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675문제 · 31 / 34쪽

601.APEX · 11.5절 · 28번대학 수준우리말 번역

연습문제 27–30에서 주어진 값에서의 곡률반지름을 구하세요.

y=x2+x−3y=x^2+x-3, x=π/4x=\pi/4 일 때

영어 원문 보기

In Exercises 27–30 , find the radius of curvature at the indicated value.

y=x2+x−3y=x^2+x-3, at x=π/4x=\pi/4

정답·풀이 보기

곡률반지름은 5105\sqrt{10} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

radius of curvature is 5105\sqrt{10}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 8번
# 호의 길이와 곡률계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
602.APEX · 11.5절 · 29번대학 수준우리말 번역

연습문제 27–30에서 주어진 값에서의 곡률반지름을 구하세요.

r⃗(t)=⟨cos⁡t,sin⁡(3t)⟩\vec r(t) = \left\langle \cos t, \sin (3t)\right\rangle , t=0t=0 일 때

영어 원문 보기

In Exercises 27–30 , find the radius of curvature at the indicated value.

r⃗(t)=⟨cos⁡t,sin⁡(3t)⟩\vec r(t) = \left\langle \cos t, \sin (3t)\right\rangle , at t=0t=0

정답·풀이 보기

곡률반지름은 99 이다.

원본 교재 풀이(영어)

radius of curvature is 99.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.3절 · 12번
# 호의 길이와 곡률계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
603.APEX · 11.5절 · 30번대학 수준우리말 번역

연습문제 27–30에서 주어진 값에서의 곡률반지름을 구하세요.

r⃗(t)=⟨5cos⁡(3t),t⟩\vec r(t) = \left\langle 5\cos (3 t), t\right\rangle , t=0t=0 일 때

영어 원문 보기

In Exercises 27–30 , find the radius of curvature at the indicated value.

r⃗(t)=⟨5cos⁡(3t),t⟩\vec r(t) = \left\langle 5\cos (3 t), t\right\rangle , at t=0t=0

정답·풀이 보기

곡률반지름은 1/451/45 이다.

원본 교재 풀이(영어)

radius of curvature is 1/451/45.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 50번
# 호의 길이와 곡률계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
604.APEX · 11.5절 · 31번대학 수준우리말 번역

연습문제 31–34에서 주어진 tt의 값에서 곡선의 접촉원의 방정식을 구하세요.

r⃗(t)=⟨t,t2⟩\vec r(t) = \left\langle t,t^2\right\rangle , t=0t=0 일 때

영어 원문 보기

In Exercises 31–34 , find the equation of the osculating circle to the curve at the indicated tt-value.

r⃗(t)=⟨t,t2⟩\vec r(t) = \left\langle t,t^2\right\rangle , at t=0t=0

정답·풀이 보기

x2+(y−1/2)2=1/4x^2+(y-1/2)^2 = 1/4, or c⃗(t)=⟨1/2cos⁡t,1/2sin⁡t+1/2⟩\vec c(t) = \left\langle 1/2\cos t, 1/2\sin t+ 1/2\right\rangle

원본 교재 풀이(영어)

x2+(y−1/2)2=1/4x^2+(y-1/2)^2 = 1/4, or c⃗(t)=⟨1/2cos⁡t,1/2sin⁡t+1/2⟩\vec c(t) = \left\langle 1/2\cos t, 1/2\sin t+ 1/2\right\rangle

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 24번
# 호의 길이와 곡률계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
605.APEX · 11.5절 · 32번대학 수준우리말 번역

연습문제 31–34에서 주어진 tt의 값에 대해 곡선의 접촉원의 방정식을 구하세요.

r⃗(t)=⟨3cos⁡t,sin⁡t⟩\vec r(t) = \left\langle 3\cos t, \sin t\right\rangle , t=0t=0일 때

영어 원문 보기

In Exercises 31–34 , find the equation of the osculating circle to the curve at the indicated tt-value.

r⃗(t)=⟨3cos⁡t,sin⁡t⟩\vec r(t) = \left\langle 3\cos t, \sin t\right\rangle , at t=0t=0

정답·풀이 보기

(x−8/3)2+y2=1/9(x-8/3)^2+y^2 = 1/9, or c⃗(t)=⟨13cos⁡t+83,13sin⁡t⟩\vec c(t) = \left\langle \frac13\cos t+\frac83, \frac13\sin t\right\rangle

원본 교재 풀이(영어)

(x−8/3)2+y2=1/9(x-8/3)^2+y^2 = 1/9, or c⃗(t)=⟨13cos⁡t+83,13sin⁡t⟩\vec c(t) = \left\langle \frac13\cos t+\frac83, \frac13\sin t\right\rangle

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 6번
# 호의 길이와 곡률계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
606.APEX · 11.5절 · 33번대학 수준우리말 번역

연습문제 31–34에서 주어진 tt의 값에 대해 곡선의 접촉원의 방정식을 구하세요.

r⃗(t)=⟨3cos⁡t,sin⁡t⟩\vec r(t) = \left\langle 3\cos t, \sin t\right\rangle , t=π/2t=\pi/2일 때

영어 원문 보기

In Exercises 31–34 , find the equation of the osculating circle to the curve at the indicated tt-value.

r⃗(t)=⟨3cos⁡t,sin⁡t⟩\vec r(t) = \left\langle 3\cos t, \sin t\right\rangle , at t=π/2t=\pi/2

정답·풀이 보기

x2+(y+8)2=81x^2+(y+8)^2 = 81, or c⃗(t)=⟨9cos⁡t,9sin⁡t−8⟩\vec c(t) = \left\langle 9\cos t, 9\sin t-8\right\rangle

원본 교재 풀이(영어)

x2+(y+8)2=81x^2+(y+8)^2 = 81, or c⃗(t)=⟨9cos⁡t,9sin⁡t−8⟩\vec c(t) = \left\langle 9\cos t, 9\sin t-8\right\rangle

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 20번
# 호의 길이와 곡률계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
607.APEX · 11.5절 · 34번대학 수준우리말 번역

연습문제 31–34에서 주어진 tt의 값에 대해 곡선의 접촉원의 방정식을 구하세요.

r⃗(t)=⟨t2−t,t2+t⟩\vec r(t) = \left\langle t^2-t,t^2+t\right\rangle , t=0t=0일 때

영어 원문 보기

In Exercises 31–34 , find the equation of the osculating circle to the curve at the indicated tt-value.

r⃗(t)=⟨t2−t,t2+t⟩\vec r(t) = \left\langle t^2-t,t^2+t\right\rangle , at t=0t=0

정답·풀이 보기

(x−1/2)2+(y−1/2)2=1/2(x-1/2)^2+(y-1/2)^2 = 1/2, or c⃗(t)=⟨22cos⁡t+12,22sin⁡t+12⟩\vec c(t) = \left\langle \frac{\sqrt{2}}{2}\cos t+\frac12, \frac{\sqrt{2}}{2}\sin t+\frac12\right\rangle

원본 교재 풀이(영어)

(x−1/2)2+(y−1/2)2=1/2(x-1/2)^2+(y-1/2)^2 = 1/2, or c⃗(t)=⟨22cos⁡t+12,22sin⁡t+12⟩\vec c(t) = \left\langle \frac{\sqrt{2}}{2}\cos t+\frac12, \frac{\sqrt{2}}{2}\sin t+\frac12\right\rangle

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 10번
# 호의 길이와 곡률계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
608.CLP-3 · 1.1절 · 1번대학 수준우리말 번역

R3\mathbb{R}^3 에서 다음을 만족하는 모든 점 (x,y,z)(x,y,z) 의 집합을 설명하세요.

