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

3문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-4 · 1.2절 · 6번대학 수준우리말 번역

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

영어 원문 보기

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

정답·풀이 보기

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

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

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

그림

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

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

원본 교재 풀이(영어)

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

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

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

figure

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

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

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

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

영어 원문 보기

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

정답·풀이 보기

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

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

원본 교재 풀이(영어)

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

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

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.2절 · 2번
# 호의 길이와 곡률계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-4 · 1.3절 · 12번대학 수준우리말 번역

곡선

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

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

영어 원문 보기

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

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

정답·풀이 보기

속도 벡터는

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

이다. 따라서 속력은

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

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

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

이므로

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

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The velocity vector is

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

Consequently the speed

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

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

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

so that

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

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