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127문제 · 6 / 7쪽

101.APEX · 11.3절 · 38번대학 수준우리말 번역

연습문제 37–42번은 포물선 운동(투사체 운동)의 원리를 바탕으로 한 여러 문제를 풀도록 한다.

데이비드는 길이 3ft의 물매(투석끈)에 돌 하나만 들고 골리앗과 마주 서 있다. 그는 이 돌을 머리 위에서 초당 4회전의 속도로 휘돌린다. 두 사람은 20ft 떨어져 서 있다.

(a) 골리앗을 맞히려면 데이비드는 물매의 돌을 어떤 tt 값에서 놓아야 하는지 구하세요. (b) 돌을 놓는 순간 돌의 속력을 구하세요. (c) 데이비드가 돌을 6ft 높이에서 놓고 골리앗의 이마가 지면으로부터 9ft 높이에 있다고 가정할 때, 골리앗의 머리를 맞히려면 데이비드가 돌에 어떤 올려본각을 주어야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Exercises 37–42 ask you to solve a variety of problems based on the principles of projectile motion.

David faces Goliath with only a stone in a 3ft sling, which he whirls above his head at 4 revolutions per second. They stand 20ft apart.

(a) At what tt-values must David release the stone in his sling in order to hit Goliath? (b) What is the speed at which the stone is traveling when released? (c) Assume David releases the stone from a height of 6ft and Goliath's forehead is 9ft above the ground. What angle of elevation must David apply to the stone to hit Goliath's head?

정답·풀이 보기

휘돌리는 동안의 돌은 r⃗(t)=⟨3cos⁡(8πt),3sin⁡(8πt)⟩\vec r(t) = \left\langle 3\cos(8\pi t),3\sin (8\pi t)\right\rangle 로 나타낼 수 있다.

(a) tt 값은 t=sin⁡−1(3/20)/(8π)+n/4≈0.006+n/4t=\sin^{-1}(3/20)/(8\pi) + n/4 \approx 0.006 + n/4 이다. 여기서 nn 은 정수이다. (b) ∥r⃗ ′(t)∥=24π≈51.4\left\|\vec r\,'(t)\right\| = 24\pi\approx 51.4ft/s (c) t=0.006t=0.006 일 때 돌은 골리앗으로부터 약 19.7719.77ft 떨어져 있다. 포물선 운동 공식을 이용하여, ⟨0,6⟩\left\langle 0,6\right\rangle 에서 처음 속도 51.451.4ft/s 로 출발한 투사체가 ⟨19.77,9⟩\left\langle 19.77,9\right\rangle 에 도달하게 하는 올려본각을 구한다. 구하는 각은 0.270.27 라디안, 즉 15.69∘15.69^\circ 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The stone, while whirling, can be modeled by r⃗(t)=⟨3cos⁡(8πt),3sin⁡(8πt)⟩\vec r(t) = \left\langle 3\cos(8\pi t),3\sin (8\pi t)\right\rangle .

(a) For tt-values t=sin⁡−1(3/20)/(8π)+n/4≈0.006+n/4t=\sin^{-1}(3/20)/(8\pi) + n/4 \approx 0.006 + n/4, where nn is an integer. (b) ∥r⃗ ′(t)∥=24π≈51.4\left\|\vec r\,'(t)\right\| = 24\pi\approx 51.4ft/s (c) At t=0.006t=0.006, the stone is approximately 19.7719.77ft from Goliath. Using the formula for projectile motion, we want the angle of elevation that lets a projectile starting at ⟨0,6⟩\left\langle 0,6\right\rangle with a initial velocity of 51.451.4ft/s arrive at ⟨19.77,9⟩\left\langle 19.77,9\right\rangle . The desired angle is 0.270.27 radians, or 15.69∘15.69^\circ.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 19번
# 공간에서의 운동활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
102.APEX · 11.3절 · 42번대학 수준우리말 번역

연습문제 37–42는 포물선 운동(투사체 운동)의 원리에 바탕을 둔 여러 문제를 풀도록 요구한다.

미식축구 쿼터백이 6피트 높이에서 패스를 던져, 20야드 떨어진 곳에서 5피트 높이에 있는 리시버를 맞히려고 한다.

(a) 공을 50마일/시의 속력으로 던진다면, 목표를 맞히려면 올려 보는 각(앙각)이 얼마여야 하는지 구하세요. (b) 공을 올려 보는 각 8∘8^\circ 로 던진다면, 목표를 맞히려면 공의 처음 속력이 얼마여야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Exercises 37–42 ask you to solve a variety of problems based on the principles of projectile motion.

A football quarterback throws a pass from a height of 6ft, intending to hit his receiver 20yds away at a height of 5ft.

(a) If the ball is thrown at a rate of 50mph, what angle of elevation is needed to hit his intended target? (b) If the ball is thrown at with an angle of elevation of 8∘8^\circ, what initial ball speed is needed to hit his target?

정답·풀이 보기

공의 위치 함수는 r⃗(t)=⟨(v0cos⁡θ)t,−16t2+(v0sin⁡θ)t+6⟩\vec r(t) = \left\langle (v_0\cos\theta)t,-16t^2+(v_0\sin\theta)t+6\right\rangle 이다. 여기서 θ\theta 는 올려 보는 각이고 v0v_0 는 공의 처음 속력이다.

(a) v0=73.33v_0 = 73.33피트/초일 때 가능한 올려 보는 각은 두 가지이다. θ=9.47∘\theta = 9.47^\circ 이면 공이 0.83초 만에 도달하고, 79.57∘79.57^\circ 이면 4.54.5초 만에 도달한다. (b) θ=8∘\theta=8^\circ 일 때 처음 속력은 53.8마일/시 ≈78.9\approx 78.9피트/초이어야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

The position function of the ball is r⃗(t)=⟨(v0cos⁡θ)t,−16t2+(v0sin⁡θ)t+6⟩\vec r(t) = \left\langle (v_0\cos\theta)t,-16t^2+(v_0\sin\theta)t+6\right\rangle , where θ\theta is the angle of elevation and v0v_0 is the initial ball speed.

(a) With v0=73.33v_0 = 73.33ft/s, there are two angles of elevation possible. An angle of θ=9.47∘\theta = 9.47^\circ delivers the ball in 0.83s, while an angle of 79.57∘79.57^\circ delivers the ball in 4.54.5s. (b) With θ=8∘\theta=8^\circ, the initial speed must be 53.8mph≈78.9\approx 78.9ft/s.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.4절 · 29번
# 공간에서의 운동활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
103.CLP-3 · 1.1절 · 5번대학 수준우리말 번역

임의의 삼각형을 생각하자. 한 꼭짓점이 원점에 있고 두 번째 꼭짓점이 양의 xx 축 위에 있도록 좌표계를 잡는다. 두 번째 꼭짓점의 좌표를 (a,0)(a,0), 세 번째 꼭짓점의 좌표를 (b,c)(b,c) 라 하자. 외접원(세 꼭짓점을 모두 지나는 원)을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider any triangle. Pick a coordinate system so that one vertex is at the origin and a second vertex is on the positive xx–axis. Call the coordinates of the second vertex (a,0)(a,0) and those of the third vertex (b,c)(b,c). Find the circumscribing circle (the circle that goes through all three vertices).

정답·풀이 보기

외접원의 중심을 (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y) 라 하자. 이 중심은 세 꼭짓점에서 같은 거리에 있어야 한다. 따라서

xˉ2+yˉ2=(xˉ−a)2+yˉ2=(xˉ−b)2+(yˉ−c)2\bar x^2+\bar y^2=(\bar x-a)^2+\bar y^2=(\bar x-b)^2+(\bar y-c)^2

이고, 같은 세 식에서 각각 xˉ2+yˉ2\bar x^2+\bar y^2 을 빼면

0=a2−2axˉ=b2−2bxˉ+c2−2cyˉ0=a^2-2a\bar x=b^2-2b\bar x+c^2-2c\bar y

이다. 이로부터

xˉ=a2yˉ=b2+c2−2bxˉ2c=b2+c2−ab2c\bar x=\frac{a}{2}\qquad\qquad \bar y =\frac{b^2+c^2-2b\bar x}{2c}=\frac{b^2+c^2-ab}{2c}

를 얻는다.

반지름은 꼭짓점 (0,0)(0,0) 에서 중심 (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y) 까지의 거리이므로 (a2)2+(b2+c2−ab2c)2\sqrt{\big(\frac{a}{2}\big)^2+\big(\frac{b^2+c^2-ab}{2c}\big)^2} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Call the centre of the circumscribing circle (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y). This centre must be equidistant from the three vertices. So

xˉ2+yˉ2=(xˉ−a)2+yˉ2=(xˉ−b)2+(yˉ−c)2\bar x^2+\bar y^2=(\bar x-a)^2+\bar y^2=(\bar x-b)^2+(\bar y-c)^2

or, subtracting xˉ2+yˉ2\bar x^2+\bar y^2 from the three equal expressions,

0=a2−2axˉ=b2−2bxˉ+c2−2cyˉ0=a^2-2a\bar x=b^2-2b\bar x+c^2-2c\bar y

which implies

xˉ=a2yˉ=b2+c2−2bxˉ2c=b2+c2−ab2c\bar x=\frac{a}{2}\qquad\qquad \bar y =\frac{b^2+c^2-2b\bar x}{2c}=\frac{b^2+c^2-ab}{2c}

The radius is the distance from the vertex (0,0)(0,0) to the centre (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y), which is (a2)2+(b2+c2−ab2c)2\sqrt{\big(\frac{a}{2}\big)^2+\big(\frac{b^2+c^2-ab}{2c}\big)^2}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.2절 · 19번
# 공간좌표활용보통자동 분류
104.CLP-3 · 1.2절 · 19번대학 수준우리말 번역

다음과 같이 정의된 평면 WW 를 생각하세요.

W : −x+3y+3z=6,W\ :\ -x + 3y + 3z = 6,\qquad

WW 위에서 0≤x≤30 \le x \le 3, 0≤y≤20 \le y \le 2 로 정의되는 평행사변형의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the plane WW, defined by:

W : −x+3y+3z=6,W\ :\ -x + 3y + 3z = 6,\qquad

Find the area of the parallelogram on WW defined by 0≤x≤30 \le x \le 3, 0≤y≤20 \le y \le 2.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

다음에 유의한다.

  • WW 위의 점 중 x=0x=0, y=0y=0 인 점은 −0+3(0)+3z=6-0+3(0)+3z=6 을 만족시키므로 z=2z=2 이다.
  • WW 위의 점 중 x=0x=0, y=2y=2 인 점은 −0+3(2)+3z=6-0+3(2)+3z=6 을 만족시키므로 z=0z=0 이다.
  • WW 위의 점 중 x=3x=3, y=0y=0 인 점은 −3+3(0)+3z=6-3+3(0)+3z=6 을 만족시키므로 z=3z=3 이다.
  • WW 위의 점 중 x=3x=3, y=2y=2 인 점은 −3+3(2)+3z=6-3+3(2)+3z=6 을 만족시키므로 z=1z=1 이다.

따라서 평행사변형의 네 꼭짓점은 (0,0,2)(0,0,2), (0,2,0)(0,2,0), (3,0,3)(3,0,3), (3,2,1)(3,2,1) 이다. 벡터

d1=<0−0 , 2−0 , 0−2>=<0 , 2 , −2>d2=<3−0 , 0−0 , 3−2>=<3 , 0 , 1>\begin{aligned} \mathbf{d}_1&=\left< 0-0 \,,\, 2-0 \,,\, 0-2 \right> = \left< 0 \,,\, 2 \,,\, -2\right> \\ \mathbf{d}_2&=\left< 3-0 \,,\, 0-0 \,,\, 3-2 \right> = \left< 3 \,,\, 0 \,,\, 1\right> \end{aligned}

는 평행사변형의 두 변을 이룬다. 따라서 평행사변형의 넓이는

∣d1×d2∣=∣det⁡[ı^ȷ^k^02−2301]∣=∣2 ı^−6 ȷ^−6k^∣=76=219\begin{aligned} \big|\mathbf{d}_1\times\mathbf{d}_2\big| =\left|\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 2 & -2 \\ 3 & 0 & 1 \end{matrix}\right]\right| =\left| 2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - 6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -6\hat{\mathbf{k}} \right| =\sqrt{76} =2\sqrt{19} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Note that

  • the point on WW with x=0x=0, y=0y=0 obeys −0+3(0)+3z=6-0+3(0)+3z=6 and so has z=2z=2
  • the point on WW with x=0x=0, y=2y=2 obeys −0+3(2)+3z=6-0+3(2)+3z=6 and so has z=0z=0
  • the point on WW with x=3x=3, y=0y=0 obeys −3+3(0)+3z=6-3+3(0)+3z=6 and so has z=3z=3
  • the point on WW with x=3x=3, y=2y=2 obeys −3+3(2)+3z=6-3+3(2)+3z=6 and so has z=1z=1

So the four corners of the parallelogram are (0,0,2)(0,0,2), (0,2,0)(0,2,0), (3,0,3)(3,0,3) and (3,2,1)(3,2,1). The vectors

d1=<0−0 , 2−0 , 0−2>=<0 , 2 , −2>d2=<3−0 , 0−0 , 3−2>=<3 , 0 , 1>\begin{aligned} \mathbf{d}_1&=\left< 0-0 \,,\, 2-0 \,,\, 0-2 \right> = \left< 0 \,,\, 2 \,,\, -2\right> \\ \mathbf{d}_2&=\left< 3-0 \,,\, 0-0 \,,\, 3-2 \right> = \left< 3 \,,\, 0 \,,\, 1\right> \end{aligned}

form two sides of the paralleogram. So the area of the parallelogram is

∣d1×d2∣=∣det⁡[ı^ȷ^k^02−2301]∣=∣2 ı^−6 ȷ^−6k^∣=76=219\begin{aligned} \big|\mathbf{d}_1\times\mathbf{d}_2\big| =\left|\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 2 & -2 \\ 3 & 0 & 1 \end{matrix}\right]\right| =\left| 2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - 6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -6\hat{\mathbf{k}} \right| =\sqrt{76} =2\sqrt{19} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2장 복습 · 15번
# 벡터의 연산활용보통자동 분류
105.CLP-3 · 1.2절 · 34번대학 수준우리말 번역

2차원 세계에서 마찰 없이 언덕 y=h(x)y=h(x) 위를 미끄러져 내려가는 스키 선수를 생각하세요. 스키 선수에게는 두 힘이 작용합니다. 하나는 중력입니다. 다른 하나는 언덕에 수직으로 작용합니다. 이 두 번째 힘은 스키 선수가 언덕 속으로 파고들지 않도록 크기가 저절로 조절됩니다. 스키 선수가 y0=h(x0)y_0=h(x_0) 인 어떤 점 (x0,y0)(x_0,y_0) 에서 공중으로 떠올랐다고 합시다. 이때 스키 선수의 속력은 얼마였는지 구하세요.

