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13문제 · 1 / 1쪽

1.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
2.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
3.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
4.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
5.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
6.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
7.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
8.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
9.CLP-3 · 1.6절 · 30번대학 수준우리말 번역

(a) 곡선 r1(t)=<1+t,t2,t3>\mathbf{r}_1(t)=\left< 1+t, t^2, t^3\right> 과 r2(t)=<cos⁡t,sin⁡t,t>\mathbf{r}_2(t)=\left< \cos t, \sin t, t\right> 는 점 P(1,0,0)P(1,0,0) 에서 만난다. 점 PP 에서 두 곡선이 만나는 각을 구하세요. (b) 평면 x+y−z=4x+y-z=4 와 2x−z=42x-z=4 의 교선과 직선 r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right> 사이의 거리를 구하세요.

영어 원문 보기

(a) The curve r1(t)=<1+t,t2,t3>\mathbf{r}_1(t)=\left< 1+t, t^2, t^3\right> and r2(t)=<cos⁡t,sin⁡t,t>\mathbf{r}_2(t)=\left< \cos t, \sin t, t\right> intersect at the point P(1,0,0)P(1,0,0). Find the angle of intersection between the curves at the point PP. (b) Find the distance between the line of intersection of the planes x+y−z=4x+y-z=4 and 2x−z=42x-z=4 and the line r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right>.

답 쓰고 채점
(a)
°
(b)
정답·풀이 보기

(a) 두 곡선의 접선벡터는 다음과 같다.

r1′(t)=<1,2t,3t2>r2′(t)=<−sin⁡t,cos⁡t,1>\mathbf{r}'_1(t)=\left< 1, 2t, 3t^2\right>\qquad \mathbf{r}'_2(t)=\left<-\sin t, \cos t, 1\right>

두 곡선은 모두 t=0t=0 일 때 PP 를 지나므로 이때의 접선벡터는 다음과 같다.

r1′(0)=<1,0,0>r2′(0)=<0,1,1>\mathbf{r}'_1(0)=\left< 1, 0, 0\right>\qquad \mathbf{r}'_2(0)=\left< 0, 1, 1\right>

따라서 두 곡선이 만나는 각 θ\theta 는 다음 식으로 정해진다.

r1′(0)⋅r2′(0)=∣r1′(0)∣ ∣r2′(0)∣ cos⁡θ  ⟹  <1,0,0>⋅<0,1,1>=1⋅2⋅cos⁡θ  ⟹  cos⁡θ=0  ⟹  θ=90∘\begin{aligned} \mathbf{r}'_1(0)\cdot\mathbf{r}'_2(0)=|\mathbf{r}'_1(0)|\,|\mathbf{r}'_2(0)|\,\cos\theta &\implies \left< 1, 0, 0\right>\cdot\left< 0, 1, 1\right>=1\cdot\sqrt{2}\cdot\cos\theta \\ &\implies\cos\theta=0\implies \theta=90^\circ \end{aligned}

(b) 풀이 전략은 다음과 같다.

  • 시점이 한 직선 위에 있고 종점이 다른 직선 위에 있는 벡터 v\mathbf{v} 를 구한다.
  • 두 직선에 모두 수직인 벡터 n\mathbf{n} 을 구한다.
  • 그러면 v\mathbf{v} 와 n\mathbf{n} 사이의 각을 θ\theta 라 할 때, 두 직선 사이의 거리는 ∣v∣cos⁡θ=∣v⋅n∣∣n∣|\mathbf{v}|\cos\theta = \frac{|\mathbf{v}\cdot\mathbf{n}|}{|\mathbf{n}|} 이다.

이제 풀어 보자.

  • 먼저 v\mathbf{v} 를 구한다.

  • 직선 r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right> 위의 한 점은 r(0)=<0,−1,1>\mathbf{r}(0)=\left< 0,-1,1\right> 이다.

  • (x,y,z)(x,y,z) 가 다른 직선 위에 있을 필요충분조건은 x+y−z=4x+y-z=4 이고 2x−z=42x-z=4 인 것이다. 특히 z=0z=0 이면 x+y=4x+y=4 이고 2x=42x=4 이므로 x=2x=2, y=2y=2 이다.

  • 따라서 벡터 v=<2−0 , 2−(−1) , 0−1>=<2,3,−1>\mathbf{v}=\left< 2-0\,,\,2-(-1)\,,\,0-1\right>=\left< 2,3,-1\right> 은 종점이 한 직선 위에 있고 시점이 다른 직선 위에 있다.

  • 다음으로 두 직선에 모두 수직인 벡터 n\mathbf{n} 을 구한다.

