−1 , −2 , 3>\left< -1\,,\,-2\,,\,3\right> 모두에 수직이어야 한다. 이러한 벡터는 모두 다음 벡터에 0이 아닌 상수를 곱한 것이다.

<2 , 1 , −1>×<−1 , −2 , 3>=det⁡[ı^ȷ^k^21−1−1−23]=<1 , −5 , −3>\begin{aligned} \left< 2\,,\,1\,,\,-1\right> \times \left< -1\,,\,-2\,,\,3\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 2 & 1 & -1 \\ -1 & -2 & 3 \end{matrix}\right] =\left< 1 \,,\, -5 \,,\, -3 \right> \end{aligned}

(b) 점 Q(a,b,c)Q(a, b, c) 에 대하여

  • xyxy–평면까지의 거리가 22 이려면 ∣c∣=2|c|=2 이어야 하고,
  • xzxz–평면까지의 거리가 33 이려면 ∣b∣=3|b|=3 이어야 하고,
  • yzyz–평면까지의 거리가 44 이려면 ∣a∣=4|a|=4 이어야 한다.

a<0a < 0, b>0b > 0, c>0c > 0 이므로 점 QQ 는 (−4,3,2)(-4, 3, 2) 이고 직선 LL 은

x=−4+ty=3−5tz=2−3tx = -4 + t \qquad y = 3 - 5t \qquad z = 2 - 3t

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The line LL must be perpendicular both to <2 , 1 , −1>\left< 2\,,\,1\,,\,-1\right>, which is a normal vector for the plane 2x+y−z=52x + y - z = 5, and to <−1 , −2 , 3>\left< -1\,,\,-2\,,\,3\right>, which is a direction vector for the line x=3−tx = 3 - t, y=1−2ty = 1 - 2t and z=3tz = 3t. Any such vector must be a nonzero constant times

<2 , 1 , −1>×<−1 , −2 , 3>=det⁡[ı^ȷ^k^21−1−1−23]=<1 , −5 , −3>\begin{aligned} \left< 2\,,\,1\,,\,-1\right> \times \left< -1\,,\,-2\,,\,3\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 2 & 1 & -1 \\ -1 & -2 & 3 \end{matrix}\right] =\left< 1 \,,\, -5 \,,\, -3 \right> \end{aligned}

(b) For the point Q(a,b,c)Q(a, b, c)

  • to be a distance 22 from the xyxy–plane, it is necessary that ∣c∣=2|c|=2, and
  • to be a distance 33 from the xzxz–plane, it is necessary that ∣b∣=3|b|=3, and
  • to be a distance 44 from the yzyz–plane, it is necessary that ∣a∣=4|a|=4.

As a<0a < 0, b>0b > 0, c>0c > 0, the point QQ is (−4,3,2)(-4, 3, 2) and the line LL is

x=−4+ty=3−5tz=2−3tx = -4 + t \qquad y = 3 - 5t \qquad z = 2 - 3t

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.5절 · 11번
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22.CLP-3 · 1.5절 · 11번대학 수준우리말 번역

LL 을 평면 x+y+z=6x + y + z = 6 과 x−y+2z=0x - y + 2z = 0 의 교선이라 하자.

(a) 직선 LL 이 좌표평면과 만나는 점을 구하세요. (b) 점 (10,11,13)(10, 11, 13) 을 지나고 직선 LL 에 수직이며 평면 y=zy = z 에 평행한 직선의 매개변수 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Let LL be the line of intersection of the planes x+y+z=6x + y + z = 6 and x−y+2z=0x - y + 2z = 0.

(a) Find the points in which the line LL intersects the coordinate planes. (b) Find parametric equations for the line through the point (10,11,13)(10, 11, 13) that is perpendicular to the line LL and parallel to the plane y=zy = z.

정답·풀이 보기

(a) 직선 LL 이 xyxy평면과 만나는 점은 x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, 그리고 z=0z=0 을 만족한다. z=0z=0 일 때 LL 의 방정식은 x+y=6x + y = 6, x−y=0x - y = 0 으로 간단해진다. 따라서 교점은 (3,3,0)(3,3,0) 이다.

직선 LL 이 xzxz평면과 만나는 점은 x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, 그리고 y=0y=0 을 만족한다. y=0y=0 일 때 LL 의 방정식은 x+z=6x + z = 6, x+2z=0x +2z = 0 으로 간단해진다. x=−2zx=-2z 를 x+z=6x+z=6 에 대입하면 −z=6-z=6 이다. 따라서 교점은 (12,0,−6)(12,0,-6) 이다.

직선 LL 이 yzyz평면과 만나는 점은 x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, 그리고 x=0x=0 을 만족한다. x=0x=0 일 때 LL 의 방정식은 y+z=6y + z = 6, −y+2z=0-y +2z = 0 으로 간단해진다. y=2zy=2z 를 y+z=6y+z=6 에 대입하면 3z=63z=6 이다. 따라서 교점은 (0,4,2)(0,4,2) 이다.

(b) 핵심은 이 직선의 방향벡터 d\mathbf{d} 를 구하는 것이다.

  • 직선이 y=zy=z 에 평행해야 하므로, d\mathbf{d} 는 y=zy=z 의 법선벡터 <0,1,−1>\left< 0,1,-1\right> 에 수직이어야 한다.
  • 또한 d\mathbf{d} 는 LL 에도 수직이어야 한다. 점 (x,y,z)(x,y,z) 가 LL 위에 있으려면 x+y=6−zx+y = 6-z 와 x−y=−2zx-y =-2z 를 만족해야 한다. 이 두 식을 더하면 2x=6−3z2x=6-3z 이고, 첫째 식에서 둘째 식을 빼면 2y=6+z2y= 6+z 이다. 따라서 점 (x,y,z)(x,y,z) 가 LL 위에 있으려면 x=3−3z2x=3-\frac{3z}{2}, y=3+z2y=3+\frac{z}{2} 를 만족해야 한다. LL 위의 점 중 z=0z=0 인 점은 (3,3,0)(3,3,0) 이고 z=2z=2 인 점은 (0,4,2)(0,4,2) 이다. 따라서 <0−3,4−3,2−0>=<−3,1,2>\left< 0-3,4-3,2-0 \right>=\left< -3,1,2 \right> 는 LL 의 방향벡터이다.

그러므로 d\mathbf{d} 는 <0,1,−1>\left< 0,1,-1\right> 과 <−3,1,2>\left< -3,1,2 \right> 모두에 수직이어야 하고, 따라서 다음 벡터의 0이 아닌 상수배이다.

<0,1,−1>×<−3,1,2>=det⁡[ı^ȷ^k^01−1−312]=<3 , 3 , 3>\begin{aligned} \left< 0,1,-1\right> \times \left< -3,1,2 \right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 1 & -1 \\ -3 & 1 & 2 \end{matrix}\right] =\left< 3 \,,\, 3 \,,\, 3 \right> \end{aligned}

d=13<3 , 3 , 3>=<1 , 1 , 1>\mathbf{d}=\frac{1}{3}\left< 3 \,,\, 3 \,,\, 3 \right>=\left< 1\,,\,1\,,\,1 \right> 로 택한다. 따라서

<x,y,z>=<10,11,13>+t<1 , 1 , 1>\left< x,y,z\right> = \left< 10,11,13\right> + t \left< 1\,,\,1\,,\,1 \right>

는 이 직선의 벡터 매개변수 방정식이다. 이를 x=10+tx=10+t, y=11+ty=11+t, z=13+tz=13+t 로 쓸 수도 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The line LL intersects the xyxy–plane when x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, and z=0z=0. When z=0z=0 the equations of LL reduce to x+y=6x + y = 6, x−y=0x - y = 0. So the intersection point is (3,3,0)(3,3,0).

The line LL intersects the xzxz–plane when x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, and y=0y=0. When y=0y=0 the equations of LL reduce to x+z=6x + z = 6, x+2z=0x +2z = 0. Substituting x=−2zx=-2z into x+z=6x+z=6 gives −z=6-z=6. So the intersection point is (12,0,−6)(12,0,-6).

The line LL intersects the yzyz–plane when x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, and x=0x=0. When x=0x=0 the equations of LL reduce to y+z=6y + z = 6, −y+2z=0-y +2z = 0. Substituting y=2zy=2z into y+z=6y+z=6 gives 3z=63z=6. So the intersection point is (0,4,2)(0,4,2).

(b) Our main job is to find a direction vector d\mathbf{d} for the line.

  • Since the line is to be parallel to y=zy=z, d\mathbf{d} must be perpendicular to the normal vector for y=zy=z, which is <0,1,−1>\left< 0,1,-1\right>.
  • d\mathbf{d} must also be perpendicular to LL. For a point (x,y,z)(x,y,z) to be on LL it must obey x+y=6−zx+y = 6-z and x−y=−2zx-y =-2z. Adding these two equations gives 2x=6−3z2x=6-3z and subtracting the second equation from the first gives 2y=6+z2y= 6+z. So for a point (x,y,z)(x,y,z) to be on LL it must obey x=3−3z2x=3-\frac{3z}{2}, y=3+z2y=3+\frac{z}{2}. The point on LL with z=0z=0 is (3,3,0)(3,3,0) and the point on LL with z=2z=2 is (0,4,2)(0,4,2). So <0−3,4−3,2−0>=<−3,1,2>\left< 0-3,4-3,2-0 \right>=\left< -3,1,2 \right> is a direction vector for LL.

So d\mathbf{d} must be perpendicular to both <0,1,−1>\left< 0,1,-1\right> and <−3,1,2>\left< -3,1,2 \right> and so must be a nonzero constant times

<0,1,−1>×<−3,1,2>=det⁡[ı^ȷ^k^01−1−312]=<3 , 3 , 3>\begin{aligned} \left< 0,1,-1\right> \times \left< -3,1,2 \right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 1 & -1 \\ -3 & 1 & 2 \end{matrix}\right] =\left< 3 \,,\, 3 \,,\, 3 \right> \end{aligned}

We choose d=13<3 , 3 , 3>=<1 , 1 , 1>\mathbf{d}=\frac{1}{3}\left< 3 \,,\, 3 \,,\, 3 \right>=\left< 1\,,\,1\,,\,1 \right>. So

<x,y,z>=<10,11,13>+t<1 , 1 , 1>\left< x,y,z\right> = \left< 10,11,13\right> + t \left< 1\,,\,1\,,\,1 \right>

is a vector parametric equation for the line. We can also write this as x=10+tx=10+t, y=11+ty=11+t, z=13+tz=13+t.

