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벡터와 공간 전체 문제

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3문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 1.1절 · 7번대학 수준우리말 번역

(3,−2,3)(3,-2,3) 으로부터의 거리가 (3/2,1,0)(3/2,1,0) 으로부터의 거리의 2배인 모든 점 PP 의 집합이 구임을 보이세요. 이 구의 중심과 반지름을 구하세요.

영어 원문 보기

Show that the set of all points PP that are twice as far from (3,−2,3)(3,-2,3) as from (3/2,1,0)(3/2,1,0) is a sphere. Find its centre and radius.

정답·풀이 보기

(x,y,z)(x,y,z) 를 PP 에 속하는 점이라 하자. (x,y,z)(x,y,z) 에서 (3,−2,3)(3,-2,3) 까지의 거리와 (3/2,1,0)(3/2,1,0) 까지의 거리는 각각

(x−3)2+(y+2)2+(z−3)2 그리고 (x−3/2)2+(y−1)2+z2\sqrt{(x-3)^2+(y+2)^2+(z-3)^2}\quad\text{ 그리고 }\quad \sqrt{(x-3/2)^2+(y-1)^2+z^2}

이다. PP 에 속하려면 (x,y,z)(x,y,z) 는 다음을 만족해야 한다.

(x−3)2+(y+2)2+(z−3)2=2(x−3/2)2+(y−1)2+z2(x−3)2+(y+2)2+(z−3)2=4(x−3/2)2+4(y−1)2+4z2x2−6x+9+y2+4y+4+z2−6z+9=4x2−12x+9+4y2−8y+4+4z23x2−6x+3y2−12y+3z2+6z−9=0x2−2x+y2−4y+z2+2z−3=0(x−1)2+(y−2)2+(z+1)2=9\begin{aligned} \sqrt{(x-3)^2+(y+2)^2+(z-3)^2}&=2\sqrt{(x-3/2)^2+(y-1)^2+z^2} \\ (x-3)^2+(y+2)^2+(z-3)^2&=4(x-3/2)^2+4(y-1)^2+4z^2 \\ x^2-6x+9+y^2+4y+4+z^2-6z+9&=4x^2-12x+9+4y^2-8y+4+4z^2 \\ 3x^2-6 x+3y^2-12y+3z^2+6z-9&=0 \\ x^2-2 x+y^2-4y+z^2+2z-3&=0 \\ (x-1)^2+(y-2)^2+(z+1)^2&=9 \end{aligned}

이것은 (1,2,−1)(1,2,-1) 을 중심으로 하고 반지름이 3인 구이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let (x,y,z)(x,y,z) be a point in PP. The distances from (x,y,z)(x,y,z) to (3,−2,3)(3,-2,3) and to (3/2,1,0)(3/2,1,0) are

(x−3)2+(y+2)2+(z−3)2 and (x−3/2)2+(y−1)2+z2\sqrt{(x-3)^2+(y+2)^2+(z-3)^2}\quad\text{ and }\quad \sqrt{(x-3/2)^2+(y-1)^2+z^2}

respectively. To be in PP, (x,y,z)(x,y,z) must obey

(x−3)2+(y+2)2+(z−3)2=2(x−3/2)2+(y−1)2+z2(x−3)2+(y+2)2+(z−3)2=4(x−3/2)2+4(y−1)2+4z2x2−6x+9+y2+4y+4+z2−6z+9=4x2−12x+9+4y2−8y+4+4z23x2−6x+3y2−12y+3z2+6z−9=0x2−2x+y2−4y+z2+2z−3=0(x−1)2+(y−2)2+(z+1)2=9\begin{aligned} \sqrt{(x-3)^2+(y+2)^2+(z-3)^2}&=2\sqrt{(x-3/2)^2+(y-1)^2+z^2} \\ (x-3)^2+(y+2)^2+(z-3)^2&=4(x-3/2)^2+4(y-1)^2+4z^2 \\ x^2-6x+9+y^2+4y+4+z^2-6z+9&=4x^2-12x+9+4y^2-8y+4+4z^2 \\ 3x^2-6 x+3y^2-12y+3z^2+6z-9&=0 \\ x^2-2 x+y^2-4y+z^2+2z-3&=0 \\ (x-1)^2+(y-2)^2+(z+1)^2&=9 \end{aligned}

This is a sphere of radius 3 centered on (1,2,−1)(1,2,-1).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.1절 · 4번
# 공간좌표증명·논술보통자동 분류
2.CLP-3 · 1.2절 · 17번대학 수준우리말 번역

벡터를 이용하여 삼각형의 두 변의 중점을 잇는 선분이 나머지 한 변과 평행하고 그 길이가 나머지 한 변의 길이의 절반임을 증명하세요.

영어 원문 보기

Use vectors to prove that the line joining the midpoints of two sides of a triangle is parallel to the third side and half its length.

정답·풀이 보기

삼각형의 꼭짓점을 AA, BB, CC 라 하고, CC 는 두 변이 만나는 꼭짓점이라 하자. 좌표계는 언제든지 CC 가 원점에 오도록 잡을 수 있다. CC 에서 AA 로 향하는 벡터를 a\mathbf{a}, CC 에서 BB 로 향하는 벡터를 b\mathbf{b} 라 하자.