영어 원문 보기

Consider a skier who is sliding without friction on the hill y=h(x)y=h(x) in a two dimensional world. The skier is subject to two forces. One is gravity. The other acts perpendicularly to the hill. The second force automatically adjusts its magnitude so as to prevent the skier from burrowing into the hill. Suppose that the skier became airborne at some (x0,y0)(x_0,y_0) with y0=h(x0)y_0=h(x_0). How fast was the skier going?

정답·풀이 보기

시각 tt 에서 스키 선수의 위치를 (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) 로 나타내자. 스키 선수가 언덕 표면 위에 있는 동안

y(t)=h(x(t))  ⟹  y′(t)=h′(x(t)) x′(t)  ⟹  y′′(t)=h′′(x(t)) x′(t)2+h′(x(t)) x′′(t)\begin{aligned} y(t)&=h\big(x(t)\big) \\ \implies y'(t)&=h'\big(x(t)\big)\,x'(t) \\ \implies y''(t)&=h''\big(x(t)\big)\, x'(t)^2+h'\big(x(t)\big)\,x''(t) \end{aligned}

따라서 스키 선수의 속도 벡터와 가속도 벡터는 다음과 같다.

v(t)=<1,h′(x(t))>x′(t)a(t)=<1,h′(x(t))>x′′(t)+<0,h′′(x(t))>x′(t)2\begin{aligned} \mathbf{v}(t)&=\left< 1,h'\big(x(t)\big)\right> x'(t) \\ \mathbf{a}(t)&=\left< 1,h'\big(x(t)\big)\right> x''(t) +\left< 0,h''\big(x(t)\big)\right> x'(t)^2 \end{aligned}

스키 선수에게는 두 힘이 작용한다. 하나는 중력이다. 다른 하나는 언덕에 수직으로 작용하며, 스키 선수가 언덕 표면 위에 머물도록 하는 크기를 가진다. 스키 선수가 언덕 표면 위에 있는 동안에는 속도 벡터가 언덕에 접하므로, 이 속도 벡터로부터 (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) 에서 언덕에 수직인 벡터 하나가 n(t)=<−h′(x(t)),1>\mathbf{n}(t)=\left<-h'\big(x(t)\big),1\right> 임을 알 수 있다. 이 벡터는 단위벡터가 아니지만 상관없다. 뉴턴의 운동 법칙에 의해

ma=−mg ȷ^+p(t) n(t)m\mathbf{a}=-mg\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+p(t)\,\mathbf{n}(t)

이다. 여기서 p(t)p(t) 는 어떤 함수이다. 이 등식의 양변에 n(t)\mathbf{n}(t) 를 내적한다.

ma(t)⋅n(t)=−mgȷ^⋅n(t)+p(t)∣n(t)∣2m\mathbf{a}(t)\cdot\mathbf{n}(t)=-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\mathbf{n}(t)+p(t)|\mathbf{n}(t)|^2

대입하면

mh′′(x(t)) x′(t)2=−mg+p(t)[1+h′(x(t))2]  ⟹  p(t)[1+h′(x(t))2]=m(g+h′′(x(t)) x′(t)2)\begin{aligned} mh''\big(x(t)\big)\,x'(t)^2&=-mg+p(t)\left[1+h'\big(x(t)\big)^2\right] \\ \implies p(t)\left[1+h'\big(x(t)\big)^2\right] &=m\Big(g+h''\big(x(t)\big)\,x'(t)^2\Big) \end{aligned}

이다. p(t)≥0p(t)\ge 0 인 동안에는 언덕이 스키 선수를 표면 위에 머물게 하려고 위로 밀고 있다. p(t)p(t) 가 음수가 되면 언덕이 스키 선수를 표면에 붙잡아 두기 위해 잡아당겨야 한다. 그러나 언덕은 잡아당길 수 없으므로 스키 선수는 대신 공중으로 떠오른다. 이는

g+h′′(x(t))x′(t)2=0g+h''\big(x(t)\big)x'(t)^2=0

일 때 일어난다. 즉 x′(t)=−g/h′′(x(t))x'(t)=\sqrt{-g/h''\big(x(t)\big)} 일 때이다. 이때 x(t)=x0x(t)=x_0, y(t)=y0y(t)=y_0 이고 스키 선수의 속력은

x′(t)2+y′(t)2=1+h′(x0)2−g/h′′(x0)\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2} =\sqrt{1+h'\big(x_0\big)^2}\sqrt{-g/h''\big(x_0\big)}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Denote by (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) the position of the skier at time tt. As long as the skier remains on the surface of the hill

y(t)=h(x(t))  ⟹  y′(t)=h′(x(t)) x′(t)  ⟹  y′′(t)=h′′(x(t)) x′(t)2+h′(x(t)) x′′(t)\begin{aligned} y(t)&=h\big(x(t)\big) \\ \implies y'(t)&=h'\big(x(t)\big)\,x'(t) \\ \implies y''(t)&=h''\big(x(t)\big)\, x'(t)^2+h'\big(x(t)\big)\,x''(t) \end{aligned}

So the velocity and acceleration vectors of the skier are

v(t)=<1,h′(x(t))>x′(t)a(t)=<1,h′(x(t))>x′′(t)+<0,h′′(x(t))>x′(t)2\begin{aligned} \mathbf{v}(t)&=\left< 1,h'\big(x(t)\big)\right> x'(t) \\ \mathbf{a}(t)&=\left< 1,h'\big(x(t)\big)\right> x''(t) +\left< 0,h''\big(x(t)\big)\right> x'(t)^2 \end{aligned}

The skier is subject to two forces. One is gravity. The other acts perpendicularly to the hill and has a magnitude such that the skier remains on the surface of the hill. From the velocity vector of the skier (which remain tangential to the hill as long as the skier remains of the surface of the hill),we see that one vector normal to the hill at (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) is n(t)=<−h′(x(t)),1>\mathbf{n}(t)=\left<-h'\big(x(t)\big),1\right> This vector is not a unit vector, but that's ok. By Newton's law of motion

ma=−mg ȷ^+p(t) n(t)m\mathbf{a}=-mg\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+p(t)\,\mathbf{n}(t)

for some function p(t)p(t). Dot both sides of this equation with n(t)\mathbf{n}(t).

ma(t)⋅n(t)=−mgȷ^⋅n(t)+p(t)∣n(t)∣2m\mathbf{a}(t)\cdot\mathbf{n}(t)=-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\mathbf{n}(t)+p(t)|\mathbf{n}(t)|^2

Substituting in

mh′′(x(t)) x′(t)2=−mg+p(t)[1+h′(x(t))2]  ⟹  p(t)[1+h′(x(t))2]=m(g+h′′(x(t)) x′(t)2)\begin{aligned} mh''\big(x(t)\big)\,x'(t)^2&=-mg+p(t)\left[1+h'\big(x(t)\big)^2\right] \\ \implies p(t)\left[1+h'\big(x(t)\big)^2\right] &=m\Big(g+h''\big(x(t)\big)\,x'(t)^2\Big) \end{aligned}

As long as p(t)≥0p(t)\ge 0, the hill is pushing up in order to keep the skier on the surface. When p(t)p(t) becomes negative, the hill has to pull on the skier in order to keep her on the surface. But the hill can't pull, so the skier becomes airborne instead. This happens when

g+h′′(x(t))x′(t)2=0g+h''\big(x(t)\big)x'(t)^2=0

That is when x′(t)=−g/h′′(x(t))x'(t)=\sqrt{-g/h''\big(x(t)\big)}. At this time x(t)=x0x(t)=x_0, y(t)=y0y(t)=y_0 and the speed of the skier is

x′(t)2+y′(t)2=1+h′(x0)2−g/h′′(x0)\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2} =\sqrt{1+h'\big(x_0\big)^2}\sqrt{-g/h''\big(x_0\big)}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 35번
# 벡터의 연산활용도전자동 분류
106.CLP-3 · 1.4절 · 19번대학 수준우리말 번역

점 P(5,−10,2)P(5,-10,2) 와 세 꼭짓점이 A(0,1,1)A(0,1,1), B(1,0,1)B(1,0,1), C(1,3,0)C(1,3,0) 인 삼각형을 생각하세요.

(a) 삼각형 ABCABC 의 넓이를 구하세요. (b) 점 PP 에서 이 삼각형을 포함하는 평면까지의 거리를 구하세요.

영어 원문 보기

Consider a point P(5,−10,2)P(5,-10,2) and the triangle with vertices A(0,1,1)A(0,1,1), B(1,0,1)B(1,0,1) and C(1,3,0)C(1,3,0).

(a) Compute the area of the triangle ABCABC. (b) Find the distance from the point PP to the plane containing the triangle.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 삼각형의 한 변은 AB→=<1,0,1>−<0,1,1>=<1,−1,0>\overrightarrow{AB}=\left< 1,0,1\right> - \left< 0,1,1\right> = \left< 1,-1,0\right> 이다. 삼각형의 다른 한 변은 AC→=<1,3,0>−<0,1,1>=<1,2,−1>\overrightarrow{AC}=\left< 1,3,0\right> - \left< 0,1,1\right> = \left< 1,2,-1\right> 이다. AB→\overrightarrow{AB} 와 AC→\overrightarrow{AC} 가 이루는 각을 θ\theta 라 하고 AB→\overrightarrow{AB} 를 삼각형의 밑변으로 잡으면, 삼각형의 밑변의 길이는 b=∣AB→∣b=|\overrightarrow{AB}| 이고 높이는 h=∣AC→∣sin⁡θh=|\overrightarrow{AC}|\sin\theta 이므로

area=12bh=12∣AB→∣ ∣AC→∣sin⁡θ=12∣AB→×AC→∣=12∣<1,−1,0>×<1,2,−1>∣\text{area}=\tfrac{1}{2} bh =\tfrac{1}{2} |\overrightarrow{AB}|\,|\overrightarrow{AC}|\sin\theta =\tfrac{1}{2}|\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}| =\tfrac{1}{2}|\left< 1,-1,0\right> \times \left< 1,2,-1\right>|

그런데

<1,−1,0>×<1,2,−1>=det⁡[ı^ȷ^k^1−1012−1]=ı^+ȷ^+3k^\left< 1,-1,0\right>\times\left< 1,2,-1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & -1 & 0 \\ 1 & 2 & -1 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3\hat{\mathbf{k}}

이므로

area=12∣<1,1,3>∣=1211≈1.658\text{area}=\tfrac{1}{2}|\left< 1,1,3\right>|=\tfrac{1}{2}\sqrt{11}\approx 1.658

이다.

(b) 삼각형을 포함하는 평면에 수직인 단위벡터는

n^=AB→×AC→∣AB→×AC→∣=<1,1,3>11\hat{\mathbf{n}}=\frac{\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}} {|\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}|} =\frac{\left< 1,1,3\right>}{\sqrt{11}}

이다.