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23.CLP-3 · 1.5절 · 13번대학 수준우리말 번역

다음 두 평면

x+y+z=11그리고x−y−z=13.x + y + z = 11\qquad \text{그리고}\qquad x - y - z = 13.

의 교선에 대한 매개변수 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the parametric equation for the line of intersection of the planes

x+y+z=11andx−y−z=13.x + y + z = 11\qquad \text{and}\qquad x - y - z = 13.

정답·풀이 보기

zz 를 매개변수로 쓰고 tt 라 하자. 그러면 z=tz=t 이고

x+y=11−tx−y=13+t\begin{aligned} x+y&=11-t \\ x-y&=13+t \end{aligned}

이다. 두 방정식을 더하면 2x=242x=24 이고, 첫째 식에서 둘째 식을 빼면 2y=−2−2t2y=-2-2t 이다. 따라서

(x,y,z)=(12 , −1−t , t)(x,y,z) = \big(12\,,\,-1-t\,,\,t\big)

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let's use zz as the parameter and call it tt. Then z=tz=t and

x+y=11−tx−y=13+t\begin{aligned} x+y&=11-t \\ x-y&=13+t \end{aligned}

Adding the two equations gives 2x=242x=24 and subtracting the second equation from the first gives 2y=−2−2t2y=-2-2t. So

(x,y,z)=(12 , −1−t , t)(x,y,z) = \big(12\,,\,-1-t\,,\,t\big)

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24.CLP-3 · 1.5절 · 14번대학 수준우리말 번역

(a) (2,5,−3)(2, 5, -3) 과 (−3,6,1)(-3, 6, 1) 에서 같은 거리에 있는 yy축 위의 점을 구하세요. (b) 점 (1,3,1)(1, 3, 1) 과 직선 r(t)=t ı^+t ȷ^+(t+2) k^\mathbf{r}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + (t + 2)\,\hat{\mathbf{k}} 를 포함하는 평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find a point on the y-axis equidistant from (2,5,−3)(2, 5, -3) and (−3,6,1)(-3, 6, 1). (b) Find the equation of the plane containing the point (1,3,1)(1, 3, 1) and the line r(t)=t ı^+t ȷ^+(t+2) k^\mathbf{r}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + (t + 2)\,\hat{\mathbf{k}}.

정답·풀이 보기

(a) yy축 위의 점 (0,y,0)(0,y,0) 이 (2,5,−3)(2, 5, -3) 과 (−3,6,1)(-3, 6, 1) 에서 같은 거리에 있을 필요충분조건은

∣<2,5,−3>−<0,y,0>∣=∣<−3,6,1>−<0,y,0>∣  ⟺  22+(5−y)2+(−3)2=(−3)2+(6−y)2+12  ⟺  2y=8  ⟺  y=4\begin{aligned} &\big|\left< 2, 5, -3\right>-\left< 0,y,0\right>\big| =\big|\left< -3, 6, 1\right>-\left< 0,y,0\right>\big| \\ &\iff 2^2+(5-y)^2+(-3)^2=(-3)^2+(6-y)^2+1^2 \\ &\iff 2y=8 \\ &\iff y=4 \end{aligned}

이다.

(b) 두 점 (1,3,1)(1,3,1) 과 r(0)=(0,0,2)\mathbf{r}(0)=(0,0,2) 는 모두 평면 위에 있다. 따라서 두 점을 잇는 벡터 <1,3,1>−<0,0,2>=<1,3,−1>\left< 1,3,1\right>-\left< 0,0,2\right>=\left< 1,3,-1\right> 과 직선의 방향벡터 <1,1,1>\left< 1,1,1\right> 은 모두 평면과 평행하다. 그러므로

<1,3,−1>×<1,1,1>=det⁡[ı^ȷ^k^13−1111]=<4,−2,−2>\left< 1,3,-1\right>\times \left< 1,1,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ 1&3&-1 \\ 1&1&1 \end{matrix}\right] = \left< 4,-2,-2\right>

은 평면에 수직이다. 점 (0,0,2)(0,0,2) 가 평면 위에 있고 벡터 <4,−2,−2>\left< 4,-2,-2\right> 가 평면에 수직이므로, 평면의 방정식은

4(x−0)−2(y−0)−2(z−2)=0 또는 2x−y−z=−24(x-0)-2(y-0)-2(z-2)=0\text{ 또는 } 2x-y-z=-2

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The point (0,y,0)(0,y,0), on the yy–axis, is equidistant from (2,5,−3)(2, 5, -3) and (−3,6,1)(-3, 6, 1) if and only if

∣<2,5,−3>−<0,y,0>∣=∣<−3,6,1>−<0,y,0>∣  ⟺  22+(5−y)2+(−3)2=(−3)2+(6−y)2+12  ⟺  2y=8  ⟺  y=4\begin{aligned} &\big|\left< 2, 5, -3\right>-\left< 0,y,0\right>\big| =\big|\left< -3, 6, 1\right>-\left< 0,y,0\right>\big| \\ &\iff 2^2+(5-y)^2+(-3)^2=(-3)^2+(6-y)^2+1^2 \\ &\iff 2y=8 \\ &\iff y=4 \end{aligned}

(b) The points (1,3,1)(1,3,1) and r(0)=(0,0,2)\mathbf{r}(0)=(0,0,2) are both on the plane. Hence the vector <1,3,1>−<0,0,2>=<1,3,−1>\left< 1,3,1\right>-\left< 0,0,2\right>=\left< 1,3,-1\right> joining them, and the direction vector of the line, namely <1,1,1>\left< 1,1,1\right> are both parallel to the plane. So

<1,3,−1>×<1,1,1>=det⁡[ı^ȷ^k^13−1111]=<4,−2,−2>\left< 1,3,-1\right>\times \left< 1,1,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ 1&3&-1 \\ 1&1&1 \end{matrix}\right] = \left< 4,-2,-2\right>

is perpendicular to the plane. As the point (0,0,2)(0,0,2) is on the plane and the vector <4,−2,−2>\left< 4,-2,-2\right> is perpendicular to the plane, the equation of the plane is

4(x−0)−2(y−0)−2(z−2)=0 or 2x−y−z=−24(x-0)-2(y-0)-2(z-2)=0\text{ or } 2x-y-z=-2

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.5절 · 16번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
25.CLP-3 · 1.6절 · 10번대학 수준우리말 번역

주어진 위치 함수를 갖는 입자의 속력을 구하세요.

r(t)=52 t ı^+e5t ȷ^−e−5t k^\mathbf{r}(t) = 5 \sqrt{2}\,t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} - e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

옳은 답을 고르세요:

(a) ∣v(t)∣=(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = \big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (b) ∣v(t)∣=10+5et+5e−t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + 5e^{t} + 5e^{-t}} (c) ∣v(t)∣=10+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + e^{10t} + e^{-10t}} (d) ∣v(t)∣=5(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (e) ∣v(t)∣=5(et+e−t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^t + e^{-t}\big)

영어 원문 보기

Find the speed of a particle with the given position function

r(t)=52 t ı^+e5t ȷ^−e−5t k^\mathbf{r}(t) = 5 \sqrt{2}\,t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} - e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

Select the correct answer:

(a) ∣v(t)∣=(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = \big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (b) ∣v(t)∣=10+5et+5e−t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + 5e^{t} + 5e^{-t}} (c) ∣v(t)∣=10+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + e^{10t} + e^{-10t}} (d) ∣v(t)∣=5(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (e) ∣v(t)∣=5(et+e−t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^t + e^{-t}\big)

정답·풀이 보기

다음과 같다.

v(t)=r′(t)=52 ı^+5e5t ȷ^+5e−5t k^\mathbf{v}(t) = \mathbf{r}'(t) = 5 \sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 5e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +5 e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

따라서

∣v(t)∣=∣r′(t)∣=5∣2 ı^+e5t ȷ^+e−5t k^∣=52+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = |\mathbf{r}'(t)| = 5 \big|\sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}\big| = 5\sqrt{2+ e^{10t}+ e^{-10t}}

2+e10t+e−10t=(e5t+e−5t)22+ e^{10t}+ e^{-10t} = \big(e^{5t}+e^{-5t}\big)^2 이므로 답은 (d)이다.

원본 교재 풀이(영어)

We have

v(t)=r′(t)=52 ı^+5e5t ȷ^+5e−5t k^\mathbf{v}(t) = \mathbf{r}'(t) = 5 \sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 5e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +5 e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

and hence

∣v(t)∣=∣r′(t)∣=5∣2 ı^+e5t ȷ^+e−5t k^∣=52+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = |\mathbf{r}'(t)| = 5 \big|\sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}\big| = 5\sqrt{2+ e^{10t}+ e^{-10t}}

Since 2+e10t+e−10t=(e5t+e−5t)22+ e^{10t}+ e^{-10t} = \big(e^{5t}+e^{-5t}\big)^2, that's (d).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 29번
# 벡터함수의 미분과 적분활용보통자동 분류
26.CLP-3 · 1.6절 · 11번대학 수준우리말 번역

위치가 r(t)\mathbf{r}(t) 인 입자의 시각 tt 에서의 속도, 속력, 가속도를 구하세요. 입자의 경로를 설명하세요. a>0a>0 이라 하세요.

(a) r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + ct\,\hat{\mathbf{k}} (b) r(t)=acos⁡tsin⁡t ı^+asin⁡2t ȷ^+acos⁡t k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + a\sin^2 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}

영어 원문 보기

Find the velocity, speed and acceleration at time tt of the particle whose position is r(t)\mathbf{r}(t). Describe the path of the particle. Let a>0a>0.

(a) r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + ct\,\hat{\mathbf{k}} (b) r(t)=acos⁡tsin⁡t ı^+asin⁡2t ȷ^+acos⁡t k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + a\sin^2 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}

정답·풀이 보기

(a) 정의에 의해,

r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^v(t)=r′(t)=−asin⁡t ı^+acos⁡t ȷ^+c k^dsdt(t)=∣v(t)∣=a2+c2a(t)=r′′(t)=−acos⁡t ı^−asin⁡t ȷ^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ct\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)&= -a \sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|&= \sqrt{a^2+c^2}\\ \mathbf{a}(t)=\mathbf{r}''(t)&= -a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

(x,y)=a(cos⁡t,sin⁡t)(x,y)= a(\cos t,\sin t) 좌표는 반지름이 aa 이고 중심이 (0,0)(0,0) 인 원을 반시계 방향으로 돈다. tt 가 2π2\pi 증가할 때마다 원을 한 바퀴 돈다. 동시에 zz 좌표는 일정한 비율로 증가한다. (x,y)(x,y) 좌표가 원을 한 바퀴 돌 때마다 zz 좌표는 2πc2 \pi c 만큼 증가한다. 경로는 반지름이 aa 이고 한 바퀴 돌 때마다 높이가 2πc2\pi c 만큼 올라가는 나선이다.

