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675문제 · 32 / 34쪽

621.CLP-3 · 1.3절 · 1번대학 수준우리말 번역

R2\mathbb R^2 에서 직선이 방향 d\mathbf d 를 가지고 점 c\mathbf c 를 지납니다.

다음 중 이 직선의 매개변수 방정식은 <x,y>=c+td\left< x,y\right> =\mathbf c + t\mathbf d 와 <x,y>=c−td\left< x,y\right> =\mathbf c - t\mathbf d 중 어느 것인가요?

영어 원문 보기

A line in R2\mathbb R^2 has direction d\mathbf d and passes through point c\mathbf c.

Which of the following gives its parametric equation: <x,y>=c+td\left< x,y\right> =\mathbf c + t\mathbf d , or <x,y>=c−td\left< x,y\right> =\mathbf c - t\mathbf d ?

정답·풀이 보기

tt 는 어떤 실수라도 될 수 있으므로 두 방정식은 같은 직선을 나타낸다. 둘 다 옳다. 예를 들어, 첫 번째 매개변수 방정식에서 t=7t=7 일 때의 점, 즉 c+7d\mathbf c + 7\mathbf d 는 두 번째 매개변수 방정식에서 t=−7t=-7 일 때의 점, 즉 c−(−7)d\mathbf c -(-7)\mathbf d 와 정확히 같다.

원본 교재 풀이(영어)

Since tt can be any real number, these equation describe the same line. They're both valid. For example, the point given by the first parametric equation with t=7t=7, namely c+7d\mathbf c + 7\mathbf d , is exactly the same as the point given by the second parametric equation with t=−7t=-7, namely c−(−7)d\mathbf c -(-7)\mathbf d .

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 18번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
622.CLP-3 · 1.3절 · 4번대학 수준우리말 번역

R2\mathbb R^2 에서 한 직선의 매개변수 방정식이 다음과 같습니다. x−3=9ty−5=7t\begin{array}{lcl} x-3&=&9t\\ y-5&=&7t \end{array} 이 직선의 매개변수 방정식을 쓰는 방법은 여러 가지가 있습니다. 이 방정식을 다음과 같이 다시 쓸 때, x−x0=dxty−y0=dyt\begin{array}{lcl} x-x_0&=&d_xt\\ y-y_0&=&d_yt \end{array} <x0,y0>\left< x_0,y_0\right> 와 <dx,dy>\left< d_x,d_y\right> 가 가질 수 있는 값을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

A line in R2\mathbb R^2 has parametric equations x−3=9ty−5=7t\begin{array}{lcl} x-3&=&9t\\ y-5&=&7t \end{array} There are many different ways to write the parametric equations of this line. If we rewrite the equations as x−x0=dxty−y0=dyt\begin{array}{lcl} x-x_0&=&d_xt\\ y-y_0&=&d_yt \end{array} what are all possible values of <x0,y0>\left< x_0,y_0\right> and <dx,dy>\left< d_x,d_y\right>?

정답·풀이 보기

<dx,dy>\left< d_x,d_y\right> 는 직선의 방향이므로 <9,7>\left< 9,7\right> 의 0이 아닌 임의의 스칼라배가 될 수 있다.

<x0,y0>\left< x_0,y_0\right> 는 직선 위의 임의의 점이 될 수 있다. 이 점들을 나타내는 것은 직선 자체를 나타내는 것과 같다. 어떤 실수 tt 에 대해

{x0−3=9ty0−5=7t\begin{aligned} \begin{cases} x_0-3&=9t\\ y_0-5&=7t \end{cases} \end{aligned}

을 만족하는 순서쌍 <x0,y0>\left< x_0,y_0\right> 를 모두 찾으면 된다. 즉,

t=x0−39=y0−577(x0−3)=9(y0−5)7x0+24=9y0\begin{aligned} t=\frac{x_0-3}{9}&=\frac{y_0-5}{7}\\ 7(x_0-3)&=9(y_0-5)\\ 7x_0+24&=9y_0 \end{aligned}

이다. 이 단계들 중 어느 것으로든 <x0,y0>\left< x_0,y_0\right> 의 가능한 값을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 7x0+24=9y07x_0+24=9y_0 을 만족하는 임의의 순서쌍이라고 할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

<dx,dy>\left< d_x,d_y\right> is the direction of the line, so it can be any non-zero scalar multiple of <9,7>\left< 9,7\right>.

<x0,y0>\left< x_0,y_0\right> can be any point on the line. Describing these is the same as describing the line itself. We're trying to find all doubles <x0,y0>\left< x_0,y_0\right> that obey

{x0−3=9ty0−5=7t\begin{aligned} \begin{cases} x_0-3&=9t\\ y_0-5&=7t \end{cases} \end{aligned}

for some real number tt. That is,

t=x0−39=y0−577(x0−3)=9(y0−5)7x0+24=9y0\begin{aligned} t=\frac{x_0-3}{9}&=\frac{y_0-5}{7}\\ 7(x_0-3)&=9(y_0-5)\\ 7x_0+24&=9y_0 \end{aligned}

Any of these steps could specify the possible values of <x0,y0>\left< x_0,y_0\right>. Say, they can be any pair satisfying 7x0+24=9y07x_0+24=9y_0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.3절 · 5번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
623.CLP-3 · 1.3절 · 5번대학 수준우리말 번역

주어진 점을 지나고 주어진 방향을 갖는 직선의 벡터 매개변수 방정식, 스칼라 매개변수 방정식, 대칭 방정식을 구하세요.

(a) 점 (1,2)(1,2), 방향 <3,2>\left< 3,2\right> (b) 점 (5,4)(5,4), 방향 <2,−1>\left< 2,-1\right> (c) 점 (−1,3)(-1,3), 방향 <−1,2>\left< -1,2\right>

영어 원문 보기

Find the vector parametric, scalar parametric and symmetric equations for the line containing the given point and with the given direction.

(a) point (1,2)(1,2), direction <3,2>\left< 3,2\right> (b) point (5,4)(5,4), direction <2,−1>\left< 2,-1\right> (c) point (−1,3)(-1,3), direction <−1,2>\left< -1,2\right>

정답·풀이 보기

(a) 벡터 매개변수 방정식은 <x,y>=<1,2>+t<3,2>\left< x,y\right>=\left< 1,2\right>+t\left< 3,2\right> 이다. 스칼라 매개변수 방정식은 x=1+3t, y=2+2tx=1+3t,\ y=2+2t 이다. 대칭 방정식은 x−13=y−22\frac{x-1}{3}=\frac{y-2}{2} 이다.

(b) 벡터 매개변수 방정식은 <x,y>=<5,4>+t<2,−1>\left< x,y\right>=\left< 5,4\right>+t\left< 2,-1\right> 이다. 스칼라 매개변수 방정식은 x=5+2t, y=4−tx=5+2t,\ y=4-t 이다. 대칭 방정식은 x−52=y−4−1\frac{x-5}{2}=\frac{y-4}{-1} 이다.

(c) 벡터 매개변수 방정식은 <x,y>=<−1,3>+t<−1,2>\left< x,y\right>=\left< -1,3\right>+t\left< -1,2\right> 이다. 스칼라 매개변수 방정식은 x=−1−t, y=3+2tx=-1-t,\ y=3+2t 이다. 대칭 방정식은 x+1−1=y−32\frac{x+1}{-1}=\frac{y-3}{2} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The vector parametric equation is <x,y>=<1,2>+t<3,2>\left< x,y\right>=\left< 1,2\right>+t\left< 3,2\right> . The scalar parametric equations are x=1+3t, y=2+2tx=1+3t,\ y=2+2t. The symmetric equation is x−13=y−22\frac{x-1}{3}=\frac{y-2}{2}.

(b) The vector parametric equation is <x,y>=<5,4>+t<2,−1>\left< x,y\right>=\left< 5,4\right>+t\left< 2,-1\right> . The scalar parametric equations are x=5+2t, y=4−tx=5+2t,\ y=4-t. The symmetric equation is x−52=y−4−1\frac{x-5}{2}=\frac{y-4}{-1}.

(c) The vector parametric equation is <x,y>=<−1,3>+t<−1,2>\left< x,y\right>=\left< -1,3\right>+t\left< -1,2\right> . The scalar parametric equations are x=−1−t, y=3+2tx=-1-t,\ y=3+2t. The symmetric equation is x+1−1=y−32\frac{x+1}{-1}=\frac{y-3}{2}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.5절 · 19번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
624.CLP-3 · 1.3절 · 8번대학 수준우리말 번역

a\mathbf{a}, b\mathbf{b}, c\mathbf{c} 를 삼각형의 꼭짓점이라 하자. 정의에 따르면 삼각형의 중선은 삼각형의 한 꼭짓점과 그 마주 보는 변의 중점을 지나는 직선이다.

(a) 세 중선의 매개변수 방정식을 구하세요. (b) 세 중선은 한 점에서 만나나요? 만난다면 그 점은 어디인가요?

영어 원문 보기

Let a\mathbf{a}, b\mathbf{b} and c\mathbf{c} be the vertices of a triangle. By definition, a median of a triangle is a straight line that passes through a vertex of the triangle and through the midpoint of the opposite side.

(a) Find the parametric equations of the three medians. (b) Do the three medians meet at a common point? If so, which point?

정답·풀이 보기

(a) a\mathbf{a} 의 마주 보는 변의 중점은 12(b+c)\tfrac{1}{2}(\mathbf{b}+\mathbf{c}) 이다. a\mathbf{a} 에서 그 중점까지 잇는 벡터는 12b+12c−a\tfrac{1}{2}\mathbf{b}+\tfrac{1}{2}\mathbf{c}-\mathbf{a} 이다. a\mathbf{a} 와 12(b+c)\tfrac{1}{2}(\mathbf{b}+\mathbf{c}) 를 지나는 직선의 벡터 매개변수 방정식은

x(t)=a+t(12b+12c−a)\mathbf{x}(t)=\mathbf{a}+t\big(\tfrac{1}{2}\mathbf{b}+\tfrac{1}{2}\mathbf{c}-\mathbf{a}\big)

이다. 나머지 두 중선도 마찬가지로 (tt 대신 ss 와 uu 를 매개변수로 사용하여) 다음과 같다.

x(s)=b+s(12a+12c−b)x(u)=c+u(12a+12b−c)\begin{aligned} \mathbf{x}(s)&=\mathbf{b}+s\big(\tfrac{1}{2}\mathbf{a}+\tfrac{1}{2}\mathbf{c}-\mathbf{b}\big)\\ \mathbf{x}(u)&=\mathbf{c}+u\big(\tfrac{1}{2}\mathbf{a}+\tfrac{1}{2}\mathbf{b}-\mathbf{c}\big) \end{aligned}

(b) 세 중선이 한 점에서 만나려면 다음을 만족하는 s,ts,t 와 uu 의 값이 있어야 한다.

a+t(12b+12c−a) = b+s(12a+12c−b) = c+u(12a+12b−c)(1−t)a+t2b+t2c = s2a+(1−s)b+s2c = u2a+u2b+(1−u)c\begin{aligned} \mathbf{a}+t\big(\tfrac{1}{2}\mathbf{b}+\tfrac{1}{2}\mathbf{c}-\mathbf{a}\big) &\ =\ \mathbf{b}+s\big(\tfrac{1}{2}\mathbf{a}+\tfrac{1}{2}\mathbf{c}-\mathbf{b}\big) &&\ =\ \mathbf{c}+u\big(\tfrac{1}{2}\mathbf{a}+\tfrac{1}{2}\mathbf{b}-\mathbf{c}\big)\\ (1-t)\mathbf{a}+\frac{t}{2}\mathbf{b}+\frac{t}{2}\mathbf{c} &\ =\ \frac{s}{2}\mathbf{a}+(1-s)\mathbf{b}+\frac{s}{2}\mathbf{c} &&\ =\ \frac{u}{2}\mathbf{a}+\frac{u}{2}\mathbf{b}+(1-u)\mathbf{c} \end{aligned}

삼각형이 선분으로 퇴화하지 않았다고 가정하면, 이는 a, b\mathbf{a},\ \mathbf{b} 와 c\mathbf{c} 의 계수가 각각 같을 때, 그리고 그때에 한해 성립한다.

