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

95문제 · 5 / 5쪽

81.APEX · 11.5절 · 28번대학 수준우리말 번역

연습문제 27–30에서 주어진 값에서의 곡률반지름을 구하세요.

y=x2+x−3y=x^2+x-3, x=π/4x=\pi/4 일 때

영어 원문 보기

In Exercises 27–30 , find the radius of curvature at the indicated value.

y=x2+x−3y=x^2+x-3, at x=π/4x=\pi/4

정답·풀이 보기

곡률반지름은 5105\sqrt{10} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

radius of curvature is 5105\sqrt{10}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 8번
# 호의 길이와 곡률계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
82.APEX · 11.5절 · 29번대학 수준우리말 번역

연습문제 27–30에서 주어진 값에서의 곡률반지름을 구하세요.

r⃗(t)=⟨cos⁡t,sin⁡(3t)⟩\vec r(t) = \left\langle \cos t, \sin (3t)\right\rangle , t=0t=0 일 때

영어 원문 보기

In Exercises 27–30 , find the radius of curvature at the indicated value.

r⃗(t)=⟨cos⁡t,sin⁡(3t)⟩\vec r(t) = \left\langle \cos t, \sin (3t)\right\rangle , at t=0t=0

정답·풀이 보기

곡률반지름은 99 이다.

원본 교재 풀이(영어)

radius of curvature is 99.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.3절 · 12번
# 호의 길이와 곡률계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
83.APEX · 11.5절 · 30번대학 수준우리말 번역

연습문제 27–30에서 주어진 값에서의 곡률반지름을 구하세요.

r⃗(t)=⟨5cos⁡(3t),t⟩\vec r(t) = \left\langle 5\cos (3 t), t\right\rangle , t=0t=0 일 때

영어 원문 보기

In Exercises 27–30 , find the radius of curvature at the indicated value.

r⃗(t)=⟨5cos⁡(3t),t⟩\vec r(t) = \left\langle 5\cos (3 t), t\right\rangle , at t=0t=0

정답·풀이 보기

곡률반지름은 1/451/45 이다.

원본 교재 풀이(영어)

radius of curvature is 1/451/45.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 50번
# 호의 길이와 곡률계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
84.APEX · 11.5절 · 31번대학 수준우리말 번역

연습문제 31–34에서 주어진 tt의 값에서 곡선의 접촉원의 방정식을 구하세요.

r⃗(t)=⟨t,t2⟩\vec r(t) = \left\langle t,t^2\right\rangle , t=0t=0 일 때

영어 원문 보기

In Exercises 31–34 , find the equation of the osculating circle to the curve at the indicated tt-value.

r⃗(t)=⟨t,t2⟩\vec r(t) = \left\langle t,t^2\right\rangle , at t=0t=0

정답·풀이 보기

x2+(y−1/2)2=1/4x^2+(y-1/2)^2 = 1/4, or c⃗(t)=⟨1/2cos⁡t,1/2sin⁡t+1/2⟩\vec c(t) = \left\langle 1/2\cos t, 1/2\sin t+ 1/2\right\rangle

원본 교재 풀이(영어)

x2+(y−1/2)2=1/4x^2+(y-1/2)^2 = 1/4, or c⃗(t)=⟨1/2cos⁡t,1/2sin⁡t+1/2⟩\vec c(t) = \left\langle 1/2\cos t, 1/2\sin t+ 1/2\right\rangle

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 24번
# 호의 길이와 곡률계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
85.APEX · 11.5절 · 32번대학 수준우리말 번역

연습문제 31–34에서 주어진 tt의 값에 대해 곡선의 접촉원의 방정식을 구하세요.

r⃗(t)=⟨3cos⁡t,sin⁡t⟩\vec r(t) = \left\langle 3\cos t, \sin t\right\rangle , t=0t=0일 때

영어 원문 보기

In Exercises 31–34 , find the equation of the osculating circle to the curve at the indicated tt-value.

r⃗(t)=⟨3cos⁡t,sin⁡t⟩\vec r(t) = \left\langle 3\cos t, \sin t\right\rangle , at t=0t=0

정답·풀이 보기

(x−8/3)2+y2=1/9(x-8/3)^2+y^2 = 1/9, or c⃗(t)=⟨13cos⁡t+83,13sin⁡t⟩\vec c(t) = \left\langle \frac13\cos t+\frac83, \frac13\sin t\right\rangle

원본 교재 풀이(영어)