(b) 정의에 의해,

r(t)=acos⁡tsin⁡t ı^+asin⁡2t ȷ^+acos⁡t k^=a2sin⁡2t ı^+a1−cos⁡2t2 ȷ^+acos⁡t k^v(t)=r′(t)=acos⁡2t ı^+asin⁡2t ȷ^−asin⁡t k^dsdt(t)=∣v(t)∣=a1+sin⁡2ta(t)=r′′(t)=−2asin⁡2t ı^+2acos⁡2t ȷ^−acos⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= a \cos t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin^2 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}\\ &= \frac{a}{2} \sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\frac{1-\cos 2t}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)&= a \cos 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-a\sin t\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|&= a\sqrt{1+\sin^2t}\\ \mathbf{a}(t)=\mathbf{r}''(t)&= -2a \sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2a\cos 2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-a\cos t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

다음과 같이 놓자.

x(t)=a2sin⁡2ty(t)=a1−cos⁡2t2z(t)=acos⁡t\begin{aligned} x(t)=\tfrac{a}{2} \sin 2t \qquad y(t)=a\tfrac{1-\cos 2t}{2} \qquad z(t)=a\cos t \end{aligned}

그러면

x(t)2+[y(t)−a2]2=a24sin⁡22t+a24cos⁡22t=a24\begin{aligned} x(t)^2+\big[y(t)-\tfrac{a}{2}\big]^2&=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4} \cos^2 2t =\tfrac{a^2}{4} \end{aligned}

이므로 (x,y)(x,y) 좌표는 반지름이 a2\frac{a}{2} 이고 중심이 (0,a2)\big(0,\frac{a}{2}\big) 인 원을 반시계 방향으로 돈다. 동시에 zz 좌표는 절반의 빠르기로 11 과 −1-1 사이의 구간에서 진동한다. 사실 이 곡선에 대해서는 더 말할 수 있다.

x(t)2+y(t)2=a24sin⁡22t+a24(1−cos⁡2t)2=a24sin⁡22t+a24−a22cos⁡2t+a24cos⁡22t=a22−a22(1−2sin⁡2t)=a2sin⁡2tx(t)2+y(t)2+z(t)2=a2sin⁡2t+a2cos⁡2t=a2\begin{aligned} x(t)^2+y(t)^2&=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4}\big(1-\cos 2t\big)^2 \\ &=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4} - \tfrac{a^2}{2}\cos 2t + \tfrac{a^2}{4} \cos^2 2t \\ &= \tfrac{a^2}{2} - \tfrac{a^2}{2} (1- 2\sin^2 t) \\ &= a^2\sin^2 t \\ x(t)^2+y(t)^2+z(t)^2 &= a^2\sin^2 t + a^2\cos^2 t =a^2 \end{aligned}

따라서 이 곡선은 원기둥 x2+[y−a2]2=a24x^2+\big[y-\tfrac{a}{2}\big]^2=\tfrac{a^2}{4} 과 구 x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2 의 교선 위에 놓여 있다. (x(t)2+y(t)2+z(t)2x(t)^2+y(t)^2+z(t)^2 의 값을 구해 볼 생각을 하지 못했더라도 걱정하지 않아도 된다.)

원본 교재 풀이(영어)

(a) By definition,

r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^v(t)=r′(t)=−asin⁡t ı^+acos⁡t ȷ^+c k^dsdt(t)=∣v(t)∣=a2+c2a(t)=r′′(t)=−acos⁡t ı^−asin⁡t ȷ^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ct\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)&= -a \sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|&= \sqrt{a^2+c^2}\\ \mathbf{a}(t)=\mathbf{r}''(t)&= -a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

The (x,y)=a(cos⁡t,sin⁡t)(x,y)= a(\cos t,\sin t) coordinates go around a circle of radius aa and centre (0,0)(0,0) counterclockwise. One circle is completed for each increase of tt by 2π2\pi. At the same time, the zz coordinate increases at a constant rate. Each time the (x,y)(x,y) coordinates complete one circle, the zz coordinate increases by 2πc2 \pi c. The path is a helix with radius aa and with each turn having height 2πc2\pi c.

(b) By definition,

r(t)=acos⁡tsin⁡t ı^+asin⁡2t ȷ^+acos⁡t k^=a2sin⁡2t ı^+a1−cos⁡2t2 ȷ^+acos⁡t k^v(t)=r′(t)=acos⁡2t ı^+asin⁡2t ȷ^−asin⁡t k^dsdt(t)=∣v(t)∣=a1+sin⁡2ta(t)=r′′(t)=−2asin⁡2t ı^+2acos⁡2t ȷ^−acos⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= a \cos t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin^2 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}\\ &= \frac{a}{2} \sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\frac{1-\cos 2t}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)&= a \cos 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-a\sin t\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|&= a\sqrt{1+\sin^2t}\\ \mathbf{a}(t)=\mathbf{r}''(t)&= -2a \sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2a\cos 2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-a\cos t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

Write

x(t)=a2sin⁡2ty(t)=a1−cos⁡2t2z(t)=acos⁡t\begin{aligned} x(t)=\tfrac{a}{2} \sin 2t \qquad y(t)=a\tfrac{1-\cos 2t}{2} \qquad z(t)=a\cos t \end{aligned}

Then

x(t)2+[y(t)−a2]2=a24sin⁡22t+a24cos⁡22t=a24\begin{aligned} x(t)^2+\big[y(t)-\tfrac{a}{2}\big]^2&=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4} \cos^2 2t =\tfrac{a^2}{4} \end{aligned}

Thus the (x,y)(x,y) coordinates go around a circle of radius a2\frac{a}{2} and centre (0,a2)\big(0,\frac{a}{2}\big) counterclockwise. At the same time the zz coordinate oscillates over the interval between 11 and −1-1 half as fast. In fact, one can say more about the curve.

x(t)2+y(t)2=a24sin⁡22t+a24(1−cos⁡2t)2=a24sin⁡22t+a24−a22cos⁡2t+a24cos⁡22t=a22−a22(1−2sin⁡2t)=a2sin⁡2tx(t)2+y(t)2+z(t)2=a2sin⁡2t+a2cos⁡2t=a2\begin{aligned} x(t)^2+y(t)^2&=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4}\big(1-\cos 2t\big)^2 \\ &=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4} - \tfrac{a^2}{2}\cos 2t + \tfrac{a^2}{4} \cos^2 2t \\ &= \tfrac{a^2}{2} - \tfrac{a^2}{2} (1- 2\sin^2 t) \\ &= a^2\sin^2 t \\ x(t)^2+y(t)^2+z(t)^2 &= a^2\sin^2 t + a^2\cos^2 t =a^2 \end{aligned}

So our curve lies on the intersection of the cylinder x2+[y−a2]2=a24x^2+\big[y-\tfrac{a}{2}\big]^2=\tfrac{a^2}{4} and the sphere x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2. (Don't worry if you didn't think of trying to evaluate x(t)2+y(t)2+z(t)2x(t)^2+y(t)^2+z(t)^2.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 28번
# 벡터함수의 미분과 적분활용보통자동 분류
27.CLP-3 · 1.6절 · 17번대학 수준우리말 번역

다음 곡선을 생각하세요.

r(t)=13cos⁡3t ı^+13sin⁡3t ȷ^+sin⁡3t k^\mathbf{r}(t) = \frac{1}{3}\cos^3 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\frac{1}{3} \sin^3 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \sin^3 t\,\hat{\mathbf{k}}

(a) t=0t = 0 에서 t=π2t = \frac{\pi}{2} 까지 곡선의 길이를 구하세요. (b) t=0t = 0 에서 t=πt = \pi 까지 곡선의 길이를 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the curve

r(t)=13cos⁡3t ı^+13sin⁡3t ȷ^+sin⁡3t k^\mathbf{r}(t) = \frac{1}{3}\cos^3 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\frac{1}{3} \sin^3 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \sin^3 t\,\hat{\mathbf{k}}

(a) Compute the arc length of the curve from t=0t = 0 to t=π2t = \frac{\pi}{2}. (b) Compute the arc length of the curve from t=0t = 0 to t=πt = \pi.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) r′(t)=−sin⁡tcos⁡2t ı^+sin⁡2tcos⁡t ı^+3sin⁡2tcos⁡t k^=sin⁡tcos⁡t(−cos⁡t ı^+sin⁡t ȷ^+3sin⁡t k^)dsdt(t)=∣sin⁡tcos⁡t∣cos⁡2t+sin⁡2t+9sin⁡2t=∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) & = -\sin t\cos^2 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin^2 t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 3\sin^2 t\cos t\,\hat{\mathbf{k}} = \sin t\cos t\big(-\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3\sin t\,\hat{\mathbf{k}}\big) \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) & = |\sin t\cos t|\sqrt{\cos^2 t + \sin ^2 t + 9\sin^2 t} = |\sin t\cos t|\sqrt{1+ 9\sin^2 t} \end{aligned}

이므로 t=0t = 0 에서 t=π2t = \frac{\pi}{2} 까지 곡선의 길이는

∫0π/2dsdt(t) dt=∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt=118∫110u du여기서 u=1+9sin⁡2t, du=18sin⁡tcos⁡t dt=118[23u3/2]110=127(1010−1)\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{18}\int_1^{10} \sqrt{u}\ \mathrm{d}u \qquad \text{여기서 } u = 1+ 9\sin^2 t,\ \mathrm{d}u = 18\sin t\cos t\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{18}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_1^{10}\\ &=\frac{1}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big) \end{aligned}

이다.

