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2문제 · 1 / 1쪽

1.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}

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2.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}.

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