문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터와 공간

벡터와 공간 전체 문제

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247문제 · 13 / 13쪽

241.CLP-3 · 1.7절 · 10번대학 수준우리말 번역

다음 함수의 그래프를 그리세요.

(a) f(x,y)=sin⁡x0≤x≤2π, 0≤y≤1f(x,y)=\sin x\qquad 0\le x\le 2\pi,\ 0\le y\le 1 (b) f(x,y)=x2+y2f(x,y)=\sqrt{x^2+y^2} (c) f(x,y)=∣x∣+∣y∣f(x,y)=|x|+|y|

영어 원문 보기

Sketch the graphs of

(a) f(x,y)=sin⁡x0≤x≤2π, 0≤y≤1f(x,y)=\sin x\qquad 0\le x\le 2\pi,\ 0\le y\le 1 (b) f(x,y)=x2+y2f(x,y)=\sqrt{x^2+y^2} (c) f(x,y)=∣x∣+∣y∣f(x,y)=|x|+|y|

정답·풀이 보기

(a) 그래프는 (x,y)(x,y) 가 0≤x≤2π0\le x\le 2\pi, 0≤y≤10\le y\le 1 의 범위를 움직일 때의 z=sin⁡xz=\sin x 이다. 00 과 11 사이의 고정된 각 y0y_0 에 대해, 이 그래프와 수직 평면 y=y0y=y_0 의 교선은 xx 가 00 부터 2π2\pi 까지 변하는 같은 사인 그래프 z=sin⁡xz=\sin x 이다. 따라서 전체 그래프는 2차원 사인 그래프를 나란히 쌓아 놓은 것과 같다. 이것이 아래 왼쪽의 그래프이다.

그림

그림

(b) 그래프는 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 이다. 고정된 각 z0≥0z_0\ge 0 에 대해, 이 그래프와 수평 평면 z=z0z=z_0 의 교선은 원 x2+y2=z0\sqrt{x^2+y^2}=z_0 이다. 이 원은 zz축 위에 중심이 있고 반지름이 z0z_0 이다. 따라서 그래프는 원뿔의 위쪽 절반이다. 이것이 위 오른쪽의 그림이다.

(c) 그래프는 z=∣x∣+∣y∣z=|x|+|y| 이다. 고정된 각 z0≥0z_0\ge 0 에 대해, 이 그래프와 수평 평면 z=z0z=z_0 의 교선은 정사각형 ∣x∣+∣y∣=z0|x|+|y|=z_0 이다. x,y≥0x,y\ge 0 인 정사각형의 변은 직선 x+y=z0x+y=z_0 이다. x≥0x\ge 0 이고 y≤0y\le 0 인 정사각형의 변은 직선 x−y=z0x-y=z_0 이며, 나머지 변도 같은 방식이다. 정사각형의 네 꼭짓점은 (±z0,0,z0)(\pm z_0,0,z_0) 와 (0,±z0,z0)(0, \pm z_0,z_0) 이다. 따라서 그래프는 정사각형을 쌓아 놓은 것이다. 이것은 거꾸로 세워진 사각뿔이다. 이 사각뿔 중 제1팔분공간(즉, x,y,z≥0x,y,z\ge 0)에 있는 부분이 아래의 그림이다.

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) The graph is z=sin⁡xz=\sin x with (x,y)(x,y) running over 0≤x≤2π0\le x\le 2\pi, 0≤y≤10\le y\le 1. For each fixed y0y_0 between 00 and 11, the intersection of this graph with the vertical plane y=y0y=y_0 is the same sin graph z=sin⁡xz=\sin x with xx running from 00 to 2π2\pi. So the whole graph is just a bunch of 2-d sin graphs stacked side-by-side. This gives the graph on the left below.

figure

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(b) The graph is z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2}. For each fixed z0≥0z_0\ge 0, the intersection of this graph with the horizontal plane z=z0z=z_0 is the circle x2+y2=z0\sqrt{x^2+y^2}=z_0. This circle is centred on the zz-axis and has radius z0z_0. So the graph is the upper half of a cone. It is the sketch on the right above.