(b) t=0t = 0 에서 t=πt = \pi 까지 곡선의 길이는

∫0πdsdt(t) dt=∫0π∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dt절댓값 기호를 잊지 마세요!=2∫0π/2∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dt=2∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt\begin{aligned} \int_0^{\pi} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \qquad\text{절댓값 기호를 잊지 마세요!}\\ &=2\int_0^{\pi/2} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t = 2\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \end{aligned}

이다. 피적분함수가 t→π−tt\rightarrow\pi-t 에 대해 변하지 않기 때문이다. 따라서 t=0t = 0 에서 t=πt = \pi 까지 곡선의 길이는 (a)에서 구한 곡선의 길이의 2배, 즉 227(1010−1)\frac{2}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) As

r′(t)=−sin⁡tcos⁡2t ı^+sin⁡2tcos⁡t ı^+3sin⁡2tcos⁡t k^=sin⁡tcos⁡t(−cos⁡t ı^+sin⁡t ȷ^+3sin⁡t k^)dsdt(t)=∣sin⁡tcos⁡t∣cos⁡2t+sin⁡2t+9sin⁡2t=∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) & = -\sin t\cos^2 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin^2 t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 3\sin^2 t\cos t\,\hat{\mathbf{k}} = \sin t\cos t\big(-\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3\sin t\,\hat{\mathbf{k}}\big) \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) & = |\sin t\cos t|\sqrt{\cos^2 t + \sin ^2 t + 9\sin^2 t} = |\sin t\cos t|\sqrt{1+ 9\sin^2 t} \end{aligned}

the arclength from t=0t = 0 to t=π2t = \frac{\pi}{2} is

∫0π/2dsdt(t) dt=∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt=118∫110u duwith u=1+9sin⁡2t, du=18sin⁡tcos⁡t dt=118[23u3/2]110=127(1010−1)\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{18}\int_1^{10} \sqrt{u}\ \mathrm{d}u \qquad \text{with } u = 1+ 9\sin^2 t,\ \mathrm{d}u = 18\sin t\cos t\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{18}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_1^{10}\\ &=\frac{1}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big) \end{aligned}

(b) The arclength from t=0t = 0 to t=πt = \pi is

∫0πdsdt(t) dt=∫0π∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dtDon’t forget the absolute value signs!=2∫0π/2∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dt=2∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt\begin{aligned} \int_0^{\pi} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \qquad\text{Don't forget the absolute value signs!}\\ &=2\int_0^{\pi/2} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t = 2\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \end{aligned}

since the integrand is invariant under t→π−tt\rightarrow\pi-t. So the arc length from t=0t = 0 to t=πt = \pi is just twice the arc length from part (a), namely 227(1010−1)\frac{2}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 26번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
28.CLP-3 · 1.6절 · 18번대학 수준우리말 번역

r(t)=(13t3,12t2,12t)\mathbf{r}(t)=\big(\frac{1}{3}t^3,\frac{1}{2}t^2,\frac{1}{2}t\big), t≥0t\ge 0 이라 하자. 시각 tt 에서 곡선의 길이 s(ts(t) 를 구하세요.

영어 원문 보기

Let r(t)=(13t3,12t2,12t)\mathbf{r}(t)=\big(\frac{1}{3}t^3,\frac{1}{2}t^2,\frac{1}{2}t\big), t≥0t\ge 0. Compute s(ts(t), the arclength of the curve at time tt.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

r(t)=t33 ı^+t22 ȷ^+t2 k^r′(t)=t2 ı^+t ȷ^+12 k^dsdt(t)=∣r′(t)∣=t4+t2+14=(t2+12)2=t2+12\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= \frac{t^3}{3}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{t}{2}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(t)&= t^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{r}'(t)|&=\sqrt{t^4+t^2+\frac{1}{4}} =\sqrt{\Big(t^2+\frac{1}{2}\Big)^2}=t^2+\frac{1}{2} \end{aligned}

이므로 곡선의 길이는

s(t)=∫0tdsdt(u) du=∫0t(u2+12) du=t33+t2\begin{aligned} s(t)=\int_0^t \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(u)\,\mathrm{d}u =\int_0^t \Big(u^2+\frac{1}{2}\Big)\,\mathrm{d}u =\frac{t^3}{3} +\frac{t}{2} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since

r(t)=t33 ı^+t22 ȷ^+t2 k^r′(t)=t2 ı^+t ȷ^+12 k^dsdt(t)=∣r′(t)∣=t4+t2+14=(t2+12)2=t2+12\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= \frac{t^3}{3}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{t}{2}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(t)&= t^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{r}'(t)|&=\sqrt{t^4+t^2+\frac{1}{4}} =\sqrt{\Big(t^2+\frac{1}{2}\Big)^2}=t^2+\frac{1}{2} \end{aligned}

the length of the curve is

s(t)=∫0tdsdt(u) du=∫0t(u2+12) du=t33+t2\begin{aligned} s(t)=\int_0^t \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(u)\,\mathrm{d}u =\int_0^t \Big(u^2+\frac{1}{2}\Big)\,\mathrm{d}u =\frac{t^3}{3} +\frac{t}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 19번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
29.CLP-3 · 1.6절 · 19번대학 수준우리말 번역

0≤a≤t≤b0 \le a \le t \le b 이고 m>0m > 0 일 때, 곡선 r(t)=(tm , tm , t3m/2)\mathbf{r}(t) = \big(t^m\,,\, t^m\,,\, t^{3m/2}\big) 의 길이를 구하세요. 결과를 mm, aa, bb 로 나타내세요.

영어 원문 보기

Find the arc length of the curve r(t)=(tm , tm , t3m/2)\mathbf{r}(t) = \big(t^m\,,\, t^m\,,\, t^{3m/2}\big) for 0≤a≤t≤b0 \le a \le t \le b, and where m>0m > 0. Express your result in terms of mm, aa, and bb.

정답·풀이 보기

r(t)=tm ı^+tm ȷ^+t3m/2 k^r′(t)=mtm−1 ı^+mtm−1 ȷ^+3m2t3m/2−1 k^dsdt=∣r′(t)∣=2m2t2m−2+9m24t3m−2=mtm−12+94tm\begin{aligned} \mathbf{r}(t) & = t^m\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t^m\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + t^{3m/2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \mathbf{r}'(t) &= mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\frac{3m}{2}t^{3m/2-1}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} = |\mathbf{r}'(t)| & = \sqrt{ 2m^2 t^{2m-2} +\frac{9m^2}{4} t^{3m-2} } = mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m } \end{aligned}

이므로 곡선의 길이는

∫abdsdt(t) dt=∫abmtm−12+94tm dt=49∫2+94am2+94bmu du여기서 u=2+94tm, du=9m4tm−1=49[23u3/2]2+94am2+94bm=827[(2+94bm)3/2−(2+94am)3/2]\begin{aligned} \int_a^b \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_a^b mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m }\ \mathrm{d}t \\ &=\frac{4}{9}\int_{2 + \frac{9}{4}a^m}^{2 + \frac{9}{4}b^m}\sqrt{u}\,\mathrm{d}u \qquad\text{여기서 } u = 2 + \frac{9}{4}t^m,\ \mathrm{d}u = \frac{9m}{4}t^{m-1}\\ &=\frac{4}{9}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_{2 + \frac{9}{4}a^m} ^{2 + \frac{9}{4}b^m} \\ &=\frac{8}{27}\Big[\Big(2 + \frac{9}{4}b^m\Big)^{3/2} -\Big(2 + \frac{9}{4}a^m\Big)^{3/2}\Big] \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since

r(t)=tm ı^+tm ȷ^+t3m/2 k^r′(t)=mtm−1 ı^+mtm−1 ȷ^+3m2t3m/2−1 k^dsdt=∣r′(t)∣=2m2t2m−2+9m24t3m−2=mtm−12+94tm\begin{aligned} \mathbf{r}(t) & = t^m\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t^m\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + t^{3m/2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \mathbf{r}'(t) &= mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\frac{3m}{2}t^{3m/2-1}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} = |\mathbf{r}'(t)| & = \sqrt{ 2m^2 t^{2m-2} +\frac{9m^2}{4} t^{3m-2} } = mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m } \end{aligned}

the arc length is

∫abdsdt(t) dt=∫abmtm−12+94tm dt=49∫2+94am2+94bmu duwith u=2+94tm, du=9m4tm−1=49[23u3/2]2+94am2+94bm=827[(2+94bm)3/2−(2+94am)3/2]\begin{aligned} \int_a^b \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_a^b mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m }\ \mathrm{d}t \\ &=\frac{4}{9}\int_{2 + \frac{9}{4}a^m}^{2 + \frac{9}{4}b^m}\sqrt{u}\,\mathrm{d}u \qquad\text{with } u = 2 + \frac{9}{4}t^m,\ \mathrm{d}u = \frac{9m}{4}t^{m-1}\\ &=\frac{4}{9}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_{2 + \frac{9}{4}a^m} ^{2 + \frac{9}{4}b^m} \\ &=\frac{8}{27}\Big[\Big(2 + \frac{9}{4}b^m\Big)^{3/2} -\Big(2 + \frac{9}{4}a^m\Big)^{3/2}\Big] \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3장 복습 · 20번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
30.CLP-3 · 1.6절 · 20번대학 수준우리말 번역

입자의 질량이 상수 mm 이고 위치가 r\mathbf{r} 이며 속도 v\mathbf{v} 로 움직이고 있다면, 이 입자의 각운동량은 L=m(r×v)\mathbf{L}=m(\mathbf{r}\times\mathbf{v}) 이다.

질량이 m=1m=1 이고 위치 함수가 r=(sin⁡t,cos⁡t,t)\mathbf{r}=(\sin t, \cos t, t) 인 입자에 대해 ∣dLdt∣\left|\frac{\mathrm{d}\mathbf{L}}{\mathrm{d}t} \right| 를 구하세요.

영어 원문 보기

If a particle has constant mass mm, position r\mathbf{r}, and is moving with velocity v\mathbf{v}, then its angular momentum is L=m(r×v)\mathbf{L}=m(\mathbf{r}\times\mathbf{v}).

For a particle with mass m=1m=1 and position function r=(sin⁡t,cos⁡t,t)\mathbf{r}=(\sin t, \cos t, t), find ∣dLdt∣\left|\frac{\mathrm{d}\mathbf{L}}{\mathrm{d}t} \right|.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

입자의 위치가 주어졌으므로 속도를 구할 수 있다. v(t)=r′(t)=(cos⁡t,−sin⁡t,1)\mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)=(\cos t, -\sin t , 1) 주어진 공식을 적용하면, L(t)=r×v=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(cos⁡t,−sin⁡t,1).\mathbf{L}(t)=\mathbf{r} \times \mathbf{v}=(\sin t , \cos t , t) \times (\cos t, -\sin t , 1).

  • 풀이 1: 먼저 외적을 계산한 다음 미분하면 된다.

L(t)=(cos⁡t+tsin⁡t)ı^+(tcos⁡t−sin⁡t)ȷ^−k^L′(t)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2(sin⁡2t+cos⁡2t)=t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}(t)& = (\cos t + t\sin t)\hat{\boldsymbol{\imath}} + (t\cos t - \sin t)\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{L}'(t)&=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -t\sin t\, \hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2(\sin^2 t + \cos^2 t)}=\sqrt{t^2}=|t| \end{aligned}

  • 풀이 2: 곱의 미분법을 이용한다.

