문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터와 공간

벡터와 공간 전체 문제

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유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

675문제 · 33 / 34쪽

641.CLP-3 · 1.5절 · 1번대학 수준우리말 번역

다음 문제에 어떤 잘못이 있는지 설명하세요.

“점 (3,1,3)(3,1,3) 을 지나고 벡터 <4,−6,2>\left< 4,-6,2 \right> 와 <13,−12,16>\left< \frac13,-\frac12,\frac16 \right> 에 수직인 직선의 방정식을 구하세요.”

영어 원문 보기

What is wrong with the following exercise?

“Give an equation for the line passing through the point (3,1,3)(3,1,3) that is normal to the vectors <4,−6,2>\left< 4,-6,2 \right> and <13,−12,16>\left< \frac13,-\frac12,\frac16 \right>."

정답·풀이 보기

12<13,−12,16>=<4,−6,2>12\left< \frac13,-\frac12,\frac16 \right>=\left< 4,-6,2 \right> 임에 주목한다. 따라서 우리가 구하려는 직선에 대해 실제로 알고 있는 법선 방향은 하나뿐이다. 즉 주어진 조건을 만족하는 직선은 사실 무수히 많다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Note 12<13,−12,16>=<4,−6,2>12\left< \frac13,-\frac12,\frac16 \right>=\left< 4,-6,2 \right>. So, we actually only know one normal direction to the line we're supposed to be describing. That means there are actually infinitely many lines satisfying the given conditions.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.5절 · 6번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
642.CLP-3 · 1.5절 · 2번대학 수준우리말 번역

가능하다면, 3차원 공간에서 다음 조건을 만족하는 직선 네 개를 구하세요.

  • 어떤 두 직선도 서로 평행하지 않고,
  • 어떤 두 직선도 서로 만나지 않는다.
영어 원문 보기

Find, if possible, four lines in 3d with

  • no two of the lines parallel to each other and
  • no two of the lines intersecting.
정답·풀이 보기

정답은 무수히 많다. 그중 하나는

L1: <x , y , z−1>=t<1,0,0>L2: <x , y , z−2>=t<0,1,0>L3: <x , y , z−3>=t<1,1,0>L4: <x , y , z−4>=t<1,−1,0>\begin{aligned} L_1:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-1\right> &= t\left< 1,0,0\right> & L_2:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-2\right> &= t\left< 0,1,0\right> \\ L_3:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-3\right> &= t\left< 1,1,0\right> & L_4:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-4\right> &= t\left< 1,-1,0\right> \end{aligned}

이다.

어떤 두 직선도 평행하지 않다. 그 이유는 다음과 같다.

  • L1L_1 과 L2L_2 는 평행하지 않다. 왜냐하면 <1,0,0>×<0,1,0>=<0,0,1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 0,1,0\right>=\left< 0,0,1\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.
  • L1L_1 과 L3L_3 은 평행하지 않다. 왜냐하면 <1,0,0>×<1,1,0>=<0,0,1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 1,1,0\right>=\left< 0,0,1\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.
  • L1L_1 과 L4L_4 는 평행하지 않다. 왜냐하면 <1,0,0>×<1,−1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.
  • L2L_2 와 L3L_3 은 평행하지 않다. 왜냐하면 <0,1,0>×<1,1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 0,1,0\right>\times \left< 1,1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.
  • L2L_2 와 L4L_4 는 평행하지 않다. 왜냐하면 <0,1,0>×<1,−1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 0,1,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.
  • L3L_3 과 L4L_4 는 평행하지 않다. 왜냐하면 <1,1,0>×<1,−1,0>=<0,0,−2>≠0\left< 1,1,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-2\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.

어떤 두 직선도 만나지 않는다. 그 이유는 다음과 같다.

  • L1L_1 위의 모든 점은 z=1z=1 이고
  • L2L_2 위의 모든 점은 z=2z=2 이고
  • L3L_3 위의 모든 점은 z=3z=3 이고
  • L4L_4 위의 모든 점은 z=4z=4 이다.
원본 교재 풀이(영어)

There are infinitely many correct answers. One is

L1: <x , y , z−1>=t<1,0,0>L2: <x , y , z−2>=t<0,1,0>L3: <x , y , z−3>=t<1,1,0>L4: <x , y , z−4>=t<1,−1,0>\begin{aligned} L_1:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-1\right> &= t\left< 1,0,0\right> & L_2:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-2\right> &= t\left< 0,1,0\right> \\ L_3:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-3\right> &= t\left< 1,1,0\right> & L_4:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-4\right> &= t\left< 1,-1,0\right> \end{aligned}

No two of the lines are parallel because

  • L1L_1 and L2L_2 are not parallel because <1,0,0>×<0,1,0>=<0,0,1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 0,1,0\right>=\left< 0,0,1\right>\ne\mathbf{0}.
  • L1L_1 and L3L_3 are not parallel because <1,0,0>×<1,1,0>=<0,0,1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 1,1,0\right>=\left< 0,0,1\right>\ne\mathbf{0}.
  • L1L_1 and L4L_4 are not parallel because <1,0,0>×<1,−1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0}.
  • L2L_2 and L3L_3 are not parallel because <0,1,0>×<1,1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 0,1,0\right>\times \left< 1,1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0}.
  • L2L_2 and L4L_4 are not parallel because <0,1,0>×<1,−1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 0,1,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0}.
  • L3L_3 and L4L_4 are not parallel because <1,1,0>×<1,−1,0>=<0,0,−2>≠0\left< 1,1,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-2\right>\ne\mathbf{0}.

No two of the lines intersect because

  • every point on L1L_1 has z=1z=1 and
  • every point on L2L_2 has z=2z=2 and
  • every point on L3L_3 has z=3z=3 and
  • every point on L4L_4 has z=4z=4.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.5절 · 1번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
643.CLP-3 · 1.5절 · 5번대학 수준우리말 번역

각각의 경우에 대해, 주어진 두 직선이 만나는지 판단하세요. 또한 두 직선을 모두 포함하는 평면을 모두 구하세요.

(a) <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−4,2,1>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -4,2,1\right> 과 <x,y,z>=<2,1,2>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right> (b) <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−4,2,1>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -4,2,1\right> 과 <x,y,z>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right> (c) <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−2,−2,2>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -2,-2,2\right> 과 <x,y,z>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right> (d) <x,y,z>=<3,2,−2>+t<−2,−2,2>\left< x,y,z\right> = \left< 3,2,-2\right>+t\left< -2,-2,2\right> 과 <x,y,z>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right>

영어 원문 보기

In each case, determine whether or not the given pair of lines intersect. Also find all planes containing the pair of lines.

(a) <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−4,2,1>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -4,2,1\right> and <x,y,z>=<2,1,2>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right> (b) <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−4,2,1>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -4,2,1\right> and <x,y,z>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right> (c) <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−2,−2,2>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -2,-2,2\right> and <x,y,z>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right> (d) <x,y,z>=<3,2,−2>+t<−2,−2,2>\left< x,y,z\right> = \left< 3,2,-2\right>+t\left< -2,-2,2\right> and <x,y,z>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right>

정답·풀이 보기

(a) 방정식 <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−4,2,1>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -4,2,1\right> 의 매개변수 tt 의 값이 방정식 <x,y,z>=<2,1,2>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right> 의 매개변수 tt 의 값과 같을 필요는 없다. 따라서 첫 번째 방정식의 매개변수 이름을 tt 에서 ss 로 바꾸는 것이 훨씬 안전하다. 점 (x,y,z)(x,y,z) 가 두 직선 위에 모두 놓이려면

<−3,2,4>+s<−4,2,1>=<2,1,2>+t<1,1,−1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -4,2,1\right> = \left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right>

이어야 한다. 이는 세 성분별 등식을 쓰고 ss 와 tt 를 포함한 항은 모두 좌변으로, 상수는 우변으로 옮긴 다음과 같은 식과 같다.

−4s−t=52s−t=−1s+t=−2\begin{aligned} -4s -t &= 5\\ 2s -t &= -1\\ s +t &= -2 \end{aligned}

마지막 두 식을 더하면 3s=−33s=-3 이므로 s=−1s=-1 이다. 이를 마지막 식에 대입하면 t=−1t=-1 이다. s=t=−1s=t=-1 은 세 식을 모두 만족하므로 <x,y,z>=<−3,2,4>−<−4,2,1>=<1,0,3>\left< x,y,z\right>=\left< -3,2,4\right>-\left< -4,2,1\right>=\left< 1,0,3\right> 은 두 직선 위에 모두 놓인다. 두 직선을 모두 포함하는 평면은 두 방향 벡터 <−4,2,1>\left< -4,2,1\right> 과 <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 에 모두 평행해야 한다. 따라서 이 평면의 법선 벡터는 두 방향 벡터에 수직이어야 하고, 즉 <−4,2,1>×<1,1,−1>=<−3,−3,−6>=−3<1,1,2>\left< -4,2,1\right>\times\left< 1,1,-1\right>=\left< -3,-3,-6\right>=-3\left< 1,1,2\right> 에 평행해야 한다. 이 평면은 (1,0,3)(1,0,3) 을 지나고 <1,1,2>\left< 1,1,2\right> 에 수직이다. 평면의 방정식은 <1,1,2>⋅<x−1,y,z−3>=0\left< 1,1,2\right>\cdot\left< x-1,y,z-3\right>=0, 즉 x+y+2z=7x+y+2z=7 이다. 이는 <−3,2,4>+s<−4,2,1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -4,2,1\right> 과 <2,1,2>+t<1,1,−1>\left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right> 이 각각 모든 ss 와 tt 에 대해 x+y+2z=7x+y+2z=7 을 만족함을 확인하여 검증할 수 있다.

(b) 점 (x,y,z)(x,y,z) 가 두 직선 위에 모두 놓이려면

<−3,2,4>+s<−4,2,1>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -4,2,1\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right>

이어야 한다. 이는 세 성분별 등식을 쓰고 ss 와 tt 를 포함한 항은 모두 좌변으로, 상수는 우변으로 옮긴 다음과 같은 식과 같다.

−4s−t=52s−t=−1s+t=−5\begin{aligned} -4s -t &= 5\\ 2s -t &= -1\\ s +t &= -5 \end{aligned}

마지막 두 식을 더하면 3s=−63s=-6 이므로 s=−2s=-2 이다. 이를 마지막 식에 대입하면 t=−3t=-3 이다. 그런데 s=−2, t=−3s=-2,\ t=-3 을 첫 번째 식에 대입하면 11=511=5 가 되어 불가능하다. 두 직선은 만나지 않는다. 두 직선이 한 평면에 놓이면서 만나지 않으려면 평행해야 한다. 따라서 이 경우에는 두 직선을 모두 포함하는 평면은 없다.

(c) 점 (x,y,z)(x,y,z) 가 두 직선 위에 모두 놓이려면

<−3,2,4>+s<−2,−2,2>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -2,-2,2\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right>

이어야 한다. 이는 세 성분별 등식을 쓰고 ss 와 tt 를 포함한 항은 모두 좌변으로, 상수는 우변으로 옮긴 다음과 같은 식과 같다.

