문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터와 공간

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.

8문제 · 1 / 1쪽

1.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
2.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
3.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
4.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
5.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
6.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
7.CLP-3 · 1.6절 · 29번대학 수준우리말 번역

시각 tt (단위: 초 s)에서 입자의 위치가 다음과 같이 주어져 있다.

r(t)=tcos⁡(πt2)ı^+tsin⁡(πt2)ȷ^+t k^\mathbf{r}(t)=t\cos\left(\frac{\pi t}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}} +t\sin\left(\frac{\pi t}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}} +t\,\hat{\mathbf{k}}

(a) 입자의 경로가 원뿔 z2=x2+y2z^2=x^2+y^2 위에 있음을 보이세요. (b) 시각 tt 에서의 속도 벡터와 속력을 구하세요. (c) 시각 t=1t=1s 에서 입자가 경로를 벗어나, 경로에 접하는 방향의 직선 LL 을 따라 날아간다고 하자. 직선 LL 의 방정식을 구하세요. (d) 입자가 직선 LL 을 따라 움직이기 시작한 후, 평면 x=−1x=-1 에 부딪히기까지 걸리는 시간을 구하세요.

영어 원문 보기

The position of a particle at time tt (measured in seconds s) is given by

r(t)=tcos⁡(πt2)ı^+tsin⁡(πt2)ȷ^+t k^\mathbf{r}(t)=t\cos\left(\frac{\pi t}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}} +t\sin\left(\frac{\pi t}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}} +t\,\hat{\mathbf{k}}

(a) Show that the path of the particle lies on the cone z2=x2+y2z^2=x^2+y^2. (b) Find the velocity vector and the speed at time tt. (c) Suppose that at time t=1t=1s the particle flies off the path on a line LL in the direction tangent to the path. Find the equation of the line LL. (d) How long does it take for the particle to hit the plane x=−1x=-1 after it started moving along the straight line LL?

정답·풀이 보기

(a) x(t)2+y(t)2=t2cos⁡2(πt2)+t2sin⁡2(πt2)=t2그리고z(t)2=t2x(t)^2+y(t)^2=t^2\cos^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +t^2\sin^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)=t^2\qquad\text{그리고}\qquad z(t)^2=t^2

은 서로 같으므로, 입자의 경로는 원뿔 z2=x2+y2z^2=x^2+y^2 위에 있다.

(b) 정의에 의해,

속도=r′(t)=[cos⁡(πt2)−πt2sin⁡(πt2)]ı^+[sin⁡(πt2)+πt2cos⁡(πt2)]ȷ^+k^속력=∣r′(t)∣=[cos⁡(πt2)−πt2sin⁡(πt2)]2+[sin⁡(πt2)+πt2cos⁡(πt2)]2+12=[cos⁡2(πt2)−2πt2cos⁡(πt2)sin⁡(πt2)+(πt2)2sin⁡2(πt2)+sin⁡2(πt2)+2πt2cos⁡(πt2)sin⁡(πt2)+(πt2)2cos⁡2(πt2)+1]1/2=2+π2t24\begin{aligned} \text{속도}&=\mathbf{r}'(t)&&= \big[\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) -\tfrac{\pi t}{2}\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]\hat{\boldsymbol{\imath}} +\big[\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\hat{\mathbf{k}} \\ \text{속력}&=|\mathbf{r}'(t)|&&= \sqrt{\big[\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) -\tfrac{\pi t}{2}\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]^2 +\big[\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]^2 +1^2} \\ & &&= \Big[\cos^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) -2\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) \sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)^2\sin^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) \\ & && +\sin^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +2\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) \sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)^2\cos^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +1\Big]^{1/2}\\ & &&=\sqrt{2+\frac{\pi^2 t^2}{4}} \end{aligned}

(c) t=1t=1 일 때 입자는 r(1)=(0,1,1)\mathbf{r}(1)=(0,1,1) 에 있고 속도는 r′(1)=<−π2,1,1>\mathbf{r}'(1)=\left< -\frac{\pi}{2},1,1\right> 이다. 따라서 t≥1t\ge 1 일 때 입자의 위치는

<x,y,z>=<0,1,1>+(t−1)<−π2,1,1>\left< x,y,z\right> = \left< 0,1,1\right>+(t-1)\left< -\frac{\pi}{2},1,1\right>

이다. 이것은 이 직선의 벡터 매개변수 방정식이기도 하다.