1−t=s2=u2t2=1−s=u2t2=s2=1−u\begin{aligned} 1-t&=\frac{s}{2}&&=\frac{u}{2}\\ \frac{t}{2}&=1-s&&=\frac{u}{2}\\ \frac{t}{2}&=\frac{s}{2}&&=1-u \end{aligned}

즉

s=t=u, 1−t=t2  ⟹  s=t=u=23s=t=u,\ 1-t=\frac{t}{2} \implies s=t=u=\frac{2}{3}

이다. 세 중선은 13(a+b+c)\frac{1}{3}(\mathbf{a}+\mathbf{b}+\mathbf{c}) 에서 만난다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The midpoint of the side opposite a\mathbf{a} is 12(b+c)\tfrac{1}{2}(\mathbf{b}+\mathbf{c}). The vector joining a\mathbf{a} to that midpoint is 12b+12c−a\tfrac{1}{2}\mathbf{b}+\tfrac{1}{2}\mathbf{c}-\mathbf{a}. The vector parametric equation of the line through a\mathbf{a} and 12(b+c)\tfrac{1}{2}(\mathbf{b}+\mathbf{c}) is

x(t)=a+t(12b+12c−a)\mathbf{x}(t)=\mathbf{a}+t\big(\tfrac{1}{2}\mathbf{b}+\tfrac{1}{2}\mathbf{c}-\mathbf{a}\big)

Similarly, for the other two medians (but using ss and uu as parameters, rather than tt)

x(s)=b+s(12a+12c−b)x(u)=c+u(12a+12b−c)\begin{aligned} \mathbf{x}(s)&=\mathbf{b}+s\big(\tfrac{1}{2}\mathbf{a}+\tfrac{1}{2}\mathbf{c}-\mathbf{b}\big)\\ \mathbf{x}(u)&=\mathbf{c}+u\big(\tfrac{1}{2}\mathbf{a}+\tfrac{1}{2}\mathbf{b}-\mathbf{c}\big) \end{aligned}

(b) The three medians meet at a common point if there are values of s,ts,t and uu such that

a+t(12b+12c−a) = b+s(12a+12c−b) = c+u(12a+12b−c)(1−t)a+t2b+t2c = s2a+(1−s)b+s2c = u2a+u2b+(1−u)c\begin{aligned} \mathbf{a}+t\big(\tfrac{1}{2}\mathbf{b}+\tfrac{1}{2}\mathbf{c}-\mathbf{a}\big) &\ =\ \mathbf{b}+s\big(\tfrac{1}{2}\mathbf{a}+\tfrac{1}{2}\mathbf{c}-\mathbf{b}\big) &&\ =\ \mathbf{c}+u\big(\tfrac{1}{2}\mathbf{a}+\tfrac{1}{2}\mathbf{b}-\mathbf{c}\big)\\ (1-t)\mathbf{a}+\frac{t}{2}\mathbf{b}+\frac{t}{2}\mathbf{c} &\ =\ \frac{s}{2}\mathbf{a}+(1-s)\mathbf{b}+\frac{s}{2}\mathbf{c} &&\ =\ \frac{u}{2}\mathbf{a}+\frac{u}{2}\mathbf{b}+(1-u)\mathbf{c} \end{aligned}

Assuming that the triangle has not degenerated to a line segment, this is the case if and only if the coefficients of a, b\mathbf{a},\ \mathbf{b} and c\mathbf{c} match

1−t=s2=u2t2=1−s=u2t2=s2=1−u\begin{aligned} 1-t&=\frac{s}{2}&&=\frac{u}{2}\\ \frac{t}{2}&=1-s&&=\frac{u}{2}\\ \frac{t}{2}&=\frac{s}{2}&&=1-u \end{aligned}

or

s=t=u, 1−t=t2  ⟹  s=t=u=23s=t=u,\ 1-t=\frac{t}{2} \implies s=t=u=\frac{2}{3}

The medians meet at 13(a+b+c)\frac{1}{3}(\mathbf{a}+\mathbf{b}+\mathbf{c}).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 16번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
625.CLP-3 · 1.4절 · 1번대학 수준우리말 번역

벡터 k^\hat{\mathbf{k}} 는 평면 z=0z=0 의 법선벡터(즉, 수직인 벡터)이다. z=0z=0 에 수직인 또 다른 영벡터가 아닌 벡터를 구하세요.

영어 원문 보기

The vector k^\hat{\mathbf{k}} is a normal vector (i.e. is perpendicular) to the plane z=0z=0. Find another nonzero vector that is normal to z=0z=0.

정답·풀이 보기

구하는 벡터는 z=0z=0 에 수직이므로 k^\hat{\mathbf{k}} 와 평행하다. k^\hat{\mathbf{k}} 와 평행하려면 그 벡터는 어떤 실수 cc 에 대해 c k^c\,\hat{\mathbf{k}} 꼴이어야 한다. 이 벡터가 영벡터가 아니려면 c≠0c\ne 0 이어야 하고, k^\hat{\mathbf{k}} 와 다르려면 c≠1c\ne 1 이어야 한다. 따라서 가능한 세 가지 예는 −k^-\hat{\mathbf{k}}, 2 k^2\,\hat{\mathbf{k}}, 7.12345 k^7.12345\,\hat{\mathbf{k}} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We are looking for a vector that is perpendicular to z=0z=0 and hence is parallel to k^\hat{\mathbf{k}}. To be parallel of k^\hat{\mathbf{k}}, the vector has to be of the form c k^c\,\hat{\mathbf{k}} for some real number cc. For the vector to be nonzero, we need c≠0c\ne 0 and for the vector to be different from k^\hat{\mathbf{k}}, we need c≠1c\ne 1. So three possible choices are −k^-\hat{\mathbf{k}}, 2 k^2\,\hat{\mathbf{k}}, 7.12345 k^7.12345\,\hat{\mathbf{k}}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 9번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
626.CLP-3 · 1.4절 · 3번대학 수준우리말 번역

(a) 원점을 지나고 법선벡터가 <1,2,3>\left< 1,2,3\right> 인 평면의 방정식을 구하세요. (b) 점 (0,0,1)(0,0,1) 을 지나고 법선벡터가 <1,1,3>\left< 1,1,3\right> 인 평면의 방정식을 구하세요. (c) 가능하다면, (1,2,3)(1,2,3) 과 (1,0,0)(1,0,0) 을 모두 지나고 법선벡터가 <4,5,6>\left< 4,5,6\right> 인 평면의 방정식을 구하세요. (d) 가능하다면, (1,2,3)(1,2,3) 과 (0,3,4)(0,3,4) 를 모두 지나고 법선벡터가 <2,1,1>\left< 2,1,1\right> 인 평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find the equation of the plane that passes through the origin and has normal vector <1,2,3>\left< 1,2,3\right>. (b) Find the equation of the plane that passes through the point (0,0,1)(0,0,1) and has normal vector <1,1,3>\left< 1,1,3\right>. (c) Find, if possible, the equation of a plane that passes through both (1,2,3)(1,2,3) and (1,0,0)(1,0,0) and has normal vector <4,5,6>\left< 4,5,6\right>. (d) Find, if possible, the equation of a plane that passes through both (1,2,3)(1,2,3) and (0,3,4)(0,3,4) and has normal vector <2,1,1>\left< 2,1,1\right>.

정답·풀이 보기

(a) (x,y,z)(x,y,z) 가 평면 위의 임의의 점이면, (x,y,z)(x,y,z) 에서 (0,0,0)(0,0,0) 으로 향하는 벡터, 즉 <x,y,z>\left< x,y,z\right> 의 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터 <x,y,z>\left< x,y,z\right> 는 <1,2,3>\left< 1,2,3\right> 과 수직이어야 하므로

0=<x,y,z>⋅<1,2,3>=x+2y+3z0=\left< x,y,z\right>\cdot \left< 1,2,3\right> =x+2y+3z

(b) (x,y,z)(x,y,z) 가 평면 위의 임의의 점이면, (x,y,z)(x,y,z) 에서 (0,0,1)(0,0,1) 로 향하는 벡터, 즉 <x,y,z−1>\left< x,y,z-1\right> 의 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터 <x,y,z−1>\left< x,y,z-1\right> 는 <1,1,3>\left< 1,1,3\right> 과 수직이어야 하므로

0=<x,y,z−1>⋅<1,1,3>=x+y+3(z−1)  ⟺  x+y+3z=30=\left< x,y,z-1\right>\cdot \left< 1,1,3\right> =x+y+3(z-1) \iff x+y+3z=3

(c) (1,2,3)(1,2,3) 과 (1,0,0)(1,0,0) 이 모두 평면 위에 있다면, (1,2,3)(1,2,3) 에서 (1,0,0)(1,0,0) 으로 향하는 벡터, 즉 <0,2,3>\left< 0,2,3\right> 의 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터 <0,2,3>\left< 0,2,3\right> 는 <4,5,6>\left< 4,5,6\right> 과 수직이어야 한다. 그런데

<0,2,3>⋅<4,5,6>=28≠0\left< 0,2,3\right> \cdot \left< 4,5,6\right> = 28\ne 0

이므로 벡터 <0,2,3>\left< 0,2,3\right> 는 <4,5,6>\left< 4,5,6\right> 과 수직이 아니다. 따라서 (1,2,3)(1,2,3) 과 (1,0,0)(1,0,0) 을 모두 지나고 법선벡터가 <4,5,6>\left< 4,5,6\right> 인 평면은 존재하지 않는다.

(d) (1,2,3)(1,2,3) 과 (0,3,4)(0,3,4) 가 모두 평면 위에 있다면, (1,2,3)(1,2,3) 에서 (0,3,4)(0,3,4) 로 향하는 벡터, 즉 <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right> 의 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터 <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right> 는 <2,1,1>\left< 2,1,1\right> 과 수직이어야 한다. 그런데

<1,−1,−1>⋅<2,1,1>=0\left< 1,-1,-1\right> \cdot \left< 2,1,1\right> = 0

이므로 벡터 <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right> 는 실제로 <2,1,1>\left< 2,1,1\right> 과 수직이다. 따라서 (1,2,3)(1,2,3) 과 (0,3,4)(0,3,4) 를 모두 지나고 법선벡터가 <2,1,1>\left< 2,1,1\right> 인 평면이 존재한다. 이제 그 방정식을 세우기만 하면 된다.

(x,y,z)(x,y,z) 가 평면 위의 임의의 점이면, (x,y,z)(x,y,z) 에서 (1,2,3)(1,2,3) 으로 향하는 벡터, 즉 <x−1,y−2,z−3>\left< x-1,y-2,z-3\right> 의 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터 <x−1,y−2,z−3>\left< x-1,y-2,z-3\right> 는 <2,1,1>\left< 2,1,1\right> 과 수직이어야 하므로

0=<x−1,y−2,z−3>⋅<2,1,1>=2(x−1)+(y−2)+(z−3)  ⟺  2x+y+z=70=\left< x-1,y-2,z-3\right>\cdot \left< 2,1,1\right> =2(x-1)+(y-2)+(z-3) \iff 2x+y+z=7

검산으로, (x,y,z)=(1,2,3)(x,y,z)=(1,2,3) 과 (x,y,z)=(0,3,4)(x,y,z)=(0,3,4) 가 모두 방정식 2x+y+z=72x+y+z=7 을 만족함을 확인할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If (x,y,z)(x,y,z) is any point on the plane, then both the head and the tail of the vector from (x,y,z)(x,y,z) to (0,0,0)(0,0,0), namely <x,y,z>\left< x,y,z\right>, lie in the plane. So the vector <x,y,z>\left< x,y,z\right> must be perpendicular to <1,2,3>\left< 1,2,3\right> and

0=<x,y,z>⋅<1,2,3>=x+2y+3z0=\left< x,y,z\right>\cdot \left< 1,2,3\right> =x+2y+3z

(b) If (x,y,z)(x,y,z) is any point on the plane, then both the head and the tail of the vector from (x,y,z)(x,y,z) to (0,0,1)(0,0,1), namely <x,y,z−1>\left< x,y,z-1\right>, lie in the plane. So the vector <x,y,z−1>\left< x,y,z-1\right> must be perpendicular to <1,1,3>\left< 1,1,3\right> and

0=<x,y,z−1>⋅<1,1,3>=x+y+3(z−1)  ⟺  x+y+3z=30=\left< x,y,z-1\right>\cdot \left< 1,1,3\right> =x+y+3(z-1) \iff x+y+3z=3

(c) If both (1,2,3)(1,2,3) and (1,0,0)(1,0,0) are on the plane, then both the head and the tail of the vector from (1,2,3)(1,2,3) to (1,0,0)(1,0,0), namely <0,2,3>\left< 0,2,3\right>, lie in the plane. So the vector <0,2,3>\left< 0,2,3\right> must be perpendicular to <4,5,6>\left< 4,5,6\right>. As

<0,2,3>⋅<4,5,6>=28≠0\left< 0,2,3\right> \cdot \left< 4,5,6\right> = 28\ne 0

the vector <0,2,3>\left< 0,2,3\right> is not perpendicular to <4,5,6>\left< 4,5,6\right>. So there is no plane that passes through both (1,2,3)(1,2,3) and (1,0,0)(1,0,0) and has normal vector <4,5,6>\left< 4,5,6\right>.