PP 에서 삼각형을 포함하는 평면까지의 거리는 AP→=<5,−10,2>−<0,1,1>=<5,−11,1>\overrightarrow{AP}=\left< 5,-10,2\right>-\left< 0,1,1\right> =\left< 5,-11,1\right> 을 n^\hat{\mathbf{n}} 위로 정사영한 벡터의 길이와 같다. AP→\overrightarrow{AP} 와 n^\hat{\mathbf{n}} 이 이루는 각을 θ\theta 라 하면 이 길이는 다음과 같다.

distance=∣AP→∣ ∣cos⁡θ∣=∣AP→⋅n^∣=∣<5,−11,1>⋅<1,1,3>11∣=311≈0.9045\text{distance}= |\overrightarrow{AP}|\,|\cos\theta| =\big|\overrightarrow{AP}\cdot\hat{\mathbf{n}}\big| =\left|\left< 5,-11,1\right>\cdot\frac{\left< 1,1,3\right>}{\sqrt{11}}\right| =\frac{3}{\sqrt{11}}\approx 0.9045

원본 교재 풀이(영어)

(a) One side of the triangle is AB→=<1,0,1>−<0,1,1>=<1,−1,0>\overrightarrow{AB}=\left< 1,0,1\right> - \left< 0,1,1\right> = \left< 1,-1,0\right>. A second side of the triangle is AC→=<1,3,0>−<0,1,1>=<1,2,−1>\overrightarrow{AC}=\left< 1,3,0\right> - \left< 0,1,1\right> = \left< 1,2,-1\right>. If the angle between AB→\overrightarrow{AB} and AC→\overrightarrow{AC} is θ\theta and if we take AB→\overrightarrow{AB} as the base of the triangle, then the triangle has base length b=∣AB→∣b=|\overrightarrow{AB}| and height h=∣AC→∣sin⁡θh=|\overrightarrow{AC}|\sin\theta and hence

area=12bh=12∣AB→∣ ∣AC→∣sin⁡θ=12∣AB→×AC→∣=12∣<1,−1,0>×<1,2,−1>∣\text{area}=\tfrac{1}{2} bh =\tfrac{1}{2} |\overrightarrow{AB}|\,|\overrightarrow{AC}|\sin\theta =\tfrac{1}{2}|\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}| =\tfrac{1}{2}|\left< 1,-1,0\right> \times \left< 1,2,-1\right>|

As

<1,−1,0>×<1,2,−1>=det⁡[ı^ȷ^k^1−1012−1]=ı^+ȷ^+3k^\left< 1,-1,0\right>\times\left< 1,2,-1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & -1 & 0 \\ 1 & 2 & -1 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3\hat{\mathbf{k}}

we have

area=12∣<1,1,3>∣=1211≈1.658\text{area}=\tfrac{1}{2}|\left< 1,1,3\right>|=\tfrac{1}{2}\sqrt{11}\approx 1.658

(b) A unit vector perpendicular to the plane containing the triangle is

n^=AB→×AC→∣AB→×AC→∣=<1,1,3>11\hat{\mathbf{n}}=\frac{\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}} {|\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}|} =\frac{\left< 1,1,3\right>}{\sqrt{11}}

The distance from PP to the plane containing the triangle is the length of the projection of AP→=<5,−10,2>−<0,1,1>=<5,−11,1>\overrightarrow{AP}=\left< 5,-10,2\right>-\left< 0,1,1\right> =\left< 5,-11,1\right> on n^\hat{\mathbf{n}}. If θ\theta the angle between AP→\overrightarrow{AP} and n^\hat{\mathbf{n}}, then this is

distance=∣AP→∣ ∣cos⁡θ∣=∣AP→⋅n^∣=∣<5,−11,1>⋅<1,1,3>11∣=311≈0.9045\text{distance}= |\overrightarrow{AP}|\,|\cos\theta| =\big|\overrightarrow{AP}\cdot\hat{\mathbf{n}}\big| =\left|\left< 5,-11,1\right>\cdot\frac{\left< 1,1,3\right>}{\sqrt{11}}\right| =\frac{3}{\sqrt{11}}\approx 0.9045

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.3절 · 4번
# 직선과 평면의 방정식활용도전자동 분류
107.CLP-3 · 1.6절 · 10번대학 수준우리말 번역

주어진 위치 함수를 갖는 입자의 속력을 구하세요.

r(t)=52 t ı^+e5t ȷ^−e−5t k^\mathbf{r}(t) = 5 \sqrt{2}\,t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} - e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

옳은 답을 고르세요:

(a) ∣v(t)∣=(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = \big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (b) ∣v(t)∣=10+5et+5e−t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + 5e^{t} + 5e^{-t}} (c) ∣v(t)∣=10+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + e^{10t} + e^{-10t}} (d) ∣v(t)∣=5(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (e) ∣v(t)∣=5(et+e−t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^t + e^{-t}\big)

영어 원문 보기

Find the speed of a particle with the given position function

r(t)=52 t ı^+e5t ȷ^−e−5t k^\mathbf{r}(t) = 5 \sqrt{2}\,t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} - e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

Select the correct answer:

(a) ∣v(t)∣=(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = \big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (b) ∣v(t)∣=10+5et+5e−t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + 5e^{t} + 5e^{-t}} (c) ∣v(t)∣=10+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + e^{10t} + e^{-10t}} (d) ∣v(t)∣=5(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (e) ∣v(t)∣=5(et+e−t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^t + e^{-t}\big)

정답·풀이 보기

다음과 같다.

v(t)=r′(t)=52 ı^+5e5t ȷ^+5e−5t k^\mathbf{v}(t) = \mathbf{r}'(t) = 5 \sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 5e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +5 e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

따라서

∣v(t)∣=∣r′(t)∣=5∣2 ı^+e5t ȷ^+e−5t k^∣=52+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = |\mathbf{r}'(t)| = 5 \big|\sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}\big| = 5\sqrt{2+ e^{10t}+ e^{-10t}}

2+e10t+e−10t=(e5t+e−5t)22+ e^{10t}+ e^{-10t} = \big(e^{5t}+e^{-5t}\big)^2 이므로 답은 (d)이다.

원본 교재 풀이(영어)

We have

v(t)=r′(t)=52 ı^+5e5t ȷ^+5e−5t k^\mathbf{v}(t) = \mathbf{r}'(t) = 5 \sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 5e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +5 e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

and hence

∣v(t)∣=∣r′(t)∣=5∣2 ı^+e5t ȷ^+e−5t k^∣=52+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = |\mathbf{r}'(t)| = 5 \big|\sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}\big| = 5\sqrt{2+ e^{10t}+ e^{-10t}}

Since 2+e10t+e−10t=(e5t+e−5t)22+ e^{10t}+ e^{-10t} = \big(e^{5t}+e^{-5t}\big)^2, that's (d).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 29번
# 벡터함수의 미분과 적분활용보통자동 분류
108.CLP-3 · 1.6절 · 11번대학 수준우리말 번역

위치가 r(t)\mathbf{r}(t) 인 입자의 시각 tt 에서의 속도, 속력, 가속도를 구하세요. 입자의 경로를 설명하세요. a>0a>0 이라 하세요.

(a) r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + ct\,\hat{\mathbf{k}} (b) r(t)=acos⁡tsin⁡t ı^+asin⁡2t ȷ^+acos⁡t k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + a\sin^2 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}

영어 원문 보기

Find the velocity, speed and acceleration at time tt of the particle whose position is r(t)\mathbf{r}(t). Describe the path of the particle. Let a>0a>0.

(a) r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + ct\,\hat{\mathbf{k}} (b) r(t)=acos⁡tsin⁡t ı^+asin⁡2t ȷ^+acos⁡t k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + a\sin^2 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}

정답·풀이 보기

(a) 정의에 의해,

r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^v(t)=r′(t)=−asin⁡t ı^+acos⁡t ȷ^+c k^dsdt(t)=∣v(t)∣=a2+c2a(t)=r′′(t)=−acos⁡t ı^−asin⁡t ȷ^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ct\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)&= -a \sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|&= \sqrt{a^2+c^2}\\ \mathbf{a}(t)=\mathbf{r}''(t)&= -a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

(x,y)=a(cos⁡t,sin⁡t)(x,y)= a(\cos t,\sin t) 좌표는 반지름이 aa 이고 중심이 (0,0)(0,0) 인 원을 반시계 방향으로 돈다. tt 가 2π2\pi 증가할 때마다 원을 한 바퀴 돈다. 동시에 zz 좌표는 일정한 비율로 증가한다. (x,y)(x,y) 좌표가 원을 한 바퀴 돌 때마다 zz 좌표는 2πc2 \pi c 만큼 증가한다. 경로는 반지름이 aa 이고 한 바퀴 돌 때마다 높이가 2πc2\pi c 만큼 올라가는 나선이다.

(b) 정의에 의해,

r(t)=acos⁡tsin⁡t ı^+asin⁡2t ȷ^+acos⁡t k^=a2sin⁡2t ı^+a1−cos⁡2t2 ȷ^+acos⁡t k^v(t)=r′(t)=acos⁡2t ı^+asin⁡2t ȷ^−asin⁡t k^dsdt(t)=∣v(t)∣=a1+sin⁡2ta(t)=r′′(t)=−2asin⁡2t ı^+2acos⁡2t ȷ^−acos⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= a \cos t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin^2 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}\\ &= \frac{a}{2} \sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\frac{1-\cos 2t}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)&= a \cos 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-a\sin t\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|&= a\sqrt{1+\sin^2t}\\ \mathbf{a}(t)=\mathbf{r}''(t)&= -2a \sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2a\cos 2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-a\cos t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

다음과 같이 놓자.

x(t)=a2sin⁡2ty(t)=a1−cos⁡2t2z(t)=acos⁡t\begin{aligned} x(t)=\tfrac{a}{2} \sin 2t \qquad y(t)=a\tfrac{1-\cos 2t}{2} \qquad z(t)=a\cos t \end{aligned}

그러면

x(t)2+[y(t)−a2]2=a24sin⁡22t+a24cos⁡22t=a24\begin{aligned} x(t)^2+\big[y(t)-\tfrac{a}{2}\big]^2&=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4} \cos^2 2t =\tfrac{a^2}{4} \end{aligned}

이므로 (x,y)(x,y) 좌표는 반지름이 a2\frac{a}{2} 이고 중심이 (0,a2)\big(0,\frac{a}{2}\big) 인 원을 반시계 방향으로 돈다. 동시에 zz 좌표는 절반의 빠르기로 11 과 −1-1 사이의 구간에서 진동한다. 사실 이 곡선에 대해서는 더 말할 수 있다.

x(t)2+y(t)2=a24sin⁡22t+a24(1−cos⁡2t)2=a24sin⁡22t+a24−a22cos⁡2t+a24cos⁡22t=a22−a22(1−2sin⁡2t)=a2sin⁡2tx(t)2+y(t)2+z(t)2=a2sin⁡2t+a2cos⁡2t=a2\begin{aligned} x(t)^2+y(t)^2&=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4}\big(1-\cos 2t\big)^2 \\ &=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4} - \tfrac{a^2}{2}\cos 2t + \tfrac{a^2}{4} \cos^2 2t \\ &= \tfrac{a^2}{2} - \tfrac{a^2}{2} (1- 2\sin^2 t) \\ &= a^2\sin^2 t \\ x(t)^2+y(t)^2+z(t)^2 &= a^2\sin^2 t + a^2\cos^2 t =a^2 \end{aligned}

따라서 이 곡선은 원기둥 x2+[y−a2]2=a24x^2+\big[y-\tfrac{a}{2}\big]^2=\tfrac{a^2}{4} 과 구 x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2 의 교선 위에 놓여 있다. (x(t)2+y(t)2+z(t)2x(t)^2+y(t)^2+z(t)^2 의 값을 구해 볼 생각을 하지 못했더라도 걱정하지 않아도 된다.)

원본 교재 풀이(영어)

(a) By definition,

r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^v(t)=r′(t)=−asin⁡t ı^+acos⁡t ȷ^+c k^dsdt(t)=∣v(t)∣=a2+c2a(t)=r′′(t)=−acos⁡t ı^−asin⁡t ȷ^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ct\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)&= -a \sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|&= \sqrt{a^2+c^2}\\ \mathbf{a}(t)=\mathbf{r}''(t)&= -a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

The (x,y)=a(cos⁡t,sin⁡t)(x,y)= a(\cos t,\sin t) coordinates go around a circle of radius aa and centre (0,0)(0,0) counterclockwise. One circle is completed for each increase of tt by 2π2\pi. At the same time, the zz coordinate increases at a constant rate. Each time the (x,y)(x,y) coordinates complete one circle, the zz coordinate increases by 2πc2 \pi c. The path is a helix with radius aa and with each turn having height 2πc2\pi c.