  • 먼저 직선 x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4 의 방향벡터를 구한다. x=y=2x=y=2, z=0z=0 이 이 직선 위의 점임은 이미 알고 있다. 이 직선 위의 두 번째 점은, 예를 들어 z=2z=2 로 놓고 x+y=6x+y=6, 2x=62x=6 을 풀면 x=3x=3, y=3y=3 으로 구할 수 있다. 따라서 직선 x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4 의 방향벡터 하나는 d1=<3−2 , 3−2 , 2−0>=<1,1,2>\mathbf{d}_1=\left<3-2\,,\,3-2\,,\,2-0 \right> = \left< 1,1,2\right> 이다.

  • 직선 x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4 의 방향벡터를 구하는 두 번째 방법은 다음과 같다. <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 은 x+y−z=4x+y-z=4 의 법선벡터이므로 이 직선에 수직이고, <2,0,−1>\left< 2,0,-1\right> 은 2x−z=42x-z=4 의 법선벡터이므로 역시 이 직선에 수직이다. 따라서 <1,1,−1>×<2,0,−1>\left< 1,1,-1\right>\times\left< 2,0,-1\right> 이 이 직선의 방향벡터이다.

  • 직선 r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right> 의 방향벡터는 d2=r′(t)=<1,2,3>\mathbf{d}_2=\mathbf{r}'(t)=\left< 1,2,3\right> 이다.

  • 그러므로

n=d2×d1=det⁡[ı^ȷ^k^123112]=ı^+ȷ^−k^\mathbf{n}=\mathbf{d}_2\times\mathbf{d}_1 =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 2 & 3 \\ 1 & 1 & 2 \end{matrix}\right] = \hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

은 두 직선에 모두 수직이다.

따라서 두 직선 사이의 거리는 다음과 같다.

∣v∣cos⁡θ=∣v⋅n∣∣n∣=<2,3,−1>⋅<1,1,−1>∣<1,1,−1>∣=63=23|\mathbf{v}|\cos\theta = \frac{|\mathbf{v}\cdot\mathbf{n}|}{|\mathbf{n}|} =\frac{\left< 2,3,-1\right> \cdot\left< 1,1,-1\right>}{|\left< 1,1,-1\right>|} =\frac{6}{\sqrt{3}} =2\sqrt{3}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The tangent vectors to the two curves are

r1′(t)=<1,2t,3t2>r2′(t)=<−sin⁡t,cos⁡t,1>\mathbf{r}'_1(t)=\left< 1, 2t, 3t^2\right>\qquad \mathbf{r}'_2(t)=\left<-\sin t, \cos t, 1\right>

Both curves pass through PP at t=0t=0 and then the tangent vectors are

r1′(0)=<1,0,0>r2′(0)=<0,1,1>\mathbf{r}'_1(0)=\left< 1, 0, 0\right>\qquad \mathbf{r}'_2(0)=\left< 0, 1, 1\right>

So the angle of intersection, θ\theta, is determined by

r1′(0)⋅r2′(0)=∣r1′(0)∣ ∣r2′(0)∣ cos⁡θ  ⟹  <1,0,0>⋅<0,1,1>=1⋅2⋅cos⁡θ  ⟹  cos⁡θ=0  ⟹  θ=90∘\begin{aligned} \mathbf{r}'_1(0)\cdot\mathbf{r}'_2(0)=|\mathbf{r}'_1(0)|\,|\mathbf{r}'_2(0)|\,\cos\theta &\implies \left< 1, 0, 0\right>\cdot\left< 0, 1, 1\right>=1\cdot\sqrt{2}\cdot\cos\theta \\ &\implies\cos\theta=0\implies \theta=90^\circ \end{aligned}

(b) Our strategy will be to

  • find a vector v\mathbf{v} whose tail is on one line and whose head is on the other line and then
  • find a vector n\mathbf{n} that is perpendicular to both lines.
  • Then, if we denote by θ\theta the angle between v\mathbf{v} and n\mathbf{n}, the distance between the two lines is ∣v∣cos⁡θ=∣v⋅n∣∣n∣|\mathbf{v}|\cos\theta = \frac{|\mathbf{v}\cdot\mathbf{n}|}{|\mathbf{n}|}

Here we go

  • So the first step is to find a v\mathbf{v}.

  • One point on the line r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right> is r(0)=<0,−1,1>\mathbf{r}(0)=\left< 0,-1,1\right>.

  • (x,y,z)(x,y,z) is on the other line if and only if x+y−z=4x+y-z=4 and 2x−z=42x-z=4. In particular, if z=0z=0 then x+y=4x+y=4 and 2x=42x=4 so that x=2x=2 and y=2y=2.

  • So the vector v=<2−0 , 2−(−1) , 0−1>=<2,3,−1>\mathbf{v}=\left< 2-0\,,\,2-(-1)\,,\,0-1\right>=\left< 2,3,-1\right> has its head on one line and its tail on the other line.

