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벡터와 공간 전체 문제

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675문제 · 34 / 34쪽

661.CLP-4 · 1.1절 · 30번대학 수준우리말 번역

전체 길이가 1000cm인 철사를 원형 나선 모양의 유연한 코일로 만들었습니다. 높이 1 cm마다 10번씩 감겨 있고 나선의 반지름이 3 cm일 때, 코일의 높이는 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

A wire of total length 1000cm is formed into a flexible coil that is a circular helix. If there are 10 turns to each centimetre of height and the radius of the helix is 3 cm, how tall is the coil?

정답·풀이 보기

일반적으로 나선은 다음과 같이 매개변수로 나타낼 수 있다.

r(θ)=acos⁡θ ı^+asin⁡θ ȷ^+bθ k^\mathbf{r}(\theta)=a\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+b\theta\,\hat{\mathbf{k}}

먼저 aa와 bb를 구해야 한다. 나선의 반지름이 33 cm이므로 a=3a=3 cm이다. 10번 감긴 후(즉 θ=20π\theta=20\pi) 높이 bθb\theta는 1 cm이다. 따라서 b(20π)=1b(20\pi)=1이고 b=120πb=\frac{1}{20\pi}cm/rad이다. 그러므로 r(θ)=3cos⁡θ ı^+3sin⁡θ ȷ^+120πθk^\mathbf{r}(\theta)=3\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{20\pi}\theta\hat{\mathbf{k}}이다.

나선이 한 바퀴 감길 때마다(즉 θ\theta가 2π2\pi만큼 증가할 때마다) 나선의 높이는 2πb=110cm2\pi b=\frac{1}{10}\textrm{cm}만큼 증가한다. 따라서 나선 한 바퀴에 들어가는 철사의 길이를 구하면, 나선이 모두 몇 바퀴 감기는지 쉽게 구할 수 있고, 이로부터 나선의 전체 높이를 구할 수 있다.

r′(θ)=−3sin⁡θ ı^+3cos⁡θ ȷ^+120πk^\mathbf{r}'(\theta)=-3\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{20\pi}\hat{\mathbf{k}}이므로 dsdθ=∣r′(θ)∣=9+1400π2\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}=\big|\mathbf{r}'(\theta)\big|=\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}이다. 따라서 나선 한 바퀴의 길이는

∫02π9+1400π2 dθ=2π9+1400π2\begin{aligned} \int_0^{2\pi}\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}\ \mathrm{d}\theta &=2\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}} \end{aligned}

이고, 1000cm의 철사로는

10002π9+1400π2=500π9+1400π2\frac{1000}{2\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}} =\frac{500}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}}

바퀴를 만들 수 있다. 한 바퀴마다 높이가 110cm\frac{1}{10}\textrm{cm}씩 늘어나므로 전체 높이는

500π9+1400π2⋅110=50π9+1400π2≈5.3 cm\frac{500}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}}\cdot \frac{1}{10} =\frac{50}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}} \approx 5.3\textrm{ cm}

이다.

참고. 각 바퀴가 늘리는 높이는 (반지름에 비해) 매우 작다는 점을 이용하면 이 답이 타당한지 확인할 수 있다. 따라서 한 바퀴의 길이는 반지름이 같은 원의 둘레, 즉 6π6\pi와 거의 같을 것으로 예상된다. 철사로 실제 원을 만든다면 10006π\frac{1000}{6\pi}개를 만들 수 있다. 1 cm당 10개씩 쌓으면 높이는 10006π⋅10\frac{1000}{6\pi\cdot 10}cm가 된다. 이 값도 약 5.35.3cm이므로 우리가 구한 결과가 타당하다고 할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

In general a helix can be parametrized by

r(θ)=acos⁡θ ı^+asin⁡θ ȷ^+bθ k^\mathbf{r}(\theta)=a\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+b\theta\,\hat{\mathbf{k}}

Our first task is to determine aa and bb. The radius of the helix is 33 cm, so a=3a=3 cm. After 10 turns (i.e. θ=20π\theta=20\pi) the height, bθb\theta, is 1 cm. So b(20π)=1b(20\pi)=1 and b=120πb=\frac{1}{20\pi}cm/rad. Thus r(θ)=3cos⁡θ ı^+3sin⁡θ ȷ^+120πθk^\mathbf{r}(\theta)=3\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{20\pi}\theta\hat{\mathbf{k}}.

With each full turn of the helix (i.e. each increase of θ\theta by 2π2\pi) the height of the helix increases by 2πb=110cm2\pi b=\frac{1}{10}\textrm{cm}. So if we can determine the length of wire in one full turn of the helix, we can easily determine how many turns the helix goes through in total, and from that we can determine the total height of the helix.

As r′(θ)=−3sin⁡θ ı^+3cos⁡θ ȷ^+120πk^\mathbf{r}'(\theta)=-3\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{20\pi}\hat{\mathbf{k}} we have dsdθ=∣r′(θ)∣=9+1400π2\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}=\big|\mathbf{r}'(\theta)\big|=\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}. So the length of one full turn of the helix is

∫02π9+1400π2 dθ=2π9+1400π2\begin{aligned} \int_0^{2\pi}\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}\ \mathrm{d}\theta &=2\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}} \end{aligned}

and 1000cm of wire generates

10002π9+1400π2=500π9+1400π2\frac{1000}{2\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}} =\frac{500}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}}

turns. Each turn adds 110cm\frac{1}{10}\textrm{cm} to the height, so the total height is

500π9+1400π2⋅110=50π9+1400π2≈5.3 cm\frac{500}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}}\cdot \frac{1}{10} =\frac{50}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}} \approx 5.3\textrm{ cm}

Remark. We can check that this answer is reasonable by taking advantage of the fact that each coil adds only a very small height (relative to the radius). So we expect the length of one coil to be about the same as the circumference of a circle of the same radius, namely 6π6\pi. If we were making actual circles of the wire, there would be 10006π\frac{1000}{6\pi} of them. Stacking up at 10 per centimetre, this would make a pile of height 10006π⋅10\frac{1000}{6\pi\cdot 10}cm. Since this number is also approximately 5.35.3cm, we feel our result is reasonable.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 26번
# 벡터함수의 미분과 적분계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
662.CLP-4 · 1.2절 · 2번대학 수준우리말 번역

함수 r(s)=sin⁡(s+12)ı^+cos⁡(s+12)ȷ^+32(s+1)k^\mathbf{r}(s)=\sin\left(\frac{s+1}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\cos\left(\frac{s+1}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{\sqrt3}{2}(s+1)\hat{\mathbf{k}} 는 점 PP 에서 시작하여 호의 길이로 매개화되어 있다. PP 는 어디인지 구하세요.

영어 원문 보기

The function r(s)=sin⁡(s+12)ı^+cos⁡(s+12)ȷ^+32(s+1)k^\mathbf{r}(s)=\sin\left(\frac{s+1}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\cos\left(\frac{s+1}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{\sqrt3}{2}(s+1)\hat{\mathbf{k}} is parametrized in terms of arclength, starting from the point PP. What is PP?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

PP 에서 PP 까지의 호의 길이는 0이므로, PP 는 s=0s=0 인 점이다. 즉, r(0)\mathbf{r}(0), 곧 (sin⁡(1/2),cos⁡(1/2),3/2)\left( \sin(1/2),\cos(1/2),\sqrt{3}/2\right) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The arclength from PP to PP will be 0, so PP is the point where s=0s=0. That is, r(0)\mathbf{r}(0), or (sin⁡(1/2),cos⁡(1/2),3/2)\left( \sin(1/2),\cos(1/2),\sqrt{3}/2\right).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 40번
# 호의 길이와 곡률계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
663.CLP-4 · 1.2절 · 3번대학 수준우리말 번역

곡선 R=a(t)\mathbf{R}=\mathbf{a}(t) 를 호의 길이로 다시 매개변수화하여 R=b(s)=a(t(s))\mathbf{R}=\mathbf{b}(s)=\mathbf{a}(t(s)) 로 나타냈습니다. t(s0)=t0t(s_0)=t_0 일 때, 다음 보기 중 벡터 a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) 와 b′(s0)\mathbf{b}'(s_0) 사이의 관계를 가장 잘 설명하는 것은 무엇인지 고르세요.

모든 t,s≥0t,s\ge0 에 대해 a′(t)\mathbf{a}'(t) 와 b′(s)\mathbf{b}'(s) 가 존재하고 영벡터가 아니라고 가정해도 됩니다.

A. 두 벡터는 평행하고 같은 방향을 향한다 B. 두 벡터는 평행하고 반대 방향을 향한다 C. 두 벡터는 수직이다 D. 두 벡터는 크기가 같다 E. 두 벡터는 서로 같다

영어 원문 보기

A curve R=a(t)\mathbf{R}=\mathbf{a}(t) is reparametrized in terms of arclength as R=b(s)=a(t(s))\mathbf{R}=\mathbf{b}(s)=\mathbf{a}(t(s)). Of the following options, which best describes the relationship between the vectors a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) and b′(s0)\mathbf{b}'(s_0), where t(s0)=t0t(s_0)=t_0?

You may assume a′(t)\mathbf{a}'(t) and b′(s)\mathbf{b}'(s) exist and are nonzero for all t,s≥0t,s\ge0.

A. they are parallel and point in the same direction B. they are parallel and point in opposite directions C. they are perpendicular D. they have the same magnitude E. they are equal

정답·풀이 보기
  • 풀이 1: 상황을 기하학적으로 살펴보자. R\mathbf{R} 을 (해당 차원의) 공간에 그리면, 매개변수화 방법에 관계없이 한 점에서의 미분계수는 R\mathbf{R} 에 접하는 벡터를 주며, 이 벡터는 매개변수가 증가할 때 곡선이 움직이는 방향을 향한다. a(t0)\mathbf{a}(t_0) 와 b(s0)\mathbf{b}(s_0) 는 곡선 위의 같은 점을 나타내므로 a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) 와 b′(s0)\mathbf{b}'(s_0) 는 평행하다. (미분계수가 영벡터가 아니라고 정했으므로, 영벡터와 평행한지를 따지는 번거로움은 없다.) 두 벡터는 모두 곡선의 같은 부분에 접한다. 또한 tt 가 증가하면 ss 도 증가하므로, tt 가 증가하는 방향은 ss 가 증가하는 방향과 같다. 따라서 A가 성립한다.

그림

이제 E를 제외하기 위해 두 벡터의 크기를 살펴보자. ∣a′(t)∣|\mathbf{a}'(t)| 는 tt 에 대해 곡선이 변하는 속력이며, 이는 (음이 아닌) 어떤 수도 될 수 있다. 마찬가지로 ∣b′(s)∣=1 |\mathbf{b}'(s)|=1 이다. 따라서 b′(s0)\mathbf{b}'(s_0) 는 단위벡터이지만 a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) 는 단위벡터일 수도, 아닐 수도 있다. 그러므로 두 벡터가 반드시 같은 것은 아니다. (같을 수는 있다.)