(a) x2+y2+z2=2x−4y+4x^2 +y^2+z^2= 2x-4y+4 (b) x2+y2+z2<2x−4y+4x^2 +y^2+z^2< 2x-4y+4

영어 원문 보기

Describe the set of all points (x,y,z)(x,y,z) in R3\mathbb{R}^3 that satisfy

(a) x2+y2+z2=2x−4y+4x^2 +y^2+z^2= 2x-4y+4 (b) x2+y2+z2<2x−4y+4x^2 +y^2+z^2< 2x-4y+4

정답·풀이 보기

(a) 점 (x,y,z)(x,y,z) 가 x2+y2+z2=2x−4y+4x^2 +y^2+z^2= 2x-4y+4 를 만족하는 것은 x2−2x+y2+4y+z2=4x^2-2x +y^2+4y+z^2= 4 를 만족하는 것과 필요충분조건이고, 이는 (x−1)2+(y+2)2+z2=9(x-1)^2 +(y+2)^2+z^2=9 와 같다. (x−1)2+(y+2)2+z2\sqrt{(x-1)^2 +(y+2)^2+z^2} 은 (1,−2,0)(1, -2, 0) 에서 (x,y,z)(x,y,z) 까지의 거리이므로, 점이 주어진 방정식을 만족하는 것은 (1,−2,0)(1,-2,0) 으로부터의 거리가 3인 것과 필요충분조건이다. 따라서 구하는 집합은 (1,−2,0)(1,-2,0) 을 중심으로 하고 반지름이 3인 구이다.

(b) (a)와 같이, x2+y2+z2<2x−4y+4x^2 +y^2+z^2< 2x-4y+4 인 것은 (x−1)2+(y+2)2+z2<9(x-1)^2 +(y+2)^2+z^2<9 인 것과 필요충분조건이다. 따라서 점이 주어진 부등식을 만족하는 것은 (1,−2,0)(1,-2,0) 으로부터의 거리가 3보다 엄밀히 작은 것과 필요충분조건이다. 구하는 집합은 (1,−2,0)(1,-2,0) 을 중심으로 하고 반지름이 3인 구의 내부이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The point (x,y,z)(x,y,z) satisfies x2+y2+z2=2x−4y+4x^2 +y^2+z^2= 2x-4y+4 if and only if it satisfies x2−2x+y2+4y+z2=4x^2-2x +y^2+4y+z^2= 4, or equivalently (x−1)2+(y+2)2+z2=9(x-1)^2 +(y+2)^2+z^2=9 . Since (x−1)2+(y+2)2+z2\sqrt{(x-1)^2 +(y+2)^2+z^2} is the distance from (1,−2,0)(1, -2, 0) to (x,y,z)(x,y,z), our point satisfies the given equation if and only if its distance from (1,−2,0)(1,-2,0) is three. So the set is the sphere of radius 3 centered on (1,−2,0)(1,-2,0).

(b) As in part (a), x2+y2+z2<2x−4y+4x^2 +y^2+z^2< 2x-4y+4 if and only if (x−1)2+(y+2)2+z2<9(x-1)^2 +(y+2)^2+z^2<9 . Hence our point satifies the given inequality if and only if its distance from (1,−2,0)(1,-2,0) is strictly smaller than three. The set is the interior of the sphere of radius 3 centered on (1,−2,0)(1,-2,0).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.2절 · 15번
# 공간좌표계산기본자동 분류
609.CLP-3 · 1.1절 · 4번대학 수준우리말 번역

AA 를 점 (2,1,3)(2,1,3) 이라 하자.

(a) AA 에서 xyxy 평면까지의 거리를 구하세요. (b) AA 에서 xzxz 평면까지의 거리를 구하세요. (c) AA 에서 xx 축 위의 점 (x,0,0)(x,0,0) 까지의 거리를 구하세요. (d) xx 축 위의 점 중 AA 에 가장 가까운 점을 구하세요. (e) AA 에서 xx 축까지의 거리는 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

Let AA be the point (2,1,3)(2,1,3).

(a) Find the distance from AA to the xyxy-plane. (b) Find the distance from AA to the xzxz-plane. (c) Find the distance from AA to the point (x,0,0)(x,0,0) on the xx-axis. (d) Find the point on the xx-axis that is closest to AA. (e) What is the distance from AA to the xx-axis?

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
정답·풀이 보기

(a) 임의의 점의 zz 좌표는 그 점에서 xyxy 평면까지의 부호 있는 거리이다. 따라서 (2,1,3)(2,1,3) 에서 xyxy 평면까지의 거리는 ∣3∣=3|3|=3 이다.

(b) 임의의 점의 yy 좌표는 그 점에서 xzxz 평면까지의 부호 있는 거리이다. 따라서 (2,1,3)(2,1,3) 에서 xzxz 평면까지의 거리는 ∣1∣=1|1|=1 이다.

(c) (2,1,3)(2,1,3) 에서 (x,0,0)(x,0,0) 까지의 거리는

(2−x)2+(1−0)2+(3−0)2=(x−2)2+10\sqrt{(2-x)^2 + (1-0)^2 + (3-0)^2} = \sqrt{(x-2)^2 + 10}

이다.

(d) (x−2)2≥0(x-2)^2\ge 0 이므로 거리 (x−2)2+10\sqrt{(x-2)^2 + 10} 은 x=2x=2 일 때 최소이다. 다른 방법으로,

ddx(x−2)2+10=x−2(x−2)2+10=0  ⟺  x=2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \sqrt{(x-2)^2 + 10} =\frac{x-2}{\sqrt{(x-2)^2 + 10}} =0 &\iff x=2 \end{aligned}

이다. 따라서 xx 축 위의 점 중 AA 에 가장 가까운 점은 (2,0,0)(2,0,0) 이다.