  • Next we find a vector n\mathbf{n} that is perpendicular to both lines.

  • First we find a direction vector for the line x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4. We already know that x=y=2x=y=2, z=0z=0 is on that line. We can find a second point on that line by choosing, for example, z=2z=2 and then solving x+y=6x+y=6, 2x=62x=6 to get x=3x=3, y=3y=3. So one direction vector for the line x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4 is d1=<3−2 , 3−2 , 2−0>=<1,1,2>\mathbf{d}_1=\left<3-2\,,\,3-2\,,\,2-0 \right> = \left< 1,1,2\right>.

  • A second way to get a direction vector for the line x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4 is to observe that <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> is normal to x+y−z=4x+y-z=4 and so is perpendicular to the line and <2,0,−1>\left< 2,0,-1\right> is normal to 2x−z=42x-z=4 and so is also perpendicular to the line. So <1,1,−1>×<2,0,−1>\left< 1,1,-1\right>\times\left< 2,0,-1\right> is a direction vector for the line.

  • A direction vector for the line r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right> is d2=r′(t)=<1,2,3>\mathbf{d}_2=\mathbf{r}'(t)=\left< 1,2,3\right>.

  • So

n=d2×d1=det⁡[ı^ȷ^k^123112]=ı^+ȷ^−k^\mathbf{n}=\mathbf{d}_2\times\mathbf{d}_1 =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 2 & 3 \\ 1 & 1 & 2 \end{matrix}\right] = \hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

is perpendicular to both lines.

The distance between the two lines is then

∣v∣cos⁡θ=∣v⋅n∣∣n∣=<2,3,−1>⋅<1,1,−1>∣<1,1,−1>∣=63=23|\mathbf{v}|\cos\theta = \frac{|\mathbf{v}\cdot\mathbf{n}|}{|\mathbf{n}|} =\frac{\left< 2,3,-1\right> \cdot\left< 1,1,-1\right>}{|\left< 1,1,-1\right>|} =\frac{6}{\sqrt{3}} =2\sqrt{3}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 23번
# 벡터함수의 미분과 적분계산도전자동 분류
10.CLP-4 · 1.1절 · 30번대학 수준우리말 번역

전체 길이가 1000cm인 철사를 원형 나선 모양의 유연한 코일로 만들었습니다. 높이 1 cm마다 10번씩 감겨 있고 나선의 반지름이 3 cm일 때, 코일의 높이는 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

A wire of total length 1000cm is formed into a flexible coil that is a circular helix. If there are 10 turns to each centimetre of height and the radius of the helix is 3 cm, how tall is the coil?

정답·풀이 보기

일반적으로 나선은 다음과 같이 매개변수로 나타낼 수 있다.

r(θ)=acos⁡θ ı^+asin⁡θ ȷ^+bθ k^\mathbf{r}(\theta)=a\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+b\theta\,\hat{\mathbf{k}}

먼저 aa와 bb를 구해야 한다. 나선의 반지름이 33 cm이므로 a=3a=3 cm이다. 10번 감긴 후(즉 θ=20π\theta=20\pi) 높이 bθb\theta는 1 cm이다. 따라서 b(20π)=1b(20\pi)=1이고 b=120πb=\frac{1}{20\pi}cm/rad이다. 그러므로 r(θ)=3cos⁡θ ı^+3sin⁡θ ȷ^+120πθk^\mathbf{r}(\theta)=3\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{20\pi}\theta\hat{\mathbf{k}}이다.

나선이 한 바퀴 감길 때마다(즉 θ\theta가 2π2\pi만큼 증가할 때마다) 나선의 높이는 2πb=110cm2\pi b=\frac{1}{10}\textrm{cm}만큼 증가한다. 따라서 나선 한 바퀴에 들어가는 철사의 길이를 구하면, 나선이 모두 몇 바퀴 감기는지 쉽게 구할 수 있고, 이로부터 나선의 전체 높이를 구할 수 있다.

r′(θ)=−3sin⁡θ ı^+3cos⁡θ ȷ^+120πk^\mathbf{r}'(\theta)=-3\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{20\pi}\hat{\mathbf{k}}이므로 dsdθ=∣r′(θ)∣=9+1400π2\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}=\big|\mathbf{r}'(\theta)\big|=\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}이다. 따라서 나선 한 바퀴의 길이는

∫02π9+1400π2 dθ=2π9+1400π2\begin{aligned} \int_0^{2\pi}\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}\ \mathrm{d}\theta &=2\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}} \end{aligned}

이고, 1000cm의 철사로는

10002π9+1400π2=500π9+1400π2\frac{1000}{2\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}} =\frac{500}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}}

바퀴를 만들 수 있다. 한 바퀴마다 높이가 110cm\frac{1}{10}\textrm{cm}씩 늘어나므로 전체 높이는

500π9+1400π2⋅110=50π9+1400π2≈5.3 cm\frac{500}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}}\cdot \frac{1}{10} =\frac{50}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}} \approx 5.3\textrm{ cm}

이다.