따라서 가장 알맞은 답은 A이다.

  • 풀이 2: 합성함수의 미분법으로 b′(s)\mathbf{b}'(s) 와 a′(t)\mathbf{a}'(t) 사이의 관계를 얻는다.

dbds=dds[a(t(s))]=dadt dtds\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}\mathbf{b}}{\mathrm{d}s}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}s}[\mathbf{a}(t(s))]=\frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}\,\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s} \end{aligned}

따라서 벡터 dbds\frac{\mathrm{d}\mathbf{b}}{\mathrm{d}s} 와 dadt\frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t} 는 스칼라 함수 dtds\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s} 만큼만 차이가 난다. 그러므로 곡선 위의 어느 점에서든 이 두 벡터는 평행하다.

또한 tt 와 ss 는 양의 상관관계에 있다. tt 가 증가하면 호의 길이가 더 늘어나므로 ss 도 증가한다. 따라서 dtds\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s} 는 음이 아니다. 게다가 미분계수가 영벡터가 아니므로 dtds\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s} 는 0이 아니다. 그러므로 b′(s0)\mathbf{b}'(s_0) 와 a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) 는 서로 양의 스칼라 배수이다. 즉, 두 벡터는 평행하고 같은 방향을 향한다. 그러나 dtds=1\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s}=1 (즉, 어떤 상수 CC 에 대해 t(s)=s+Ct(s)=s+C) 이 아닌 한 두 벡터의 크기는 같지 않으며, 따라서 서로 같지 않다.

따라서 가장 알맞은 답은 A이다.

원본 교재 풀이(영어)
  • Solution 1: We consider the situation geometrically. If we plot R\mathbf{R} in space (of the relevant dimension), regardless of its parametrization, the derivative at a point will give a vector tangent to R\mathbf{R}, in the direction the curve moves when the parameter is increasing. Since a(t0)\mathbf{a}(t_0) and b(s0)\mathbf{b}(s_0) describe the same spot on the curve, a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) and b′(s0)\mathbf{b}'(s_0) will be parallel (Since we specified the derivatives are nonzero, there's no messiness about vectors being parallel to a zero vector.) — they're both tangent to the same piece of curve. Furthermore, as tt increases, so does ss, so the direction of increasing tt is the same as the direction of increasing ss. Therefore, A. holds.

figure

Now we consider the magnitudes of the vectors, to rule out E. Recall ∣a′(t)∣|\mathbf{a}'(t)| is the speed at which the curve changes relative to tt; this could be any (nonnegative) number. By the same token, ∣b′(s)∣=1 |\mathbf{b}'(s)|=1. So, b′(s0)\mathbf{b}'(s_0) is a unit vector, while a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) may or may not be. Then the two vectors are not necessarily equal (although they could be).

So, the best answer is A.

  • Solution 2: The chain rule gives us a relationship between b′(s)\mathbf{b}'(s) and a′(t)\mathbf{a}'(t).

dbds=dds[a(t(s))]=dadt dtds\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}\mathbf{b}}{\mathrm{d}s}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}s}[\mathbf{a}(t(s))]=\frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}\,\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s} \end{aligned}

So, the vectors dbds\frac{\mathrm{d}\mathbf{b}}{\mathrm{d}s} and dadt\frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t} differ only by the scalar function dtds\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s}. So, at any point along the curve, these vectors are parallel.

Furthermore, we know that tt and ss are positively correlated: as tt increases, so does ss, because we're covering more arclength. So, dtds\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s} is nonnegative. Furthermore, since the derivatives are nonzero, dtds\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s} is nonzero. So, b′(s0)\mathbf{b}'(s_0) and a′(t0)\mathbf{a}'(t_0) are positive scalar multiples of each other. That is, they are parallel, and pointing in the same direction. However, unless dtds=1\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}s}=1 (that is, t(s)=s+Ct(s)=s+C for some constant CC), the vectors do not have the same magnitude, and hence are not equal.

So, A is the best solution.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 42번
# 호의 길이와 곡률계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
664.CLP-4 · 1.2절 · 6번대학 수준우리말 번역

다음과 같이 정의하세요. r(t)=(11+t2, arctan⁡t1+t−2, arctan⁡t)\mathbf{r}(t)=\left(\frac{1}{\sqrt{1+t^2}},~ \frac{\arctan t}{\sqrt{1+t^{-2}}},~\arctan t\right) 단, 0≤t0 \le t 입니다. z=arctan⁡tz=\arctan t 를 사용하여 이 함수를 다시 매개화하고, 그것이 나타내는 곡선을 설명하세요. 새로운 매개변수 zz 의 기하학적 의미는 무엇인가요?

영어 원문 보기

Define r(t)=(11+t2, arctan⁡t1+t−2, arctan⁡t)\mathbf{r}(t)=\left(\frac{1}{\sqrt{1+t^2}},~ \frac{\arctan t}{\sqrt{1+t^{-2}}},~\arctan t\right) for 0≤t0 \le t. Reparametrize the function using z=arctan⁡tz=\arctan t, and describe the curve it defines. What is the geometric interpretation of the new parameter zz?

정답·풀이 보기

arctan⁡t=z\arctan t = z 이므로 t=tan⁡zt=\tan z 이다.

r(t)=(11+t2, arctan⁡t1+t−2, arctan⁡t)=(11+tan⁡2z, z1+cot⁡2z, z)=(1∣sec⁡z∣, z∣csc⁡z∣, z)=(∣cos⁡z∣, z∣sin⁡z∣, z)0≤t 이고 arctan⁡t<π/2 이므로 0≤z<π/2 이고, 따라서 cos⁡z 와 sin⁡z 는 모두 음이 아니다.=(cos⁡z, zsin⁡z, z)\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=\left(\frac{1}{\sqrt{1+t^2}},~ \frac{\arctan t}{\sqrt{1+t^{-2}}},~\arctan t\right)\\ &=\left(\frac{1}{\sqrt{1+\tan^2z}},~ \frac{z}{\sqrt{1+\cot^{2}z}},~z\right)\\ &=\left(\frac{1}{|\sec z|},~ \frac{z}{|\csc z|},~z\right)\\ &=\left(|\cos z|,~ z|\sin z|,~z\right) \\ \text{$0 \le t $ 이고 $\arctan t < \pi/2$ 이므로 $0 \le z < \pi/2$ 이고, 따라서 $\cos z$ 와 $\sin z$ 는 모두 음이 아니다.} \\ &=\left(\cos z,~ z\sin z,~z\right) \end{aligned}

정의역을 제한하지 않았다면 이 곡선은 위로 올라가는 나선이 된다. zz 는 나선의 높이이면서 동시에 라디안 값이다. 나선의 ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} 성분은 −1-1 과 11 사이에 머무르고, ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} 성분은 증가한다. 따라서 이 나선은 "두께"는 그대로이면서 점점 더 "넓어진다".

그림

정의역이 제한되어 있으므로 실제 곡선은 이 나선의 4분의 1 "바퀴"뿐이며, 위 그림에서 빨간색으로 표시되어 있다.

매개변수 zz 는 높이를 나타내는 값이며, 나선이 돌아가는 동안의 라디안 값이기도 하다.

원본 교재 풀이(영어)

Using arctan⁡t=z\arctan t = z, and so t=tan⁡zt=\tan z:

r(t)=(11+t2, arctan⁡t1+t−2, arctan⁡t)=(11+tan⁡2z, z1+cot⁡2z, z)=(1∣sec⁡z∣, z∣csc⁡z∣, z)=(∣cos⁡z∣, z∣sin⁡z∣, z)Since 0≤t, and arctan⁡t<π/2 we have 0≤z<π/2, so cos⁡z and sin⁡z are both nonnegative.=(cos⁡z, zsin⁡z, z)\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=\left(\frac{1}{\sqrt{1+t^2}},~ \frac{\arctan t}{\sqrt{1+t^{-2}}},~\arctan t\right)\\ &=\left(\frac{1}{\sqrt{1+\tan^2z}},~ \frac{z}{\sqrt{1+\cot^{2}z}},~z\right)\\ &=\left(\frac{1}{|\sec z|},~ \frac{z}{|\csc z|},~z\right)\\ &=\left(|\cos z|,~ z|\sin z|,~z\right) \\ \text{Since $0 \le t $, and $\arctan t < \pi/2$ we have $0 \le z < \pi/2$, so $\cos z$ and $\sin z$ are both nonnegative.} \\ &=\left(\cos z,~ z\sin z,~z\right) \end{aligned}

If we didn't have the restricted domain, this would make a spiral going up: zz is both the height of the spiral and a radian measure. The ı^\hat{\boldsymbol{\imath}}-component of the spiral stays between −1-1 and 11, while the ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}}-component increases. So, our spiral gets increasingly “wide," while staying the same “thickness."

figure

Due to the restricted domain, our actual curve is only one-quarter of a “turn" of this spiral, indicated in red above.

The parameter zz is a measure of height, and it is also a radian measure as the spiral turns.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.2절 · 7번
# 호의 길이와 곡률계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
665.CLP-4 · 1.2절 · 7번대학 수준우리말 번역

함수 r(t)=(12t2,13t3)\mathbf{r}(t)=(\tfrac12 t^2 , \tfrac13 t^3) 을 t=−1t=-1 에서부터 잰 호의 길이에 대해 재매개화하세요.

영어 원문 보기

Reparametrize the function r(t)=(12t2,13t3)\mathbf{r}(t)=(\tfrac12 t^2 , \tfrac13 t^3) in terms of arclength from t=−1t=-1.