(d) 입자가 LL 을 따라 날아가는 동안 속력이 일정하게 유지된다고 가정하자. 그러면 시각 tt (t≥1t\ge 1)에서 입자의 xx 좌표는 −π2(t−1)-\frac{\pi}{2}(t-1) 이다. 이 값은 t−1=2πt-1=\frac{2}{\pi} 일 때 −1-1 이 된다. 따라서 입자는 원뿔을 벗어난 지 2π\frac{2}{\pi} 초 후에 x=−1x=-1 에 부딪힌다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since

x(t)2+y(t)2=t2cos⁡2(πt2)+t2sin⁡2(πt2)=t2andz(t)2=t2x(t)^2+y(t)^2=t^2\cos^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +t^2\sin^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)=t^2\qquad\text{and}\qquad z(t)^2=t^2

are the same, the path of the particle lies on the cone z2=x2+y2z^2=x^2+y^2.

(b) By definition,

velocity=r′(t)=[cos⁡(πt2)−πt2sin⁡(πt2)]ı^+[sin⁡(πt2)+πt2cos⁡(πt2)]ȷ^+k^speed=∣r′(t)∣=[cos⁡(πt2)−πt2sin⁡(πt2)]2+[sin⁡(πt2)+πt2cos⁡(πt2)]2+12=[cos⁡2(πt2)−2πt2cos⁡(πt2)sin⁡(πt2)+(πt2)2sin⁡2(πt2)+sin⁡2(πt2)+2πt2cos⁡(πt2)sin⁡(πt2)+(πt2)2cos⁡2(πt2)+1]1/2=2+π2t24\begin{aligned} \text{velocity}&=\mathbf{r}'(t)&&= \big[\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) -\tfrac{\pi t}{2}\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]\hat{\boldsymbol{\imath}} +\big[\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\hat{\mathbf{k}} \\ \text{speed}&=|\mathbf{r}'(t)|&&= \sqrt{\big[\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) -\tfrac{\pi t}{2}\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]^2 +\big[\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]^2 +1^2} \\ & &&= \Big[\cos^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) -2\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) \sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)^2\sin^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) \\ & && +\sin^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +2\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) \sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)^2\cos^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +1\Big]^{1/2}\\ & &&=\sqrt{2+\frac{\pi^2 t^2}{4}} \end{aligned}

(c) At t=1t=1, the particle is at r(1)=(0,1,1)\mathbf{r}(1)=(0,1,1) and has velocity r′(1)=<−π2,1,1>\mathbf{r}'(1)=\left< -\frac{\pi}{2},1,1\right>. So for t≥1t\ge 1, the particle is at

<x,y,z>=<0,1,1>+(t−1)<−π2,1,1>\left< x,y,z\right> = \left< 0,1,1\right>+(t-1)\left< -\frac{\pi}{2},1,1\right>

This is also a vector parametric equation for the line.

(d) Assume that the particle's speed remains constant as it flies along LL. Then the xx-coordinate of the particle at time tt (for t≥1t\ge 1) is −π2(t−1)-\frac{\pi}{2}(t-1). This takes the value −1-1 when t−1=2πt-1=\frac{2}{\pi}. So the particle hits x=−1x=-1, 2π\frac{2}{\pi} seconds after it flew off the cone.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 11번
# 벡터함수의 미분과 적분증명·논술도전자동 분류
8.CLP-4 · 1.7절 · 13번대학 수준우리말 번역

마찰이 없는 롤러코스터 트랙은 매개변수 표현이  (acos⁡θ,asin⁡θ,bθ)\ (a\cos\theta,a\sin\theta,b\theta) 인 원형 나선의 한 바퀴 모양이다. 자동차가  θ=2π \ \theta=2\pi\ 인 점에서 속도 0으로 출발하여 중력을 받으며  θ=0\ \theta=0 인 점까지 움직인다. 뉴턴의 운동 법칙에 따라, 시각 tt 에서 자동차의 위치 r(t)\mathbf{r}(t) 는 다음을 만족한다.

mr′′(t)=N(r(t))−mgk^m \mathbf{r}''(t) = \mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) - mg\hat{\mathbf{k}}

여기서 mm 은 자동차의 질량, gg 는 상수, −mgk^-mg\hat{\mathbf{k}} 는 중력에 의한 힘이고, N(r(t))\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) 는 자동차가 트랙 위에 머물도록 롤러코스터 트랙이 자동차에 가하는 힘이다. 트랙에 마찰이 없으므로 N(r(t))\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) 는 항상 v(t)=drdt(t)\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t) 에 수직이다.