L′(t)=r′(t)×v(t)+r(t)×v′(t)=r′(t)×r′(t)⏟0+r(t)×v′(t)=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(−sin⁡t,−cos⁡t,0)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2cos⁡2t+t2sin⁡t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}'(t)&=\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{v}(t) + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &=\underbrace{\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{r}'(t)}_{0} + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &= (\sin t ,\cos t,t)\times(-\sin t , -\cos t, 0)\\ &=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2\cos^2 t + t^2\sin t^2 }=|t| \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Given the position of the particle, we can find its velocity: v(t)=r′(t)=(cos⁡t,−sin⁡t,1)\mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)=(\cos t, -\sin t , 1) Applying the given formula, L(t)=r×v=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(cos⁡t,−sin⁡t,1).\mathbf{L}(t)=\mathbf{r} \times \mathbf{v}=(\sin t , \cos t , t) \times (\cos t, -\sin t , 1).

  • Solution 1: We can first compute the cross product, then differentiate:

L(t)=(cos⁡t+tsin⁡t)ı^+(tcos⁡t−sin⁡t)ȷ^−k^L′(t)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2(sin⁡2t+cos⁡2t)=t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}(t)& = (\cos t + t\sin t)\hat{\boldsymbol{\imath}} + (t\cos t - \sin t)\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{L}'(t)&=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -t\sin t\, \hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2(\sin^2 t + \cos^2 t)}=\sqrt{t^2}=|t| \end{aligned}

  • Solution 2: Using the product rule:

L′(t)=r′(t)×v(t)+r(t)×v′(t)=r′(t)×r′(t)⏟0+r(t)×v′(t)=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(−sin⁡t,−cos⁡t,0)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2cos⁡2t+t2sin⁡t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}'(t)&=\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{v}(t) + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &=\underbrace{\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{r}'(t)}_{0} + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &= (\sin t ,\cos t,t)\times(-\sin t , -\cos t, 0)\\ &=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2\cos^2 t + t^2\sin t^2 }=|t| \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 27번
# 벡터함수의 미분과 적분활용보통자동 분류
31.CLP-3 · 1.6절 · 21번대학 수준우리말 번역

벡터방정식이 다음과 같은 공간곡선 Γ\Gamma 를 생각하세요.

r(t)=tsin⁡(πt) ı^+tcos⁡(πt) ȷ^+t2k^ 0≤t<∞\mathbf{r}(t)=t\sin(\pi t)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+t\cos(\pi t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +t^2\hat{\mathbf{k}}\,\qquad 0\le t<\infty

이 곡선은 원점에서 출발하여 결국 방정식이 2x2+2y2+z2=242x^2+2y^2+z^2=24 인 타원면 EE 에 도달한다.

(a) Γ\Gamma 가 EE 와 만나는 점 PP 의 좌표를 구하세요. (b) 점 PP 에서 Γ\Gamma 의 접벡터를 구하세요. (c) Γ\Gamma 는 EE 와 직각으로 만나나요? 그 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Consider the space curve Γ\Gamma whose vector equation is

r(t)=tsin⁡(πt) ı^+tcos⁡(πt) ȷ^+t2k^ 0≤t<∞\mathbf{r}(t)=t\sin(\pi t)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+t\cos(\pi t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +t^2\hat{\mathbf{k}}\,\qquad 0\le t<\infty

This curve starts from the origin and eventually reaches the ellipsoid EE whose equation is 2x2+2y2+z2=242x^2+2y^2+z^2=24.

(a) Determine the coordinates of the point PP where Γ\Gamma intersects EE. (b) Find the tangent vector of Γ\Gamma at the point PP. (c) Does Γ\Gamma intersect EE at right angles? Why or why not?

정답·풀이 보기

(a) 곡선이 EE 와 만나는 것은 다음과 같을 때이다.

2(tsin⁡(πt))2+2(tcos⁡(πt))2+(t2)2=24  ⟺  2t2+t4=24  ⟺  (t2−4)(t2+6)=02\big(t\sin(\pi t)\big)^2+2\big(t\cos(\pi t)\big)^2 +\big(t^2\big)^2=24 \iff 2t^2+t^4=24 \iff (t^2-4)(t^2+6)=0

t>0t>0 이어야 하므로 구하는 시각은 t=2t=2 이고, 이에 대응하는 점은 r(2)=2 ȷ^+4 k^\mathbf{r}(2)=2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}} 이다.

(b)

r′(t)=[sin⁡(πt)+πtcos⁡(πt)]ı^+[cos⁡(πt)−πtsin⁡(πt)]ȷ^+2tk^\mathbf{r}'(t)=\big[\sin(\pi t)+\pi t\cos(\pi t)\big]\hat{\boldsymbol{\imath}} +\big[\cos(\pi t)-\pi t\sin(\pi t)\big]\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2t\hat{\mathbf{k}}

이므로, 점 PP 에서 Γ\Gamma 의 접벡터는 다음의 0이 아닌 임의의 배수이다.

r′(2)=2π ı^+ȷ^+4 k^\mathbf{r}'(2)=2\pi\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}

(c) 점 PP 에서 EE 의 법선벡터는 다음과 같다.

∇(2x2+2y2+z2)∣(0,2,4)=<4x,4y,2z>∣(0,2,4)=<0,8,8>{ \boldsymbol{\nabla} }(2x^2+2y^2+z^2)\big|_{(0,2,4)}= \left< 4x,4y,2z\right>\big|_{(0,2,4)} =\left< 0,8,8\right>

r′(2)\mathbf{r}'(2) 와 <0,8,8>\left< 0,8,8\right> 는 평행하지 않으므로 Γ\Gamma 와 EE 는 직각으로 만나지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The curve intersects EE when

2(tsin⁡(πt))2+2(tcos⁡(πt))2+(t2)2=24  ⟺  2t2+t4=24  ⟺  (t2−4)(t2+6)=02\big(t\sin(\pi t)\big)^2+2\big(t\cos(\pi t)\big)^2 +\big(t^2\big)^2=24 \iff 2t^2+t^4=24 \iff (t^2-4)(t^2+6)=0

Since we need t>0t>0, the desired time is t=2t=2 and the corresponding point is r(2)=2 ȷ^+4 k^\mathbf{r}(2)=2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}.

(b) Since

r′(t)=[sin⁡(πt)+πtcos⁡(πt)]ı^+[cos⁡(πt)−πtsin⁡(πt)]ȷ^+2tk^\mathbf{r}'(t)=\big[\sin(\pi t)+\pi t\cos(\pi t)\big]\hat{\boldsymbol{\imath}} +\big[\cos(\pi t)-\pi t\sin(\pi t)\big]\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2t\hat{\mathbf{k}}

a tangent vector to Γ\Gamma at PP is any nonzero multiple of

r′(2)=2π ı^+ȷ^+4 k^\mathbf{r}'(2)=2\pi\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}

(c) A normal vector to EE at PP is

∇(2x2+2y2+z2)∣(0,2,4)=<4x,4y,2z>∣(0,2,4)=<0,8,8>{ \boldsymbol{\nabla} }(2x^2+2y^2+z^2)\big|_{(0,2,4)}= \left< 4x,4y,2z\right>\big|_{(0,2,4)} =\left< 0,8,8\right>

Since r′(2)\mathbf{r}'(2) and <0,8,8>\left< 0,8,8\right> are not parallel, Γ\Gamma and EE do not intersect at right angles.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 20번
# 벡터함수의 미분과 적분개념 확인보통자동 분류
32.CLP-3 · 1.6절 · 22번대학 수준우리말 번역

3차원 공간에서 한 입자가 위치 벡터 r(t)\mathbf{r}(t) 로 움직이고, r′′(t)=−r(t)\mathbf{r}''(t)=-\mathbf{r}(t) 를 만족한다고 하자. "에너지" ∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2 이 상수임(즉, tt 에 무관함)을 보이세요.

영어 원문 보기

Suppose a particle in 3-dimensional space travels with position vector r(t)\mathbf{r}(t), which satisfies r′′(t)=−r(t)\mathbf{r}''(t)=-\mathbf{r}(t). Show that the “energy” ∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2 is constant (that is, independent of tt).

정답·풀이 보기

ddt[∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2]=ddt[r(t)⋅r(t)+r′(t)⋅r′(t)]=2r(t)⋅r′(t)+2r′(t)⋅r′′(t)=2r′(t)⋅[r(t)+r′′(t)]=0 since r′′(t)=−r(t) \begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big[|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2\big] &=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big[\mathbf{r}(t)\cdot\mathbf{r}(t)+\mathbf{r}'(t)\cdot\mathbf{r}'(t)\big]\\ &=2\mathbf{r}(t)\cdot\mathbf{r}'(t)+2\mathbf{r}'(t)\cdot\mathbf{r}''(t)\\ &=2\mathbf{r}'(t)\cdot\big[\mathbf{r}(t)+\mathbf{r}''(t)\big]\\ &=0\qquad \text{ since $\mathbf{r}''(t)=-\mathbf{r}(t)$ } \end{aligned}

모든 tt 에 대해 ddt[∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2]=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big[|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2\big]=0 이므로, ∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2 은 tt 에 무관하다.

원본 교재 풀이(영어)

ddt[∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2]=ddt[r(t)⋅r(t)+r′(t)⋅r′(t)]=2r(t)⋅r′(t)+2r′(t)⋅r′′(t)=2r′(t)⋅[r(t)+r′′(t)]=0 since r′′(t)=−r(t) \begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big[|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2\big] &=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big[\mathbf{r}(t)\cdot\mathbf{r}(t)+\mathbf{r}'(t)\cdot\mathbf{r}'(t)\big]\\ &=2\mathbf{r}(t)\cdot\mathbf{r}'(t)+2\mathbf{r}'(t)\cdot\mathbf{r}''(t)\\ &=2\mathbf{r}'(t)\cdot\big[\mathbf{r}(t)+\mathbf{r}''(t)\big]\\ &=0\qquad \text{ since $\mathbf{r}''(t)=-\mathbf{r}(t)$ } \end{aligned}

Since ddt[∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2]=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big[|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2\big]=0 for all tt, ∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2 is independent of tt.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 21번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
33.CLP-3 · 1.7절 · 4번대학 수준우리말 번역

다음 함수의 등위곡선을 몇 개 그리세요.