(c) The graph is z=∣x∣+∣y∣z=|x|+|y|. For each fixed z0≥0z_0\ge 0, the intersection of this graph with the horizontal plane z=z0z=z_0 is the square ∣x∣+∣y∣=z0|x|+|y|=z_0. The side of the square with x,y≥0x,y\ge 0 is the straight line x+y=z0x+y=z_0. The side of the square with x≥0x\ge 0 and y≤0y\le 0 is the straight line x−y=z0x-y=z_0 and so on. The four corners of the square are (±z0,0,z0)(\pm z_0,0,z_0) and (0,±z0,z0)(0, \pm z_0,z_0). So the graph is a stack of squares. It is an upside down four-sided pyramid. The part of the pyramid in the first octant (that is, x,y,z≥0x,y,z\ge 0) is the sketch below.

figure

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 8번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석보통자동 분류
242.CLP-3 · 1.7절 · 11번대학 수준우리말 번역

다음 곡면의 개형을 그리고 설명하세요.

(a) 4x2+y2=164x^2+y^2=16 (b) x+y+2z=4x+y+2z=4 (c) y29+z24=1+x216\frac{y^2}{9}+\frac{z^2}{4}=1+\frac{x^2}{16} (d) y2=x2+z2y^2=x^2+z^2 (e) x29+y212+z29=1\frac{x^2}{9}+\frac{y^2}{12}+\frac{z^2}{9}=1 (f) x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0x^2+y^2+z^2+4x-by+9z-b=0 단, bb 는 상수이다. (g) x4=y24+z29\frac{x}{4}=\frac{y^2}{4}+\frac{z^2}{9} (h) z=x2z=x^2

영어 원문 보기

Sketch and describe the following surfaces.

(a) 4x2+y2=164x^2+y^2=16 (b) x+y+2z=4x+y+2z=4 (c) y29+z24=1+x216\frac{y^2}{9}+\frac{z^2}{4}=1+\frac{x^2}{16} (d) y2=x2+z2y^2=x^2+z^2 (e) x29+y212+z29=1\frac{x^2}{9}+\frac{y^2}{12}+\frac{z^2}{9}=1 (f) x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0x^2+y^2+z^2+4x-by+9z-b=0 where bb is a constant. (g) x4=y24+z29\frac{x}{4}=\frac{y^2}{4}+\frac{z^2}{9} (h) z=x2z=x^2

정답·풀이 보기

(a) 고정된 각각의 z0z_0 에 대해, 이 곡면의 z=z0z=z_0 단면(xyxy 평면에 평행한 단면)은 원점을 중심으로 하는 타원이며, xx 축 방향의 반축의 길이는 2, yy 축 방향의 반축의 길이는 4 이다. 따라서 이것은 zz 축에 평행한 타원기둥이다. 다음은 xyxy 평면 위쪽에 있는 곡면 부분의 개형이다.

그림

(b) 이것은 세 점 (4,0,0)(4,0,0), (0,4,0)(0,4,0), (0,0,2)(0,0,2) 를 지나는 평면이다. 다음은 제1팔분공간에 있는 평면 부분의 개형이다.

그림

(c) 고정된 각각의 x0x_0 에 대해, yzyz 평면에 평행한 x=x0x=x_0 단면은 타원이며, yy 축에 평행한 반축의 길이는 31+x02163\sqrt{1+\frac{x_0^2}{16}}, zz 축에 평행한 반축의 길이는 21+x02162\sqrt{1+\frac{x_0^2}{16}} 이다. x=0x=0 에서 xx 축을 따라 멀어질수록 타원은 1+x216\sqrt{1+\frac{x^2}{16}} 에 비례하는 비율로 커지며, 이는 xx 가 클 때 대략 ∣x∣4\frac{|x|}{4} 이다. 이것을 일엽쌍곡면이라 한다. 이 곡면의

그림

그림

(d) 고정된 각각의 y0y_0 에 대해, y=x0y=x_0 단면(xzxz 평면에 평행한 단면)은 yy 축을 중심으로 하고 반지름이 ∣y∣|y| 인 원이다. y0=0y_0=0 일 때 반지름은 00 이다. xzxz 평면에서 어느 방향으로든 더 멀어질수록, 즉 ∣y0∣|y_0| 가 커질수록 반지름은 선형적으로(일정한 비율로) 커진다. 곡면 전체는 이러한 원들을 옆으로 쌓아 놓은 것이다. 이것은 yy 축을 중심축으로 하는 원뿔이다.

그림

(e) 이것은 원점을 중심으로 하는 타원면이며, xx 축, yy 축, zz 축 방향의 반축의 길이는 각각 33, 12=23\sqrt{12}=2\sqrt{3}, 33 이다.

그림

그림

(f) 세 번 완전제곱식으로 고치면, x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0x^2+y^2+z^2+4x-by+9z-b=0 일 필요충분조건은 (x+2)2+(y−b2)2+(z+92)2=b+4+b24+814(x+2)^2+\big(y-\frac{b}{2}\big)^2+\big(z+\frac{9}{2}\big)^2 =b+4+\frac{b^2}{4}+\frac{81}{4} 이다. 이것은 반지름이 rb=12b2+4b+97r_b=\frac{1}{2}\sqrt{b^2+4b+97} 이고 중심이 12(−4,b,−9)\frac{1}{2}(-4,b,-9) 인 구이다.