참고. 각 바퀴가 늘리는 높이는 (반지름에 비해) 매우 작다는 점을 이용하면 이 답이 타당한지 확인할 수 있다. 따라서 한 바퀴의 길이는 반지름이 같은 원의 둘레, 즉 6π6\pi와 거의 같을 것으로 예상된다. 철사로 실제 원을 만든다면 10006π\frac{1000}{6\pi}개를 만들 수 있다. 1 cm당 10개씩 쌓으면 높이는 10006π⋅10\frac{1000}{6\pi\cdot 10}cm가 된다. 이 값도 약 5.35.3cm이므로 우리가 구한 결과가 타당하다고 할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

In general a helix can be parametrized by

r(θ)=acos⁡θ ı^+asin⁡θ ȷ^+bθ k^\mathbf{r}(\theta)=a\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+b\theta\,\hat{\mathbf{k}}

Our first task is to determine aa and bb. The radius of the helix is 33 cm, so a=3a=3 cm. After 10 turns (i.e. θ=20π\theta=20\pi) the height, bθb\theta, is 1 cm. So b(20π)=1b(20\pi)=1 and b=120πb=\frac{1}{20\pi}cm/rad. Thus r(θ)=3cos⁡θ ı^+3sin⁡θ ȷ^+120πθk^\mathbf{r}(\theta)=3\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{20\pi}\theta\hat{\mathbf{k}}.

With each full turn of the helix (i.e. each increase of θ\theta by 2π2\pi) the height of the helix increases by 2πb=110cm2\pi b=\frac{1}{10}\textrm{cm}. So if we can determine the length of wire in one full turn of the helix, we can easily determine how many turns the helix goes through in total, and from that we can determine the total height of the helix.

As r′(θ)=−3sin⁡θ ı^+3cos⁡θ ȷ^+120πk^\mathbf{r}'(\theta)=-3\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{20\pi}\hat{\mathbf{k}} we have dsdθ=∣r′(θ)∣=9+1400π2\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}=\big|\mathbf{r}'(\theta)\big|=\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}. So the length of one full turn of the helix is

∫02π9+1400π2 dθ=2π9+1400π2\begin{aligned} \int_0^{2\pi}\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}\ \mathrm{d}\theta &=2\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}} \end{aligned}

and 1000cm of wire generates

10002π9+1400π2=500π9+1400π2\frac{1000}{2\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}} =\frac{500}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}}

turns. Each turn adds 110cm\frac{1}{10}\textrm{cm} to the height, so the total height is

500π9+1400π2⋅110=50π9+1400π2≈5.3 cm\frac{500}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}}\cdot \frac{1}{10} =\frac{50}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}} \approx 5.3\textrm{ cm}

Remark. We can check that this answer is reasonable by taking advantage of the fact that each coil adds only a very small height (relative to the radius). So we expect the length of one coil to be about the same as the circumference of a circle of the same radius, namely 6π6\pi. If we were making actual circles of the wire, there would be 10006π\frac{1000}{6\pi} of them. Stacking up at 10 per centimetre, this would make a pile of height 10006π⋅10\frac{1000}{6\pi\cdot 10}cm. Since this number is also approximately 5.35.3cm, we feel our result is reasonable.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 26번
# 벡터함수의 미분과 적분계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
11.CLP-4 · 1.2절 · 6번대학 수준우리말 번역

다음과 같이 정의하세요. r(t)=(11+t2, arctan⁡t1+t−2, arctan⁡t)\mathbf{r}(t)=\left(\frac{1}{\sqrt{1+t^2}},~ \frac{\arctan t}{\sqrt{1+t^{-2}}},~\arctan t\right) 단, 0≤t0 \le t 입니다. z=arctan⁡tz=\arctan t 를 사용하여 이 함수를 다시 매개화하고, 그것이 나타내는 곡선을 설명하세요. 새로운 매개변수 zz 의 기하학적 의미는 무엇인가요?

영어 원문 보기

Define r(t)=(11+t2, arctan⁡t1+t−2, arctan⁡t)\mathbf{r}(t)=\left(\frac{1}{\sqrt{1+t^2}},~ \frac{\arctan t}{\sqrt{1+t^{-2}}},~\arctan t\right) for 0≤t0 \le t. Reparametrize the function using z=arctan⁡tz=\arctan t, and describe the curve it defines. What is the geometric interpretation of the new parameter zz?