(d) If both (1,2,3)(1,2,3) and (0,3,4)(0,3,4) are on the plane, then both the head and the tail of the vector from (1,2,3)(1,2,3) to (0,3,4)(0,3,4), namely <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right>, lie in the plane. So the vector <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right> must be perpendicular to <2,1,1>\left< 2,1,1\right>. As

<1,−1,−1>⋅<2,1,1>=0\left< 1,-1,-1\right> \cdot \left< 2,1,1\right> = 0

the vector <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right> is indeed perpendicular to <2,1,1>\left< 2,1,1\right>. So there is a plane that passes through both (1,2,3)(1,2,3) and (0,3,4)(0,3,4) and has normal vector <2,1,1>\left< 2,1,1\right>. We now just have to build its equation.

If (x,y,z)(x,y,z) is any point on the plane, then both the head and the tail of the vector from (x,y,z)(x,y,z) to (1,2,3)(1,2,3), namely <x−1,y−2,z−3>\left< x-1,y-2,z-3\right>, lie in the plane. So the vector <x−1,y−2,z−3>\left< x-1,y-2,z-3\right> must be perpendicular to <2,1,1>\left< 2,1,1\right> and

0=<x−1,y−2,z−3>⋅<2,1,1>=2(x−1)+(y−2)+(z−3)  ⟺  2x+y+z=70=\left< x-1,y-2,z-3\right>\cdot \left< 2,1,1\right> =2(x-1)+(y-2)+(z-3) \iff 2x+y+z=7

As a check, note that both (x,y,z)=(1,2,3)(x,y,z)=(1,2,3) and (x,y,z)=(0,3,4)(x,y,z)=(0,3,4) obey the equation 2x+y+z=72x+y+z=7.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 2번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
627.CLP-3 · 1.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

세 점 (1,0,0)(1,0,0), (0,1,0)(0,1,0), (0,0,1)(0,0,1)을 지나는 평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the equation of the plane that contains (1,0,0)(1,0,0), (0,1,0)(0,1,0) and (0,0,1)(0,0,1).

정답·풀이 보기

풀이 1: 너무 쉽다. 그냥 짐작하면 된다. 평면 x+y+z=1x+y+z=1은 주어진 세 점을 모두 지난다.

풀이 2: 이 평면은 원점을 지나지 않는다. (간단히 그림을 그려 보면 알 수 있다.) 따라서 이 평면의 방정식은 ax+by+cz=1ax+by+cz=1 꼴이다.

  • (1,0,0)(1,0,0)이 평면 위에 있으려면

a(1)+b(0)+c(0)=1  ⟹  a=1a(1) +b(0) +c(0) =1 \implies a=1

  • (0,1,0)(0,1,0)이 평면 위에 있으려면

a(0)+b(1)+c(0)=1  ⟹  b=1a(0) +b(1) +c(0) =1 \implies b=1

  • (0,0,1)(0,0,1)이 평면 위에 있으려면

a(0)+b(0)+c(1)=1  ⟹  c=1a(0) +b(0) +c(1) =1 \implies c=1

따라서 이 평면은 x+y+z=1x+y+z=1이다.

풀이 3: (1,0,0)(1,0,0)에서 (0,1,0)(0,1,0)까지의 벡터, 즉 <−1,1,0>\left< -1,1,0\right>의 시점과 종점은 모두 평면 위에 있다. 마찬가지로 (1,0,0)(1,0,0)에서 (0,0,1)(0,0,1)까지의 벡터, 즉 <−1,0,1>\left< -1,0,1\right>의 시점과 종점도 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터

<−1,1,0>×<−1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^−110−101]=<1,1,1>\begin{aligned} \left< -1,1,0\right> \times \left< -1,0,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -1 & 1 & 0 \\ -1 & 0 & 1 \end{matrix}\right] =\left< 1 , 1 ,1 \right> \end{aligned}

은 이 평면의 법선 벡터이다. (1,0,0)(1,0,0)이 평면 위의 점이므로

<1,1,1>⋅<x−1 , y−0 , z−0>=0또는x+y+z=1\begin{aligned} \left< 1 , 1 ,1 \right> \cdot \left< x-1\,,\,y-0\,,\, z-0 \right> = 0\qquad \text{또는}\quad x+y+z=1 \end{aligned}

이 평면의 방정식이다.

원본 교재 풀이(영어)

Solution 1: That's too easy. We just guess. The plane x+y+z=1x+y+z=1 contains all three given points.

Solution 2: The plane does not pass through the origin. (You can see this by just making a quick sketch.) So the plane has an equation of the form ax+by+cz=1ax+by+cz=1.

  • For (1,0,0)(1,0,0) to be on the plane we need that

a(1)+b(0)+c(0)=1  ⟹  a=1a(1) +b(0) +c(0) =1 \implies a=1

  • For (0,1,0)(0,1,0) to be on the plane we need that

a(0)+b(1)+c(0)=1  ⟹  b=1a(0) +b(1) +c(0) =1 \implies b=1

  • For (0,0,1)(0,0,1) to be on the plane we need that

a(0)+b(0)+c(1)=1  ⟹  c=1a(0) +b(0) +c(1) =1 \implies c=1

So the plane is x+y+z=1x+y+z=1.

Solution 3: Both the head and the tail of the vector from (1,0,0)(1,0,0) to (0,1,0)(0,1,0), namely <−1,1,0>\left< -1,1,0\right>, lie in the plane. Similarly, both the head and the tail of the vector from (1,0,0)(1,0,0) to (0,0,1)(0,0,1), namely <−1,0,1>\left< -1,0,1\right>, lie in the plane. So the vector

<−1,1,0>×<−1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^−110−101]=<1,1,1>\begin{aligned} \left< -1,1,0\right> \times \left< -1,0,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -1 & 1 & 0 \\ -1 & 0 & 1 \end{matrix}\right] =\left< 1 , 1 ,1 \right> \end{aligned}

is a normal vector for the plane. As (1,0,0)(1,0,0) is a point in the plane,

<1,1,1>⋅<x−1 , y−0 , z−0>=0orx+y+z=1\begin{aligned} \left< 1 , 1 ,1 \right> \cdot \left< x-1\,,\,y-0\,,\, z-0 \right> = 0\qquad \text{or}\quad x+y+z=1 \end{aligned}

is an equation for the plane.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 3번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
628.CLP-3 · 1.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 무엇이 잘못되었는지 설명하세요. “세 점 (1,2,3)(1,2,3), (2,3,4)(2,3,4), (3,4,5)(3,4,5)를 포함하는 평면의 방정식을 구하세요.”

영어 원문 보기

What's wrong with the following exercise? “Find the equation of the plane containing (1,2,3)(1,2,3), (2,3,4)(2,3,4) and (3,4,5)(3,4,5).”

정답·풀이 보기

(1,2,3)(1,2,3)에서 (2,3,4)(2,3,4)까지의 벡터, 즉 <1,1,1>\left< 1,1,1\right>은 (1,2,3)(1,2,3)에서 (3,4,5)(3,4,5)까지의 벡터, 즉 <2,2,2>\left< 2,2,2\right>와 평행하다. 따라서 주어진 세 점은 한 직선 위에 있다. 정확히 말하면, 세 점 (1,2,3), (2,3,4)(1,2,3),\ (2,3,4), (3,4,5)(3,4,5)는 모두 직선 <x−1,y−2,z−3>=t<1,1,1>\left< x-1,y-2,z-3\right>=t\left< 1,1,1\right> 위에 있다. 이 직선을 지나는 평면은 많다.

원본 교재 풀이(영어)

The vector from (1,2,3)(1,2,3) to (2,3,4)(2,3,4), namely <1,1,1>\left< 1,1,1\right> is parallel to the vector from (1,2,3)(1,2,3) to (3,4,5)(3,4,5), namely <2,2,2>\left< 2,2,2\right>. So the three given points are collinear. Precisely, all three points (1,2,3), (2,3,4)(1,2,3),\ (2,3,4) and (3,4,5)(3,4,5) are on the line <x−1,y−2,z−3>=t<1,1,1>\left< x-1,y-2,z-3\right>=t\left< 1,1,1\right>. There are many planes through that line.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 4번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
629.CLP-3 · 1.4절 · 7번대학 수준우리말 번역

주어진 세 점을 지나는 평면을 구하세요.

(a) (1,0,1), (2,4,6), (1,2,−1)(1,0,1),\ (2,4,6),\ (1,2,-1) (b) (1,−2,−3), (4,−4,4), (3,2,−3)(1,-2,-3),\ (4,-4,4),\ (3,2,-3) (c) (1,−2,−3), (5,2,1), (−1,−4,−5)(1,-2,-3),\ (5,2,1),\ (-1,-4,-5)

영어 원문 보기

Find the plane containing the given three points.

(a) (1,0,1), (2,4,6), (1,2,−1)(1,0,1),\ (2,4,6),\ (1,2,-1) (b) (1,−2,−3), (4,−4,4), (3,2,−3)(1,-2,-3),\ (4,-4,4),\ (3,2,-3) (c) (1,−2,−3), (5,2,1), (−1,−4,−5)(1,-2,-3),\ (5,2,1),\ (-1,-4,-5)

정답·풀이 보기

(a) 이 평면은 <2,4,6>−<1,0,1>=<1,4,5>\left< 2,4,6\right> -\left< 1,0,1\right> =\left< 1,4,5\right> 및 <1,2,−1>−<1,0,1>=<0,2,−2>\left< 1,2,-1\right> -\left< 1,0,1\right> =\left< 0,2,-2\right> 과 평행해야 한다. 따라서 법선벡터는 <1,4,5>\left< 1,4,5\right> 과 <0,2,−2>\left< 0,2,-2\right> 에 모두 수직이어야 하므로 다음과 평행하다.

<1,4,5>×<0,2,−2>=det⁡[ı^ȷ^k^14502−2]=<−18,2,2>\left< 1,4,5\right> \times\left< 0,2,-2\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 4 & 5 \\ 0 & 2 & -2 \end{matrix}\right] =\left< -18,2,2\right>

평면의 방정식은 9(x−1)−y−(z−1)=09(x-1)-y-(z-1)=0 즉 9x−y−z=89x-y-z=8 이다.

(1,0,1), (2,4,6)(1,0,1),\ (2,4,6), (1,2,−1)(1,2,-1) 이 모두 9x−y−z=89x-y-z=8 을 만족함을 통해 이를 확인할 수 있다.

(b) 이 평면은 <4,−4,4>−<1,−2,−3>=<3,−2,7>\left< 4,-4,4\right> -\left< 1,-2,-3\right> =\left< 3,-2,7\right> 및 <3,2,−3>−<1,−2,−3>=<2,4,0>\left< 3,2,-3\right> -\left< 1,-2,-3\right> =\left< 2,4,0\right> 과 평행해야 한다. 따라서 법선벡터는 <3,−2,7>\left< 3,-2,7\right> 과 <2,4,0>\left< 2,4,0\right> 에 모두 수직이어야 하므로 다음과 평행하다.

