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벡터와 공간 전체 문제

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

39문제 · 1 / 2쪽

1.CLP-3 · 1.1절 · 8번대학 수준우리말 번역

점 (x,y)(x,y) 에서의 압력 p(x,y)p(x,y) 는 0 이상이며 방정식 x2−2px+y2=3p2x^2-2px+y^2=3p^2 으로 정해진다. 등압선 몇 개를 그래프로 그리세요. 등압선은 어떤 상수 c≥0c\ge 0 에 대하여 방정식 p(x,y)=cp(x,y)=c 로 나타내어지는 곡선이다.

영어 원문 보기

The pressure p(x,y)p(x,y) at the point (x,y)(x,y) is at least zero and is determined by the equation x2−2px+y2=3p2x^2-2px+y^2=3p^2. Sketch several isobars. An isobar is a curve with equation p(x,y)=cp(x,y)=c for some constant c≥0c\ge 0.

정답·풀이 보기

고정된 각 c≥0c\ge 0 에 대하여 등압선 p(x,y)=cp(x,y)=c 는 곡선 x2−2cx+y2=3c2x^2-2cx+y^2=3c^2, 즉 (x−c)2+y2=4c2(x-c)^2+y^2=4c^2 이다. 이것은 중심이 (c,0)(c,0) 이고 반지름이 2c2c 인 원이다. 다음은 c=0,1,2,3c=0,1,2,3 일 때의 등압선 p(x,y)=cp(x,y)=c 를 그린 그래프이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

For each fixed c≥0c\ge 0, the isobar p(x,y)=cp(x,y)=c is the curve x2−2cx+y2=3c2x^2-2cx+y^2=3c^2, or equivalently, (x−c)2+y2=4c2(x-c)^2+y^2=4c^2. This is a circle with centre (c,0)(c,0) and radius 2c2c. Here is a sketch of the isobars p(x,y)=cp(x,y)=c with c=0,1,2,3c=0,1,2,3.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.1절 · 6번
# 공간좌표그래프·표 해석도전자동 분류
2.CLP-3 · 1.2절 · 31번대학 수준우리말 번역

평행사변형의 두 대각선은 서로를 이등분함을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that the diagonals of a parallelogram bisect each other.

정답·풀이 보기

벡터 a\mathbf{a} 와 b\mathbf{b} 로 결정되는 평행사변형의 꼭짓점은 0, a, b\mathbf{0},\ \mathbf{a},\ \mathbf{b}, a+b\mathbf{a}+\mathbf{b} 이다. tt 가 00 에서 11 까지 변할 때, t(a+b)t(\mathbf{a}+\mathbf{b}) 는 0\mathbf{0} 에서 a+b\mathbf{a}+\mathbf{b} 까지의 대각선을 지난다. ss 가 00 에서 11 까지 변할 때, a+s(b−a)\mathbf{a}+s(\mathbf{b}-\mathbf{a}) 는 a\mathbf{a} 에서 b\mathbf{b} 까지의 대각선을 지난다. 이 두 직선은 ss 와 tt 가 다음을 만족할 때 만난다.

t(a+b)=a+s(b−a)t(\mathbf{a}+\mathbf{b})=\mathbf{a}+s(\mathbf{b}-\mathbf{a})

즉

(t+s−1)a=(s−t)b(t+s-1)\mathbf{a}=(s-t)\mathbf{b}

a\mathbf{a} 와 b\mathbf{b} 가 평행하지 않다고 가정하면(즉 평행사변형이 선분으로 퇴화하지 않았다면), 이는 t+s−1=0t+s-1=0 이고 s−t=0s-t=0 일 때에만 성립한다. 즉 s=t=12s=t=\tfrac{1}{2} 이다. 따라서 두 직선은 각각의 중점에서 만난다.

원본 교재 풀이(영어)

The parallelogram determined by the vectors a\mathbf{a} and b\mathbf{b} has vertices 0, a, b\mathbf{0},\ \mathbf{a},\ \mathbf{b} and a+b\mathbf{a}+\mathbf{b}. As tt varies from 00 to 11, t(a+b)t(\mathbf{a}+\mathbf{b}) traverses the diagonal from 0\mathbf{0} to a+b\mathbf{a}+\mathbf{b}. As ss varies from 00 to 11, a+s(b−a)\mathbf{a}+s(\mathbf{b}-\mathbf{a}) traverses the diagonal from a\mathbf{a} to b\mathbf{b}. These two straight lines meet when ss and tt are such that

t(a+b)=a+s(b−a)t(\mathbf{a}+\mathbf{b})=\mathbf{a}+s(\mathbf{b}-\mathbf{a})

or

(t+s−1)a=(s−t)b(t+s-1)\mathbf{a}=(s-t)\mathbf{b}

Assuming that a\mathbf{a} and b\mathbf{b} are not parallel (i.e. the parallelogram has not degenerated to a line segment), this is the case only when t+s−1=0t+s-1=0 and s−t=0s-t=0. That is, s=t=12s=t=\tfrac{1}{2}. So the two lines meet at their midpoints.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 25번
# 벡터의 연산증명·논술도전자동 분류
3.CLP-3 · 1.2절 · 32번대학 수준우리말 번역

한 모서리의 길이가 ss 인 정육면체를 생각하세요. 정육면체 아래쪽의 네 꼭짓점을 차례로 A,B,C,DA, B, C, D 라 하고, 위쪽의 대응하는 네 꼭짓점을 A′,B′,C′,D′A', B', C', D' 이라 하세요.

(a) 사면체 A′C′BDA'C'BD 의 모든 모서리의 길이가 같음을 보이세요. (b) EE 를 정육면체의 중심이라 할 때, EAEA 와 ECEC 가 이루는 각을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider a cube such that each side has length ss. Name, in order, the four vertices on the bottom of the cube A,B,C,DA, B, C, D and the corresponding four vertices on the top of the cube A′,B′,C′,D′A', B', C', D'.

(a) Show that all edges of the tetrahedron A′C′BDA'C'BD have the same length. (b) Let EE be the center of the cube. Find the angle between EAEA and ECEC.

정답·풀이 보기

좌표축을 A=(0,0,0)A=(0,0,0), B=(s,0,0)B=(s,0,0), C=(s,s,0)C=(s,s,0), D=(0,s,0)D=(0,s,0) 이고 A′=(0,0,s)A'=(0,0,s), B′=(s,0,s)B'=(s,0,s), C′=(s,s,s)C'=(s,s,s), D′=(0,s,s)D'=(0,s,s) 가 되도록 잡을 수 있다.

(a) 그러면

∣A′C′∣=∣<s,s,s>−<0,0,s>∣=∣<s,s,0>∣=2 s∣A′B∣=∣<s,0,0>−<0,0,s>∣=∣<s,0,−s>∣=2 s∣A′D∣=∣<0,s,0>−<0,0,s>∣=∣<0,s,−s>∣=2 s∣C′B∣=∣<s,0,0>−<s,s,s>∣=∣<0,−s,−s>∣=2 s∣C′D∣=∣<0,s,0>−<s,s,s>∣=∣<−s,0,−s>∣=2 s∣BD∣=∣<0,s,0>−<s,0,0>∣=∣<−s,s,0>∣=2 s\begin{aligned} |A'C'|&=\big|\left< s,s,s\right> -\left< 0,0,s\right> \big| &&=\big|\left< s,s,0\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |A'B|&=\big|\left< s,0,0\right> -\left< 0,0,s\right> \big| &&=\big|\left< s,0,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |A'D|&=\big|\left< 0,s,0\right> -\left< 0,0,s\right> \big| &&=\big|\left< 0,s,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |C'B|&=\big|\left< s,0,0\right> -\left< s,s,s\right> \big| &&=\big|\left< 0,-s,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |C'D|&=\big|\left< 0,s,0\right> -\left< s,s,s\right> \big| &&=\big|\left< -s,0,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |BD|&=\big|\left< 0,s,0\right> -\left< s,0,0\right> \big| &&=\big|\left< -s,s,0\right> \big|&=\sqrt{2}\,s \end{aligned}

(b) E=12(s,s,s)E=\tfrac{1}{2}(s,s,s) 이므로 EA=<0,0,0>−12<s,s,s>=−12<s,s,s>EA=\left< 0,0,0\right> -\tfrac{1}{2}\left< s,s,s\right> =-\tfrac{1}{2}\left< s,s,s\right> 이고 EC=<s,s,0>−12<s,s,s>=12<s,s,−s>EC=\left< s,s,0\right> -\tfrac{1}{2}\left< s,s,s\right> =\tfrac{1}{2}\left< s,s,-s\right> 이다. cos⁡θ=−<s,s,s>⋅<s,s,−s>∣<s,s,s>∣ ∣<s,s,−s>∣=−s23s2=−13  ⟹  θ=109.5∘\cos\theta =\frac{-\left< s,s,s\right> \cdot\left< s,s,-s\right>} {|\left< s,s,s\right> |\,|\left< s,s,-s\right> |} =\frac{-s^2}{3s^2} =-\frac{1}{3} \qquad \implies\quad \theta=109.5^\circ

원본 교재 풀이(영어)

We may choose our coordinate axes so that A=(0,0,0)A=(0,0,0), B=(s,0,0)B=(s,0,0), C=(s,s,0)C=(s,s,0), D=(0,s,0)D=(0,s,0) and A′=(0,0,s)A'=(0,0,s), B′=(s,0,s)B'=(s,0,s), C′=(s,s,s)C'=(s,s,s), D′=(0,s,s)D'=(0,s,s).

(a) Then

∣A′C′∣=∣<s,s,s>−<0,0,s>∣=∣<s,s,0>∣=2 s∣A′B∣=∣<s,0,0>−<0,0,s>∣=∣<s,0,−s>∣=2 s∣A′D∣=∣<0,s,0>−<0,0,s>∣=∣<0,s,−s>∣=2 s∣C′B∣=∣<s,0,0>−<s,s,s>∣=∣<0,−s,−s>∣=2 s∣C′D∣=∣<0,s,0>−<s,s,s>∣=∣<−s,0,−s>∣=2 s∣BD∣=∣<0,s,0>−<s,0,0>∣=∣<−s,s,0>∣=2 s\begin{aligned} |A'C'|&=\big|\left< s,s,s\right> -\left< 0,0,s\right> \big| &&=\big|\left< s,s,0\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |A'B|&=\big|\left< s,0,0\right> -\left< 0,0,s\right> \big| &&=\big|\left< s,0,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |A'D|&=\big|\left< 0,s,0\right> -\left< 0,0,s\right> \big| &&=\big|\left< 0,s,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |C'B|&=\big|\left< s,0,0\right> -\left< s,s,s\right> \big| &&=\big|\left< 0,-s,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |C'D|&=\big|\left< 0,s,0\right> -\left< s,s,s\right> \big| &&=\big|\left< -s,0,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |BD|&=\big|\left< 0,s,0\right> -\left< s,0,0\right> \big| &&=\big|\left< -s,s,0\right> \big|&=\sqrt{2}\,s \end{aligned}

(b) E=12(s,s,s)E=\tfrac{1}{2}(s,s,s) so that EA=<0,0,0>−12<s,s,s>=−12<s,s,s>EA=\left< 0,0,0\right> -\tfrac{1}{2}\left< s,s,s\right> =-\tfrac{1}{2}\left< s,s,s\right> and EC=<s,s,0>−12<s,s,s>=12<s,s,−s>EC=\left< s,s,0\right> -\tfrac{1}{2}\left< s,s,s\right> =\tfrac{1}{2}\left< s,s,-s\right> . cos⁡θ=−<s,s,s>⋅<s,s,−s>∣<s,s,s>∣ ∣<s,s,−s>∣=−s23s2=−13  ⟹  θ=109.5∘\cos\theta =\frac{-\left< s,s,s\right> \cdot\left< s,s,-s\right>} {|\left< s,s,s\right> |\,|\left< s,s,-s\right> |} =\frac{-s^2}{3s^2} =-\frac{1}{3} \qquad \implies\quad \theta=109.5^\circ

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 24번
# 벡터의 연산증명·논술도전자동 분류
4.CLP-3 · 1.2절 · 33번대학 수준우리말 번역

정육면체의 대각선과 그 면 중 한 면의 대각선 사이의 각을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the angle between the diagonal of a cube and the diagonal of one of its faces.

정답·풀이 보기

정육면체의 높이, 길이, 너비가 ss 라고 하자. 정육면체의 꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (0,0,s)(0,0,s), (s,s,0)(s,s,0), (0,s,s)(0,s,s), (s,0,s)(s,0,s), (s,s,s)(s,s,s) 에 오도록 좌표축을 잡을 수 있다.

먼저 몇 가지 예를 살펴보자. (0,0,0)(0,0,0) 에서 (s,s,s)(s,s,s) 까지의 대각선은 <s,s,s>\left< s,s,s\right> 이다. 정육면체의 한 면은 꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (s,s,0)(s,s,0) 이다. 이 면의 한 대각선은 (0,0,0)(0,0,0) 에서 (s,s,0)(s,s,0) 까지이므로 <s,s,0>\left< s,s,0\right> 이다. <s,s,s>\left< s,s,s\right> 와 <s,s,0>\left< s,s,0\right> 사이의 각은

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<s,s,0>∣)=cos⁡−1(2s23s 2s)=cos⁡−1(26)≈35.26∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2s^2}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2}{\sqrt{6}}\right)\approx 35.26^\circ \end{aligned}

꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (s,s,0)(s,s,0) 인 면의 다른 대각선은 (s,0,0)(s,0,0) 에서 (0,s,0)(0,s,0) 까지의 대각선이다. 이 대각선은 <−s,s,0>\left< -s,s,0\right> 이다. <s,s,s>\left< s,s,s\right> 와 <−s,s,0>\left< -s,s,0\right> 사이의 각은

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<−s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<−s,s,0>∣)=cos⁡−1(03s 2s)=cos⁡−1(0)=90∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< -s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< -s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{0}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}(0)=90^\circ \end{aligned}

이제 일반적인 경우를 살펴보자. 정육면체의 모든 꼭짓점의 모든 성분은 00 또는 ss 이다. 일반적으로 정육면체의 두 꼭짓점은 두 꼭짓점의 세 성분이 모두 서로 다르면 정육면체의 대각선의 반대쪽 양 끝에 있다. 예를 들어 대각선의 한 끝이 (s,0,s)(s,0,s) 이면 다른 끝은 (0,s,0)(0,s,0) 이다. 정육면체의 대각선은 모두 <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right> 꼴이다. 이 대각선의 길이는 모두 3s\sqrt{3}s 이다. 두 꼭짓점은 성분 중 하나가 같으면 정육면체의 같은 면 위에 있다. 나머지 두 성분이 서로 다르면 그 두 꼭짓점은 그 면의 대각선의 반대쪽 양 끝에 있다. 예를 들어 (0,s,s)(0,s,s) 와 (s,0,s)(s,0,s) 는 모두 z=sz=s 인 면 위에 있다. xx 성분 0, s0,\ s 가 서로 다르고 yy 성분 s, 0s,\ 0 도 서로 다르므로 (0,s,s)(0,s,s) 와 (s,0,s)(s,0,s) 는 z=sz=s 인 면의 대각선의 양 끝이다. z=0z=0 또는 z=sz=s 인 면의 대각선은 <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right> 이다. y=0y=0 또는 y=sy=s 인 면의 대각선은 <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right> 이다. x=0x=0 또는 x=sx=s 인 면의 대각선은 <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right> 이다. 이 대각선의 길이는 모두 2s\sqrt{2}s 이다. 정육면체의 대각선 <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right> 중 하나와 면의 대각선 <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right>, <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right>, <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right> 중 하나의 내적은 ±s2±s2+0\pm s^2\pm s^2+0 꼴이므로 2s22s^2 또는 00 또는 −2s2-2s^2 이어야 한다. 일반적으로 정육면체의 대각선과 면의 대각선 사이의 각은

cos⁡−1(2s2 또는 0 또는 −2s23s 2s)=cos⁡−1(2 또는 0 또는 −26)≈35.26∘ 또는 90∘ 또는 144.74∘.\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\text{$2s^2$ 또는 0 또는 $-2s^2$}}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{\text{$2$ 또는 $0$ 또는 $-2$}}{\sqrt{6}}\right)\approx \text{$35.26^\circ$ 또는 $90^\circ$ 또는 $144.74^\circ$}. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Suppose that the cube has height, length and width ss. We may choose our coordinate axes so that the vertices of the cube are at (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (0,0,s)(0,0,s), (s,s,0)(s,s,0), (0,s,s)(0,s,s), (s,0,s)(s,0,s) and (s,s,s)(s,s,s).