(a) E(t)=12m∣v(t)∣2+mgr(t)⋅k^E(t)=\tfrac{1}{2} m |\mathbf{v}(t)|^2 +mg \mathbf{r}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}} 가 tt 에 관계없는 상수임을 보이세요. (이것을 “에너지 보존”이라고 한다.) (b) 점 θ\theta 에서의 속력 ∣v∣|\mathbf{v}| 가  ∣v∣2=2gb(2π−θ)\ |\mathbf{v}|^2=2gb(2\pi-\theta) 를 만족함을 보이세요. (c) θ=0\theta=0 에 도달하는 데 걸리는 시간을 구하세요.

영어 원문 보기

A frictionless roller-coaster track has the form of one turn of the circular helix with parametrization  (acos⁡θ,asin⁡θ,bθ).\ (a\cos\theta,a\sin\theta,b\theta). A car leaves the point where  θ=2π \ \theta=2\pi\ with zero velocity and moves under gravity to the point where  θ=0\ \theta=0. By Newton's law of motion, the position r(t)\mathbf{r}(t) of the car at time tt obeys

mr′′(t)=N(r(t))−mgk^m \mathbf{r}''(t) = \mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) - mg\hat{\mathbf{k}}

Here mm is the mass of the car, gg is a constant, −mgk^-mg\hat{\mathbf{k}} is the force due to gravity and N(r(t))\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) is the force that the roller-coaster track applies to the car to keep the car on the track. Since the track is frictionless, N(r(t))\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) is always perpendicular to v(t)=drdt(t)\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t).

(a) Prove that E(t)=12m∣v(t)∣2+mgr(t)⋅k^E(t)=\tfrac{1}{2} m |\mathbf{v}(t)|^2 +mg \mathbf{r}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}} is a constant, independent of tt. (This is called “conservation of energy”.) (b) Prove that the speed ∣v∣|\mathbf{v}| at the point θ\theta obeys  ∣v∣2=2gb(2π−θ).\ |\mathbf{v}|^2=2gb(2\pi-\theta). (c) Find the time it takes to reach θ=0\theta=0.

정답·풀이 보기

(a) 뉴턴의 운동 법칙에 의해

E′(t)=ddt[12m∣v(t)∣2+mgr(t)⋅k^]=mv(t)⋅v′(t)+mgv(t)⋅k^=v(t)⋅[N(r(t))−mgk^]+mgv(t)⋅k^=0\begin{aligned} E'(t)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left[\frac{1}{2} m |\mathbf{v}(t)|^2 +mg \mathbf{r}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}}\right] =m\mathbf{v}(t)\cdot\mathbf{v}'(t)+mg\mathbf{v}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}}\\ &=\mathbf{v}(t)\cdot\big[\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) - mg\hat{\mathbf{k}}\big]+mg\mathbf{v}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}}\\ &=0 \end{aligned}

이다. v(t)⋅N(r(t))=0\mathbf{v}(t)\cdot\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big)=0 이기 때문이다. 따라서 E(t)E(t) 는 tt 에 관계없는 상수이다.

(b) (a)에 의해

E(t)=E(0)  ⟹  12m∣v(t)∣2+mgbθ(t)=mg(2πb)  ⟹  ∣v(t)∣2=2gb(2π−θ(t))\begin{aligned} E(t)=E(0) \implies \tfrac{1}{2} m |\mathbf{v}(t)|^2 +mg b\theta(t) = mg(2\pi b) \implies|\mathbf{v}(t)|^2=2gb\big(2\pi-\theta(t)\big) \end{aligned}

이다.

(c) θ=2π\theta=2\pi 에서 θ=0\theta=0 까지 가는 데 걸리는 시간을 구하려 한다. 먼저 dθdt\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} 를 구한다.

v=drdt=drdθdθdt=(−asin⁡θ,acos⁡θ,b)dθdt  ⟹  ∣v∣2=[a2+b2](dθdt)2  ⟹  dθdt=−[∣v∣2a2+b2]1/2=−[2gb(2π−θ)a2+b2]1/2\begin{aligned} &\mathbf{v}=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}\theta}\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} =\big(-a\sin\theta,a\cos\theta,b\big)\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \\ &\implies |\mathbf{v}|^2=\big[a^2+b^2]\left(\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ &\implies \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=-\left[\frac{|\mathbf{v}|^2}{a^2+b^2}\right]^{1/2} =-\left[\frac{2gb(2\pi-\theta)}{a^2+b^2}\right]^{1/2} \end{aligned}