<3,−2,7>×<2,4,0>=det⁡[ı^ȷ^k^3−27240]=<−28,14,16>\left< 3,-2,7\right> \times\left< 2,4,0\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 3 & -2 & 7 \\ 2 & 4 & 0 \end{matrix}\right] =\left< -28,14,16\right>

평면의 방정식은 14(x−1)−7(y+2)−8(z+3)=014(x-1)-7(y+2)-8(z+3)=0 즉 14x−7y−8z=5214x-7y-8z=52 이다.

(1,−2,−3), (4,−4,4)(1,-2,-3),\ (4,-4,4), (3,2,−3)(3,2,-3) 이 모두 14x−7y−8z=5214x-7y-8z=52 를 만족함을 통해 이를 확인할 수 있다.

(c) 이 평면은 <5,2,1>−<1,−2,−3>=<4,4,4>\left< 5,2,1\right> -\left< 1,-2,-3\right> =\left< 4,4,4\right> 및 <−1,−4,−5>−<1,−2,−3>=<−2,−2,−2>\left< -1,-4,-5\right> -\left< 1,-2,-3\right> =\left< -2,-2,-2\right> 과 평행해야 한다. 이런, 이 두 벡터는 평행하다. 따라서 세 점은 모두 한 직선 위에 있다. 이 직선을 포함하는 평면은 어느 것이든 세 점을 모두 지난다. <a,b,c>\left< a,b,c\right> 가 <1,1,1>\left< 1,1,1\right> 에 수직인 임의의 벡터(즉 a+b+c=0a+b+c=0 을 만족하는 벡터)이면, 평면 a(x−1)+b(y+2)+c(z+3)=0a(x-1)+b(y+2)+c(z+3)=0 즉 a(x−1)+b(y+2)−(a+b)(z+3)=0a(x-1)+b(y+2)-(a+b)(z+3)=0 즉 ax+by−(a+b)z=4a+bax+by-(a+b)z=4a+b 은 주어진 세 점을 지난다.

(1,−2,−3), (5,2,1)(1,-2,-3),\ (5,2,1), (−1,−4,−5)(-1,-4,-5) 가 모든 aa, bb 에 대해 방정식 ax+by−(a+b)z=4a+bax+by-(a+b)z=4a+b 를 만족함을 통해 이를 확인할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The plane must be parallel to <2,4,6>−<1,0,1>=<1,4,5>\left< 2,4,6\right> -\left< 1,0,1\right> =\left< 1,4,5\right> and to <1,2,−1>−<1,0,1>=<0,2,−2>\left< 1,2,-1\right> -\left< 1,0,1\right> =\left< 0,2,-2\right> . So its normal vector must be perpendicular to both <1,4,5>\left< 1,4,5\right> and <0,2,−2>\left< 0,2,-2\right> and hence parallel to

<1,4,5>×<0,2,−2>=det⁡[ı^ȷ^k^14502−2]=<−18,2,2>\left< 1,4,5\right> \times\left< 0,2,-2\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 4 & 5 \\ 0 & 2 & -2 \end{matrix}\right] =\left< -18,2,2\right>

The plane is 9(x−1)−y−(z−1)=09(x-1)-y-(z-1)=0 or 9x−y−z=89x-y-z=8.

We can check this by observing that (1,0,1), (2,4,6)(1,0,1),\ (2,4,6) and (1,2,−1)(1,2,-1) all satisfy 9x−y−z=89x-y-z=8.

(b) The plane must be parallel to <4,−4,4>−<1,−2,−3>=<3,−2,7>\left< 4,-4,4\right> -\left< 1,-2,-3\right> =\left< 3,-2,7\right> and to <3,2,−3>−<1,−2,−3>=<2,4,0>\left< 3,2,-3\right> -\left< 1,-2,-3\right> =\left< 2,4,0\right> . So its normal vector must be perpendicular to both <3,−2,7>\left< 3,-2,7\right> and <2,4,0>\left< 2,4,0\right> and hence parallel to

<3,−2,7>×<2,4,0>=det⁡[ı^ȷ^k^3−27240]=<−28,14,16>\left< 3,-2,7\right> \times\left< 2,4,0\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 3 & -2 & 7 \\ 2 & 4 & 0 \end{matrix}\right] =\left< -28,14,16\right>

The plane is 14(x−1)−7(y+2)−8(z+3)=014(x-1)-7(y+2)-8(z+3)=0 or 14x−7y−8z=5214x-7y-8z=52.

We can check this by observing that (1,−2,−3), (4,−4,4)(1,-2,-3),\ (4,-4,4) and (3,2,−3)(3,2,-3) all satisfy 14x−7y−8z=5214x-7y-8z=52.

(c) The plane must be parallel to <5,2,1>−<1,−2,−3>=<4,4,4>\left< 5,2,1\right> -\left< 1,-2,-3\right> =\left< 4,4,4\right> and to <−1,−4,−5>−<1,−2,−3>=<−2,−2,−2>\left< -1,-4,-5\right> -\left< 1,-2,-3\right> =\left< -2,-2,-2\right> . My, my. These two vectors are parallel. So the three points are all on the same straight line. Any plane containing the line contains all three points. If <a,b,c>\left< a,b,c\right> is any vector perpendicular to <1,1,1>\left< 1,1,1\right> (i.e. which obeys a+b+c=0a+b+c=0) then the plane a(x−1)+b(y+2)+c(z+3)=0a(x-1)+b(y+2)+c(z+3)=0 or a(x−1)+b(y+2)−(a+b)(z+3)=0a(x-1)+b(y+2)-(a+b)(z+3)=0 or ax+by−(a+b)z=4a+bax+by-(a+b)z=4a+b contains the three given points.

We can check this by observing that (1,−2,−3), (5,2,1)(1,-2,-3),\ (5,2,1) and (−1,−4,−5)(-1,-4,-5) all satisfy the equation ax+by−(a+b)z=4a+bax+by-(a+b)z=4a+b for all aa and bb.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 6번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
630.CLP-3 · 1.4절 · 8번대학 수준우리말 번역

주어진 점에서 주어진 평면까지의 거리를 구하세요.

(a) 점 (−1,2,3)(-1,2,3), 평면 x+y+z=7x+y+z=7 (b) 점 (1,−4,3)(1,-4,3), 평면 x−2y+z=5x-2y+z=5

영어 원문 보기

Find the distance from the given point to the given plane.

(a) point (−1,2,3)(-1,2,3), plane x+y+z=7x+y+z=7 (b) point (1,−4,3)(1,-4,3), plane x−2y+z=5x-2y+z=5

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 평면 위의 한 점은 (0,0,7)(0,0,7) 이다. (−1,2,3)(-1,2,3) 에서 (0,0,7)(0,0,7) 로 향하는 벡터는 <0,0,7>−<−1,2,3>=<1,−2,4>\left< 0,0,7\right> -\left< -1,2,3\right> =\left< 1,-2,4\right> 이다. 평면에 수직인 단위벡터는 13<1,1,1>\frac{1}{\sqrt{3}}\left< 1,1,1\right> 이다. (−1,2,3)(-1,2,3) 에서 평면까지의 거리는 <1,−2,4>\left< 1,-2,4\right> 를 13<1,1,1>\frac{1}{\sqrt{3}}\left< 1,1,1\right> 위로 정사영한 벡터의 길이이므로 13<1,1,1>⋅<1,−2,4>=33=3\begin{aligned} \frac{1}{\sqrt{3}}\left< 1,1,1\right> \cdot\left< 1,-2,4\right> =\frac{3}{\sqrt{3}} =\sqrt{3} \end{aligned} 이다.

(b) 평면 위의 한 점은 (0,0,5)(0,0,5) 이다. (1,−4,3)(1,-4,3) 에서 (0,0,5)(0,0,5) 로 향하는 벡터는 <0,0,5>−<1,−4,3>=<−1,4,2>\left< 0,0,5\right> -\left< 1,-4,3\right> =\left< -1,4,2\right> 이다. 평면에 수직인 단위벡터는 16<1,−2,1>\frac{1}{\sqrt{6}}\left< 1,-2,1\right> 이다. (1,−4,3)(1,-4,3) 에서 평면까지의 거리는 <−1,4,2>\left< -1,4,2\right> 를 16<1,−2,1>\frac{1}{\sqrt{6}}\left< 1,-2,1\right> 위로 정사영한 벡터의 길이이므로 다음 값의 절댓값이다.

16<1,−2,1>⋅<−1,4,2>=−76\frac{1}{\sqrt{6}}\left< 1,-2,1\right> \cdot \left< -1,4,2\right> =\frac{-7}{\sqrt{6}}

따라서 거리는 7/67/\sqrt{6} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) One point on the plane is (0,0,7)(0,0,7). The vector from (−1,2,3)(-1,2,3) to (0,0,7)(0,0,7) is <0,0,7>−<−1,2,3>=<1,−2,4>\left< 0,0,7\right> -\left< -1,2,3\right> =\left< 1,-2,4\right> . A unit vector perpendicular to the plane is 13<1,1,1>\frac{1}{\sqrt{3}}\left< 1,1,1\right> . The distance from (−1,2,3)(-1,2,3) to the plane is the length of the projection of <1,−2,4>\left< 1,-2,4\right> on 13<1,1,1>\frac{1}{\sqrt{3}}\left< 1,1,1\right> which is 13<1,1,1>⋅<1,−2,4>=33=3\begin{aligned} \frac{1}{\sqrt{3}}\left< 1,1,1\right> \cdot\left< 1,-2,4\right> =\frac{3}{\sqrt{3}} =\sqrt{3} \end{aligned}

(b) One point on the plane is (0,0,5)(0,0,5). The vector from (1,−4,3)(1,-4,3) to (0,0,5)(0,0,5) is <0,0,5>−<1,−4,3>=<−1,4,2>\left< 0,0,5\right> -\left< 1,-4,3\right> =\left< -1,4,2\right>. A unit vector perpendicular to the plane is 16<1,−2,1>\frac{1}{\sqrt{6}}\left< 1,-2,1\right> . The distance from (1,−4,3)(1,-4,3) to the plane is the length of the projection of <−1,4,2>\left< -1,4,2\right> on 16<1,−2,1>\frac{1}{\sqrt{6}}\left< 1,-2,1\right> which is the absolute value of

16<1,−2,1>⋅<−1,4,2>=−76\frac{1}{\sqrt{6}}\left< 1,-2,1\right> \cdot \left< -1,4,2\right> =\frac{-7}{\sqrt{6}}

or 7/67/\sqrt{6}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 20번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
631.CLP-3 · 1.4절 · 9번대학 수준우리말 번역

R3\mathbb{R}^3 에서 평면 Π\Pi 가 세 점 A=(1,1,3)A = (1, 1, 3), B=(2,0,2)B = (2, 0, 2), C=(2,1,0)C = (2, 1, 0) 을 지난다.

(a) 평면 Π\Pi 의 방정식을 구하세요. (b) 점 D=(6,1,2)D = (6, 1, 2) 와 EE 를 지나는 직선 LL 이 Π\Pi 에 수직이 되도록 하는, 평면 Π\Pi 위의 점 EE 를 구하세요.

영어 원문 보기

A plane Π\Pi passes through the points A=(1,1,3)A = (1, 1, 3), B=(2,0,2)B = (2, 0, 2) and C=(2,1,0)C = (2, 1, 0) in R3\mathbb{R}^3.

(a) Find an equation for the plane Π\Pi. (b) Find the point EE in the plane Π\Pi such that the line LL through D=(6,1,2)D = (6, 1, 2) and EE is perpendicular to Π\Pi.