(b) By definition,

r(t)=acos⁡tsin⁡t ı^+asin⁡2t ȷ^+acos⁡t k^=a2sin⁡2t ı^+a1−cos⁡2t2 ȷ^+acos⁡t k^v(t)=r′(t)=acos⁡2t ı^+asin⁡2t ȷ^−asin⁡t k^dsdt(t)=∣v(t)∣=a1+sin⁡2ta(t)=r′′(t)=−2asin⁡2t ı^+2acos⁡2t ȷ^−acos⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= a \cos t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin^2 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}\\ &= \frac{a}{2} \sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\frac{1-\cos 2t}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+a\cos t\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)&= a \cos 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-a\sin t\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{v}(t)|&= a\sqrt{1+\sin^2t}\\ \mathbf{a}(t)=\mathbf{r}''(t)&= -2a \sin 2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2a\cos 2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-a\cos t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

Write

x(t)=a2sin⁡2ty(t)=a1−cos⁡2t2z(t)=acos⁡t\begin{aligned} x(t)=\tfrac{a}{2} \sin 2t \qquad y(t)=a\tfrac{1-\cos 2t}{2} \qquad z(t)=a\cos t \end{aligned}

Then

x(t)2+[y(t)−a2]2=a24sin⁡22t+a24cos⁡22t=a24\begin{aligned} x(t)^2+\big[y(t)-\tfrac{a}{2}\big]^2&=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4} \cos^2 2t =\tfrac{a^2}{4} \end{aligned}

Thus the (x,y)(x,y) coordinates go around a circle of radius a2\frac{a}{2} and centre (0,a2)\big(0,\frac{a}{2}\big) counterclockwise. At the same time the zz coordinate oscillates over the interval between 11 and −1-1 half as fast. In fact, one can say more about the curve.

x(t)2+y(t)2=a24sin⁡22t+a24(1−cos⁡2t)2=a24sin⁡22t+a24−a22cos⁡2t+a24cos⁡22t=a22−a22(1−2sin⁡2t)=a2sin⁡2tx(t)2+y(t)2+z(t)2=a2sin⁡2t+a2cos⁡2t=a2\begin{aligned} x(t)^2+y(t)^2&=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4}\big(1-\cos 2t\big)^2 \\ &=\tfrac{a^2}{4} \sin^2 2t + \tfrac{a^2}{4} - \tfrac{a^2}{2}\cos 2t + \tfrac{a^2}{4} \cos^2 2t \\ &= \tfrac{a^2}{2} - \tfrac{a^2}{2} (1- 2\sin^2 t) \\ &= a^2\sin^2 t \\ x(t)^2+y(t)^2+z(t)^2 &= a^2\sin^2 t + a^2\cos^2 t =a^2 \end{aligned}

So our curve lies on the intersection of the cylinder x2+[y−a2]2=a24x^2+\big[y-\tfrac{a}{2}\big]^2=\tfrac{a^2}{4} and the sphere x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2. (Don't worry if you didn't think of trying to evaluate x(t)2+y(t)2+z(t)2x(t)^2+y(t)^2+z(t)^2.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 28번
# 벡터함수의 미분과 적분활용보통자동 분류
109.CLP-3 · 1.6절 · 20번대학 수준우리말 번역

입자의 질량이 상수 mm 이고 위치가 r\mathbf{r} 이며 속도 v\mathbf{v} 로 움직이고 있다면, 이 입자의 각운동량은 L=m(r×v)\mathbf{L}=m(\mathbf{r}\times\mathbf{v}) 이다.

질량이 m=1m=1 이고 위치 함수가 r=(sin⁡t,cos⁡t,t)\mathbf{r}=(\sin t, \cos t, t) 인 입자에 대해 ∣dLdt∣\left|\frac{\mathrm{d}\mathbf{L}}{\mathrm{d}t} \right| 를 구하세요.

영어 원문 보기

If a particle has constant mass mm, position r\mathbf{r}, and is moving with velocity v\mathbf{v}, then its angular momentum is L=m(r×v)\mathbf{L}=m(\mathbf{r}\times\mathbf{v}).

For a particle with mass m=1m=1 and position function r=(sin⁡t,cos⁡t,t)\mathbf{r}=(\sin t, \cos t, t), find ∣dLdt∣\left|\frac{\mathrm{d}\mathbf{L}}{\mathrm{d}t} \right|.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

입자의 위치가 주어졌으므로 속도를 구할 수 있다. v(t)=r′(t)=(cos⁡t,−sin⁡t,1)\mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)=(\cos t, -\sin t , 1) 주어진 공식을 적용하면, L(t)=r×v=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(cos⁡t,−sin⁡t,1).\mathbf{L}(t)=\mathbf{r} \times \mathbf{v}=(\sin t , \cos t , t) \times (\cos t, -\sin t , 1).

  • 풀이 1: 먼저 외적을 계산한 다음 미분하면 된다.

L(t)=(cos⁡t+tsin⁡t)ı^+(tcos⁡t−sin⁡t)ȷ^−k^L′(t)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2(sin⁡2t+cos⁡2t)=t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}(t)& = (\cos t + t\sin t)\hat{\boldsymbol{\imath}} + (t\cos t - \sin t)\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{L}'(t)&=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -t\sin t\, \hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2(\sin^2 t + \cos^2 t)}=\sqrt{t^2}=|t| \end{aligned}

  • 풀이 2: 곱의 미분법을 이용한다.

L′(t)=r′(t)×v(t)+r(t)×v′(t)=r′(t)×r′(t)⏟0+r(t)×v′(t)=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(−sin⁡t,−cos⁡t,0)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2cos⁡2t+t2sin⁡t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}'(t)&=\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{v}(t) + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &=\underbrace{\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{r}'(t)}_{0} + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &= (\sin t ,\cos t,t)\times(-\sin t , -\cos t, 0)\\ &=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2\cos^2 t + t^2\sin t^2 }=|t| \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Given the position of the particle, we can find its velocity: v(t)=r′(t)=(cos⁡t,−sin⁡t,1)\mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)=(\cos t, -\sin t , 1) Applying the given formula, L(t)=r×v=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(cos⁡t,−sin⁡t,1).\mathbf{L}(t)=\mathbf{r} \times \mathbf{v}=(\sin t , \cos t , t) \times (\cos t, -\sin t , 1).

  • Solution 1: We can first compute the cross product, then differentiate:

L(t)=(cos⁡t+tsin⁡t)ı^+(tcos⁡t−sin⁡t)ȷ^−k^L′(t)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2(sin⁡2t+cos⁡2t)=t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}(t)& = (\cos t + t\sin t)\hat{\boldsymbol{\imath}} + (t\cos t - \sin t)\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{L}'(t)&=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -t\sin t\, \hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2(\sin^2 t + \cos^2 t)}=\sqrt{t^2}=|t| \end{aligned}

  • Solution 2: Using the product rule:

L′(t)=r′(t)×v(t)+r(t)×v′(t)=r′(t)×r′(t)⏟0+r(t)×v′(t)=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(−sin⁡t,−cos⁡t,0)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2cos⁡2t+t2sin⁡t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}'(t)&=\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{v}(t) + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &=\underbrace{\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{r}'(t)}_{0} + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &= (\sin t ,\cos t,t)\times(-\sin t , -\cos t, 0)\\ &=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2\cos^2 t + t^2\sin t^2 }=|t| \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 27번
# 벡터함수의 미분과 적분활용보통자동 분류
110.CLP-3 · 1.6절 · 23번대학 수준우리말 번역

입자가 곡면 z2=12yz^2=12y 와 18x=yz18x=yz 의 교선 C\mathcal{C} 를 따라 위쪽 방향으로 움직인다. 입자가 (1,3,6)(1,3,6) 에 있을 때 속도 v\mathbf{v} 와 가속도 a\mathbf{a} 는 다음과 같다. v=6 ı^+12 ȷ^+12 k^a=27 ı^+30 ȷ^+6 k^\mathbf{v} =6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}\qquad \mathbf{a} = 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}

(a) u=z6u=\frac{z}{6} 를 매개변수로 사용하여 C\mathcal{C} 의 벡터 매개변수 방정식을 쓰세요. (b) (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,3,6)(1,3,6) 까지 C\mathcal{C} 의 길이를 구하세요. (c) u=u(t)u=u(t) 가 시각 tt 에서 입자의 위치에 해당하는 매개변수 값일 때, 입자가 (1,3,6)(1,3,6) 에 있을 때의 dudt\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} 를 구하세요. (d) 입자가 (1,3,6)(1,3,6) 에 있을 때의 d2udt2\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} 를 구하세요.

영어 원문 보기

A particle moves along the curve C\mathcal{C} of intersection of the surfaces z2=12yz^2=12y and 18x=yz18x=yz in the upward direction. When the particle is at (1,3,6)(1,3,6) its velocity v\mathbf{v} and acceleration a\mathbf{a} are given by v=6 ı^+12 ȷ^+12 k^a=27 ı^+30 ȷ^+6 k^\mathbf{v} =6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}\qquad \mathbf{a} = 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}

(a) Write a vector parametric equation for C\mathcal{C} using u=z6u=\frac{z}{6} as a parameter. (b) Find the length of C\mathcal{C} from (0,0,0)(0,0,0) to (1,3,6)(1,3,6). (c) If u=u(t)u=u(t) is the parameter value for the particle's position at time tt, find dudt\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} when the particle is at (1,3,6)(1,3,6). (d) Find d2udt2\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} when the particle is at (1,3,6)(1,3,6).

정답·풀이 보기

(a) z=6uz=6u, y=z212=3u2y=\frac{z^2}{12}=3u^2, x=yz18=u3x=\frac{yz}{18}=u^3 이므로

r(u)=u3 ı^+3u2 ȷ^+6u k^\begin{aligned} \mathbf{r}(u)&=u^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3u^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6u\,\hat{\mathbf{k}}\\ \end{aligned}

(b)

r′(u)=3u2 ı^+6u ȷ^+6 k^r′′(u)=6u ı^+6 ȷ^dsdu(u)=∣r′(u)∣=9u4+36u2+36=3(u2+2)\begin{aligned} \mathbf{r}'(u)&=3u^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6u\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(u)&=6u\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}(u)=|\mathbf{r}'(u)| &=\sqrt{9u^4+36u^2+36}=3\big(u^2+2\big)\\ \end{aligned}

∫C ds=∫01dsdu du=∫013(u2+2) du=[u3+6u]01=7\int_\mathcal{C} \ ds =\int_0^1 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}\ \mathrm{d}u =\int_0^1 3\big(u^2+2\big)\ \mathrm{d}u =\big[u^3+6u\big]_0^1 =7

(c) 시각 tt 에서 입자의 위치를 R(t)\mathbf{R}(t) 라 하자. 그러면 R(t)=r(u(t))  ⟹  R′(t)=r′(u(t))dudt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(u(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} 특히 입자가 시각 t1t_1 에 (1,3,6)(1,3,6) 에 있으면 u(t1)=1u(t_1)=1 이고 6 ı^+12 ȷ^+12 k^=R′(t1)=r′(1)dudt(t1)=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)dudt(t1)6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}=\mathbf{R}'(t_1)=\mathbf{r}'(1)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) 이므로 dudt(t1)=2\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)=2 이다.

(d) 곱의 미분법과 합성함수의 미분법에 의해 R′(t)=r′(u(t))dudt  ⟹  R′′(t)=r′′(u(t))(dudt)2+r′(u(t))d2udt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(u(t)\big)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} 특히

27 ı^+30 ȷ^+6 k^=R′′(t1)=r′′(1)(dudt(t1))2+r′(1)d2udt2(t1)=(6 ı^+6 ȷ^)22+(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)\begin{aligned} 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} &=\mathbf{R}''(t_1)=\mathbf{r}''(1)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \\ &=\big(6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big)2^2+\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \end{aligned}

간단히 하면 3 ı^+6 ȷ^+6 k^=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)  ⟹  d2udt2(t1)=13\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \implies \frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1)=1

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since z=6uz=6u, y=z212=3u2y=\frac{z^2}{12}=3u^2 and x=yz18=u3x=\frac{yz}{18}=u^3,

r(u)=u3 ı^+3u2 ȷ^+6u k^\begin{aligned} \mathbf{r}(u)&=u^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3u^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6u\,\hat{\mathbf{k}}\\ \end{aligned}

(b)

r′(u)=3u2 ı^+6u ȷ^+6 k^r′′(u)=6u ı^+6 ȷ^dsdu(u)=∣r′(u)∣=9u4+36u2+36=3(u2+2)\begin{aligned} \mathbf{r}'(u)&=3u^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6u\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(u)&=6u\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}(u)=|\mathbf{r}'(u)| &=\sqrt{9u^4+36u^2+36}=3\big(u^2+2\big)\\ \end{aligned}

∫C ds=∫01dsdu du=∫013(u2+2) du=[u3+6u]01=7\int_\mathcal{C} \ ds =\int_0^1 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}\ \mathrm{d}u =\int_0^1 3\big(u^2+2\big)\ \mathrm{d}u =\big[u^3+6u\big]_0^1 =7

(c) Denote by R(t)\mathbf{R}(t) the position of the particle at time tt. Then R(t)=r(u(t))  ⟹  R′(t)=r′(u(t))dudt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(u(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} In particular, if the particle is at (1,3,6)(1,3,6) at time t1t_1, then u(t1)=1u(t_1)=1 and 6 ı^+12 ȷ^+12 k^=R′(t1)=r′(1)dudt(t1)=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)dudt(t1)6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}=\mathbf{R}'(t_1)=\mathbf{r}'(1)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) which implies that dudt(t1)=2\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)=2.

(d) By the product and chain rules, R′(t)=r′(u(t))dudt  ⟹  R′′(t)=r′′(u(t))(dudt)2+r′(u(t))d2udt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(u(t)\big)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} In particular,

27 ı^+30 ȷ^+6 k^=R′′(t1)=r′′(1)(dudt(t1))2+r′(1)d2udt2(t1)=(6 ı^+6 ȷ^)22+(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)\begin{aligned} 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} &=\mathbf{R}''(t_1)=\mathbf{r}''(1)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \\ &=\big(6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big)2^2+\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \end{aligned}

Simplifying 3 ı^+6 ȷ^+6 k^=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)  ⟹  d2udt2(t1)=13\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \implies \frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1)=1

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 22번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
111.CLP-3 · 1.6절 · 24번대학 수준우리말 번역

질량이 m=1m = 1 인 입자가 시각 00 에서 위치 r0=12 k^\mathbf{r}_0 = \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} 와 속도 v0=π22 ı^\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} 를 가진다. 이 입자는 다음 힘을 받아 움직인다.

F(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^.\mathbf{F}(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}.

