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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.

3문제 · 1 / 1쪽

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 · 1.7절 · 12번대학 수준우리말 번역

아래 곡면은 zz축을 중심으로 하는 원형 등위곡선을 가집니다. 주어진 직선들은 이 곡면과 yzyz평면의 오른쪽 절반이 만나서 생기는 것입니다. 이 곡면의 방정식을 구하세요.

그림

영어 원문 보기

The surface below has circular level curves, centred along the zz-axis. The lines given are the intersection of the surface with the right half of the yzyz-plane. Give an equation for the surface.

figure

정답·풀이 보기

등위곡선이 (xyxy평면에서) 원점을 중심으로 하는 원이므로, zz가 상수일 때 방정식은 어떤 상수 cc에 대하여 x2+y2=cx^2+y^2=c 꼴이다. 즉 방정식은 다음과 같은 꼴이다. x2+y2=g(z),x^2+y^2=g(z), 여기서 g(z)g(z)는 zz에만 의존하는 함수이다.

단면이 매우 대칭적이므로, 이 도형이 yzyz평면의 왼쪽과 만나는 부분도 알 수 있다: z=3(−y−1)=−3(y+1)z=3(-y-1)=-3(y+1) (z≥0z\ge0 일 때)이고 z=−3(−y−1)=3(y+1)z=-3(-y-1)=3(y+1) (z<0z<0 일 때)이다. 아래는 이 곡면과 yzyz평면이 만나는 부분이다.

그림

x=0x=0 을 대입하면 방정식은 y2=g(z)y^2=g(z) 가 된다. yzyz평면의 오른쪽을 보면 다음을 얻는다: {z=3(y−1)z≥0, y≥1 일 때z=−3(y−1)z<0, y≥1 일 때}\left.\begin{cases} z=3(y-1) &z\geq 0,\ y\ge 1 \text{ 일 때}\\ z=-3(y-1) &z< 0,\ y\ge 1 \text{ 일 때} \end{cases}\right\} . 즉,

∣z∣=3(y−1)∣z∣3+1=y(∣z∣3+1)2=y2(∗)\begin{aligned} |z|&=3(y-1)\\ \frac{|z|}{3}+1&=y\\ \left(\frac{|z|}{3}+1\right)^2&=y^2 &(*) \end{aligned}

간단한 확인: (∗)(*) 에서 양변을 제곱할 때 또 다른 해 ∣z∣3+1=−y\frac{|z|}{3}+1=-y 가 추가되었다. 그림과 달라지지 않았는지 확인해 보자.

(∣z∣3+1)2=y2⇔∣z∣3+1⏟양수=±y⇔{∣z∣3+1=yy>0∣z∣3+1=−yy<0⇔{∣z∣3+1=yy≥1∣z∣3+1=−yy≤−1⇔{∣z∣=3(y−1)y≥1∣z∣=−3(y+1)y≤−1⇔{z=±3(y−1)⏟양수y≥1z=±3(y+1)⏟음수y≤−1⇔{z=3(y−1)y≥1, z≥0z=−3(y−1)y≥1, z≤0z=−3(y+1)y≤−1, z≥0z=3(y+1)y≤−1, z≤0\begin{aligned} &&& \left(\frac{|z|}{3}+1\right)^2=y^2\\ &\Leftrightarrow&& \underbrace{\frac{|z|}{3}+1}_{\text{양수}}=\pm y\\ &\Leftrightarrow&& \begin{cases} \frac{|z|}{3}+1 =y & y>0\\[0.05in] \frac{|z|}{3}+1 =-y & y<0 \end{cases}\\[0.1in] & \Leftrightarrow&& \begin{cases} \frac{|z|}{3}+1 =y & y\ge1\\[0.05in] \frac{|z|}{3}+1 =-y & y\le-1 \end{cases}\\[0.1in] &\Leftrightarrow&& \begin{cases} |z| =3(y-1) & y\ge1\\[0.05in] |z|=-3(y+1) & y\le-1 \end{cases}\\[0.1in] &\Leftrightarrow&& \begin{cases} z =\pm \underbrace{3(y-1)}_{\text{양수}} & y\ge1\\ z=\pm \underbrace{3(y+1)}_{\text{음수}} & y\le-1 \end{cases}\\[0.1in] &\Leftrightarrow&& \begin{cases} z =3(y-1) & y\ge1,\ z\ge0\\ z =-3(y-1) & y\ge1,\ z\le0\\ z=-3(y+1) & y\le-1,\ z \ge 0\\ z=3(y+1) & y\le-1,\ z\le 0 \end{cases} \end{aligned}

이는 그림과 정확히 일치한다. 따라서 이 곡면의 방정식은 다음과 같다. x2+y2=(∣z∣3+1)2x^2+y^2=\left( \frac{|z|}{3}+1\right)^2

원본 교재 풀이(영어)

Since the level curves are circles centred at the origin (in the xyxy-plane), when zz is a constant, the equation will have the form x2+y2=cx^2+y^2=c for some constant. That is, our equation looks like x2+y2=g(z),x^2+y^2=g(z), where g(z)g(z) is a function depending only on zz.