정답·풀이 보기

r(t)=(12t2,13t3)r′(t)=(t,t2)∣r′(t)∣=t2+t4=∣t∣1+t2s(t)=∫−1t∣x∣1+x2dx={∫−1t−x1+x2dxt≤0 일 때∫−10−x1+x2dx+∫0tx1+x2dxt>0 일 때u=1+x2, 12du=xdx 로 놓는다.={−∫21+t212udut≤0 일 때−∫2112udu+∫11+t212udut>0 일 때={−13u3/2∣21+t2t≤0 일 때−13u3/2∣21+13u3/2∣11+t2t>0 일 때={23/23−13(1+t2)3/2t≤0 일 때−23+23/23+13(1+t2)3/2t>0 일 때s 에 대해 t 를 풀면:1+t2={(22−3s)2/3t≤0 일 때(3s+2−22)2/3t>0 일 때t2={(22−3s)2/3−1t≤0 일 때(3s+2−22)2/3−1t>0 일 때t2=∣t∣ 임에 유의하면:t={−(22−3s)2/3−1t≤0 일 때(3s+2−22)2/3−1t>0 일 때s=13(22−1) 일 때 t=0 임에 유의하면, (12t2,13t3) 의 재매개화는 다음과 같다.R(s)={(12[(22−3s)2/3−1],−13[(22−3s)2/3−1]3/2)s≤13(22−1) 일 때(12[(3s+2−22)2/3−1],13[(3s+2−22)2/3−1]3/2)s>13(22−1) 일 때\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=(\tfrac12 t^2 , \tfrac13 t^3)\\ \mathbf{r}'(t)&=(t,t^2)\\ |\mathbf{r}'(t)|&=\sqrt{t^2+t^4}=|t|\sqrt{1+t^2}\\ s(t)&=\int_{-1}^t|x|\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x=\begin{cases} \int_{-1}^t -x\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x & t \le 0 \text{ 일 때}\\ \int_{-1}^0 -x\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x +\int_{0}^t x\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x & t > 0 \text{ 일 때}\\ \end{cases} \\ \text{$u=1+x^2$, $\frac12\mathrm{d}u=x\mathrm{d}x$ 로 놓는다.} \\ &=\begin{cases} -\int_{2}^{1+t^2} \frac{1}{2}\sqrt{u}\mathrm{d}u & t \le 0 \text{ 일 때}\\ -\int_{2}^1 \frac12\sqrt{u}\mathrm{d}u+ \int_{1}^{1+t^2} \frac12\sqrt{u}\mathrm{d}u & t > 0 \text{ 일 때}\\ \end{cases} \\&=\begin{cases} -\frac{1}{3}u^{3/2}|_{2}^{1+t^2} & t \le 0 \text{ 일 때}\\ -\frac{1}{3}u^{3/2}|_{2}^{1}+ \frac13u^{3/2}|_{1}^{1+t^2} & t > 0 \text{ 일 때}\\ \end{cases} \\&=\begin{cases} \frac{2^{3/2}}{3}-\frac{1}{3}(1+t^2)^{3/2} & t \le 0 \text{ 일 때}\\ -\frac23+\frac{2^{3/2}}{3}+\frac13(1+t^2)^{3/2} & t > 0 \text{ 일 때}\\ \end{cases} \\ \text{$s$ 에 대해 $t$ 를 풀면:} \\ 1+t^2&=\begin{cases}(2\sqrt2-3s)^{2/3} & t \le 0 \text{ 일 때}\\ (3s+2-2\sqrt{2})^{2/3} & t>0 \text{ 일 때}\end{cases}\\ t^2&=\begin{cases}(2\sqrt2-3s)^{2/3}-1 & t \le 0 \text{ 일 때}\\ (3s+2-2\sqrt{2})^{2/3}-1 & t>0 \text{ 일 때} \end{cases} \\ \text{$\sqrt{t^2}=|t|$ 임에 유의하면:} \\ t&=\begin{cases}-\sqrt{(2\sqrt2-3s)^{2/3}-1} & t \le 0 \text{ 일 때}\\ \sqrt{(3s+2-2\sqrt{2})^{2/3}-1} & t>0 \text{ 일 때} \end{cases} \\ \text{$s=\tfrac{1}{3}(2\sqrt2-1)$ 일 때 $t=0$ 임에 유의하면, $(\tfrac12t^2,\tfrac13t^3)$ 의 재매개화는 다음과 같다.} \\ \mathbf{R}(s)&=\begin{cases} \Big(\frac12\left[ (2\sqrt2-3s)^{2/3}-1\right],-\frac13\left[(2\sqrt2-3s)^{2/3}-1\right]^{3/2}\Big)& s\le \frac13(2\sqrt2-1) \text{ 일 때}\\ \Big(\frac12\left[(3s+2-2\sqrt2)^{2/3}-1 \right],\frac13\left[(3s+2-2\sqrt2)^{2/3}-1\right]^{3/2}\Big)& s>\frac13(2\sqrt2-1) \text{ 일 때} \end{cases} \end{aligned}

참고: 이처럼 계산이 길고 자세한 경우에는 몇 개의 점을 확인하여 답이 타당한지 검증해 보는 것이 좋다. 예를 들어 s=0s=0 일 때 tt 는 −1-1 이어야 하고, 그 역도 성립한다. 또한 t=0t=0 이 s=13(22−1)s=\frac13(2\sqrt2-1) 에 대응함을 구하였다. 따라서 r(0)=R(13(22−1))\mathbf{r}(0)=\mathbf{R}\left(\frac13(2\sqrt2-1)\right) 과 r(−1)=R(0)\mathbf{r}(-1)=\mathbf{R}(0) 을 확인할 수 있어야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

r(t)=(12t2,13t3)r′(t)=(t,t2)∣r′(t)∣=t2+t4=∣t∣1+t2s(t)=∫−1t∣x∣1+x2dx={∫−1t−x1+x2dxwhen t≤0∫−10−x1+x2dx+∫0tx1+x2dxwhen t>0Let u=1+x2, 12du=xdx={−∫21+t212uduwhen t≤0−∫2112udu+∫11+t212uduwhen t>0={−13u3/2∣21+t2when t≤0−13u3/2∣21+13u3/2∣11+t2when t>0={23/23−13(1+t2)3/2when t≤0−23+23/23+13(1+t2)3/2when t>0Solving for t in terms of s:1+t2={(22−3s)2/3when t≤0(3s+2−22)2/3when t>0t2={(22−3s)2/3−1when t≤0(3s+2−22)2/3−1when t>0Remembering that t2=∣t∣:t={−(22−3s)2/3−1when t≤0(3s+2−22)2/3−1when t>0Noting that t=0 when s=13(22−1), we find our reparametrization of (12t2,13t3).R(s)={(12[(22−3s)2/3−1],−13[(22−3s)2/3−1]3/2) when s≤13(22−1)(12[(3s+2−22)2/3−1],13[(3s+2−22)2/3−1]3/2) when s>13(22−1)\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=(\tfrac12 t^2 , \tfrac13 t^3)\\ \mathbf{r}'(t)&=(t,t^2)\\ |\mathbf{r}'(t)|&=\sqrt{t^2+t^4}=|t|\sqrt{1+t^2}\\ s(t)&=\int_{-1}^t|x|\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x=\begin{cases} \int_{-1}^t -x\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x & \text{when } t \le 0\\ \int_{-1}^0 -x\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x +\int_{0}^t x\sqrt{1+x^2}\mathrm{d}x & \text{when } t > 0\\ \end{cases} \\ \text{Let $u=1+x^2$, $\frac12\mathrm{d}u=x\mathrm{d}x$} \\ &=\begin{cases} -\int_{2}^{1+t^2} \frac{1}{2}\sqrt{u}\mathrm{d}u & \text{when } t \le 0\\ -\int_{2}^1 \frac12\sqrt{u}\mathrm{d}u+ \int_{1}^{1+t^2} \frac12\sqrt{u}\mathrm{d}u & \text{when } t > 0\\ \end{cases} \\&=\begin{cases} -\frac{1}{3}u^{3/2}|_{2}^{1+t^2} & \text{when } t \le 0\\ -\frac{1}{3}u^{3/2}|_{2}^{1}+ \frac13u^{3/2}|_{1}^{1+t^2} & \text{when } t > 0\\ \end{cases} \\&=\begin{cases} \frac{2^{3/2}}{3}-\frac{1}{3}(1+t^2)^{3/2} & \text{when } t \le 0\\ -\frac23+\frac{2^{3/2}}{3}+\frac13(1+t^2)^{3/2} & \text{when } t > 0\\ \end{cases} \\ \text{Solving for $t$ in terms of $s$:} \\ 1+t^2&=\begin{cases}(2\sqrt2-3s)^{2/3} &\text{when } t \le 0\\ (3s+2-2\sqrt{2})^{2/3} &\text{when }t>0\end{cases}\\ t^2&=\begin{cases}(2\sqrt2-3s)^{2/3}-1 &\text{when } t \le 0\\ (3s+2-2\sqrt{2})^{2/3}-1 &\text{when }t>0 \end{cases} \\ \text{Remembering that $\sqrt{t^2}=|t|$:} \\ t&=\begin{cases}-\sqrt{(2\sqrt2-3s)^{2/3}-1} &\text{when } t \le 0\\ \sqrt{(3s+2-2\sqrt{2})^{2/3}-1} &\text{when }t>0 \end{cases} \\ \text{Noting that $t=0$ when $s=\tfrac{1}{3}(2\sqrt2-1)$, we find our reparametrization of $(\tfrac12t^2,\tfrac13t^3)$.} \\ \mathbf{R}(s)&=\begin{cases} \Big(\frac12\left[ (2\sqrt2-3s)^{2/3}-1\right],-\frac13\left[(2\sqrt2-3s)^{2/3}-1\right]^{3/2}\Big)&\text{ when }s\le \frac13(2\sqrt2-1)\\ \Big(\frac12\left[(3s+2-2\sqrt2)^{2/3}-1 \right],\frac13\left[(3s+2-2\sqrt2)^{2/3}-1\right]^{3/2}\Big)&\text{ when }s>\frac13(2\sqrt2-1) \end{cases} \end{aligned}

Remark: after a computation with this much detail, it's nice to find a few points to check, to verify that our answer is reasonable. For instance, when s=0s=0, tt should be −1-1, and vice-versa. Also, we found that t=0t=0 corresponds to s=13(22−1)s=\frac13(2\sqrt2-1). So, we should be able to verify that r(0)=R(13(22−1))\mathbf{r}(0)=\mathbf{R}\left(\frac13(2\sqrt2-1)\right) and r(−1)=R(0)\mathbf{r}(-1)=\mathbf{R}(0).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.2절 · 2번
# 호의 길이와 곡률계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
666.CLP-4 · 1.3절 · 8번대학 수준우리말 번역

r(t)=(cos⁡t+sin⁡t,sin⁡t−cos⁡t)\mathbf{r}(t)=(\cos t+\sin t , \sin t - \cos t) 의 곡률 κ(t)\kappa (t) 를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the curvature κ(t)\kappa (t) of r(t)=(cos⁡t+sin⁡t,sin⁡t−cos⁡t)\mathbf{r}(t)=(\cos t+\sin t , \sin t - \cos t).