We'll start with a couple of examples. The diagonal from (0,0,0)(0,0,0) to (s,s,s)(s,s,s) is <s,s,s>\left< s,s,s\right>. One face of the cube has vertices (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0) and (s,s,0)(s,s,0). One diagonal of this face runs from (0,0,0)(0,0,0) to (s,s,0)(s,s,0) and hence is <s,s,0>\left< s,s,0\right>. The angle between <s,s,s>\left< s,s,s\right> and <s,s,0>\left< s,s,0\right> is

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<s,s,0>∣)=cos⁡−1(2s23s 2s)=cos⁡−1(26)≈35.26∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2s^2}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2}{\sqrt{6}}\right)\approx 35.26^\circ \end{aligned}

A second diagonal for the face with vertices (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0) and (s,s,0)(s,s,0) is that running from (s,0,0)(s,0,0) to (0,s,0)(0,s,0). This diagonal is <−s,s,0>\left< -s,s,0\right>. The angle between <s,s,s>\left< s,s,s\right> and <−s,s,0>\left< -s,s,0\right> is

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<−s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<−s,s,0>∣)=cos⁡−1(03s 2s)=cos⁡−1(0)=90∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< -s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< -s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{0}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}(0)=90^\circ \end{aligned}

Now we'll consider the general case. Note that every component of every vertex of the cube is either 00 or ss. In general, two vertices of the cube are at opposite ends of a diagonal of the cube if all three components of the two vertices are different. For example, if one end of the diagonal is (s,0,s)(s,0,s), the other end is (0,s,0)(0,s,0). The diagonals of the cube are all of the form <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right>. All of these diagonals are of length 3s\sqrt{3}s. Two vertices are on the same face of the cube if one of their components agree. They are on opposite ends of a diagonal for the face if their other two components differ. For example (0,s,s)(0,s,s) and (s,0,s)(s,0,s) are both on the face with z=sz=s. Because the xx components 0, s0,\ s are different and the yy components s, 0s,\ 0 are different, (0,s,s)(0,s,s) and (s,0,s)(s,0,s) are the ends of a diagonal of the face with z=sz=s. The diagonals of the faces with z=0z=0 or z=sz=s are <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right>. The diagonals of the faces with y=0y=0 or y=sy=s are <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right>. The diagonals of the faces with x=0x=0 or x=sx=s are <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right>. All of these diagonals have length 2s\sqrt{2}s. The dot product of one the cube diagonals <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right> with one of the face diagonals <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right>, <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right>, <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right> is of the form ±s2±s2+0\pm s^2\pm s^2+0 and hence must be either 2s22s^2 or 00 or −2s2-2s^2. In general, the angle between a cube diagonal and a face diagonal is

cos⁡−1(2s2 or 0 or −2s23s 2s)=cos⁡−1(2 or 0 or −26)≈35.26∘ or 90∘ or 144.74∘.\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\text{$2s^2$ or 0 or $-2s^2$}}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{\text{$2$ or $0$ or $-2$}}{\sqrt{6}}\right)\approx \text{$35.26^\circ$ or $90^\circ$ or $144.74^\circ$}. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2장 복습 · 17번
# 벡터의 연산계산도전자동 분류
5.CLP-3 · 1.2절 · 34번대학 수준우리말 번역

2차원 세계에서 마찰 없이 언덕 y=h(x)y=h(x) 위를 미끄러져 내려가는 스키 선수를 생각하세요. 스키 선수에게는 두 힘이 작용합니다. 하나는 중력입니다. 다른 하나는 언덕에 수직으로 작용합니다. 이 두 번째 힘은 스키 선수가 언덕 속으로 파고들지 않도록 크기가 저절로 조절됩니다. 스키 선수가 y0=h(x0)y_0=h(x_0) 인 어떤 점 (x0,y0)(x_0,y_0) 에서 공중으로 떠올랐다고 합시다. 이때 스키 선수의 속력은 얼마였는지 구하세요.

영어 원문 보기

Consider a skier who is sliding without friction on the hill y=h(x)y=h(x) in a two dimensional world. The skier is subject to two forces. One is gravity. The other acts perpendicularly to the hill. The second force automatically adjusts its magnitude so as to prevent the skier from burrowing into the hill. Suppose that the skier became airborne at some (x0,y0)(x_0,y_0) with y0=h(x0)y_0=h(x_0). How fast was the skier going?

정답·풀이 보기

시각 tt 에서 스키 선수의 위치를 (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) 로 나타내자. 스키 선수가 언덕 표면 위에 있는 동안

y(t)=h(x(t))  ⟹  y′(t)=h′(x(t)) x′(t)  ⟹  y′′(t)=h′′(x(t)) x′(t)2+h′(x(t)) x′′(t)\begin{aligned} y(t)&=h\big(x(t)\big) \\ \implies y'(t)&=h'\big(x(t)\big)\,x'(t) \\ \implies y''(t)&=h''\big(x(t)\big)\, x'(t)^2+h'\big(x(t)\big)\,x''(t) \end{aligned}

따라서 스키 선수의 속도 벡터와 가속도 벡터는 다음과 같다.

v(t)=<1,h′(x(t))>x′(t)a(t)=<1,h′(x(t))>x′′(t)+<0,h′′(x(t))>x′(t)2\begin{aligned} \mathbf{v}(t)&=\left< 1,h'\big(x(t)\big)\right> x'(t) \\ \mathbf{a}(t)&=\left< 1,h'\big(x(t)\big)\right> x''(t) +\left< 0,h''\big(x(t)\big)\right> x'(t)^2 \end{aligned}

스키 선수에게는 두 힘이 작용한다. 하나는 중력이다. 다른 하나는 언덕에 수직으로 작용하며, 스키 선수가 언덕 표면 위에 머물도록 하는 크기를 가진다. 스키 선수가 언덕 표면 위에 있는 동안에는 속도 벡터가 언덕에 접하므로, 이 속도 벡터로부터 (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) 에서 언덕에 수직인 벡터 하나가 n(t)=<−h′(x(t)),1>\mathbf{n}(t)=\left<-h'\big(x(t)\big),1\right> 임을 알 수 있다. 이 벡터는 단위벡터가 아니지만 상관없다. 뉴턴의 운동 법칙에 의해

ma=−mg ȷ^+p(t) n(t)m\mathbf{a}=-mg\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+p(t)\,\mathbf{n}(t)

이다. 여기서 p(t)p(t) 는 어떤 함수이다. 이 등식의 양변에 n(t)\mathbf{n}(t) 를 내적한다.

ma(t)⋅n(t)=−mgȷ^⋅n(t)+p(t)∣n(t)∣2m\mathbf{a}(t)\cdot\mathbf{n}(t)=-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\mathbf{n}(t)+p(t)|\mathbf{n}(t)|^2

대입하면

mh′′(x(t)) x′(t)2=−mg+p(t)[1+h′(x(t))2]  ⟹  p(t)[1+h′(x(t))2]=m(g+h′′(x(t)) x′(t)2)\begin{aligned} mh''\big(x(t)\big)\,x'(t)^2&=-mg+p(t)\left[1+h'\big(x(t)\big)^2\right] \\ \implies p(t)\left[1+h'\big(x(t)\big)^2\right] &=m\Big(g+h''\big(x(t)\big)\,x'(t)^2\Big) \end{aligned}

이다. p(t)≥0p(t)\ge 0 인 동안에는 언덕이 스키 선수를 표면 위에 머물게 하려고 위로 밀고 있다. p(t)p(t) 가 음수가 되면 언덕이 스키 선수를 표면에 붙잡아 두기 위해 잡아당겨야 한다. 그러나 언덕은 잡아당길 수 없으므로 스키 선수는 대신 공중으로 떠오른다. 이는

g+h′′(x(t))x′(t)2=0g+h''\big(x(t)\big)x'(t)^2=0

일 때 일어난다. 즉 x′(t)=−g/h′′(x(t))x'(t)=\sqrt{-g/h''\big(x(t)\big)} 일 때이다. 이때 x(t)=x0x(t)=x_0, y(t)=y0y(t)=y_0 이고 스키 선수의 속력은

x′(t)2+y′(t)2=1+h′(x0)2−g/h′′(x0)\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2} =\sqrt{1+h'\big(x_0\big)^2}\sqrt{-g/h''\big(x_0\big)}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Denote by (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) the position of the skier at time tt. As long as the skier remains on the surface of the hill

y(t)=h(x(t))  ⟹  y′(t)=h′(x(t)) x′(t)  ⟹  y′′(t)=h′′(x(t)) x′(t)2+h′(x(t)) x′′(t)\begin{aligned} y(t)&=h\big(x(t)\big) \\ \implies y'(t)&=h'\big(x(t)\big)\,x'(t) \\ \implies y''(t)&=h''\big(x(t)\big)\, x'(t)^2+h'\big(x(t)\big)\,x''(t) \end{aligned}

So the velocity and acceleration vectors of the skier are

v(t)=<1,h′(x(t))>x′(t)a(t)=<1,h′(x(t))>x′′(t)+<0,h′′(x(t))>x′(t)2\begin{aligned} \mathbf{v}(t)&=\left< 1,h'\big(x(t)\big)\right> x'(t) \\ \mathbf{a}(t)&=\left< 1,h'\big(x(t)\big)\right> x''(t) +\left< 0,h''\big(x(t)\big)\right> x'(t)^2 \end{aligned}

The skier is subject to two forces. One is gravity. The other acts perpendicularly to the hill and has a magnitude such that the skier remains on the surface of the hill. From the velocity vector of the skier (which remain tangential to the hill as long as the skier remains of the surface of the hill),we see that one vector normal to the hill at (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) is n(t)=<−h′(x(t)),1>\mathbf{n}(t)=\left<-h'\big(x(t)\big),1\right> This vector is not a unit vector, but that's ok. By Newton's law of motion

ma=−mg ȷ^+p(t) n(t)m\mathbf{a}=-mg\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+p(t)\,\mathbf{n}(t)

for some function p(t)p(t). Dot both sides of this equation with n(t)\mathbf{n}(t).

ma(t)⋅n(t)=−mgȷ^⋅n(t)+p(t)∣n(t)∣2m\mathbf{a}(t)\cdot\mathbf{n}(t)=-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\mathbf{n}(t)+p(t)|\mathbf{n}(t)|^2

Substituting in

mh′′(x(t)) x′(t)2=−mg+p(t)[1+h′(x(t))2]  ⟹  p(t)[1+h′(x(t))2]=m(g+h′′(x(t)) x′(t)2)\begin{aligned} mh''\big(x(t)\big)\,x'(t)^2&=-mg+p(t)\left[1+h'\big(x(t)\big)^2\right] \\ \implies p(t)\left[1+h'\big(x(t)\big)^2\right] &=m\Big(g+h''\big(x(t)\big)\,x'(t)^2\Big) \end{aligned}

As long as p(t)≥0p(t)\ge 0, the hill is pushing up in order to keep the skier on the surface. When p(t)p(t) becomes negative, the hill has to pull on the skier in order to keep her on the surface. But the hill can't pull, so the skier becomes airborne instead. This happens when

g+h′′(x(t))x′(t)2=0g+h''\big(x(t)\big)x'(t)^2=0

That is when x′(t)=−g/h′′(x(t))x'(t)=\sqrt{-g/h''\big(x(t)\big)}. At this time x(t)=x0x(t)=x_0, y(t)=y0y(t)=y_0 and the speed of the skier is

x′(t)2+y′(t)2=1+h′(x0)2−g/h′′(x0)\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2} =\sqrt{1+h'\big(x_0\big)^2}\sqrt{-g/h''\big(x_0\big)}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 35번
# 벡터의 연산활용도전자동 분류
6.CLP-3 · 1.2절 · 35번대학 수준우리말 번역

구슬 하나가 평면 ax+by+cz=dax+by+cz=d 위에 놓여 있다. 좌표계는 양의 zz축이 똑바로 위를 향하도록 잡았다. 계수 cc 는 0이 아니고, 계수 aa 와 bb 는 둘 다 0은 아니다. 구슬은 어느 방향으로 구르는가? "c≠0c\ne 0" 과 "a,ba,b 가 둘 다 0은 아니다"라는 조건은 왜 붙였는지 설명하세요.

영어 원문 보기

A marble is placed on the plane ax+by+cz=dax+by+cz=d. The coordinate system has been chosen so that the positive zz–axis points straight up. The coefficient cc is nonzero and the coefficients aa and bb are not both zero. In which direction does the marble roll? Why were the conditions “c≠0c\ne 0” and “a,ba,b not both zero” imposed?

