(a)
그래프는 (x,y) 가 0≤x≤2π, 0≤y≤1 의 범위를 움직일 때의 z=sinx 이다. 0 과 1 사이의 고정된 각 y0 에 대해, 이 그래프와 수직 평면 y=y0 의 교선은 x 가 0 부터 2π 까지 변하는 같은 사인 그래프 z=sinx 이다. 따라서 전체 그래프는 2차원 사인 그래프를 나란히 쌓아 놓은 것과 같다. 이것이 아래 왼쪽의 그래프이다.
(b)
그래프는 z=x2+y2 이다. 고정된 각 z0≥0 에 대해, 이 그래프와 수평 평면 z=z0 의 교선은 원 x2+y2=z0 이다. 이 원은 z축 위에 중심이 있고 반지름이 z0 이다. 따라서 그래프는 원뿔의 위쪽 절반이다. 이것이 위 오른쪽의 그림이다.
(c)
그래프는 z=∣x∣+∣y∣ 이다. 고정된 각 z0≥0 에 대해, 이 그래프와 수평 평면 z=z0 의 교선은 정사각형 ∣x∣+∣y∣=z0 이다. x,y≥0 인 정사각형의 변은 직선 x+y=z0 이다. x≥0 이고 y≤0 인 정사각형의 변은 직선 x−y=z0 이며, 나머지 변도 같은 방식이다. 정사각형의 네 꼭짓점은 (±z0,0,z0) 와 (0,±z0,z0) 이다. 따라서 그래프는 정사각형을 쌓아 놓은 것이다. 이것은 거꾸로 세워진 사각뿔이다. 이 사각뿔 중 제1팔분공간(즉, x,y,z≥0)에 있는 부분이 아래의 그림이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a)
The graph is z=sinx with (x,y) running over
0≤x≤2π, 0≤y≤1. For each fixed y0 between 0 and 1,
the intersection of this graph with the vertical plane y=y0 is the
same sin graph z=sinx with x running from 0 to 2π. 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.
(b)
The graph is z=x2+y2. For each fixed z0≥0,
the intersection of this graph with the horizontal plane z=z0 is the
circle x2+y2=z0. This circle is centred on the z-axis
and has radius z0. 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∣. For each fixed z0≥0,
the intersection of this graph with the horizontal plane z=z0 is the
square ∣x∣+∣y∣=z0. The side of the square with x,y≥0 is the straight
line x+y=z0. The side of the square with x≥0 and y≤0 is
the straight line x−y=z0 and so on. The four corners of the square are
(±z0,0,z0) and (0,±z0,z0). 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≥0) is the sketch below.
(a) 4x2+y2=16
(b) x+y+2z=4
(c) 9y2+4z2=1+16x2
(d) y2=x2+z2
(e) 9x2+12y2+9z2=1
(f) x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0 단, b 는 상수이다.
(g) 4x=4y2+9z2
(h) z=x2
영어 원문 보기
Sketch and describe the following surfaces.
(a) 4x2+y2=16
(b) x+y+2z=4
(c) 9y2+4z2=1+16x2
(d) y2=x2+z2
(e) 9x2+12y2+9z2=1
(f) x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0 where b is a constant.
(g) 4x=4y2+9z2
(h) z=x2
정답·풀이 보기
(a)
고정된 각각의 z0 에 대해, 이 곡면의 z=z0 단면(xy 평면에 평행한 단면)은
원점을 중심으로 하는 타원이며, x 축 방향의 반축의 길이는 2, y 축 방향의 반축의 길이는
4 이다. 따라서 이것은 z 축에 평행한 타원기둥이다.
다음은 xy 평면 위쪽에 있는 곡면 부분의 개형이다.
(b)
이것은 세 점 (4,0,0), (0,4,0), (0,0,2) 를 지나는 평면이다.
다음은 제1팔분공간에 있는 평면 부분의 개형이다.
(c)
고정된 각각의 x0 에 대해, yz 평면에 평행한 x=x0
단면은 타원이며, y 축에 평행한 반축의 길이는
31+16x02, z 축에 평행한 반축의 길이는
21+16x02 이다.
x=0 에서 x 축을 따라 멀어질수록 타원은
1+16x2 에 비례하는 비율로 커지며, 이는 x 가 클 때
대략 4∣x∣ 이다.