그림

(g) 곡면 위에는 x<0x<0 인 점이 없다. 고정된 각각의 x0>0x_0>0 에 대해, yzyz 평면에 평행한 단면 x=x0x=x_0 는 xx 축을 중심으로 하는 타원이며, yy 축 방향의 반축의 길이는 x0\sqrt{x_0}, zz 축 방향의 반축의 길이는 32x0\frac{3}{2}\sqrt{x_0} 이다. x0x_0 가 커질수록, 즉 xx 축을 따라 멀어질수록 타원은 x0\sqrt{x_0} 에 비례하는 비율로 커진다. 이것은 xx 축을 축으로 하는 타원포물면이다.

그림

그림

(h) 이것을 포물기둥이라 한다. 고정된 임의의 y0y_0 에 대해, y=y0y=y_0 단면(xzxz 평면에 평행한 단면)은 위로 열린 포물선 z=x2z=x^2 이며, 이 포물선의 꼭짓점은 yy 축 위에 있다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) For each fixed z0z_0, the z=z0z=z_0 cross-section (parallel to the xyxy-plane) of this surface is an ellipse centered on the origin with one semiaxis of length 2 along the xx-axis and one semiaxis of length 4 along the yy-axis. So this is an elliptic cylinder parallel to the zz-axis. Here is a sketch of the part of the surface above the xyxy–plane.

figure

(b) This is a plane through (4,0,0)(4,0,0), (0,4,0)(0,4,0) and (0,0,2)(0,0,2). Here is a sketch of the part of the plane in the first octant.

figure

(c) For each fixed x0x_0, the x=x0x=x_0 cross-section parallel to the yzyz-plane is an ellipse with semiaxes 31+x02163\sqrt{1+\frac{x_0^2}{16}} parallel to the yy-axis and 21+x02162\sqrt{1+\frac{x_0^2}{16}} parallel to the zz-axis. As you move out along the xx-axis, away from x=0x=0, the ellipses grow at a rate proportional to 1+x216\sqrt{1+\frac{x^2}{16}}, which for large xx is approximately ∣x∣4\frac{|x|}{4}. This is called a hyperboloid of one sheet. Its

figure

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(d) For each fixed y0y_0, the y=x0y=x_0 cross-section (parallel to the xzxz-plane) is a circle of radius ∣y∣|y| centred on the yy-axis. When y0=0y_0=0 the radius is 00. As you move further from the xzxz-plane, in either direction, i.e. as ∣y0∣|y_0| increases, the radius grows linearly. The full surface consists of a bunch of these circles stacked sideways. This is a circular cone centred on the yy-axis.

figure

(e) This is an ellipsoid centered on the origin with semiaxes 33, 12=23\sqrt{12}=2\sqrt{3} and 33 along the xx, yy and zz-axes, respectively.

figure

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(f) Completing three squares, we have that x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0x^2+y^2+z^2+4x-by+9z-b=0 if and only if (x+2)2+(y−b2)2+(z+92)2=b+4+b24+814(x+2)^2+\big(y-\frac{b}{2}\big)^2+\big(z+\frac{9}{2}\big)^2 =b+4+\frac{b^2}{4}+\frac{81}{4}. This is a sphere of radius rb=12b2+4b+97r_b=\frac{1}{2}\sqrt{b^2+4b+97} centered on 12(−4,b,−9)\frac{1}{2}(-4,b,-9).

figure

(g) There are no points on the surface with x<0x<0. For each fixed x0>0x_0>0 the cross-section x=x0x=x_0 parallel to the yzyz-plane is an ellipse centred on the xx–axis with semiaxes x0\sqrt{x_0} in the yy-axis direction and 32x0\frac{3}{2}\sqrt{x_0} in the zz–axis direction. As you increase x0x_0, i.e. move out along the xx-axis, the ellipses grow at a rate proportional to x0\sqrt{x_0}. This is an elliptic paraboloid with axis the xx-axis.

figure

figure

(h) This is called a parabolic cylinder. For any fixed y0y_0, the y=y0y=y_0 cross-section (parallel to the xzxz-plane) is the upward opening parabola z=x2z=x^2 which has vertex on the yy-axis.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 10번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석보통자동 분류
243.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
244.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)
245.CLP-4 · 1.4절 · 1번대학 수준우리말 번역

아래는 삼차원 곡선과 한 점에서의 접촉원(밀착원)을 그린 것이다. 이 그림에 T^\hat{\mathbf{T}} 와 N^\hat{\mathbf{N}} 을 표시하세요. B^\hat{\mathbf{B}} 는 종이 밖으로 독자 쪽을 향하나요, 아니면 종이 안으로 독자에게서 멀어지는 쪽을 향하나요?