(x−8/3)2+y2=1/9(x-8/3)^2+y^2 = 1/9, or c⃗(t)=⟨13cos⁡t+83,13sin⁡t⟩\vec c(t) = \left\langle \frac13\cos t+\frac83, \frac13\sin t\right\rangle

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 6번
# 호의 길이와 곡률계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
86.APEX · 11.5절 · 33번대학 수준우리말 번역

연습문제 31–34에서 주어진 tt의 값에 대해 곡선의 접촉원의 방정식을 구하세요.

r⃗(t)=⟨3cos⁡t,sin⁡t⟩\vec r(t) = \left\langle 3\cos t, \sin t\right\rangle , t=π/2t=\pi/2일 때

영어 원문 보기

In Exercises 31–34 , find the equation of the osculating circle to the curve at the indicated tt-value.

r⃗(t)=⟨3cos⁡t,sin⁡t⟩\vec r(t) = \left\langle 3\cos t, \sin t\right\rangle , at t=π/2t=\pi/2

정답·풀이 보기

x2+(y+8)2=81x^2+(y+8)^2 = 81, or c⃗(t)=⟨9cos⁡t,9sin⁡t−8⟩\vec c(t) = \left\langle 9\cos t, 9\sin t-8\right\rangle

원본 교재 풀이(영어)

x2+(y+8)2=81x^2+(y+8)^2 = 81, or c⃗(t)=⟨9cos⁡t,9sin⁡t−8⟩\vec c(t) = \left\langle 9\cos t, 9\sin t-8\right\rangle

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 20번
# 호의 길이와 곡률계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
87.APEX · 11.5절 · 34번대학 수준우리말 번역

연습문제 31–34에서 주어진 tt의 값에 대해 곡선의 접촉원의 방정식을 구하세요.

r⃗(t)=⟨t2−t,t2+t⟩\vec r(t) = \left\langle t^2-t,t^2+t\right\rangle , t=0t=0일 때

영어 원문 보기

In Exercises 31–34 , find the equation of the osculating circle to the curve at the indicated tt-value.

r⃗(t)=⟨t2−t,t2+t⟩\vec r(t) = \left\langle t^2-t,t^2+t\right\rangle , at t=0t=0

정답·풀이 보기

(x−1/2)2+(y−1/2)2=1/2(x-1/2)^2+(y-1/2)^2 = 1/2, or c⃗(t)=⟨22cos⁡t+12,22sin⁡t+12⟩\vec c(t) = \left\langle \frac{\sqrt{2}}{2}\cos t+\frac12, \frac{\sqrt{2}}{2}\sin t+\frac12\right\rangle

원본 교재 풀이(영어)

(x−1/2)2+(y−1/2)2=1/2(x-1/2)^2+(y-1/2)^2 = 1/2, or c⃗(t)=⟨22cos⁡t+12,22sin⁡t+12⟩\vec c(t) = \left\langle \frac{\sqrt{2}}{2}\cos t+\frac12, \frac{\sqrt{2}}{2}\sin t+\frac12\right\rangle

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 10번
# 호의 길이와 곡률계산자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
88.CLP-4 · 1.2절 · 2번대학 수준우리말 번역

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

영어 원문 보기

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

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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

원본 교재 풀이(영어)

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

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

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

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

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

영어 원문 보기

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

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

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

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

그림

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

따라서 가장 알맞은 답은 A이다.

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

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

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

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

따라서 가장 알맞은 답은 A이다.

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

figure

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

So, the best answer is A.

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

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

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

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

So, A is the best solution.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 42번
# 호의 길이와 곡률계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
90.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)
91.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)
92.CLP-4 · 1.3절 · 8번대학 수준우리말 번역

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

영어 원문 보기

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

영어 원문 보기

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

정답·풀이 보기

주어진 타원에 대해

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

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

원본 교재 풀이(영어)

For the given ellipse

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

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

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.3절 · 8번
# 호의 길이와 곡률계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
94.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

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# 호의 길이와 곡률계산도전자동 분류
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R2\mathbb{R}^2 에서 함수 y=x33y=\frac{x^3}{3} 의 그래프로 주어진 곡선을 CC 라 하고, 점 (x,x3/3)(x, x^3/3) 에서 CC 의 곡률을 κ(x)\kappa(x) 라 하자. κ(x)\kappa (x) 가 최댓값을 갖는 점을 모두 구하세요. 그러한 점이 없다면 그 이유를 설명하세요. x→∞x \rightarrow \infty 일 때와 x→−∞x \rightarrow -\infty 일 때 κ(x)\kappa(x) 의 극한은 각각 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the curve in R2\mathbb{R}^2 given by the graph of the function y=x33y=\frac{x^3}{3}. Let κ(x)\kappa(x) be the curvature of CC at the point (x,x3/3)(x, x^3/3). Find all points where κ(x)\kappa (x) attains its maximal values, or else explain why such points do not exist. What are the limits of κ(x)\kappa(x) as x→∞x \rightarrow \infty and x→−∞x \rightarrow -\infty?