정답·풀이 보기

(a) CC 에서 AA 로 향하는 벡터 <1−2 , 1−1 , 3−0>=<−1 , 0 , 3>\left< 1-2\,,\,1-1\,,\,3-0\right> = \left< -1\,,\,0\,,\,3\right> 은 완전히 Π\Pi 안에 놓여 있다. CC 에서 BB 로 향하는 벡터 <2−2 , 0−1 , 2−0>=<0 , −1 , 2>\left< 2-2\,,\,0-1\,,\,2-0\right> = \left< 0\,,\,-1\,,\,2\right> 도 완전히 Π\Pi 안에 놓여 있다. 따라서 벡터

<−1 , 0 , 3>×<0 , −1 , 2>=det⁡[ı^ȷ^k^−1030−12]=<3 , 2 , 1>\begin{aligned} \left< -1\,,\,0\,,\,3\right>\times \left< 0\,,\,-1\,,\,2\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -1 & 0 & 3 \\ 0 & -1 & 2 \end{matrix}\right] =\left< 3 \,,\, 2 \,,\, 1 \right> \end{aligned}

는 Π\Pi 에 수직이다. 그러면 Π\Pi 의 방정식은

<3 , 2 , 1>⋅<x−2 , y−1 , z>=0또는3x+2y+z=8\begin{aligned} \left< 3 \,,\, 2 \,,\, 1 \right> \cdot \left< x-2 \,,\, y-1 \,,\, z \right> = 0 \qquad\text{또는}\qquad 3x+2y+z = 8 \end{aligned}

이다.

(b) EE 를 (x,y,z)(x,y,z) 라 하자. 그러면 DD 에서 EE 로 향하는 벡터 <x−6 , y−1 , z−2>\left< x-6\,,\,y-1\,,\,z-2\right> 는 Π\Pi 에 수직인 벡터 <3 , 2 , 1>\left< 3 \,,\, 2 \,,\, 1 \right> 과 평행해야 한다. 즉, 다음을 만족하는 수 tt 가 있어야 한다.

<x−6 , y−1 , z−2>=t<3 , 2 , 1>또는 x=6+3t, y=1+2t, z=2+t\begin{aligned} & \left< x-6\,,\,y-1\,,\,z-2\right> = t \left< 3 \,,\, 2 \,,\, 1 \right> \\ &\text{또는 }x=6+3t,\ y=1+2t,\ z=2+t \end{aligned}

(x,y,z)(x,y,z) 는 Π\Pi 위에 있어야 하므로,

8=3x+2y+z=3(6+3t)+2(1+2t)+(2+t)=22+14t  ⟹  t=−1\begin{aligned} 8 = 3x+2y+z = 3(6+3t) + 2(1+2t) +(2+t) = 22 +14 t \implies t=-1 \end{aligned}

이다. 따라서 (x,y,z)=(6+3(−1) , 1+2(−1) , 2+(−1))=(3 , −1 , 1)(x,y,z) = \big(6+3(-1)\,,\,1+2(-1)\,,\,2+(-1)\big) = \big(3\,,\,-1\,,\,1\big) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The vector from CC to AA, namely <1−2 , 1−1 , 3−0>=<−1 , 0 , 3>\left< 1-2\,,\,1-1\,,\,3-0\right> = \left< -1\,,\,0\,,\,3\right> lies entirely inside Π\Pi. The vector from CC to BB, namely <2−2 , 0−1 , 2−0>=<0 , −1 , 2>\left< 2-2\,,\,0-1\,,\,2-0\right> = \left< 0\,,\,-1\,,\,2\right> also lies entirely inside Π\Pi. Consequently, the vector

<−1 , 0 , 3>×<0 , −1 , 2>=det⁡[ı^ȷ^k^−1030−12]=<3 , 2 , 1>\begin{aligned} \left< -1\,,\,0\,,\,3\right>\times \left< 0\,,\,-1\,,\,2\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -1 & 0 & 3 \\ 0 & -1 & 2 \end{matrix}\right] =\left< 3 \,,\, 2 \,,\, 1 \right> \end{aligned}

is perpendicular to Π\Pi. The equation of Π\Pi is then

<3 , 2 , 1>⋅<x−2 , y−1 , z>=0or3x+2y+z=8\begin{aligned} \left< 3 \,,\, 2 \,,\, 1 \right> \cdot \left< x-2 \,,\, y-1 \,,\, z \right> = 0 \qquad\text{or}\qquad 3x+2y+z = 8 \end{aligned}

(b) Let EE be (x,y,z)(x,y,z). Then the vector from DD to EE, namely <x−6 , y−1 , z−2>\left< x-6\,,\,y-1\,,\,z-2\right> has to be parallel to the vector <3 , 2 , 1>\left< 3 \,,\, 2 \,,\, 1 \right>, which is perpendicular to Π\Pi. That is, there must be a number tt such that

<x−6 , y−1 , z−2>=t<3 , 2 , 1>or x=6+3t, y=1+2t, z=2+t\begin{aligned} & \left< x-6\,,\,y-1\,,\,z-2\right> = t \left< 3 \,,\, 2 \,,\, 1 \right> \\ &\text{or }x=6+3t,\ y=1+2t,\ z=2+t \end{aligned}

As (x,y,z)(x,y,z) must be in Π\Pi,

8=3x+2y+z=3(6+3t)+2(1+2t)+(2+t)=22+14t  ⟹  t=−1\begin{aligned} 8 = 3x+2y+z = 3(6+3t) + 2(1+2t) +(2+t) = 22 +14 t \implies t=-1 \end{aligned}

So (x,y,z)=(6+3(−1) , 1+2(−1) , 2+(−1))=(3 , −1 , 1)(x,y,z) = \big(6+3(-1)\,,\,1+2(-1)\,,\,2+(-1)\big) = \big(3\,,\,-1\,,\,1\big).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 8번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
632.CLP-3 · 1.4절 · 10번대학 수준우리말 번역

A=(2,3,4)A = (2, 3, 4) 라 하고, LL 을 방정식 x+y=1x + y = 1 과 x+2y+z=3x + 2y + z = 3 으로 주어진 직선이라 하자.

(a) 점 AA 를 지나고 LL 에 수직인 평면의 방정식을 쓰세요. (b) 점 AA 와 직선 LL 을 포함하는 평면의 방정식을 쓰세요.

영어 원문 보기

Let A=(2,3,4)A = (2, 3, 4) and let LL be the line given by the equations x+y=1x + y = 1 and x+2y+z=3x + 2y + z = 3.

(a) Write an equation for the plane containing AA and perpendicular to LL. (b) Write an equation for the plane containing AA and LL.

정답·풀이 보기

(a), (b) 두 경우 모두 LL 의 방향 벡터가 필요하다. 그래서 먼저 하나를 구한다.

  • 벡터 <1,1,0>\left< 1,1,0\right> 은 x+y=1x + y = 1 에 수직이므로 LL 에도 수직이다.
  • 벡터 <1,2,1>\left< 1,2,1\right> 은 x+2y+z=3x + 2y + z = 3 에 수직이므로 LL 에도 수직이다.

따라서 벡터

<1,1,0>×<1,2,1>=det⁡[ı^ȷ^k^110121]=<1 , −1 , 1>\begin{aligned} \left< 1,1,0\right> \times \left< 1,2,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 1 & 0 \\ 1 & 2 & 1 \end{matrix}\right] =\left< 1 \,,\, -1 \,,\, 1 \right> \end{aligned}

은 LL 의 방향 벡터이다.

(a) 이 평면은 점 (2,3,4)(2,3,4) 를 지나고 <−1,1,−1>\left<-1,1,-1 \right> 을 법선 벡터로 가져야 한다. 그러므로

<−1,1,−1>⋅<x−2,y−3,z−4>=0또는x−y+z=3\begin{aligned} \left<-1,1,-1 \right>\cdot \left< x-2,y-3,z-4 \right> =0\qquad\text{또는}\qquad x-y+z=3 \end{aligned}

이 조건을 만족한다.

(b) 이 평면은 점 A=(2,3,4)A=(2,3,4) 와 (1,0,2)(1,0,2) (LL 위의 점)를 지나야 하므로 벡터 <2−1,3−0,4−2>=<1,3,2> \left< 2-1,3-0,4-2 \right> =\left< 1,3,2 \right> 은 평면에 평행해야 한다. LL 의 방향 벡터 <−1,1,−1>\left< -1 , 1 , -1 \right> 도 평면에 평행해야 한다. 따라서 벡터

<1,3,2>×<−1,1,−1>=det⁡[ı^ȷ^k^132−11−1]=<−5 , −1 , 4>\begin{aligned} \left< 1,3,2\right> \times \left< -1,1,-1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 3 & 2 \\ -1 & 1 & -1 \end{matrix}\right] =\left< -5 \,,\, -1 \,,\, 4 \right> \end{aligned}

는 평면의 법선 벡터이어야 한다. 그러므로

<−5,−1,4>⋅<x−2,y−3,z−4>=0또는5x+y−4z=−3\begin{aligned} \left<-5,-1,4 \right>\cdot \left< x-2,y-3,z-4 \right> =0\qquad\text{또는}\qquad 5x+y-4z=-3 \end{aligned}

이 조건을 만족한다.

원본 교재 풀이(영어)

We are going to need a direction vector for LL in both parts (a) and (b). So we find one first.

  • The vector <1,1,0>\left< 1,1,0\right> is perpendicular to x+y=1x + y = 1 and hence to LL.
  • The vector <1,2,1>\left< 1,2,1\right> is perpendicular to x+2y+z=3x + 2y + z = 3 and hence to LL.

So the vector

<1,1,0>×<1,2,1>=det⁡[ı^ȷ^k^110121]=<1 , −1 , 1>\begin{aligned} \left< 1,1,0\right> \times \left< 1,2,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 1 & 0 \\ 1 & 2 & 1 \end{matrix}\right] =\left< 1 \,,\, -1 \,,\, 1 \right> \end{aligned}

is a direction vector for LL.

(a) The plane is to contain the point (2,3,4)(2,3,4) and is to have <−1,1,−1>\left<-1,1,-1 \right> as a normal vector. So

<−1,1,−1>⋅<x−2,y−3,z−4>=0orx−y+z=3\begin{aligned} \left<-1,1,-1 \right>\cdot \left< x-2,y-3,z-4 \right> =0\qquad\text{or}\qquad x-y+z=3 \end{aligned}

does the job.

(b) The plane is to contain the points A=(2,3,4)A=(2,3,4) and (1,0,2)(1,0,2) (which is on LL) so that the vector <2−1,3−0,4−2>=<1,3,2> \left< 2-1,3-0,4-2 \right> =\left< 1,3,2 \right> is to be parallel to the plane. The direction vector of LL, namely <−1,1,−1>\left< -1 , 1 , -1 \right>, is also to be parallel to the plane. So the vector

<1,3,2>×<−1,1,−1>=det⁡[ı^ȷ^k^132−11−1]=<−5 , −1 , 4>\begin{aligned} \left< 1,3,2\right> \times \left< -1,1,-1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 3 & 2 \\ -1 & 1 & -1 \end{matrix}\right] =\left< -5 \,,\, -1 \,,\, 4 \right> \end{aligned}

is to be normal to the plane. So

<−5,−1,4>⋅<x−2,y−3,z−4>=0or5x+y−4z=−3\begin{aligned} \left<-5,-1,4 \right>\cdot \left< x-2,y-3,z-4 \right> =0\qquad\text{or}\qquad 5x+y-4z=-3 \end{aligned}

does the job.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 11번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
633.CLP-3 · 1.4절 · 11번대학 수준우리말 번역

평면 4x+2y−4z=34x + 2y - 4z = 3 을 생각하세요. 위 평면과의 거리가 22 인 평행한 평면을 모두 구하세요. 답은 다음 꼴로 나타내세요: 4x+2y−4z=C4x + 2y - 4z = C.

영어 원문 보기

Consider the plane 4x+2y−4z=34x + 2y - 4z = 3. Find all parallel planes that are distance 22 from the above plane. Your answers should be in the following form: 4x+2y−4z=C4x + 2y - 4z = C.