정답·풀이 보기

구슬에는 두 힘이 작용한다. 첫째는 중력으로 −mg k^-mg\,\hat{\mathbf{k}} 이며, mm 은 구슬의 질량이다. 둘째는 평면이 가하는 수직항력이다. 이 힘은 평면에 수직인 방향으로 작용한다. 평면에 수직인 벡터 하나는 a ı^+b ȷ^+c k^a\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+b\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}} 이다. 따라서 평면에 의한 힘은 T<a,b,c>T\left< a,b,c\right> 이다. 여기서 TT 는 평면에 수직인 알짜힘이 정확히 0이어야 한다는 성질로 정해지는데, 그래야 구슬이 평면 속으로 파고들지도, 평면에서 튀어 오르지도 않고 평면 위에 머문다. 중력을 법선 벡터 <a,b,c>\left< a,b,c\right> 위로 정사영한 것은 다음과 같다.

−mg<0,0,1>⋅<a,b,c>∣<a,b,c>∣2<a,b,c>=−mgca2+b2+c2<a,b,c>\frac{-mg\left< 0,0,1\right>\cdot\left< a,b,c\right>}{|\left< a,b,c\right>|^2}\left< a,b,c\right> =\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>

따라서 TT 를 정하는 조건은 다음과 같다.

T<a,b,c>+−mgca2+b2+c2<a,b,c>=0  ⟹  T=mgca2+b2+c2T\left< a,b,c\right>+\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right> =0 \implies T=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}

그러면 구슬에 작용하는 전체 힘은 다음과 같다(마찰은 무시한다. 마찰은 운동 방향에 영향을 주지 않는다).

T<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgca2+b2+c2<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgc<a,b,c>−<0,0,a2+b2+c2>a2+b2+c2=mg<ac,bc,−a2−b2>a2+b2+c2\begin{aligned} T\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>&=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>\\ &=mg\frac{c\left< a,b,c\right>-\left< 0,0,a^2+b^2+c^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ &=mg\frac{\left< ac,bc,-a^2-b^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ \end{aligned}

운동 방향은 <ac,bc,−a2−b2>\left< ac,bc,-a^2-b^2\right> 이다. 이를 단위벡터로 바꾸려면 (a2+b2)(a2+b2+c2)\sqrt{(a^2+b^2)(a^2+b^2+c^2)} 으로 나누면 된다. 이 방향 벡터는 <a,b,c>\left< a,b,c\right> 에 수직이므로 평면에 평행하다. c=0c=0 이면 평면은 수직이다. 이 경우 구슬은 구르지 않고 곧장 아래로 떨어진다. a=b=0a=b=0 이면 평면은 수평이다. 이 경우 구슬은 구르지 않고 정지해 있다.

원본 교재 풀이(영어)

The marble is subject to two forces. The first, gravity, is −mg k^-mg\,\hat{\mathbf{k}} with mm being the mass of the marble. The second is the normal force imposed by the plane. This forces acts in a direction perpendicular to the plane. One vector normal to the plane is a ı^+b ȷ^+c k^a\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+b\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}}. So the force due to the plane is T<a,b,c>T\left< a,b,c\right> with TT determined by the property that the net force perpendicular to the plane must be exactly zero, so that the marble remains on the plane, neither digging into nor flying off of it. The projection of the gravitational force onto the normal vector <a,b,c>\left< a,b,c\right> is

−mg<0,0,1>⋅<a,b,c>∣<a,b,c>∣2<a,b,c>=−mgca2+b2+c2<a,b,c>\frac{-mg\left< 0,0,1\right>\cdot\left< a,b,c\right>}{|\left< a,b,c\right>|^2}\left< a,b,c\right> =\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>

The condition that determines TT is thus

T<a,b,c>+−mgca2+b2+c2<a,b,c>=0  ⟹  T=mgca2+b2+c2T\left< a,b,c\right>+\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right> =0 \implies T=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}

The total force on the marble is then (ignoring friction – which will have no effect on the direction of motion)

T<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgca2+b2+c2<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgc<a,b,c>−<0,0,a2+b2+c2>a2+b2+c2=mg<ac,bc,−a2−b2>a2+b2+c2\begin{aligned} T\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>&=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>\\ &=mg\frac{c\left< a,b,c\right>-\left< 0,0,a^2+b^2+c^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ &=mg\frac{\left< ac,bc,-a^2-b^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ \end{aligned}

The direction of motion <ac,bc,−a2−b2>\left< ac,bc,-a^2-b^2\right>. If you want to turn this into a unit vector, just divide by (a2+b2)(a2+b2+c2)\sqrt{(a^2+b^2)(a^2+b^2+c^2)}. Note that the direction vector in perpendicular <a,b,c>\left< a,b,c\right> and hence is parallel to the plane. If c=0c=0, the plane is vertical. In this case, the marble doesn't roll – it falls straight down. If a=b=0a=b=0, the plane is horizontal. In this case, the marble doesn't roll — it remains stationary.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.1절 · 13번
# 벡터의 연산계산도전자동 분류
7.CLP-3 · 1.2절 · 37번대학 수준우리말 번역

a×(b×c)=(a⋅c)b−(a⋅b)c\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c}) =(\mathbf{a}\cdot\mathbf{c})\mathbf{b}-(\mathbf{a}\cdot\mathbf{b})\mathbf{c} 임을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that a×(b×c)=(a⋅c)b−(a⋅b)c\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c}) =(\mathbf{a}\cdot\mathbf{c})\mathbf{b}-(\mathbf{a}\cdot\mathbf{b})\mathbf{c}.

정답·풀이 보기

정의에 의해,

b×c = (b2c3−b3c2)ı^−(b1c3−b3c1)ȷ^+(b1c2−b2c1)k^따라서 좌변과 우변은 다음과 같다a×(b×c) = det⁡[ı^ȷ^k^a1a2a3b2c3−b3c2−b1c3+b3c1b1c2−b2c1] = ı^ [a2(b1c2−b2c1)−a3(−b1c3+b3c1)]−ȷ^ [a1(b1c2−b2c1)−a3(b2c3−b3c2)]+k^ [a1(−b1c3+b3c1)−a2(b2c3−b3c2)](lhs)(a⋅c)b−(a⋅b)c = (a1c1+a2c2+a3c3)(b1ı^+b2ȷ^+b3k^)−(a1b1+a2b2+a3b3)(c1ı^+c2ȷ^+c3k^)= ı^ [a1b1c1+a2b1c2+a3b1c3−a1b1c1−a2b2c1−a3b3c1]+ȷ^ [a1b2c1+a2b2c2+a3b2c3−a1b1c2−a2b2c2−a3b3c2]+k^ [a1b3c1+a2b3c2+a3b3c3−a1b1c3−a2b2c3−a3b3c3]= ı^ [a2b1c2+a3b1c3−a2b2c1−a3b3c1]+ȷ^ [a1b2c1+a3b2c3−a1b1c2−a3b3c2]+k^ [a1b3c1+a2b3c2−a1b1c3−a2b2c3](rhs)\begin{aligned} \mathbf{b}\times\mathbf{c} \ =\ &(b_2c_3-b_3c_2)\hat{\boldsymbol{\imath}}-(b_1c_3-b_3c_1)\hat{\boldsymbol{\jmath}} +(b_1c_2-b_2c_1)\hat{\mathbf{k}} \\ \\ \text{따라서 좌변과 우변은 다음과 같다} \\ \mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c}) \ =\ &\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ a_1&a_2&a_3\\ b_2c_3-b_3c_2&-b_1c_3+b_3c_1&b_1c_2-b_2c_1\end{matrix}\right]\\ \ =\ &\hat{\boldsymbol{\imath}}\,[a_2(b_1c_2-b_2c_1)-a_3(-b_1c_3+b_3c_1)]\\ {-}&\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,[a_1(b_1c_2-b_2c_1)-a_3(b_2c_3-b_3c_2)]\\ {+}&\hat{\mathbf{k}}\,[a_1(-b_1c_3+b_3c_1)-a_2(b_2c_3-b_3c_2)]&{\rm (lhs)}\\ (\mathbf{a}\cdot\mathbf{c})\mathbf{b}-(\mathbf{a}\cdot\mathbf{b})\mathbf{c} \ =\ &(a_1c_1+a_2c_2+a_3c_3)(b_1\hat{\boldsymbol{\imath}}+b_2\hat{\boldsymbol{\jmath}}+b_3\hat{\mathbf{k}}) -(a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3)(c_1\hat{\boldsymbol{\imath}}+c_2\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c_3\hat{\mathbf{k}})\\ {=}\ & \hat{\boldsymbol{\imath}}\,[a_1b_1c_1+a_2b_1c_2+a_3b_1c_3-a_1b_1c_1-a_2b_2c_1-a_3b_3c_1] \\ {+}&\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,[a_1b_2c_1+a_2b_2c_2+a_3b_2c_3-a_1b_1c_2-a_2b_2c_2-a_3b_3c_2] \\ {+}&\hat{\mathbf{k}}\,[a_1b_3c_1+a_2b_3c_2+a_3b_3c_3-a_1b_1c_3-a_2b_2c_3-a_3b_3c_3]\\ {=}\ & \hat{\boldsymbol{\imath}}\,[a_2b_1c_2+a_3b_1c_3-a_2b_2c_1-a_3b_3c_1] \\ {+}&\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,[a_1b_2c_1+a_3b_2c_3-a_1b_1c_2-a_3b_3c_2] \\ {+}&\hat{\mathbf{k}}\,[a_1b_3c_1+a_2b_3c_2-a_1b_1c_3-a_2b_2c_3] &{\rm (rhs)} \end{aligned}

(lhs)와 (rhs)는 같다.

원본 교재 풀이(영어)

By definition,

b×c = (b2c3−b3c2)ı^−(b1c3−b3c1)ȷ^+(b1c2−b2c1)k^so that the left and right hand sides area×(b×c) = det⁡[ı^ȷ^k^a1a2a3b2c3−b3c2−b1c3+b3c1b1c2−b2c1] = ı^ [a2(b1c2−b2c1)−a3(−b1c3+b3c1)]−ȷ^ [a1(b1c2−b2c1)−a3(b2c3−b3c2)]+k^ [a1(−b1c3+b3c1)−a2(b2c3−b3c2)](lhs)(a⋅c)b−(a⋅b)c = (a1c1+a2c2+a3c3)(b1ı^+b2ȷ^+b3k^)−(a1b1+a2b2+a3b3)(c1ı^+c2ȷ^+c3k^)= ı^ [a1b1c1+a2b1c2+a3b1c3−a1b1c1−a2b2c1−a3b3c1]+ȷ^ [a1b2c1+a2b2c2+a3b2c3−a1b1c2−a2b2c2−a3b3c2]+k^ [a1b3c1+a2b3c2+a3b3c3−a1b1c3−a2b2c3−a3b3c3]= ı^ [a2b1c2+a3b1c3−a2b2c1−a3b3c1]+ȷ^ [a1b2c1+a3b2c3−a1b1c2−a3b3c2]+k^ [a1b3c1+a2b3c2−a1b1c3−a2b2c3](rhs)\begin{aligned} \mathbf{b}\times\mathbf{c} \ =\ &(b_2c_3-b_3c_2)\hat{\boldsymbol{\imath}}-(b_1c_3-b_3c_1)\hat{\boldsymbol{\jmath}} +(b_1c_2-b_2c_1)\hat{\mathbf{k}} \\ \\ \text{so that the left and right hand sides are} \\ \mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c}) \ =\ &\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ a_1&a_2&a_3\\ b_2c_3-b_3c_2&-b_1c_3+b_3c_1&b_1c_2-b_2c_1\end{matrix}\right]\\ \ =\ &\hat{\boldsymbol{\imath}}\,[a_2(b_1c_2-b_2c_1)-a_3(-b_1c_3+b_3c_1)]\\ {-}&\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,[a_1(b_1c_2-b_2c_1)-a_3(b_2c_3-b_3c_2)]\\ {+}&\hat{\mathbf{k}}\,[a_1(-b_1c_3+b_3c_1)-a_2(b_2c_3-b_3c_2)]&{\rm (lhs)}\\ (\mathbf{a}\cdot\mathbf{c})\mathbf{b}-(\mathbf{a}\cdot\mathbf{b})\mathbf{c} \ =\ &(a_1c_1+a_2c_2+a_3c_3)(b_1\hat{\boldsymbol{\imath}}+b_2\hat{\boldsymbol{\jmath}}+b_3\hat{\mathbf{k}}) -(a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3)(c_1\hat{\boldsymbol{\imath}}+c_2\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c_3\hat{\mathbf{k}})\\ {=}\ & \hat{\boldsymbol{\imath}}\,[a_1b_1c_1+a_2b_1c_2+a_3b_1c_3-a_1b_1c_1-a_2b_2c_1-a_3b_3c_1] \\ {+}&\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,[a_1b_2c_1+a_2b_2c_2+a_3b_2c_3-a_1b_1c_2-a_2b_2c_2-a_3b_3c_2] \\ {+}&\hat{\mathbf{k}}\,[a_1b_3c_1+a_2b_3c_2+a_3b_3c_3-a_1b_1c_3-a_2b_2c_3-a_3b_3c_3]\\ {=}\ & \hat{\boldsymbol{\imath}}\,[a_2b_1c_2+a_3b_1c_3-a_2b_2c_1-a_3b_3c_1] \\ {+}&\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,[a_1b_2c_1+a_3b_2c_3-a_1b_1c_2-a_3b_3c_2] \\ {+}&\hat{\mathbf{k}}\,[a_1b_3c_1+a_2b_3c_2-a_1b_1c_3-a_2b_2c_3] &{\rm (rhs)} \end{aligned}

(lhs) and (rhs) are the same.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2장 복습 · 13번
# 벡터의 연산증명·논술도전자동 분류
8.CLP-3 · 1.2절 · 39번대학 수준우리말 번역

각기둥의 여섯 꼭짓점이 다음과 같다.

A=(1,0,0)A′=(5,0,1)B=(0,3,0)B′=(4,3,1)C=(0,0,4)C′=(4,0,5)\begin{aligned} A&=(1,0,0)\qquad & A'&=(5,0,1) \\ B&=(0,3,0) & B'&=(4,3,1) \\ C&=(0,0,4) & C'&=(4,0,5) \end{aligned}

(a) 면 중 세 개가 평행사변형임을 확인하세요. 이 면들은 직사각형인가요? (b) AA′AA' 의 길이를 구하세요. (c) 삼각형 ABCABC 의 넓이를 구하세요. (d) 이 각기둥의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

A prism has the six vertices

A=(1,0,0)A′=(5,0,1)B=(0,3,0)B′=(4,3,1)C=(0,0,4)C′=(4,0,5)\begin{aligned} A&=(1,0,0)\qquad & A'&=(5,0,1) \\ B&=(0,3,0) & B'&=(4,3,1) \\ C&=(0,0,4) & C'&=(4,0,5) \end{aligned}

(a) Verify that three of the faces are parallelograms. Are they rectangular? (b) Find the length of AA′AA'. (c) Find the area of the triangle ABCABC. (d) Find the volume of the prism.