이것을 일엽쌍곡면이라 한다. 이 곡면의
(d)
고정된 각각의 y0 에 대해, y=x0 단면(xz 평면에 평행한 단면)은
y 축을 중심으로 하고 반지름이 ∣y∣ 인 원이다. y0=0 일 때 반지름은
0 이다. xz 평면에서 어느 방향으로든 더 멀어질수록,
즉 ∣y0∣ 가 커질수록 반지름은 선형적으로(일정한 비율로) 커진다. 곡면 전체는
이러한 원들을 옆으로 쌓아 놓은 것이다. 이것은
y 축을 중심축으로 하는 원뿔이다.
(e)
이것은 원점을 중심으로 하는 타원면이며, x 축, y 축, z 축 방향의 반축의 길이는 각각 3,
12=23, 3 이다.
(f)
세 번 완전제곱식으로 고치면,
x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0 일 필요충분조건은
(x+2)2+(y−2b)2+(z+29)2=b+4+4b2+481 이다.
이것은 반지름이 rb=21b2+4b+97 이고 중심이
21(−4,b,−9) 인 구이다.
(g)
곡면 위에는 x<0 인 점이 없다.
고정된 각각의 x0>0 에 대해, yz 평면에 평행한 단면 x=x0 는
x 축을 중심으로 하는 타원이며, y 축 방향의 반축의 길이는 x0,
z 축 방향의 반축의 길이는 23x0 이다. x0 가 커질수록,
즉 x 축을 따라 멀어질수록
타원은 x0 에 비례하는 비율로 커진다. 이것은
x 축을 축으로 하는 타원포물면이다.
(h)
이것을 포물기둥이라 한다. 고정된 임의의 y0 에 대해,
y=y0 단면(xz 평면에 평행한 단면)은 위로 열린
포물선 z=x2 이며, 이 포물선의 꼭짓점은 y 축 위에 있다.
원본 교재 풀이(영어)
(a)
For each fixed z0, the z=z0 cross-section (parallel to the xy-plane)
of this surface is an ellipse centered on the origin with
one semiaxis of length 2 along the x-axis and one semiaxis of length
4 along the y-axis. So this is an elliptic cylinder parallel to the z-axis.
Here is a sketch of the part of the surface above the xy–plane.
(b)
This is a plane through (4,0,0), (0,4,0) and (0,0,2).
Here is a sketch of the part of the plane in the first octant.
(c)
For each fixed x0, the x=x0
cross-section parallel to the yz-plane is an ellipse with semiaxes
31+16x02 parallel to the y-axis and
21+16x02 parallel to the z-axis.
As you move out along the x-axis, away from x=0, the ellipses grow
at a rate proportional to 1+16x2, which for large x
is approximately 4∣x∣.
This is called a hyperboloid of one sheet. Its
(d)
For each fixed y0, the y=x0 cross-section (parallel to the xz-plane)
is a circle of radius ∣y∣ centred on the y-axis. When y0=0 the radius
is 0. As you move further from the xz-plane, in either direction,
i.e. as ∣y0∣ 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 y-axis.
(e)
This is an ellipsoid centered on the origin with semiaxes 3,
12=23 and 3 along the x, y and z-axes, respectively.
(f)
Completing three squares, we have that
x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0 if and only if
(x+2)2+(y−2b)2+(z+29)2=b+4+4b2+481.
This is a sphere of radius rb=21b2+4b+97 centered on
21(−4,b,−9).
(g)
There are no points on the surface with x<0.
For each fixed x0>0 the cross-section x=x0 parallel to the
yz-plane is an ellipse centred on the x–axis with semiaxes x0
in the y-axis direction and 23x0 in the z–axis
direction. As you increase x0, i.e. move out along the x-axis,
the ellipses grow at a rate proportional to x0. This is
an elliptic paraboloid with axis the x-axis.
(h)
This is called a parabolic cylinder. For any fixed y0, the
y=y0 cross-section (parallel to the xz-plane) is the upward
opening parabola z=x2 which has vertex on the y-axis.