(a) 시각 tt 에 따른 입자의 위치 r(t)\mathbf{r}(t) 를 구하세요. (b) 시각 t=0t = 0 이후 입자가 평면 x=0x = 0 을 처음으로 지나가는 시각은 언제인지 구하세요. (c) (b)에서 입자가 평면 x=0x = 0 을 지나갈 때의 속도를 구하세요.

영어 원문 보기

A particle of mass m=1m = 1 has position r0=12 k^\mathbf{r}_0 = \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} and velocity v0=π22 ı^\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} at time 00. It moves under a force

F(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^.\mathbf{F}(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}.

(a) Determine the position r(t)\mathbf{r}(t) of the particle depending on tt. (b) At what time after time t=0t = 0 does the particle cross the plane x=0x = 0 for the first time? (c) What is the velocity of the particle when it crosses the plane x=0x = 0 in part (b)?

정답·풀이 보기

(a) 뉴턴의 운동 법칙에 따라

mr′′(t)=F(t)이므로r′′(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^m\mathbf{r}''(t) = \mathbf{F}(t)\qquad\text{이므로}\qquad \mathbf{r}''(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}

한 번 적분하면

r′(t)=−3t22 ı^−cos⁡t ȷ^+e2t k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = -3\frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - \cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c} \end{aligned}

이다. 여기서 c\mathbf{c} 는 어떤 상수 벡터이다. 주어진 조건에서 r′(0)=v0=π22 ı^\mathbf{r}'(0)=\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} 이다. 따라서 c=π22 ı^+ȷ^−k^\mathbf{c}=\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}} 이므로

r′(t)=(π22−3t22) ı^+(1−cos⁡t) ȷ^+(e2t−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3t^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2t}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

두 번째로 적분하면

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} + \mathbf{c} \end{aligned}

이다. 여기서 c\mathbf{c} 는 (앞의 것과는 다른) 어떤 상수 벡터이다. 주어진 조건에서 r(0)=r0=12 k^\mathbf{r}(0)=\mathbf{r}_0 =\frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} 이다. 따라서 c=0\mathbf{c}=\mathbf{0} 이므로

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(b) 입자가 평면 x=0x=0 위에 있는 때는 다음과 같다.

0=(π2t2−t32)=t2(π2−t2)  ⟺  t=0,±π\begin{aligned} 0=\left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right) =\frac{t}{2}(\pi^2-t^2) \iff t=0, \pm\pi \end{aligned}

따라서 구하는 시각은 t=πt=\pi 이다.

(c) 시각 t=πt=\pi 에서의 속도는 다음과 같다.

r′(π)=(π22−3π22) ı^+(1−cos⁡π) ȷ^+(e2π−1) k^=−π2 ı^+2 ȷ^+(e2π−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(\pi) &= \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3\pi^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos\pi)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \\ &= -\pi^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) According to Newton,

mr′′(t)=F(t)so thatr′′(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^m\mathbf{r}''(t) = \mathbf{F}(t)\qquad\text{so that}\qquad \mathbf{r}''(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}

Integrating once gives

r′(t)=−3t22 ı^−cos⁡t ȷ^+e2t k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = -3\frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - \cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c} \end{aligned}

for some constant vector c\mathbf{c}. We are told that r′(0)=v0=π22 ı^\mathbf{r}'(0)=\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}. This forces c=π22 ı^+ȷ^−k^\mathbf{c}=\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}} so that

r′(t)=(π22−3t22) ı^+(1−cos⁡t) ȷ^+(e2t−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3t^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2t}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

Integrating a second time gives

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} + \mathbf{c} \end{aligned}

for some (other) constant vector c\mathbf{c}. We are told that r(0)=r0=12 k^\mathbf{r}(0)=\mathbf{r}_0 =\frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}}. This forces c=0\mathbf{c}=\mathbf{0} so that

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(b) The particle is in the plane x=0x=0 when

0=(π2t2−t32)=t2(π2−t2)  ⟺  t=0,±π\begin{aligned} 0=\left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right) =\frac{t}{2}(\pi^2-t^2) \iff t=0, \pm\pi \end{aligned}

So the desired time is t=πt=\pi.

(c) At time t=πt=\pi, the velocity is

r′(π)=(π22−3π22) ı^+(1−cos⁡π) ȷ^+(e2π−1) k^=−π2 ı^+2 ȷ^+(e2π−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(\pi) &= \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3\pi^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos\pi)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \\ &= -\pi^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 10번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
112.CLP-3 · 1.6절 · 25번대학 수준우리말 번역

CC 를 곡면 y=x2y=x^2 과 z=23x3z=\frac{2}{3}x^3 의 교선이라 하자. 한 입자가 dxdt>0\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}>0 이도록 일정한 속력으로 CC 를 따라 움직인다. 이 입자는 시각 t=0t=0 에 (0,0,0)(0,0,0) 에 있고, 시각 t=72t=\frac{7}{2} 에 (3,9,18)(3,9,18) 에 있다.

(a) CC 에서 (0,0,0)(0,0,0) 과 (3,9,18)(3,9,18) 사이의 부분의 길이를 구하세요. (b) 입자의 일정한 속력을 구하세요. (c) 입자가 (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) 에 있을 때의 속도를 구하세요. (d) 입자가 (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) 에 있을 때의 가속도를 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the curve of intersection of the surfaces y=x2y=x^2 and z=23x3z=\frac{2}{3}x^3. A particle moves along CC with constant speed such that dxdt>0\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}>0. The particle is at (0,0,0)(0,0,0) at time t=0t=0 and is at (3,9,18)(3,9,18) at time t=72t=\frac{7}{2}.

(a) Find the length of the part of CC between (0,0,0)(0,0,0) and (3,9,18)(3,9,18). (b) Find the constant speed of the particle. (c) Find the velocity of the particle when it is at (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big). (d) Find the acceleration of the particle when it is at (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big).

정답·풀이 보기

(a) CC 를 xx 로 매개화한다. y=x2y=x^2 이고 z=23x3z=\frac{2}{3}x^3 이므로,

r(x)=x ı^+x2 ȷ^+23x3 k^r′(x)=ı^+2x ȷ^+2x2 k^r′′(x)=2 ȷ^+4x k^dsdx=∣r′(x)∣=1+4x2+4x4=1+2x2\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{2}{3}x^3\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2x^2\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(x)&=2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4x\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x} &=|\mathbf{r}'(x)| =\sqrt{1+4x^2+4x^4}=1+2x^2\\ \end{aligned}

이고 ∫C ds=∫03dsdx dx=∫03(1+2x2) dx=[x+23x3]03=21\int_C \ \mathrm{d}s =\int_0^3 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\ \mathrm{d}x =\int_0^3 \big(1+2x^2\big)\ \mathrm{d}x ={\Big[x+\frac{2}{3}x^3\Big]}_0^3 =21

(b) 입자는 72\frac{7}{2} 시간 단위 동안 21 단위의 거리를 움직였다. 따라서 속력은 217/2=6\frac{21}{7/2}=6 이다.

(c) 시각 tt 에서 입자의 위치를 R(t)\mathbf{R}(t) 라 하자. 그러면 R(t)=r(x(t))  ⟹  R′(t)=r′(x(t))dxdt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(x(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} (a), (b)의 결과와 연쇄 법칙(합성함수의 미분법)에 의해 6=dsdt=dsdxdxdt=(1+2x2)dxdt  ⟹  dxdt=61+2x26=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=(1+2x^2)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \implies \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2x^2} 특히 입자가 (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) 에 있을 때는 x=1x=1 이다. 이때 dxdt=61+2×1=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2\times 1}=2 이고 R′=r′(1)dxdt=(ı^+2 ȷ^+2 k^)2=2ı^+4 ȷ^+4 k^\mathbf{R}'=\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} =\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)2 =2\hat{\boldsymbol{\imath}}+4\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}

(d) 곱의 미분법과 연쇄 법칙에 의해 R′(t)=r′(x(t))dxdt  ⟹  R′′(t)=r′′(x(t))(dxdt)2+r′(x(t))d2xdt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(x(t)\big){\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2 +\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} 6=(1+2x(t)2)dxdt(t)6=\big(1+2x(t)^2\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) 의 양변에 ddt\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} 를 적용하면 0=4x(dxdt)2+(1+2x2)d2xdt20=4x{\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2+(1+2x^2)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} 특히 x=1x=1 이고 dxdt=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=2 일 때, 0=4×1(2)2+(3)d2xdt20=4\times 1\big(2\big)^2+(3)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} 에서 d2xdt2=−163\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}=-\frac{16}{3} 이고 R′′=(2 ȷ^+4 k^)(2)2−(ı^+2 ȷ^+2 k^)163=−83(2ı^+ ȷ^−2 k^)\mathbf{R}''=\big(2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}\big)\big(2\big)^2 -\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{16}{3} = -\frac{8}{3}\big(2\hat{\boldsymbol{\imath}}+\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-2\,\hat{\mathbf{k}}\big)

원본 교재 풀이(영어)

(a) Parametrize CC by xx. Since y=x2y=x^2 and z=23x3z=\frac{2}{3}x^3,

r(x)=x ı^+x2 ȷ^+23x3 k^r′(x)=ı^+2x ȷ^+2x2 k^r′′(x)=2 ȷ^+4x k^dsdx=∣r′(x)∣=1+4x2+4x4=1+2x2\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{2}{3}x^3\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2x^2\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(x)&=2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4x\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x} &=|\mathbf{r}'(x)| =\sqrt{1+4x^2+4x^4}=1+2x^2\\ \end{aligned}

and ∫C ds=∫03dsdx dx=∫03(1+2x2) dx=[x+23x3]03=21\int_C \ \mathrm{d}s =\int_0^3 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\ \mathrm{d}x =\int_0^3 \big(1+2x^2\big)\ \mathrm{d}x ={\Big[x+\frac{2}{3}x^3\Big]}_0^3 =21

(b) The particle travelled a distance of 21 units in 72\frac{7}{2} time units. This corresponds to a speed of 217/2=6\frac{21}{7/2}=6.

(c) Denote by R(t)\mathbf{R}(t) the position of the particle at time tt. Then R(t)=r(x(t))  ⟹  R′(t)=r′(x(t))dxdt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(x(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} By parts (a) and (b) and the chain rule 6=dsdt=dsdxdxdt=(1+2x2)dxdt  ⟹  dxdt=61+2x26=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=(1+2x^2)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \implies \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2x^2} In particular, the particle is at (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) at x=1x=1. At this time dxdt=61+2×1=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2\times 1}=2 and R′=r′(1)dxdt=(ı^+2 ȷ^+2 k^)2=2ı^+4 ȷ^+4 k^\mathbf{R}'=\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} =\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)2 =2\hat{\boldsymbol{\imath}}+4\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}

(d) By the product and chain rules, R′(t)=r′(x(t))dxdt  ⟹  R′′(t)=r′′(x(t))(dxdt)2+r′(x(t))d2xdt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(x(t)\big){\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2 +\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} Applying ddt\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} to 6=(1+2x(t)2)dxdt(t)6=\big(1+2x(t)^2\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) gives 0=4x(dxdt)2+(1+2x2)d2xdt20=4x{\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2+(1+2x^2)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} In particular, when x=1x=1 and dxdt=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=2, 0=4×1(2)2+(3)d2xdt20=4\times 1\big(2\big)^2+(3)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} gives d2xdt2=−163\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}=-\frac{16}{3} and R′′=(2 ȷ^+4 k^)(2)2−(ı^+2 ȷ^+2 k^)163=−83(2ı^+ ȷ^−2 k^)\mathbf{R}''=\big(2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}\big)\big(2\big)^2 -\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{16}{3} = -\frac{8}{3}\big(2\hat{\boldsymbol{\imath}}+\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-2\,\hat{\mathbf{k}}\big)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 24번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
113.CLP-3 · 1.6절 · 26번대학 수준우리말 번역

기둥에 설치된 카메라는 한 바퀴 전체를 돌 수 있다. 이 카메라는 시각 tt 초일 때 기둥에서 동쪽으로 x(t)x(t) 미터, 북쪽으로 y(t)y(t) 미터 떨어진 곳에 있는 물체를 추적하고 있다.

카메라가 항상 물체를 정면으로 향하게 하려면, 시각 tt 에서 카메라가 얼마나 빠르게 회전하도록 설정해야 하는지 구하세요. (답은 x(t)x(t), y(t)y(t) 와 이들의 도함수를 이용하여 단위 rad/sec 로 나타내세요.)

영어 원문 보기

A camera mounted to a pole can swivel around in a full circle. It is tracking an object whose position at time tt seconds is x(t)x(t) metres east of the pole, and y(t)y(t) metres north of the pole.

In order to always be pointing directly at the object, how fast should the camera be programmed to rotate at time tt? (Give your answer in terms of x(t)x(t) and y(t)y(t) and their derivatives, in the units rad/sec.)

정답·풀이 보기

이 문제는 카메라를 원점에 둔 xyxy–평면으로 이미 설정되어 있으므로, 카메라가 향하는 방향의 벡터는 (x(t),y(t))(x(t),y(t)) 이다. θ\theta 를 카메라가 양의 xx축(정동쪽)과 이루는 각이라 하자. 카메라, 물체, 정동쪽 방향(양의 xx축)은 직각삼각형을 이룬다.