정답·풀이 보기
  • 풀이 1: 모든 tt 에 대해 (cos⁡t+sin⁡t)2+(sin⁡t−cos⁡t)2=2(\cos t+\sin t )^2+(\sin t - \cos t)^2=2 임에 주목한다. 따라서 이 곡선의 점 (x,y)(x,y) 는 x2+y2=2x^2+y^2=2 위에 있으며, 이는 반지름이 2\sqrt{2} 인 원이다. 실제로

x(t)=cos⁡t+sin⁡t=2[cos⁡tcos⁡π4+sin⁡tsin⁡π4]=2cos⁡(t−π4)y(t)=sin⁡t−cos⁡t=2[sin⁡tcos⁡π4−cos⁡tsin⁡π4]=2sin⁡(t−π4)\begin{aligned} x(t)&= \cos t+\sin t =\sqrt{2}\big[\cos t \cos\tfrac{\pi}{4} +\sin t \sin\tfrac{\pi}{4}\big] \\ &=\sqrt{2}\cos\big(t-\tfrac{\pi}{4}\big) \\ y(t)&= \sin t-\cos t =\sqrt{2}\big[\sin t \cos\tfrac{\pi}{4}-\cos t\sin \tfrac{\pi}{4}\big] \\ &=\sqrt{2}\sin\big(t-\tfrac{\pi}{4}\big) \end{aligned}

따라서 r(t)\mathbf{r}(t) 는 반지름이 2\sqrt{2} 인 원을 따라 돌므로, 곡률은 κ=12\kappa =\frac{1}{\sqrt{2}} 이다.

  • 풀이 2: 공식 κ=∣v(t)×a(t)∣∣(dsdt)3∣\kappa = \dfrac{|\mathbf{v}(t) \times \mathbf{a}(t)|}{\left| \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^3\right|} 을 사용한다. 이때 v(t)=r′(t)\mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t), a(t)=r′′(t)\mathbf{a}(t)=\mathbf{r}''(t), dsdt=∣r′(t)∣\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\left| \mathbf{r}'(t)\right| 임을 기억한다.

v(t)=r′(t)=(−sin⁡t+cos⁡t,cos⁡t+sin⁡t)a(t)=r′′(t)=(−cos⁡t−sin⁡t,−sin⁡t+cos⁡t)v(t)×a(t)=[(−sin⁡t+cos⁡t)2+(cos⁡t+sin⁡t)2]k^=2k^dsdt=∣dvdt∣=(−sin⁡t+cos⁡t)2+(cos⁡t+sin⁡t)2=2κ=∣v(t)×a(t)(dsdt)3∣=∣2k^23∣=12\begin{aligned} \mathbf{v}(t)&=\mathbf{r}'(t)=(-\sin t +\cos t, \cos t + \sin t)\\ \mathbf{a}(t)&=\mathbf{r}''(t)=(-\cos t -\sin t, -\sin t + \cos t)\\ \mathbf{v}(t) \times \mathbf{a}(t)&=\big[(-\sin t + \cos t)^2+(\cos t + \sin t)^2\big]\hat{\mathbf{k}}=2\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}&=\left|\frac{\mathrm{d}\mathbf{v}}{\mathrm{d}t} \right|=\sqrt{(-\sin t + \cos t)^2+(\cos t + \sin t )^2}=\sqrt2\\ \kappa &=\left|\frac{\mathbf{v}(t) \times \mathbf{a}(t)}{\left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^3}\right|=\left|\frac{2\hat{\mathbf{k}}}{\sqrt{2}^3}\right|=\frac{1}{\sqrt 2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)
  • Solution 1: Note that (cos⁡t+sin⁡t)2+(sin⁡t−cos⁡t)2=2(\cos t+\sin t )^2+(\sin t - \cos t)^2=2 for all tt. So, the points (x,y)(x,y) of our curve lie on x2+y2=2x^2+y^2=2, which is a circle of radius 2\sqrt{2}. Indeed

x(t)=cos⁡t+sin⁡t=2[cos⁡tcos⁡π4+sin⁡tsin⁡π4]=2cos⁡(t−π4)y(t)=sin⁡t−cos⁡t=2[sin⁡tcos⁡π4−cos⁡tsin⁡π4]=2sin⁡(t−π4)\begin{aligned} x(t)&= \cos t+\sin t =\sqrt{2}\big[\cos t \cos\tfrac{\pi}{4} +\sin t \sin\tfrac{\pi}{4}\big] \\ &=\sqrt{2}\cos\big(t-\tfrac{\pi}{4}\big) \\ y(t)&= \sin t-\cos t =\sqrt{2}\big[\sin t \cos\tfrac{\pi}{4}-\cos t\sin \tfrac{\pi}{4}\big] \\ &=\sqrt{2}\sin\big(t-\tfrac{\pi}{4}\big) \end{aligned}

So, r(t)\mathbf{r}(t) circumnavigates a circle of radius 2\sqrt{2} and consequently has curvature κ=12\kappa =\frac{1}{\sqrt{2}}.

  • Solution 2: We use the formula κ=∣v(t)×a(t)∣∣(dsdt)3∣\kappa = \dfrac{|\mathbf{v}(t) \times \mathbf{a}(t)|}{\left| \left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^3\right|}, remembering that v(t)=r′(t)\mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t), a(t)=r′′(t)\mathbf{a}(t)=\mathbf{r}''(t), and dsdt=∣r′(t)∣\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\left| \mathbf{r}'(t)\right|.

v(t)=r′(t)=(−sin⁡t+cos⁡t,cos⁡t+sin⁡t)a(t)=r′′(t)=(−cos⁡t−sin⁡t,−sin⁡t+cos⁡t)v(t)×a(t)=[(−sin⁡t+cos⁡t)2+(cos⁡t+sin⁡t)2]k^=2k^dsdt=∣dvdt∣=(−sin⁡t+cos⁡t)2+(cos⁡t+sin⁡t)2=2κ=∣v(t)×a(t)(dsdt)3∣=∣2k^23∣=12\begin{aligned} \mathbf{v}(t)&=\mathbf{r}'(t)=(-\sin t +\cos t, \cos t + \sin t)\\ \mathbf{a}(t)&=\mathbf{r}''(t)=(-\cos t -\sin t, -\sin t + \cos t)\\ \mathbf{v}(t) \times \mathbf{a}(t)&=\big[(-\sin t + \cos t)^2+(\cos t + \sin t)^2\big]\hat{\mathbf{k}}=2\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}&=\left|\frac{\mathrm{d}\mathbf{v}}{\mathrm{d}t} \right|=\sqrt{(-\sin t + \cos t)^2+(\cos t + \sin t )^2}=\sqrt2\\ \kappa &=\left|\frac{\mathbf{v}(t) \times \mathbf{a}(t)}{\left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^3}\right|=\left|\frac{2\hat{\mathbf{k}}}{\sqrt{2}^3}\right|=\frac{1}{\sqrt 2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 11.5절 · 6번
# 호의 길이와 곡률계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
667.CLP-4 · 1.3절 · 9번대학 수준우리말 번역

타원 x(t)=acos⁡tx(t)= a \cos t, y(t)=bsin⁡ty(t)=b\sin t 의 곡률의 최솟값과 최댓값을 구하세요. 여기서 a>b>0a>b>0 입니다.

영어 원문 보기

Find the minimum and maximum values for the curvature of the ellipse x(t)=acos⁡tx(t)= a \cos t, y(t)=bsin⁡ty(t)=b\sin t. Here a>b>0a>b>0.

정답·풀이 보기

주어진 타원에 대해

r(t)=acos⁡t ı^+bsin⁡t ȷ^v(t)=−asin⁡t ı^+bcos⁡t ȷ^∣v(t)∣=a2sin⁡2t+b2cos⁡2ta(t)=−acos⁡t ı^−bsin⁡t ȷ^v(t)×a(t)=det⁡[ı^ȷ^k^−asin⁡tbcos⁡t0−acos⁡t−bsin⁡t0]=ab k^κ(t)=∣v(t)×a(t)∣∣v(t)∣3=ab[a2sin⁡2t+b2cos⁡2t]3/2\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= a\cos t\ \hat{\boldsymbol{\imath}} +b\sin t\ \hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \mathbf{v}(t)&= -a\sin t\ \hat{\boldsymbol{\imath}} +b\cos t\ \hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ |\mathbf{v}(t)|& = \sqrt{a^2\sin^2t+b^2\cos^2 t}\\ \mathbf{a}(t)&= -a\cos t\ \hat{\boldsymbol{\imath}} -b\sin t\ \hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \mathbf{v}(t)\times\mathbf{a}(t) &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -a\sin t & b\cos t & 0 \\ -a\cos t & -b\sin t & 0 \end{matrix}\right] = ab\,\hat{\mathbf{k}}\\ \kappa (t)&=\frac{|\mathbf{v}(t)\times\mathbf{a}(t)|}{|\mathbf{v}(t)|^3} =\frac{ab}{{[a^2\sin^2t+b^2\cos^2 t]}^{3/2}} \end{aligned}

따라서 곡률의 최댓값(최솟값)은 분모가 최소(최대)일 때 얻어지며, 이는 sin⁡t=0\sin t =0 (cos⁡t=0\cos t=0)일 때이다. 그러므로 κmax=ab2\kappa _{\rm max}=\frac{a}{b^2} 이고 κmin=ba2\kappa _{\rm min}=\frac{b}{a^2} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

For the given ellipse

r(t)=acos⁡t ı^+bsin⁡t ȷ^v(t)=−asin⁡t ı^+bcos⁡t ȷ^∣v(t)∣=a2sin⁡2t+b2cos⁡2ta(t)=−acos⁡t ı^−bsin⁡t ȷ^v(t)×a(t)=det⁡[ı^ȷ^k^−asin⁡tbcos⁡t0−acos⁡t−bsin⁡t0]=ab k^κ(t)=∣v(t)×a(t)∣∣v(t)∣3=ab[a2sin⁡2t+b2cos⁡2t]3/2\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= a\cos t\ \hat{\boldsymbol{\imath}} +b\sin t\ \hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \mathbf{v}(t)&= -a\sin t\ \hat{\boldsymbol{\imath}} +b\cos t\ \hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ |\mathbf{v}(t)|& = \sqrt{a^2\sin^2t+b^2\cos^2 t}\\ \mathbf{a}(t)&= -a\cos t\ \hat{\boldsymbol{\imath}} -b\sin t\ \hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \mathbf{v}(t)\times\mathbf{a}(t) &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -a\sin t & b\cos t & 0 \\ -a\cos t & -b\sin t & 0 \end{matrix}\right] = ab\,\hat{\mathbf{k}}\\ \kappa (t)&=\frac{|\mathbf{v}(t)\times\mathbf{a}(t)|}{|\mathbf{v}(t)|^3} =\frac{ab}{{[a^2\sin^2t+b^2\cos^2 t]}^{3/2}} \end{aligned}

Hence the maximum (minimum) curvature is achieved when the denominator is a minimum (maximum) which is the case when sin⁡t=0\sin t =0 (cos⁡t=0\cos t=0). So κmax=ab2\kappa _{\rm max}=\frac{a}{b^2} and κmin=ba2\kappa _{\rm min}=\frac{b}{a^2}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.3절 · 8번
# 호의 길이와 곡률계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
668.CLP-4 · 1.3절 · 12번대학 수준우리말 번역

곡선

x(θ)=∫0θcos⁡(12πt2)dty(θ)=∫0θsin⁡(12πt2)dtx(\theta)=\int_0^\theta \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi t^2\big)dt\quad \quad y(\theta)=\int_0^\theta \sin\big(\tfrac{1}{2}\pi t^2\big)dt

에 대해 곡률 κ\kappa 를 호의 길이 ss ((0,0)(0,0) 에서부터 잰 길이)의 함수로 나타내세요.