Because our cross-sections are so nicely symmetric, we know the intersection of the figure with the left side of the yzyz-plane as well: z=3(−y−1)=−3(y+1)z=3(-y-1)=-3(y+1) (when z≥0z\ge0) and z=−3(−y−1)=3(y+1)z=-3(-y-1)=3(y+1) (when z<0z<0). Below is the intersection of our surface with the yzyz plane.

figure

Setting x=0x=0, our equation becomes y2=g(z)y^2=g(z). Looking at the right side of the yzyz plane, this should lead to: {z=3(y−1)if z≥0, y≥1z=−3(y−1)if z<0, y≥1}\left.\begin{cases} z=3(y-1) &\text{if } z\geq 0,\ y\ge 1\\ z=-3(y-1) &\text{if } z< 0,\ y\ge 1 \end{cases}\right\} . That is:

∣z∣=3(y−1)∣z∣3+1=y(∣z∣3+1)2=y2(∗)\begin{aligned} |z|&=3(y-1)\\ \frac{|z|}{3}+1&=y\\ \left(\frac{|z|}{3}+1\right)^2&=y^2 &(*) \end{aligned}

A quick check: when we squared both sides of the equation in (∗)(*), we added another solution, ∣z∣3+1=−y\frac{|z|}{3}+1=-y. Let's make sure we haven't diverged from our diagram.

(∣z∣3+1)2=y2⇔∣z∣3+1⏟positive=±y⇔{∣z∣3+1=yy>0∣z∣3+1=−yy<0⇔{∣z∣3+1=yy≥1∣z∣3+1=−yy≤−1⇔{∣z∣=3(y−1)y≥1∣z∣=−3(y+1)y≤−1⇔{z=±3(y−1)⏟positivey≥1z=±3(y+1)⏟negativey≤−1⇔{z=3(y−1)y≥1, z≥0z=−3(y−1)y≥1, z≤0z=−3(y+1)y≤−1, z≥0z=3(y+1)y≤−1, z≤0\begin{aligned} &&& \left(\frac{|z|}{3}+1\right)^2=y^2\\ &\Leftrightarrow&& \underbrace{\frac{|z|}{3}+1}_{\text{positive}}=\pm y\\ &\Leftrightarrow&& \begin{cases} \frac{|z|}{3}+1 =y & y>0\\[0.05in] \frac{|z|}{3}+1 =-y & y<0 \end{cases}\\[0.1in] & \Leftrightarrow&& \begin{cases} \frac{|z|}{3}+1 =y & y\ge1\\[0.05in] \frac{|z|}{3}+1 =-y & y\le-1 \end{cases}\\[0.1in] &\Leftrightarrow&& \begin{cases} |z| =3(y-1) & y\ge1\\[0.05in] |z|=-3(y+1) & y\le-1 \end{cases}\\[0.1in] &\Leftrightarrow&& \begin{cases} z =\pm \underbrace{3(y-1)}_{\text{positive}} & y\ge1\\ z=\pm \underbrace{3(y+1)}_{\text{negative}} & y\le-1 \end{cases}\\[0.1in] &\Leftrightarrow&& \begin{cases} z =3(y-1) & y\ge1,\ z\ge0\\ z =-3(y-1) & y\ge1,\ z\le0\\ z=-3(y+1) & y\le-1,\ z \ge 0\\ z=3(y+1) & y\le-1,\ z\le 0 \end{cases} \end{aligned}

This matches our diagram eactly. So, all together, the equation of the surface is x2+y2=(∣z∣3+1)2x^2+y^2=\left( \frac{|z|}{3}+1\right)^2

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 11번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석도전자동 분류
3.CLP-4 · 1.3절 · 13번대학 수준우리말 번역

R2\mathbb{R}^2 에서 함수 y=x33y=\frac{x^3}{3} 의 그래프로 주어진 곡선을 CC 라 하고, 점 (x,x3/3)(x, x^3/3) 에서 CC 의 곡률을 κ(x)\kappa(x) 라 하자. κ(x)\kappa (x) 가 최댓값을 갖는 점을 모두 구하세요. 그러한 점이 없다면 그 이유를 설명하세요. x→∞x \rightarrow \infty 일 때와 x→−∞x \rightarrow -\infty 일 때 κ(x)\kappa(x) 의 극한은 각각 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the curve in R2\mathbb{R}^2 given by the graph of the function y=x33y=\frac{x^3}{3}. Let κ(x)\kappa(x) be the curvature of CC at the point (x,x3/3)(x, x^3/3). Find all points where κ(x)\kappa (x) attains its maximal values, or else explain why such points do not exist. What are the limits of κ(x)\kappa(x) as x→∞x \rightarrow \infty and x→−∞x \rightarrow -\infty?