그림

  • 그러면 CC 에서 CC 와 AA 를 잇는 변의 중점으로 향하는 벡터는 12a\tfrac{1}{2}\mathbf{a} 이고,
  • CC 에서 CC 와 BB 를 잇는 변의 중점으로 향하는 벡터는 12b\tfrac{1}{2}\mathbf{b} 이므로,
  • 두 중점을 잇는 벡터는 12b−12a\tfrac{1}{2}\mathbf{b}-\tfrac{1}{2}\mathbf{a} 이다.

AA 에서 BB 로 향하는 벡터는 b−a=2[12b−12a]\mathbf{b}-\mathbf{a}=2\big[\tfrac{1}{2}\mathbf{b}-\tfrac{1}{2}\mathbf{a}\big] 이므로, 두 중점을 잇는 선분은 나머지 한 변과 평행하고 그 길이는 나머지 한 변의 길이의 절반이다.

원본 교재 풀이(영어)

Call the vertices of the triangle AA, BB and CC with CC being the vertex that joins the two sides. We can always choose our coordinate system so that CC is at the origin. Let a\mathbf{a} be the vector from CC to AA and b\mathbf{b} be the vector from CC to BB.

figure

  • Then the vector from CC to the midpoint of the side from CC to AA is 12a\tfrac{1}{2}\mathbf{a} and
  • the vector from CC to the midpoint of the side from CC to BB is 12b\tfrac{1}{2}\mathbf{b} so that
  • the vector joining the two midpoints is 12b−12a\tfrac{1}{2}\mathbf{b}-\tfrac{1}{2}\mathbf{a}.

As the vector from AA to BB is b−a=2[12b−12a]\mathbf{b}-\mathbf{a}=2\big[\tfrac{1}{2}\mathbf{b}-\tfrac{1}{2}\mathbf{a}\big], the line joining the midpoints is indeed parallel to the third side and half its length.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 7번
# 벡터의 연산증명·논술보통자동 분류
3.CLP-3 · 1.2절 · 30번대학 수준우리말 번역

단위 질량의 입자 PP 의 시각 tt 에서의 공간상 위치가 r(t)\mathbf{r}(t) 일 때, 이 입자의 각운동량은 L(t)=r(t)×r′(t)L(t)=\mathbf{r}(t)\times\mathbf{r}'(t) 이다. 어떤 스칼라 함수 ρ\rho 에 대해 r′′(t)=ρ(t)r(t)\mathbf{r}''(t)=\rho(t)\mathbf{r}(t) 이면, LL 이 상수, 즉 시간에 따라 변하지 않음을 보이세요. 여기서 ′' 은 ddt\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} 를 뜻한다.

영어 원문 보기

A particle PP of unit mass whose position in space at time tt is r(t)\mathbf{r}(t) has angular momentum L(t)=r(t)×r′(t)L(t)=\mathbf{r}(t)\times\mathbf{r}'(t). If r′′(t)=ρ(t)r(t)\mathbf{r}''(t)=\rho(t)\mathbf{r}(t) for a scalar function ρ\rho, show that LL is constant, i.e. does not change with time. Here ′' denotes ddt\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}.

정답·풀이 보기

LL 의 도함수는

dLdt=ddt(r(t)×r′(t))=r′(t)×r′(t)+r(t)×r′′(t)=r′(t)×r′(t)+r(t)×(ρ(t)r(t))\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}L}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big(\mathbf{r}(t)\times\mathbf{r}'(t)\big) =\mathbf{r}'(t)\times\mathbf{r}'(t)+\mathbf{r}(t)\times\mathbf{r}''(t) =\mathbf{r}'(t)\times\mathbf{r}'(t)+\mathbf{r}(t)\times\big(\rho(t)\mathbf{r}(t)\big) \end{aligned}

이다. 평행한 두 벡터의 외적은 영벡터이므로 두 항이 모두 0이 된다. 따라서 dLdt=0\frac{\mathrm{d}L}{\mathrm{d}t}=0 이고, L(t)L(t) 는 tt 에 관계없이 일정하다.

원본 교재 풀이(영어)

The derivative of LL is

dLdt=ddt(r(t)×r′(t))=r′(t)×r′(t)+r(t)×r′′(t)=r′(t)×r′(t)+r(t)×(ρ(t)r(t))\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}L}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big(\mathbf{r}(t)\times\mathbf{r}'(t)\big) =\mathbf{r}'(t)\times\mathbf{r}'(t)+\mathbf{r}(t)\times\mathbf{r}''(t) =\mathbf{r}'(t)\times\mathbf{r}'(t)+\mathbf{r}(t)\times\big(\rho(t)\mathbf{r}(t)\big) \end{aligned}

Both terms vanish because the cross product of any two parallel vectors is zero. So dLdt=0\frac{\mathrm{d}L}{\mathrm{d}t}=0 and L(t)L(t) is independent of tt.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 26번
# 벡터의 연산증명·논술보통자동 분류