아래 곡면은 z축을 중심으로 하는 원형 등위곡선을 가집니다. 주어진 직선들은 이 곡면과 yz평면의 오른쪽 절반이 만나서 생기는 것입니다. 이 곡면의 방정식을 구하세요.
영어 원문 보기
The surface below has circular level curves, centred along the z-axis. The lines given are the intersection of the surface with the right half of the yz-plane. Give an equation for the surface.
정답·풀이 보기
등위곡선이 (xy평면에서) 원점을 중심으로 하는 원이므로, z가 상수일 때 방정식은 어떤 상수 c에 대하여 x2+y2=c 꼴이다. 즉 방정식은 다음과 같은 꼴이다.
x2+y2=g(z), 여기서 g(z)는 z에만 의존하는 함수이다.
단면이 매우 대칭적이므로, 이 도형이 yz평면의 왼쪽과 만나는 부분도 알 수 있다: z=3(−y−1)=−3(y+1)
(z≥0 일 때)이고 z=−3(−y−1)=3(y+1) (z<0 일 때)이다. 아래는 이 곡면과 yz평면이 만나는 부분이다.
x=0 을 대입하면 방정식은 y2=g(z) 가 된다. yz평면의 오른쪽을 보면 다음을 얻는다:
{z=3(y−1)z=−3(y−1)z≥0,y≥1일때z<0,y≥1일때}. 즉,
∣z∣3∣z∣+1(3∣z∣+1)2=3(y−1)=y=y2(∗)
간단한 확인: (∗) 에서 양변을 제곱할 때 또 다른 해 3∣z∣+1=−y 가 추가되었다. 그림과 달라지지 않았는지 확인해 보자.
이는 그림과 정확히 일치한다. 따라서 이 곡면의 방정식은 다음과 같다.
x2+y2=(3∣z∣+1)2
원본 교재 풀이(영어)
Since the level curves are circles centred at the origin (in the xy-plane), when z is a constant, the equation will have the form x2+y2=c for some constant. That is, our equation looks like
x2+y2=g(z), where g(z) is a function depending only on z.
Because our cross-sections are so nicely symmetric, we know the intersection of the figure with the left side of the yz-plane as well: z=3(−y−1)=−3(y+1)
(when z≥0) and z=−3(−y−1)=3(y+1) (when z<0). Below is the intersection of our surface with the yz plane.
Setting x=0, our equation becomes y2=g(z). Looking at the right side of the yz plane, this should lead to:
{z=3(y−1)z=−3(y−1)if z≥0,y≥1if z<0,y≥1}. That is:
∣z∣3∣z∣+1(3∣z∣+1)2=3(y−1)=y=y2(∗)
A quick check: when we squared both sides of the equation in (∗), we added another solution, 3∣z∣+1=−y. Let's make sure we haven't diverged from our diagram.
R2 에서 함수
y=3x3 의 그래프로 주어진 곡선을 C 라 하고, 점
(x,x3/3) 에서 C 의 곡률을 κ(x) 라 하자. κ(x) 가 최댓값을 갖는 점을 모두 구하세요. 그러한 점이 없다면 그 이유를 설명하세요. x→∞ 일 때와
x→−∞ 일 때 κ(x) 의 극한은 각각 얼마인지 구하세요.
영어 원문 보기
Let C be the curve in R2 given by the graph of the function
y=3x3. Let κ(x) be the curvature of C at the point
(x,x3/3). Find all points where κ(x) attains its maximal values,
or else explain why such points do not exist. What are the limits of
κ(x) as x→∞ and
x→−∞?
정답·풀이 보기
곡선은 y=y(x)=x3/3 이다. y′(x)=x2 이고
y′′(x)=2x 이므로 곡률은 다음과 같다.
We'd like to find the critical points of κ(x), but differentiating it looks messy. Since κ(x) has only nonnegative values, its maxima correspond the maxima of the function κ2(x). So, we find the critical points of κ2(x) instead, to save ourselves some computational toil.
아래는 삼차원 곡선과 한 점에서의 접촉원(밀착원)을 그린 것이다. 이 그림에 T^ 와 N^ 을 표시하세요. B^ 는 종이 밖으로 독자 쪽을 향하나요, 아니면 종이 안으로 독자에게서 멀어지는 쪽을 향하나요?
