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벡터와 공간 전체 문제

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1문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 1.6절 · 28번대학 수준우리말 번역

시각 t=0t=0 에서 어떤 입자의 위치 벡터와 속도 벡터가 r(0)=<−1,0,0>\mathbf{r}(0)=\left< -1,0,0\right>, v(0)=<0,−1,1>\mathbf{v}(0)=\left< 0,-1,1\right> 이다. 시각 tt 에서 이 입자의 가속도 벡터는

a(t)=<cos⁡t,sin⁡t,0>\mathbf{a}(t)=\left< \cos t,\sin t,0\right>

이다.

(a) tt 초 후 입자의 위치를 구하세요. (b) 모든 tt 에 대해 입자의 속도와 가속도가 항상 수직임을 보이세요. (c) t=−π/2t=-\pi/2 에서 입자의 경로에 접하는 접선의 방정식을 구하세요. (d) 참 또는 거짓: 입자의 경로에 접하는 직선 중 (0,0,0)(0,0,0) 을 지나는 것은 하나도 없다. 답의 이유를 밝히세요.

영어 원문 보기

At time t=0t=0 a particle has position and velocity vectors r(0)=<−1,0,0>\mathbf{r}(0)=\left< -1,0,0\right> and v(0)=<0,−1,1>\mathbf{v}(0)=\left< 0,-1,1\right>. At time tt, the particle has acceleration vector

a(t)=<cos⁡t,sin⁡t,0>\mathbf{a}(t)=\left< \cos t,\sin t,0\right>

(a) Find the position of the particle after tt seconds. (b) Show that the velocity and acceleration of the particle are always perpendicular for every tt. (c) Find the equation of the tangent line to the particle's path at t=−π/2t=-\pi/2. (d) True or False: None of the lines tangent to the path of the particle pass through (0,0,0)(0,0,0). Justify your answer.

정답·풀이 보기

(a) 정의에 의해

v′(t)=a(t)=<cos⁡t,sin⁡t,0>  ⟹  v(t)=<sin⁡t+c1,−cos⁡t+c2,c3>\mathbf{v}'(t)=\mathbf{a}(t)=\left< \cos t,\sin t,0\right> \implies \mathbf{v}(t)=\left< \sin t+c_1, -\cos t+c_2, c_3\right>

이고, 여기서 c1c_1, c2c_2, c3c_3 은 어떤 상수이다. v(0)=<0,−1,1>\mathbf{v}(0)=\left< 0,-1,1\right> 을 만족하려면 c1=0c_1=0, c2=0c_2=0, c3=1c_3=1 이어야 한다. 따라서 v(t)=<sin⁡t,−cos⁡t,1>\mathbf{v}(t)=\left< \sin t, -\cos t, 1\right> 이다. 마찬가지로

r′(t)=v(t)=<sin⁡t,−cos⁡t,1>  ⟹  r(t)=<−cos⁡t+d1,−sin⁡t+d2,t+d3>\mathbf{r}'(t)=\mathbf{v}(t)=\left< \sin t,-\cos t,1\right> \implies \mathbf{r}(t)=\left< -\cos t+d_1, -\sin t+d_2, t+d_3\right>

이고, 여기서 d1d_1, d2d_2, d3d_3 은 어떤 상수이다. r(0)=<−1,0,0>\mathbf{r}(0)=\left< -1,0,0\right> 을 만족하려면 d1=0d_1=0, d2=0d_2=0, d3=0d_3=0 이어야 한다. 따라서 r(t)=<−cos⁡t,−sin⁡t,t>\mathbf{r}(t)=\left< -\cos t, -\sin t, t\right> 이다.

(b) 수직 여부를 확인하기 위해 내적을 계산하면

v(t)⋅a(t)=<sin⁡t,−cos⁡t,1>⋅<cos⁡t,sin⁡t,0>=sin⁡tcos⁡t−cos⁡tsin⁡t+1×0=0\mathbf{v}(t)\cdot\mathbf{a}(t)=\left< \sin t, -\cos t, 1\right>\cdot\left< \cos t,\sin t,0\right> =\sin t\cos t-\cos t \sin t+1\times 0=0

이므로 모든 tt 에 대해 v(t)⊥a(t)\mathbf{v}(t)\perp\mathbf{a}(t) 이다.