정답·풀이 보기

곡선은 y=y(x)=x3/3y=y(x)={x^3}/{3} 이다. y′(x)=x2y'(x) = x^2 이고 y′′(x)=2xy''(x) = 2x 이므로 곡률은 다음과 같다.

κ(x)=∣d2ydx2(x)∣[1+(dydx(x))2]3/2=∣2x∣[1+x4]3/2\begin{aligned} \kappa (x) &=\frac{\big|\frac{\mathrm{d^2}y}{\mathrm{d}{x}^2}(x)\big|} {\Big[1+\big(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}(x)\big)^2\Big]^{3/2}} =\frac{\big|2x\big|} {\big[1+x^4\big]^{3/2}} \end{aligned}

κ(x)\kappa (x) 의 임계점을 구하고 싶지만, 직접 미분하면 식이 복잡해 보인다. κ(x)\kappa (x) 는 음이 아닌 값만 가지므로, 그 최댓값은 함수 κ2(x)\kappa ^2(x) 의 최댓값에 대응한다. 따라서 계산 수고를 덜기 위해 대신 κ2(x)\kappa ^2(x) 의 임계점을 구한다.

0=ddxκ(x)2=ddx4x2(1+x4)3=8x(1+x4)3−316x5(1+x4)4=8x(1+x4)−3×16x5(1+x4)4=8x(1−5x4)(1+x4)4\begin{aligned} 0&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\kappa (x)^2 =\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\frac{4x^2}{{(1+x^4)}^3} =\frac{8x}{{(1+x^4)}^3} - 3\frac{16x^5}{{(1+x^4)}^4} =\frac{8x(1+x^4)-3\times 16x^5}{{(1+x^4)}^4} \\ &=\frac{8x(1-5x^4)}{{(1+x^4)}^4} \end{aligned}

κ(0)=0\kappa (0)=0 이고 x→±∞x\rightarrow\pm \infty 일 때 κ(x)→0\kappa (x)\rightarrow 0 임에 주목한다. 따라서 최댓값은 x=±1/54x=\pm 1/\sqrt[4]{5} 일 때 나타난다.

원본 교재 풀이(영어)

The curve is y=y(x)=x3/3y=y(x)={x^3}/{3}. Since y′(x)=x2y'(x) = x^2 and y′′(x)=2xy''(x) = 2x, the curvature is

κ(x)=∣d2ydx2(x)∣[1+(dydx(x))2]3/2=∣2x∣[1+x4]3/2\begin{aligned} \kappa (x) &=\frac{\big|\frac{\mathrm{d^2}y}{\mathrm{d}{x}^2}(x)\big|} {\Big[1+\big(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}(x)\big)^2\Big]^{3/2}} =\frac{\big|2x\big|} {\big[1+x^4\big]^{3/2}} \end{aligned}

We'd like to find the critical points of κ(x)\kappa (x), but differentiating it looks messy. Since κ(x)\kappa (x) has only nonnegative values, its maxima correspond the maxima of the function κ2(x)\kappa ^2(x). So, we find the critical points of κ2(x)\kappa ^2(x) instead, to save ourselves some computational toil.

0=ddxκ(x)2=ddx4x2(1+x4)3=8x(1+x4)3−316x5(1+x4)4=8x(1+x4)−3×16x5(1+x4)4=8x(1−5x4)(1+x4)4\begin{aligned} 0&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\kappa (x)^2 =\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\frac{4x^2}{{(1+x^4)}^3} =\frac{8x}{{(1+x^4)}^3} - 3\frac{16x^5}{{(1+x^4)}^4} =\frac{8x(1+x^4)-3\times 16x^5}{{(1+x^4)}^4} \\ &=\frac{8x(1-5x^4)}{{(1+x^4)}^4} \end{aligned}

Note that κ(0)=0\kappa (0)=0 and κ(x)→0\kappa (x)\rightarrow 0 as x→±∞x\rightarrow\pm \infty. So the maximum occurs when x=±1/54x=\pm 1/\sqrt[4]{5}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.3절 · 28번
# 호의 길이와 곡률그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)