θ\theta 는 2π2\pi 에서 0까지 감소해야 하므로 음의 부호를 택했다. 이때 걸리는 시간은

∫dt=∫2π0dtdθdθ=−[a2+b22gb]1/2∫2π01(2π−θ)1/2dθ=[a2+b22gb]1/2∫02π1(2π−θ)1/2dθ=[a2+b22gb]1/2[−2(2π−θ)1/2]02π=2[a2+b2gbπ]1/2\begin{aligned} \int dt&=\int_{2\pi}^0 \frac{dt}{d\theta}d\theta =-\left[\frac{a^2+b^2}{2gb}\right]^{1/2}\int_{2\pi}^0 \frac{1}{(2\pi-\theta)^{1/2}}d\theta \\ &=\left[\frac{a^2+b^2}{2gb}\right]^{1/2}\int^{2\pi}_0 \frac{1}{(2\pi-\theta)^{1/2}}d\theta\\ &=\left[\frac{a^2+b^2}{2gb}\right]^{1/2} \left[-2(2\pi-\theta)^{1/2}\right]_0^{2\pi} =2\left[\frac{a^2+b^2}{gb}\pi\right]^{1/2} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) By Newton's law of motion

E′(t)=ddt[12m∣v(t)∣2+mgr(t)⋅k^]=mv(t)⋅v′(t)+mgv(t)⋅k^=v(t)⋅[N(r(t))−mgk^]+mgv(t)⋅k^=0\begin{aligned} E'(t)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left[\frac{1}{2} m |\mathbf{v}(t)|^2 +mg \mathbf{r}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}}\right] =m\mathbf{v}(t)\cdot\mathbf{v}'(t)+mg\mathbf{v}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}}\\ &=\mathbf{v}(t)\cdot\big[\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big) - mg\hat{\mathbf{k}}\big]+mg\mathbf{v}(t)\cdot\hat{\mathbf{k}}\\ &=0 \end{aligned}

since v(t)⋅N(r(t))=0\mathbf{v}(t)\cdot\mathbf{N}\big(\mathbf{r}(t)\big)=0. So E(t)E(t) is a constant, independent of tt.

(b) By part (a),

E(t)=E(0)  ⟹  12m∣v(t)∣2+mgbθ(t)=mg(2πb)  ⟹  ∣v(t)∣2=2gb(2π−θ(t))\begin{aligned} E(t)=E(0) \implies \tfrac{1}{2} m |\mathbf{v}(t)|^2 +mg b\theta(t) = mg(2\pi b) \implies|\mathbf{v}(t)|^2=2gb\big(2\pi-\theta(t)\big) \end{aligned}

(c) We wish to determine the time it takes to go from θ=2π\theta=2\pi to θ=0\theta=0. We'll first determine dθdt\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}.

v=drdt=drdθdθdt=(−asin⁡θ,acos⁡θ,b)dθdt  ⟹  ∣v∣2=[a2+b2](dθdt)2  ⟹  dθdt=−[∣v∣2a2+b2]1/2=−[2gb(2π−θ)a2+b2]1/2\begin{aligned} &\mathbf{v}=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}\theta}\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} =\big(-a\sin\theta,a\cos\theta,b\big)\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \\ &\implies |\mathbf{v}|^2=\big[a^2+b^2]\left(\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ &\implies \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=-\left[\frac{|\mathbf{v}|^2}{a^2+b^2}\right]^{1/2} =-\left[\frac{2gb(2\pi-\theta)}{a^2+b^2}\right]^{1/2} \end{aligned}

We have chosen the negative sign because θ\theta must decrease from 2π2\pi to 0. The time required to do so is

∫dt=∫2π0dtdθdθ=−[a2+b22gb]1/2∫2π01(2π−θ)1/2dθ=[a2+b22gb]1/2∫02π1(2π−θ)1/2dθ=[a2+b22gb]1/2[−2(2π−θ)1/2]02π=2[a2+b2gbπ]1/2\begin{aligned} \int dt&=\int_{2\pi}^0 \frac{dt}{d\theta}d\theta =-\left[\frac{a^2+b^2}{2gb}\right]^{1/2}\int_{2\pi}^0 \frac{1}{(2\pi-\theta)^{1/2}}d\theta \\ &=\left[\frac{a^2+b^2}{2gb}\right]^{1/2}\int^{2\pi}_0 \frac{1}{(2\pi-\theta)^{1/2}}d\theta\\ &=\left[\frac{a^2+b^2}{2gb}\right]^{1/2} \left[-2(2\pi-\theta)^{1/2}\right]_0^{2\pi} =2\left[\frac{a^2+b^2}{gb}\pi\right]^{1/2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 3번
# 공간에서의 운동증명·논술도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)