정답·풀이 보기

(a) AA′=<4,0,1>AA'=\left< 4,0,1\right> 와 BB′=<4,0,1>BB'=\left< 4,0,1\right> 는 사각형 AA′B′BAA'B'B 의 마주 보는 변이다. 두 변은 길이와 방향이 같다. AB=<−1,3,0>AB=\left< -1,3,0\right> 와 A′B′=<−1,3,0>A'B'=\left< -1,3,0\right> 도 마찬가지이다. 따라서 AA′B′BAA'B'B 는 평행사변형이다. AA′⋅AB=<4,0,1>⋅<−1,3,0>=−4≠0AA'\cdot AB=\left< 4,0,1\right> \cdot\left< -1,3,0\right> =-4\ne 0 이므로 AA′B′BAA'B'B 의 이웃한 두 변은 수직이 아니고, 따라서 AA′B′BAA'B'B 는 직사각형이 아니다.

마찬가지로 사각형 ACC′A′ACC'A' 의 마주 보는 변은 AA′=<4,0,1>=CC′=<4,0,1>AA'=\left< 4,0,1\right> =CC'=\left< 4,0,1\right> 이고 AC=<−1,0,4>=A′C′=<−1,0,4>AC=\left< -1,0,4\right> =A'C'=\left< -1,0,4\right> 이므로 평행사변형이다. AA′⋅AC=<4,0,1>⋅<−1,0,4>=0AA'\cdot AC=\left< 4,0,1\right> \cdot\left< -1,0,4\right> = 0 이므로 ACC′A′ACC'A' 의 이웃한 두 변은 수직이고, 따라서 ACC′A′ACC'A' 는 직사각형이다.

마지막으로 사각형 BCC′B′BCC'B' 의 마주 보는 변은 BB′=<4,0,1>=CC′=<4,0,1>BB'=\left< 4,0,1\right> =CC'=\left< 4,0,1\right> 이고 BC=<0,−3,4>=B′C′=<0,−3,4>BC=\left< 0,-3,4\right> =B'C'=\left< 0,-3,4\right> 이므로 평행사변형이다. BB′⋅BC=<4,0,1>⋅<0,−3,4>=4≠0BB'\cdot BC=\left< 4,0,1\right> \cdot\left< 0,-3,4\right> = 4\ne 0 이므로 BCC′B′BCC'B' 의 이웃한 두 변은 수직이 아니고, 따라서 BCC′B′BCC'B' 는 직사각형이 아니다.

(b) AA′AA' 의 길이는 ∣<4,0,1>∣=16+1=17|\left< 4,0,1\right> |=\sqrt{16+1}=\sqrt{17} 이다.

(c) 삼각형의 넓이는 밑변의 길이와 높이의 곱의 2분의 1이다. 즉, ∣AB∣|AB| 와 ∣AC∣sin⁡θ|AC|\sin\theta 의 곱의 2분의 1이며, 여기서 θ\theta 는 ABAB 와 ACAC 가 이루는 각이다. 이것은 바로 12∣AB×AC∣=12∣<−1,3,0>×<−1,0,4>∣=12∣<12,4,3>∣=132\tfrac{1}{2} |AB\times AC|=\tfrac{1}{2}|\left< -1,3,0\right> \times\left< -1,0,4\right> | =\tfrac{1}{2} |\left< 12,4,3\right>|=\frac{13}{2} 이다.

(d) 각기둥의 부피는 밑면 ABCABC 의 넓이에 높이를 곱한 것이다. 높이는 AA′AA' 의 길이에 AA′AA' 와 ABCABC 의 법선이 이루는 각의 코사인 값을 곱한 것이다. 이것은 12<12,4,3>⋅<4,0,1>=12(48+3)=512\tfrac{1}{2} \left< 12,4,3\right> \cdot\left< 4,0,1\right> =\tfrac{1}{2}(48+3)=\frac{51}{2} 과 같으며, 이는 <12,4,3>\left< 12,4,3\right> 의 길이(ABCABC 의 넓이)와 <4,0,1>\left< 4,0,1\right> 의 길이(AA′AA' 의 길이)와 <12,4,3>\left< 12,4,3\right> 와 <4,0,1>\left< 4,0,1\right> 가 이루는 각(ABCABC 의 법선과 AA′AA' 가 이루는 각)의 코사인 값을 모두 곱한 것의 2분의 1이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) AA′=<4,0,1>AA'=\left< 4,0,1\right> and BB′=<4,0,1>BB'=\left< 4,0,1\right> are opposite sides of the quadrilateral AA′B′BAA'B'B. They have the same length and direction. The same is true for AB=<−1,3,0>AB=\left< -1,3,0\right> and A′B′=<−1,3,0>A'B'=\left< -1,3,0\right> . So AA′B′BAA'B'B is a parallelogram. Because, AA′⋅AB=<4,0,1>⋅<−1,3,0>=−4≠0AA'\cdot AB=\left< 4,0,1\right> \cdot\left< -1,3,0\right> =-4\ne 0, the neighbouring edges of AA′B′BAA'B'B are not perpendicular and so AA′B′BAA'B'B is not a rectangle.

Similarly, the quadilateral ACC′A′ACC'A' has opposing sides AA′=<4,0,1>=CC′=<4,0,1>AA'=\left< 4,0,1\right> =CC'=\left< 4,0,1\right> and AC=<−1,0,4>=A′C′=<−1,0,4>AC=\left< -1,0,4\right> =A'C'=\left< -1,0,4\right> and so is a parallelogram. Because AA′⋅AC=<4,0,1>⋅<−1,0,4>=0AA'\cdot AC=\left< 4,0,1\right> \cdot\left< -1,0,4\right> = 0, the neighbouring edges of ACC′A′ACC'A' are perpendicular, so ACC′A′ACC'A' is a rectangle.

Finally, the quadilateral BCC′B′BCC'B' has opposing sides BB′=<4,0,1>=CC′=<4,0,1>BB'=\left< 4,0,1\right> =CC'=\left< 4,0,1\right> and BC=<0,−3,4>=B′C′=<0,−3,4>BC=\left< 0,-3,4\right> =B'C'=\left< 0,-3,4\right> and so is a parallelogram. Because BB′⋅BC=<4,0,1>⋅<0,−3,4>=4≠0BB'\cdot BC=\left< 4,0,1\right> \cdot\left< 0,-3,4\right> = 4\ne 0, the neighbouring edges of BCC′B′BCC'B' are not perpendicular, so BCC′B′BCC'B' is not a rectangle.

(b) The length of AA′AA' is ∣<4,0,1>∣=16+1=17|\left< 4,0,1\right> |=\sqrt{16+1}=\sqrt{17}.

(c) The area of a triangle is one half its base times its height. That is, one half times ∣AB∣|AB| times ∣AC∣sin⁡θ|AC|\sin\theta, where θ\theta is the angle between ABAB and ACAC. This is precisely 12∣AB×AC∣=12∣<−1,3,0>×<−1,0,4>∣=12∣<12,4,3>∣=132\tfrac{1}{2} |AB\times AC|=\tfrac{1}{2}|\left< -1,3,0\right> \times\left< -1,0,4\right> | =\tfrac{1}{2} |\left< 12,4,3\right>|=\frac{13}{2}.

(d) The volume of the prism is the area of its base ABCABC, times its height, which is the length of AA′AA' times the cosine of the angle between AA′AA' and the normal to ABCABC. This coincides with 12<12,4,3>⋅<4,0,1>=12(48+3)=512\tfrac{1}{2} \left< 12,4,3\right> \cdot\left< 4,0,1\right> =\tfrac{1}{2}(48+3)=\frac{51}{2}, which is one half times the length of <12,4,3>\left< 12,4,3\right> (the area of ABCABC) times the length of <4,0,1>\left< 4,0,1\right> (the length of AA′AA') times the cosine of the angle between <12,4,3>\left< 12,4,3\right> and <4,0,1>\left< 4,0,1\right> (the angle between the normal to ABCABC and AA′AA').

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 9번
# 벡터의 연산증명·논술도전자동 분류
9.CLP-3 · 1.2절 · 40번대학 수준우리말 번역

(3차원 피타고라스 정리) 공간에서 꼭짓점이 정확히 네 개인 입체를 사면체라고 한다. AA, BB, CC, DD 를 사면체의 네 면의 넓이라고 하자. 넓이가 DD 인 면의 반대쪽 꼭짓점에서 만나는 세 모서리가 서로 수직이라고 하자. D2=A2+B2+C2D^2=A^2+B^2+C^2 임을 보이세요.

그림

영어 원문 보기

(Three dimensional Pythagorean Theorem) A solid body in space with exactly four vertices is called a tetrahedron. Let AA, BB, CC and DD be the areas of the four faces of a tetrahedron. Suppose that the three edges meeting at the vertex opposite the face of area DD are perpendicular to each other. Show that D2=A2+B2+C2D^2=A^2+B^2+C^2.

figure

정답·풀이 보기

넓이가 DD 인 면의 반대쪽 꼭짓점이 원점에 오도록 좌표축을 잡는다. 넓이가 각각 AA, BB, CC 인 면의 반대쪽 꼭짓점을 각각 a\mathbf{a}, b\mathbf{b}, c\mathbf{c} 로 나타내자. 그러면 넓이가 AA 인 면은 모서리 b\mathbf{b} 와 c\mathbf{c} 를 가지므로 A=12∣b×c∣A=\tfrac{1}{2} |\mathbf{b}\times\mathbf{c}| 이다. 마찬가지로 B=12∣c×a∣B=\tfrac{1}{2}|\mathbf{c}\times\mathbf{a}| 이고 C=12∣a×b∣C=\tfrac{1}{2}|\mathbf{a}\times \mathbf{b}| 이다. 넓이가 DD 인 면은 b−a\mathbf{b}-\mathbf{a} 와 c−a\mathbf{c}-\mathbf{a} 가 이루는 삼각형이므로

D=12∣(b−a)×(c−a)∣=12∣b×c−a×c−b×a∣=12∣b×c+c×a+a×b∣\begin{aligned} D&=\tfrac{1}{2}|(\mathbf{b}-\mathbf{a})\times(\mathbf{c}-\mathbf{a})|\\ &=\tfrac{1}{2}|\mathbf{b}\times \mathbf{c}-\mathbf{a}\times\mathbf{c}-\mathbf{b}\times\mathbf{a}|\\ &=\tfrac{1}{2}|\mathbf{b}\times \mathbf{c}+\mathbf{c}\times\mathbf{a}+\mathbf{a}\times\mathbf{b}| \end{aligned}

이다.

가정에 의해 벡터 a\mathbf{a}, b\mathbf{b}, c\mathbf{c} 는 모두 서로 수직이다. 따라서 벡터 b×c\mathbf{b}\times \mathbf{c} (이는 a\mathbf{a} 의 스칼라배이다), c×a\mathbf{c}\times\mathbf{a} (이는 b\mathbf{b} 의 스칼라배이다), a×b\mathbf{a}\times\mathbf{b} (이는 c\mathbf{c} 의 스칼라배이다)도 서로 수직이다. 그러므로 다음을 전개하면

D2=14[b×c+c×a+a×b]⋅[b×c+c×a+a×b]D^2=\frac{1}{4}\big[\mathbf{b}\times \mathbf{c}+\mathbf{c}\times\mathbf{a}+\mathbf{a}\times\mathbf{b}\big]\cdot\big[\mathbf{b}\times \mathbf{c}+\mathbf{c}\times\mathbf{a}+\mathbf{a}\times\mathbf{b}\big]

교차항은 모두 0이 되어 다음이 남는다.

D2=14[(b×c)⋅(b×c)+(c×a)⋅(c×a)+(a×b)⋅(a×b)]=A2+B2+C2D^2=\frac{1}{4}\big[(\mathbf{b}\times \mathbf{c})\cdot(\mathbf{b}\times \mathbf{c}) +(\mathbf{c}\times\mathbf{a})\cdot(\mathbf{c}\times\mathbf{a}) +(\mathbf{a}\times\mathbf{b})\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b})\big]=A^2+B^2+C^2

원본 교재 풀이(영어)

Choose our coordinate axes so that the vertex opposite the face of area DD is at the origin. Denote by a\mathbf{a}, b\mathbf{b} and c\mathbf{c} the vertices opposite the sides of area AA, BB and CC respectively. Then the face of area AA has edges b\mathbf{b} and c\mathbf{c} so that A=12∣b×c∣A=\tfrac{1}{2} |\mathbf{b}\times\mathbf{c}|. Similarly B=12∣c×a∣B=\tfrac{1}{2}|\mathbf{c}\times\mathbf{a}| and C=12∣a×b∣C=\tfrac{1}{2}|\mathbf{a}\times \mathbf{b}|. The face of area DD is the triangle spanned by b−a\mathbf{b}-\mathbf{a} and c−a\mathbf{c}-\mathbf{a} so that

D=12∣(b−a)×(c−a)∣=12∣b×c−a×c−b×a∣=12∣b×c+c×a+a×b∣\begin{aligned} D&=\tfrac{1}{2}|(\mathbf{b}-\mathbf{a})\times(\mathbf{c}-\mathbf{a})|\\ &=\tfrac{1}{2}|\mathbf{b}\times \mathbf{c}-\mathbf{a}\times\mathbf{c}-\mathbf{b}\times\mathbf{a}|\\ &=\tfrac{1}{2}|\mathbf{b}\times \mathbf{c}+\mathbf{c}\times\mathbf{a}+\mathbf{a}\times\mathbf{b}| \end{aligned}

By hypothesis, the vectors a\mathbf{a}, b\mathbf{b} and c\mathbf{c} are all perpendicular to each other. Consequently the vectors b×c\mathbf{b}\times \mathbf{c} (which is a scalar times a\mathbf{a}), c×a\mathbf{c}\times\mathbf{a} (which is a scalar times b\mathbf{b}) and a×b\mathbf{a}\times\mathbf{b} (which is a scalar times c\mathbf{c}) are also mutually perpendicular. So, when we multiply out

D2=14[b×c+c×a+a×b]⋅[b×c+c×a+a×b]D^2=\frac{1}{4}\big[\mathbf{b}\times \mathbf{c}+\mathbf{c}\times\mathbf{a}+\mathbf{a}\times\mathbf{b}\big]\cdot\big[\mathbf{b}\times \mathbf{c}+\mathbf{c}\times\mathbf{a}+\mathbf{a}\times\mathbf{b}\big]

all the cross terms vanish, leaving

D2=14[(b×c)⋅(b×c)+(c×a)⋅(c×a)+(a×b)⋅(a×b)]=A2+B2+C2D^2=\frac{1}{4}\big[(\mathbf{b}\times \mathbf{c})\cdot(\mathbf{b}\times \mathbf{c}) +(\mathbf{c}\times\mathbf{a})\cdot(\mathbf{c}\times\mathbf{a}) +(\mathbf{a}\times\mathbf{b})\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b})\big]=A^2+B^2+C^2

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.1절 · 49번
# 벡터의 연산증명·논술도전자동 분류
10.CLP-3 · 1.4절 · 14번대학 수준우리말 번역

두 평면 x+y+z=3, x+y+z=9x+y+z=3,\ x+y+z=9 를 접평면으로 갖고, 중심이 평면 2x−y=0, 3x−z=02x-y=0,\ 3x-z=0 위에 있는 구의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the equation of the sphere which has the two planes x+y+z=3, x+y+z=9x+y+z=3,\ x+y+z=9 as tangent planes if the center of the sphere is on the planes 2x−y=0, 3x−z=02x-y=0,\ 3x-z=0.