정답·풀이 보기

arctan⁡t=z\arctan t = z 이므로 t=tan⁡zt=\tan z 이다.

r(t)=(11+t2, arctan⁡t1+t−2, arctan⁡t)=(11+tan⁡2z, z1+cot⁡2z, z)=(1∣sec⁡z∣, z∣csc⁡z∣, z)=(∣cos⁡z∣, z∣sin⁡z∣, z)0≤t 이고 arctan⁡t<π/2 이므로 0≤z<π/2 이고, 따라서 cos⁡z 와 sin⁡z 는 모두 음이 아니다.=(cos⁡z, zsin⁡z, z)\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=\left(\frac{1}{\sqrt{1+t^2}},~ \frac{\arctan t}{\sqrt{1+t^{-2}}},~\arctan t\right)\\ &=\left(\frac{1}{\sqrt{1+\tan^2z}},~ \frac{z}{\sqrt{1+\cot^{2}z}},~z\right)\\ &=\left(\frac{1}{|\sec z|},~ \frac{z}{|\csc z|},~z\right)\\ &=\left(|\cos z|,~ z|\sin z|,~z\right) \\ \text{$0 \le t $ 이고 $\arctan t < \pi/2$ 이므로 $0 \le z < \pi/2$ 이고, 따라서 $\cos z$ 와 $\sin z$ 는 모두 음이 아니다.} \\ &=\left(\cos z,~ z\sin z,~z\right) \end{aligned}

정의역을 제한하지 않았다면 이 곡선은 위로 올라가는 나선이 된다. zz 는 나선의 높이이면서 동시에 라디안 값이다. 나선의 ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} 성분은 −1-1 과 11 사이에 머무르고, ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} 성분은 증가한다. 따라서 이 나선은 "두께"는 그대로이면서 점점 더 "넓어진다".

그림

정의역이 제한되어 있으므로 실제 곡선은 이 나선의 4분의 1 "바퀴"뿐이며, 위 그림에서 빨간색으로 표시되어 있다.

매개변수 zz 는 높이를 나타내는 값이며, 나선이 돌아가는 동안의 라디안 값이기도 하다.

원본 교재 풀이(영어)

Using arctan⁡t=z\arctan t = z, and so t=tan⁡zt=\tan z:

r(t)=(11+t2, arctan⁡t1+t−2, arctan⁡t)=(11+tan⁡2z, z1+cot⁡2z, z)=(1∣sec⁡z∣, z∣csc⁡z∣, z)=(∣cos⁡z∣, z∣sin⁡z∣, z)Since 0≤t, and arctan⁡t<π/2 we have 0≤z<π/2, so cos⁡z and sin⁡z are both nonnegative.=(cos⁡z, zsin⁡z, z)\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=\left(\frac{1}{\sqrt{1+t^2}},~ \frac{\arctan t}{\sqrt{1+t^{-2}}},~\arctan t\right)\\ &=\left(\frac{1}{\sqrt{1+\tan^2z}},~ \frac{z}{\sqrt{1+\cot^{2}z}},~z\right)\\ &=\left(\frac{1}{|\sec z|},~ \frac{z}{|\csc z|},~z\right)\\ &=\left(|\cos z|,~ z|\sin z|,~z\right) \\ \text{Since $0 \le t $, and $\arctan t < \pi/2$ we have $0 \le z < \pi/2$, so $\cos z$ and $\sin z$ are both nonnegative.} \\ &=\left(\cos z,~ z\sin z,~z\right) \end{aligned}

If we didn't have the restricted domain, this would make a spiral going up: zz is both the height of the spiral and a radian measure. The ı^\hat{\boldsymbol{\imath}}-component of the spiral stays between −1-1 and 11, while the ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}}-component increases. So, our spiral gets increasingly “wide," while staying the same “thickness."

figure

Due to the restricted domain, our actual curve is only one-quarter of a “turn" of this spiral, indicated in red above.

The parameter zz is a measure of height, and it is also a radian measure as the spiral turns.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.2절 · 7번
# 호의 길이와 곡률계산도전자동 분류
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함수 r(t)=(12t2,13t3)\mathbf{r}(t)=(\tfrac12 t^2 , \tfrac13 t^3) 을 t=−1t=-1 에서부터 잰 호의 길이에 대해 재매개화하세요.

영어 원문 보기

Reparametrize the function r(t)=(12t2,13t3)\mathbf{r}(t)=(\tfrac12 t^2 , \tfrac13 t^3) in terms of arclength from t=−1t=-1.