영어 원문 보기

Find the curvature κ\kappa as a function of arclength ss (measured from (0,0)(0,0)) for the curve

x(θ)=∫0θcos⁡(12πt2)dty(θ)=∫0θsin⁡(12πt2)dtx(\theta)=\int_0^\theta \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi t^2\big)dt\quad \quad y(\theta)=\int_0^\theta \sin\big(\tfrac{1}{2}\pi t^2\big)dt

정답·풀이 보기

속도 벡터는

v(θ)=x′(θ) ı^+y′(θ) ȷ^=cos⁡(12πθ2) ı^+sin⁡(12πθ2) ȷ^\mathbf{v}(\theta)=x'(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y'(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} = \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi\theta^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin\big(\tfrac{1}{2}\pi\theta^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

이다. 따라서 속력은

dsdθ(θ)=∣v(θ)∣=1  ⟹  s(θ)=θ+s(0)\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}(\theta)= |\mathbf{v}(\theta)|=1 \implies s(\theta)=\theta+s(0)

이다. θ=0\theta=0 일 때 s(θ)s(\theta) 가 0 이므로 s(θ)=θs(\theta)=\theta 이고, 따라서

T^(s)=v(s)=cos⁡(12πs2) ı^+sin⁡(12πs2) ȷ^\hat{\mathbf{T}}(s)=\mathbf{v}(s) = \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

이므로

κ(s)=∣dT^ds(s)∣=∣−πssin⁡(12πs2) ı^+πscos⁡(12πs2) ȷ^∣=πs\kappa (s)=\left|\frac{\mathrm{d}\hat{\mathbf{T}}}{\mathrm{d}s}(s)\right| =\big|-\pi s\sin\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\pi s \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big| =\pi s

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The velocity vector is

v(θ)=x′(θ) ı^+y′(θ) ȷ^=cos⁡(12πθ2) ı^+sin⁡(12πθ2) ȷ^\mathbf{v}(\theta)=x'(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y'(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} = \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi\theta^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin\big(\tfrac{1}{2}\pi\theta^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

Consequently the speed

dsdθ(θ)=∣v(θ)∣=1  ⟹  s(θ)=θ+s(0)\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}(\theta)= |\mathbf{v}(\theta)|=1 \implies s(\theta)=\theta+s(0)

Since s(θ)s(\theta) is zero when θ=0\theta=0, we have s(θ)=θs(\theta)=\theta and hence

T^(s)=v(s)=cos⁡(12πs2) ı^+sin⁡(12πs2) ȷ^\hat{\mathbf{T}}(s)=\mathbf{v}(s) = \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

so that

κ(s)=∣dT^ds(s)∣=∣−πssin⁡(12πs2) ı^+πscos⁡(12πs2) ȷ^∣=πs\kappa (s)=\left|\frac{\mathrm{d}\hat{\mathbf{T}}}{\mathrm{d}s}(s)\right| =\big|-\pi s\sin\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\pi s \cos\big(\tfrac{1}{2}\pi s^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big| =\pi s

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 38번
# 호의 길이와 곡률계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
669.CLP-4 · 1.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

CC 를 다음과 같은 공간곡선이라 하세요.

r(t)=(et−e−t) ı^+(et+e−t) ȷ^+2t k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \big(e^t - e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \big(e^t + e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +2t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(a) r′\mathbf{r}', r′′\mathbf{r}'' 와 CC 의 곡률을 구하세요. (b) r(0)\mathbf{r}(0) 과 r(1)\mathbf{r}(1) 사이의 곡선의 길이를 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the space curve

r(t)=(et−e−t) ı^+(et+e−t) ȷ^+2t k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \big(e^t - e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \big(e^t + e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +2t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(a) Find r′\mathbf{r}', r′′\mathbf{r}'' and the curvature of CC. (b) Find the length of the curve between r(0)\mathbf{r}(0) and r(1)\mathbf{r}(1).

정답·풀이 보기

(a) 다음과 같으므로

r′(t)=(et+e−t) ı^+(et−e−t) ȷ^+2 k^dsdt(t)=∣r′(t)∣=4+2e2t+2e−2t=2(et+e−t)r′′(t)=(et−e−t) ı^+(et+e−t) ȷ^r′(t)×r′′(t)=−2(et+e−t) ı^+2(et−e−t) ȷ^+4 k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(t)&=\big(e^t + e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \big(e^t - e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +2\,\hat{\mathbf{k}} & \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) &=|\mathbf{r}'(t)|= \sqrt{4+2e^{2t}+2e^{-2t}} =\sqrt{2}\big(e^t+e^{-t}\big)\\ \mathbf{r}''(t)&=\big(e^t - e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \big(e^t + e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} & \mathbf{r}'(t)\times\mathbf{r}''(t)&=-2\big(e^t + e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 2\big(e^t - e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +4\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

곡률은 다음과 같다.

κ(t)=∣v(t)×a(t)∣(dsdt)3=24+2e2t+2e−2t[4+2e2t+2e−2t]3/2=12+e2t+e−2t\begin{aligned} \kappa (t) &= \frac{|\mathbf{v}(t)\times\mathbf{a}(t)|}{\big(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\big)^3} =\frac{2\sqrt{4+2e^{2t}+2e^{-2t}}}{[4+2e^{2t}+2e^{-2t}]^{3/2}} =\frac{1}{2+e^{2t}+e^{-2t}} \end{aligned}

(b) r(0)\mathbf{r}(0) 과 r(1)\mathbf{r}(1) 사이의 CC 의 길이는 다음과 같다.

∫01dsdt(t) dt=2∫01(et+e−t) dt=2[et−e−t]01=2[e−1e]\begin{aligned} \int_0^1 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) \ \mathrm{d}t &= \sqrt{2} \int_0^1 (e^t+e^{-t}) \ \mathrm{d}t =\sqrt{2}\Big[e^t-e^{-t}\Big]_0^1 =\sqrt{2}\Big[e-\frac{1}{e}\Big] \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) As

r′(t)=(et+e−t) ı^+(et−e−t) ȷ^+2 k^dsdt(t)=∣r′(t)∣=4+2e2t+2e−2t=2(et+e−t)r′′(t)=(et−e−t) ı^+(et+e−t) ȷ^r′(t)×r′′(t)=−2(et+e−t) ı^+2(et−e−t) ȷ^+4 k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(t)&=\big(e^t + e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \big(e^t - e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +2\,\hat{\mathbf{k}} & \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) &=|\mathbf{r}'(t)|= \sqrt{4+2e^{2t}+2e^{-2t}} =\sqrt{2}\big(e^t+e^{-t}\big)\\ \mathbf{r}''(t)&=\big(e^t - e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \big(e^t + e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} & \mathbf{r}'(t)\times\mathbf{r}''(t)&=-2\big(e^t + e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 2\big(e^t - e^{-t}\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +4\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

the curvature

κ(t)=∣v(t)×a(t)∣(dsdt)3=24+2e2t+2e−2t[4+2e2t+2e−2t]3/2=12+e2t+e−2t\begin{aligned} \kappa (t) &= \frac{|\mathbf{v}(t)\times\mathbf{a}(t)|}{\big(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\big)^3} =\frac{2\sqrt{4+2e^{2t}+2e^{-2t}}}{[4+2e^{2t}+2e^{-2t}]^{3/2}} =\frac{1}{2+e^{2t}+e^{-2t}} \end{aligned}

(b) The length of CC between r(0)\mathbf{r}(0) and r(1)\mathbf{r}(1) is

∫01dsdt(t) dt=2∫01(et+e−t) dt=2[et−e−t]01=2[e−1e]\begin{aligned} \int_0^1 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) \ \mathrm{d}t &= \sqrt{2} \int_0^1 (e^t+e^{-t}) \ \mathrm{d}t =\sqrt{2}\Big[e^t-e^{-t}\Big]_0^1 =\sqrt{2}\Big[e-\frac{1}{e}\Big] \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.4절 · 7번
# 단위접선·법선벡터계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
670.CLP-4 · 1.4절 · 7번대학 수준우리말 번역

점 (2,4,8)(2,4,8) 에서 r(t)=(t,t2,t3)\mathbf{r}(t)=(t,t^2,t^3) 의 열률을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the torsion of r(t)=(t,t2,t3)\mathbf{r}(t)=(t,t^2,t^3) at the point (2,4,8)(2,4,8).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

점 (2,4,8)(2,4,8) 은 t=2t=2 일 때이다.

v(t)=(1,2t,3t2)v(2)=(1,4,12)a(t)=(0,2,6t)a(2)=(0,2,12)dadt(t)=(0,0,6)dadt(2)=(0,0,6)v(2)×a(2)=(24,−12,2)∣v(2)×a(2)∣=2181\begin{aligned} \mathbf{v}(t)&=(1,2t,3t^2) & \mathbf{v}(2)&=(1,4,12)\\ \mathbf{a}(t)&=(0,2,6t) & \mathbf{a}(2)&=(0,2,12)\\ \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(t)&=(0,0,6) & \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(2)&=(0,0,6)\\ && \mathbf{v}(2) \times \mathbf{a}(2)&=(24,-12,2)\\ && |\mathbf{v}(2) \times \mathbf{a}(2)|&=2\sqrt{181} \end{aligned}

이제 열률 공식을 사용한다:

τ(t)=(v(t)×a(t))⋅dadt(t)∣v(t)×a(t)∣2τ(2)=(24,−12,2)⋅(0,0,6)(2181)2=3181\begin{aligned}\tau(t)&=\dfrac{(\mathbf{v}(t) \times \mathbf{a}(t))\cdot\frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(t)}{|\mathbf{v}(t) \times \mathbf{a}(t)|^2}\\ \tau(2)&=\frac{(24,-12,2)\cdot(0,0,6)}{(2\sqrt{181})^2}=\frac{3}{{181}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The point (2,4,8)(2,4,8) occurs when t=2t=2.