−2s−t=5−2s−t=−12s+t=−5\begin{aligned} -2s -t &= 5\\ -2s -t &= -1\\ 2s +t &= -5 \end{aligned}

첫 번째 식과 두 번째 식은 분명히 모순이다. 두 직선은 만나지 않는다. 두 직선을 모두 포함하는 평면은 <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 에 평행해야 하고(따라서 <−2,−2,2>=−2<1,1,−1>\left< -2,-2,2\right>=-2\left< 1,1,-1\right> 에도 자동으로 평행하다), 또한 첫 번째 직선 위의 점 (−3,2,4)(-3,2,4) 에서 두 번째 직선 위의 점 (2,1,−1)(2,1,-1) 로 향하는 벡터에도 평행해야 한다. 이 벡터는 <5,−1,−5>\left< 5,-1,-5\right> 이다. 따라서 평면의 법선 벡터는 <5,−1,−5>×<1,1,−1>=<6,0,6>=6<1,0,1>\left< 5,-1,-5\right>\times\left< 1,1,-1\right>=\left< 6,0,6\right>=6\left< 1,0,1\right> 이다. (2,1,−1)(2,1,-1) 을 지나고 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 에 수직인 평면은 <1,0,1>⋅<x−2,y−1,z+1>=0\left< 1,0,1\right>\cdot\left< x-2,y-1,z+1\right>=0, 즉 x+z=1x+z=1 이다.

(d) 이번에도 <−2,−2,2>=−2<1,1,−1>\left< -2,-2,2\right>=-2\left< 1,1,-1\right> 이므로 두 직선은 평행하다. 게다가 점 <3,2,−2>=<3,2,−2>+0<−2,−2,2>=<2,1,−1>+1<1,1,−1>\left< 3,2,-2\right>=\left< 3,2,-2\right>+0\left< -2,-2,2\right> =\left< 2,1,-1\right>+1\left< 1,1,-1\right> 은 두 직선 위에 모두 놓인다. 따라서 두 직선은 만날 뿐만 아니라 일치한다. 점 (3,2,−2)(3,2,-2) 를 지나고 <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 에 평행한 평면은 모두 두 직선을 포함한다. 일반적으로 평면 ax+by+cz=dax+by+cz=d 가 (3,2,−2)(3,2,-2) 를 지날 필요충분조건은 d=3a+2b−2cd=3a+2b-2c 이고, <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 에 평행할 필요충분조건은 <a,b,c>⋅<1,1,−1>=a+b−c=0\left< a,b,c\right>\cdot\left< 1,1,-1\right>=a+b-c=0 이다. 따라서 (둘 다 0은 아닌) 임의의 aa, bb 에 대해 ax+by+(a+b)z=aax+by+(a+b)z=a 가 조건을 만족한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Note that the value of the parameter tt in the equation <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−4,2,1>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -4,2,1\right> need not have the same value as the parameter tt in the equation <x,y,z>=<2,1,2>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right>. So it is much safer to change the name of the parameter in the first equation from tt to ss. In order for a point (x,y,z)(x,y,z) to lie on both lines we need

<−3,2,4>+s<−4,2,1>=<2,1,2>+t<1,1,−1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -4,2,1\right> = \left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right>

or equivalently, writing out the three component equations and moving all ss's and tt's to the left and constants to the right,

−4s−t=52s−t=−1s+t=−2\begin{aligned} -4s -t &= 5\\ 2s -t &= -1\\ s +t &= -2 \end{aligned}

Adding the last two equations together gives 3s=−33s=-3 or s=−1s=-1. Substituting this into the last equation gives t=−1t=-1. Note that s=t=−1s=t=-1 does indeed satisfy all three equations so that <x,y,z>=<−3,2,4>−<−4,2,1>=<1,0,3>\left< x,y,z\right>=\left< -3,2,4\right>-\left< -4,2,1\right>=\left< 1,0,3\right> lies on both lines. Any plane that contains the two lines must be parallel to both direction vectors <−4,2,1>\left< -4,2,1\right> and <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right>. So its normal vector must be perpendicular to them, i.e. must be parallel to <−4,2,1>×<1,1,−1>=<−3,−3,−6>=−3<1,1,2>\left< -4,2,1\right>\times\left< 1,1,-1\right>=\left< -3,-3,-6\right>=-3\left< 1,1,2\right>. The plane must contain (1,0,3)(1,0,3) and be perpendicular to <1,1,2>\left< 1,1,2\right>. Its equation is <1,1,2>⋅<x−1,y,z−3>=0\left< 1,1,2\right>\cdot\left< x-1,y,z-3\right>=0 or x+y+2z=7x+y+2z=7. This can be checked by verifying that <−3,2,4>+s<−4,2,1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -4,2,1\right> and <2,1,2>+t<1,1,−1>\left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right> obey x+y+2z=7x+y+2z=7 for all ss and tt respectively.

(b) In order for a point (x,y,z)(x,y,z) to lie on both lines we need

<−3,2,4>+s<−4,2,1>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -4,2,1\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right>

or equivalently, writing out the three component equations and moving all ss's and tt's to the left and constants to the right,

−4s−t=52s−t=−1s+t=−5\begin{aligned} -4s -t &= 5\\ 2s -t &= -1\\ s +t &= -5 \end{aligned}

Adding the last two equations together gives 3s=−63s=-6 or s=−2s=-2. Substituting this into the last equation gives t=−3t=-3. However, substituting s=−2, t=−3s=-2,\ t=-3 into the first equation gives 11=511=5, which is impossible. The two lines do not intersect. In order for two lines to lie in a common plane and not intersect, they must be parallel. So, in this case no plane contains the two lines.

(c) In order for a point (x,y,z)(x,y,z) to lie on both lines we need

<−3,2,4>+s<−2,−2,2>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -2,-2,2\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right>

or equivalently, writing out the three component equations and moving all ss's and tt's to the left and constants to the right,

−2s−t=5−2s−t=−12s+t=−5\begin{aligned} -2s -t &= 5\\ -2s -t &= -1\\ 2s +t &= -5 \end{aligned}

The first two equations are obviously contradictory. The two lines do not intersect. Any plane containing the two lines must be parallel to <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> (and hence automatically parallel to <−2,−2,2>=−2<1,1,−1>\left< -2,-2,2\right>=-2\left< 1,1,-1\right>) and must also be parallel to the vector from the point (−3,2,4)(-3,2,4), which lies on the first line, to the point (2,1,−1)(2,1,-1), which lies on the second. The vector is <5,−1,−5>\left< 5,-1,-5\right>. Hence the normal to the plane is <5,−1,−5>×<1,1,−1>=<6,0,6>=6<1,0,1>\left< 5,-1,-5\right>\times\left< 1,1,-1\right>=\left< 6,0,6\right>=6\left< 1,0,1\right>. The plane perpendicular to <1,0,1>\left< 1,0,1\right> containing (2,1,−1)(2,1,-1) is <1,0,1>⋅<x−2,y−1,z+1>=0\left< 1,0,1\right>\cdot\left< x-2,y-1,z+1\right>=0 or x+z=1x+z=1.

(d) Again the two lines are parallel, since <−2,−2,2>=−2<1,1,−1>\left< -2,-2,2\right>=-2\left< 1,1,-1\right>. Furthermore the point <3,2,−2>=<3,2,−2>+0<−2,−2,2>=<2,1,−1>+1<1,1,−1>\left< 3,2,-2\right>=\left< 3,2,-2\right>+0\left< -2,-2,2\right> =\left< 2,1,-1\right>+1\left< 1,1,-1\right> lies on both lines. So the two lines not only intersect but are identical. Any plane that contains the point (3,2,−2)(3,2,-2) and is parallel to <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> contains both lines. In general, the plane ax+by+cz=dax+by+cz=d contains (3,2,−2)(3,2,-2) if and only if d=3a+2b−2cd=3a+2b-2c and is parallel to <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> if and only if <a,b,c>⋅<1,1,−1>=a+b−c=0\left< a,b,c\right>\cdot\left< 1,1,-1\right>=a+b-c=0. So, for arbitrary aa and bb (not both zero) ax+by+(a+b)z=aax+by+(a+b)z=a works.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 10.6절 · 31번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
644.CLP-3 · 1.5절 · 6번대학 수준우리말 번역

점 (2,−1,−1)(2,-1,-1) 을 지나고 두 평면 x+y=0x+y=0 과 x−y+2z=0x-y+2z=0 에 각각 평행한 직선의 방정식을 구하세요. 이 직선의 방정식을 벡터 매개변수 형태, 스칼라 매개변수 형태, 대칭형으로 나타내세요.

영어 원문 보기

Find the equation(s) of the line through (2,−1,−1)(2,-1,-1) and parallel to each of the two planes x+y=0x+y=0 and x−y+2z=0x-y+2z=0. Express the equation(s) of the line in vector and scalar parametric forms and in symmetric form.

정답·풀이 보기

먼저 다음을 관찰하자.

  • <1,1,0>\left< 1,1,0\right> 은 x+y=0x+y=0 에 수직이므로 직선에도 수직이다.
  • <1,−1,2>\left< 1,-1,2\right> 은 x−y+2z=0x-y+2z=0 에 수직이므로 직선에도 수직이다.

따라서

<1 , 1 , 0>×<1 , −1 , 2>=det⁡[ı^ȷ^k^1101−12]=<2 , −2 , −2>\begin{aligned} \left< 1\,,\,1\,,\,0\right> \times \left< 1\,,\,-1\,,\,2\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 1 & 0 \\ 1 & -1 & 2 \end{matrix}\right] =\left< 2 \,,\, -2 \,,\, -2 \right> \end{aligned}

은 <1,1,0>\left< 1,1,0\right> 과 <1,−1,2>\left< 1,-1,2\right> 모두에 수직이다. 그러므로 12<2 , −2 , −2>=<1,−1,−1> \frac{1}{2}\left< 2 \,,\, -2 \,,\, -2 \right>=\left< 1,-1,-1\right>\> 도 <1,1,0>\left< 1,1,0\right> 과 <1,−1,2>\left< 1,-1,2\right> 모두에 수직이고, 따라서 직선에 평행하다. 점 (2,−1,−1)(2,-1,-1) 이 직선 위에 있으므로 직선의 벡터 방정식은 다음과 같다.

<x−2,y+1,z+1>=t<1,−1,−1>\left< x-2,y+1,z+1\right>= t\left< 1,-1,-1\right>

직선의 스칼라 매개변수 방정식은 다음과 같다.

x−2=t, y+1=−t, z+1=−t또는x=2+t, y=−1−t, z=−1−t\begin{aligned} x-2=t,\ y+1=-t,\ z+1=-t \text{또는} x=2+t,\ y=-1-t,\ z=-1-t \end{aligned}

직선의 대칭 방정식은 다음과 같다.

(t=)x−21=y+1−1=z+1−1또는x−2=−y−1=−z−1\begin{aligned} (t=)\frac{x-2}{1}=\frac{y+1}{-1}=\frac{z+1}{-1} \text{또는} x-2=-y-1=-z-1 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

First observe that

  • <1,1,0>\left< 1,1,0\right> is perpendicular to x+y=0x+y=0 and hence to the line, and
  • <1,−1,2>\left< 1,-1,2\right> is perpendicular to x−y+2z=0x-y+2z=0 and hence to the line.