그림

tan⁡θ=yxt에 대해 음함수 미분하면:sec⁡2θ dθdt=xy′−yx′x2dθdt=cos⁡2θ(xy′−yx′x2)=(xx2+y2)2(xy′−yx′x2)=xy′−yx′x2+y2\begin{aligned} \tan\theta&=\frac{y}{x}\\ \text{$t$에 대해 음함수 미분하면:} \\ \sec^2\theta\,\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\frac{xy'-yx'}{x^2}\\ \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\cos^2\theta\left(\frac{xy'-yx'}{x^2}\right)=\left(\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}\right)^2\left(\frac{xy'-yx'}{x^2}\right)=\frac{xy'-yx'}{{x^2+y^2}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The question is already set up as an xyxy–plane, with the camera at the origin, so the vector in the direction the camera is pointing is (x(t),y(t))(x(t),y(t)). Let θ\theta be the angle the camera makes with the positive xx-axis (due east). The camera, the object, and the due-east direction (positive xx-axis) make a right triangle.

figure

tan⁡θ=yxDifferentiating implicitly with respect to t:sec⁡2θ dθdt=xy′−yx′x2dθdt=cos⁡2θ(xy′−yx′x2)=(xx2+y2)2(xy′−yx′x2)=xy′−yx′x2+y2\begin{aligned} \tan\theta&=\frac{y}{x}\\ \text{Differentiating implicitly with respect to $t$:} \\ \sec^2\theta\,\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\frac{xy'-yx'}{x^2}\\ \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\cos^2\theta\left(\frac{xy'-yx'}{x^2}\right)=\left(\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}\right)^2\left(\frac{xy'-yx'}{x^2}\right)=\frac{xy'-yx'}{{x^2+y^2}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 25번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
114.CLP-3 · 1.6절 · 27번대학 수준우리말 번역

중력의 영향을 받아 떨어지면서 속력에 비례하는 공기 저항 때문에 느려지는 발사체의 위치가 다음을 만족한다. d2rdt2=−gk^−αdrdt\frac{d^2\mathbf{r}}{dt^2}=-g\hat{\mathbf{k}}-\alpha\frac{d\mathbf{r}}{dt} 여기서 α\alpha 는 양의 상수이다. 시각 t=0t=0 에서 r=r0\mathbf{r}=\mathbf{r}_0 이고 drdt=v0\frac{d\mathbf{r}}{dt}=\mathbf{v}_0 일 때, r(t)\mathbf{r}(t) 를 구하세요. (힌트: u(t)=eαtdrdt(t)\mathbf{u}(t)=e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t) 로 정의하고, 주어진 미분방정식에 drdt(t)=e−αtu(t)\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t)=e^{-\alpha t}\mathbf{u}(t) 를 대입하여 u\mathbf{u} 에 대한 미분방정식을 구하세요.)

영어 원문 보기

A projectile falling under the influence of gravity and slowed by air resistance proportional to its speed has position satisfying d2rdt2=−gk^−αdrdt\frac{d^2\mathbf{r}}{dt^2}=-g\hat{\mathbf{k}}-\alpha\frac{d\mathbf{r}}{dt} where α\alpha is a positive constant. If r=r0\mathbf{r}=\mathbf{r}_0 and drdt=v0\frac{d\mathbf{r}}{dt}=\mathbf{v}_0 at time t=0t=0, find r(t)\mathbf{r}(t). (Hint: Define u(t)=eαtdrdt(t)\mathbf{u}(t)=e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t) and substitute drdt(t)=e−αtu(t)\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t)=e^{-\alpha t}\mathbf{u}(t) into the given differential equation to find a differential equation for u\mathbf{u}.)

정답·풀이 보기

u(t)=eαtdrdt(t)\mathbf{u}(t)=e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t) 로 정의하자. 그러면

dudt(t)=αeαtdrdt(t)+eαtd2rdt2(t)=αeαtdrdt(t)−geαtk^−αeαtdrdt(t)=−geαtk^\begin{aligned} \frac{d\mathbf{u}}{dt}(t)&=\alpha e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t) +e^{\alpha t}\frac{d^2\mathbf{r}}{dt^2}(t)\\ &=\alpha e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t) -ge^{\alpha t}\hat{\mathbf{k}} -\alpha e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t)\\ &=-ge^{\alpha t}\hat{\mathbf{k}}\\ \end{aligned}

이 식의 양변을 t=0t=0 에서 t=Tt=T 까지 적분하면

u(T)−u(0)=−geαT−1αk^  ⟹  u(T)=u(0)−geαT−1αk^=drdt(0)−geαT−1αk^=v0−geαT−1αk^\begin{aligned} &\mathbf{u}(T)-\mathbf{u}(0)=-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} \\ &\implies \mathbf{u}(T)=\mathbf{u}(0)-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} =\frac{d\mathbf{r}}{dt}(0)-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} =\mathbf{v}_0-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

u(T)=eαtdrdt(T)\mathbf{u}(T)=e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(T) 를 대입하고 양변에 e−αTe^{-\alpha T} 를 곱하면 drdt(T)=e−αTv0−g1−e−αTαk^\frac{d\mathbf{r}}{dt}(T) =e^{-\alpha T}\mathbf{v}_0-g\frac{1-e^{-\alpha T}}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} 이 식의 양변을 T=0T=0 에서 T=tT=t 까지 적분하면

r(t)−r(0)=e−αt−1−αv0−gtαk^+ge−αt−1−α2k^  ⟹  r(t)=r0−e−αt−1αv0+g1−αt−e−αtα2k^\begin{aligned} &\mathbf{r}(t)-\mathbf{r}(0) =\frac{e^{-\alpha t}-1}{-\alpha}\mathbf{v}_0-g\frac{ t}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} +g\frac{e^{-\alpha t}-1}{-\alpha^2}\hat{\mathbf{k}} \\ &\implies \mathbf{r}(t)=\mathbf{r}_0-\frac{e^{-\alpha t}-1}{\alpha}\mathbf{v}_0 +g\frac{1-\alpha t-e^{-\alpha t}}{\alpha^2}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Define u(t)=eαtdrdt(t)\mathbf{u}(t)=e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t). Then

dudt(t)=αeαtdrdt(t)+eαtd2rdt2(t)=αeαtdrdt(t)−geαtk^−αeαtdrdt(t)=−geαtk^\begin{aligned} \frac{d\mathbf{u}}{dt}(t)&=\alpha e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t) +e^{\alpha t}\frac{d^2\mathbf{r}}{dt^2}(t)\\ &=\alpha e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t) -ge^{\alpha t}\hat{\mathbf{k}} -\alpha e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t)\\ &=-ge^{\alpha t}\hat{\mathbf{k}}\\ \end{aligned}

Integrating both sides of this equation from t=0t=0 to t=Tt=T gives

u(T)−u(0)=−geαT−1αk^  ⟹  u(T)=u(0)−geαT−1αk^=drdt(0)−geαT−1αk^=v0−geαT−1αk^\begin{aligned} &\mathbf{u}(T)-\mathbf{u}(0)=-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} \\ &\implies \mathbf{u}(T)=\mathbf{u}(0)-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} =\frac{d\mathbf{r}}{dt}(0)-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} =\mathbf{v}_0-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

Substituting in u(T)=eαtdrdt(T)\mathbf{u}(T)=e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(T) and multiplying through by e−αTe^{-\alpha T} drdt(T)=e−αTv0−g1−e−αTαk^\frac{d\mathbf{r}}{dt}(T) =e^{-\alpha T}\mathbf{v}_0-g\frac{1-e^{-\alpha T}}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} Integrating both sides of this equation from T=0T=0 to T=tT=t gives

r(t)−r(0)=e−αt−1−αv0−gtαk^+ge−αt−1−α2k^  ⟹  r(t)=r0−e−αt−1αv0+g1−αt−e−αtα2k^\begin{aligned} &\mathbf{r}(t)-\mathbf{r}(0) =\frac{e^{-\alpha t}-1}{-\alpha}\mathbf{v}_0-g\frac{ t}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} +g\frac{e^{-\alpha t}-1}{-\alpha^2}\hat{\mathbf{k}} \\ &\implies \mathbf{r}(t)=\mathbf{r}_0-\frac{e^{-\alpha t}-1}{\alpha}\mathbf{v}_0 +g\frac{1-\alpha t-e^{-\alpha t}}{\alpha^2}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 17번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
115.CLP-4 · 1.1절 · 11번대학 수준우리말 번역

주어진 위치 함수를 갖는 입자의 속력을 구하세요.

r(t)=52 t ı^+e5t ȷ^−e−5t k^\mathbf{r}(t) = 5 \sqrt{2}\,t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} - e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

옳은 답을 고르세요.

(a) ∣v(t)∣=(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = \big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (b) ∣v(t)∣=10+5et+5e−t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + 5e^{t} + 5e^{-t}} (c) ∣v(t)∣=10+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + e^{10t} + e^{-10t}} (d) ∣v(t)∣=5(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (e) ∣v(t)∣=5(et+e−t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^t + e^{-t}\big)

영어 원문 보기

Find the speed of a particle with the given position function

r(t)=52 t ı^+e5t ȷ^−e−5t k^\mathbf{r}(t) = 5 \sqrt{2}\,t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} - e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

Select the correct answer:

(a) ∣v(t)∣=(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = \big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (b) ∣v(t)∣=10+5et+5e−t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + 5e^{t} + 5e^{-t}} (c) ∣v(t)∣=10+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + e^{10t} + e^{-10t}} (d) ∣v(t)∣=5(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (e) ∣v(t)∣=5(et+e−t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^t + e^{-t}\big)

정답·풀이 보기

다음과 같다.

v(t)=r′(t)=52 ı^+5e5t ȷ^+5e−5t k^\mathbf{v}(t) = \mathbf{r}'(t) = 5 \sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 5e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +5 e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

따라서

∣v(t)∣=∣r′(t)∣=5∣2 ı^+e5t ȷ^+e−5t k^∣=52+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = |\mathbf{r}'(t)| = 5 \big|\sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}\big| = 5\sqrt{2+ e^{10t}+ e^{-10t}}

2+e10t+e−10t=(e5t+e−5t)22+ e^{10t}+ e^{-10t} = \big(e^{5t}+e^{-5t}\big)^2 이므로 답은 (d)이다.

원본 교재 풀이(영어)

We have

v(t)=r′(t)=52 ı^+5e5t ȷ^+5e−5t k^\mathbf{v}(t) = \mathbf{r}'(t) = 5 \sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 5e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +5 e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

and hence

∣v(t)∣=∣r′(t)∣=5∣2 ı^+e5t ȷ^+e−5t k^∣=52+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = |\mathbf{r}'(t)| = 5 \big|\sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}\big| = 5\sqrt{2+ e^{10t}+ e^{-10t}}

Since 2+e10t+e−10t=(e5t+e−5t)22+ e^{10t}+ e^{-10t} = \big(e^{5t}+e^{-5t}\big)^2, that's (d).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 15번
# 벡터함수의 미분과 적분활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
116.CLP-4 · 1.1절 · 12번대학 수준우리말 번역

위치가 다음과 같은 입자의 시각 tt 에서의 속도, 속력, 가속도를 구하세요.

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

입자의 경로를 설명하세요.

영어 원문 보기

Find the velocity, speed and acceleration at time tt of the particle whose position is

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

Describe the path of the particle.

정답·풀이 보기

다음이 주어져 있다.

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

따라서 정의에 의해

속도=v(t)=r′(t)=−asin⁡t ı^+acos⁡t ȷ^+c k^속력=dsdt(t)=∣r′(t)∣=a2+c2가속도=a(t)=r′′(t)=−acos⁡t ı^−asin⁡t ȷ^\begin{aligned} \text{속도}&= \mathbf{v}(t)= \mathbf{r}'(t)=-a \sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}}\\ \text{속력}&=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) = |\mathbf{r}'(t)| = \sqrt{a^2+c^2} \\ \text{가속도}&=\mathbf{a}(t)= \mathbf{r}''(t)=-a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

tt 가 길이 2π2\pi 인 구간을 움직이는 동안 (x,y)(x,y) 는 반지름이 aa 인 원을 그리고 zz 는 2πc2\pi c 만큼 증가한다. 경로는 반지름이 aa 이고 한 바퀴 돌 때마다 높이가 2πc2\pi c 만큼 올라가는 나선이다.

원본 교재 풀이(영어)

We are told that

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

So, by definition,

velocity=v(t)=r′(t)=−asin⁡t ı^+acos⁡t ȷ^+c k^speed=dsdt(t)=∣r′(t)∣=a2+c2acceleration=a(t)=r′′(t)=−acos⁡t ı^−asin⁡t ȷ^\begin{aligned} \text{velocity}&= \mathbf{v}(t)= \mathbf{r}'(t)=-a \sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}}\\ \text{speed}&=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) = |\mathbf{r}'(t)| = \sqrt{a^2+c^2} \\ \text{acceleration}&=\mathbf{a}(t)= \mathbf{r}''(t)=-a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

As tt runs over an interval of length 2π2\pi, (x,y)(x,y) traces out a circle of radius aa and zz increases by 2πc2\pi c. The path is a helix with radius aa and with each turn having height 2πc2\pi c.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 11번
# 벡터함수의 미분과 적분활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
117.CLP-4 · 1.1절 · 23번대학 수준우리말 번역

CC 를 포물기둥 x=y2x = y^2 과 쌍곡포물면 3z=2xy3z = 2xy 의 교선 중 y≥0y\ge 0 인 부분이라 하자.