영어 원문 보기
In the sketch below of a three-dimensional curve and its osculating circle at a point, label T^ and N^. Will B^ be pointing out of the paper towards the reader, or into the paper away from the reader?
정답·풀이 보기
T^ 는 곡선에 접하고, N^ 은 곡선에 수직이다.
오른손 법칙과 B^=T^×N^ 을 이용하면 B^ 는 종이 밖(독자 쪽)을 향한다.
이를 확인하려면, 오른손의 네 손가락을 T^ 의 방향으로 향한 뒤 N^ 의 방향이 될 때까지 안쪽으로 감아 쥔다. 이렇게 하려면 엄지손가락이 자신에게서 멀어지는 쪽이 아니라 자신을 향해야 한다. 엄지손가락이 가리키는 방향이 T^×N^ 의 방향이다.
원본 교재 풀이(영어)
T^ is tangent to the curve, while N^ is perpendicular to it.
Using the right-hand rule and B^=T^×N^, B^ points out of the page (towards the reader).
To see this, point the fingers of your right hand in the direction of T^, and curl them inwards until they are in the direction of N^. To do this, your thumb must be pointing towards you, not away from you. Your thumb shows the direction of T^×N^.
아래 그림은 철사를 따라 미끄러져 내려가는 구슬을 나타낸 것입니다. 철사가 구슬에 작용하는 수직항력과 중력을 나타내는 벡터를 그리세요.
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.
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 −mg^ 는 바로 아래를 향한다. 수직항력은 곡선에 수직인 방향이다.
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 −mg^ points straight down. The normal force will be normal to the curve.
구슬이 위치 x 에 있을 때 철사가 구슬에 가하는 수직항력을 WN^ 이라 하세요. 단, W>0 입니다. dxdW 는 양수인지 음수인지 판단하세요.
영어 원문 보기
A bead slides down a wire with the shape shown below, x<0.
Let WN^ be the normal force exerted by the wire when the bead is at position x. Note W>0. Is dxdW positive or negative?
정답·풀이 보기
풀이 1:
x 가 음수이고 절댓값이 클수록 철사는 점점 수직선에 가까워진다. 구슬이 수직인 철사를 따라 내려간다면 철사에 닿지 않고도 내려갈 수 있으므로, 구슬에 가해지는 힘은 0이다. x 가 왼쪽에서 0에 가까워질수록 철사는 수평선에 가까워진다. 구슬이 수평선 위에 놓여 있다면 철사는 중력을 상쇄하도록 위로 밀어 올릴 것이다. 따라서 철사가 가하는 힘의 크기는 x 가 증가함에 따라 증가한다고 생각할 수 있다. 즉, dxdW>0 이다.
x 가 절댓값이 큰 음수에서 0으로 움직이면 θ 는 π/2 에 가까운 값에서 0 에 가까운 값으로 움직인다. 따라서 cosθ 는 0에 가까운 값에서 1에 가까운 값으로 증가한다. 그러면 mgcosθ 는 증가한다.
또한 x 가 증가함에 따라 그림에서 곡률 κ 가 증가하고, 속력 dtds 도 증가함을 알 수 있다(위치 에너지가 감소하므로 운동 에너지는 증가한다).
따라서 dxdW>0 이다.
원본 교재 풀이(영어)
Solution 1:
For large, negative values of x, 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 x 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 x increases. That is, dxdW>0.
Solution 2:
The net force exerted on the bead is
F=maWe dot both sides with N^.WN^⋅N^−mg^⋅N^Using the equation a(t)=dt2d2sT^+κ(dtds)2N^,W−mg^⋅N^W=WN^−mg^=ma⋅N^=mκ(dtds)2=mgn^⋅N^+mκ(dtds)2=mgcosθ+mκ(dtds)2
where θ is the angle between ^ and N^.
As x moves from a highly negative number to zero, θ moves from nearly π/2 to nearly 0. Therefore cosθ increases from nearly zero to nearly one. Then mgcosθ is increasing.
Furthermore, as x increases, we see from the picture that the curvature κ increases, and speed dtds increases as well (kinetic energy is increasing as potential energy decreases).