Consequently

<1 , 1 , 0>×<1 , −1 , 2>=det⁡[ı^ȷ^k^1101−12]=<2 , −2 , −2>\begin{aligned} \left< 1\,,\,1\,,\,0\right> \times \left< 1\,,\,-1\,,\,2\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 1 & 0 \\ 1 & -1 & 2 \end{matrix}\right] =\left< 2 \,,\, -2 \,,\, -2 \right> \end{aligned}

is perpendicular to both <1,1,0>\left< 1,1,0\right> and <1,−1,2>\left< 1,-1,2\right>. So 12<2 , −2 , −2>=<1,−1,−1> \frac{1}{2}\left< 2 \,,\, -2 \,,\, -2 \right>=\left< 1,-1,-1\right>\> is also perpendicular to both <1,1,0>\left< 1,1,0\right> and <1,−1,2>\left< 1,-1,2\right> and hence is parallel to the line. As the point (2,−1,−1)(2,-1,-1) is on the line, the vector equation of the line is

<x−2,y+1,z+1>=t<1,−1,−1>\left< x-2,y+1,z+1\right>= t\left< 1,-1,-1\right>

The scalar parametric equations for the line are

x−2=t, y+1=−t, z+1=−torx=2+t, y=−1−t, z=−1−t\begin{aligned} x-2=t,\ y+1=-t,\ z+1=-t \text{or} x=2+t,\ y=-1-t,\ z=-1-t \end{aligned}

The symmetric equations for the line are

(t=)x−21=y+1−1=z+1−1orx−2=−y−1=−z−1\begin{aligned} (t=)\frac{x-2}{1}=\frac{y+1}{-1}=\frac{z+1}{-1} \text{or} x-2=-y-1=-z-1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.5절 · 5번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
645.CLP-3 · 1.5절 · 10번대학 수준우리말 번역

직선 LL 은 평면 2x+y−z=52x + y - z = 5 에 평행하고 직선 x=3−tx = 3 - t, y=1−2ty = 1 - 2t, z=3tz = 3t 에 수직이다.

(a) 직선 LL 에 평행한 벡터를 구하세요. (b) 직선 LL 이 점 Q(a,b,c)Q(a, b, c) 를 지난다고 할 때, 직선 LL 의 매개변수 방정식을 구하세요. 여기서 a<0a < 0, b>0b > 0, c>0c > 0 이고, QQ 에서 xyxy–평면, xzxz–평면, yzyz–평면까지의 거리는 각각 22, 33, 44 이다.

영어 원문 보기

Let LL be a line which is parallel to the plane 2x+y−z=52x + y - z = 5 and perpendicular to the line x=3−tx = 3 - t, y=1−2ty = 1 - 2t and z=3tz = 3t.

(a) Find a vector parallel to the line LL. (b) Find parametric equations for the line LL if LL passes through a point Q(a,b,c)Q(a, b, c) where a<0a < 0, b>0b > 0, c>0c > 0, and the distances from QQ to the xyxy–plane, the xzxz–plane and the yzyz–plane are 22, 33 and 44 respectively.

정답·풀이 보기

(a) 직선 LL 은 평면 2x+y−z=52x + y - z = 5 의 법선 벡터인 <2 , 1 , −1>\left< 2\,,\,1\,,\,-1\right> 과, 직선 x=3−tx = 3 - t, y=1−2ty = 1 - 2t, z=3tz = 3t 의 방향 벡터인 <−1 , −2 , 3>\left< -1\,,\,-2\,,\,3\right> 모두에 수직이어야 한다. 이러한 벡터는 모두 다음 벡터에 0이 아닌 상수를 곱한 것이다.

<2 , 1 , −1>×<−1 , −2 , 3>=det⁡[ı^ȷ^k^21−1−1−23]=<1 , −5 , −3>\begin{aligned} \left< 2\,,\,1\,,\,-1\right> \times \left< -1\,,\,-2\,,\,3\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 2 & 1 & -1 \\ -1 & -2 & 3 \end{matrix}\right] =\left< 1 \,,\, -5 \,,\, -3 \right> \end{aligned}

(b) 점 Q(a,b,c)Q(a, b, c) 에 대하여

  • xyxy–평면까지의 거리가 22 이려면 ∣c∣=2|c|=2 이어야 하고,
  • xzxz–평면까지의 거리가 33 이려면 ∣b∣=3|b|=3 이어야 하고,
  • yzyz–평면까지의 거리가 44 이려면 ∣a∣=4|a|=4 이어야 한다.

a<0a < 0, b>0b > 0, c>0c > 0 이므로 점 QQ 는 (−4,3,2)(-4, 3, 2) 이고 직선 LL 은

x=−4+ty=3−5tz=2−3tx = -4 + t \qquad y = 3 - 5t \qquad z = 2 - 3t

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The line LL must be perpendicular both to <2 , 1 , −1>\left< 2\,,\,1\,,\,-1\right>, which is a normal vector for the plane 2x+y−z=52x + y - z = 5, and to <−1 , −2 , 3>\left< -1\,,\,-2\,,\,3\right>, which is a direction vector for the line x=3−tx = 3 - t, y=1−2ty = 1 - 2t and z=3tz = 3t. Any such vector must be a nonzero constant times

<2 , 1 , −1>×<−1 , −2 , 3>=det⁡[ı^ȷ^k^21−1−1−23]=<1 , −5 , −3>\begin{aligned} \left< 2\,,\,1\,,\,-1\right> \times \left< -1\,,\,-2\,,\,3\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 2 & 1 & -1 \\ -1 & -2 & 3 \end{matrix}\right] =\left< 1 \,,\, -5 \,,\, -3 \right> \end{aligned}

(b) For the point Q(a,b,c)Q(a, b, c)

  • to be a distance 22 from the xyxy–plane, it is necessary that ∣c∣=2|c|=2, and
  • to be a distance 33 from the xzxz–plane, it is necessary that ∣b∣=3|b|=3, and
  • to be a distance 44 from the yzyz–plane, it is necessary that ∣a∣=4|a|=4.

As a<0a < 0, b>0b > 0, c>0c > 0, the point QQ is (−4,3,2)(-4, 3, 2) and the line LL is

x=−4+ty=3−5tz=2−3tx = -4 + t \qquad y = 3 - 5t \qquad z = 2 - 3t

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.5절 · 11번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
646.CLP-3 · 1.5절 · 11번대학 수준우리말 번역

LL 을 평면 x+y+z=6x + y + z = 6 과 x−y+2z=0x - y + 2z = 0 의 교선이라 하자.

(a) 직선 LL 이 좌표평면과 만나는 점을 구하세요. (b) 점 (10,11,13)(10, 11, 13) 을 지나고 직선 LL 에 수직이며 평면 y=zy = z 에 평행한 직선의 매개변수 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Let LL be the line of intersection of the planes x+y+z=6x + y + z = 6 and x−y+2z=0x - y + 2z = 0.

(a) Find the points in which the line LL intersects the coordinate planes. (b) Find parametric equations for the line through the point (10,11,13)(10, 11, 13) that is perpendicular to the line LL and parallel to the plane y=zy = z.

정답·풀이 보기

(a) 직선 LL 이 xyxy평면과 만나는 점은 x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, 그리고 z=0z=0 을 만족한다. z=0z=0 일 때 LL 의 방정식은 x+y=6x + y = 6, x−y=0x - y = 0 으로 간단해진다. 따라서 교점은 (3,3,0)(3,3,0) 이다.

직선 LL 이 xzxz평면과 만나는 점은 x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, 그리고 y=0y=0 을 만족한다. y=0y=0 일 때 LL 의 방정식은 x+z=6x + z = 6, x+2z=0x +2z = 0 으로 간단해진다. x=−2zx=-2z 를 x+z=6x+z=6 에 대입하면 −z=6-z=6 이다. 따라서 교점은 (12,0,−6)(12,0,-6) 이다.

직선 LL 이 yzyz평면과 만나는 점은 x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, 그리고 x=0x=0 을 만족한다. x=0x=0 일 때 LL 의 방정식은 y+z=6y + z = 6, −y+2z=0-y +2z = 0 으로 간단해진다. y=2zy=2z 를 y+z=6y+z=6 에 대입하면 3z=63z=6 이다. 따라서 교점은 (0,4,2)(0,4,2) 이다.

(b) 핵심은 이 직선의 방향벡터 d\mathbf{d} 를 구하는 것이다.

  • 직선이 y=zy=z 에 평행해야 하므로, d\mathbf{d} 는 y=zy=z 의 법선벡터 <0,1,−1>\left< 0,1,-1\right> 에 수직이어야 한다.
  • 또한 d\mathbf{d} 는 LL 에도 수직이어야 한다. 점 (x,y,z)(x,y,z) 가 LL 위에 있으려면 x+y=6−zx+y = 6-z 와 x−y=−2zx-y =-2z 를 만족해야 한다. 이 두 식을 더하면 2x=6−3z2x=6-3z 이고, 첫째 식에서 둘째 식을 빼면 2y=6+z2y= 6+z 이다. 따라서 점 (x,y,z)(x,y,z) 가 LL 위에 있으려면 x=3−3z2x=3-\frac{3z}{2}, y=3+z2y=3+\frac{z}{2} 를 만족해야 한다. LL 위의 점 중 z=0z=0 인 점은 (3,3,0)(3,3,0) 이고 z=2z=2 인 점은 (0,4,2)(0,4,2) 이다. 따라서 <0−3,4−3,2−0>=<−3,1,2>\left< 0-3,4-3,2-0 \right>=\left< -3,1,2 \right> 는 LL 의 방향벡터이다.

그러므로 d\mathbf{d} 는 <0,1,−1>\left< 0,1,-1\right> 과 <−3,1,2>\left< -3,1,2 \right> 모두에 수직이어야 하고, 따라서 다음 벡터의 0이 아닌 상수배이다.

<0,1,−1>×<−3,1,2>=det⁡[ı^ȷ^k^01−1−312]=<3 , 3 , 3>\begin{aligned} \left< 0,1,-1\right> \times \left< -3,1,2 \right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 1 & -1 \\ -3 & 1 & 2 \end{matrix}\right] =\left< 3 \,,\, 3 \,,\, 3 \right> \end{aligned}

d=13<3 , 3 , 3>=<1 , 1 , 1>\mathbf{d}=\frac{1}{3}\left< 3 \,,\, 3 \,,\, 3 \right>=\left< 1\,,\,1\,,\,1 \right> 로 택한다. 따라서

<x,y,z>=<10,11,13>+t<1 , 1 , 1>\left< x,y,z\right> = \left< 10,11,13\right> + t \left< 1\,,\,1\,,\,1 \right>

는 이 직선의 벡터 매개변수 방정식이다. 이를 x=10+tx=10+t, y=11+ty=11+t, z=13+tz=13+t 로 쓸 수도 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The line LL intersects the xyxy–plane when x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, and z=0z=0. When z=0z=0 the equations of LL reduce to x+y=6x + y = 6, x−y=0x - y = 0. So the intersection point is (3,3,0)(3,3,0).

The line LL intersects the xzxz–plane when x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, and y=0y=0. When y=0y=0 the equations of LL reduce to x+z=6x + z = 6, x+2z=0x +2z = 0. Substituting x=−2zx=-2z into x+z=6x+z=6 gives −z=6-z=6. So the intersection point is (12,0,−6)(12,0,-6).

The line LL intersects the yzyz–plane when x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, and x=0x=0. When x=0x=0 the equations of LL reduce to y+z=6y + z = 6, −y+2z=0-y +2z = 0. Substituting y=2zy=2z into y+z=6y+z=6 gives 3z=63z=6. So the intersection point is (0,4,2)(0,4,2).

(b) Our main job is to find a direction vector d\mathbf{d} for the line.