정답·풀이 보기

곡선은 y=y(x)=x3/3y=y(x)={x^3}/{3} 이다. y′(x)=x2y'(x) = x^2 이고 y′′(x)=2xy''(x) = 2x 이므로 곡률은 다음과 같다.

κ(x)=∣d2ydx2(x)∣[1+(dydx(x))2]3/2=∣2x∣[1+x4]3/2\begin{aligned} \kappa (x) &=\frac{\big|\frac{\mathrm{d^2}y}{\mathrm{d}{x}^2}(x)\big|} {\Big[1+\big(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}(x)\big)^2\Big]^{3/2}} =\frac{\big|2x\big|} {\big[1+x^4\big]^{3/2}} \end{aligned}

κ(x)\kappa (x) 의 임계점을 구하고 싶지만, 직접 미분하면 식이 복잡해 보인다. κ(x)\kappa (x) 는 음이 아닌 값만 가지므로, 그 최댓값은 함수 κ2(x)\kappa ^2(x) 의 최댓값에 대응한다. 따라서 계산 수고를 덜기 위해 대신 κ2(x)\kappa ^2(x) 의 임계점을 구한다.

0=ddxκ(x)2=ddx4x2(1+x4)3=8x(1+x4)3−316x5(1+x4)4=8x(1+x4)−3×16x5(1+x4)4=8x(1−5x4)(1+x4)4\begin{aligned} 0&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\kappa (x)^2 =\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\frac{4x^2}{{(1+x^4)}^3} =\frac{8x}{{(1+x^4)}^3} - 3\frac{16x^5}{{(1+x^4)}^4} =\frac{8x(1+x^4)-3\times 16x^5}{{(1+x^4)}^4} \\ &=\frac{8x(1-5x^4)}{{(1+x^4)}^4} \end{aligned}

κ(0)=0\kappa (0)=0 이고 x→±∞x\rightarrow\pm \infty 일 때 κ(x)→0\kappa (x)\rightarrow 0 임에 주목한다. 따라서 최댓값은 x=±1/54x=\pm 1/\sqrt[4]{5} 일 때 나타난다.

원본 교재 풀이(영어)

The curve is y=y(x)=x3/3y=y(x)={x^3}/{3}. Since y′(x)=x2y'(x) = x^2 and y′′(x)=2xy''(x) = 2x, the curvature is

κ(x)=∣d2ydx2(x)∣[1+(dydx(x))2]3/2=∣2x∣[1+x4]3/2\begin{aligned} \kappa (x) &=\frac{\big|\frac{\mathrm{d^2}y}{\mathrm{d}{x}^2}(x)\big|} {\Big[1+\big(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}(x)\big)^2\Big]^{3/2}} =\frac{\big|2x\big|} {\big[1+x^4\big]^{3/2}} \end{aligned}

We'd like to find the critical points of κ(x)\kappa (x), but differentiating it looks messy. Since κ(x)\kappa (x) has only nonnegative values, its maxima correspond the maxima of the function κ2(x)\kappa ^2(x). So, we find the critical points of κ2(x)\kappa ^2(x) instead, to save ourselves some computational toil.

0=ddxκ(x)2=ddx4x2(1+x4)3=8x(1+x4)3−316x5(1+x4)4=8x(1+x4)−3×16x5(1+x4)4=8x(1−5x4)(1+x4)4\begin{aligned} 0&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\kappa (x)^2 =\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\frac{4x^2}{{(1+x^4)}^3} =\frac{8x}{{(1+x^4)}^3} - 3\frac{16x^5}{{(1+x^4)}^4} =\frac{8x(1+x^4)-3\times 16x^5}{{(1+x^4)}^4} \\ &=\frac{8x(1-5x^4)}{{(1+x^4)}^4} \end{aligned}

Note that κ(0)=0\kappa (0)=0 and κ(x)→0\kappa (x)\rightarrow 0 as x→±∞x\rightarrow\pm \infty. So the maximum occurs when x=±1/54x=\pm 1/\sqrt[4]{5}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 28번
# 호의 길이와 곡률그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)