(a) f(x,y)=x2+2y2f(x,y)=x^2+2y^2 (b) f(x,y)=xyf(x,y)=xy (c) f(x,y)=xe−yf(x,y)=xe^{-y}

영어 원문 보기

Sketch some of the level curves of

(a) f(x,y)=x2+2y2f(x,y)=x^2+2y^2 (b) f(x,y)=xyf(x,y)=xy (c) f(x,y)=xe−yf(x,y)=xe^{-y}

정답·풀이 보기

(a) 고정된 각 c>0c>0 에 대해 등위곡선 x2+2y2=cx^2+2y^2=c 는 원점을 중심으로 하고 xx 방향 반축의 길이가 c\sqrt{c}, yy 방향 반축의 길이가 c/2\sqrt{c/2} 인 타원이다. c=0c=0 이면 등위곡선 x2+2y2=c=0x^2+2y^2=c=0 은 한 점 (0,0)(0,0) 뿐이다.

그림

(b) 고정된 각 c≠0c\ne 0 에 대해 등위곡선 xy=cxy=c 는 원점을 중심으로 하고 xx축과 yy축을 점근선으로 갖는 쌍곡선이다. c>0c>0 이면 xy=c>0xy=c>0 을 만족하는 xx 와 yy 는 부호가 같다. 따라서 쌍곡선은 제1사분면과 제3사분면에 놓인다. c<0c<0 이면 xy=c>0xy=c>0 을 만족하는 xx 와 yy 는 부호가 반대이다. 따라서 쌍곡선은 제2사분면과 제4사분면에 놓인다. c=0c=0 이면 등위곡선 xy=c=0xy=c=0 은 한 점 (0,0)(0,0) 뿐이다.

그림

(c) 고정된 각 c≠0c\ne 0 에 대해 등위곡선 xe−y=cxe^{-y}=c 는 로그 곡선 y=−ln⁡cxy=-\ln\frac{c}{x} 이다. c>0c>0 일 때 이 곡선은 다음과 같다.

  • x>0x>0 으로 제한되며, 그래야 cx>0\frac{c}{x}>0 이 되어 ln⁡cx\ln \frac{c}{x} 가 정의된다. 또한
  • x→0+x\rightarrow 0^+ 일 때 yy 는 −∞-\infty 로 가고,
  • x→+∞x\rightarrow +\infty 일 때 yy 는 +∞+\infty 로 간다. 그리고
  • x=cx=c 일 때 xx축과 만난다(즉 y=0y=0 이다).

c<0c<0 일 때 이 곡선은 다음과 같다.

  • x<0x<0 으로 제한되며, 그래야 cx>0\frac{c}{x}>0 이 되어 ln⁡cx\ln \frac{c}{x} 가 정의된다. 또한
  • x→0−x\rightarrow 0^- 일 때 yy 는 −∞-\infty 로 가고,
  • x→−∞x\rightarrow -\infty 일 때 yy 는 +∞+\infty 로 간다. 그리고
  • x=cx=c 일 때 xx축과 만난다(즉 y=0y=0 이다).

c=0c=0 이면 등위곡선 xe−y=c=0xe^{-y}=c=0 은 yy축, 곧 x=0x=0 이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) For each fixed c>0c>0, the level curve x2+2y2=cx^2+2y^2=c is the ellipse centred on the origin with xx semi axis c\sqrt{c} and yy semi axis c/2\sqrt{c/2}. If c=0c=0, the level curve x2+2y2=c=0x^2+2y^2=c=0 is the single point (0,0)(0,0).

figure

(b) For each fixed c≠0c\ne 0, the level curve xy=cxy=c is a hyperbola centred on the origin with asymptotes the xx- and yy-axes. If c>0c>0, any xx and yy obeying xy=c>0xy=c>0 are of the same sign. So the hyperbola is contained in the first and third quadrants. If c<0c<0, any xx and yy obeying xy=c>0xy=c>0 are of opposite sign. So the hyperbola is contained in the second and fourth quadrants. If c=0c=0, the level curve xy=c=0xy=c=0 is the single point (0,0)(0,0).

figure

(c) For each fixed c≠0c\ne 0, the level curve xe−y=cxe^{-y}=c is the logarithmic curve y=−ln⁡cxy=-\ln\frac{c}{x}. Note that, for c>0c>0, the curve

  • is restricted to x>0x>0, so that cx>0\frac{c}{x}>0 and ln⁡cx\ln \frac{c}{x} is defined, and that
  • as x→0+x\rightarrow 0^+, yy goes to −∞-\infty, while
  • as x→+∞x\rightarrow +\infty, yy goes to +∞+\infty, and
  • the curve crosses the xx-axis (i.e. has y=0y=0) when x=cx=c.

and for c<0c<0, the curve

  • is restricted to x<0x<0, so that cx>0\frac{c}{x}>0 and ln⁡cx\ln \frac{c}{x} is defined, and that
  • as x→0−x\rightarrow 0^-, yy goes to −∞-\infty, while
  • as x→−∞x\rightarrow -\infty, yy goes to +∞+\infty, and
  • the curve crosses the xx-axis (i.e. has y=0y=0) when x=cx=c.

If c=0c=0, the level curve xe−y=c=0xe^{-y}=c=0 is the yy-axis, x=0x=0.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 5번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석보통자동 분류
34.CLP-3 · 1.7절 · 5번대학 수준우리말 번역

f(x,y)=2yx2+y2f(x,y)=\frac{2y}{x^2+y^2} 의 등위곡선을 그리세요.

영어 원문 보기

Sketch the level curves of f(x,y)=2yx2+y2f(x,y)=\frac{2y}{x^2+y^2}.

정답·풀이 보기

C=0C=0 이면 등위곡선 f=C=0f=C=0 은 직선 y=0y=0 뿐이다. C≠0C\ne 0 (부호는 어느 쪽이든) 이면 등위곡선 f=Cf=C 의 방정식 f(x,y)=2yx2+y2=Cf(x,y)=\frac{2y}{x^2+y^2}=C 를 다음과 같이 고쳐 쓸 수 있다.

x2−2Cy+y2=0  ⟺  x2+(y−1C)2=1C2x^2-\frac{2}{C}y+y^2=0 \iff x^2+\left(y-\frac{1}{C}\right)^2 =\frac{1}{C^2}

이는 중심이 (0 , 1C)\left(0\,,\,\frac{1}{C}\right) 이고 반지름이 1∣C∣\frac{1}{|C|} 인 원의 방정식이다.

그림

참고. 엄밀히 말하면, 함수 f(x,y)=2yx2+y2f(x,y)=\frac{2y}{x^2+y^2} 은 (x,y)=(0,0)(x,y)=(0,0) 에서 정의되지 않는다. 문제에서 ff 의 정의역에서 (0,0)(0,0) 을 제외한다고 밝히거나 f(0,0)f(0,0) 의 값을 정해 주었어야 한다. 사실 f(x,y)f(x,y) 가 (0,0)(0,0) 에서 연속이 되도록 f(0,0)f(0,0) 의 값을 정하는 것은 불가능한데, lim⁡x→0f(x,0)=0\lim_{x\rightarrow 0}f(x,0)=0 인 반면 lim⁡y→0f(0,∣y∣)=∞\lim_{y\rightarrow 0}f(0,|y|)=\infty 이기 때문이다. 따라서 ff 의 정의역을 R2\mathbb{R}^2 에서 점 (0,0)(0,0) 을 제외한 것으로 잡는 편이 더 타당하다. 위 그림의 원점에 작은 구멍이 있는 이유가 이것이다.

원본 교재 풀이(영어)

If C=0C=0, the level curve f=C=0f=C=0 is just the line y=0y=0. If C≠0C\ne 0 (of either sign), we may rewrite the equation, f(x,y)=2yx2+y2=Cf(x,y)=\frac{2y}{x^2+y^2}=C, of the level curve f=Cf=C as

x2−2Cy+y2=0  ⟺  x2+(y−1C)2=1C2x^2-\frac{2}{C}y+y^2=0 \iff x^2+\left(y-\frac{1}{C}\right)^2 =\frac{1}{C^2}

which is the equation of the circle of radius 1∣C∣\frac{1}{|C|} centred on (0 , 1C)\left(0\,,\,\frac{1}{C}\right).

figure

Remark. To be picky, the function f(x,y)=2yx2+y2f(x,y)=\frac{2y}{x^2+y^2} is not defined at (x,y)=(0,0)(x,y)=(0,0). The question should have either specified that the domain of ff excludes (0,0)(0,0) or have specified a value for f(0,0)f(0,0). In fact, it is impossible to assign a value to f(0,0)f(0,0) in such a way that f(x,y)f(x,y) is continuous at (0,0)(0,0), because lim⁡x→0f(x,0)=0\lim_{x\rightarrow 0}f(x,0)=0 while lim⁡y→0f(0,∣y∣)=∞\lim_{y\rightarrow 0}f(0,|y|)=\infty. So it makes more sense to have the domain of ff being R2\mathbb{R}^2 with the point (0,0)(0,0) removed. That's why there is a little hole at the origin in the above sketch.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 6번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석보통자동 분류
35.CLP-3 · 1.7절 · 6번대학 수준우리말 번역

f(x,y)=e−x2+4y2f(x, y) = e^{-x^2 +4y^2} 의 “등고선 지도”를 그리되, 나타나는 등위곡선의 종류를 모두 보이세요.

영어 원문 보기

Draw a “contour map” of f(x,y)=e−x2+4y2f(x, y) = e^{-x^2 +4y^2} , showing all types of level curves that occur.

정답·풀이 보기

임의의 상수 CC 에 대해 곡선 −x2+4y2=C-x^2+4y^2=C 는 등위곡선 f=eCf=e^C 임에 주목하자.

  • C=0C=0 이면 −x2+4y2=C=0-x^2+4y^2=C=0 은 두 직선 y=±x2y=\pm\frac{x}{2} 이다.
  • C>0C>0 이면 −x2+4y2=C>0-x^2+4y^2=C>0 은 쌍곡선 y=±12C+x2y=\pm\frac{1}{2}\sqrt{C+x^2} 이다.
  • C<0C<0 이면 −x2+4y2=C<0-x^2+4y^2=C<0 은 쌍곡선 x=±∣C∣+4y2x=\pm\sqrt{|C|+4y^2} 이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Observe that, for any constant CC, the curve −x2+4y2=C-x^2+4y^2=C is the level curve f=eCf=e^C.

  • If C=0C=0, then −x2+4y2=C=0-x^2+4y^2=C=0 is the pair of lines y=±x2y=\pm\frac{x}{2}.
  • If C>0C>0, then −x2+4y2=C>0-x^2+4y^2=C>0 is the hyperbola y=±12C+x2y=\pm\frac{1}{2}\sqrt{C+x^2}.
  • If C<0C<0, then −x2+4y2=C<0-x^2+4y^2=C<0 is the hyperbola x=±∣C∣+4y2x=\pm\sqrt{|C|+4y^2}.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 7번
# 이차곡면과 곡면 그리기계산보통자동 분류
36.CLP-3 · 1.7절 · 7번대학 수준우리말 번역

곡면이 다음과 같이 음함수로 주어져 있다.

x2+y2−z2+2z=0x^2 + y^2 - z^2 + 2z = 0

(a) 여러 개의 등위곡선 z=z = 상수를 그리세요. (b) 곡면의 대략적인 그림을 그리세요.