정답·풀이 보기

두 평면 x+y+z=3x+y+z=3 과 x+y+z=9x+y+z=9 는 평행하다. 중심은 두 평면의 한가운데에 있는 평면 x+y+z=6x+y+z=6 위에 있어야 한다. 따라서 중심은 x+y+z=6x+y+z=6, 2x−y=02x-y=0, 3x−z=03x-z=0 위에 있다. 이 세 식을 풀면, 즉

y=2x, z=3x, x+y+z=6x=6y=2x,\ z=3x,\ x+y+z=6x=6

에서 중심은 (1,2,3)(1,2,3) 이다. (1,1,1)(1,1,1) 은 x+y+z=3x+y+z=3 위의 점이다. (3,3,3)(3,3,3) 은 x+y+z=9x+y+z=9 위의 점이다. 따라서 <2,2,2>\left< 2,2,2\right> 는 시점이 x+y+z=3x+y+z=3 위에 있고 종점이 x+y+z=9x+y+z=9 위에 있는 벡터이다. 또한 <2,2,2>\left< 2,2,2\right> 는 두 평면에 수직이다. 그러므로 두 평면 사이의 거리는 ∣<2,2,2>∣=23|\left< 2,2,2\right>|=2\sqrt{3} 이고 구의 반지름은 3\sqrt{3} 이다. 구의 방정식은

(x−1)2+(y−2)2+(z−3)2=3(x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2=3

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The two planes x+y+z=3x+y+z=3 and x+y+z=9x+y+z=9 are parallel. The centre must be on the plane x+y+z=6x+y+z=6 half way between them. So, the center is on x+y+z=6x+y+z=6, 2x−y=02x-y=0 and 3x−z=03x-z=0. Solving these three equations, or equvalently,

y=2x, z=3x, x+y+z=6x=6y=2x,\ z=3x,\ x+y+z=6x=6

gives (1,2,3)(1,2,3) as the centre. (1,1,1)(1,1,1) is a point on x+y+z=3x+y+z=3. (3,3,3)(3,3,3) is a point on x+y+z=9x+y+z=9. So <2,2,2>\left< 2,2,2\right> is a vector with tail on x+y+z=3x+y+z=3 and head on x+y+z=9x+y+z=9. Furthermore <2,2,2>\left< 2,2,2\right> is perpendicular to the two planes. So the distance between the planes is ∣<2,2,2>∣=23|\left< 2,2,2\right>|=2\sqrt{3} and the radius of the sphere is 3\sqrt{3}. The sphere is

(x−1)2+(y−2)2+(z−3)2=3(x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2=3

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 15번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
11.CLP-3 · 1.4절 · 15번대학 수준우리말 번역

점 (−2,0,1)(-2,0,1) 을 지나고 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5 의 교선을 지나는 평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the equation of the plane that passes through the point (−2,0,1)(-2,0,1) and through the line of intersection of 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5.

정답·풀이 보기

y=0y=0 으로 놓고 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5 를 풀면, 즉 2x−z=02x-z=0, x+2z=−5x+2z=-5, 또는 이와 동치로

z=2x, x+2z=5x=−5z=2x,\ x+2z=5x=-5

그 결과 (−1,0,−2)(-1,0,-2) 는 평면 위의 한 점이다. y=5y=5 로 놓고 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5 를 풀면, 즉 2x+15−z=02x+15-z=0, x−20+2z=−5x-20+2z=-5, 또는 이와 동치로

z=2x+15, x−20+4x+30=−5z=2x+15,\ x-20+4x+30=-5

그 결과 (−3,5,9)(-3,5,9) 는 평면 위의 또 다른 점이다. 따라서 평면 위의 세 점은 (−2,0,1), (−1,0,−2)(-2,0,1), \ (-1,0,-2), (−3,5,9)(-3,5,9) 이다. <−2+1 , 0−0 , 1+2>=<−1,0,3>\left< -2+1\,,\,0-0\,,\, 1+2 \right>=\left< -1,0,3\right> 과 <−2+3 , 0−5 , 1−9>=<1,−5,−8>\left< -2+3\,,\,0-5\,,\, 1-9 \right> = \left< 1,-5,-8\right> 은 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있는 두 벡터이다.

<−1,0,3>×<1,−5,−8>=det⁡[ı^ȷ^k^−1031−5−8]=<15,−5,5>\begin{aligned} \left< -1,0,3\right> \times \left< 1,-5,-8\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -1 & 0 & 3 \\ 1 & -5 & -8 \end{matrix}\right] =\left< 15 , -5 ,5 \right> \end{aligned}

은 평면에 수직인 벡터이다. 15<15,−5,5>=<3,−1,1>\frac{1}{5}\left< 15 , -5 ,5 \right>=\left< 3,-1,1\right> 도 평면에 수직인 벡터이다. 따라서 평면의 방정식은

3(x+1)−(y−0)+(z+2)=0또는3x−y+z=−53(x+1) -(y-0) + (z+2)=0\quad\text{또는}\quad 3x-y+z=-5

원본 교재 풀이(영어)

Set y=0y=0 and then solve 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5, i.e. 2x−z=02x-z=0, x+2z=−5x+2z=-5, or equvalently

z=2x, x+2z=5x=−5z=2x,\ x+2z=5x=-5

The result, (−1,0,−2)(-1,0,-2), is one point on the plane. Set y=5y=5 and then solve 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5, i.e. 2x+15−z=02x+15-z=0, x−20+2z=−5x-20+2z=-5, or equivalently

z=2x+15, x−20+4x+30=−5z=2x+15,\ x-20+4x+30=-5

The result, (−3,5,9)(-3,5,9), is another point on the plane. So three points on the plane are (−2,0,1), (−1,0,−2)(-2,0,1), \ (-1,0,-2) and (−3,5,9)(-3,5,9). <−2+1 , 0−0 , 1+2>=<−1,0,3>\left< -2+1\,,\,0-0\,,\, 1+2 \right>=\left< -1,0,3\right> and <−2+3 , 0−5 , 1−9>=<1,−5,−8>\left< -2+3\,,\,0-5\,,\, 1-9 \right> = \left< 1,-5,-8\right> are two vectors having both head and tail in the plane.

<−1,0,3>×<1,−5,−8>=det⁡[ı^ȷ^k^−1031−5−8]=<15,−5,5>\begin{aligned} \left< -1,0,3\right> \times \left< 1,-5,-8\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -1 & 0 & 3 \\ 1 & -5 & -8 \end{matrix}\right] =\left< 15 , -5 ,5 \right> \end{aligned}

is a vector perpendicular to the plane. 15<15,−5,5>=<3,−1,1>\frac{1}{5}\left< 15 , -5 ,5 \right>=\left< 3,-1,1\right> is also a vector perpendicular to the plane. The plane is

3(x+1)−(y−0)+(z+2)=0or3x−y+z=−53(x+1) -(y-0) + (z+2)=0\quad\text{or}\quad 3x-y+z=-5

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.3절 · 8번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
12.CLP-3 · 1.4절 · 16번대학 수준우리말 번역

점 p\mathbf{p} 에서 평면 n⋅x=c\mathbf{n}\cdot \mathbf{x}= c 까지의 거리를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the distance from the point p\mathbf{p} to the plane n⋅x=c\mathbf{n}\cdot \mathbf{x}= c.

정답·풀이 보기

벡터 n\mathbf{n} 은 평면 n⋅x=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}= c 에 수직이다. 따라서 직선

x(t)=p+tn\mathbf{x}(t)=\mathbf{p}+t\mathbf{n}

은 p\mathbf{p} 를 지나고 평면에 수직이다.

그림

이 직선은 다음을 만족하는 tt 의 값에서 평면과 만난다.

n⋅x(t)=c또는n⋅[p+tn]=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}(t)= c \text{또는} \mathbf{n}\cdot[\mathbf{p}+t\mathbf{n}]= c

즉

t=[c−n⋅p]/∣n∣2t=[c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}]/|\mathbf{n}|^2

벡터

x(t)−p=t n=n [c−n⋅p]/∣n∣2\mathbf{x}(t)-\mathbf{p}=t\,\mathbf{n}=\mathbf{n}\,[c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}]/|\mathbf{n}|^2

은 머리가 평면 n⋅x=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}= c 위에 있고, 꼬리가 p\mathbf{p} 에 있으며, 평면에 수직이다. 따라서 거리는 이 벡터의 길이이며, 그 값은

∣c−n⋅p∣/∣n∣|c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}|/|\mathbf{n}|

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The vector n\mathbf{n} is perpendicular to the plane n⋅x=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}= c. So the line

x(t)=p+tn\mathbf{x}(t)=\mathbf{p}+t\mathbf{n}

passes through p\mathbf{p} and is perpendicular to the plane.

figure

It crosses the plane at the value of tt which obeys

n⋅x(t)=corn⋅[p+tn]=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}(t)= c \text{or} \mathbf{n}\cdot[\mathbf{p}+t\mathbf{n}]= c

namely

t=[c−n⋅p]/∣n∣2t=[c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}]/|\mathbf{n}|^2

The vector

x(t)−p=t n=n [c−n⋅p]/∣n∣2\mathbf{x}(t)-\mathbf{p}=t\,\mathbf{n}=\mathbf{n}\,[c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}]/|\mathbf{n}|^2

has head on the plane n⋅x=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}= c, tail at p\mathbf{p}, and is perpendicular to the plane. So the distance is the length of that vector, which is

∣c−n⋅p∣/∣n∣|c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}|/|\mathbf{n}|

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 17번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
13.CLP-3 · 1.4절 · 17번대학 수준우리말 번역

(1,2,3)(1,2,3)과 (5,2,7)(5,2,7)로부터 같은 거리에 있는 점들의 집합을 설명하세요.

영어 원문 보기

Describe the set of points equidistant from (1,2,3)(1,2,3) and (5,2,7)(5,2,7).

정답·풀이 보기

점 (x,y,z)(x,y,z)에서 (1,2,3)(1,2,3)까지의 거리는 (x−1)2+(y−2)2+(z−3)2\sqrt{(x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2}이고, (x,y,z)(x,y,z)에서 (5,2,7)(5,2,7)까지의 거리는 (x−5)2+(y−2)2+(z−7)2\sqrt{(x-5)^2+(y-2)^2+(z-7)^2}이다. 따라서 (x,y,z)(x,y,z)가 (1,2,3)(1,2,3)과 (5,2,7)(5,2,7)로부터 같은 거리에 있을 필요충분조건은 다음과 같다.

(x−1)2+(y−2)2+(z−3)2=(x−5)2+(y−2)2+(z−7)2  ⟺  x2−2x+1+z2−6z+9=x2−10x+25+z2−14z+49  ⟺  8x+8z=64  ⟺  x+z=8\begin{aligned} & & (x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2&=(x-5)^2+(y-2)^2+(z-7)^2\\ &\iff & x^2-2x+1+z^2-6z+9&=x^2-10x+25+z^2-14z+49\\ &\iff & 8x+8z&=64\\ &\iff & x+z&=8 \end{aligned}

이것은 (3,2,5)=12(1,2,3)+12(5,2,7)(3,2,5)=\tfrac{1}{2}(1,2,3)+\tfrac{1}{2}(5,2,7)을 지나고 법선 벡터가 <1,0,1>=14(<5,2,7>−<1,2,3>)\left< 1,0,1\right>=\frac{1}{4}\big(\left< 5,2,7\right>-\left< 1,2,3\right> \big)인 평면이다.

원본 교재 풀이(영어)

The distance from the point (x,y,z)(x,y,z) to (1,2,3)(1,2,3) is (x−1)2+(y−2)2+(z−3)2\sqrt{(x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2} and the distance from (x,y,z)(x,y,z)to (5,2,7)(5,2,7) is (x−5)2+(y−2)2+(z−7)2\sqrt{(x-5)^2+(y-2)^2+(z-7)^2}. Hence (x,y,z)(x,y,z) is equidistant from (1,2,3)(1,2,3) and (5,2,7)(5,2,7) if and only if

(x−1)2+(y−2)2+(z−3)2=(x−5)2+(y−2)2+(z−7)2  ⟺  x2−2x+1+z2−6z+9=x2−10x+25+z2−14z+49  ⟺  8x+8z=64  ⟺  x+z=8\begin{aligned} & & (x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2&=(x-5)^2+(y-2)^2+(z-7)^2\\ &\iff & x^2-2x+1+z^2-6z+9&=x^2-10x+25+z^2-14z+49\\ &\iff & 8x+8z&=64\\ &\iff & x+z&=8 \end{aligned}

This is the plane through (3,2,5)=12(1,2,3)+12(5,2,7)(3,2,5)=\tfrac{1}{2}(1,2,3)+\tfrac{1}{2}(5,2,7) with normal vector <1,0,1>=14(<5,2,7>−<1,2,3>)\left< 1,0,1\right>=\frac{1}{4}\big(\left< 5,2,7\right>-\left< 1,2,3\right> \big).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 10번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
14.CLP-3 · 1.4절 · 18번대학 수준우리말 번역

a\mathbf{a}와 b\mathbf{b}로부터 같은 거리에 있는 점들의 집합을 설명하세요.

영어 원문 보기

Describe the set of points equidistant from a\mathbf{a} and b\mathbf{b}.

정답·풀이 보기

점 x\mathbf{x}에서 a\mathbf{a}까지의 거리는 (x−a)⋅(x−a)\sqrt{(\mathbf{x}-\mathbf{a})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{a})}이고, x\mathbf{x}에서 b\mathbf{b}까지의 거리는 (x−b)⋅(x−b)\sqrt{(\mathbf{x}-\mathbf{b})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{b})}이다. 따라서 x\mathbf{x}가 a\mathbf{a}와 b\mathbf{b}로부터 같은 거리에 있을 필요충분조건은 다음과 같다.