(e) (2,0,0)(2,0,0) 이 xx 축 위의 점 중 (2,1,3)(2,1,3) 에 가장 가까운 점이므로, AA 에서 xx 축까지의 거리는

(2−2)2+(1−0)2+(3−0)2=12+32=10\sqrt{(2-2)^2 + (1-0)^2 + (3-0)^2} = \sqrt{1^2+3^2} = \sqrt{10}

이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) The zz coordinate of any point is the signed distance from the point to the xyxy-plane. So the distance from (2,1,3)(2,1,3) to the xyxy-plane is ∣3∣=3|3|=3.

(b) The yy coordinate of any point is the signed distance from the point to the xzxz-plane. So the distance from (2,1,3)(2,1,3) to the xzxz-plane is ∣1∣=1|1|=1.

(c) The distance from (2,1,3)(2,1,3) to (x,0,0)(x,0,0) is

(2−x)2+(1−0)2+(3−0)2=(x−2)2+10\sqrt{(2-x)^2 + (1-0)^2 + (3-0)^2} = \sqrt{(x-2)^2 + 10}

(d) Since (x−2)2≥0(x-2)^2\ge 0, the distance (x−2)2+10\sqrt{(x-2)^2 + 10} is minimized when x=2x=2. Alternatively,

ddx(x−2)2+10=x−2(x−2)2+10=0  ⟺  x=2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \sqrt{(x-2)^2 + 10} =\frac{x-2}{\sqrt{(x-2)^2 + 10}} =0 &\iff x=2 \end{aligned}

So the point on the xx-axis that is closest to AA is (2,0,0)(2,0,0).

(e) As (2,0,0)(2,0,0) is the point on the xx-axis that is nearest (2,1,3)(2,1,3), the distance from AA to the xx-axis is

(2−2)2+(1−0)2+(3−0)2=12+32=10\sqrt{(2-2)^2 + (1-0)^2 + (3-0)^2} = \sqrt{1^2+3^2} = \sqrt{10}

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.1절 · 5번
# 공간좌표계산기본자동 분류
610.CLP-3 · 1.2절 · 2번대학 수준우리말 번역

주어진 점들이 한 직선 위에 있는지(즉, 공선인지) 판단하세요.

(a) (1,2,3), (0,3,7), (3,5,11)(1,2,3),\ (0,3,7),\ (3,5,11) (b) (0,3,−5), (1,2,−2), (3,0,4)(0,3,-5),\ (1,2,-2),\ (3,0,4)

영어 원문 보기

Determine whether or not the given points are collinear (that is, lie on a common straight line)

(a) (1,2,3), (0,3,7), (3,5,11)(1,2,3),\ (0,3,7),\ (3,5,11) (b) (0,3,−5), (1,2,−2), (3,0,4)(0,3,-5),\ (1,2,-2),\ (3,0,4)

정답·풀이 보기

세 점이 한 직선 위에 있으면, 첫째 점에서 둘째 점으로 향하는 벡터와 첫째 점에서 셋째 점으로 향하는 벡터는 모두 그 직선과 평행하므로 서로 평행해야 한다(즉, 서로의 배수여야 한다).

그림

(a) 벡터 <0,3,7>−<1,2,3>=<−1,1,4>\left< 0,3,7\right> -\left< 1,2,3\right> =\left< -1,1,4\right> 과 <3,5,11>−<1,2,3>=<2,3,8>\left< 3,5,11\right> -\left< 1,2,3\right> =\left< 2,3,8\right> 은 평행하지 않으므로(즉, 서로의 배수가 아니므로) 세 점은 한 직선 위에 있지 않다.

(b) 벡터 <1,2,−2>−<0,3,−5>=<1,−1,3>\left< 1,2,-2\right> -\left< 0,3,-5\right> =\left< 1,-1,3\right> 과 <3,0,4>−<0,3,−5>=<3,−3,9>\left< 3,0,4\right> -\left< 0,3,-5\right> =\left< 3,-3,9\right> 은 평행하므로(즉, 서로의 배수이므로) 세 점은 한 직선 위에 있다.

원본 교재 풀이(영어)

If three points are collinear, then the vector from the first point to the second point, and the vector from the first point to the third point must both be parallel to the line, and hence must be parallel to each other (i.e. must be multiples of each other).

figure

(a) The vectors <0,3,7>−<1,2,3>=<−1,1,4>\left< 0,3,7\right> -\left< 1,2,3\right> =\left< -1,1,4\right> and <3,5,11>−<1,2,3>=<2,3,8>\left< 3,5,11\right> -\left< 1,2,3\right> =\left< 2,3,8\right> are not parallel (i.e. are not multiples of each other), so the three points are not on the same line.

(b) The vectors <1,2,−2>−<0,3,−5>=<1,−1,3>\left< 1,2,-2\right> -\left< 0,3,-5\right> =\left< 1,-1,3\right> and <3,0,4>−<0,3,−5>=<3,−3,9>\left< 3,0,4\right> -\left< 0,3,-5\right> =\left< 3,-3,9\right> are parallel (i.e. are multiples of each other), so the three points are on the same line.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 10.2절 · 27번
# 벡터의 연산계산기본자동 분류
611.CLP-3 · 1.2절 · 6번대학 수준우리말 번역

a=<a1,a2>\mathbf{a}=\left< a_1,a_2\right> 라 하자. ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} 와 ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} 위로의 a\mathbf{a} 의 정사영을 구하세요.

영어 원문 보기

Let a=<a1,a2>\mathbf{a}=\left< a_1,a_2\right>. Compute the projection of a\mathbf{a} on ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} and ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}}.

정답·풀이 보기

projı^a=(a⋅ı^)ı^=a1ı^\text{proj}_{\hat{\boldsymbol{\imath}}}\mathbf{a}=(\mathbf{a}\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}})\hat{\boldsymbol{\imath}} =a_1\hat{\boldsymbol{\imath}} 이고 projȷ^a=(a⋅ȷ^)ȷ^=a2ȷ^\text{proj}_{\hat{\boldsymbol{\jmath}}}\mathbf{a}=(\mathbf{a}\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}})\hat{\boldsymbol{\jmath}} =a_2\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

projı^a=(a⋅ı^)ı^=a1ı^\text{proj}_{\hat{\boldsymbol{\imath}}}\mathbf{a}=(\mathbf{a}\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}})\hat{\boldsymbol{\imath}} =a_1\hat{\boldsymbol{\imath}} and projȷ^a=(a⋅ȷ^)ȷ^=a2ȷ^\text{proj}_{\hat{\boldsymbol{\jmath}}}\mathbf{a}=(\mathbf{a}\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}})\hat{\boldsymbol{\jmath}} =a_2\hat{\boldsymbol{\jmath}}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 1번
# 벡터의 연산계산기본자동 분류
612.CLP-3 · 1.2절 · 7번대학 수준우리말 번역

세 꼭짓점이 (1,2,3), (4,0,5)(1,2,3),\ (4,0,5), (3,6,4)(3,6,4) 인 삼각형은 직각을 가지고 있나요?