정답·풀이 보기

평면 4x+2y−4z=34x + 2y - 4z = 3 에 평행한 평면은 모두 <4 , 2 , −4>\left< 4\,,\,2\,,\,-4\right> 를 법선벡터로 가지므로, 어떤 상수 CC 에 대해 4x+2y−4z=C4x + 2y - 4z = C 꼴의 방정식을 가진다. 평면 4x+2y−4z=34x + 2y - 4z = 3 과 평면 4x+2y−4z=C4x + 2y - 4z = C 사이의 거리가 22 가 되는 CC 의 값을 구해야 한다. 평면 4x+2y−4z=34x + 2y - 4z = 3 위의 한 점은 (0,32,0)\big(0,\frac{3}{2},0\big) 이다. 다음을 만족하는 두 점 (x′,y′,z′)(x',y',z') 은

<x′−0 , y′−32 , z′−0>⏞(0,32,0) 에서 (x′,y′,z′) 로 가는 벡터=±2 <4 , 2 , −4>16+4+16⏞단위벡터=±26<4 , 2 , −4>=±<43 , 23 , −43>\begin{aligned} \overbrace{\left< x'-0\,,\,y'-\frac{3}{2}\,,\,z'-0\right>}^{\text{$\big(0,\frac{3}{2},0\big)$ 에서 $(x',y',z')$ 로 가는 벡터}} =\pm 2\ \overbrace{\frac{\left< 4\,,\,2\,,\,-4\right>}{\sqrt{16+4+16}}}^{\text{단위벡터}} =\pm \frac{2}{6} \left< 4\,,\,2\,,\,-4\right> =\pm\left< \frac{4}{3}\,,\,\frac{2}{3}\,,\,-\frac{4}{3}\right> \end{aligned}

법선 방향으로 (0,32,0)\big(0,\frac{3}{2},0\big) 에서 거리가 22 만큼 떨어진 두 점이다. 이 두 점 (x′,y′,z′)(x',y',z') 은

(0+43 , 32+23 , 0−43)=(43 , 136 , −43) 그리고 (0−43 , 32−23 , 0+43)=(−43 , 56 , 43)\begin{aligned} \left(0+\frac{4}{3}\,,\, \frac{3}{2}+\frac{2}{3}\,,\,0-\frac{4}{3}\right) &=\left(\frac{4}{3}\,,\, \frac{13}{6}\,,\,-\frac{4}{3}\right) \\\text{ 그리고 } \left(0-\frac{4}{3}\,,\, \frac{3}{2}-\frac{2}{3}\,,\,0+\frac{4}{3}\right) &=\left(-\frac{4}{3}\,,\, \frac{5}{6}\,,\,\frac{4}{3}\right) \end{aligned}

이다. 이 두 점은 구하려는 평면 위에 있으므로, 구하려는 두 평면은

4x+2y−4z=4×43+2×136−−4×43=32+26+326=15\begin{aligned} 4x + 2y - 4z =\frac{4\times 4}{3} +\frac{2\times 13}{6}-\frac{-4\times 4}{3} =\frac{32+26+32}{6} =15 \end{aligned}

과

4x+2y−4z=4×(−4)3+2×56−4×43=−32+10−326=−9\begin{aligned} 4x + 2y - 4z =\frac{4\times(-4)}{3} +\frac{2\times 5}{6}-\frac{4\times 4}{3} =\frac{-32+10-32}{6} =-9 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

All planes that are parallel to the plane 4x+2y−4z=34x + 2y - 4z = 3 must have <4 , 2 , −4>\left< 4\,,\,2\,,\,-4\right> as a normal vector and hence must have an equation of the form 4x+2y−4z=C4x + 2y - 4z = C for some constant CC. We must find the CC's for which the distance from 4x+2y−4z=34x + 2y - 4z = 3 to 4x+2y−4z=C4x + 2y - 4z = C is 22. One point on 4x+2y−4z=34x + 2y - 4z = 3 is (0,32,0)\big(0,\frac{3}{2},0\big). The two points (x′,y′,z′)(x',y',z') with

<x′−0 , y′−32 , z′−0>⏞vector from (0,32,0) to (x′,y′,z′)=±2 <4 , 2 , −4>16+4+16⏞unit vector=±26<4 , 2 , −4>=±<43 , 23 , −43>\begin{aligned} \overbrace{\left< x'-0\,,\,y'-\frac{3}{2}\,,\,z'-0\right>}^{\text{vector from $\big(0,\frac{3}{2},0\big)$ to $(x',y',z')$}} =\pm 2\ \overbrace{\frac{\left< 4\,,\,2\,,\,-4\right>}{\sqrt{16+4+16}}}^{\text{unit vector}} =\pm \frac{2}{6} \left< 4\,,\,2\,,\,-4\right> =\pm\left< \frac{4}{3}\,,\,\frac{2}{3}\,,\,-\frac{4}{3}\right> \end{aligned}

are the two points that are a distance 22 from (0,32,0)\big(0,\frac{3}{2},0\big) in the direction of the normal.The two points (x′,y′,z′)(x',y',z') are

(0+43 , 32+23 , 0−43)=(43 , 136 , −43) and (0−43 , 32−23 , 0+43)=(−43 , 56 , 43)\begin{aligned} \left(0+\frac{4}{3}\,,\, \frac{3}{2}+\frac{2}{3}\,,\,0-\frac{4}{3}\right) &=\left(\frac{4}{3}\,,\, \frac{13}{6}\,,\,-\frac{4}{3}\right) \\\text{ and } \left(0-\frac{4}{3}\,,\, \frac{3}{2}-\frac{2}{3}\,,\,0+\frac{4}{3}\right) &=\left(-\frac{4}{3}\,,\, \frac{5}{6}\,,\,\frac{4}{3}\right) \end{aligned}

These two points lie on the desired planes, so the two desired planes are

4x+2y−4z=4×43+2×136−−4×43=32+26+326=15\begin{aligned} 4x + 2y - 4z =\frac{4\times 4}{3} +\frac{2\times 13}{6}-\frac{-4\times 4}{3} =\frac{32+26+32}{6} =15 \end{aligned}

and

4x+2y−4z=4×(−4)3+2×56−4×43=−32+10−326=−9\begin{aligned} 4x + 2y - 4z =\frac{4\times(-4)}{3} +\frac{2\times 5}{6}-\frac{4\times 4}{3} =\frac{-32+10-32}{6} =-9 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 12번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
634.CLP-3 · 1.4절 · 12번대학 수준우리말 번역

점 (1,2,3)(1,2,3) 에서 세 점 (0,1,1)(0,1,1), (1,−1,3)(1,-1,3), (2,0,−1)(2,0,-1) 을 지나는 평면까지의 거리를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the distance from the point (1,2,3)(1,2,3) to the plane that passes through the points (0,1,1)(0,1,1), (1,−1,3)(1,-1,3) and (2,0,−1)(2,0,-1).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

두 벡터

a=<1,−1,3>−<0,1,1>=<1,−2,2>b=<2,0,−1>−<0,1,1>=<2,−1,−2>\begin{aligned} \mathbf{a}&=\left< 1,-1,3\right> - \left< 0,1,1\right> &&= \left< 1,-2, 2\right> \\ \mathbf{b}&=\left< 2,0,-1\right> - \left< 0,1,1\right> &&= \left< 2,-1,-2\right> \end{aligned}

는 모두 평면 안에 완전히 놓여 있다. 따라서 벡터

a×b=det⁡[ı^ȷ^k^1−222−1−2]=<6,6,3>\mathbf{a}\times\mathbf{b} =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & -2 & 2 \\ 2 & -1 & -2 \end{matrix}\right] =\left< 6,6,3\right>

은 평면에 수직이다. 벡터 c=13<6,6,3>=<2,2,1>\mathbf{c}=\frac{1}{3}\left< 6,6,3\right> =\left< 2,2,1\right> 도 평면에 수직이다. 벡터

d=<1,2,3>−<0,1,1>=<1,1,2>\mathbf{d}=\left< 1,2,3\right>-\left< 0,1,1\right>=\left< 1,1,2\right>

는 평면 위의 점과 주어진 점을 잇는다. 따라서 θ\theta 가 d\mathbf{d} 와 c\mathbf{c} 사이의 각이면, 거리는

∣d∣cos⁡θ=c⋅d∣c∣=69=2|\mathbf{d}|\cos\theta=\frac{\mathbf{c}\cdot\mathbf{d}}{|\mathbf{c}|}=\frac{6}{\sqrt{9}}=2

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The two vectors

a=<1,−1,3>−<0,1,1>=<1,−2,2>b=<2,0,−1>−<0,1,1>=<2,−1,−2>\begin{aligned} \mathbf{a}&=\left< 1,-1,3\right> - \left< 0,1,1\right> &&= \left< 1,-2, 2\right> \\ \mathbf{b}&=\left< 2,0,-1\right> - \left< 0,1,1\right> &&= \left< 2,-1,-2\right> \end{aligned}

both lie entirely inside the plane. So the vector

a×b=det⁡[ı^ȷ^k^1−222−1−2]=<6,6,3>\mathbf{a}\times\mathbf{b} =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & -2 & 2 \\ 2 & -1 & -2 \end{matrix}\right] =\left< 6,6,3\right>

is perpendicular to the plane. The vector c=13<6,6,3>=<2,2,1>\mathbf{c}=\frac{1}{3}\left< 6,6,3\right> =\left< 2,2,1\right> is also perpendicular to the plane. The vector

d=<1,2,3>−<0,1,1>=<1,1,2>\mathbf{d}=\left< 1,2,3\right>-\left< 0,1,1\right>=\left< 1,1,2\right>

joins the point to the plane. So, if θ\theta is the angle between d\mathbf{d} and c\mathbf{c}, the distance is

∣d∣cos⁡θ=c⋅d∣c∣=69=2|\mathbf{d}|\cos\theta=\frac{\mathbf{c}\cdot\mathbf{d}}{|\mathbf{c}|}=\frac{6}{\sqrt{9}}=2

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.3절 · 1번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
635.CLP-3 · 1.4절 · 14번대학 수준우리말 번역

두 평면 x+y+z=3, x+y+z=9x+y+z=3,\ x+y+z=9 를 접평면으로 갖고, 중심이 평면 2x−y=0, 3x−z=02x-y=0,\ 3x-z=0 위에 있는 구의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the equation of the sphere which has the two planes x+y+z=3, x+y+z=9x+y+z=3,\ x+y+z=9 as tangent planes if the center of the sphere is on the planes 2x−y=0, 3x−z=02x-y=0,\ 3x-z=0.

정답·풀이 보기

두 평면 x+y+z=3x+y+z=3 과 x+y+z=9x+y+z=9 는 평행하다. 중심은 두 평면의 한가운데에 있는 평면 x+y+z=6x+y+z=6 위에 있어야 한다. 따라서 중심은 x+y+z=6x+y+z=6, 2x−y=02x-y=0, 3x−z=03x-z=0 위에 있다. 이 세 식을 풀면, 즉

y=2x, z=3x, x+y+z=6x=6y=2x,\ z=3x,\ x+y+z=6x=6

에서 중심은 (1,2,3)(1,2,3) 이다. (1,1,1)(1,1,1) 은 x+y+z=3x+y+z=3 위의 점이다. (3,3,3)(3,3,3) 은 x+y+z=9x+y+z=9 위의 점이다. 따라서 <2,2,2>\left< 2,2,2\right> 는 시점이 x+y+z=3x+y+z=3 위에 있고 종점이 x+y+z=9x+y+z=9 위에 있는 벡터이다. 또한 <2,2,2>\left< 2,2,2\right> 는 두 평면에 수직이다. 그러므로 두 평면 사이의 거리는 ∣<2,2,2>∣=23|\left< 2,2,2\right>|=2\sqrt{3} 이고 구의 반지름은 3\sqrt{3} 이다. 구의 방정식은

(x−1)2+(y−2)2+(z−3)2=3(x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2=3

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The two planes x+y+z=3x+y+z=3 and x+y+z=9x+y+z=9 are parallel. The centre must be on the plane x+y+z=6x+y+z=6 half way between them. So, the center is on x+y+z=6x+y+z=6, 2x−y=02x-y=0 and 3x−z=03x-z=0. Solving these three equations, or equvalently,

y=2x, z=3x, x+y+z=6x=6y=2x,\ z=3x,\ x+y+z=6x=6

gives (1,2,3)(1,2,3) as the centre. (1,1,1)(1,1,1) is a point on x+y+z=3x+y+z=3. (3,3,3)(3,3,3) is a point on x+y+z=9x+y+z=9. So <2,2,2>\left< 2,2,2\right> is a vector with tail on x+y+z=3x+y+z=3 and head on x+y+z=9x+y+z=9. Furthermore <2,2,2>\left< 2,2,2\right> is perpendicular to the two planes. So the distance between the planes is ∣<2,2,2>∣=23|\left< 2,2,2\right>|=2\sqrt{3} and the radius of the sphere is 3\sqrt{3}. The sphere is

(x−1)2+(y−2)2+(z−3)2=3(x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2=3

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 15번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
636.CLP-3 · 1.4절 · 15번대학 수준우리말 번역

점 (−2,0,1)(-2,0,1) 을 지나고 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5 의 교선을 지나는 평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the equation of the plane that passes through the point (−2,0,1)(-2,0,1) and through the line of intersection of 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5.