(x−a)⋅(x−a)=(x−b)⋅(x−b)  ⟺  ∣x∣2−2a⋅x+∣a∣2=∣x∣2−2b⋅x+∣b∣2  ⟺  2(b−a)⋅x=∣b∣2−∣a∣2\begin{aligned} & & (\mathbf{x}-\mathbf{a})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{a})&=(\mathbf{x}-\mathbf{b})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{b}) \\ &\iff\qquad & |\mathbf{x}|^2-2\mathbf{a}\cdot\mathbf{x}+|\mathbf{a}|^2&=|\mathbf{x}|^2-2\mathbf{b}\cdot\mathbf{x}+|\mathbf{b}|^2 \\ &\iff & 2(\mathbf{b}-\mathbf{a})\cdot\mathbf{x}&=|\mathbf{b}|^2-|\mathbf{a}|^2 \end{aligned}

이것은 12a+12b\tfrac{1}{2}\mathbf{a}+\tfrac{1}{2}\mathbf{b}를 지나고 법선 벡터가 b−a\mathbf{b}-\mathbf{a}인 평면이다.

원본 교재 풀이(영어)

The distance from the point x\mathbf{x} to a\mathbf{a} is (x−a)⋅(x−a)\sqrt{(\mathbf{x}-\mathbf{a})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{a})} and the distance from x\mathbf{x} to b\mathbf{b} is (x−b)⋅(x−b)\sqrt{(\mathbf{x}-\mathbf{b})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{b})}. Hence x\mathbf{x} is equidistant from a\mathbf{a} and b\mathbf{b} if and only if

(x−a)⋅(x−a)=(x−b)⋅(x−b)  ⟺  ∣x∣2−2a⋅x+∣a∣2=∣x∣2−2b⋅x+∣b∣2  ⟺  2(b−a)⋅x=∣b∣2−∣a∣2\begin{aligned} & & (\mathbf{x}-\mathbf{a})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{a})&=(\mathbf{x}-\mathbf{b})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{b}) \\ &\iff\qquad & |\mathbf{x}|^2-2\mathbf{a}\cdot\mathbf{x}+|\mathbf{a}|^2&=|\mathbf{x}|^2-2\mathbf{b}\cdot\mathbf{x}+|\mathbf{b}|^2 \\ &\iff & 2(\mathbf{b}-\mathbf{a})\cdot\mathbf{x}&=|\mathbf{b}|^2-|\mathbf{a}|^2 \end{aligned}

This is the plane through 12a+12b\tfrac{1}{2}\mathbf{a}+\tfrac{1}{2}\mathbf{b} with normal vector b−a\mathbf{b}-\mathbf{a}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.3절 · 3번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
15.CLP-3 · 1.4절 · 19번대학 수준우리말 번역

점 P(5,−10,2)P(5,-10,2) 와 세 꼭짓점이 A(0,1,1)A(0,1,1), B(1,0,1)B(1,0,1), C(1,3,0)C(1,3,0) 인 삼각형을 생각하세요.

(a) 삼각형 ABCABC 의 넓이를 구하세요. (b) 점 PP 에서 이 삼각형을 포함하는 평면까지의 거리를 구하세요.

영어 원문 보기

Consider a point P(5,−10,2)P(5,-10,2) and the triangle with vertices A(0,1,1)A(0,1,1), B(1,0,1)B(1,0,1) and C(1,3,0)C(1,3,0).

(a) Compute the area of the triangle ABCABC. (b) Find the distance from the point PP to the plane containing the triangle.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 삼각형의 한 변은 AB→=<1,0,1>−<0,1,1>=<1,−1,0>\overrightarrow{AB}=\left< 1,0,1\right> - \left< 0,1,1\right> = \left< 1,-1,0\right> 이다. 삼각형의 다른 한 변은 AC→=<1,3,0>−<0,1,1>=<1,2,−1>\overrightarrow{AC}=\left< 1,3,0\right> - \left< 0,1,1\right> = \left< 1,2,-1\right> 이다. AB→\overrightarrow{AB} 와 AC→\overrightarrow{AC} 가 이루는 각을 θ\theta 라 하고 AB→\overrightarrow{AB} 를 삼각형의 밑변으로 잡으면, 삼각형의 밑변의 길이는 b=∣AB→∣b=|\overrightarrow{AB}| 이고 높이는 h=∣AC→∣sin⁡θh=|\overrightarrow{AC}|\sin\theta 이므로

area=12bh=12∣AB→∣ ∣AC→∣sin⁡θ=12∣AB→×AC→∣=12∣<1,−1,0>×<1,2,−1>∣\text{area}=\tfrac{1}{2} bh =\tfrac{1}{2} |\overrightarrow{AB}|\,|\overrightarrow{AC}|\sin\theta =\tfrac{1}{2}|\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}| =\tfrac{1}{2}|\left< 1,-1,0\right> \times \left< 1,2,-1\right>|

그런데

<1,−1,0>×<1,2,−1>=det⁡[ı^ȷ^k^1−1012−1]=ı^+ȷ^+3k^\left< 1,-1,0\right>\times\left< 1,2,-1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & -1 & 0 \\ 1 & 2 & -1 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3\hat{\mathbf{k}}

이므로

area=12∣<1,1,3>∣=1211≈1.658\text{area}=\tfrac{1}{2}|\left< 1,1,3\right>|=\tfrac{1}{2}\sqrt{11}\approx 1.658

이다.

(b) 삼각형을 포함하는 평면에 수직인 단위벡터는

n^=AB→×AC→∣AB→×AC→∣=<1,1,3>11\hat{\mathbf{n}}=\frac{\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}} {|\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}|} =\frac{\left< 1,1,3\right>}{\sqrt{11}}

이다.

PP 에서 삼각형을 포함하는 평면까지의 거리는 AP→=<5,−10,2>−<0,1,1>=<5,−11,1>\overrightarrow{AP}=\left< 5,-10,2\right>-\left< 0,1,1\right> =\left< 5,-11,1\right> 을 n^\hat{\mathbf{n}} 위로 정사영한 벡터의 길이와 같다. AP→\overrightarrow{AP} 와 n^\hat{\mathbf{n}} 이 이루는 각을 θ\theta 라 하면 이 길이는 다음과 같다.

distance=∣AP→∣ ∣cos⁡θ∣=∣AP→⋅n^∣=∣<5,−11,1>⋅<1,1,3>11∣=311≈0.9045\text{distance}= |\overrightarrow{AP}|\,|\cos\theta| =\big|\overrightarrow{AP}\cdot\hat{\mathbf{n}}\big| =\left|\left< 5,-11,1\right>\cdot\frac{\left< 1,1,3\right>}{\sqrt{11}}\right| =\frac{3}{\sqrt{11}}\approx 0.9045

원본 교재 풀이(영어)

(a) One side of the triangle is AB→=<1,0,1>−<0,1,1>=<1,−1,0>\overrightarrow{AB}=\left< 1,0,1\right> - \left< 0,1,1\right> = \left< 1,-1,0\right>. A second side of the triangle is AC→=<1,3,0>−<0,1,1>=<1,2,−1>\overrightarrow{AC}=\left< 1,3,0\right> - \left< 0,1,1\right> = \left< 1,2,-1\right>. If the angle between AB→\overrightarrow{AB} and AC→\overrightarrow{AC} is θ\theta and if we take AB→\overrightarrow{AB} as the base of the triangle, then the triangle has base length b=∣AB→∣b=|\overrightarrow{AB}| and height h=∣AC→∣sin⁡θh=|\overrightarrow{AC}|\sin\theta and hence

area=12bh=12∣AB→∣ ∣AC→∣sin⁡θ=12∣AB→×AC→∣=12∣<1,−1,0>×<1,2,−1>∣\text{area}=\tfrac{1}{2} bh =\tfrac{1}{2} |\overrightarrow{AB}|\,|\overrightarrow{AC}|\sin\theta =\tfrac{1}{2}|\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}| =\tfrac{1}{2}|\left< 1,-1,0\right> \times \left< 1,2,-1\right>|

As

<1,−1,0>×<1,2,−1>=det⁡[ı^ȷ^k^1−1012−1]=ı^+ȷ^+3k^\left< 1,-1,0\right>\times\left< 1,2,-1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & -1 & 0 \\ 1 & 2 & -1 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3\hat{\mathbf{k}}

we have

area=12∣<1,1,3>∣=1211≈1.658\text{area}=\tfrac{1}{2}|\left< 1,1,3\right>|=\tfrac{1}{2}\sqrt{11}\approx 1.658

(b) A unit vector perpendicular to the plane containing the triangle is

n^=AB→×AC→∣AB→×AC→∣=<1,1,3>11\hat{\mathbf{n}}=\frac{\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}} {|\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}|} =\frac{\left< 1,1,3\right>}{\sqrt{11}}

The distance from PP to the plane containing the triangle is the length of the projection of AP→=<5,−10,2>−<0,1,1>=<5,−11,1>\overrightarrow{AP}=\left< 5,-10,2\right>-\left< 0,1,1\right> =\left< 5,-11,1\right> on n^\hat{\mathbf{n}}. If θ\theta the angle between AP→\overrightarrow{AP} and n^\hat{\mathbf{n}}, then this is

distance=∣AP→∣ ∣cos⁡θ∣=∣AP→⋅n^∣=∣<5,−11,1>⋅<1,1,3>11∣=311≈0.9045\text{distance}= |\overrightarrow{AP}|\,|\cos\theta| =\big|\overrightarrow{AP}\cdot\hat{\mathbf{n}}\big| =\left|\left< 5,-11,1\right>\cdot\frac{\left< 1,1,3\right>}{\sqrt{11}}\right| =\frac{3}{\sqrt{11}}\approx 0.9045

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.3절 · 4번
# 직선과 평면의 방정식활용도전자동 분류
16.CLP-3 · 1.4절 · 20번대학 수준우리말 번역

다음 구면을 생각하자. (x−1)2+(y−2)2+(z+1)2=2(x-1)^2+(y-2)^2+(z+1)^2=2 여러분이 SS 위의 점 (2,2,0)(2,2,0) 에 있고, SS 위에서 가장 짧은 경로를 따라 (2,1,−1)(2,1,-1) 로 가려고 한다고 하자. 처음 진행 방향을 외적으로 나타내세요.

영어 원문 보기

Consider the sphere given by (x−1)2+(y−2)2+(z+1)2=2(x-1)^2+(y-2)^2+(z+1)^2=2 Suppose that you are at the point (2,2,0)(2,2,0) on SS, and you plan to follow the shortest path on SS to (2,1,−1)(2,1,-1). Express your initial direction as a cross product.

정답·풀이 보기

새로운 좌표계로 바꾸어 X=x−1Y=y−2Z=z+1X=x-1\qquad Y=y-2\qquad Z=z+1 이라 하자. 이 새로운 좌표계에서 구의 방정식은 X2+Y2+Z2=2X^2+Y^2+Z^2=2 이다. 따라서 구의 중심은 (X,Y,Z)=(0,0,0)(X,Y,Z)=(0,0,0) 이고 반지름은 2\sqrt{2} 이다. 새로운 좌표계에서 출발점 (x,y,z)=(2,2,0)(x,y,z)=(2,2,0) 은 (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) 이고, 도착점 (x,y,z)=(2,1,−1)(x,y,z)=(2,1,-1) 은 (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0) 이다. 출발점을 PP, 도착점을 QQ 라 하자. 가장 짧은 경로는 PP 에서 QQ 까지 대원을 따라간다.

그림

구 위의 대원은 구의 중심을 포함하는 평면과 구가 만나서 생기는 도형이다. 처음 방향을 구하는 전략은 다음 두 가지 관찰에 바탕을 둔다.

  • 가장 짧은 경로는 원점과 두 점 PP, QQ 를 포함하는 평면 Π\Pi 위에 있다. 가장 짧은 경로가 Π\Pi 위에 있으므로 방향 벡터도 Π\Pi 위에 놓여야 하고, 따라서 Π\Pi 의 법선벡터와 수직이어야 한다.
  • 가장 짧은 경로는 구 위에도 머물러 있으므로, 처음 방향은 출발점 PP 에서 구의 법선벡터와도 수직이어야 한다.

처음 방향이 두 법선벡터에 모두 수직이므로, 두 법선벡터의 외적과 평행하다.

따라서 우리가 할 일은 평면 Π\Pi 의 법선벡터와 PP 에서 구의 법선벡터를 구하는 것이다.

  • Π\Pi 의 법선벡터를 구하는 한 가지 방법은 Π\Pi 의 방정식을 짐작해 보는 것이다. (0,0,0)(0,0,0) 이 Π\Pi 위에 있으므로 (0,0,0)(0,0,0) 은 Π\Pi 의 방정식을 만족해야 한다. 따라서 Π\Pi 의 방정식은 aX+bY+cZ=0aX+bY+cZ=0 꼴이어야 한다. (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) 이 Π\Pi 위에 있으므로 a+c=0a+c=0 이다. (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0) 이 Π\Pi 위에 있으므로 a−b=0a-b=0 이다. 따라서 a=1a=1, b=1b=1, c=−1c=-1 로 잡을 수 있다. 즉 Π\Pi 는 X+Y−Z=0X+Y-Z=0 이다. (세 점 (0,0,0)(0,0,0), (1,0,1)(1,0,1), (1,−1,0)(1,-1,0) 이 모두 X+Y−Z=0X+Y-Z=0 을 만족하는지 확인하세요.) Π\Pi 의 법선벡터는 <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 이다.

  • Π\Pi 의 법선벡터를 구하는 두 번째 방법은 다음 두 가지를 관찰하는 것이다.

  • (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,0,1)(1,0,1) 로 가는 벡터, 즉 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 은 완전히 Π\Pi 안에 놓여 있고

  • (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,−1,0)(1,-1,0) 로 가는 벡터, 즉 <1,−1,0>\left< 1,-1,0\right> 도 완전히 Π\Pi 안에 놓여 있다.

따라서 벡터

<1,0,1>×<1,−1,0>=det⁡[ı^ȷ^k^1011−10]=ı^+ȷ^−k^\left< 1,0,1\right>\times\left< 1,-1,0\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 0 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

는 Π\Pi 에 수직이다.

  • 구의 중심에서 구 위의 점 PP 로 가는 벡터는 PP 에서 구에 수직이다. 따라서 출발점 (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) 에서 구의 법선벡터는 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 이다.