그림

영어 원문 보기

In the sketch below of a three-dimensional curve and its osculating circle at a point, label T^\hat{\mathbf{T}} and N^\hat{\mathbf{N}}. Will B^\hat{\mathbf{B}} be pointing out of the paper towards the reader, or into the paper away from the reader?

figure

정답·풀이 보기

T^\hat{\mathbf{T}} 는 곡선에 접하고, N^\hat{\mathbf{N}} 은 곡선에 수직이다.

그림

오른손 법칙과 B^=T^×N^\hat{\mathbf{B}}=\hat{\mathbf{T}} \times \hat{\mathbf{N}} 을 이용하면 B^\hat{\mathbf{B}} 는 종이 밖(독자 쪽)을 향한다.

이를 확인하려면, 오른손의 네 손가락을 T^\hat{\mathbf{T}} 의 방향으로 향한 뒤 N^\hat{\mathbf{N}} 의 방향이 될 때까지 안쪽으로 감아 쥔다. 이렇게 하려면 엄지손가락이 자신에게서 멀어지는 쪽이 아니라 자신을 향해야 한다. 엄지손가락이 가리키는 방향이 T^×N^\hat{\mathbf{T}} \times \hat{\mathbf{N}} 의 방향이다.

원본 교재 풀이(영어)

T^\hat{\mathbf{T}} is tangent to the curve, while N^\hat{\mathbf{N}} is perpendicular to it.

figure

Using the right-hand rule and B^=T^×N^\hat{\mathbf{B}}=\hat{\mathbf{T}} \times \hat{\mathbf{N}}, B^\hat{\mathbf{B}} points out of the page (towards the reader).

To see this, point the fingers of your right hand in the direction of T^\hat{\mathbf{T}}, and curl them inwards until they are in the direction of N^\hat{\mathbf{N}}. To do this, your thumb must be pointing towards you, not away from you. Your thumb shows the direction of T^×N^\hat{\mathbf{T}} \times \hat{\mathbf{N}}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.4절 · 2번
# 단위접선·법선벡터그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
246.CLP-4 · 1.7절 · 1번대학 수준우리말 번역

아래 그림은 철사를 따라 미끄러져 내려가는 구슬을 나타낸 것입니다. 철사가 구슬에 작용하는 수직항력과 중력을 나타내는 벡터를 그리세요.

그림

페이지의 위쪽이 "수직 위쪽"이라고 가정하세요.

영어 원문 보기

The figure below represents a bead sliding down a wire. Sketch vectors representing the normal force the wire exerts on the bead, and the force of gravity.

figure

Assume the top of the page is “straight up."

정답·풀이 보기

벡터의 크기를 가늠할 만한 정보는 충분하지 않지만, 방향은 알 수 있다. 중력은 바로 아래로 당기므로 벡터 −mgȷ^-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}} 는 바로 아래를 향한다. 수직항력은 곡선에 수직인 방향이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

We don't have enough information to gauge the size of the vectors, but we can figure out their direction. Gravity pulls straight down, so the vector −mgȷ^-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}} points straight down. The normal force will be normal to the curve.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 13번
# 공간에서의 운동그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
247.CLP-4 · 1.7절 · 3번대학 수준우리말 번역

아래와 같은 모양의 철사를 따라 구슬이 미끄러져 내려갑니다. x<0x<0 입니다.

그림

구슬이 위치 xx 에 있을 때 철사가 구슬에 가하는 수직항력을 WN^W\hat{\mathbf{N}} 이라 하세요. 단, W>0W>0 입니다. dWdx\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x} 는 양수인지 음수인지 판단하세요.

영어 원문 보기

A bead slides down a wire with the shape shown below, x<0x<0.

figure

Let WN^W\hat{\mathbf{N}} be the normal force exerted by the wire when the bead is at position xx. Note W>0W>0. Is dWdx\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x} positive or negative?