v(t)=(1,2t,3t2)v(2)=(1,4,12)a(t)=(0,2,6t)a(2)=(0,2,12)dadt(t)=(0,0,6)dadt(2)=(0,0,6)v(2)×a(2)=(24,−12,2)∣v(2)×a(2)∣=2181\begin{aligned} \mathbf{v}(t)&=(1,2t,3t^2) & \mathbf{v}(2)&=(1,4,12)\\ \mathbf{a}(t)&=(0,2,6t) & \mathbf{a}(2)&=(0,2,12)\\ \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(t)&=(0,0,6) & \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(2)&=(0,0,6)\\ && \mathbf{v}(2) \times \mathbf{a}(2)&=(24,-12,2)\\ && |\mathbf{v}(2) \times \mathbf{a}(2)|&=2\sqrt{181} \end{aligned}

Now, we use a formula for torsion:

τ(t)=(v(t)×a(t))⋅dadt(t)∣v(t)×a(t)∣2τ(2)=(24,−12,2)⋅(0,0,6)(2181)2=3181\begin{aligned}\tau(t)&=\dfrac{(\mathbf{v}(t) \times \mathbf{a}(t))\cdot\frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(t)}{|\mathbf{v}(t) \times \mathbf{a}(t)|^2}\\ \tau(2)&=\frac{(24,-12,2)\cdot(0,0,6)}{(2\sqrt{181})^2}=\frac{3}{{181}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.4절 · 16번
# 단위접선·법선벡터계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
671.CLP-4 · 1.4절 · 9번대학 수준우리말 번역

어떤 상수 cc 에 대하여 r(t)=(t3,t,ect)\mathbf{r}(t)=(t^3,t,e^{ct}) 라고 하자. cc 의 어떤 값에 대하여 τ(5)=0\tau(5)=0 인지 구하세요. 그러한 각각의 cc 의 값에 대하여, t=5t=5 에서 이 곡선의 접촉원을 포함하는 평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

For some constant cc, define r(t)=(t3,t,ect)\mathbf{r}(t)=(t^3,t,e^{ct}). For which value(s) of cc is τ(5)=0\tau(5)=0? For each of those values of cc, find an equation for the plane containing the osculating circle to the curve at t=5t=5.

정답·풀이 보기

먼저 준비 계산을 한다:

r(t)=(t3,t,ect)r(5)=(53,5,e5c)v(t)=(3t2,1,cect)v(5)=(3⋅52,1,ce5c)a(t)=(6t,0,c2ect)a(5)=(6⋅5,0,c2e5c)dadt(t)=(6,0,c3ect)dadt(5)=(6,0,c3e5c)v(5)×a(5)=(c2e5c,15ce5c(2−5c),−30)\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=(t^3,t,e^{ct}) & \mathbf{r}(5)&=(5^3,5,e^{5c})\\ \mathbf{v}(t)&=(3t^2,1,ce^{ct}) & \mathbf{v}(5)&=(3\cdot 5^2,1,ce^{5c})\\ \mathbf{a}(t)&=(6t,0,c^2e^{ct}) & \mathbf{a}(5)&=(6\cdot 5,0,c^2e^{5c}) \\ \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(t)&= (6,0,c^3e^{ct})& \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(5)&= (6,0,c^3e^{5c})\\ && \mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5)&=(c^2e^{5c},15ce^{5c}(2-5c),-30) \end{aligned}

둘째, τ(5)=0\tau(5)=0 이 되게 하는 cc 의 값을 구한다.

0=τ(5)=(v(5)×a(5))⋅dadt(5)∣v(5)×a(5)∣20=(v(5)×a(5))⋅dadt(5)=(c2e5c,15ce5c(2−5c),−30)⋅(6,0,c3e5c)=6c2e5c(1−5c)c=0 또는 c=15\begin{aligned} 0&=\tau(5)=\dfrac{(\mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5))\cdot\frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(5)}{|\mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5)|^2}\\ 0&=(\mathbf{v}(5)\times\mathbf{a}(5))\cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(5)\\ &=(c^2e^{5c},15ce^{5c}(2-5c),-30)\cdot (6,0,c^3e^{5c})\\ &=6c^2e^{5c}(1-5c)\\ c&=0 \text{ 또는 } c=\frac15 \end{aligned}

c=0c=0 이면 r(t)=(t3,t,1)\mathbf{r}(t)=(t^3,t,1) 이므로 곡선 전체가 평면 z=1z=1 위에 놓인다. (꼬임률은 t=5t=5 에서만이 아니라 모든 곳에서 0이다.)

c=15c=\frac15 인 경우를 생각하자. t=5t=5 일 때, 곡선(과 그 접촉원)은 점 r(5)=(53,5,e)\mathbf{r}(5)=(5^3,5,e) 를 지난다. 접촉원이 놓인 평면의 법선벡터는 종법선벡터 B^(5)=v(5)×a(5)∣v(5)×a(5)∣\hat{\mathbf{B}}(5)=\frac{\mathbf{v}(5)\times \mathbf{a}(5)}{|\mathbf{v}(5)\times \mathbf{a}(5)|} 이다. 평면의 법선벡터가 단위벡터일 필요는 없으므로, 평면의 법선벡터로 간단히 v(5)×a(5)\mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5), 즉 (e/25,3e,−30)(e/25,3e,-30) 을 택할 수 있다. 그러면 접촉원을 포함하는 평면의 방정식은 (e/25)x+(3e)y−30z=−10e(e/25)x+(3e)y-30z=-10e 이다. 이 평면의 같은 방정식은 (1/25)x+3y−(30/e)z=−10(1/25)x+3y-(30/e)z=-10 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, some preliminaries:

r(t)=(t3,t,ect)r(5)=(53,5,e5c)v(t)=(3t2,1,cect)v(5)=(3⋅52,1,ce5c)a(t)=(6t,0,c2ect)a(5)=(6⋅5,0,c2e5c)dadt(t)=(6,0,c3ect)dadt(5)=(6,0,c3e5c)v(5)×a(5)=(c2e5c,15ce5c(2−5c),−30)\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=(t^3,t,e^{ct}) & \mathbf{r}(5)&=(5^3,5,e^{5c})\\ \mathbf{v}(t)&=(3t^2,1,ce^{ct}) & \mathbf{v}(5)&=(3\cdot 5^2,1,ce^{5c})\\ \mathbf{a}(t)&=(6t,0,c^2e^{ct}) & \mathbf{a}(5)&=(6\cdot 5,0,c^2e^{5c}) \\ \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(t)&= (6,0,c^3e^{ct})& \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(5)&= (6,0,c^3e^{5c})\\ && \mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5)&=(c^2e^{5c},15ce^{5c}(2-5c),-30) \end{aligned}

Second, we figure out what value of cc makes τ(5)=0\tau(5)=0.

0=τ(5)=(v(5)×a(5))⋅dadt(5)∣v(5)×a(5)∣20=(v(5)×a(5))⋅dadt(5)=(c2e5c,15ce5c(2−5c),−30)⋅(6,0,c3e5c)=6c2e5c(1−5c)c=0 or c=15\begin{aligned} 0&=\tau(5)=\dfrac{(\mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5))\cdot\frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(5)}{|\mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5)|^2}\\ 0&=(\mathbf{v}(5)\times\mathbf{a}(5))\cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{a}}{\mathrm{d}t}(5)\\ &=(c^2e^{5c},15ce^{5c}(2-5c),-30)\cdot (6,0,c^3e^{5c})\\ &=6c^2e^{5c}(1-5c)\\ c&=0 \text{ or } c=\frac15 \end{aligned}

If c=0c=0, then r(t)=(t3,t,1)\mathbf{r}(t)=(t^3,t,1), and so the entire curve is contained inside the plane z=1z=1. (Its torsion is zero everywhere — not just at t=5t=5.)

Consider the case c=15c=\frac15. When t=5t=5, our curve (and its osculating circle) passes through the point r(5)=(53,5,e)\mathbf{r}(5)=(5^3,5,e). The normal vector to the plane of the osculating curve is the binormal vector B^(5)=v(5)×a(5)∣v(5)×a(5)∣\hat{\mathbf{B}}(5)=\frac{\mathbf{v}(5)\times \mathbf{a}(5)}{|\mathbf{v}(5)\times \mathbf{a}(5)|}. Since we don't need the normal vector to the plane to be a unit vector, we can take as the normal vector to the plane simply v(5)×a(5)\mathbf{v}(5) \times \mathbf{a}(5), or (e/25,3e,−30)(e/25,3e,-30). Then, an equation of the plane containing the osculating circle is (e/25)x+(3e)y−30z=−10e(e/25)x+(3e)y-30z=-10e. An equivalent equation for this plane is (1/25)x+3y−(30/e)z=−10(1/25)x+3y-(30/e)z=-10.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 11.4절 · 1번
# 단위접선·법선벡터계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
672.CLP-4 · 1.4절 · 16번대학 수준우리말 번역

곡선 CC 가 원기둥 x2+y2=1x^2 +y^2 = 1 과 평면 x+y+z=1x+y+z = 1 의 교선이라고 하자.

(a) CC 의 매개변수 표현을 구하세요. (b) CC 의 곡률을 구하세요. (c) 곡률이 최대가 되는 점을 구하고, 이 점에서의 곡률의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose the curve CC is the intersection of the cylinder x2+y2=1x^2 +y^2 = 1 with the plane x+y+z=1x+y+z = 1.

(a) Find a parameterization of CC. (b) Determine the curvature of CC. (c) Find the points at which the curvature is maximum and determine the value of the curvature at these points.

정답·풀이 보기

(a) 곡선 x2+y2=1x^2+y^2=1 은 반지름이 11 인 원이다. 따라서 x(θ)=cos⁡θx(\theta)=\cos\theta, y(θ)=sin⁡θy(\theta)=\sin\theta, 0≤θ<2π0\le\theta<2\pi 로 매개변수화할 수 있다. 교선 위의 임의의 점의 zz좌표는 z=1−x−yz=1-x-y 로 정해진다. 그러므로 다음을 쓸 수 있다.

r(θ)=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^+(1−cos⁡θ−sin⁡θ) k^0≤θ<2π\mathbf{r}(\theta) = \cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + (1-\cos\theta-\sin\theta)\,\hat{\mathbf{k}} \qquad 0\le\theta<2\pi

(b) 다음과 같으므로

v(θ)=r′(θ)=(−sin⁡θ,cos⁡θ,sin⁡θ−cos⁡θ)a(θ)=v′(θ)=(−cos⁡θ,−sin⁡θ,cos⁡θ+sin⁡θ)\begin{aligned} \mathbf{v}(\theta)=\mathbf{r}'(\theta)&=\big(-\sin\theta,\cos\theta,\sin\theta-\cos\theta\big) \\ \mathbf{a}(\theta)=\mathbf{v}'(\theta)&=\big(-\cos\theta,-\sin\theta,\cos\theta+\sin\theta\big) \end{aligned}

다음을 얻고

dsdθ=∣r′(θ)∣=sin⁡2θ+cos⁡2θ+(sin⁡θ−cos⁡θ)2=2−2sin⁡θcos⁡θ=2−sin⁡(2θ)v(θ)×a(θ)=(1,1,1)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta} &= |\mathbf{r}'(\theta)| =\sqrt{\sin^2\theta+\cos^2\theta+(\sin\theta-\cos\theta)^2}\\ &=\sqrt{2-2\sin\theta\cos\theta} \\ &=\sqrt{2-\sin(2\theta)} \\ \mathbf{v}(\theta)\times\mathbf{a}(\theta)&=\big(1,1,1\big) \end{aligned}

곡률은 다음과 같다.