처음 방향(좌표 변환 X=x−1X=x-1, Y=y−2Y=y-2, Z=z+1Z=z+1 은 속도 벡터나 방향 벡터에 전혀 영향을 주지 않음에 주의하자. 시각 tt 에서의 위치가 원래 좌표계에서 (x(t),y(t),z(t))(x(t),y(t),z(t)) 이면, 새로운 좌표계에서는 (X(t),Y(t),Z(t))=(x(t)−1,y(t)−2,z(t)+1)(X(t),Y(t),Z(t)) =(x(t)-1,y(t)-2,z(t)+1) 이다. 두 좌표계에서의 속도 벡터 <x′(t),y′(t),z′(t)>=<X′(t),Y′(t),Z′(t)>\left< x'(t),y'(t),z'(t)\right> =\left< X'(t),Y'(t),Z'(t)\right> 는 같다.) 은 <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 과 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 에 모두 수직이어야 하므로, ±<1,1,−1>×<1,0,1>\pm\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right> 중 하나이다. 가장 짧은 경로로 (1,0,1)(1,0,1) 에서 (1,−1,0)(1,-1,0) 으로 가려면 ZZ 좌표가 11 에서 00 으로 감소해야 한다. 따라서 처음 방향의 ZZ 좌표는 음수여야 한다. 이는 다음의 경우에 해당한다.

<1,1,−1>×<1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^11−1101]=ı^−2 ȷ^−k^\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 1 & -1 \\ 1 & 0 & 1 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} - 2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

원본 교재 풀이(영어)

Switch to a new coordinate system with X=x−1Y=y−2Z=z+1X=x-1\qquad Y=y-2\qquad Z=z+1 In this new coordinate system, the sphere has equation X2+Y2+Z2=2X^2+Y^2+Z^2=2. So the sphere is centred at (X,Y,Z)=(0,0,0)(X,Y,Z)=(0,0,0) and has radius 2\sqrt{2}. In the new coordinate system, the initial point (x,y,z)=(2,2,0)(x,y,z)=(2,2,0) has (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) and our final point (x,y,z)=(2,1,−1)(x,y,z)=(2,1,-1) has (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0). Call the initial point PP and the final point QQ. The shortest path will follow the great circle from PP to QQ.

figure

A great circle on a sphere is the intersection of the sphere with a plane that contains the centre of the sphere. Our strategy for finding the initial direction will be based on two observations.

  • The shortest path lies on the plane Π\Pi that contains the origin and the points PP and QQ. Since the shortest path lies on Π\Pi, our direction vector must also lie on Π\Pi and hence must be perpendicular to the normal vector to Π\Pi.
  • The shortest path also remains on the sphere, so our initial direction must also be perpendicular to the normal vector to the sphere at our initial point PP.

As our initial direction is perpendicular to the two normal vectors, it is parallel to their cross product.

So our main job is to find normal vectors to the plane Π\Pi and to the sphere at PP.

  • One way to find a normal vector to Π\Pi is to guess an equation for Π\Pi. As (0,0,0)(0,0,0) is on Π\Pi, (0,0,0)(0,0,0) must obey Π\Pi's equation. So Π\Pi's equation must be of the form aX+bY+cZ=0aX+bY+cZ=0. That (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) is on Π\Pi forces a+c=0a+c=0. That (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0) is on Π\Pi forces a−b=0a-b=0. So we may take a=1a=1, b=1b=1 and c=−1c=-1. That is, Π\Pi is X+Y−Z=0X+Y-Z=0. (Check that all three points (0,0,0)(0,0,0), (1,0,1)(1,0,1) and (1,−1,0)(1,-1,0) do indeed obey X+Y−Z=0X+Y-Z=0.) A normal vector to Π\Pi is <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right>.

  • A second way to find a normal vector to Π\Pi is to observe that both

  • the vector from (0,0,0)(0,0,0) to (1,0,1)(1,0,1), that is <1,0,1>\left< 1,0,1\right>, lies completely inside Π\Pi and

  • the vector from (0,0,0)(0,0,0) to (1,−1,0)(1,-1,0), that is <1,−1,0>\left< 1,-1,0\right>, lies completely inside Π\Pi.

So the vector

<1,0,1>×<1,−1,0>=det⁡[ı^ȷ^k^1011−10]=ı^+ȷ^−k^\left< 1,0,1\right>\times\left< 1,-1,0\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 0 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

is perpendicular to Π\Pi.

  • The vector from the centre of the sphere to the point PP on the sphere is perpendicular to the sphere at PP. So a normal vector to the sphere at our initial point (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) is <1,0,1>\left< 1,0,1\right>.

Since our initial direction (Note that the change of coordinates X=x−1X=x-1, Y=y−2Y=y-2, Z=z+1Z=z+1 has absolutely no effect on any velocity or direction vector. If our position at time tt is (x(t),y(t),z(t))(x(t),y(t),z(t)) in the original coordinate system, then it is (X(t),Y(t),Z(t))=(x(t)−1,y(t)−2,z(t)+1)(X(t),Y(t),Z(t)) =(x(t)-1,y(t)-2,z(t)+1) in the new coordinate system. The velocity vectors in the two coordinate systems <x′(t),y′(t),z′(t)>=<X′(t),Y′(t),Z′(t)>\left< x'(t),y'(t),z'(t)\right> =\left< X'(t),Y'(t),Z'(t)\right> are identical.) must be perpendicular to both <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> and <1,0,1>\left< 1,0,1\right>, it must be one of ±<1,1,−1>×<1,0,1>\pm\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right>. To get from (1,0,1)(1,0,1) to (1,−1,0)(1,-1,0) by the shortest path, our ZZ coordinate should decrease from 11 to 00. So the ZZ coordinate of our initial direction should be negative. This is the case for

<1,1,−1>×<1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^11−1101]=ı^−2 ȷ^−k^\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 1 & -1 \\ 1 & 0 & 1 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} - 2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 10.5절 · 4번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
17.CLP-3 · 1.5절 · 16번대학 수준우리말 번역

P, Q, RP,\ Q,\ R 와 SS 를 사면체의 꼭짓점이라 하자. 원점에서 P, Q, RP,\ Q,\ R 와 SS 까지의 벡터를 각각 p, q, r\mathbf{p},\ \mathbf{q},\ \mathbf{r}, s\mathbf{s} 라 하자. 각 꼭짓점에서 그 마주 보는 면의 무게중심까지 직선을 그린다. 여기서 꼭짓점이 a, b\mathbf{a},\ \mathbf{b}, c\mathbf{c} 인 삼각형의 무게중심은 13(a+b+c)\frac{1}{3}(\mathbf{a}+\mathbf{b}+\mathbf{c}) 이다. 이 네 직선이 14(p+q+r+s\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 에서 만남을 보이세요.

영어 원문 보기

Let P, Q, RP,\ Q,\ R and SS be the vertices of a tetrahedron. Denote by p, q, r\mathbf{p},\ \mathbf{q},\ \mathbf{r} and s\mathbf{s} the vectors from the origin to P, Q, RP,\ Q,\ R and SS respectively. A line is drawn from each vertex to the centroid of the opposite face, where the centroid of a triangle with vertices a, b\mathbf{a},\ \mathbf{b} and c\mathbf{c} is 13(a+b+c)\frac{1}{3}(\mathbf{a}+\mathbf{b}+\mathbf{c}). Show that these four lines meet at 14(p+q+r+s\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}).

정답·풀이 보기

p\mathbf{p} 의 맞은편 면은 꼭짓점이 q\mathbf{q}, r\mathbf{r}, s\mathbf{s} 인 삼각형이다. 이 삼각형의 무게중심은 13(q+r+s)\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 이다. p\mathbf{p} 와 무게중심 13(q+r+s)\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 를 지나는 직선의 방향 벡터는 13(q+r+s)−p\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{p} 이다. p\mathbf{p} 와 무게중심 13(q+r+s)\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 를 지나는 직선 위의 점은 어떤 실수 tt 에 대해 다음 꼴이다.

x=p+t[13(q+r+s)−p]\mathbf{x}=\mathbf{p}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{p}\right]

t=34t=\frac{3}{4} 일 때 p+t[13(q+r+s)−p]=14(p+q+r+s)\mathbf{p}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{p}\right] =\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 이므로 14(p+q+r+s)\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 는 이 직선 위에 있다. 나머지 세 직선의 벡터 매개변수 방정식은 다음과 같다.

x=q+t[13(p+r+s)−q]x=r+t[13(p+q+s)−r]x=s+t[13(p+q+r)−s]\begin{aligned} \mathbf{x}&=\mathbf{q}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{p}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{q}\right] \\ \mathbf{x}&=\mathbf{r}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{s})-\mathbf{r}\right] \\ \mathbf{x}&=\mathbf{s}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r})-\mathbf{s}\right] \end{aligned}

t=34t=\frac{3}{4} 일 때 세 식의 우변도 각각 14(p+q+r+s)\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 가 되므로 14(p+q+r+s)\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 는 이 세 직선 위에도 각각 있다.

원본 교재 풀이(영어)

The face opposite p\mathbf{p} is the triangle with vertices q\mathbf{q}, r\mathbf{r} and s\mathbf{s}. The centroid of this triangle is 13(q+r+s)\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}). The direction vector of the line through p\mathbf{p} and the centroid 13(q+r+s)\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) is 13(q+r+s)−p\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{p}. The points on the line through p\mathbf{p} and the centroid 13(q+r+s)\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) are those of the form

x=p+t[13(q+r+s)−p]\mathbf{x}=\mathbf{p}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{p}\right]

for some real number tt. Observe that when t=34t=\frac{3}{4} p+t[13(q+r+s)−p]=14(p+q+r+s)\mathbf{p}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{p}\right] =\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) so that 14(p+q+r+s)\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) is on the line. The other three lines have vector parametric equations

x=q+t[13(p+r+s)−q]x=r+t[13(p+q+s)−r]x=s+t[13(p+q+r)−s]\begin{aligned} \mathbf{x}&=\mathbf{q}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{p}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{q}\right] \\ \mathbf{x}&=\mathbf{r}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{s})-\mathbf{r}\right] \\ \mathbf{x}&=\mathbf{s}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r})-\mathbf{s}\right] \end{aligned}

When t=34t=\frac{3}{4}, each of the three right hand sides also reduces to 14(p+q+r+s)\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) so that 14(p+q+r+s)\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) is also on each of these three lines.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.5절 · 13번
# 직선과 평면의 방정식증명·논술도전자동 분류
18.CLP-3 · 1.6절 · 23번대학 수준우리말 번역

입자가 곡면 z2=12yz^2=12y 와 18x=yz18x=yz 의 교선 C\mathcal{C} 를 따라 위쪽 방향으로 움직인다. 입자가 (1,3,6)(1,3,6) 에 있을 때 속도 v\mathbf{v} 와 가속도 a\mathbf{a} 는 다음과 같다. v=6 ı^+12 ȷ^+12 k^a=27 ı^+30 ȷ^+6 k^\mathbf{v} =6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}\qquad \mathbf{a} = 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}

(a) u=z6u=\frac{z}{6} 를 매개변수로 사용하여 C\mathcal{C} 의 벡터 매개변수 방정식을 쓰세요. (b) (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,3,6)(1,3,6) 까지 C\mathcal{C} 의 길이를 구하세요. (c) u=u(t)u=u(t) 가 시각 tt 에서 입자의 위치에 해당하는 매개변수 값일 때, 입자가 (1,3,6)(1,3,6) 에 있을 때의 dudt\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} 를 구하세요. (d) 입자가 (1,3,6)(1,3,6) 에 있을 때의 d2udt2\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} 를 구하세요.

영어 원문 보기

A particle moves along the curve C\mathcal{C} of intersection of the surfaces z2=12yz^2=12y and 18x=yz18x=yz in the upward direction. When the particle is at (1,3,6)(1,3,6) its velocity v\mathbf{v} and acceleration a\mathbf{a} are given by v=6 ı^+12 ȷ^+12 k^a=27 ı^+30 ȷ^+6 k^\mathbf{v} =6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}\qquad \mathbf{a} = 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}

(a) Write a vector parametric equation for C\mathcal{C} using u=z6u=\frac{z}{6} as a parameter. (b) Find the length of C\mathcal{C} from (0,0,0)(0,0,0) to (1,3,6)(1,3,6). (c) If u=u(t)u=u(t) is the parameter value for the particle's position at time tt, find dudt\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} when the particle is at (1,3,6)(1,3,6). (d) Find d2udt2\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} when the particle is at (1,3,6)(1,3,6).

정답·풀이 보기

(a) z=6uz=6u, y=z212=3u2y=\frac{z^2}{12}=3u^2, x=yz18=u3x=\frac{yz}{18}=u^3 이므로

r(u)=u3 ı^+3u2 ȷ^+6u k^\begin{aligned} \mathbf{r}(u)&=u^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3u^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6u\,\hat{\mathbf{k}}\\ \end{aligned}

(b)

r′(u)=3u2 ı^+6u ȷ^+6 k^r′′(u)=6u ı^+6 ȷ^dsdu(u)=∣r′(u)∣=9u4+36u2+36=3(u2+2)\begin{aligned} \mathbf{r}'(u)&=3u^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6u\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(u)&=6u\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}(u)=|\mathbf{r}'(u)| &=\sqrt{9u^4+36u^2+36}=3\big(u^2+2\big)\\ \end{aligned}

∫C ds=∫01dsdu du=∫013(u2+2) du=[u3+6u]01=7\int_\mathcal{C} \ ds =\int_0^1 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}\ \mathrm{d}u =\int_0^1 3\big(u^2+2\big)\ \mathrm{d}u =\big[u^3+6u\big]_0^1 =7

(c) 시각 tt 에서 입자의 위치를 R(t)\mathbf{R}(t) 라 하자. 그러면 R(t)=r(u(t))  ⟹  R′(t)=r′(u(t))dudt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(u(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} 특히 입자가 시각 t1t_1 에 (1,3,6)(1,3,6) 에 있으면 u(t1)=1u(t_1)=1 이고 6 ı^+12 ȷ^+12 k^=R′(t1)=r′(1)dudt(t1)=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)dudt(t1)6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}=\mathbf{R}'(t_1)=\mathbf{r}'(1)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) 이므로 dudt(t1)=2\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)=2 이다.