(c) t=−π2t=-\frac{\pi}{2} 에서 입자는 r(−π2)=<0,1,−π2>\mathbf{r}\big(-\frac{\pi}{2}\big)=\left< 0,1,-\frac{\pi}{2}\right> 에 있고 속도는 v(−π2)=<−1,0,1>\mathbf{v}\big(-\frac{\pi}{2}\big)=\left< -1,0,1\right> 이다. 따라서 접선은 <0,1,−π2>\left< 0,1,-\frac{\pi}{2}\right> 을 지나고 방향 벡터가 <−1,0,1>\left< -1,0,1\right> 이어야 한다. 다음은 접선의 벡터 매개변수 방정식이다.

r(u)=<0,1,−π2>+u<−1,0,1>\mathbf{r}(u)=\left< 0,1,-\frac{\pi}{2}\right>+u\left< -1,0,1\right>

(d) 참이다. 입자가 지나는 경로를 위에서 내려다보아 xx 좌표와 yy 좌표만 보이게 하자. 우리가 보는 경로(이를 사영 경로라 하자)는 x(t)=−cos⁡tx(t)=-\cos t, y(t)=−sin⁡ty(t)=-\sin t 이며, 이는 원점을 중심으로 하는 반지름이 1인 원이다. 원의 어떤 접선이든 항상 그 원의 바깥에 놓인다. 따라서 사영 경로에 접하는 어떤 접선도 (0,0)(0,0) 을 지날 수 없다. 그러므로 입자가 지나는 경로에 접하는 어떤 접선도 zz 축을 지날 수 없고, 특히 (0,0,0)(0,0,0) 을 지날 수 없다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) By definition,

v′(t)=a(t)=<cos⁡t,sin⁡t,0>  ⟹  v(t)=<sin⁡t+c1,−cos⁡t+c2,c3>\mathbf{v}'(t)=\mathbf{a}(t)=\left< \cos t,\sin t,0\right> \implies \mathbf{v}(t)=\left< \sin t+c_1, -\cos t+c_2, c_3\right>

for some constants c1c_1, c2c_2, c3c_3. To satisfy v(0)=<0,−1,1>\mathbf{v}(0)=\left< 0,-1,1\right>, we need c1=0c_1=0, c2=0c_2=0 and c3=1c_3=1. So v(t)=<sin⁡t,−cos⁡t,1>\mathbf{v}(t)=\left< \sin t, -\cos t, 1\right>. Similarly,

r′(t)=v(t)=<sin⁡t,−cos⁡t,1>  ⟹  r(t)=<−cos⁡t+d1,−sin⁡t+d2,t+d3>\mathbf{r}'(t)=\mathbf{v}(t)=\left< \sin t,-\cos t,1\right> \implies \mathbf{r}(t)=\left< -\cos t+d_1, -\sin t+d_2, t+d_3\right>

for some constants d1d_1, d2d_2, d3d_3. To satisfy r(0)=<−1,0,0>\mathbf{r}(0)=\left< -1,0,0\right>, we need d1=0d_1=0, d2=0d_2=0 and d3=0d_3=0. So r(t)=<−cos⁡t,−sin⁡t,t>\mathbf{r}(t)=\left< -\cos t, -\sin t, t\right>.

(b) To test for orthogonality, we compute the dot product

v(t)⋅a(t)=<sin⁡t,−cos⁡t,1>⋅<cos⁡t,sin⁡t,0>=sin⁡tcos⁡t−cos⁡tsin⁡t+1×0=0\mathbf{v}(t)\cdot\mathbf{a}(t)=\left< \sin t, -\cos t, 1\right>\cdot\left< \cos t,\sin t,0\right> =\sin t\cos t-\cos t \sin t+1\times 0=0

so v(t)⊥a(t)\mathbf{v}(t)\perp\mathbf{a}(t) for all tt.

(c) At t=−π2t=-\frac{\pi}{2} the particle is at r(−π2)=<0,1,−π2>\mathbf{r}\big(-\frac{\pi}{2}\big)=\left< 0,1,-\frac{\pi}{2}\right> and has velocity v(−π2)=<−1,0,1>\mathbf{v}\big(-\frac{\pi}{2}\big)=\left< -1,0,1\right>. So the tangent line must pass through <0,1,−π2>\left< 0,1,-\frac{\pi}{2}\right> and have direction vector <−1,0,1>\left< -1,0,1\right>. Here is a vector parametric equation for the tangent line.

r(u)=<0,1,−π2>+u<−1,0,1>\mathbf{r}(u)=\left< 0,1,-\frac{\pi}{2}\right>+u\left< -1,0,1\right>

(d) True. Look at the path followed by the particle from the top so that we only see xx and yy coordinates. The path we see (call this the projected path) is x(t)=−cos⁡tx(t)=-\cos t, y(t)=−sin⁡ty(t)=-\sin t, which is a circle of radius one centred on the origin. Any tangent line to any circle always remains outside the circle. So no tangent line to the projected path can pass through the (0,0)(0,0). So no tangent line to the path followed by the particle can pass through the zz–axis and, in particular, through (0,0,0)(0,0,0).

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