영어 원문 보기

Does the triangle with vertices (1,2,3), (4,0,5)(1,2,3),\ (4,0,5) and (3,6,4)(3,6,4) have a right angle?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

(1,2,3)(1,2,3) 에서 (4,0,5)(4,0,5) 로 향하는 벡터는 <3,−2,2>\left< 3,-2,2\right> 이다. (1,2,3)(1,2,3) 에서 (3,6,4)(3,6,4) 로 향하는 벡터는 <2,4,1>\left< 2,4,1\right> 이다. 이 두 벡터의 내적은 <3,−2,2>⋅<2,4,1>=0\left< 3,-2,2\right>\cdot\left< 2,4,1\right>=0 이므로 두 벡터는 수직이고, 따라서 이 삼각형은 직각을 가진다.

원본 교재 풀이(영어)

The vector from (1,2,3)(1,2,3) to (4,0,5)(4,0,5) is <3,−2,2>\left< 3,-2,2\right>. The vector from (1,2,3)(1,2,3) to (3,6,4)(3,6,4) is <2,4,1>\left< 2,4,1\right>. The dot product between these two vectors is <3,−2,2>⋅<2,4,1>=0\left< 3,-2,2\right>\cdot\left< 2,4,1\right>=0, so the vectors are perpendicular and the triangle does contain a right angle.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 6번
# 벡터의 연산계산기본자동 분류
613.CLP-3 · 1.2절 · 10번대학 수준우리말 번역

다음이 성립함을 직접 계산하여 확인하세요.

(a) ı^×ȷ^=k^\hat{\boldsymbol{\imath}}\times\hat{\boldsymbol{\jmath}}=\hat{\mathbf{k}}, ȷ^×k^=ı^\hat{\boldsymbol{\jmath}}\times\hat{\mathbf{k}}=\hat{\boldsymbol{\imath}}, k^×ı^=ȷ^\hat{\mathbf{k}}\times\hat{\boldsymbol{\imath}}=\hat{\boldsymbol{\jmath}} (b) a⋅(a×b)=b⋅(a×b)=0\mathbf{a}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b})=\mathbf{b}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b})=\mathbf{0}

영어 원문 보기

Verify by direct computation that

(a) ı^×ȷ^=k^\hat{\boldsymbol{\imath}}\times\hat{\boldsymbol{\jmath}}=\hat{\mathbf{k}}, ȷ^×k^=ı^\hat{\boldsymbol{\jmath}}\times\hat{\mathbf{k}}=\hat{\boldsymbol{\imath}}, k^×ı^=ȷ^\hat{\mathbf{k}}\times\hat{\boldsymbol{\imath}}=\hat{\boldsymbol{\jmath}} (b) a⋅(a×b)=b⋅(a×b)=0\mathbf{a}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b})=\mathbf{b}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b})=\mathbf{0}

정답·풀이 보기

(a)

ı^×ȷ^=det⁡[ı^ȷ^k^100010]=ı^(0×0−0×1)−ȷ^(1×0−0×0)+k^(1×1−0×0)=k^ȷ^×k^=det⁡[ı^ȷ^k^010001]=ı^(1×1−0×0)−ȷ^(0×1−0×0)+k^(0×0−1×0)=ı^k^×ı^=det⁡[ı^ȷ^k^001100]=ı^(0×0−1×0)−ȷ^(0×0−1×1)+k^(0×0−0×1)=ȷ^\begin{aligned} \hat{\boldsymbol{\imath}}\times\hat{\boldsymbol{\jmath}}&=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ 1&0&0\\ 0&1&0\end{matrix}\right] &&=\hat{\boldsymbol{\imath}}(0\times 0-0\times 1) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}(1\times 0-0\times 0) +\hat{\mathbf{k}}(1\times 1-0\times 0) \\ &=\hat{\mathbf{k}}\\[0.1in] \hat{\boldsymbol{\jmath}}\times\hat{\mathbf{k}}&=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ 0&1&0\\ 0&0&1\end{matrix}\right] &&=\hat{\boldsymbol{\imath}}(1\times 1-0\times 0) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}(0\times 1-0\times 0) +\hat{\mathbf{k}}(0\times 0-1\times 0)\\ &=\hat{\boldsymbol{\imath}}\\[0.1in] \hat{\mathbf{k}}\times\hat{\boldsymbol{\imath}}&=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ 0&0&1\\ 1&0&0\end{matrix}\right] &&=\hat{\boldsymbol{\imath}}(0\times 0-1\times 0) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}(0\times 0-1\times 1) +\hat{\mathbf{k}}(0\times 0-0\times 1)\\ &=\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

(b)

a⋅(a×b)=a1(a2b3−a3b2)−a2(a1b3−a3b1)+a3(a1b2−a2b1)=0b⋅(a×b)=b1(a2b3−a3b2)−b2(a1b3−a3b1)+b3(a1b2−a2b1)=0\begin{aligned} \mathbf{a}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b}) &=a_1\big(a_2b_3-a_3b_2\big) -a_2\big(a_1b_3-a_3b_1\big) +a_3\big(a_1b_2-a_2b_1\big) &&=0\\ \mathbf{b}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b}) &=b_1\big(a_2b_3-a_3b_2\big) -b_2\big(a_1b_3-a_3b_1\big) +b_3\big(a_1b_2-a_2b_1\big) &&=0 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a)

ı^×ȷ^=det⁡[ı^ȷ^k^100010]=ı^(0×0−0×1)−ȷ^(1×0−0×0)+k^(1×1−0×0)=k^ȷ^×k^=det⁡[ı^ȷ^k^010001]=ı^(1×1−0×0)−ȷ^(0×1−0×0)+k^(0×0−1×0)=ı^k^×ı^=det⁡[ı^ȷ^k^001100]=ı^(0×0−1×0)−ȷ^(0×0−1×1)+k^(0×0−0×1)=ȷ^\begin{aligned} \hat{\boldsymbol{\imath}}\times\hat{\boldsymbol{\jmath}}&=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ 1&0&0\\ 0&1&0\end{matrix}\right] &&=\hat{\boldsymbol{\imath}}(0\times 0-0\times 1) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}(1\times 0-0\times 0) +\hat{\mathbf{k}}(1\times 1-0\times 0) \\ &=\hat{\mathbf{k}}\\[0.1in] \hat{\boldsymbol{\jmath}}\times\hat{\mathbf{k}}&=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ 0&1&0\\ 0&0&1\end{matrix}\right] &&=\hat{\boldsymbol{\imath}}(1\times 1-0\times 0) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}(0\times 1-0\times 0) +\hat{\mathbf{k}}(0\times 0-1\times 0)\\ &=\hat{\boldsymbol{\imath}}\\[0.1in] \hat{\mathbf{k}}\times\hat{\boldsymbol{\imath}}&=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ 0&0&1\\ 1&0&0\end{matrix}\right] &&=\hat{\boldsymbol{\imath}}(0\times 0-1\times 0) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}(0\times 0-1\times 1) +\hat{\mathbf{k}}(0\times 0-0\times 1)\\ &=\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