κ(θ)=∣v(θ)×a(θ)∣(dsdθ)3=3[2−sin⁡(2θ)]3/2\begin{aligned} \kappa (\theta) &= \frac{|\mathbf{v}(\theta)\times\mathbf{a}(\theta)|}{\big(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}\big)^3} =\frac{\sqrt{3}}{[2-\sin(2\theta)]^{3/2}} \end{aligned}

(c) 곡률은

  • 2−sin⁡(2θ)2-\sin(2\theta) 가 최소(최대)일 때 최대(최소)이고,
  • 이는 sin⁡(2θ)=1\sin(2\theta)=1 (sin⁡(2θ)=−1\sin(2\theta)=-1)일 때이며,
  • 이는 다시 θ=π4,5π4\theta=\frac{\pi}{4},\frac{5\pi}{4} (θ=3π4,7π4\theta=\frac{3\pi}{4},\frac{7\pi}{4})일 때이다.

따라서

최대 곡률 =3[2−1]3/2=3에서 ı^2+ȷ^2+(1−2) k^그리고 −ı^2−ȷ^2+(1+2) k^최소 곡률 =3[2−(−1)]3/2=13에서 −ı^2+ȷ^2+k^그리고 ı^2−ȷ^2+k^\begin{aligned} \text{최대 곡률 }&= \frac{\sqrt{3}}{[2-1]^{3/2}}=\sqrt{3} && \text{에서 }\qquad\frac{\hat{\boldsymbol{\imath}}}{\sqrt{2}}+\frac{\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{\sqrt{2}}+(1-\sqrt{2})\,\hat{\mathbf{k}} \\ & && \text{그리고 }\quad-\frac{\hat{\boldsymbol{\imath}}}{\sqrt{2}}-\frac{\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{\sqrt{2}}+(1+\sqrt{2})\,\hat{\mathbf{k}} \\ \text{최소 곡률 }&= \frac{\sqrt{3}}{[2-(-1)]^{3/2}}=\frac{1}{3} && \text{에서 }\qquad-\frac{\hat{\boldsymbol{\imath}}}{\sqrt{2}}+\frac{\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{\sqrt{2}}+\hat{\mathbf{k}} \\ & && \text{그리고 }\qquad\frac{\hat{\boldsymbol{\imath}}}{\sqrt{2}}-\frac{\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{\sqrt{2}}+\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The curve x2+y2=1x^2+y^2=1 is a circle of radius 11. So we can parametrize it by x(θ)=cos⁡θx(\theta)=\cos\theta, y(θ)=sin⁡θy(\theta)=\sin\theta, 0≤θ<2π0\le\theta<2\pi. The zz-coordinate of any point on the intersection is determined by z=1−x−yz=1-x-y. So we can use

r(θ)=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^+(1−cos⁡θ−sin⁡θ) k^0≤θ<2π\mathbf{r}(\theta) = \cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + (1-\cos\theta-\sin\theta)\,\hat{\mathbf{k}} \qquad 0\le\theta<2\pi

(b) As

v(θ)=r′(θ)=(−sin⁡θ,cos⁡θ,sin⁡θ−cos⁡θ)a(θ)=v′(θ)=(−cos⁡θ,−sin⁡θ,cos⁡θ+sin⁡θ)\begin{aligned} \mathbf{v}(\theta)=\mathbf{r}'(\theta)&=\big(-\sin\theta,\cos\theta,\sin\theta-\cos\theta\big) \\ \mathbf{a}(\theta)=\mathbf{v}'(\theta)&=\big(-\cos\theta,-\sin\theta,\cos\theta+\sin\theta\big) \end{aligned}

we have

dsdθ=∣r′(θ)∣=sin⁡2θ+cos⁡2θ+(sin⁡θ−cos⁡θ)2=2−2sin⁡θcos⁡θ=2−sin⁡(2θ)v(θ)×a(θ)=(1,1,1)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta} &= |\mathbf{r}'(\theta)| =\sqrt{\sin^2\theta+\cos^2\theta+(\sin\theta-\cos\theta)^2}\\ &=\sqrt{2-2\sin\theta\cos\theta} \\ &=\sqrt{2-\sin(2\theta)} \\ \mathbf{v}(\theta)\times\mathbf{a}(\theta)&=\big(1,1,1\big) \end{aligned}

and the curvature

κ(θ)=∣v(θ)×a(θ)∣(dsdθ)3=3[2−sin⁡(2θ)]3/2\begin{aligned} \kappa (\theta) &= \frac{|\mathbf{v}(\theta)\times\mathbf{a}(\theta)|}{\big(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}\big)^3} =\frac{\sqrt{3}}{[2-\sin(2\theta)]^{3/2}} \end{aligned}

(c) The curvature is

  • a maximum (minimum) when 2−sin⁡(2θ)2-\sin(2\theta) is a minimum (maximum),
  • which is the case when sin⁡(2θ)=1\sin(2\theta)=1 (sin⁡(2θ)=−1\sin(2\theta)=-1),
  • which in turn is the case when θ=π4,5π4\theta=\frac{\pi}{4},\frac{5\pi}{4} (θ=3π4,7π4\theta=\frac{3\pi}{4},\frac{7\pi}{4}).

So

maximum curvature =3[2−1]3/2=3at ı^2+ȷ^2+(1−2) k^and −ı^2−ȷ^2+(1+2) k^minimum curvature =3[2−(−1)]3/2=13at −ı^2+ȷ^2+k^and ı^2−ȷ^2+k^\begin{aligned} \text{maximum curvature }&= \frac{\sqrt{3}}{[2-1]^{3/2}}=\sqrt{3} && \text{at }\qquad\frac{\hat{\boldsymbol{\imath}}}{\sqrt{2}}+\frac{\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{\sqrt{2}}+(1-\sqrt{2})\,\hat{\mathbf{k}} \\ & && \text{and }\quad-\frac{\hat{\boldsymbol{\imath}}}{\sqrt{2}}-\frac{\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{\sqrt{2}}+(1+\sqrt{2})\,\hat{\mathbf{k}} \\ \text{minimum curvature }&= \frac{\sqrt{3}}{[2-(-1)]^{3/2}}=\frac{1}{3} && \text{at }\qquad-\frac{\hat{\boldsymbol{\imath}}}{\sqrt{2}}+\frac{\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{\sqrt{2}}+\hat{\mathbf{k}} \\ & && \text{and }\qquad\frac{\hat{\boldsymbol{\imath}}}{\sqrt{2}}-\frac{\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{\sqrt{2}}+\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

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

E=12m∣v∣2+mgyE=\frac12m|\mathbf{v}|^2+mgy 의 정의에서 v\mathbf{v} 는 위치를 어떤 양에 대해 미분한 도함수입니까?

영어 원문 보기

In the definition E=12m∣v∣2+mgyE=\frac12m|\mathbf{v}|^2+mgy, v\mathbf{v} is the derivative of position with respect to what quantity?

정답·풀이 보기

이 식은 F=ma\mathbf{F}=m\mathbf{a} 에서 나온 것이다. 이 식에서 a\mathbf{a} 는 가속도로, 위치를 시간에 대해 두 번 미분한 것이다. 따라서 v\mathbf{v} 는 위치를 시간에 대해 미분한 도함수이다.

앞에서는 v\mathbf{v} 를 위치를 정의하는 데 쓰는 매개변수에 대한 위치의 도함수로 사용했다. 그 매개변수는 흔히 tt 라고 불렀지만 반드시 시간인 것은 아니었다. 그러므로 이 점은 잘 구별해 두어야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

This equation stems from F=ma\mathbf{F}=m\mathbf{a}. In that equation, a\mathbf{a} is acceleration — the second derivative of position with respect to time. So, v\mathbf{v} is the derivative of position with respect to time.

We previously used v\mathbf{v} as the derivative of position with respect to the parameter we use to define our position — which was often called tt, but was not the necessarily time. So this is a good point to keep straight.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 1번
# 공간에서의 운동계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
674.CLP-4 · 1.7절 · 5번대학 수준우리말 번역

질량이 100 kg인 스케이트보더가 반지름이 5 m인 마찰이 없는 원형 배수로 안에서 자유롭게 굴러가고 있습니다. 스케이트보더가 수직 높이 0 m와 3 m 사이를 왕복한다면, 이 계의 에너지 EE 는 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

A skateboarder of mass 100 kg is freely rolling in a frictionless circular culvert of radius 5 m. If the skateboarder oscillates between vertical heights of 0 and 3 m, what is the energy EE of the system?

답 쓰고 채점
J
정답·풀이 보기

스케이트보더는 yS=Emgy_S=\frac{E}{mg} 에서 다시 내려가기 시작하므로, 3 m=E100kg⋅9.8 ms23\textrm{ m}=\frac{E}{100 \mathrm{ kg} \cdot 9.8~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}} 을 풀어 E=2940 kg⋅m2s2=2940JE=2940 ~\frac{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2}=2940 J 를 얻는다.

참고: 스케이트보더가 배수로를 끝까지 한 바퀴 돌지 않으려면 지름이 3m보다 커야 했지만, r=5r=5 를 택하든 예를 들어 r=50r=50 을 택하든 답은 달라지지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

The skateboarder starts going back down at yS=Emgy_S=\frac{E}{mg}, so we solve 3 m=E100kg⋅9.8 ms23\textrm{ m}=\frac{E}{100 \mathrm{ kg} \cdot 9.8~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}} to find E=2940 kg⋅m2s2=2940JE=2940 ~\frac{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2}=2940 J

Remark: we needed the diameter to be greater than 3m for the skateboarder to not be going all the way around the culvert, but choosing r=5r=5 leads to an answer no different from, say, r=50r=50.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 13번
# 공간에서의 운동계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
675.CLP-4 · 1.7절 · 9번대학 수준우리말 번역

스키 선수가 언덕을 미끄러져 내려가고 있습니다. 이 언덕은 r(t)=(ln⁡t,1−t)\mathbf{r}(t)=(\ln t, 1-t), 1/e≤t≤e1/e \le t \le e 로 나타낼 수 있고, 좌표는 킬로미터 단위로 잰 값입니다. 스키 선수가 공중으로 떠오르려면 얼마나 빠르게 움직여야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

A skier is gliding down a hill. The hill can be described as r(t)=(ln⁡t,1−t)\mathbf{r}(t)=(\ln t, 1-t), 1/e≤t≤e1/e \le t \le e, with coordinates measured in kilometres. How fast would the skier have to be moving in order to catch air?