정답·풀이 보기

r(t)=(12t2,13t3)r′(t)=(t,t2)∣r′(t)∣=t2+t4=∣t∣1+t2s(t)=∫−1t∣x∣1+x2dx={∫−1t−x1+x2dxt≤0 일 때∫−10−x1+x2dx+∫0tx1+x2dxt>0 일 때u=1+x2, 12du=xdx 로 놓는다.={−∫21+t212udut≤0 일 때−∫2112udu+∫11+t212udut>0 일 때={−13u3/2∣21+t2t≤0 일 때−13u3/2∣21+13u3/2∣11+t2t>0 일 때={23/23−13(1+t2)3/2t≤0 일 때−23+23/23+13(1+t2)3/2t>0 일 때s 에 대해 t 를 풀면:1+t2={(22−3s)2/3t≤0 일 때(3s+2−22)2/3t>0 일 때t2={(22−3s)2/3−1t≤0 일 때(3s+2−22)2/3−1t>0 일 때t2=∣t∣ 임에 유의하면:t={−(22−3s)2/3−1t≤0 일 때(3s+2−22)2/3−1t>0 일 때s=13(22−1) 일 때 t=0 임에 유의하면, (12t2,13t3) 의 재매개화는 다음과 같다.R(s)={(12[(22−3s)2/3−1],−13[(22−3s)2/3−1]3/2)s≤13(22−1) 일 때(12[(3s+2−22)2/3−1],13[(3s+2−22)2/3−1]3/2)s>13(22−1) 일 때\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=(\tfrac12 t^2 , \tfrac13 t^3)\\ \mathbf{r}'(t)&=(t,t^2)\\ |\mathbf{r}'(t)|&=\sqrt{t^2+t^4}=|t|\sqrt{1+t^2}\\ s(t)&=\int_{-1}^t|x|\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x=\begin{cases} \int_{-1}^t -x\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x & t \le 0 \text{ 일 때}\\ \int_{-1}^0 -x\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x +\int_{0}^t x\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x & t > 0 \text{ 일 때}\\ \end{cases} \\ \text{$u=1+x^2$, $\frac12\mathrm{d}u=x\mathrm{d}x$ 로 놓는다.} \\ &=\begin{cases} -\int_{2}^{1+t^2} \frac{1}{2}\sqrt{u}\mathrm{d}u & t \le 0 \text{ 일 때}\\ -\int_{2}^1 \frac12\sqrt{u}\mathrm{d}u+ \int_{1}^{1+t^2} \frac12\sqrt{u}\mathrm{d}u & t > 0 \text{ 일 때}\\ \end{cases} \\&=\begin{cases} -\frac{1}{3}u^{3/2}|_{2}^{1+t^2} & t \le 0 \text{ 일 때}\\ -\frac{1}{3}u^{3/2}|_{2}^{1}+ \frac13u^{3/2}|_{1}^{1+t^2} & t > 0 \text{ 일 때}\\ \end{cases} \\&=\begin{cases} \frac{2^{3/2}}{3}-\frac{1}{3}(1+t^2)^{3/2} & t \le 0 \text{ 일 때}\\ -\frac23+\frac{2^{3/2}}{3}+\frac13(1+t^2)^{3/2} & t > 0 \text{ 일 때}\\ \end{cases} \\ \text{$s$ 에 대해 $t$ 를 풀면:} \\ 1+t^2&=\begin{cases}(2\sqrt2-3s)^{2/3} & t \le 0 \text{ 일 때}\\ (3s+2-2\sqrt{2})^{2/3} & t>0 \text{ 일 때}\end{cases}\\ t^2&=\begin{cases}(2\sqrt2-3s)^{2/3}-1 & t \le 0 \text{ 일 때}\\ (3s+2-2\sqrt{2})^{2/3}-1 & t>0 \text{ 일 때} \end{cases} \\ \text{$\sqrt{t^2}=|t|$ 임에 유의하면:} \\ t&=\begin{cases}-\sqrt{(2\sqrt2-3s)^{2/3}-1} & t \le 0 \text{ 일 때}\\ \sqrt{(3s+2-2\sqrt{2})^{2/3}-1} & t>0 \text{ 일 때} \end{cases} \\ \text{$s=\tfrac{1}{3}(2\sqrt2-1)$ 일 때 $t=0$ 임에 유의하면, $(\tfrac12t^2,\tfrac13t^3)$ 의 재매개화는 다음과 같다.} \\ \mathbf{R}(s)&=\begin{cases} \Big(\frac12\left[ (2\sqrt2-3s)^{2/3}-1\right],-\frac13\left[(2\sqrt2-3s)^{2/3}-1\right]^{3/2}\Big)& s\le \frac13(2\sqrt2-1) \text{ 일 때}\\ \Big(\frac12\left[(3s+2-2\sqrt2)^{2/3}-1 \right],\frac13\left[(3s+2-2\sqrt2)^{2/3}-1\right]^{3/2}\Big)& s>\frac13(2\sqrt2-1) \text{ 일 때} \end{cases} \end{aligned}