(b)

a⋅(a×b)=a1(a2b3−a3b2)−a2(a1b3−a3b1)+a3(a1b2−a2b1)=0b⋅(a×b)=b1(a2b3−a3b2)−b2(a1b3−a3b1)+b3(a1b2−a2b1)=0\begin{aligned} \mathbf{a}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b}) &=a_1\big(a_2b_3-a_3b_2\big) -a_2\big(a_1b_3-a_3b_1\big) +a_3\big(a_1b_2-a_2b_1\big) &&=0\\ \mathbf{b}\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b}) &=b_1\big(a_2b_3-a_3b_2\big) -b_2\big(a_1b_3-a_3b_1\big) +b_3\big(a_1b_2-a_2b_1\big) &&=0 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 11번
# 벡터의 연산계산기본자동 분류
614.CLP-3 · 1.2절 · 13번대학 수준우리말 번역

a⋅(b×c)=<1,2,3>\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}\times\mathbf{c})=\left< 1,2,3\right> 로부터 어떤 기하학적 결론을 이끌어 낼 수 있는지 설명하세요.

영어 원문 보기

What geometric conclusions can you draw from a⋅(b×c)=<1,2,3>\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}\times\mathbf{c})=\left< 1,2,3\right>?

정답·풀이 보기

없다. 주어진 등식은 말이 되지 않는다. 좌변은 수이고 우변은 벡터이기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

None. The given equation is nonsense. The left hand side is a number while the right hand side is a vector.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 10번
# 벡터의 연산계산기본자동 분류
615.CLP-3 · 1.2절 · 16번대학 수준우리말 번역

구의 지름 하나의 양 끝점이 (2,1,4)(2,1,4) 와 (4,3,10)(4,3,10) 일 때, 이 구의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the equation of a sphere if one of its diameters has end points (2,1,4)(2,1,4) and (4,3,10)(4,3,10).

정답·풀이 보기

구의 중심은 12{(2,1,4)+(4,3,10)}=(3,2,7)\tfrac{1}{2}\big\{(2,1,4)+(4,3,10)\big\}=(3,2,7) 이다. 지름(즉 반지름의 2배)은 ∣(2,1,4)−(4,3,10)∣=∣(−2,−2,−6)∣=2∣(1,1,3)∣=211|(2,1,4)-(4,3,10)|=|(-2,-2,-6)|=2|(1,1,3)|=2\sqrt{11} 이다. 따라서 구의 반지름은 11\sqrt{11} 이고 구의 방정식은 다음과 같다.

(x−3)2+(y−2)2+(z−7)2=11(x-3)^2+(y-2)^2+(z-7)^2=11

원본 교재 풀이(영어)

The center of the sphere is 12{(2,1,4)+(4,3,10)}=(3,2,7)\tfrac{1}{2}\big\{(2,1,4)+(4,3,10)\big\}=(3,2,7). The diameter (i.e. twice the radius) is ∣(2,1,4)−(4,3,10)∣=∣(−2,−2,−6)∣=2∣(1,1,3)∣=211|(2,1,4)-(4,3,10)|=|(-2,-2,-6)|=2|(1,1,3)|=2\sqrt{11}. So the radius of the sphere is 11\sqrt{11} and the equation of the sphere is

(x−3)2+(y−2)2+(z−7)2=11(x-3)^2+(y-2)^2+(z-7)^2=11

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 17번
# 벡터의 연산계산보통자동 분류
616.CLP-3 · 1.2절 · 24번대학 수준우리말 번역

u=−2ı^+5ȷ^\mathbf{u}=-2\hat{\boldsymbol{\imath}}+5\hat{\boldsymbol{\jmath}}, v=αı^−2ȷ^\mathbf{v}=\alpha \hat{\boldsymbol{\imath}}-2\hat{\boldsymbol{\jmath}} 라 하자. 다음을 만족시키는 α\alpha 를 구하세요.

(a) u⊥v\mathbf{u}\perp\mathbf{v} (b) u∥v\mathbf{u} \| \mathbf{v} (c) u\mathbf{u} 와 v\mathbf{v} 가 이루는 각이 60∘60^\circ 이다.

영어 원문 보기

Let u=−2ı^+5ȷ^\mathbf{u}=-2\hat{\boldsymbol{\imath}}+5\hat{\boldsymbol{\jmath}} and v=αı^−2ȷ^\mathbf{v}=\alpha \hat{\boldsymbol{\imath}}-2\hat{\boldsymbol{\jmath}}. Find α\alpha so that

(a) u⊥v\mathbf{u}\perp\mathbf{v} (b) u∥v\mathbf{u} \| \mathbf{v} (c) The angle between u\mathbf{u} and v\mathbf{v} is 60∘60^\circ.

정답·풀이 보기

(a) 0=u⋅v=−2α−100=\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}=-2\alpha -10 이어야 하므로 α=−5\alpha =-5 이다.

(b) −2/α=5/(−2)-2/\alpha =5/(-2) 이어야 하므로 α=0.8\alpha =0.8 이다.

(c) u⋅v=−2α−10=∣u∣ ∣v∣ cos⁡60∘=29 α2+4 12\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}=-2\alpha -10 =|\mathbf{u}|\,|\mathbf{v}|\,\cos 60^\circ =\sqrt{29}\,\sqrt{\alpha ^2+4}\,\tfrac{1}{2} 이어야 한다. 양변을 제곱하면

4α2+40α+100=294(α2+4)  ⟹  13α2−160α−284=0  ⟹  α=160±1602+4×13×28426≈13.88 또는 −1.574\begin{aligned} & & 4\alpha ^2+40\alpha +100&=\frac{29}{4}(\alpha ^2+4) \\ &\implies\quad & 13\alpha ^2-160\alpha -284&=0 \\ &\implies\quad & \alpha &=\frac{160\pm\sqrt{160^2+4\times13\times284}}{26} \approx 13.88\text{ 또는 }-1.574 \end{aligned}

이 두 α\alpha 값 모두 u⋅v<0\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}<0 이므로 조건을 만족시키는 α\alpha 는 없다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We want 0=u⋅v=−2α−100=\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}=-2\alpha -10 or α=−5\alpha =-5.