정답·풀이 보기

y=0y=0 으로 놓고 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5 를 풀면, 즉 2x−z=02x-z=0, x+2z=−5x+2z=-5, 또는 이와 동치로

z=2x, x+2z=5x=−5z=2x,\ x+2z=5x=-5

그 결과 (−1,0,−2)(-1,0,-2) 는 평면 위의 한 점이다. y=5y=5 로 놓고 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5 를 풀면, 즉 2x+15−z=02x+15-z=0, x−20+2z=−5x-20+2z=-5, 또는 이와 동치로

z=2x+15, x−20+4x+30=−5z=2x+15,\ x-20+4x+30=-5

그 결과 (−3,5,9)(-3,5,9) 는 평면 위의 또 다른 점이다. 따라서 평면 위의 세 점은 (−2,0,1), (−1,0,−2)(-2,0,1), \ (-1,0,-2), (−3,5,9)(-3,5,9) 이다. <−2+1 , 0−0 , 1+2>=<−1,0,3>\left< -2+1\,,\,0-0\,,\, 1+2 \right>=\left< -1,0,3\right> 과 <−2+3 , 0−5 , 1−9>=<1,−5,−8>\left< -2+3\,,\,0-5\,,\, 1-9 \right> = \left< 1,-5,-8\right> 은 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있는 두 벡터이다.

<−1,0,3>×<1,−5,−8>=det⁡[ı^ȷ^k^−1031−5−8]=<15,−5,5>\begin{aligned} \left< -1,0,3\right> \times \left< 1,-5,-8\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -1 & 0 & 3 \\ 1 & -5 & -8 \end{matrix}\right] =\left< 15 , -5 ,5 \right> \end{aligned}

은 평면에 수직인 벡터이다. 15<15,−5,5>=<3,−1,1>\frac{1}{5}\left< 15 , -5 ,5 \right>=\left< 3,-1,1\right> 도 평면에 수직인 벡터이다. 따라서 평면의 방정식은

3(x+1)−(y−0)+(z+2)=0또는3x−y+z=−53(x+1) -(y-0) + (z+2)=0\quad\text{또는}\quad 3x-y+z=-5

원본 교재 풀이(영어)

Set y=0y=0 and then solve 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5, i.e. 2x−z=02x-z=0, x+2z=−5x+2z=-5, or equvalently

z=2x, x+2z=5x=−5z=2x,\ x+2z=5x=-5

The result, (−1,0,−2)(-1,0,-2), is one point on the plane. Set y=5y=5 and then solve 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5, i.e. 2x+15−z=02x+15-z=0, x−20+2z=−5x-20+2z=-5, or equivalently

z=2x+15, x−20+4x+30=−5z=2x+15,\ x-20+4x+30=-5

The result, (−3,5,9)(-3,5,9), is another point on the plane. So three points on the plane are (−2,0,1), (−1,0,−2)(-2,0,1), \ (-1,0,-2) and (−3,5,9)(-3,5,9). <−2+1 , 0−0 , 1+2>=<−1,0,3>\left< -2+1\,,\,0-0\,,\, 1+2 \right>=\left< -1,0,3\right> and <−2+3 , 0−5 , 1−9>=<1,−5,−8>\left< -2+3\,,\,0-5\,,\, 1-9 \right> = \left< 1,-5,-8\right> are two vectors having both head and tail in the plane.

<−1,0,3>×<1,−5,−8>=det⁡[ı^ȷ^k^−1031−5−8]=<15,−5,5>\begin{aligned} \left< -1,0,3\right> \times \left< 1,-5,-8\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -1 & 0 & 3 \\ 1 & -5 & -8 \end{matrix}\right] =\left< 15 , -5 ,5 \right> \end{aligned}

is a vector perpendicular to the plane. 15<15,−5,5>=<3,−1,1>\frac{1}{5}\left< 15 , -5 ,5 \right>=\left< 3,-1,1\right> is also a vector perpendicular to the plane. The plane is

3(x+1)−(y−0)+(z+2)=0or3x−y+z=−53(x+1) -(y-0) + (z+2)=0\quad\text{or}\quad 3x-y+z=-5

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.3절 · 8번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
637.CLP-3 · 1.4절 · 16번대학 수준우리말 번역

점 p\mathbf{p} 에서 평면 n⋅x=c\mathbf{n}\cdot \mathbf{x}= c 까지의 거리를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the distance from the point p\mathbf{p} to the plane n⋅x=c\mathbf{n}\cdot \mathbf{x}= c.

정답·풀이 보기

벡터 n\mathbf{n} 은 평면 n⋅x=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}= c 에 수직이다. 따라서 직선

x(t)=p+tn\mathbf{x}(t)=\mathbf{p}+t\mathbf{n}

은 p\mathbf{p} 를 지나고 평면에 수직이다.

그림

이 직선은 다음을 만족하는 tt 의 값에서 평면과 만난다.

n⋅x(t)=c또는n⋅[p+tn]=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}(t)= c \text{또는} \mathbf{n}\cdot[\mathbf{p}+t\mathbf{n}]= c

즉

t=[c−n⋅p]/∣n∣2t=[c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}]/|\mathbf{n}|^2

벡터

x(t)−p=t n=n [c−n⋅p]/∣n∣2\mathbf{x}(t)-\mathbf{p}=t\,\mathbf{n}=\mathbf{n}\,[c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}]/|\mathbf{n}|^2

은 머리가 평면 n⋅x=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}= c 위에 있고, 꼬리가 p\mathbf{p} 에 있으며, 평면에 수직이다. 따라서 거리는 이 벡터의 길이이며, 그 값은

∣c−n⋅p∣/∣n∣|c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}|/|\mathbf{n}|

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The vector n\mathbf{n} is perpendicular to the plane n⋅x=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}= c. So the line

x(t)=p+tn\mathbf{x}(t)=\mathbf{p}+t\mathbf{n}

passes through p\mathbf{p} and is perpendicular to the plane.

figure

It crosses the plane at the value of tt which obeys

n⋅x(t)=corn⋅[p+tn]=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}(t)= c \text{or} \mathbf{n}\cdot[\mathbf{p}+t\mathbf{n}]= c

namely

t=[c−n⋅p]/∣n∣2t=[c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}]/|\mathbf{n}|^2

The vector

x(t)−p=t n=n [c−n⋅p]/∣n∣2\mathbf{x}(t)-\mathbf{p}=t\,\mathbf{n}=\mathbf{n}\,[c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}]/|\mathbf{n}|^2

has head on the plane n⋅x=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}= c, tail at p\mathbf{p}, and is perpendicular to the plane. So the distance is the length of that vector, which is

∣c−n⋅p∣/∣n∣|c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}|/|\mathbf{n}|

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 17번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
638.CLP-3 · 1.4절 · 17번대학 수준우리말 번역

(1,2,3)(1,2,3)과 (5,2,7)(5,2,7)로부터 같은 거리에 있는 점들의 집합을 설명하세요.

영어 원문 보기

Describe the set of points equidistant from (1,2,3)(1,2,3) and (5,2,7)(5,2,7).

정답·풀이 보기

점 (x,y,z)(x,y,z)에서 (1,2,3)(1,2,3)까지의 거리는 (x−1)2+(y−2)2+(z−3)2\sqrt{(x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2}이고, (x,y,z)(x,y,z)에서 (5,2,7)(5,2,7)까지의 거리는 (x−5)2+(y−2)2+(z−7)2\sqrt{(x-5)^2+(y-2)^2+(z-7)^2}이다. 따라서 (x,y,z)(x,y,z)가 (1,2,3)(1,2,3)과 (5,2,7)(5,2,7)로부터 같은 거리에 있을 필요충분조건은 다음과 같다.

(x−1)2+(y−2)2+(z−3)2=(x−5)2+(y−2)2+(z−7)2  ⟺  x2−2x+1+z2−6z+9=x2−10x+25+z2−14z+49  ⟺  8x+8z=64  ⟺  x+z=8\begin{aligned} & & (x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2&=(x-5)^2+(y-2)^2+(z-7)^2\\ &\iff & x^2-2x+1+z^2-6z+9&=x^2-10x+25+z^2-14z+49\\ &\iff & 8x+8z&=64\\ &\iff & x+z&=8 \end{aligned}

이것은 (3,2,5)=12(1,2,3)+12(5,2,7)(3,2,5)=\tfrac{1}{2}(1,2,3)+\tfrac{1}{2}(5,2,7)을 지나고 법선 벡터가 <1,0,1>=14(<5,2,7>−<1,2,3>)\left< 1,0,1\right>=\frac{1}{4}\big(\left< 5,2,7\right>-\left< 1,2,3\right> \big)인 평면이다.

원본 교재 풀이(영어)

The distance from the point (x,y,z)(x,y,z) to (1,2,3)(1,2,3) is (x−1)2+(y−2)2+(z−3)2\sqrt{(x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2} and the distance from (x,y,z)(x,y,z)to (5,2,7)(5,2,7) is (x−5)2+(y−2)2+(z−7)2\sqrt{(x-5)^2+(y-2)^2+(z-7)^2}. Hence (x,y,z)(x,y,z) is equidistant from (1,2,3)(1,2,3) and (5,2,7)(5,2,7) if and only if

(x−1)2+(y−2)2+(z−3)2=(x−5)2+(y−2)2+(z−7)2  ⟺  x2−2x+1+z2−6z+9=x2−10x+25+z2−14z+49  ⟺  8x+8z=64  ⟺  x+z=8\begin{aligned} & & (x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2&=(x-5)^2+(y-2)^2+(z-7)^2\\ &\iff & x^2-2x+1+z^2-6z+9&=x^2-10x+25+z^2-14z+49\\ &\iff & 8x+8z&=64\\ &\iff & x+z&=8 \end{aligned}

This is the plane through (3,2,5)=12(1,2,3)+12(5,2,7)(3,2,5)=\tfrac{1}{2}(1,2,3)+\tfrac{1}{2}(5,2,7) with normal vector <1,0,1>=14(<5,2,7>−<1,2,3>)\left< 1,0,1\right>=\frac{1}{4}\big(\left< 5,2,7\right>-\left< 1,2,3\right> \big).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 10번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
639.CLP-3 · 1.4절 · 18번대학 수준우리말 번역

a\mathbf{a}와 b\mathbf{b}로부터 같은 거리에 있는 점들의 집합을 설명하세요.

영어 원문 보기

Describe the set of points equidistant from a\mathbf{a} and b\mathbf{b}.

정답·풀이 보기

점 x\mathbf{x}에서 a\mathbf{a}까지의 거리는 (x−a)⋅(x−a)\sqrt{(\mathbf{x}-\mathbf{a})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{a})}이고, x\mathbf{x}에서 b\mathbf{b}까지의 거리는 (x−b)⋅(x−b)\sqrt{(\mathbf{x}-\mathbf{b})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{b})}이다. 따라서 x\mathbf{x}가 a\mathbf{a}와 b\mathbf{b}로부터 같은 거리에 있을 필요충분조건은 다음과 같다.

(x−a)⋅(x−a)=(x−b)⋅(x−b)  ⟺  ∣x∣2−2a⋅x+∣a∣2=∣x∣2−2b⋅x+∣b∣2  ⟺  2(b−a)⋅x=∣b∣2−∣a∣2\begin{aligned} & & (\mathbf{x}-\mathbf{a})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{a})&=(\mathbf{x}-\mathbf{b})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{b}) \\ &\iff\qquad & |\mathbf{x}|^2-2\mathbf{a}\cdot\mathbf{x}+|\mathbf{a}|^2&=|\mathbf{x}|^2-2\mathbf{b}\cdot\mathbf{x}+|\mathbf{b}|^2 \\ &\iff & 2(\mathbf{b}-\mathbf{a})\cdot\mathbf{x}&=|\mathbf{b}|^2-|\mathbf{a}|^2 \end{aligned}

이것은 12a+12b\tfrac{1}{2}\mathbf{a}+\tfrac{1}{2}\mathbf{b}를 지나고 법선 벡터가 b−a\mathbf{b}-\mathbf{a}인 평면이다.