정답·풀이 보기

교재의 식에 따르면 스키 선수는 다음일 때 공중에 뜬다. ∣v∣>gκ∣ȷ^⋅N^∣|\mathbf{v}|>\sqrt{\frac{g}{\kappa}|\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}|} 곡선의 방정식을 이용하여 κ\kappa 와 N^\hat{\mathbf{N}} 을 구한다.

gg 는 미터와 초 단위로 주어졌지만 다른 양은 킬로미터와 시간 단위임에 유의한다. 단위를 바꾸면, 9.89.8 m/s2^2 은 (9.8 m1 s2)(1 km1000 m)(3600 s1 시간)2=98⋅64 kmh2=25⋅34⋅72 kmh2\left(\frac{9.8\text{ m}}{1 \text{ s}^2}\right)\left( \frac{1 \text{ km}}{1000 \text{ m}}\right)\left(\frac{3600 \text{ s}}{1 \text{ 시간}} \right)^2=98\cdot 6^4~ \frac{\text{km}}{\text{h}^2}=2^5\cdot 3^4\cdot 7^2~ \frac{\text{km}}{\text{h}^2} 과 같다.

r(t)=(ln⁡t,1−t)r′(t)=v(t)=(t−1,−1)dsdt=∣v(t)∣=1+t−2r′′(t)=a(t)=(−t−2,0)κ(t)=∣v×a∣(dsdt)3=t−21+t−23=∣t∣(1+t2)3/2=t(1+t2)3/2주어진 구간에서 t 는 양수임에 유의한다.T^(t)=v(t)∣v(t)∣=11+t−2(t−1,−1)=(11+t2,−t1+t2)T^′(t)=(−t(1+t2)3/2,−1(1+t2)3/2)∣T^′(t)∣=1t2+1N^(t)=T^′(t)∣T^′(t)∣=(−t1+t2,−11+t2)∣N^⋅ȷ^∣=11+t2\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=(\ln t,1-t)\\ \mathbf{r}'(t)&=\mathbf{v}(t)=(t^{-1}, -1)\qquad\qquad \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=|\mathbf{v}(t)|=\sqrt{1+t^{-2}}\\ \mathbf{r}''(t)&=\mathbf{a}(t)=(-t^{-2},0)\\ \kappa (t)&=\frac{|\mathbf{v} \times \mathbf{a}|}{\left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^{3}}=\frac{t^{-2}}{\sqrt{1+t^{-2}}^3}=\frac{|t|}{(1+t^{2})^{3/2}}=\frac{t}{(1+t^{2})^{3/2}} \\ \text{주어진 구간에서 $t$ 는 양수임에 유의한다.} \\ \hat{\mathbf{T}}(t)&=\frac{\mathbf{v}(t)}{|\mathbf{v}(t)|}=\frac{1}{\sqrt{1+t^{-2}}}(t^{-1},-1)=\left( \frac{1}{\sqrt{1+t^{2}}},\frac{-t}{\sqrt{1+t^{2}}}\right)\\ \hat{\mathbf{T}}'(t)&= \left( \frac{-t}{({1+t^2})^{3/2}},\frac{-1}{({1+t^2})^{3/2}}\right)\qquad\qquad |\hat{\mathbf{T}}'(t)|=\frac{1}{t^2+1}\\ \hat{\mathbf{N}}(t)&=\frac{\hat{\mathbf{T}}'(t)}{|\hat{\mathbf{T}}'(t)|}=\left( \frac{-t}{\sqrt{1+t^2}},\frac{-1}{\sqrt{1+t^2}}\right)\\ |\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}|&=\frac{1}{\sqrt{1+t^2}} \end{aligned}

이제 지면의 “탈출 속도”를 구하는 데 필요한 값을 모두 얻었다.

∣v∣=gκ∣N^⋅ȷ^∣=g⋅(1+t2)3/2t(1+t2)1/2=g(1+t2)t\begin{aligned} |\mathbf{v}|&=\sqrt{\frac{g}{\kappa}|\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}|}=\sqrt{\frac{g\cdot (1+t^{2})^{3/2}}{t(1+t^2)^{1/2}}}=\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} \end{aligned}

스키 선수는 언덕의 어디에서든 떠오를 수 있으므로, 1/e≤t≤e1/e \le t \le e 일 때 g(1+t2)t\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} 의 최솟값보다 속도가 크기만 하면 된다. 그 최솟값을 구하기 위해 더 간단한 함수 g(t)=1+t2tg(t)=\frac{1+t^2}{t} 의 최솟값이 있는 위치를 찾는다. 미분법을 이용하면 t=1t=1 일 때 최소가 됨을 알 수 있다. 따라서 g(1+t2)t\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} 의 최솟값(즉, 떠오르기 위한 최소 속력)은 t=1t=1 에서 나타난다. 그러므로 최소 속력은 다음보다 커야 한다.

g(1+t2)∣t∣∣t=1=2g=26⋅34⋅72=23⋅32⋅7=504 km/h\begin{aligned} \sqrt{\frac{g(1+t^2)}{|t|}}\Bigg|_{t=1}&=\sqrt{2g}=\sqrt{2^6\cdot3^4\cdot7^2}=2^3\cdot 3^2\cdot 7 = 504\text{ km/h} \end{aligned}

(스키를 타고 이 속력에 도달하기는 어려울 것이다. 더 크게 굽은 언덕을 찾기 전까지 스키 선수는 아마 땅에 붙어 있을 것이다.)

원본 교재 풀이(영어)

According to the equation in the text, the skier will become airborne when: ∣v∣>gκ∣ȷ^⋅N^∣|\mathbf{v}|>\sqrt{\frac{g}{\kappa}|\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\hat{\mathbf{N}}|} We'll use the equation of the curve to find κ\kappa and N^\hat{\mathbf{N}}.

Note that gg is given in metres per second, while the other quantities are in kilometres and hours. Converting, 9.89.8 m/s2^2 is the same as (9.8 m1 s2)(1 km1000 m)(3600 s1 hr)2=98⋅64 kmh2=25⋅34⋅72 kmh2\left(\frac{9.8\text{ m}}{1 \text{ s}^2}\right)\left( \frac{1 \text{ km}}{1000 \text{ m}}\right)\left(\frac{3600 \text{ s}}{1 \text{ hr}} \right)^2=98\cdot 6^4~ \frac{\text{km}}{\text{h}^2}=2^5\cdot 3^4\cdot 7^2~ \frac{\text{km}}{\text{h}^2}.

r(t)=(ln⁡t,1−t)r′(t)=v(t)=(t−1,−1)dsdt=∣v(t)∣=1+t−2r′′(t)=a(t)=(−t−2,0)κ(t)=∣v×a∣(dsdt)3=t−21+t−23=∣t∣(1+t2)3/2=t(1+t2)3/2Note t is positive in the interval in question.T^(t)=v(t)∣v(t)∣=11+t−2(t−1,−1)=(11+t2,−t1+t2)T^′(t)=(−t(1+t2)3/2,−1(1+t2)3/2)∣T^′(t)∣=1t2+1N^(t)=T^′(t)∣T^′(t)∣=(−t1+t2,−11+t2)∣N^⋅ȷ^∣=11+t2\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=(\ln t,1-t)\\ \mathbf{r}'(t)&=\mathbf{v}(t)=(t^{-1}, -1)\qquad\qquad \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=|\mathbf{v}(t)|=\sqrt{1+t^{-2}}\\ \mathbf{r}''(t)&=\mathbf{a}(t)=(-t^{-2},0)\\ \kappa (t)&=\frac{|\mathbf{v} \times \mathbf{a}|}{\left(\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\right)^{3}}=\frac{t^{-2}}{\sqrt{1+t^{-2}}^3}=\frac{|t|}{(1+t^{2})^{3/2}}=\frac{t}{(1+t^{2})^{3/2}} \\ \text{Note $t$ is positive in the interval in question.} \\ \hat{\mathbf{T}}(t)&=\frac{\mathbf{v}(t)}{|\mathbf{v}(t)|}=\frac{1}{\sqrt{1+t^{-2}}}(t^{-1},-1)=\left( \frac{1}{\sqrt{1+t^{2}}},\frac{-t}{\sqrt{1+t^{2}}}\right)\\ \hat{\mathbf{T}}'(t)&= \left( \frac{-t}{({1+t^2})^{3/2}},\frac{-1}{({1+t^2})^{3/2}}\right)\qquad\qquad |\hat{\mathbf{T}}'(t)|=\frac{1}{t^2+1}\\ \hat{\mathbf{N}}(t)&=\frac{\hat{\mathbf{T}}'(t)}{|\hat{\mathbf{T}}'(t)|}=\left( \frac{-t}{\sqrt{1+t^2}},\frac{-1}{\sqrt{1+t^2}}\right)\\ |\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}|&=\frac{1}{\sqrt{1+t^2}} \end{aligned}

Now, we have all the pieces we need to find the “escape velocity" of the ground.

∣v∣=gκ∣N^⋅ȷ^∣=g⋅(1+t2)3/2t(1+t2)1/2=g(1+t2)t\begin{aligned} |\mathbf{v}|&=\sqrt{\frac{g}{\kappa}|\hat{\mathbf{N}} \cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}|}=\sqrt{\frac{g\cdot (1+t^{2})^{3/2}}{t(1+t^2)^{1/2}}}=\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} \end{aligned}

Since the skier can take off anywhere on the hill, we just need their velocity to be larger than the smallest value of g(1+t2)t\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} when 1/e≤t≤e1/e \le t \le e. To find that minimum, we find the location of the minimum of the simpler function g(t)=1+t2tg(t)=\frac{1+t^2}{t}. Using first-semester calculus, we find it to occur when t=1t=1. So, the minimum value of g(1+t2)t\sqrt{\frac{g(1+t^2)}{t}} (that is, smallest speed to achieve lift-off) occurs at t=1t=1. We therefore need a minimum speed greater than:

g(1+t2)∣t∣∣t=1=2g=26⋅34⋅72=23⋅32⋅7=504 kph\begin{aligned} \sqrt{\frac{g(1+t^2)}{|t|}}\Bigg|_{t=1}&=\sqrt{2g}=\sqrt{2^6\cdot3^4\cdot7^2}=2^3\cdot 3^2\cdot 7 = 504\text{ kph} \end{aligned}

(It seems unlikely that one could reach this speed on skis. The skier is probably earth-bound until they find a curvier hill.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.7절 · 6번
# 공간에서의 운동계산보통자동 분류
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