(a) xx 를 매개변수로 하여 CC 의 벡터 매개변수 방정식을 쓰세요. (b) 원점과 점 (9,3,18)(9, 3, 18) 사이에 있는 CC 부분의 길이를 구하세요. (c) 입자가 xx 가 증가하는 방향으로 CC 를 따라 움직인다. 이 입자가 일정한 속력 9로 움직일 때, 점 (1,1,23)(1, 1, \frac{2}{3}) 에 있을 때의 속도 벡터를 구하세요. (d) (c)의 입자가 점 (1,1,23)(1, 1, \frac{2}{3}) 에 있을 때의 가속도 벡터를 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the part of the curve of intersection of the parabolic cylinder x=y2x = y^2 and the hyperbolic paraboloid 3z=2xy3z = 2xy with y≥0y\ge 0.

(a) Write a vector parametric equation for CC using xx as the parameter. (b) Find the length of the part of CC between the origin and the point (9,3,18)(9, 3, 18). (c) A particle moves along CC in the direction for which xx is increasing. If the particle moves with constant speed 9, find its velocity vector when it is at the point (1,1,23)(1, 1, \frac{2}{3}). (d) Find the acceleration vector of the particle of part (c) when it is at the point (1,1,23)(1, 1, \frac{2}{3}).

정답·풀이 보기

(a) y=xy=\sqrt{x} 이고 z=23xy=23x3/2z=\frac{2}{3}xy=\frac{2}{3}x^{3/2} 이므로,

r(x)=x ı^+x ȷ^+23x3/2 k^\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\sqrt{x}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{2}{3}x^{3/2}\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이 문제의 나머지 부분을 위해 다음도 필요하다.

r′(x)=ı^+12x ȷ^+x k^r′′(x)=−14x3/2 ȷ^+12x k^dsdx=∣r′(x)∣=1+14x+x=(12x+x)2=12x+xdsdx(1)=32\begin{aligned} \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{1}{2\sqrt{x}}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\sqrt{x}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(x)&=-\frac{1}{4x^{3/2}}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{2\sqrt{x}}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}=|\mathbf{r}'(x)| &=\sqrt{1+\frac{1}{4x}+x} =\sqrt{\left(\frac{1}{2\sqrt{x}}+\sqrt{x}\right)^2} =\frac{1}{2\sqrt{x}}+\sqrt{x}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(1)&=\frac{3}{2} \end{aligned}

(b)

∫C ds=∫09dsdx dx=∫09(12x+x) dx=[x+23x3/2]09=3+18=21\int_C \ ds =\int_0^9 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\ \mathrm{d}x =\int_0^9 \left(\frac{1}{2\sqrt{x}}+\sqrt{x}\right)\ \mathrm{d}x =\left[\sqrt{x}+\frac{2}{3}x^{3/2}\right]_0^9 =3+18 =21

(c) 다음과 같이 놓는다.

  • r(x)\mathbf{r}(x): 입자의 첫째 좌표가 xx 일 때의 위치,
  • R(t)\mathbf{R}(t): 시각 tt 에서의 입자의 위치,
  • x(t)x(t): 시각 tt 에서의 입자의 xx–좌표,
  • s(x)s(x): 원점에서 r(x)\mathbf{r}(x) 까지의 곡선의 길이.

모든 tt 에 대해 ∣R′(t)∣=9|\mathbf{R}'(t)|=9 임이 주어져 있다. 따라서

R(t)=r(x(t))  ⟹  R′(t)=r′(x(t))dxdt(t)  ⟹  9=∣R′(t)∣=dsdx(x(t))dxdt(t)=(12x(t)+x(t))dxdt(t)\begin{aligned} \mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(x(t)\big)&\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) \\ &\implies 9=|\mathbf{R}'(t)|=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\big(x(t)\big) \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) =\left(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\right)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) \end{aligned}

특히 입자가 시각 00 에 (1,1,23)(1,1,\frac{2}{3}) 에 있다면 x(0)=1x(0)=1 이고

9=(121+1)dxdt(0)  ⟹  dxdt(0)=69=\left(\frac{1}{2\sqrt{1}}+\sqrt{1}\right)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0) \implies \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0)=6

이므로

R′(0)=r′(1)dxdt(0)=(ı^+12 ȷ^+k^)6= 6 ı^+3 ȷ^+6 k^\mathbf{R}'(0)=\mathbf{r}'(1)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0) =\left(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{1}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}\right)6 =\ 6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}

이다.

(d) 곱의 미분법과 연쇄 법칙에 의해,

R′(t)=r′(x(t))dxdt(t)  ⟹  R′′(t)=r′′(x(t))(dxdt(t))2+r′(x(t))d2xdt2(t)\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(x(t)\big)\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)\right)^2 +\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}(t)

(c)에서 9=∣R′(t)∣=(12x(t)+x(t))dxdt(t)9=|\mathbf{R}'(t)|=\Big(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\Big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) 임을 보았으므로

dxdt(t)=9(12x(t)+x(t))−1\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)=9\left(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\right)^{-1}

이다. 이를 미분하면

d2xdt2(t)=−9(12x(t)+x(t))−2(−14x(t)3/2+12x(t))dxdt(t)\frac{d^2x}{dt^2}(t)=-9\left(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\right)^{-2} \left(-\frac{1}{4x(t)^{3/2}}+\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}\right)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)

이다. 특히 t=0t=0 일 때 x(0)=1x(0)=1 이고 dxdt(0)=6\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0)=6 이므로

d2xdt2(0)=−9(32)−2(14)6=−6\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}(0)=-9\left(\frac{3}{2}\right)^{-2} \left(\frac{1}{4}\right)6=-6

이고, 따라서

R′′(0)=r′′(1) (6)2+r′(1)(−6)=36(−14 ȷ^+12 k^)−6(ı^+12 ȷ^+k^)=−6 ı^−12 ȷ^+12 k^\begin{aligned} \mathbf{R}''(0)&=\mathbf{r}''(1)\ \big(6\big)^2+\mathbf{r}'(1)\big(-6\big) =36\left(-\frac{1}{4}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}}\right) -6\left(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{1}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}\right) \\ &=-6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since y=xy=\sqrt{x} and z=23xy=23x3/2z=\frac{2}{3}xy=\frac{2}{3}x^{3/2},

r(x)=x ı^+x ȷ^+23x3/2 k^\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\sqrt{x}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{2}{3}x^{3/2}\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

For the remaining parts of this problem we will also need

r′(x)=ı^+12x ȷ^+x k^r′′(x)=−14x3/2 ȷ^+12x k^dsdx=∣r′(x)∣=1+14x+x=(12x+x)2=12x+xdsdx(1)=32\begin{aligned} \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{1}{2\sqrt{x}}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\sqrt{x}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(x)&=-\frac{1}{4x^{3/2}}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{2\sqrt{x}}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}=|\mathbf{r}'(x)| &=\sqrt{1+\frac{1}{4x}+x} =\sqrt{\left(\frac{1}{2\sqrt{x}}+\sqrt{x}\right)^2} =\frac{1}{2\sqrt{x}}+\sqrt{x}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(1)&=\frac{3}{2} \end{aligned}

(b)

∫C ds=∫09dsdx dx=∫09(12x+x) dx=[x+23x3/2]09=3+18=21\int_C \ ds =\int_0^9 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\ \mathrm{d}x =\int_0^9 \left(\frac{1}{2\sqrt{x}}+\sqrt{x}\right)\ \mathrm{d}x =\left[\sqrt{x}+\frac{2}{3}x^{3/2}\right]_0^9 =3+18 =21

(c) Denote by

  • r(x)\mathbf{r}(x) the position of the particle when its first coordinate is xx,
  • R(t)\mathbf{R}(t) the position of the particle at time tt,
  • x(t)x(t) the xx–coordinate of the particle at time tt, and
  • s(x)s(x) the arc length of the curve from the origin to r(x)\mathbf{r}(x).

We are told that ∣R′(t)∣=9|\mathbf{R}'(t)|=9 for all tt. So

R(t)=r(x(t))  ⟹  R′(t)=r′(x(t))dxdt(t)  ⟹  9=∣R′(t)∣=dsdx(x(t))dxdt(t)=(12x(t)+x(t))dxdt(t)\begin{aligned} \mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(x(t)\big)&\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) \\ &\implies 9=|\mathbf{R}'(t)|=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\big(x(t)\big) \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) =\left(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\right)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) \end{aligned}

In particular, if the particle is at (1,1,23)(1,1,\frac{2}{3}) at time 00, then x(0)=1x(0)=1 and

9=(121+1)dxdt(0)  ⟹  dxdt(0)=69=\left(\frac{1}{2\sqrt{1}}+\sqrt{1}\right)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0) \implies \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0)=6

so that

R′(0)=r′(1)dxdt(0)=(ı^+12 ȷ^+k^)6= 6 ı^+3 ȷ^+6 k^\mathbf{R}'(0)=\mathbf{r}'(1)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0) =\left(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{1}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}\right)6 =\ 6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}

(d) By the product and chain rules,

R′(t)=r′(x(t))dxdt(t)  ⟹  R′′(t)=r′′(x(t))(dxdt(t))2+r′(x(t))d2xdt2(t)\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(x(t)\big)\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)\right)^2 +\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}(t)

We saw in part (c) that 9=∣R′(t)∣=(12x(t)+x(t))dxdt(t)9=|\mathbf{R}'(t)|=\Big(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\Big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) so that

dxdt(t)=9(12x(t)+x(t))−1\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)=9\left(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\right)^{-1}

Differentiating that gives

d2xdt2(t)=−9(12x(t)+x(t))−2(−14x(t)3/2+12x(t))dxdt(t)\frac{d^2x}{dt^2}(t)=-9\left(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\right)^{-2} \left(-\frac{1}{4x(t)^{3/2}}+\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}\right)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)

In particular, when t=0t=0, x(0)=1x(0)=1 and dxdt(0)=6\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0)=6

d2xdt2(0)=−9(32)−2(14)6=−6\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}(0)=-9\left(\frac{3}{2}\right)^{-2} \left(\frac{1}{4}\right)6=-6

so

R′′(0)=r′′(1) (6)2+r′(1)(−6)=36(−14 ȷ^+12 k^)−6(ı^+12 ȷ^+k^)=−6 ı^−12 ȷ^+12 k^\begin{aligned} \mathbf{R}''(0)&=\mathbf{r}''(1)\ \big(6\big)^2+\mathbf{r}'(1)\big(-6\big) =36\left(-\frac{1}{4}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}}\right) -6\left(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{1}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}\right) \\ &=-6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 11.2절 · 2번
# 벡터함수의 미분과 적분활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
118.CLP-4 · 1.1절 · 24번대학 수준우리말 번역

질량이 상수 mm 인 입자가 위치 r\mathbf{r} 에서 속도 v\mathbf{v} 로 움직이고 있다면, 이 입자의 각운동량은 L=m(r×v)\mathbf{L}=m(\mathbf{r}\times\mathbf{v}) 입니다.

질량이 m=1m=1 이고 위치 함수가 r=(sin⁡t,cos⁡t,t)\mathbf{r}=(\sin t, \cos t, t) 인 입자에 대해 ∣dLdt∣\left|\frac{\mathrm{d}\mathbf{L}}{\mathrm{d}t} \right| 를 구하세요.

영어 원문 보기

If a particle has constant mass mm, position r\mathbf{r}, and is moving with velocity v\mathbf{v}, then its angular momentum is L=m(r×v)\mathbf{L}=m(\mathbf{r}\times\mathbf{v}).

For a particle with mass m=1m=1 and position function r=(sin⁡t,cos⁡t,t)\mathbf{r}=(\sin t, \cos t, t), find ∣dLdt∣\left|\frac{\mathrm{d}\mathbf{L}}{\mathrm{d}t} \right|.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

입자의 위치가 주어졌으므로 속도를 구할 수 있다: v(t)=r′(t)=(cos⁡t,−sin⁡t,1)\mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)=(\cos t, -\sin t , 1) 주어진 공식을 적용하면 L(t)=r×v=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(cos⁡t,−sin⁡t,1).\mathbf{L}(t)=\mathbf{r} \times \mathbf{v}=(\sin t , \cos t , t) \times (\cos t, -\sin t , 1).

  • 풀이 1: 먼저 외적을 계산한 다음 미분할 수 있다:

L(t)=(cos⁡t+tsin⁡t)ı^+(tcos⁡t−sin⁡t)ȷ^−k^L′(t)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2(sin⁡2t+cos⁡2t)=t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}(t)& = (\cos t + t\sin t)\hat{\boldsymbol{\imath}} + (t\cos t - \sin t)\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{L}'(t)&=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -t\sin t\, \hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2(\sin^2 t + \cos^2 t)}=\sqrt{t^2}=|t| \end{aligned}

  • 풀이 2: 곱의 미분법을 이용한다:

L′(t)=r′(t)×v(t)+r(t)×v′(t)=r′(t)×r′(t)⏟0+r(t)×v′(t)=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(−sin⁡t,−cos⁡t,0)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2cos⁡2t+t2sin⁡t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}'(t)&=\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{v}(t) + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &=\underbrace{\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{r}'(t)}_{0} + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &= (\sin t ,\cos t,t)\times(-\sin t , -\cos t, 0)\\ &=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2\cos^2 t + t^2\sin t^2 }=|t| \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Given the position of the particle, we can find its velocity: v(t)=r′(t)=(cos⁡t,−sin⁡t,1)\mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)=(\cos t, -\sin t , 1) Applying the given formula, L(t)=r×v=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(cos⁡t,−sin⁡t,1).\mathbf{L}(t)=\mathbf{r} \times \mathbf{v}=(\sin t , \cos t , t) \times (\cos t, -\sin t , 1).