  • Since the line is to be parallel to y=zy=z, d\mathbf{d} must be perpendicular to the normal vector for y=zy=z, which is <0,1,−1>\left< 0,1,-1\right>.
  • d\mathbf{d} must also be perpendicular to LL. For a point (x,y,z)(x,y,z) to be on LL it must obey x+y=6−zx+y = 6-z and x−y=−2zx-y =-2z. Adding these two equations gives 2x=6−3z2x=6-3z and subtracting the second equation from the first gives 2y=6+z2y= 6+z. So for a point (x,y,z)(x,y,z) to be on LL it must obey x=3−3z2x=3-\frac{3z}{2}, y=3+z2y=3+\frac{z}{2}. The point on LL with z=0z=0 is (3,3,0)(3,3,0) and the point on LL with z=2z=2 is (0,4,2)(0,4,2). So <0−3,4−3,2−0>=<−3,1,2>\left< 0-3,4-3,2-0 \right>=\left< -3,1,2 \right> is a direction vector for LL.

So d\mathbf{d} must be perpendicular to both <0,1,−1>\left< 0,1,-1\right> and <−3,1,2>\left< -3,1,2 \right> and so must be a nonzero constant times

<0,1,−1>×<−3,1,2>=det⁡[ı^ȷ^k^01−1−312]=<3 , 3 , 3>\begin{aligned} \left< 0,1,-1\right> \times \left< -3,1,2 \right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 1 & -1 \\ -3 & 1 & 2 \end{matrix}\right] =\left< 3 \,,\, 3 \,,\, 3 \right> \end{aligned}

We choose d=13<3 , 3 , 3>=<1 , 1 , 1>\mathbf{d}=\frac{1}{3}\left< 3 \,,\, 3 \,,\, 3 \right>=\left< 1\,,\,1\,,\,1 \right>. So

<x,y,z>=<10,11,13>+t<1 , 1 , 1>\left< x,y,z\right> = \left< 10,11,13\right> + t \left< 1\,,\,1\,,\,1 \right>

is a vector parametric equation for the line. We can also write this as x=10+tx=10+t, y=11+ty=11+t, z=13+tz=13+t.

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647.CLP-3 · 1.5절 · 13번대학 수준우리말 번역

다음 두 평면

x+y+z=11그리고x−y−z=13.x + y + z = 11\qquad \text{그리고}\qquad x - y - z = 13.

의 교선에 대한 매개변수 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the parametric equation for the line of intersection of the planes

x+y+z=11andx−y−z=13.x + y + z = 11\qquad \text{and}\qquad x - y - z = 13.

정답·풀이 보기

zz 를 매개변수로 쓰고 tt 라 하자. 그러면 z=tz=t 이고

x+y=11−tx−y=13+t\begin{aligned} x+y&=11-t \\ x-y&=13+t \end{aligned}

이다. 두 방정식을 더하면 2x=242x=24 이고, 첫째 식에서 둘째 식을 빼면 2y=−2−2t2y=-2-2t 이다. 따라서

(x,y,z)=(12 , −1−t , t)(x,y,z) = \big(12\,,\,-1-t\,,\,t\big)

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let's use zz as the parameter and call it tt. Then z=tz=t and

x+y=11−tx−y=13+t\begin{aligned} x+y&=11-t \\ x-y&=13+t \end{aligned}

Adding the two equations gives 2x=242x=24 and subtracting the second equation from the first gives 2y=−2−2t2y=-2-2t. So

(x,y,z)=(12 , −1−t , t)(x,y,z) = \big(12\,,\,-1-t\,,\,t\big)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 7번
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648.CLP-3 · 1.5절 · 14번대학 수준우리말 번역

(a) (2,5,−3)(2, 5, -3) 과 (−3,6,1)(-3, 6, 1) 에서 같은 거리에 있는 yy축 위의 점을 구하세요. (b) 점 (1,3,1)(1, 3, 1) 과 직선 r(t)=t ı^+t ȷ^+(t+2) k^\mathbf{r}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + (t + 2)\,\hat{\mathbf{k}} 를 포함하는 평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find a point on the y-axis equidistant from (2,5,−3)(2, 5, -3) and (−3,6,1)(-3, 6, 1). (b) Find the equation of the plane containing the point (1,3,1)(1, 3, 1) and the line r(t)=t ı^+t ȷ^+(t+2) k^\mathbf{r}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + (t + 2)\,\hat{\mathbf{k}}.

정답·풀이 보기

(a) yy축 위의 점 (0,y,0)(0,y,0) 이 (2,5,−3)(2, 5, -3) 과 (−3,6,1)(-3, 6, 1) 에서 같은 거리에 있을 필요충분조건은

∣<2,5,−3>−<0,y,0>∣=∣<−3,6,1>−<0,y,0>∣  ⟺  22+(5−y)2+(−3)2=(−3)2+(6−y)2+12  ⟺  2y=8  ⟺  y=4\begin{aligned} &\big|\left< 2, 5, -3\right>-\left< 0,y,0\right>\big| =\big|\left< -3, 6, 1\right>-\left< 0,y,0\right>\big| \\ &\iff 2^2+(5-y)^2+(-3)^2=(-3)^2+(6-y)^2+1^2 \\ &\iff 2y=8 \\ &\iff y=4 \end{aligned}

이다.

(b) 두 점 (1,3,1)(1,3,1) 과 r(0)=(0,0,2)\mathbf{r}(0)=(0,0,2) 는 모두 평면 위에 있다. 따라서 두 점을 잇는 벡터 <1,3,1>−<0,0,2>=<1,3,−1>\left< 1,3,1\right>-\left< 0,0,2\right>=\left< 1,3,-1\right> 과 직선의 방향벡터 <1,1,1>\left< 1,1,1\right> 은 모두 평면과 평행하다. 그러므로

<1,3,−1>×<1,1,1>=det⁡[ı^ȷ^k^13−1111]=<4,−2,−2>\left< 1,3,-1\right>\times \left< 1,1,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ 1&3&-1 \\ 1&1&1 \end{matrix}\right] = \left< 4,-2,-2\right>

은 평면에 수직이다. 점 (0,0,2)(0,0,2) 가 평면 위에 있고 벡터 <4,−2,−2>\left< 4,-2,-2\right> 가 평면에 수직이므로, 평면의 방정식은

4(x−0)−2(y−0)−2(z−2)=0 또는 2x−y−z=−24(x-0)-2(y-0)-2(z-2)=0\text{ 또는 } 2x-y-z=-2

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The point (0,y,0)(0,y,0), on the yy–axis, is equidistant from (2,5,−3)(2, 5, -3) and (−3,6,1)(-3, 6, 1) if and only if

∣<2,5,−3>−<0,y,0>∣=∣<−3,6,1>−<0,y,0>∣  ⟺  22+(5−y)2+(−3)2=(−3)2+(6−y)2+12  ⟺  2y=8  ⟺  y=4\begin{aligned} &\big|\left< 2, 5, -3\right>-\left< 0,y,0\right>\big| =\big|\left< -3, 6, 1\right>-\left< 0,y,0\right>\big| \\ &\iff 2^2+(5-y)^2+(-3)^2=(-3)^2+(6-y)^2+1^2 \\ &\iff 2y=8 \\ &\iff y=4 \end{aligned}

(b) The points (1,3,1)(1,3,1) and r(0)=(0,0,2)\mathbf{r}(0)=(0,0,2) are both on the plane. Hence the vector <1,3,1>−<0,0,2>=<1,3,−1>\left< 1,3,1\right>-\left< 0,0,2\right>=\left< 1,3,-1\right> joining them, and the direction vector of the line, namely <1,1,1>\left< 1,1,1\right> are both parallel to the plane. So

<1,3,−1>×<1,1,1>=det⁡[ı^ȷ^k^13−1111]=<4,−2,−2>\left< 1,3,-1\right>\times \left< 1,1,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ 1&3&-1 \\ 1&1&1 \end{matrix}\right] = \left< 4,-2,-2\right>

is perpendicular to the plane. As the point (0,0,2)(0,0,2) is on the plane and the vector <4,−2,−2>\left< 4,-2,-2\right> is perpendicular to the plane, the equation of the plane is

4(x−0)−2(y−0)−2(z−2)=0 or 2x−y−z=−24(x-0)-2(y-0)-2(z-2)=0\text{ or } 2x-y-z=-2

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.5절 · 16번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
649.CLP-3 · 1.6절 · 17번대학 수준우리말 번역

다음 곡선을 생각하세요.

r(t)=13cos⁡3t ı^+13sin⁡3t ȷ^+sin⁡3t k^\mathbf{r}(t) = \frac{1}{3}\cos^3 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\frac{1}{3} \sin^3 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \sin^3 t\,\hat{\mathbf{k}}

(a) t=0t = 0 에서 t=π2t = \frac{\pi}{2} 까지 곡선의 길이를 구하세요. (b) t=0t = 0 에서 t=πt = \pi 까지 곡선의 길이를 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the curve

r(t)=13cos⁡3t ı^+13sin⁡3t ȷ^+sin⁡3t k^\mathbf{r}(t) = \frac{1}{3}\cos^3 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\frac{1}{3} \sin^3 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \sin^3 t\,\hat{\mathbf{k}}

(a) Compute the arc length of the curve from t=0t = 0 to t=π2t = \frac{\pi}{2}. (b) Compute the arc length of the curve from t=0t = 0 to t=πt = \pi.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) r′(t)=−sin⁡tcos⁡2t ı^+sin⁡2tcos⁡t ı^+3sin⁡2tcos⁡t k^=sin⁡tcos⁡t(−cos⁡t ı^+sin⁡t ȷ^+3sin⁡t k^)dsdt(t)=∣sin⁡tcos⁡t∣cos⁡2t+sin⁡2t+9sin⁡2t=∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) & = -\sin t\cos^2 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin^2 t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 3\sin^2 t\cos t\,\hat{\mathbf{k}} = \sin t\cos t\big(-\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3\sin t\,\hat{\mathbf{k}}\big) \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) & = |\sin t\cos t|\sqrt{\cos^2 t + \sin ^2 t + 9\sin^2 t} = |\sin t\cos t|\sqrt{1+ 9\sin^2 t} \end{aligned}

이므로 t=0t = 0 에서 t=π2t = \frac{\pi}{2} 까지 곡선의 길이는

∫0π/2dsdt(t) dt=∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt=118∫110u du여기서 u=1+9sin⁡2t, du=18sin⁡tcos⁡t dt=118[23u3/2]110=127(1010−1)\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{18}\int_1^{10} \sqrt{u}\ \mathrm{d}u \qquad \text{여기서 } u = 1+ 9\sin^2 t,\ \mathrm{d}u = 18\sin t\cos t\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{18}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_1^{10}\\ &=\frac{1}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big) \end{aligned}

이다.