정답·풀이 보기

풀이 1:

xx 가 음수이고 절댓값이 클수록 철사는 점점 수직선에 가까워진다. 구슬이 수직인 철사를 따라 내려간다면 철사에 닿지 않고도 내려갈 수 있으므로, 구슬에 가해지는 힘은 0이다. xx 가 왼쪽에서 0에 가까워질수록 철사는 수평선에 가까워진다. 구슬이 수평선 위에 놓여 있다면 철사는 중력을 상쇄하도록 위로 밀어 올릴 것이다. 따라서 철사가 가하는 힘의 크기는 xx 가 증가함에 따라 증가한다고 생각할 수 있다. 즉, dWdx>0\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x}>0 이다.

풀이 2:

구슬에 작용하는 알짜힘은 다음과 같다.

F=ma=WN^−mgȷ^양변에 N^ 을 내적한다.WN^⋅N^−mgȷ^⋅N^=ma⋅N^식 a(t)=d2sdt2T^+κ(dsdt)2N^ 을 이용하면,W−mgȷ^⋅N^=mκ(dsdt)2W=mgn^⋅N^+mκ(dsdt)2=mgcos⁡θ+mκ(dsdt)2\begin{aligned} F=m\mathbf{a}&= W\hat{\mathbf{N}} -mg\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \text{양변에 $\hat{\mathbf{N}}$ 을 내적한다.} \\ W\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\mathbf{N}} - mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}&=m\mathbf{a}\cdot\hat{\mathbf{N}} \\ \text{식 $\mathbf{a}(t) = \frac{\mathrm{d}^2s}{\mathrm{d}{t}^2}\hat{\mathbf{T}} + \kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\hat{\mathbf{N}}$ 을 이용하면,} \\ W-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}&=m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ W&=mg\hat{\mathbf{n}}\cdot\hat{\mathbf{N}}+m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ &=mg\cos\theta+m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2 \end{aligned}

여기서 θ\theta 는 ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} 와 N^\hat{\mathbf{N}} 사이의 각이다.

xx 가 절댓값이 큰 음수에서 0으로 움직이면 θ\theta 는 π/2\pi/2 에 가까운 값에서 00 에 가까운 값으로 움직인다. 따라서 cos⁡θ\cos \theta 는 0에 가까운 값에서 1에 가까운 값으로 증가한다. 그러면 mgcos⁡θmg\cos\theta 는 증가한다.

또한 xx 가 증가함에 따라 그림에서 곡률 κ\kappa 가 증가하고, 속력 dsdt\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} 도 증가함을 알 수 있다(위치 에너지가 감소하므로 운동 에너지는 증가한다).

따라서 dWdx>0\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x}>0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Solution 1:

For large, negative values of xx, the wire is closer and closer to a vertical line. If the bead were sliding down a vertical wire, it could do so without even touching the wire, so the force exerted on the bead would be zero. As xx approaches 0 from the left, the wire approximates a horizontal line. If the bead were sitting on a horizontal line, the wire would be pushing up to counter gravity. So, we imagine the magnitude of the force exerted by the wire might increase as xx increases. That is, dWdx>0\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x}>0.

Solution 2:

The net force exerted on the bead is

F=ma=WN^−mgȷ^We dot both sides with N^.WN^⋅N^−mgȷ^⋅N^=ma⋅N^Using the equation a(t)=d2sdt2T^+κ(dsdt)2N^,W−mgȷ^⋅N^=mκ(dsdt)2W=mgn^⋅N^+mκ(dsdt)2=mgcos⁡θ+mκ(dsdt)2\begin{aligned} F=m\mathbf{a}&= W\hat{\mathbf{N}} -mg\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \text{We dot both sides with $\hat{\mathbf{N}}$.} \\ W\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\mathbf{N}} - mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}&=m\mathbf{a}\cdot\hat{\mathbf{N}} \\ \text{Using the equation $\mathbf{a}(t) = \frac{\mathrm{d}^2s}{\mathrm{d}{t}^2}\hat{\mathbf{T}} + \kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\hat{\mathbf{N}}$,} \\ W-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}&=m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ W&=mg\hat{\mathbf{n}}\cdot\hat{\mathbf{N}}+m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2\\ &=mg\cos\theta+m\kappa \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^2 \end{aligned}

where θ\theta is the angle between ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} and N^\hat{\mathbf{N}}.

As xx moves from a highly negative number to zero, θ\theta moves from nearly π/2\pi/2 to nearly 00. Therefore cos⁡θ\cos \theta increases from nearly zero to nearly one. Then mgcos⁡θmg\cos\theta is increasing.

Furthermore, as xx increases, we see from the picture that the curvature κ\kappa increases, and speed dsdt\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} increases as well (kinetic energy is increasing as potential energy decreases).

So, dWdx>0\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x}>0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 2번
# 공간에서의 운동그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)