  • Solution 1: We can first compute the cross product, then differentiate:

L(t)=(cos⁡t+tsin⁡t)ı^+(tcos⁡t−sin⁡t)ȷ^−k^L′(t)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2(sin⁡2t+cos⁡2t)=t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}(t)& = (\cos t + t\sin t)\hat{\boldsymbol{\imath}} + (t\cos t - \sin t)\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{L}'(t)&=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -t\sin t\, \hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2(\sin^2 t + \cos^2 t)}=\sqrt{t^2}=|t| \end{aligned}

  • Solution 2: Using the product rule:

L′(t)=r′(t)×v(t)+r(t)×v′(t)=r′(t)×r′(t)⏟0+r(t)×v′(t)=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(−sin⁡t,−cos⁡t,0)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2cos⁡2t+t2sin⁡t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}'(t)&=\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{v}(t) + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &=\underbrace{\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{r}'(t)}_{0} + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &= (\sin t ,\cos t,t)\times(-\sin t , -\cos t, 0)\\ &=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2\cos^2 t + t^2\sin t^2 }=|t| \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 11.2절 · 1번
# 벡터함수의 미분과 적분활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
119.CLP-4 · 1.1절 · 25번대학 수준우리말 번역

한 입자가 곡면 z2=12yz^2=12y 와 18x=yz18x=yz 의 교선인 곡선 C\mathcal{C} 를 따라 위쪽 방향으로 움직인다. 입자가 (1,3,6)(1,3,6) 에 있을 때 속도 v\mathbf{v} 와 가속도 a\mathbf{a} 는 다음과 같다. v=6 ı^+12 ȷ^+12 k^a=27 ı^+30 ȷ^+6 k^\mathbf{v} =6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}\qquad \mathbf{a} = 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}

(a) u=z6u=\frac{z}{6} 를 매개변수로 사용하여 C\mathcal{C} 의 벡터 매개변수 방정식을 쓰세요. (b) (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,3,6)(1,3,6) 까지 C\mathcal{C} 의 길이를 구하세요. (c) u=u(t)u=u(t) 가 시각 tt 에서 입자의 위치에 해당하는 매개변수 값일 때, 입자가 (1,3,6)(1,3,6) 에 있을 때의 dudt\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} 를 구하세요. (d) 입자가 (1,3,6)(1,3,6) 에 있을 때의 d2udt2\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} 를 구하세요.

영어 원문 보기

A particle moves along the curve C\mathcal{C} of intersection of the surfaces z2=12yz^2=12y and 18x=yz18x=yz in the upward direction. When the particle is at (1,3,6)(1,3,6) its velocity v\mathbf{v} and acceleration a\mathbf{a} are given by v=6 ı^+12 ȷ^+12 k^a=27 ı^+30 ȷ^+6 k^\mathbf{v} =6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}\qquad \mathbf{a} = 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}

(a) Write a vector parametric equation for C\mathcal{C} using u=z6u=\frac{z}{6} as a parameter. (b) Find the length of C\mathcal{C} from (0,0,0)(0,0,0) to (1,3,6)(1,3,6). (c) If u=u(t)u=u(t) is the parameter value for the particle's position at time tt, find dudt\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} when the particle is at (1,3,6)(1,3,6). (d) Find d2udt2\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} when the particle is at (1,3,6)(1,3,6).

정답·풀이 보기

(a) z=6uz=6u 이므로 y=z212=3u2y=\frac{z^2}{12}=3u^2 이고 x=yz18=u3x=\frac{yz}{18}=u^3 이다.

r(u)=u3 ı^+3u2 ȷ^+6u k^\begin{aligned} \mathbf{r}(u)&=u^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3u^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6u\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(b)

r′(u)=3u2 ı^+6u ȷ^+6 k^r′′(u)=6u ı^+6 ȷ^dsdu(u)=∣r′(u)∣=9u4+36u2+36=3(u2+2)\begin{aligned} \mathbf{r}'(u)&=3u^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6u\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(u)&=6u\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}(u)=|\mathbf{r}'(u)| &=\sqrt{9u^4+36u^2+36}=3\big(u^2+2\big)\\ \end{aligned}

∫C ds=∫01dsdu du=∫013(u2+2) du=[u3+6u]01=7\int_\mathcal{C} \ ds =\int_0^1 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}\ \mathrm{d}u =\int_0^1 3\big(u^2+2\big)\ \mathrm{d}u =\big[u^3+6u\big]_0^1 =7

(c) 시각 tt 에서 입자의 위치를 R(t)\mathbf{R}(t) 라 하자. 그러면 R(t)=r(u(t))  ⟹  R′(t)=r′(u(t))dudt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(u(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} 특히, 입자가 시각 t1t_1 에 (1,3,6)(1,3,6) 에 있다면 u(t1)=1u(t_1)=1 이고 6 ı^+12 ȷ^+12 k^=R′(t1)=r′(1)dudt(t1)=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)dudt(t1)6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}=\mathbf{R}'(t_1)=\mathbf{r}'(1)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) 이므로 dudt(t1)=2\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)=2 이다.

(d) 곱의 미분법과 연쇄 법칙에 의해 R′(t)=r′(u(t))dudt  ⟹  R′′(t)=r′′(u(t))(dudt)2+r′(u(t))d2udt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(u(t)\big)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} 특히,

27 ı^+30 ȷ^+6 k^=R′′(t1)=r′′(1)(dudt(t1))2+r′(1)d2udt2(t1)=(6 ı^+6 ȷ^)22+(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)\begin{aligned} 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} &=\mathbf{R}''(t_1)=\mathbf{r}''(1)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \\ &=\big(6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big)2^2+\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \end{aligned}

간단히 하면 3 ı^+6 ȷ^+6 k^=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)  ⟹  d2udt2(t1)=13\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \implies \frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1)=1

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since z=6uz=6u, y=z212=3u2y=\frac{z^2}{12}=3u^2 and x=yz18=u3x=\frac{yz}{18}=u^3,

r(u)=u3 ı^+3u2 ȷ^+6u k^\begin{aligned} \mathbf{r}(u)&=u^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3u^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6u\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(b)

r′(u)=3u2 ı^+6u ȷ^+6 k^r′′(u)=6u ı^+6 ȷ^dsdu(u)=∣r′(u)∣=9u4+36u2+36=3(u2+2)\begin{aligned} \mathbf{r}'(u)&=3u^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6u\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(u)&=6u\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}(u)=|\mathbf{r}'(u)| &=\sqrt{9u^4+36u^2+36}=3\big(u^2+2\big)\\ \end{aligned}

∫C ds=∫01dsdu du=∫013(u2+2) du=[u3+6u]01=7\int_\mathcal{C} \ ds =\int_0^1 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}\ \mathrm{d}u =\int_0^1 3\big(u^2+2\big)\ \mathrm{d}u =\big[u^3+6u\big]_0^1 =7

(c) Denote by R(t)\mathbf{R}(t) the position of the particle at time tt. Then R(t)=r(u(t))  ⟹  R′(t)=r′(u(t))dudt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(u(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} In particular, if the particle is at (1,3,6)(1,3,6) at time t1t_1, then u(t1)=1u(t_1)=1 and 6 ı^+12 ȷ^+12 k^=R′(t1)=r′(1)dudt(t1)=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)dudt(t1)6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}=\mathbf{R}'(t_1)=\mathbf{r}'(1)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) which implies that dudt(t1)=2\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)=2.

(d) By the product and chain rules, R′(t)=r′(u(t))dudt  ⟹  R′′(t)=r′′(u(t))(dudt)2+r′(u(t))d2udt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(u(t)\big)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} In particular,

27 ı^+30 ȷ^+6 k^=R′′(t1)=r′′(1)(dudt(t1))2+r′(1)d2udt2(t1)=(6 ı^+6 ȷ^)22+(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)\begin{aligned} 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} &=\mathbf{R}''(t_1)=\mathbf{r}''(1)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \\ &=\big(6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big)2^2+\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \end{aligned}

Simplifying 3 ı^+6 ȷ^+6 k^=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)  ⟹  d2udt2(t1)=13\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \implies \frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1)=1

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 24번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
120.CLP-4 · 1.1절 · 26번대학 수준우리말 번역

질량이 m=1m = 1 인 입자가 시각 00 에서 위치 r0=12 k^\mathbf{r}_0 = \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} 이고 속도 v0=π22 ı^\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} 이다. 이 입자는 다음 힘을 받아 움직인다.

F(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^.\mathbf{F}(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}.

(a) 입자의 위치 r(t)\mathbf{r}(t) 를 tt 에 대한 식으로 구하세요. (b) 시각 t=0t = 0 이후 입자가 평면 x=0x = 0 을 처음으로 지나는 시각은 언제인지 구하세요. (c) (b)에서 입자가 평면 x=0x = 0 을 지날 때의 속도를 구하세요.

영어 원문 보기

A particle of mass m=1m = 1 has position r0=12 k^\mathbf{r}_0 = \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} and velocity v0=π22 ı^\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} at time 00. It moves under a force

F(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^.\mathbf{F}(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}.

(a) Determine the position r(t)\mathbf{r}(t) of the particle depending on tt. (b) At what time after time t=0t = 0 does the particle cross the plane x=0x = 0 for the first time? (c) What is the velocity of the particle when it crosses the plane x=0x = 0 in part (b)?

정답·풀이 보기

(a) 뉴턴의 법칙에 따라

mr′′(t)=F(t)이므로r′′(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^m\mathbf{r}''(t) = \mathbf{F}(t)\qquad\text{이므로}\qquad \mathbf{r}''(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}

한 번 적분하면

r′(t)=−3t22 ı^−cos⁡t ȷ^+e2t k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = -3\frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - \cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c} \end{aligned}

이다. 여기서 c\mathbf{c} 는 어떤 상수 벡터이다. 주어진 조건 r′(0)=v0=π22 ı^\mathbf{r}'(0)=\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} 에서 c=π22 ı^+ȷ^−k^\mathbf{c}=\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}} 이므로

r′(t)=(π22−3t22) ı^+(1−cos⁡t) ȷ^+(e2t−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3t^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2t}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다.

한 번 더 적분하면

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} + \mathbf{c} \end{aligned}

이다. 여기서 c\mathbf{c} 는 (앞의 것과는 다른) 어떤 상수 벡터이다. 주어진 조건 r(0)=r0=12 k^\mathbf{r}(0)=\mathbf{r}_0 =\frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} 에서 c=0\mathbf{c}=\mathbf{0} 이므로

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다.

(b) 입자가 평면 x=0x=0 위에 있는 것은

0=(π2t2−t32)=t2(π2−t2)  ⟺  t=0,±π\begin{aligned} 0=\left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right) =\frac{t}{2}(\pi^2-t^2) \iff t=0, \pm\pi \end{aligned}

일 때이다. 따라서 구하는 시각은 t=πt=\pi 이다.

(c) 시각 t=πt=\pi 에서의 속도는

r′(π)=(π22−3π22) ı^+(1−cos⁡π) ȷ^+(e2π−1) k^=−π2 ı^+2 ȷ^+(e2π−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(\pi) &= \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3\pi^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos\pi)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \\ &= -\pi^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) According to Newton,

mr′′(t)=F(t)so thatr′′(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^m\mathbf{r}''(t) = \mathbf{F}(t)\qquad\text{so that}\qquad \mathbf{r}''(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}

Integrating once gives

r′(t)=−3t22 ı^−cos⁡t ȷ^+e2t k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = -3\frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - \cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c} \end{aligned}

for some constant vector c\mathbf{c}. We are told that r′(0)=v0=π22 ı^\mathbf{r}'(0)=\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}. This forces c=π22 ı^+ȷ^−k^\mathbf{c}=\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}} so that

r′(t)=(π22−3t22) ı^+(1−cos⁡t) ȷ^+(e2t−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3t^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2t}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

Integrating a second time gives

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} + \mathbf{c} \end{aligned}

for some (other) constant vector c\mathbf{c}. We are told that r(0)=r0=12 k^\mathbf{r}(0)=\mathbf{r}_0 =\frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}}. This forces c=0\mathbf{c}=\mathbf{0} so that

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(b) The particle is in the plane x=0x=0 when

0=(π2t2−t32)=t2(π2−t2)  ⟺  t=0,±π\begin{aligned} 0=\left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right) =\frac{t}{2}(\pi^2-t^2) \iff t=0, \pm\pi \end{aligned}

So the desired time is t=πt=\pi.

(c) At time t=πt=\pi, the velocity is

r′(π)=(π22−3π22) ı^+(1−cos⁡π) ȷ^+(e2π−1) k^=−π2 ı^+2 ȷ^+(e2π−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(\pi) &= \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3\pi^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos\pi)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \\ &= -\pi^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 31번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)