(b) t=0t = 0 에서 t=πt = \pi 까지 곡선의 길이는

∫0πdsdt(t) dt=∫0π∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dt절댓값 기호를 잊지 마세요!=2∫0π/2∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dt=2∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt\begin{aligned} \int_0^{\pi} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \qquad\text{절댓값 기호를 잊지 마세요!}\\ &=2\int_0^{\pi/2} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t = 2\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \end{aligned}

이다. 피적분함수가 t→π−tt\rightarrow\pi-t 에 대해 변하지 않기 때문이다. 따라서 t=0t = 0 에서 t=πt = \pi 까지 곡선의 길이는 (a)에서 구한 곡선의 길이의 2배, 즉 227(1010−1)\frac{2}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) As

r′(t)=−sin⁡tcos⁡2t ı^+sin⁡2tcos⁡t ı^+3sin⁡2tcos⁡t k^=sin⁡tcos⁡t(−cos⁡t ı^+sin⁡t ȷ^+3sin⁡t k^)dsdt(t)=∣sin⁡tcos⁡t∣cos⁡2t+sin⁡2t+9sin⁡2t=∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) & = -\sin t\cos^2 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin^2 t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 3\sin^2 t\cos t\,\hat{\mathbf{k}} = \sin t\cos t\big(-\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3\sin t\,\hat{\mathbf{k}}\big) \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) & = |\sin t\cos t|\sqrt{\cos^2 t + \sin ^2 t + 9\sin^2 t} = |\sin t\cos t|\sqrt{1+ 9\sin^2 t} \end{aligned}

the arclength from t=0t = 0 to t=π2t = \frac{\pi}{2} is

∫0π/2dsdt(t) dt=∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt=118∫110u duwith u=1+9sin⁡2t, du=18sin⁡tcos⁡t dt=118[23u3/2]110=127(1010−1)\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{18}\int_1^{10} \sqrt{u}\ \mathrm{d}u \qquad \text{with } u = 1+ 9\sin^2 t,\ \mathrm{d}u = 18\sin t\cos t\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{18}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_1^{10}\\ &=\frac{1}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big) \end{aligned}

(b) The arclength from t=0t = 0 to t=πt = \pi is

∫0πdsdt(t) dt=∫0π∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dtDon’t forget the absolute value signs!=2∫0π/2∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dt=2∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt\begin{aligned} \int_0^{\pi} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \qquad\text{Don't forget the absolute value signs!}\\ &=2\int_0^{\pi/2} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t = 2\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \end{aligned}

since the integrand is invariant under t→π−tt\rightarrow\pi-t. So the arc length from t=0t = 0 to t=πt = \pi is just twice the arc length from part (a), namely 227(1010−1)\frac{2}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 26번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
650.CLP-3 · 1.6절 · 18번대학 수준우리말 번역

r(t)=(13t3,12t2,12t)\mathbf{r}(t)=\big(\frac{1}{3}t^3,\frac{1}{2}t^2,\frac{1}{2}t\big), t≥0t\ge 0 이라 하자. 시각 tt 에서 곡선의 길이 s(ts(t) 를 구하세요.

영어 원문 보기

Let r(t)=(13t3,12t2,12t)\mathbf{r}(t)=\big(\frac{1}{3}t^3,\frac{1}{2}t^2,\frac{1}{2}t\big), t≥0t\ge 0. Compute s(ts(t), the arclength of the curve at time tt.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

r(t)=t33 ı^+t22 ȷ^+t2 k^r′(t)=t2 ı^+t ȷ^+12 k^dsdt(t)=∣r′(t)∣=t4+t2+14=(t2+12)2=t2+12\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= \frac{t^3}{3}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{t}{2}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(t)&= t^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{r}'(t)|&=\sqrt{t^4+t^2+\frac{1}{4}} =\sqrt{\Big(t^2+\frac{1}{2}\Big)^2}=t^2+\frac{1}{2} \end{aligned}

이므로 곡선의 길이는

s(t)=∫0tdsdt(u) du=∫0t(u2+12) du=t33+t2\begin{aligned} s(t)=\int_0^t \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(u)\,\mathrm{d}u =\int_0^t \Big(u^2+\frac{1}{2}\Big)\,\mathrm{d}u =\frac{t^3}{3} +\frac{t}{2} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since

r(t)=t33 ı^+t22 ȷ^+t2 k^r′(t)=t2 ı^+t ȷ^+12 k^dsdt(t)=∣r′(t)∣=t4+t2+14=(t2+12)2=t2+12\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= \frac{t^3}{3}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{t}{2}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(t)&= t^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{r}'(t)|&=\sqrt{t^4+t^2+\frac{1}{4}} =\sqrt{\Big(t^2+\frac{1}{2}\Big)^2}=t^2+\frac{1}{2} \end{aligned}

the length of the curve is

s(t)=∫0tdsdt(u) du=∫0t(u2+12) du=t33+t2\begin{aligned} s(t)=\int_0^t \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(u)\,\mathrm{d}u =\int_0^t \Big(u^2+\frac{1}{2}\Big)\,\mathrm{d}u =\frac{t^3}{3} +\frac{t}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 19번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
651.CLP-3 · 1.6절 · 19번대학 수준우리말 번역

0≤a≤t≤b0 \le a \le t \le b 이고 m>0m > 0 일 때, 곡선 r(t)=(tm , tm , t3m/2)\mathbf{r}(t) = \big(t^m\,,\, t^m\,,\, t^{3m/2}\big) 의 길이를 구하세요. 결과를 mm, aa, bb 로 나타내세요.

영어 원문 보기

Find the arc length of the curve r(t)=(tm , tm , t3m/2)\mathbf{r}(t) = \big(t^m\,,\, t^m\,,\, t^{3m/2}\big) for 0≤a≤t≤b0 \le a \le t \le b, and where m>0m > 0. Express your result in terms of mm, aa, and bb.

정답·풀이 보기

r(t)=tm ı^+tm ȷ^+t3m/2 k^r′(t)=mtm−1 ı^+mtm−1 ȷ^+3m2t3m/2−1 k^dsdt=∣r′(t)∣=2m2t2m−2+9m24t3m−2=mtm−12+94tm\begin{aligned} \mathbf{r}(t) & = t^m\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t^m\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + t^{3m/2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \mathbf{r}'(t) &= mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\frac{3m}{2}t^{3m/2-1}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} = |\mathbf{r}'(t)| & = \sqrt{ 2m^2 t^{2m-2} +\frac{9m^2}{4} t^{3m-2} } = mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m } \end{aligned}

이므로 곡선의 길이는

∫abdsdt(t) dt=∫abmtm−12+94tm dt=49∫2+94am2+94bmu du여기서 u=2+94tm, du=9m4tm−1=49[23u3/2]2+94am2+94bm=827[(2+94bm)3/2−(2+94am)3/2]\begin{aligned} \int_a^b \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_a^b mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m }\ \mathrm{d}t \\ &=\frac{4}{9}\int_{2 + \frac{9}{4}a^m}^{2 + \frac{9}{4}b^m}\sqrt{u}\,\mathrm{d}u \qquad\text{여기서 } u = 2 + \frac{9}{4}t^m,\ \mathrm{d}u = \frac{9m}{4}t^{m-1}\\ &=\frac{4}{9}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_{2 + \frac{9}{4}a^m} ^{2 + \frac{9}{4}b^m} \\ &=\frac{8}{27}\Big[\Big(2 + \frac{9}{4}b^m\Big)^{3/2} -\Big(2 + \frac{9}{4}a^m\Big)^{3/2}\Big] \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since

r(t)=tm ı^+tm ȷ^+t3m/2 k^r′(t)=mtm−1 ı^+mtm−1 ȷ^+3m2t3m/2−1 k^dsdt=∣r′(t)∣=2m2t2m−2+9m24t3m−2=mtm−12+94tm\begin{aligned} \mathbf{r}(t) & = t^m\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t^m\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + t^{3m/2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \mathbf{r}'(t) &= mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\frac{3m}{2}t^{3m/2-1}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} = |\mathbf{r}'(t)| & = \sqrt{ 2m^2 t^{2m-2} +\frac{9m^2}{4} t^{3m-2} } = mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m } \end{aligned}

the arc length is

∫abdsdt(t) dt=∫abmtm−12+94tm dt=49∫2+94am2+94bmu duwith u=2+94tm, du=9m4tm−1=49[23u3/2]2+94am2+94bm=827[(2+94bm)3/2−(2+94am)3/2]\begin{aligned} \int_a^b \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_a^b mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m }\ \mathrm{d}t \\ &=\frac{4}{9}\int_{2 + \frac{9}{4}a^m}^{2 + \frac{9}{4}b^m}\sqrt{u}\,\mathrm{d}u \qquad\text{with } u = 2 + \frac{9}{4}t^m,\ \mathrm{d}u = \frac{9m}{4}t^{m-1}\\ &=\frac{4}{9}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_{2 + \frac{9}{4}a^m} ^{2 + \frac{9}{4}b^m} \\ &=\frac{8}{27}\Big[\Big(2 + \frac{9}{4}b^m\Big)^{3/2} -\Big(2 + \frac{9}{4}a^m\Big)^{3/2}\Big] \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3장 복습 · 20번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
652.CLP-3 · 1.6절 · 22번대학 수준우리말 번역

3차원 공간에서 한 입자가 위치 벡터 r(t)\mathbf{r}(t) 로 움직이고, r′′(t)=−r(t)\mathbf{r}''(t)=-\mathbf{r}(t) 를 만족한다고 하자. "에너지" ∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2 이 상수임(즉, tt 에 무관함)을 보이세요.

영어 원문 보기

Suppose a particle in 3-dimensional space travels with position vector r(t)\mathbf{r}(t), which satisfies r′′(t)=−r(t)\mathbf{r}''(t)=-\mathbf{r}(t). Show that the “energy” ∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2 is constant (that is, independent of tt).

정답·풀이 보기

ddt[∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2]=ddt[r(t)⋅r(t)+r′(t)⋅r′(t)]=2r(t)⋅r′(t)+2r′(t)⋅r′′(t)=2r′(t)⋅[r(t)+r′′(t)]=0 since r′′(t)=−r(t) \begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big[|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2\big] &=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big[\mathbf{r}(t)\cdot\mathbf{r}(t)+\mathbf{r}'(t)\cdot\mathbf{r}'(t)\big]\\ &=2\mathbf{r}(t)\cdot\mathbf{r}'(t)+2\mathbf{r}'(t)\cdot\mathbf{r}''(t)\\ &=2\mathbf{r}'(t)\cdot\big[\mathbf{r}(t)+\mathbf{r}''(t)\big]\\ &=0\qquad \text{ since $\mathbf{r}''(t)=-\mathbf{r}(t)$ } \end{aligned}

모든 tt 에 대해 ddt[∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2]=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big[|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2\big]=0 이므로, ∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2 은 tt 에 무관하다.

원본 교재 풀이(영어)

ddt[∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2]=ddt[r(t)⋅r(t)+r′(t)⋅r′(t)]=2r(t)⋅r′(t)+2r′(t)⋅r′′(t)=2r′(t)⋅[r(t)+r′′(t)]=0 since r′′(t)=−r(t) \begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big[|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2\big] &=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big[\mathbf{r}(t)\cdot\mathbf{r}(t)+\mathbf{r}'(t)\cdot\mathbf{r}'(t)\big]\\ &=2\mathbf{r}(t)\cdot\mathbf{r}'(t)+2\mathbf{r}'(t)\cdot\mathbf{r}''(t)\\ &=2\mathbf{r}'(t)\cdot\big[\mathbf{r}(t)+\mathbf{r}''(t)\big]\\ &=0\qquad \text{ since $\mathbf{r}''(t)=-\mathbf{r}(t)$ } \end{aligned}

Since ddt[∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2]=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big[|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2\big]=0 for all tt, ∣r(t)∣2+∣r′(t)∣2|\mathbf{r}(t)|^2+|\mathbf{r}'(t)|^2 is independent of tt.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 21번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
653.CLP-3 · 1.6절 · 30번대학 수준우리말 번역

(a) 곡선 r1(t)=<1+t,t2,t3>\mathbf{r}_1(t)=\left< 1+t, t^2, t^3\right> 과 r2(t)=<cos⁡t,sin⁡t,t>\mathbf{r}_2(t)=\left< \cos t, \sin t, t\right> 는 점 P(1,0,0)P(1,0,0) 에서 만난다. 점 PP 에서 두 곡선이 만나는 각을 구하세요. (b) 평면 x+y−z=4x+y-z=4 와 2x−z=42x-z=4 의 교선과 직선 r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right> 사이의 거리를 구하세요.