영어 원문 보기

A surface is given implicitly by

x2+y2−z2+2z=0x^2 + y^2 - z^2 + 2z = 0

(a) Sketch several level curves z=z = constant. (b) Draw a rough sketch of the surface.

정답·풀이 보기

(a) 방정식을 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

x2+y2=(z−1)2−1x^2 + y^2 = (z-1)^2 - 1

우변은 ∣z−1∣<1|z-1|<1, 즉 0<z<20<z<2 일 때 음수이다. 따라서 곡면 위의 점 중에는 0<z<20<z<2 인 점이 없다. 이 범위 밖에서 고정된 임의의 zz 에 대해 곡선 x2+y2=(z−1)2−1x^2 + y^2 = (z-1)^2 - 1 은 zz 축 위에 중심이 있는 원이고, 그 반지름은 (z−1)2−1\sqrt{(z-1)^2 - 1} 이다. 이 반지름은 z=0,2z=0,2 일 때 00 이고, zz 가 z=0,2z=0,2 에서 멀어질수록 커진다. ∣z∣|z| 가 매우 크면 반지름은 ∣z∣|z| 에 거의 비례하여 커진다. 다음은 등위곡선 몇 개를 그린 그림이다.

그림

(b) 이 곡면은 원이 쌓인 두 개의 더미로 이루어져 있다. 한 더미는 z=2z=2 에서 반지름 00 으로 시작한다. zz 가 커짐에 따라 반지름이 커진다. 다른 더미는 z=0z=0 에서 반지름 00 으로 시작한다. zz 가 작아짐에 따라 반지름이 커진다. 이 곡면은 이엽쌍곡면이다. 다음은 두 개의 그림이다. 왼쪽 그림은 곡면 중 제1팔분공간에 있는 부분의 그림이다. 오른쪽 그림은 곡면 전체의 그림이다.

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) We can rewrite the equation as

x2+y2=(z−1)2−1x^2 + y^2 = (z-1)^2 - 1

The right hand side is negative for ∣z−1∣<1|z-1|<1, i.e. for 0<z<20<z<2. So no point on the surface has 0<z<20<z<2. For any fixed zz, outside that range, the curve x2+y2=(z−1)2−1x^2 + y^2 = (z-1)^2 - 1 is the circle of radius (z−1)2−1\sqrt{(z-1)^2 - 1} centred on the zz–axis. That radius is 00 when z=0,2z=0,2 and increases as zz moves away from z=0,2z=0,2. For very large ∣z∣|z|, the radius increases roughly linearly with ∣z∣|z|. Here is a sketch of some level curves.

figure

(b) The surface consists of two stacks of circles. One stack starts with radius 00 at z=2z=2. The radius increases as zz increases. The other stack starts with radius 00 at z=0z=0. The radius increases as zz decreases. This surface is a hyperboloid of two sheets. Here are two sketchs. The sketch on the left is of the part of the surface in the first octant. The sketch on the right of the full surface.

figure

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 1번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석보통자동 분류
37.CLP-3 · 1.7절 · 8번대학 수준우리말 번역

쌍곡면 z2=4x2+y2−1z^2=4x^2+y^2-1 의 그래프를 그리세요.

영어 원문 보기

Sketch the hyperboloid z2=4x2+y2−1z^2=4x^2+y^2-1.

정답·풀이 보기

고정된 각 zz 에 대해 4x2+y2=1+z24x^2+y^2=1+z^2 은 타원이다. 따라서 이 곡면은 타원이 차곡차곡 쌓인 모양이다. 반축의 길이는 121+z2\frac{1}{2}\sqrt{1+z^2} 과 1+z2\sqrt{1+z^2} 이다. 이 값들은 z=0z=0 일 때 (즉 xyxy 평면 위의 타원일 때) 가장 작고 ∣z∣|z| 가 커짐에 따라 커진다. 곡면과 xzxz 평면(즉 평면 y=0y=0)의 교선은 쌍곡선 4x2−z2=14x^2-z^2=1 이고, 곡면과 yzyz 평면(즉 평면 x=0x=0)의 교선은 쌍곡선 y2−z2=1y^2-z^2=1 이다. 다음은 곡면의 두 그림이다. 왼쪽 그림은 곡면 중 제1팔분공간에 있는 부분만 (좌표축과 함께) 보여 준다.

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

For each fixed zz, 4x2+y2=1+z24x^2+y^2=1+z^2 is an ellipse. So the surface consists of a stack of ellipses one on top of the other. The semi axes are 121+z2\frac{1}{2}\sqrt{1+z^2} and 1+z2\sqrt{1+z^2}. These are smallest when z=0z=0 (i.e. for the ellipse in the xyxy-plane) and increase as ∣z∣|z| increases. The intersection of the surface with the xzxz-plane (i.e. with the plane y=0y=0) is the hyperbola 4x2−z2=14x^2-z^2=1 and the intersection with the yzyz-pane (i.e. with the plane x=0x=0) is the hyperbola y2−z2=1y^2-z^2=1. Here are two sketches of the surface. The sketch on the left only shows the part of the surface in the first octant (with axes).

figure

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 9번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석보통자동 분류
38.CLP-3 · 1.7절 · 9번대학 수준우리말 번역

다음 함수의 등위면을 설명하세요.

(a) f(x,y,z)=x2+y2+z2f(x,y,z)=x^2+y^2+z^2 (b) f(x,y,z)=x+2y+3zf(x,y,z)=x+2y+3z (c) f(x,y,z)=x2+y2f(x,y,z)=x^2+y^2

영어 원문 보기

Describe the level surfaces of

(a) f(x,y,z)=x2+y2+z2f(x,y,z)=x^2+y^2+z^2 (b) f(x,y,z)=x+2y+3zf(x,y,z)=x+2y+3z (c) f(x,y,z)=x2+y2f(x,y,z)=x^2+y^2

정답·풀이 보기

(a) c>0c>0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, 즉 x2+y2+z2=cx^2+y^2+z^2=c 는 원점을 중심으로 하고 반지름이 c\sqrt{c} 인 구이다. c=0c=0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c 는 원점 하나뿐이다. c<0c<0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c 를 만족시키는 (x,y,z)(x,y,z) 는 없다.

(b) f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, 즉 x+2y+3z=cx+2y+3z=c 는 (1,2,3)(1,2,3) 에 수직이고 (c,0,0)(c,0,0) 을 지나는 평면이다.

(c) c>0c>0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, 즉 x2+y2=cx^2+y^2=c 는 zz 축에 평행한 원기둥이고, 그 단면은 xyxy 평면에 평행하며 zz 축 위에 중심이 있는 반지름이 c\sqrt{c} 인 원이다. c=0c=0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c 는 zz 축이다. c<0c<0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c 를 만족시키는 (x,y,z)(x,y,z) 는 없다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If c>0c>0, f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, i.e. x2+y2+z2=cx^2+y^2+z^2=c, is the sphere of radius c\sqrt{c} centered at the origin. If c=0c=0, f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c is just the origin. If c<0c<0, no (x,y,z)(x,y,z) satisfies f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c.

(b) f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, i.e. x+2y+3z=cx+2y+3z=c, is the plane normal to (1,2,3)(1,2,3) passing through (c,0,0)(c,0,0).

(c) If c>0c>0, f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, i.e. x2+y2=cx^2+y^2=c, is the cylinder parallel to the zz-axis whose cross-section is a circle of radius c\sqrt{c} that is parallel to the xyxy-plane and is centered on the zz-axis. If c=0c=0, f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c is the zz-axis. If c<0c<0, no (x,y,z)(x,y,z) satisfies f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.6절 · 13번
# 이차곡면과 곡면 그리기계산보통자동 분류
39.CLP-3 · 1.7절 · 10번대학 수준우리말 번역

다음 함수의 그래프를 그리세요.

(a) f(x,y)=sin⁡x0≤x≤2π, 0≤y≤1f(x,y)=\sin x\qquad 0\le x\le 2\pi,\ 0\le y\le 1 (b) f(x,y)=x2+y2f(x,y)=\sqrt{x^2+y^2} (c) f(x,y)=∣x∣+∣y∣f(x,y)=|x|+|y|

영어 원문 보기

Sketch the graphs of

(a) f(x,y)=sin⁡x0≤x≤2π, 0≤y≤1f(x,y)=\sin x\qquad 0\le x\le 2\pi,\ 0\le y\le 1 (b) f(x,y)=x2+y2f(x,y)=\sqrt{x^2+y^2} (c) f(x,y)=∣x∣+∣y∣f(x,y)=|x|+|y|

정답·풀이 보기

(a) 그래프는 (x,y)(x,y) 가 0≤x≤2π0\le x\le 2\pi, 0≤y≤10\le y\le 1 의 범위를 움직일 때의 z=sin⁡xz=\sin x 이다. 00 과 11 사이의 고정된 각 y0y_0 에 대해, 이 그래프와 수직 평면 y=y0y=y_0 의 교선은 xx 가 00 부터 2π2\pi 까지 변하는 같은 사인 그래프 z=sin⁡xz=\sin x 이다. 따라서 전체 그래프는 2차원 사인 그래프를 나란히 쌓아 놓은 것과 같다. 이것이 아래 왼쪽의 그래프이다.

그림

그림

(b) 그래프는 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 이다. 고정된 각 z0≥0z_0\ge 0 에 대해, 이 그래프와 수평 평면 z=z0z=z_0 의 교선은 원 x2+y2=z0\sqrt{x^2+y^2}=z_0 이다. 이 원은 zz축 위에 중심이 있고 반지름이 z0z_0 이다. 따라서 그래프는 원뿔의 위쪽 절반이다. 이것이 위 오른쪽의 그림이다.

(c) 그래프는 z=∣x∣+∣y∣z=|x|+|y| 이다. 고정된 각 z0≥0z_0\ge 0 에 대해, 이 그래프와 수평 평면 z=z0z=z_0 의 교선은 정사각형 ∣x∣+∣y∣=z0|x|+|y|=z_0 이다. x,y≥0x,y\ge 0 인 정사각형의 변은 직선 x+y=z0x+y=z_0 이다. x≥0x\ge 0 이고 y≤0y\le 0 인 정사각형의 변은 직선 x−y=z0x-y=z_0 이며, 나머지 변도 같은 방식이다. 정사각형의 네 꼭짓점은 (±z0,0,z0)(\pm z_0,0,z_0) 와 (0,±z0,z0)(0, \pm z_0,z_0) 이다. 따라서 그래프는 정사각형을 쌓아 놓은 것이다. 이것은 거꾸로 세워진 사각뿔이다. 이 사각뿔 중 제1팔분공간(즉, x,y,z≥0x,y,z\ge 0)에 있는 부분이 아래의 그림이다.