(d) 곱의 미분법과 합성함수의 미분법에 의해 R′(t)=r′(u(t))dudt  ⟹  R′′(t)=r′′(u(t))(dudt)2+r′(u(t))d2udt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(u(t)\big)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} 특히

27 ı^+30 ȷ^+6 k^=R′′(t1)=r′′(1)(dudt(t1))2+r′(1)d2udt2(t1)=(6 ı^+6 ȷ^)22+(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)\begin{aligned} 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} &=\mathbf{R}''(t_1)=\mathbf{r}''(1)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \\ &=\big(6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big)2^2+\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \end{aligned}

간단히 하면 3 ı^+6 ȷ^+6 k^=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)  ⟹  d2udt2(t1)=13\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \implies \frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1)=1

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since z=6uz=6u, y=z212=3u2y=\frac{z^2}{12}=3u^2 and x=yz18=u3x=\frac{yz}{18}=u^3,

r(u)=u3 ı^+3u2 ȷ^+6u k^\begin{aligned} \mathbf{r}(u)&=u^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3u^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6u\,\hat{\mathbf{k}}\\ \end{aligned}

(b)

r′(u)=3u2 ı^+6u ȷ^+6 k^r′′(u)=6u ı^+6 ȷ^dsdu(u)=∣r′(u)∣=9u4+36u2+36=3(u2+2)\begin{aligned} \mathbf{r}'(u)&=3u^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6u\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(u)&=6u\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}(u)=|\mathbf{r}'(u)| &=\sqrt{9u^4+36u^2+36}=3\big(u^2+2\big)\\ \end{aligned}

∫C ds=∫01dsdu du=∫013(u2+2) du=[u3+6u]01=7\int_\mathcal{C} \ ds =\int_0^1 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}\ \mathrm{d}u =\int_0^1 3\big(u^2+2\big)\ \mathrm{d}u =\big[u^3+6u\big]_0^1 =7

(c) Denote by R(t)\mathbf{R}(t) the position of the particle at time tt. Then R(t)=r(u(t))  ⟹  R′(t)=r′(u(t))dudt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(u(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} In particular, if the particle is at (1,3,6)(1,3,6) at time t1t_1, then u(t1)=1u(t_1)=1 and 6 ı^+12 ȷ^+12 k^=R′(t1)=r′(1)dudt(t1)=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)dudt(t1)6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}=\mathbf{R}'(t_1)=\mathbf{r}'(1)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) which implies that dudt(t1)=2\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)=2.

(d) By the product and chain rules, R′(t)=r′(u(t))dudt  ⟹  R′′(t)=r′′(u(t))(dudt)2+r′(u(t))d2udt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(u(t)\big)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} In particular,

27 ı^+30 ȷ^+6 k^=R′′(t1)=r′′(1)(dudt(t1))2+r′(1)d2udt2(t1)=(6 ı^+6 ȷ^)22+(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)\begin{aligned} 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} &=\mathbf{R}''(t_1)=\mathbf{r}''(1)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \\ &=\big(6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big)2^2+\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \end{aligned}

Simplifying 3 ı^+6 ȷ^+6 k^=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)  ⟹  d2udt2(t1)=13\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \implies \frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1)=1

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 22번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
19.CLP-3 · 1.6절 · 24번대학 수준우리말 번역

질량이 m=1m = 1 인 입자가 시각 00 에서 위치 r0=12 k^\mathbf{r}_0 = \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} 와 속도 v0=π22 ı^\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} 를 가진다. 이 입자는 다음 힘을 받아 움직인다.

F(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^.\mathbf{F}(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}.

(a) 시각 tt 에 따른 입자의 위치 r(t)\mathbf{r}(t) 를 구하세요. (b) 시각 t=0t = 0 이후 입자가 평면 x=0x = 0 을 처음으로 지나가는 시각은 언제인지 구하세요. (c) (b)에서 입자가 평면 x=0x = 0 을 지나갈 때의 속도를 구하세요.

영어 원문 보기

A particle of mass m=1m = 1 has position r0=12 k^\mathbf{r}_0 = \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} and velocity v0=π22 ı^\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} at time 00. It moves under a force

F(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^.\mathbf{F}(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}.

(a) Determine the position r(t)\mathbf{r}(t) of the particle depending on tt. (b) At what time after time t=0t = 0 does the particle cross the plane x=0x = 0 for the first time? (c) What is the velocity of the particle when it crosses the plane x=0x = 0 in part (b)?

정답·풀이 보기

(a) 뉴턴의 운동 법칙에 따라

mr′′(t)=F(t)이므로r′′(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^m\mathbf{r}''(t) = \mathbf{F}(t)\qquad\text{이므로}\qquad \mathbf{r}''(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}

한 번 적분하면

r′(t)=−3t22 ı^−cos⁡t ȷ^+e2t k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = -3\frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - \cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c} \end{aligned}

이다. 여기서 c\mathbf{c} 는 어떤 상수 벡터이다. 주어진 조건에서 r′(0)=v0=π22 ı^\mathbf{r}'(0)=\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} 이다. 따라서 c=π22 ı^+ȷ^−k^\mathbf{c}=\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}} 이므로

r′(t)=(π22−3t22) ı^+(1−cos⁡t) ȷ^+(e2t−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3t^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2t}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

두 번째로 적분하면

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} + \mathbf{c} \end{aligned}

이다. 여기서 c\mathbf{c} 는 (앞의 것과는 다른) 어떤 상수 벡터이다. 주어진 조건에서 r(0)=r0=12 k^\mathbf{r}(0)=\mathbf{r}_0 =\frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} 이다. 따라서 c=0\mathbf{c}=\mathbf{0} 이므로

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(b) 입자가 평면 x=0x=0 위에 있는 때는 다음과 같다.

0=(π2t2−t32)=t2(π2−t2)  ⟺  t=0,±π\begin{aligned} 0=\left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right) =\frac{t}{2}(\pi^2-t^2) \iff t=0, \pm\pi \end{aligned}

따라서 구하는 시각은 t=πt=\pi 이다.

(c) 시각 t=πt=\pi 에서의 속도는 다음과 같다.

r′(π)=(π22−3π22) ı^+(1−cos⁡π) ȷ^+(e2π−1) k^=−π2 ı^+2 ȷ^+(e2π−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(\pi) &= \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3\pi^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos\pi)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \\ &= -\pi^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) According to Newton,

mr′′(t)=F(t)so thatr′′(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^m\mathbf{r}''(t) = \mathbf{F}(t)\qquad\text{so that}\qquad \mathbf{r}''(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}

Integrating once gives

r′(t)=−3t22 ı^−cos⁡t ȷ^+e2t k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = -3\frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - \cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c} \end{aligned}

for some constant vector c\mathbf{c}. We are told that r′(0)=v0=π22 ı^\mathbf{r}'(0)=\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}. This forces c=π22 ı^+ȷ^−k^\mathbf{c}=\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}} so that

r′(t)=(π22−3t22) ı^+(1−cos⁡t) ȷ^+(e2t−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3t^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2t}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

Integrating a second time gives

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} + \mathbf{c} \end{aligned}

for some (other) constant vector c\mathbf{c}. We are told that r(0)=r0=12 k^\mathbf{r}(0)=\mathbf{r}_0 =\frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}}. This forces c=0\mathbf{c}=\mathbf{0} so that

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(b) The particle is in the plane x=0x=0 when

0=(π2t2−t32)=t2(π2−t2)  ⟺  t=0,±π\begin{aligned} 0=\left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right) =\frac{t}{2}(\pi^2-t^2) \iff t=0, \pm\pi \end{aligned}

So the desired time is t=πt=\pi.

(c) At time t=πt=\pi, the velocity is

r′(π)=(π22−3π22) ı^+(1−cos⁡π) ȷ^+(e2π−1) k^=−π2 ı^+2 ȷ^+(e2π−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(\pi) &= \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3\pi^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos\pi)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \\ &= -\pi^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 10번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
20.CLP-3 · 1.6절 · 25번대학 수준우리말 번역

CC 를 곡면 y=x2y=x^2 과 z=23x3z=\frac{2}{3}x^3 의 교선이라 하자. 한 입자가 dxdt>0\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}>0 이도록 일정한 속력으로 CC 를 따라 움직인다. 이 입자는 시각 t=0t=0 에 (0,0,0)(0,0,0) 에 있고, 시각 t=72t=\frac{7}{2} 에 (3,9,18)(3,9,18) 에 있다.

(a) CC 에서 (0,0,0)(0,0,0) 과 (3,9,18)(3,9,18) 사이의 부분의 길이를 구하세요. (b) 입자의 일정한 속력을 구하세요. (c) 입자가 (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) 에 있을 때의 속도를 구하세요. (d) 입자가 (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) 에 있을 때의 가속도를 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the curve of intersection of the surfaces y=x2y=x^2 and z=23x3z=\frac{2}{3}x^3. A particle moves along CC with constant speed such that dxdt>0\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}>0. The particle is at (0,0,0)(0,0,0) at time t=0t=0 and is at (3,9,18)(3,9,18) at time t=72t=\frac{7}{2}.

(a) Find the length of the part of CC between (0,0,0)(0,0,0) and (3,9,18)(3,9,18). (b) Find the constant speed of the particle. (c) Find the velocity of the particle when it is at (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big). (d) Find the acceleration of the particle when it is at (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big).

정답·풀이 보기

(a) CC 를 xx 로 매개화한다. y=x2y=x^2 이고 z=23x3z=\frac{2}{3}x^3 이므로,

r(x)=x ı^+x2 ȷ^+23x3 k^r′(x)=ı^+2x ȷ^+2x2 k^r′′(x)=2 ȷ^+4x k^dsdx=∣r′(x)∣=1+4x2+4x4=1+2x2\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{2}{3}x^3\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2x^2\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(x)&=2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4x\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x} &=|\mathbf{r}'(x)| =\sqrt{1+4x^2+4x^4}=1+2x^2\\ \end{aligned}

이고 ∫C ds=∫03dsdx dx=∫03(1+2x2) dx=[x+23x3]03=21\int_C \ \mathrm{d}s =\int_0^3 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\ \mathrm{d}x =\int_0^3 \big(1+2x^2\big)\ \mathrm{d}x ={\Big[x+\frac{2}{3}x^3\Big]}_0^3 =21

(b) 입자는 72\frac{7}{2} 시간 단위 동안 21 단위의 거리를 움직였다. 따라서 속력은 217/2=6\frac{21}{7/2}=6 이다.

(c) 시각 tt 에서 입자의 위치를 R(t)\mathbf{R}(t) 라 하자. 그러면 R(t)=r(x(t))  ⟹  R′(t)=r′(x(t))dxdt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(x(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} (a), (b)의 결과와 연쇄 법칙(합성함수의 미분법)에 의해 6=dsdt=dsdxdxdt=(1+2x2)dxdt  ⟹  dxdt=61+2x26=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=(1+2x^2)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \implies \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2x^2} 특히 입자가 (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) 에 있을 때는 x=1x=1 이다. 이때 dxdt=61+2×1=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2\times 1}=2 이고 R′=r′(1)dxdt=(ı^+2 ȷ^+2 k^)2=2ı^+4 ȷ^+4 k^\mathbf{R}'=\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} =\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)2 =2\hat{\boldsymbol{\imath}}+4\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}

(d) 곱의 미분법과 연쇄 법칙에 의해 R′(t)=r′(x(t))dxdt  ⟹  R′′(t)=r′′(x(t))(dxdt)2+r′(x(t))d2xdt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(x(t)\big){\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2 +\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} 6=(1+2x(t)2)dxdt(t)6=\big(1+2x(t)^2\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) 의 양변에 ddt\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} 를 적용하면 0=4x(dxdt)2+(1+2x2)d2xdt20=4x{\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2+(1+2x^2)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} 특히 x=1x=1 이고 dxdt=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=2 일 때, 0=4×1(2)2+(3)d2xdt20=4\times 1\big(2\big)^2+(3)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} 에서 d2xdt2=−163\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}=-\frac{16}{3} 이고 R′′=(2 ȷ^+4 k^)(2)2−(ı^+2 ȷ^+2 k^)163=−83(2ı^+ ȷ^−2 k^)\mathbf{R}''=\big(2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}\big)\big(2\big)^2 -\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{16}{3} = -\frac{8}{3}\big(2\hat{\boldsymbol{\imath}}+\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-2\,\hat{\mathbf{k}}\big)

원본 교재 풀이(영어)

(a) Parametrize CC by xx. Since y=x2y=x^2 and z=23x3z=\frac{2}{3}x^3,

r(x)=x ı^+x2 ȷ^+23x3 k^r′(x)=ı^+2x ȷ^+2x2 k^r′′(x)=2 ȷ^+4x k^dsdx=∣r′(x)∣=1+4x2+4x4=1+2x2\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{2}{3}x^3\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2x^2\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(x)&=2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4x\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x} &=|\mathbf{r}'(x)| =\sqrt{1+4x^2+4x^4}=1+2x^2\\ \end{aligned}

and ∫C ds=∫03dsdx dx=∫03(1+2x2) dx=[x+23x3]03=21\int_C \ \mathrm{d}s =\int_0^3 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\ \mathrm{d}x =\int_0^3 \big(1+2x^2\big)\ \mathrm{d}x ={\Big[x+\frac{2}{3}x^3\Big]}_0^3 =21

(b) The particle travelled a distance of 21 units in 72\frac{7}{2} time units. This corresponds to a speed of 217/2=6\frac{21}{7/2}=6.

(c) Denote by R(t)\mathbf{R}(t) the position of the particle at time tt. Then R(t)=r(x(t))  ⟹  R′(t)=r′(x(t))dxdt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(x(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} By parts (a) and (b) and the chain rule 6=dsdt=dsdxdxdt=(1+2x2)dxdt  ⟹  dxdt=61+2x26=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=(1+2x^2)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \implies \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2x^2} In particular, the particle is at (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) at x=1x=1. At this time dxdt=61+2×1=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2\times 1}=2 and R′=r′(1)dxdt=(ı^+2 ȷ^+2 k^)2=2ı^+4 ȷ^+4 k^\mathbf{R}'=\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} =\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)2 =2\hat{\boldsymbol{\imath}}+4\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}

(d) By the product and chain rules, R′(t)=r′(x(t))dxdt  ⟹  R′′(t)=r′′(x(t))(dxdt)2+r′(x(t))d2xdt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(x(t)\big){\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2 +\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} Applying ddt\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} to 6=(1+2x(t)2)dxdt(t)6=\big(1+2x(t)^2\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) gives 0=4x(dxdt)2+(1+2x2)d2xdt20=4x{\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2+(1+2x^2)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} In particular, when x=1x=1 and dxdt=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=2, 0=4×1(2)2+(3)d2xdt20=4\times 1\big(2\big)^2+(3)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} gives d2xdt2=−163\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}=-\frac{16}{3} and R′′=(2 ȷ^+4 k^)(2)2−(ı^+2 ȷ^+2 k^)163=−83(2ı^+ ȷ^−2 k^)\mathbf{R}''=\big(2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}\big)\big(2\big)^2 -\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{16}{3} = -\frac{8}{3}\big(2\hat{\boldsymbol{\imath}}+\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-2\,\hat{\mathbf{k}}\big)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 24번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류