영어 원문 보기

(a) The curve r1(t)=<1+t,t2,t3>\mathbf{r}_1(t)=\left< 1+t, t^2, t^3\right> and r2(t)=<cos⁡t,sin⁡t,t>\mathbf{r}_2(t)=\left< \cos t, \sin t, t\right> intersect at the point P(1,0,0)P(1,0,0). Find the angle of intersection between the curves at the point PP. (b) Find the distance between the line of intersection of the planes x+y−z=4x+y-z=4 and 2x−z=42x-z=4 and the line r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right>.

답 쓰고 채점
(a)
°
(b)
정답·풀이 보기

(a) 두 곡선의 접선벡터는 다음과 같다.

r1′(t)=<1,2t,3t2>r2′(t)=<−sin⁡t,cos⁡t,1>\mathbf{r}'_1(t)=\left< 1, 2t, 3t^2\right>\qquad \mathbf{r}'_2(t)=\left<-\sin t, \cos t, 1\right>

두 곡선은 모두 t=0t=0 일 때 PP 를 지나므로 이때의 접선벡터는 다음과 같다.

r1′(0)=<1,0,0>r2′(0)=<0,1,1>\mathbf{r}'_1(0)=\left< 1, 0, 0\right>\qquad \mathbf{r}'_2(0)=\left< 0, 1, 1\right>

따라서 두 곡선이 만나는 각 θ\theta 는 다음 식으로 정해진다.

r1′(0)⋅r2′(0)=∣r1′(0)∣ ∣r2′(0)∣ cos⁡θ  ⟹  <1,0,0>⋅<0,1,1>=1⋅2⋅cos⁡θ  ⟹  cos⁡θ=0  ⟹  θ=90∘\begin{aligned} \mathbf{r}'_1(0)\cdot\mathbf{r}'_2(0)=|\mathbf{r}'_1(0)|\,|\mathbf{r}'_2(0)|\,\cos\theta &\implies \left< 1, 0, 0\right>\cdot\left< 0, 1, 1\right>=1\cdot\sqrt{2}\cdot\cos\theta \\ &\implies\cos\theta=0\implies \theta=90^\circ \end{aligned}

(b) 풀이 전략은 다음과 같다.

  • 시점이 한 직선 위에 있고 종점이 다른 직선 위에 있는 벡터 v\mathbf{v} 를 구한다.
  • 두 직선에 모두 수직인 벡터 n\mathbf{n} 을 구한다.
  • 그러면 v\mathbf{v} 와 n\mathbf{n} 사이의 각을 θ\theta 라 할 때, 두 직선 사이의 거리는 ∣v∣cos⁡θ=∣v⋅n∣∣n∣|\mathbf{v}|\cos\theta = \frac{|\mathbf{v}\cdot\mathbf{n}|}{|\mathbf{n}|} 이다.

이제 풀어 보자.

  • 먼저 v\mathbf{v} 를 구한다.

  • 직선 r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right> 위의 한 점은 r(0)=<0,−1,1>\mathbf{r}(0)=\left< 0,-1,1\right> 이다.

  • (x,y,z)(x,y,z) 가 다른 직선 위에 있을 필요충분조건은 x+y−z=4x+y-z=4 이고 2x−z=42x-z=4 인 것이다. 특히 z=0z=0 이면 x+y=4x+y=4 이고 2x=42x=4 이므로 x=2x=2, y=2y=2 이다.

  • 따라서 벡터 v=<2−0 , 2−(−1) , 0−1>=<2,3,−1>\mathbf{v}=\left< 2-0\,,\,2-(-1)\,,\,0-1\right>=\left< 2,3,-1\right> 은 종점이 한 직선 위에 있고 시점이 다른 직선 위에 있다.

  • 다음으로 두 직선에 모두 수직인 벡터 n\mathbf{n} 을 구한다.

  • 먼저 직선 x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4 의 방향벡터를 구한다. x=y=2x=y=2, z=0z=0 이 이 직선 위의 점임은 이미 알고 있다. 이 직선 위의 두 번째 점은, 예를 들어 z=2z=2 로 놓고 x+y=6x+y=6, 2x=62x=6 을 풀면 x=3x=3, y=3y=3 으로 구할 수 있다. 따라서 직선 x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4 의 방향벡터 하나는 d1=<3−2 , 3−2 , 2−0>=<1,1,2>\mathbf{d}_1=\left<3-2\,,\,3-2\,,\,2-0 \right> = \left< 1,1,2\right> 이다.

  • 직선 x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4 의 방향벡터를 구하는 두 번째 방법은 다음과 같다. <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 은 x+y−z=4x+y-z=4 의 법선벡터이므로 이 직선에 수직이고, <2,0,−1>\left< 2,0,-1\right> 은 2x−z=42x-z=4 의 법선벡터이므로 역시 이 직선에 수직이다. 따라서 <1,1,−1>×<2,0,−1>\left< 1,1,-1\right>\times\left< 2,0,-1\right> 이 이 직선의 방향벡터이다.

  • 직선 r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right> 의 방향벡터는 d2=r′(t)=<1,2,3>\mathbf{d}_2=\mathbf{r}'(t)=\left< 1,2,3\right> 이다.

  • 그러므로

n=d2×d1=det⁡[ı^ȷ^k^123112]=ı^+ȷ^−k^\mathbf{n}=\mathbf{d}_2\times\mathbf{d}_1 =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 2 & 3 \\ 1 & 1 & 2 \end{matrix}\right] = \hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

은 두 직선에 모두 수직이다.

따라서 두 직선 사이의 거리는 다음과 같다.

∣v∣cos⁡θ=∣v⋅n∣∣n∣=<2,3,−1>⋅<1,1,−1>∣<1,1,−1>∣=63=23|\mathbf{v}|\cos\theta = \frac{|\mathbf{v}\cdot\mathbf{n}|}{|\mathbf{n}|} =\frac{\left< 2,3,-1\right> \cdot\left< 1,1,-1\right>}{|\left< 1,1,-1\right>|} =\frac{6}{\sqrt{3}} =2\sqrt{3}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The tangent vectors to the two curves are

r1′(t)=<1,2t,3t2>r2′(t)=<−sin⁡t,cos⁡t,1>\mathbf{r}'_1(t)=\left< 1, 2t, 3t^2\right>\qquad \mathbf{r}'_2(t)=\left<-\sin t, \cos t, 1\right>

Both curves pass through PP at t=0t=0 and then the tangent vectors are

r1′(0)=<1,0,0>r2′(0)=<0,1,1>\mathbf{r}'_1(0)=\left< 1, 0, 0\right>\qquad \mathbf{r}'_2(0)=\left< 0, 1, 1\right>

So the angle of intersection, θ\theta, is determined by

r1′(0)⋅r2′(0)=∣r1′(0)∣ ∣r2′(0)∣ cos⁡θ  ⟹  <1,0,0>⋅<0,1,1>=1⋅2⋅cos⁡θ  ⟹  cos⁡θ=0  ⟹  θ=90∘\begin{aligned} \mathbf{r}'_1(0)\cdot\mathbf{r}'_2(0)=|\mathbf{r}'_1(0)|\,|\mathbf{r}'_2(0)|\,\cos\theta &\implies \left< 1, 0, 0\right>\cdot\left< 0, 1, 1\right>=1\cdot\sqrt{2}\cdot\cos\theta \\ &\implies\cos\theta=0\implies \theta=90^\circ \end{aligned}

(b) Our strategy will be to

  • find a vector v\mathbf{v} whose tail is on one line and whose head is on the other line and then
  • find a vector n\mathbf{n} that is perpendicular to both lines.
  • Then, if we denote by θ\theta the angle between v\mathbf{v} and n\mathbf{n}, the distance between the two lines is ∣v∣cos⁡θ=∣v⋅n∣∣n∣|\mathbf{v}|\cos\theta = \frac{|\mathbf{v}\cdot\mathbf{n}|}{|\mathbf{n}|}

Here we go

  • So the first step is to find a v\mathbf{v}.

  • One point on the line r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right> is r(0)=<0,−1,1>\mathbf{r}(0)=\left< 0,-1,1\right>.

  • (x,y,z)(x,y,z) is on the other line if and only if x+y−z=4x+y-z=4 and 2x−z=42x-z=4. In particular, if z=0z=0 then x+y=4x+y=4 and 2x=42x=4 so that x=2x=2 and y=2y=2.

  • So the vector v=<2−0 , 2−(−1) , 0−1>=<2,3,−1>\mathbf{v}=\left< 2-0\,,\,2-(-1)\,,\,0-1\right>=\left< 2,3,-1\right> has its head on one line and its tail on the other line.

  • Next we find a vector n\mathbf{n} that is perpendicular to both lines.

  • First we find a direction vector for the line x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4. We already know that x=y=2x=y=2, z=0z=0 is on that line. We can find a second point on that line by choosing, for example, z=2z=2 and then solving x+y=6x+y=6, 2x=62x=6 to get x=3x=3, y=3y=3. So one direction vector for the line x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4 is d1=<3−2 , 3−2 , 2−0>=<1,1,2>\mathbf{d}_1=\left<3-2\,,\,3-2\,,\,2-0 \right> = \left< 1,1,2\right>.

  • A second way to get a direction vector for the line x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4 is to observe that <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> is normal to x+y−z=4x+y-z=4 and so is perpendicular to the line and <2,0,−1>\left< 2,0,-1\right> is normal to 2x−z=42x-z=4 and so is also perpendicular to the line. So <1,1,−1>×<2,0,−1>\left< 1,1,-1\right>\times\left< 2,0,-1\right> is a direction vector for the line.

  • A direction vector for the line r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right> is d2=r′(t)=<1,2,3>\mathbf{d}_2=\mathbf{r}'(t)=\left< 1,2,3\right>.

  • So

n=d2×d1=det⁡[ı^ȷ^k^123112]=ı^+ȷ^−k^\mathbf{n}=\mathbf{d}_2\times\mathbf{d}_1 =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 2 & 3 \\ 1 & 1 & 2 \end{matrix}\right] = \hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

is perpendicular to both lines.

The distance between the two lines is then

∣v∣cos⁡θ=∣v⋅n∣∣n∣=<2,3,−1>⋅<1,1,−1>∣<1,1,−1>∣=63=23|\mathbf{v}|\cos\theta = \frac{|\mathbf{v}\cdot\mathbf{n}|}{|\mathbf{n}|} =\frac{\left< 2,3,-1\right> \cdot\left< 1,1,-1\right>}{|\left< 1,1,-1\right>|} =\frac{6}{\sqrt{3}} =2\sqrt{3}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 23번
# 벡터함수의 미분과 적분계산도전자동 분류
654.CLP-3 · 1.7절 · 6번대학 수준우리말 번역

f(x,y)=e−x2+4y2f(x, y) = e^{-x^2 +4y^2} 의 “등고선 지도”를 그리되, 나타나는 등위곡선의 종류를 모두 보이세요.