참고: 이처럼 계산이 길고 자세한 경우에는 몇 개의 점을 확인하여 답이 타당한지 검증해 보는 것이 좋다. 예를 들어 s=0s=0 일 때 tt 는 −1-1 이어야 하고, 그 역도 성립한다. 또한 t=0t=0 이 s=13(22−1)s=\frac13(2\sqrt2-1) 에 대응함을 구하였다. 따라서 r(0)=R(13(22−1))\mathbf{r}(0)=\mathbf{R}\left(\frac13(2\sqrt2-1)\right) 과 r(−1)=R(0)\mathbf{r}(-1)=\mathbf{R}(0) 을 확인할 수 있어야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

r(t)=(12t2,13t3)r′(t)=(t,t2)∣r′(t)∣=t2+t4=∣t∣1+t2s(t)=∫−1t∣x∣1+x2dx={∫−1t−x1+x2dxwhen t≤0∫−10−x1+x2dx+∫0tx1+x2dxwhen t>0Let u=1+x2, 12du=xdx={−∫21+t212uduwhen t≤0−∫2112udu+∫11+t212uduwhen t>0={−13u3/2∣21+t2when t≤0−13u3/2∣21+13u3/2∣11+t2when t>0={23/23−13(1+t2)3/2when t≤0−23+23/23+13(1+t2)3/2when t>0Solving for t in terms of s:1+t2={(22−3s)2/3when t≤0(3s+2−22)2/3when t>0t2={(22−3s)2/3−1when t≤0(3s+2−22)2/3−1when t>0Remembering that t2=∣t∣:t={−(22−3s)2/3−1when t≤0(3s+2−22)2/3−1when t>0Noting that t=0 when s=13(22−1), we find our reparametrization of (12t2,13t3).R(s)={(12[(22−3s)2/3−1],−13[(22−3s)2/3−1]3/2) when s≤13(22−1)(12[(3s+2−22)2/3−1],13[(3s+2−22)2/3−1]3/2) when s>13(22−1)\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=(\tfrac12 t^2 , \tfrac13 t^3)\\ \mathbf{r}'(t)&=(t,t^2)\\ |\mathbf{r}'(t)|&=\sqrt{t^2+t^4}=|t|\sqrt{1+t^2}\\ s(t)&=\int_{-1}^t|x|\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x=\begin{cases} \int_{-1}^t -x\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x & \text{when } t \le 0\\ \int_{-1}^0 -x\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x +\int_{0}^t x\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x & \text{when } t > 0\\ \end{cases} \\ \text{Let $u=1+x^2$, $\frac12\mathrm{d}u=x\mathrm{d}x$} \\ &=\begin{cases} -\int_{2}^{1+t^2} \frac{1}{2}\sqrt{u}\mathrm{d}u & \text{when } t \le 0\\ -\int_{2}^1 \frac12\sqrt{u}\mathrm{d}u+ \int_{1}^{1+t^2} \frac12\sqrt{u}\mathrm{d}u & \text{when } t > 0\\ \end{cases} \\&=\begin{cases} -\frac{1}{3}u^{3/2}|_{2}^{1+t^2} & \text{when } t \le 0\\ -\frac{1}{3}u^{3/2}|_{2}^{1}+ \frac13u^{3/2}|_{1}^{1+t^2} & \text{when } t > 0\\ \end{cases} \\&=\begin{cases} \frac{2^{3/2}}{3}-\frac{1}{3}(1+t^2)^{3/2} & \text{when } t \le 0\\ -\frac23+\frac{2^{3/2}}{3}+\frac13(1+t^2)^{3/2} & \text{when } t > 0\\ \end{cases} \\ \text{Solving for $t$ in terms of $s$:} \\ 1+t^2&=\begin{cases}(2\sqrt2-3s)^{2/3} &\text{when } t \le 0\\ (3s+2-2\sqrt{2})^{2/3} &\text{when }t>0\end{cases}\\ t^2&=\begin{cases}(2\sqrt2-3s)^{2/3}-1 &\text{when } t \le 0\\ (3s+2-2\sqrt{2})^{2/3}-1 &\text{when }t>0 \end{cases} \\ \text{Remembering that $\sqrt{t^2}=|t|$:} \\ t&=\begin{cases}-\sqrt{(2\sqrt2-3s)^{2/3}-1} &\text{when } t \le 0\\ \sqrt{(3s+2-2\sqrt{2})^{2/3}-1} &\text{when }t>0 \end{cases} \\ \text{Noting that $t=0$ when $s=\tfrac{1}{3}(2\sqrt2-1)$, we find our reparametrization of $(\tfrac12t^2,\tfrac13t^3)$.} \\ \mathbf{R}(s)&=\begin{cases} \Big(\frac12\left[ (2\sqrt2-3s)^{2/3}-1\right],-\frac13\left[(2\sqrt2-3s)^{2/3}-1\right]^{3/2}\Big)&\text{ when }s\le \frac13(2\sqrt2-1)\\ \Big(\frac12\left[(3s+2-2\sqrt2)^{2/3}-1 \right],\frac13\left[(3s+2-2\sqrt2)^{2/3}-1\right]^{3/2}\Big)&\text{ when }s>\frac13(2\sqrt2-1) \end{cases} \end{aligned}