원본 교재 풀이(영어)

The distance from the point x\mathbf{x} to a\mathbf{a} is (x−a)⋅(x−a)\sqrt{(\mathbf{x}-\mathbf{a})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{a})} and the distance from x\mathbf{x} to b\mathbf{b} is (x−b)⋅(x−b)\sqrt{(\mathbf{x}-\mathbf{b})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{b})}. Hence x\mathbf{x} is equidistant from a\mathbf{a} and b\mathbf{b} if and only if

(x−a)⋅(x−a)=(x−b)⋅(x−b)  ⟺  ∣x∣2−2a⋅x+∣a∣2=∣x∣2−2b⋅x+∣b∣2  ⟺  2(b−a)⋅x=∣b∣2−∣a∣2\begin{aligned} & & (\mathbf{x}-\mathbf{a})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{a})&=(\mathbf{x}-\mathbf{b})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{b}) \\ &\iff\qquad & |\mathbf{x}|^2-2\mathbf{a}\cdot\mathbf{x}+|\mathbf{a}|^2&=|\mathbf{x}|^2-2\mathbf{b}\cdot\mathbf{x}+|\mathbf{b}|^2 \\ &\iff & 2(\mathbf{b}-\mathbf{a})\cdot\mathbf{x}&=|\mathbf{b}|^2-|\mathbf{a}|^2 \end{aligned}

This is the plane through 12a+12b\tfrac{1}{2}\mathbf{a}+\tfrac{1}{2}\mathbf{b} with normal vector b−a\mathbf{b}-\mathbf{a}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.3절 · 3번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
640.CLP-3 · 1.4절 · 20번대학 수준우리말 번역

다음 구면을 생각하자. (x−1)2+(y−2)2+(z+1)2=2(x-1)^2+(y-2)^2+(z+1)^2=2 여러분이 SS 위의 점 (2,2,0)(2,2,0) 에 있고, SS 위에서 가장 짧은 경로를 따라 (2,1,−1)(2,1,-1) 로 가려고 한다고 하자. 처음 진행 방향을 외적으로 나타내세요.

영어 원문 보기

Consider the sphere given by (x−1)2+(y−2)2+(z+1)2=2(x-1)^2+(y-2)^2+(z+1)^2=2 Suppose that you are at the point (2,2,0)(2,2,0) on SS, and you plan to follow the shortest path on SS to (2,1,−1)(2,1,-1). Express your initial direction as a cross product.

정답·풀이 보기

새로운 좌표계로 바꾸어 X=x−1Y=y−2Z=z+1X=x-1\qquad Y=y-2\qquad Z=z+1 이라 하자. 이 새로운 좌표계에서 구의 방정식은 X2+Y2+Z2=2X^2+Y^2+Z^2=2 이다. 따라서 구의 중심은 (X,Y,Z)=(0,0,0)(X,Y,Z)=(0,0,0) 이고 반지름은 2\sqrt{2} 이다. 새로운 좌표계에서 출발점 (x,y,z)=(2,2,0)(x,y,z)=(2,2,0) 은 (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) 이고, 도착점 (x,y,z)=(2,1,−1)(x,y,z)=(2,1,-1) 은 (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0) 이다. 출발점을 PP, 도착점을 QQ 라 하자. 가장 짧은 경로는 PP 에서 QQ 까지 대원을 따라간다.

그림

구 위의 대원은 구의 중심을 포함하는 평면과 구가 만나서 생기는 도형이다. 처음 방향을 구하는 전략은 다음 두 가지 관찰에 바탕을 둔다.

  • 가장 짧은 경로는 원점과 두 점 PP, QQ 를 포함하는 평면 Π\Pi 위에 있다. 가장 짧은 경로가 Π\Pi 위에 있으므로 방향 벡터도 Π\Pi 위에 놓여야 하고, 따라서 Π\Pi 의 법선벡터와 수직이어야 한다.
  • 가장 짧은 경로는 구 위에도 머물러 있으므로, 처음 방향은 출발점 PP 에서 구의 법선벡터와도 수직이어야 한다.

처음 방향이 두 법선벡터에 모두 수직이므로, 두 법선벡터의 외적과 평행하다.

따라서 우리가 할 일은 평면 Π\Pi 의 법선벡터와 PP 에서 구의 법선벡터를 구하는 것이다.

  • Π\Pi 의 법선벡터를 구하는 한 가지 방법은 Π\Pi 의 방정식을 짐작해 보는 것이다. (0,0,0)(0,0,0) 이 Π\Pi 위에 있으므로 (0,0,0)(0,0,0) 은 Π\Pi 의 방정식을 만족해야 한다. 따라서 Π\Pi 의 방정식은 aX+bY+cZ=0aX+bY+cZ=0 꼴이어야 한다. (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) 이 Π\Pi 위에 있으므로 a+c=0a+c=0 이다. (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0) 이 Π\Pi 위에 있으므로 a−b=0a-b=0 이다. 따라서 a=1a=1, b=1b=1, c=−1c=-1 로 잡을 수 있다. 즉 Π\Pi 는 X+Y−Z=0X+Y-Z=0 이다. (세 점 (0,0,0)(0,0,0), (1,0,1)(1,0,1), (1,−1,0)(1,-1,0) 이 모두 X+Y−Z=0X+Y-Z=0 을 만족하는지 확인하세요.) Π\Pi 의 법선벡터는 <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 이다.

  • Π\Pi 의 법선벡터를 구하는 두 번째 방법은 다음 두 가지를 관찰하는 것이다.

  • (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,0,1)(1,0,1) 로 가는 벡터, 즉 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 은 완전히 Π\Pi 안에 놓여 있고

  • (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,−1,0)(1,-1,0) 로 가는 벡터, 즉 <1,−1,0>\left< 1,-1,0\right> 도 완전히 Π\Pi 안에 놓여 있다.

따라서 벡터

<1,0,1>×<1,−1,0>=det⁡[ı^ȷ^k^1011−10]=ı^+ȷ^−k^\left< 1,0,1\right>\times\left< 1,-1,0\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 0 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

는 Π\Pi 에 수직이다.

  • 구의 중심에서 구 위의 점 PP 로 가는 벡터는 PP 에서 구에 수직이다. 따라서 출발점 (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) 에서 구의 법선벡터는 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 이다.

처음 방향(좌표 변환 X=x−1X=x-1, Y=y−2Y=y-2, Z=z+1Z=z+1 은 속도 벡터나 방향 벡터에 전혀 영향을 주지 않음에 주의하자. 시각 tt 에서의 위치가 원래 좌표계에서 (x(t),y(t),z(t))(x(t),y(t),z(t)) 이면, 새로운 좌표계에서는 (X(t),Y(t),Z(t))=(x(t)−1,y(t)−2,z(t)+1)(X(t),Y(t),Z(t)) =(x(t)-1,y(t)-2,z(t)+1) 이다. 두 좌표계에서의 속도 벡터 <x′(t),y′(t),z′(t)>=<X′(t),Y′(t),Z′(t)>\left< x'(t),y'(t),z'(t)\right> =\left< X'(t),Y'(t),Z'(t)\right> 는 같다.) 은 <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 과 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 에 모두 수직이어야 하므로, ±<1,1,−1>×<1,0,1>\pm\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right> 중 하나이다. 가장 짧은 경로로 (1,0,1)(1,0,1) 에서 (1,−1,0)(1,-1,0) 으로 가려면 ZZ 좌표가 11 에서 00 으로 감소해야 한다. 따라서 처음 방향의 ZZ 좌표는 음수여야 한다. 이는 다음의 경우에 해당한다.

<1,1,−1>×<1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^11−1101]=ı^−2 ȷ^−k^\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 1 & -1 \\ 1 & 0 & 1 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} - 2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

원본 교재 풀이(영어)

Switch to a new coordinate system with X=x−1Y=y−2Z=z+1X=x-1\qquad Y=y-2\qquad Z=z+1 In this new coordinate system, the sphere has equation X2+Y2+Z2=2X^2+Y^2+Z^2=2. So the sphere is centred at (X,Y,Z)=(0,0,0)(X,Y,Z)=(0,0,0) and has radius 2\sqrt{2}. In the new coordinate system, the initial point (x,y,z)=(2,2,0)(x,y,z)=(2,2,0) has (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) and our final point (x,y,z)=(2,1,−1)(x,y,z)=(2,1,-1) has (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0). Call the initial point PP and the final point QQ. The shortest path will follow the great circle from PP to QQ.

figure

A great circle on a sphere is the intersection of the sphere with a plane that contains the centre of the sphere. Our strategy for finding the initial direction will be based on two observations.

  • The shortest path lies on the plane Π\Pi that contains the origin and the points PP and QQ. Since the shortest path lies on Π\Pi, our direction vector must also lie on Π\Pi and hence must be perpendicular to the normal vector to Π\Pi.
  • The shortest path also remains on the sphere, so our initial direction must also be perpendicular to the normal vector to the sphere at our initial point PP.

As our initial direction is perpendicular to the two normal vectors, it is parallel to their cross product.

So our main job is to find normal vectors to the plane Π\Pi and to the sphere at PP.

  • One way to find a normal vector to Π\Pi is to guess an equation for Π\Pi. As (0,0,0)(0,0,0) is on Π\Pi, (0,0,0)(0,0,0) must obey Π\Pi's equation. So Π\Pi's equation must be of the form aX+bY+cZ=0aX+bY+cZ=0. That (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) is on Π\Pi forces a+c=0a+c=0. That (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0) is on Π\Pi forces a−b=0a-b=0. So we may take a=1a=1, b=1b=1 and c=−1c=-1. That is, Π\Pi is X+Y−Z=0X+Y-Z=0. (Check that all three points (0,0,0)(0,0,0), (1,0,1)(1,0,1) and (1,−1,0)(1,-1,0) do indeed obey X+Y−Z=0X+Y-Z=0.) A normal vector to Π\Pi is <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right>.

  • A second way to find a normal vector to Π\Pi is to observe that both

  • the vector from (0,0,0)(0,0,0) to (1,0,1)(1,0,1), that is <1,0,1>\left< 1,0,1\right>, lies completely inside Π\Pi and

  • the vector from (0,0,0)(0,0,0) to (1,−1,0)(1,-1,0), that is <1,−1,0>\left< 1,-1,0\right>, lies completely inside Π\Pi.

So the vector

<1,0,1>×<1,−1,0>=det⁡[ı^ȷ^k^1011−10]=ı^+ȷ^−k^\left< 1,0,1\right>\times\left< 1,-1,0\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 0 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

is perpendicular to Π\Pi.

  • The vector from the centre of the sphere to the point PP on the sphere is perpendicular to the sphere at PP. So a normal vector to the sphere at our initial point (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) is <1,0,1>\left< 1,0,1\right>.

Since our initial direction (Note that the change of coordinates X=x−1X=x-1, Y=y−2Y=y-2, Z=z+1Z=z+1 has absolutely no effect on any velocity or direction vector. If our position at time tt is (x(t),y(t),z(t))(x(t),y(t),z(t)) in the original coordinate system, then it is (X(t),Y(t),Z(t))=(x(t)−1,y(t)−2,z(t)+1)(X(t),Y(t),Z(t)) =(x(t)-1,y(t)-2,z(t)+1) in the new coordinate system. The velocity vectors in the two coordinate systems <x′(t),y′(t),z′(t)>=<X′(t),Y′(t),Z′(t)>\left< x'(t),y'(t),z'(t)\right> =\left< X'(t),Y'(t),Z'(t)\right> are identical.) must be perpendicular to both <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> and <1,0,1>\left< 1,0,1\right>, it must be one of ±<1,1,−1>×<1,0,1>\pm\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right>. To get from (1,0,1)(1,0,1) to (1,−1,0)(1,-1,0) by the shortest path, our ZZ coordinate should decrease from 11 to 00. So the ZZ coordinate of our initial direction should be negative. This is the case for

<1,1,−1>×<1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^11−1101]=ı^−2 ȷ^−k^\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 1 & -1 \\ 1 & 0 & 1 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} - 2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

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# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류