영어 원문 보기

Draw a “contour map” of f(x,y)=e−x2+4y2f(x, y) = e^{-x^2 +4y^2} , showing all types of level curves that occur.

정답·풀이 보기

임의의 상수 CC 에 대해 곡선 −x2+4y2=C-x^2+4y^2=C 는 등위곡선 f=eCf=e^C 임에 주목하자.

  • C=0C=0 이면 −x2+4y2=C=0-x^2+4y^2=C=0 은 두 직선 y=±x2y=\pm\frac{x}{2} 이다.
  • C>0C>0 이면 −x2+4y2=C>0-x^2+4y^2=C>0 은 쌍곡선 y=±12C+x2y=\pm\frac{1}{2}\sqrt{C+x^2} 이다.
  • C<0C<0 이면 −x2+4y2=C<0-x^2+4y^2=C<0 은 쌍곡선 x=±∣C∣+4y2x=\pm\sqrt{|C|+4y^2} 이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Observe that, for any constant CC, the curve −x2+4y2=C-x^2+4y^2=C is the level curve f=eCf=e^C.

  • If C=0C=0, then −x2+4y2=C=0-x^2+4y^2=C=0 is the pair of lines y=±x2y=\pm\frac{x}{2}.
  • If C>0C>0, then −x2+4y2=C>0-x^2+4y^2=C>0 is the hyperbola y=±12C+x2y=\pm\frac{1}{2}\sqrt{C+x^2}.
  • If C<0C<0, then −x2+4y2=C<0-x^2+4y^2=C<0 is the hyperbola x=±∣C∣+4y2x=\pm\sqrt{|C|+4y^2}.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 7번
# 이차곡면과 곡면 그리기계산보통자동 분류
655.CLP-3 · 1.7절 · 9번대학 수준우리말 번역

다음 함수의 등위면을 설명하세요.

(a) f(x,y,z)=x2+y2+z2f(x,y,z)=x^2+y^2+z^2 (b) f(x,y,z)=x+2y+3zf(x,y,z)=x+2y+3z (c) f(x,y,z)=x2+y2f(x,y,z)=x^2+y^2

영어 원문 보기

Describe the level surfaces of

(a) f(x,y,z)=x2+y2+z2f(x,y,z)=x^2+y^2+z^2 (b) f(x,y,z)=x+2y+3zf(x,y,z)=x+2y+3z (c) f(x,y,z)=x2+y2f(x,y,z)=x^2+y^2

정답·풀이 보기

(a) c>0c>0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, 즉 x2+y2+z2=cx^2+y^2+z^2=c 는 원점을 중심으로 하고 반지름이 c\sqrt{c} 인 구이다. c=0c=0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c 는 원점 하나뿐이다. c<0c<0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c 를 만족시키는 (x,y,z)(x,y,z) 는 없다.

(b) f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, 즉 x+2y+3z=cx+2y+3z=c 는 (1,2,3)(1,2,3) 에 수직이고 (c,0,0)(c,0,0) 을 지나는 평면이다.

(c) c>0c>0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, 즉 x2+y2=cx^2+y^2=c 는 zz 축에 평행한 원기둥이고, 그 단면은 xyxy 평면에 평행하며 zz 축 위에 중심이 있는 반지름이 c\sqrt{c} 인 원이다. c=0c=0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c 는 zz 축이다. c<0c<0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c 를 만족시키는 (x,y,z)(x,y,z) 는 없다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If c>0c>0, f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, i.e. x2+y2+z2=cx^2+y^2+z^2=c, is the sphere of radius c\sqrt{c} centered at the origin. If c=0c=0, f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c is just the origin. If c<0c<0, no (x,y,z)(x,y,z) satisfies f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c.

(b) f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, i.e. x+2y+3z=cx+2y+3z=c, is the plane normal to (1,2,3)(1,2,3) passing through (c,0,0)(c,0,0).

(c) If c>0c>0, f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, i.e. x2+y2=cx^2+y^2=c, is the cylinder parallel to the zz-axis whose cross-section is a circle of radius c\sqrt{c} that is parallel to the xyxy-plane and is centered on the zz-axis. If c=0c=0, f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c is the zz-axis. If c<0c<0, no (x,y,z)(x,y,z) satisfies f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.6절 · 13번
# 이차곡면과 곡면 그리기계산보통자동 분류
656.CLP-4 · 1.1절 · 15번대학 수준우리말 번역

다음 매개변수 곡선의 길이를 구하세요.

x=acos⁡tsin⁡ty=asin⁡2tz=btx=a\cos t\sin t\qquad y=a\sin^2 t\qquad z=bt

단, t=0t=0 에서 t=T>0t=T>0 까지입니다.

영어 원문 보기

Find the length of the parametric curve

x=acos⁡tsin⁡ty=asin⁡2tz=btx=a\cos t\sin t\qquad y=a\sin^2 t\qquad z=bt

between t=0t=0 and t=T>0t=T>0.

정답·풀이 보기

다음이 성립하므로

x′(t)=a[cos⁡2t−sin⁡2t]=acos⁡2ty′(t)=2asin⁡tcos⁡t=asin⁡2tz′(t)=b\begin{aligned} x'(t)&=a\big[\cos^2 t-\sin^2 t\big]=a\cos 2t\\ y'(t)&=2a\sin t\cos t=a\sin 2t\\ z'(t)&=b \end{aligned}

다음을 얻는다.

dsdt(t)=x′(t)2+y′(t)2+z′(t)2=a2+b2\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) =\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2+z'(t)^2}=\sqrt{a^2+b^2}

속력 dsdt(t)\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) 가 상수이므로, 곡선의 길이는 dsdt T=a2+b2 T\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\,T=\sqrt{a^2+b^2}\,T 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since

x′(t)=a[cos⁡2t−sin⁡2t]=acos⁡2ty′(t)=2asin⁡tcos⁡t=asin⁡2tz′(t)=b\begin{aligned} x'(t)&=a\big[\cos^2 t-\sin^2 t\big]=a\cos 2t\\ y'(t)&=2a\sin t\cos t=a\sin 2t\\ z'(t)&=b \end{aligned}

we have

dsdt(t)=x′(t)2+y′(t)2+z′(t)2=a2+b2\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) =\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2+z'(t)^2}=\sqrt{a^2+b^2}

As the speed dsdt(t)\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) is constant, the length is just dsdt T=a2+b2 T\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\,T=\sqrt{a^2+b^2}\,T.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 19번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
657.CLP-4 · 1.1절 · 19번대학 수준우리말 번역

평면  z=2x+3y \ z=2x+3y\ 이 원기둥  x2+y2=9 \ x^2+y^2=9\ 와 만나서 타원을 이룹니다.

(a) 이 타원의 매개변수 표현을 구하세요. (b) 이 타원의 둘레를 적분으로 나타내세요. 적분을 계산할 필요는 없습니다. (여기에 나오는 부정적분은 타원의 호의 길이와 관련되어 있어서 타원 적분이라고 불리는 적분들 중 하나입니다. 일반적으로 타원 적분은 초등함수로 나타낼 수 없습니다. 즐겨 쓰는 검색 엔진으로 타원 적분에 관한 설명을 쉽게 찾아볼 수 있습니다.)

영어 원문 보기

The plane  z=2x+3y \ z=2x+3y\ intersects the cylinder  x2+y2=9 \ x^2+y^2=9\ in an ellipse.

(a) Find a parametrization of the ellipse. (b) Express the circumference of this ellipse as an integral. You need not evaluate the integral (The indefinite integral involved is one of a class of integrals called elliptic integrals because of their connections to arc lengths of ellipses. In general, elliptic integrals cannot be expressed in terms of elementary functions. You can easily find discussions of elliptic integrals using your favourite search engine.).

정답·풀이 보기

(a) 원  x2+y2=9 \ x^2+y^2=9\ 는 x(θ)=3cos⁡θx(\theta)=3\cos\theta, y(θ)=3sin⁡θy(\theta)=3\sin\theta 로 매개변수 표현할 수 있고, 이때 θ\theta 는 00 부터 2π2\pi 까지 변한다. z=2x+3yz=2x+3y 이므로 타원은 다음과 같이 매개변수 표현할 수 있다.

x(θ)=3cos⁡θ, y(θ)=3sin⁡θ, z(θ)=2x(θ)+3y(θ)=6cos⁡θ+9sin⁡θ, 0≤θ≤2πx(\theta)=3\cos\theta,\ y(\theta)=3\sin\theta,\ z(\theta)=2x(\theta)+3 y(\theta) =6\cos\theta+9\sin\theta,\ 0\le\theta\le 2\pi

(b) 다음이 성립하므로

dsdθ=x′(θ)2+y′(θ)2+z′(θ)2=9sin⁡2θ+9cos⁡2θ+36sin⁡2θ+81cos⁡2θ−108sin⁡θcos⁡θ=45+45cos⁡2θ−108sin⁡θcos⁡θ\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta} &=\sqrt{x'(\theta)^2+y'(\theta)^2+z'(\theta)^2}\\ &=\sqrt{9\sin^2\theta+9\cos^2\theta+36\sin^2\theta +81\cos^2\theta-108\sin\theta\cos\theta}\\ &=\sqrt{45+45\cos^2\theta-108\sin\theta\cos\theta} \end{aligned}

타원의 둘레는 다음과 같다.

s=∫02π45+45cos⁡2θ−108sin⁡θcos⁡θ dθs=\int_0^{2\pi} \sqrt{45+45\cos^2\theta-108\sin\theta\cos\theta}\,\mathrm{d}\theta

원본 교재 풀이(영어)

(a) We can parametrize the circle  x2+y2=9 \ x^2+y^2=9\ as x(θ)=3cos⁡θx(\theta)=3\cos\theta, y(θ)=3sin⁡θy(\theta)=3\sin\theta with θ\theta running from 00 to 2π2\pi. As z=2x+3yz=2x+3y, the ellipse can be parametrized by

x(θ)=3cos⁡θ, y(θ)=3sin⁡θ, z(θ)=2x(θ)+3y(θ)=6cos⁡θ+9sin⁡θ, 0≤θ≤2πx(\theta)=3\cos\theta,\ y(\theta)=3\sin\theta,\ z(\theta)=2x(\theta)+3 y(\theta) =6\cos\theta+9\sin\theta,\ 0\le\theta\le 2\pi

(b) As

dsdθ=x′(θ)2+y′(θ)2+z′(θ)2=9sin⁡2θ+9cos⁡2θ+36sin⁡2θ+81cos⁡2θ−108sin⁡θcos⁡θ=45+45cos⁡2θ−108sin⁡θcos⁡θ\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta} &=\sqrt{x'(\theta)^2+y'(\theta)^2+z'(\theta)^2}\\ &=\sqrt{9\sin^2\theta+9\cos^2\theta+36\sin^2\theta +81\cos^2\theta-108\sin\theta\cos\theta}\\ &=\sqrt{45+45\cos^2\theta-108\sin\theta\cos\theta} \end{aligned}

the circumference is

s=∫02π45+45cos⁡2θ−108sin⁡θcos⁡θ dθs=\int_0^{2\pi} \sqrt{45+45\cos^2\theta-108\sin\theta\cos\theta}\,\mathrm{d}\theta

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 29번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
658.CLP-4 · 1.1절 · 20번대학 수준우리말 번역

곡선

r(t)=13cos⁡3t ı^+13sin⁡3t ȷ^+sin⁡3t k^\mathbf{r}(t) = \frac{1}{3}\cos^3 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\frac{1}{3} \sin^3 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \sin^3 t\,\hat{\mathbf{k}}

을 생각하세요.