Remark: after a computation with this much detail, it's nice to find a few points to check, to verify that our answer is reasonable. For instance, when s=0s=0, tt should be −1-1, and vice-versa. Also, we found that t=0t=0 corresponds to s=13(22−1)s=\frac13(2\sqrt2-1). So, we should be able to verify that r(0)=R(13(22−1))\mathbf{r}(0)=\mathbf{R}\left(\frac13(2\sqrt2-1)\right) and r(−1)=R(0)\mathbf{r}(-1)=\mathbf{R}(0).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.2절 · 2번
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곡선

x(θ)=∫0θcos⁡(12πt2)dty(θ)=∫0θsin⁡(12πt2)dtx(\theta)=\int_0^\theta \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi t^2\big)dt\quad \quad y(\theta)=\int_0^\theta \sin\big(\tfrac{1}{2}\pi t^2\big)dt

에 대해 곡률 κ\kappa 를 호의 길이 ss ((0,0)(0,0) 에서부터 잰 길이)의 함수로 나타내세요.

영어 원문 보기

Find the curvature κ\kappa as a function of arclength ss (measured from (0,0)(0,0)) for the curve

x(θ)=∫0θcos⁡(12πt2)dty(θ)=∫0θsin⁡(12πt2)dtx(\theta)=\int_0^\theta \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi t^2\big)dt\quad \quad y(\theta)=\int_0^\theta \sin\big(\tfrac{1}{2}\pi t^2\big)dt

정답·풀이 보기

속도 벡터는

v(θ)=x′(θ) ı^+y′(θ) ȷ^=cos⁡(12πθ2) ı^+sin⁡(12πθ2) ȷ^\mathbf{v}(\theta)=x'(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y'(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} = \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi\theta^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin\big(\tfrac{1}{2}\pi\theta^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

이다. 따라서 속력은

dsdθ(θ)=∣v(θ)∣=1  ⟹  s(θ)=θ+s(0)\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}(\theta)= |\mathbf{v}(\theta)|=1 \implies s(\theta)=\theta+s(0)

이다. θ=0\theta=0 일 때 s(θ)s(\theta) 가 0 이므로 s(θ)=θs(\theta)=\theta 이고, 따라서

T^(s)=v(s)=cos⁡(12πs2) ı^+sin⁡(12πs2) ȷ^\hat{\mathbf{T}}(s)=\mathbf{v}(s) = \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

이므로

κ(s)=∣dT^ds(s)∣=∣−πssin⁡(12πs2) ı^+πscos⁡(12πs2) ȷ^∣=πs\kappa (s)=\left|\frac{\mathrm{d}\hat{\mathbf{T}}}{\mathrm{d}s}(s)\right| =\big|-\pi s\sin\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\pi s \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big| =\pi s

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The velocity vector is

v(θ)=x′(θ) ı^+y′(θ) ȷ^=cos⁡(12πθ2) ı^+sin⁡(12πθ2) ȷ^\mathbf{v}(\theta)=x'(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y'(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} = \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi\theta^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin\big(\tfrac{1}{2}\pi\theta^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

Consequently the speed

dsdθ(θ)=∣v(θ)∣=1  ⟹  s(θ)=θ+s(0)\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}(\theta)= |\mathbf{v}(\theta)|=1 \implies s(\theta)=\theta+s(0)

Since s(θ)s(\theta) is zero when θ=0\theta=0, we have s(θ)=θs(\theta)=\theta and hence

T^(s)=v(s)=cos⁡(12πs2) ı^+sin⁡(12πs2) ȷ^\hat{\mathbf{T}}(s)=\mathbf{v}(s) = \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

so that

κ(s)=∣dT^ds(s)∣=∣−πssin⁡(12πs2) ı^+πscos⁡(12πs2) ȷ^∣=πs\kappa (s)=\left|\frac{\mathrm{d}\hat{\mathbf{T}}}{\mathrm{d}s}(s)\right| =\big|-\pi s\sin\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\pi s \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big| =\pi s

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 38번
# 호의 길이와 곡률계산도전자동 분류
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