(b) We want −2/α=5/(−2)-2/\alpha =5/(-2) or α=0.8\alpha =0.8.

(c) We want u⋅v=−2α−10=∣u∣ ∣v∣ cos⁡60∘=29 α2+4 12\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}=-2\alpha -10 =|\mathbf{u}|\,|\mathbf{v}|\,\cos 60^\circ =\sqrt{29}\,\sqrt{\alpha ^2+4}\,\tfrac{1}{2}. Squaring both sides gives

4α2+40α+100=294(α2+4)  ⟹  13α2−160α−284=0  ⟹  α=160±1602+4×13×28426≈13.88 or −1.574\begin{aligned} & & 4\alpha ^2+40\alpha +100&=\frac{29}{4}(\alpha ^2+4) \\ &\implies\quad & 13\alpha ^2-160\alpha -284&=0 \\ &\implies\quad & \alpha &=\frac{160\pm\sqrt{160^2+4\times13\times284}}{26} \approx 13.88\text{ or }-1.574 \end{aligned}

Both of these α\alpha 's give u⋅v<0\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}<0 so no α\alpha works.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.1절 · 17번
# 벡터의 연산계산보통자동 분류
617.CLP-3 · 1.2절 · 25번대학 수준우리말 번역

a=<1,2,3>\mathbf{a}=\left< 1,2,3\right>, b=<4,10,6>\mathbf{b}=\left< 4,10,6\right> 이라 하자.

(a) a\mathbf{a} 방향으로의 b\mathbf{b} 의 성분을 구하세요. (b) a\mathbf{a} 위로의 b\mathbf{b} 의 정사영을 구하세요. (c) a\mathbf{a} 에 수직인 방향으로의 b\mathbf{b} 의 정사영을 구하세요.

영어 원문 보기

Define a=<1,2,3>\mathbf{a}=\left< 1,2,3\right> and b=<4,10,6>\mathbf{b}=\left< 4,10,6\right>.

(a) Find the component of b\mathbf{b} in the direction a\mathbf{a}. (b) Find the projection of b\mathbf{b} on a\mathbf{a}. (c) Find the projection of b\mathbf{b} perpendicular to a\mathbf{a}.

정답·풀이 보기

(a) a\mathbf{a} 방향으로의 b\mathbf{b} 의 성분은 b⋅a∣a∣=1×4+2×10+3×61+4+9=4214\mathbf{b}\cdot\frac{\mathbf{a}}{|\mathbf{a}|} =\frac{1\times 4+2\times 10+3\times 6}{\sqrt{1+4+9}} =\text{$\frac{42}{\sqrt{14}}$} 이다.

(b) a\mathbf{a} 위로의 b\mathbf{b} 의 정사영은 길이가 42/1442/\sqrt{14} 이고 방향이 a/∣a∣\mathbf{a}/|\mathbf{a}| 인 벡터, 즉 4214<1,2,3>=<3,6,9>\frac{42}{14}\left< 1,2,3\right>=\left< 3,6,9\right> 이다.

(c) a\mathbf{a} 에 수직인 방향으로의 b\mathbf{b} 의 정사영은 b\mathbf{b} 에서 a\mathbf{a} 위로의 정사영을 뺀 벡터, 즉 <4,10,6>−<3,6,9>=<1,4,−3>\left< 4,10,6\right>-\left< 3,6,9\right>=\left< 1,4,-3\right> 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The component of b\mathbf{b} in the direction a\mathbf{a} is b⋅a∣a∣=1×4+2×10+3×61+4+9=4214\mathbf{b}\cdot\frac{\mathbf{a}}{|\mathbf{a}|} =\frac{1\times 4+2\times 10+3\times 6}{\sqrt{1+4+9}} =\text{$\frac{42}{\sqrt{14}}$}

(b) The projection of b\mathbf{b} on a\mathbf{a} is a vector of length 42/1442/\sqrt{14} in direction a/∣a∣\mathbf{a}/|\mathbf{a}|, namely 4214<1,2,3>=<3,6,9>\frac{42}{14}\left< 1,2,3\right>=\left< 3,6,9\right>.

(c) The projection of b\mathbf{b} perpendicular to a\mathbf{a} is b\mathbf{b} minus its projection on a\mathbf{a}, namely <4,10,6>−<3,6,9>=<1,4,−3>\left< 4,10,6\right>-\left< 3,6,9\right>=\left< 1,4,-3\right>.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2장 복습 · 11번
# 벡터의 연산계산보통자동 분류
618.CLP-3 · 1.2절 · 26번대학 수준우리말 번역

<1,2,3>×<4,5,6>\left< 1,2,3\right>\times\left< 4,5,6\right> 을 계산하세요.

영어 원문 보기

Compute <1,2,3>×<4,5,6>\left< 1,2,3\right>\times\left< 4,5,6\right>.

정답·풀이 보기

<1,2,3>×<4,5,6>=det⁡[ı^ȷ^k^123456]=ı^ (2×6−3×5)−ȷ^ (1×6−3×4)+k^ (1×5−2×4)=−3 ı^+6 ȷ^−3 k^\begin{aligned} \left< 1,2,3\right>\times\left< 4,5,6\right> &=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ 1&2&3 \\ 4&5&6\end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}}\,(2\times 6-3\times 5) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,(1\times 6-3\times 4) +\hat{\mathbf{k}}\,(1\times 5-2\times 4) \\ &=-3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-3\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

<1,2,3>×<4,5,6>=det⁡[ı^ȷ^k^123456]=ı^ (2×6−3×5)−ȷ^ (1×6−3×4)+k^ (1×5−2×4)=−3 ı^+6 ȷ^−3 k^\begin{aligned} \left< 1,2,3\right>\times\left< 4,5,6\right> &=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ 1&2&3 \\ 4&5&6\end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}}\,(2\times 6-3\times 5) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,(1\times 6-3\times 4) +\hat{\mathbf{k}}\,(1\times 5-2\times 4) \\ &=-3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-3\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.1절 · 11번
# 벡터의 연산계산보통자동 분류
619.CLP-3 · 1.2절 · 33번대학 수준우리말 번역

정육면체의 대각선과 그 면 중 한 면의 대각선 사이의 각을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the angle between the diagonal of a cube and the diagonal of one of its faces.