(a) t=0t = 0 에서 t=π2t = \frac{\pi}{2} 까지 곡선의 길이를 구하세요. (b) t=0t = 0 에서 t=πt = \pi 까지 곡선의 길이를 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the curve

r(t)=13cos⁡3t ı^+13sin⁡3t ȷ^+sin⁡3t k^\mathbf{r}(t) = \frac{1}{3}\cos^3 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\frac{1}{3} \sin^3 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \sin^3 t\,\hat{\mathbf{k}}

(a) Compute the arc length of the curve from t=0t = 0 to t=π2t = \frac{\pi}{2}. (b) Compute the arc length of the curve from t=0t = 0 to t=πt = \pi.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) r′(t)=−sin⁡tcos⁡2t ı^+sin⁡2tcos⁡t ı^+3sin⁡2tcos⁡t k^=sin⁡tcos⁡t(−cos⁡t ı^+sin⁡t ȷ^+3sin⁡t k^)dsdt(t)=∣sin⁡tcos⁡t∣cos⁡2t+sin⁡2t+9sin⁡2t=∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) & = -\sin t\cos^2 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin^2 t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 3\sin^2 t\cos t\,\hat{\mathbf{k}} = \sin t\cos t\big(-\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3\sin t\,\hat{\mathbf{k}}\big) \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) & = |\sin t\cos t|\sqrt{\cos^2 t + \sin ^2 t + 9\sin^2 t} = |\sin t\cos t|\sqrt{1+ 9\sin^2 t} \end{aligned}

이므로 t=0t = 0 에서 t=π2t = \frac{\pi}{2} 까지 곡선의 길이는

∫0π/2dsdt(t) dt=∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt=118∫110u du여기서 u=1+9sin⁡2t, du=18sin⁡tcos⁡t dt=118[23u3/2]110=127(1010−1)\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{18}\int_1^{10} \sqrt{u}\ \mathrm{d}u \qquad \text{여기서 } u = 1+ 9\sin^2 t,\ \mathrm{d}u = 18\sin t\cos t\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{18}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_1^{10}\\ &=\frac{1}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big) \end{aligned}

이다.

(b) t=0t = 0 에서 t=πt = \pi 까지 곡선의 길이는

∫0πdsdt(t) dt=∫0π∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dt절댓값 기호를 잊지 말 것!=2∫0π/2∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dt=2∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt\begin{aligned} \int_0^{\pi} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \qquad\text{절댓값 기호를 잊지 말 것!}\\ &=2\int_0^{\pi/2} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t = 2\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \end{aligned}

이다. 피적분함수가 t→π−tt\rightarrow\pi-t 에 대해 변하지 않기 때문이다. 따라서 t=0t = 0 에서 t=πt = \pi 까지 곡선의 길이는 (a)에서 구한 곡선의 길이의 두 배, 즉 227(1010−1)\frac{2}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) As

r′(t)=−sin⁡tcos⁡2t ı^+sin⁡2tcos⁡t ı^+3sin⁡2tcos⁡t k^=sin⁡tcos⁡t(−cos⁡t ı^+sin⁡t ȷ^+3sin⁡t k^)dsdt(t)=∣sin⁡tcos⁡t∣cos⁡2t+sin⁡2t+9sin⁡2t=∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) & = -\sin t\cos^2 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin^2 t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 3\sin^2 t\cos t\,\hat{\mathbf{k}} = \sin t\cos t\big(-\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3\sin t\,\hat{\mathbf{k}}\big) \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) & = |\sin t\cos t|\sqrt{\cos^2 t + \sin ^2 t + 9\sin^2 t} = |\sin t\cos t|\sqrt{1+ 9\sin^2 t} \end{aligned}

the arclength from t=0t = 0 to t=π2t = \frac{\pi}{2} is

∫0π/2dsdt(t) dt=∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt=118∫110u duwith u=1+9sin⁡2t, du=18sin⁡tcos⁡t dt=118[23u3/2]110=127(1010−1)\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{18}\int_1^{10} \sqrt{u}\ \mathrm{d}u \qquad \text{with } u = 1+ 9\sin^2 t,\ \mathrm{d}u = 18\sin t\cos t\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{18}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_1^{10}\\ &=\frac{1}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big) \end{aligned}

(b) The arclength from t=0t = 0 to t=πt = \pi is

∫0πdsdt(t) dt=∫0π∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dtDon’t forget the absolute value signs!=2∫0π/2∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dt=2∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt\begin{aligned} \int_0^{\pi} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \qquad\text{Don't forget the absolute value signs!}\\ &=2\int_0^{\pi/2} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t = 2\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \end{aligned}

since the integrand is invariant under t→π−tt\rightarrow\pi-t. So the arc length from t=0t = 0 to t=πt = \pi is just twice the arc length from part (a), namely 227(1010−1)\frac{2}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.2절 · 29번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
659.CLP-4 · 1.1절 · 21번대학 수준우리말 번역

r(t)=(13t3,12t2,12t)\mathbf{r}(t)=\big(\frac{1}{3}t^3,\frac{1}{2}t^2,\frac{1}{2}t\big), t≥0t\ge 0 라 하자. 시각 tt 까지의 곡선의 길이 s(ts(t)를 구하세요.

영어 원문 보기

Let r(t)=(13t3,12t2,12t)\mathbf{r}(t)=\big(\frac{1}{3}t^3,\frac{1}{2}t^2,\frac{1}{2}t\big), t≥0t\ge 0. Compute s(ts(t), the arclength of the curve at time tt.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

r(t)=t33 ı^+t22 ȷ^+t2 k^r′(t)=t2 ı^+t ȷ^+12 k^dsdt(t)=∣r′(t)∣=t4+t2+14=(t2+12)2=t2+12\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= \frac{t^3}{3}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{t}{2}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(t)&= t^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{r}'(t)|&=\sqrt{t^4+t^2+\frac{1}{4}} =\sqrt{\Big(t^2+\frac{1}{2}\Big)^2}=t^2+\frac{1}{2} \end{aligned}

이므로 곡선의 길이는

s(t)=∫0tdsdt(u) du=∫0t(u2+12) du=t33+t2\begin{aligned} s(t)=\int_0^t \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(u)\,\mathrm{d}u =\int_0^t \Big(u^2+\frac{1}{2}\Big)\,\mathrm{d}u =\frac{t^3}{3} +\frac{t}{2} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since

r(t)=t33 ı^+t22 ȷ^+t2 k^r′(t)=t2 ı^+t ȷ^+12 k^dsdt(t)=∣r′(t)∣=t4+t2+14=(t2+12)2=t2+12\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= \frac{t^3}{3}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{t}{2}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(t)&= t^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{r}'(t)|&=\sqrt{t^4+t^2+\frac{1}{4}} =\sqrt{\Big(t^2+\frac{1}{2}\Big)^2}=t^2+\frac{1}{2} \end{aligned}

the length of the curve is

s(t)=∫0tdsdt(u) du=∫0t(u2+12) du=t33+t2\begin{aligned} s(t)=\int_0^t \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(u)\,\mathrm{d}u =\int_0^t \Big(u^2+\frac{1}{2}\Big)\,\mathrm{d}u =\frac{t^3}{3} +\frac{t}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 20번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
660.CLP-4 · 1.1절 · 22번대학 수준우리말 번역

곡선 r(t)=(tm , tm , t3m/2)\mathbf{r}(t) = \big(t^m\,,\, t^m\,,\, t^{3m/2}\big) (0≤a≤t≤b0 \le a \le t \le b, 단 m>0m > 0) 의 곡선의 길이를 구하세요. 결과를 mm, aa, bb 로 나타내세요.

영어 원문 보기

Find the arc length of the curve r(t)=(tm , tm , t3m/2)\mathbf{r}(t) = \big(t^m\,,\, t^m\,,\, t^{3m/2}\big) for 0≤a≤t≤b0 \le a \le t \le b, and where m>0m > 0. Express your result in terms of mm, aa, and bb.

정답·풀이 보기

r(t)=tm ı^+tm ȷ^+t3m/2 k^r′(t)=mtm−1 ı^+mtm−1 ȷ^+3m2t3m/2−1 k^dsdt=∣r′(t)∣=2m2t2m−2+9m24t3m−2=mtm−12+94tm\begin{aligned} \mathbf{r}(t) & = t^m\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t^m\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + t^{3m/2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \mathbf{r}'(t) &= mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\frac{3m}{2}t^{3m/2-1}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} = |\mathbf{r}'(t)| & = \sqrt{ 2m^2 t^{2m-2} +\frac{9m^2}{4} t^{3m-2} } = mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m } \end{aligned}

이므로 곡선의 길이는 다음과 같다.

∫abdsdt(t) dt=∫abmtm−12+94tm dt=49∫2+94am2+94bmu du단, u=2+94tm, du=9m4tm−1=49[23u3/2]2+94am2+94bm=827[(2+94bm)3/2−(2+94am)3/2]\begin{aligned} \int_a^b \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_a^b mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m }\ \mathrm{d}t \\ &=\frac{4}{9}\int_{2 + \frac{9}{4}a^m}^{2 + \frac{9}{4}b^m}\sqrt{u}\,\mathrm{d}u \qquad\text{단, } u = 2 + \frac{9}{4}t^m,\ \mathrm{d}u = \frac{9m}{4}t^{m-1}\\ &=\frac{4}{9}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_{2 + \frac{9}{4}a^m} ^{2 + \frac{9}{4}b^m} \\ &=\frac{8}{27}\Big[\Big(2 + \frac{9}{4}b^m\Big)^{3/2} -\Big(2 + \frac{9}{4}a^m\Big)^{3/2}\Big] \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Since

r(t)=tm ı^+tm ȷ^+t3m/2 k^r′(t)=mtm−1 ı^+mtm−1 ȷ^+3m2t3m/2−1 k^dsdt=∣r′(t)∣=2m2t2m−2+9m24t3m−2=mtm−12+94tm\begin{aligned} \mathbf{r}(t) & = t^m\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t^m\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + t^{3m/2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \mathbf{r}'(t) &= mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\frac{3m}{2}t^{3m/2-1}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} = |\mathbf{r}'(t)| & = \sqrt{ 2m^2 t^{2m-2} +\frac{9m^2}{4} t^{3m-2} } = mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m } \end{aligned}

the arc length is

∫abdsdt(t) dt=∫abmtm−12+94tm dt=49∫2+94am2+94bmu duwith u=2+94tm, du=9m4tm−1=49[23u3/2]2+94am2+94bm=827[(2+94bm)3/2−(2+94am)3/2]\begin{aligned} \int_a^b \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_a^b mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m }\ \mathrm{d}t \\ &=\frac{4}{9}\int_{2 + \frac{9}{4}a^m}^{2 + \frac{9}{4}b^m}\sqrt{u}\,\mathrm{d}u \qquad\text{with } u = 2 + \frac{9}{4}t^m,\ \mathrm{d}u = \frac{9m}{4}t^{m-1}\\ &=\frac{4}{9}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_{2 + \frac{9}{4}a^m} ^{2 + \frac{9}{4}b^m} \\ &=\frac{8}{27}\Big[\Big(2 + \frac{9}{4}b^m\Big)^{3/2} -\Big(2 + \frac{9}{4}a^m\Big)^{3/2}\Big] \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 11.2절 · 3번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)