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) The graph is z=sin⁡xz=\sin x with (x,y)(x,y) running over 0≤x≤2π0\le x\le 2\pi, 0≤y≤10\le y\le 1. For each fixed y0y_0 between 00 and 11, the intersection of this graph with the vertical plane y=y0y=y_0 is the same sin graph z=sin⁡xz=\sin x with xx running from 00 to 2π2\pi. So the whole graph is just a bunch of 2-d sin graphs stacked side-by-side. This gives the graph on the left below.

figure

figure

(b) The graph is z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2}. For each fixed z0≥0z_0\ge 0, the intersection of this graph with the horizontal plane z=z0z=z_0 is the circle x2+y2=z0\sqrt{x^2+y^2}=z_0. This circle is centred on the zz-axis and has radius z0z_0. So the graph is the upper half of a cone. It is the sketch on the right above.

(c) The graph is z=∣x∣+∣y∣z=|x|+|y|. For each fixed z0≥0z_0\ge 0, the intersection of this graph with the horizontal plane z=z0z=z_0 is the square ∣x∣+∣y∣=z0|x|+|y|=z_0. The side of the square with x,y≥0x,y\ge 0 is the straight line x+y=z0x+y=z_0. The side of the square with x≥0x\ge 0 and y≤0y\le 0 is the straight line x−y=z0x-y=z_0 and so on. The four corners of the square are (±z0,0,z0)(\pm z_0,0,z_0) and (0,±z0,z0)(0, \pm z_0,z_0). So the graph is a stack of squares. It is an upside down four-sided pyramid. The part of the pyramid in the first octant (that is, x,y,z≥0x,y,z\ge 0) is the sketch below.

figure

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 8번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석보통자동 분류
40.CLP-3 · 1.7절 · 11번대학 수준우리말 번역

다음 곡면의 개형을 그리고 설명하세요.

(a) 4x2+y2=164x^2+y^2=16 (b) x+y+2z=4x+y+2z=4 (c) y29+z24=1+x216\frac{y^2}{9}+\frac{z^2}{4}=1+\frac{x^2}{16} (d) y2=x2+z2y^2=x^2+z^2 (e) x29+y212+z29=1\frac{x^2}{9}+\frac{y^2}{12}+\frac{z^2}{9}=1 (f) x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0x^2+y^2+z^2+4x-by+9z-b=0 단, bb 는 상수이다. (g) x4=y24+z29\frac{x}{4}=\frac{y^2}{4}+\frac{z^2}{9} (h) z=x2z=x^2

영어 원문 보기

Sketch and describe the following surfaces.

(a) 4x2+y2=164x^2+y^2=16 (b) x+y+2z=4x+y+2z=4 (c) y29+z24=1+x216\frac{y^2}{9}+\frac{z^2}{4}=1+\frac{x^2}{16} (d) y2=x2+z2y^2=x^2+z^2 (e) x29+y212+z29=1\frac{x^2}{9}+\frac{y^2}{12}+\frac{z^2}{9}=1 (f) x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0x^2+y^2+z^2+4x-by+9z-b=0 where bb is a constant. (g) x4=y24+z29\frac{x}{4}=\frac{y^2}{4}+\frac{z^2}{9} (h) z=x2z=x^2

정답·풀이 보기

(a) 고정된 각각의 z0z_0 에 대해, 이 곡면의 z=z0z=z_0 단면(xyxy 평면에 평행한 단면)은 원점을 중심으로 하는 타원이며, xx 축 방향의 반축의 길이는 2, yy 축 방향의 반축의 길이는 4 이다. 따라서 이것은 zz 축에 평행한 타원기둥이다. 다음은 xyxy 평면 위쪽에 있는 곡면 부분의 개형이다.

그림

(b) 이것은 세 점 (4,0,0)(4,0,0), (0,4,0)(0,4,0), (0,0,2)(0,0,2) 를 지나는 평면이다. 다음은 제1팔분공간에 있는 평면 부분의 개형이다.

그림

(c) 고정된 각각의 x0x_0 에 대해, yzyz 평면에 평행한 x=x0x=x_0 단면은 타원이며, yy 축에 평행한 반축의 길이는 31+x02163\sqrt{1+\frac{x_0^2}{16}}, zz 축에 평행한 반축의 길이는 21+x02162\sqrt{1+\frac{x_0^2}{16}} 이다. x=0x=0 에서 xx 축을 따라 멀어질수록 타원은 1+x216\sqrt{1+\frac{x^2}{16}} 에 비례하는 비율로 커지며, 이는 xx 가 클 때 대략 ∣x∣4\frac{|x|}{4} 이다. 이것을 일엽쌍곡면이라 한다. 이 곡면의

그림

그림

(d) 고정된 각각의 y0y_0 에 대해, y=x0y=x_0 단면(xzxz 평면에 평행한 단면)은 yy 축을 중심으로 하고 반지름이 ∣y∣|y| 인 원이다. y0=0y_0=0 일 때 반지름은 00 이다. xzxz 평면에서 어느 방향으로든 더 멀어질수록, 즉 ∣y0∣|y_0| 가 커질수록 반지름은 선형적으로(일정한 비율로) 커진다. 곡면 전체는 이러한 원들을 옆으로 쌓아 놓은 것이다. 이것은 yy 축을 중심축으로 하는 원뿔이다.

그림

(e) 이것은 원점을 중심으로 하는 타원면이며, xx 축, yy 축, zz 축 방향의 반축의 길이는 각각 33, 12=23\sqrt{12}=2\sqrt{3}, 33 이다.

그림

그림

(f) 세 번 완전제곱식으로 고치면, x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0x^2+y^2+z^2+4x-by+9z-b=0 일 필요충분조건은 (x+2)2+(y−b2)2+(z+92)2=b+4+b24+814(x+2)^2+\big(y-\frac{b}{2}\big)^2+\big(z+\frac{9}{2}\big)^2 =b+4+\frac{b^2}{4}+\frac{81}{4} 이다. 이것은 반지름이 rb=12b2+4b+97r_b=\frac{1}{2}\sqrt{b^2+4b+97} 이고 중심이 12(−4,b,−9)\frac{1}{2}(-4,b,-9) 인 구이다.

그림

(g) 곡면 위에는 x<0x<0 인 점이 없다. 고정된 각각의 x0>0x_0>0 에 대해, yzyz 평면에 평행한 단면 x=x0x=x_0 는 xx 축을 중심으로 하는 타원이며, yy 축 방향의 반축의 길이는 x0\sqrt{x_0}, zz 축 방향의 반축의 길이는 32x0\frac{3}{2}\sqrt{x_0} 이다. x0x_0 가 커질수록, 즉 xx 축을 따라 멀어질수록 타원은 x0\sqrt{x_0} 에 비례하는 비율로 커진다. 이것은 xx 축을 축으로 하는 타원포물면이다.

그림

그림

(h) 이것을 포물기둥이라 한다. 고정된 임의의 y0y_0 에 대해, y=y0y=y_0 단면(xzxz 평면에 평행한 단면)은 위로 열린 포물선 z=x2z=x^2 이며, 이 포물선의 꼭짓점은 yy 축 위에 있다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) For each fixed z0z_0, the z=z0z=z_0 cross-section (parallel to the xyxy-plane) of this surface is an ellipse centered on the origin with one semiaxis of length 2 along the xx-axis and one semiaxis of length 4 along the yy-axis. So this is an elliptic cylinder parallel to the zz-axis. Here is a sketch of the part of the surface above the xyxy–plane.

figure

(b) This is a plane through (4,0,0)(4,0,0), (0,4,0)(0,4,0) and (0,0,2)(0,0,2). Here is a sketch of the part of the plane in the first octant.

figure

(c) For each fixed x0x_0, the x=x0x=x_0 cross-section parallel to the yzyz-plane is an ellipse with semiaxes 31+x02163\sqrt{1+\frac{x_0^2}{16}} parallel to the yy-axis and 21+x02162\sqrt{1+\frac{x_0^2}{16}} parallel to the zz-axis. As you move out along the xx-axis, away from x=0x=0, the ellipses grow at a rate proportional to 1+x216\sqrt{1+\frac{x^2}{16}}, which for large xx is approximately ∣x∣4\frac{|x|}{4}. This is called a hyperboloid of one sheet. Its

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(d) For each fixed y0y_0, the y=x0y=x_0 cross-section (parallel to the xzxz-plane) is a circle of radius ∣y∣|y| centred on the yy-axis. When y0=0y_0=0 the radius is 00. As you move further from the xzxz-plane, in either direction, i.e. as ∣y0∣|y_0| increases, the radius grows linearly. The full surface consists of a bunch of these circles stacked sideways. This is a circular cone centred on the yy-axis.

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(e) This is an ellipsoid centered on the origin with semiaxes 33, 12=23\sqrt{12}=2\sqrt{3} and 33 along the xx, yy and zz-axes, respectively.

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(f) Completing three squares, we have that x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0x^2+y^2+z^2+4x-by+9z-b=0 if and only if (x+2)2+(y−b2)2+(z+92)2=b+4+b24+814(x+2)^2+\big(y-\frac{b}{2}\big)^2+\big(z+\frac{9}{2}\big)^2 =b+4+\frac{b^2}{4}+\frac{81}{4}. This is a sphere of radius rb=12b2+4b+97r_b=\frac{1}{2}\sqrt{b^2+4b+97} centered on 12(−4,b,−9)\frac{1}{2}(-4,b,-9).

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(g) There are no points on the surface with x<0x<0. For each fixed x0>0x_0>0 the cross-section x=x0x=x_0 parallel to the yzyz-plane is an ellipse centred on the xx–axis with semiaxes x0\sqrt{x_0} in the yy-axis direction and 32x0\frac{3}{2}\sqrt{x_0} in the zz–axis direction. As you increase x0x_0, i.e. move out along the xx-axis, the ellipses grow at a rate proportional to x0\sqrt{x_0}. This is an elliptic paraboloid with axis the xx-axis.

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(h) This is called a parabolic cylinder. For any fixed y0y_0, the y=y0y=y_0 cross-section (parallel to the xzxz-plane) is the upward opening parabola z=x2z=x^2 which has vertex on the yy-axis.

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