정답·풀이 보기

정육면체의 높이, 길이, 너비가 ss 라고 하자. 정육면체의 꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (0,0,s)(0,0,s), (s,s,0)(s,s,0), (0,s,s)(0,s,s), (s,0,s)(s,0,s), (s,s,s)(s,s,s) 에 오도록 좌표축을 잡을 수 있다.

먼저 몇 가지 예를 살펴보자. (0,0,0)(0,0,0) 에서 (s,s,s)(s,s,s) 까지의 대각선은 <s,s,s>\left< s,s,s\right> 이다. 정육면체의 한 면은 꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (s,s,0)(s,s,0) 이다. 이 면의 한 대각선은 (0,0,0)(0,0,0) 에서 (s,s,0)(s,s,0) 까지이므로 <s,s,0>\left< s,s,0\right> 이다. <s,s,s>\left< s,s,s\right> 와 <s,s,0>\left< s,s,0\right> 사이의 각은

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<s,s,0>∣)=cos⁡−1(2s23s 2s)=cos⁡−1(26)≈35.26∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2s^2}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2}{\sqrt{6}}\right)\approx 35.26^\circ \end{aligned}

꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (s,s,0)(s,s,0) 인 면의 다른 대각선은 (s,0,0)(s,0,0) 에서 (0,s,0)(0,s,0) 까지의 대각선이다. 이 대각선은 <−s,s,0>\left< -s,s,0\right> 이다. <s,s,s>\left< s,s,s\right> 와 <−s,s,0>\left< -s,s,0\right> 사이의 각은

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<−s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<−s,s,0>∣)=cos⁡−1(03s 2s)=cos⁡−1(0)=90∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< -s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< -s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{0}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}(0)=90^\circ \end{aligned}

이제 일반적인 경우를 살펴보자. 정육면체의 모든 꼭짓점의 모든 성분은 00 또는 ss 이다. 일반적으로 정육면체의 두 꼭짓점은 두 꼭짓점의 세 성분이 모두 서로 다르면 정육면체의 대각선의 반대쪽 양 끝에 있다. 예를 들어 대각선의 한 끝이 (s,0,s)(s,0,s) 이면 다른 끝은 (0,s,0)(0,s,0) 이다. 정육면체의 대각선은 모두 <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right> 꼴이다. 이 대각선의 길이는 모두 3s\sqrt{3}s 이다. 두 꼭짓점은 성분 중 하나가 같으면 정육면체의 같은 면 위에 있다. 나머지 두 성분이 서로 다르면 그 두 꼭짓점은 그 면의 대각선의 반대쪽 양 끝에 있다. 예를 들어 (0,s,s)(0,s,s) 와 (s,0,s)(s,0,s) 는 모두 z=sz=s 인 면 위에 있다. xx 성분 0, s0,\ s 가 서로 다르고 yy 성분 s, 0s,\ 0 도 서로 다르므로 (0,s,s)(0,s,s) 와 (s,0,s)(s,0,s) 는 z=sz=s 인 면의 대각선의 양 끝이다. z=0z=0 또는 z=sz=s 인 면의 대각선은 <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right> 이다. y=0y=0 또는 y=sy=s 인 면의 대각선은 <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right> 이다. x=0x=0 또는 x=sx=s 인 면의 대각선은 <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right> 이다. 이 대각선의 길이는 모두 2s\sqrt{2}s 이다. 정육면체의 대각선 <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right> 중 하나와 면의 대각선 <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right>, <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right>, <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right> 중 하나의 내적은 ±s2±s2+0\pm s^2\pm s^2+0 꼴이므로 2s22s^2 또는 00 또는 −2s2-2s^2 이어야 한다. 일반적으로 정육면체의 대각선과 면의 대각선 사이의 각은

cos⁡−1(2s2 또는 0 또는 −2s23s 2s)=cos⁡−1(2 또는 0 또는 −26)≈35.26∘ 또는 90∘ 또는 144.74∘.\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\text{$2s^2$ 또는 0 또는 $-2s^2$}}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{\text{$2$ 또는 $0$ 또는 $-2$}}{\sqrt{6}}\right)\approx \text{$35.26^\circ$ 또는 $90^\circ$ 또는 $144.74^\circ$}. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Suppose that the cube has height, length and width ss. We may choose our coordinate axes so that the vertices of the cube are at (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (0,0,s)(0,0,s), (s,s,0)(s,s,0), (0,s,s)(0,s,s), (s,0,s)(s,0,s) and (s,s,s)(s,s,s).

We'll start with a couple of examples. The diagonal from (0,0,0)(0,0,0) to (s,s,s)(s,s,s) is <s,s,s>\left< s,s,s\right>. One face of the cube has vertices (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0) and (s,s,0)(s,s,0). One diagonal of this face runs from (0,0,0)(0,0,0) to (s,s,0)(s,s,0) and hence is <s,s,0>\left< s,s,0\right>. The angle between <s,s,s>\left< s,s,s\right> and <s,s,0>\left< s,s,0\right> is

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<s,s,0>∣)=cos⁡−1(2s23s 2s)=cos⁡−1(26)≈35.26∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2s^2}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2}{\sqrt{6}}\right)\approx 35.26^\circ \end{aligned}

A second diagonal for the face with vertices (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0) and (s,s,0)(s,s,0) is that running from (s,0,0)(s,0,0) to (0,s,0)(0,s,0). This diagonal is <−s,s,0>\left< -s,s,0\right>. The angle between <s,s,s>\left< s,s,s\right> and <−s,s,0>\left< -s,s,0\right> is

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<−s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<−s,s,0>∣)=cos⁡−1(03s 2s)=cos⁡−1(0)=90∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< -s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< -s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{0}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}(0)=90^\circ \end{aligned}

Now we'll consider the general case. Note that every component of every vertex of the cube is either 00 or ss. In general, two vertices of the cube are at opposite ends of a diagonal of the cube if all three components of the two vertices are different. For example, if one end of the diagonal is (s,0,s)(s,0,s), the other end is (0,s,0)(0,s,0). The diagonals of the cube are all of the form <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right>. All of these diagonals are of length 3s\sqrt{3}s. Two vertices are on the same face of the cube if one of their components agree. They are on opposite ends of a diagonal for the face if their other two components differ. For example (0,s,s)(0,s,s) and (s,0,s)(s,0,s) are both on the face with z=sz=s. Because the xx components 0, s0,\ s are different and the yy components s, 0s,\ 0 are different, (0,s,s)(0,s,s) and (s,0,s)(s,0,s) are the ends of a diagonal of the face with z=sz=s. The diagonals of the faces with z=0z=0 or z=sz=s are <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right>. The diagonals of the faces with y=0y=0 or y=sy=s are <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right>. The diagonals of the faces with x=0x=0 or x=sx=s are <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right>. All of these diagonals have length 2s\sqrt{2}s. The dot product of one the cube diagonals <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right> with one of the face diagonals <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right>, <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right>, <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right> is of the form ±s2±s2+0\pm s^2\pm s^2+0 and hence must be either 2s22s^2 or 00 or −2s2-2s^2. In general, the angle between a cube diagonal and a face diagonal is

cos⁡−1(2s2 or 0 or −2s23s 2s)=cos⁡−1(2 or 0 or −26)≈35.26∘ or 90∘ or 144.74∘.\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\text{$2s^2$ or 0 or $-2s^2$}}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{\text{$2$ or $0$ or $-2$}}{\sqrt{6}}\right)\approx \text{$35.26^\circ$ or $90^\circ$ or $144.74^\circ$}. \end{aligned}

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# 벡터의 연산계산도전자동 분류
620.CLP-3 · 1.2절 · 35번대학 수준우리말 번역

구슬 하나가 평면 ax+by+cz=dax+by+cz=d 위에 놓여 있다. 좌표계는 양의 zz축이 똑바로 위를 향하도록 잡았다. 계수 cc 는 0이 아니고, 계수 aa 와 bb 는 둘 다 0은 아니다. 구슬은 어느 방향으로 구르는가? "c≠0c\ne 0" 과 "a,ba,b 가 둘 다 0은 아니다"라는 조건은 왜 붙였는지 설명하세요.

영어 원문 보기

A marble is placed on the plane ax+by+cz=dax+by+cz=d. The coordinate system has been chosen so that the positive zz–axis points straight up. The coefficient cc is nonzero and the coefficients aa and bb are not both zero. In which direction does the marble roll? Why were the conditions “c≠0c\ne 0” and “a,ba,b not both zero” imposed?

정답·풀이 보기

구슬에는 두 힘이 작용한다. 첫째는 중력으로 −mg k^-mg\,\hat{\mathbf{k}} 이며, mm 은 구슬의 질량이다. 둘째는 평면이 가하는 수직항력이다. 이 힘은 평면에 수직인 방향으로 작용한다. 평면에 수직인 벡터 하나는 a ı^+b ȷ^+c k^a\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+b\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}} 이다. 따라서 평면에 의한 힘은 T<a,b,c>T\left< a,b,c\right> 이다. 여기서 TT 는 평면에 수직인 알짜힘이 정확히 0이어야 한다는 성질로 정해지는데, 그래야 구슬이 평면 속으로 파고들지도, 평면에서 튀어 오르지도 않고 평면 위에 머문다. 중력을 법선 벡터 <a,b,c>\left< a,b,c\right> 위로 정사영한 것은 다음과 같다.

−mg<0,0,1>⋅<a,b,c>∣<a,b,c>∣2<a,b,c>=−mgca2+b2+c2<a,b,c>\frac{-mg\left< 0,0,1\right>\cdot\left< a,b,c\right>}{|\left< a,b,c\right>|^2}\left< a,b,c\right> =\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>

따라서 TT 를 정하는 조건은 다음과 같다.

T<a,b,c>+−mgca2+b2+c2<a,b,c>=0  ⟹  T=mgca2+b2+c2T\left< a,b,c\right>+\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right> =0 \implies T=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}

그러면 구슬에 작용하는 전체 힘은 다음과 같다(마찰은 무시한다. 마찰은 운동 방향에 영향을 주지 않는다).

T<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgca2+b2+c2<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgc<a,b,c>−<0,0,a2+b2+c2>a2+b2+c2=mg<ac,bc,−a2−b2>a2+b2+c2\begin{aligned} T\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>&=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>\\ &=mg\frac{c\left< a,b,c\right>-\left< 0,0,a^2+b^2+c^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ &=mg\frac{\left< ac,bc,-a^2-b^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ \end{aligned}

운동 방향은 <ac,bc,−a2−b2>\left< ac,bc,-a^2-b^2\right> 이다. 이를 단위벡터로 바꾸려면 (a2+b2)(a2+b2+c2)\sqrt{(a^2+b^2)(a^2+b^2+c^2)} 으로 나누면 된다. 이 방향 벡터는 <a,b,c>\left< a,b,c\right> 에 수직이므로 평면에 평행하다. c=0c=0 이면 평면은 수직이다. 이 경우 구슬은 구르지 않고 곧장 아래로 떨어진다. a=b=0a=b=0 이면 평면은 수평이다. 이 경우 구슬은 구르지 않고 정지해 있다.

원본 교재 풀이(영어)

The marble is subject to two forces. The first, gravity, is −mg k^-mg\,\hat{\mathbf{k}} with mm being the mass of the marble. The second is the normal force imposed by the plane. This forces acts in a direction perpendicular to the plane. One vector normal to the plane is a ı^+b ȷ^+c k^a\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+b\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}}. So the force due to the plane is T<a,b,c>T\left< a,b,c\right> with TT determined by the property that the net force perpendicular to the plane must be exactly zero, so that the marble remains on the plane, neither digging into nor flying off of it. The projection of the gravitational force onto the normal vector <a,b,c>\left< a,b,c\right> is

−mg<0,0,1>⋅<a,b,c>∣<a,b,c>∣2<a,b,c>=−mgca2+b2+c2<a,b,c>\frac{-mg\left< 0,0,1\right>\cdot\left< a,b,c\right>}{|\left< a,b,c\right>|^2}\left< a,b,c\right> =\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>

The condition that determines TT is thus

T<a,b,c>+−mgca2+b2+c2<a,b,c>=0  ⟹  T=mgca2+b2+c2T\left< a,b,c\right>+\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right> =0 \implies T=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}

The total force on the marble is then (ignoring friction – which will have no effect on the direction of motion)

T<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgca2+b2+c2<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgc<a,b,c>−<0,0,a2+b2+c2>a2+b2+c2=mg<ac,bc,−a2−b2>a2+b2+c2\begin{aligned} T\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>&=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>\\ &=mg\frac{c\left< a,b,c\right>-\left< 0,0,a^2+b^2+c^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ &=mg\frac{\left< ac,bc,-a^2-b^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ \end{aligned}

The direction of motion <ac,bc,−a2−b2>\left< ac,bc,-a^2-b^2\right>. If you want to turn this into a unit vector, just divide by (a2+b2)(a2+b2+c2)\sqrt{(a^2+b^2)(a^2+b^2+c^2)}. Note that the direction vector in perpendicular <a,b,c>\left< a,b,c\right> and hence is parallel to the plane. If c=0c=0, the plane is vertical. In this case, the marble doesn't roll – it falls straight down. If a=b=0a=b=0, the plane is horizontal. In this case, the marble doesn't roll — it remains stationary.

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