문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터와 공간

직선과 평면의 방정식

평면·공간에서 직선과 평면의 방정식, 교점·거리·사이각을 구한다

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

8문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 1.3절 · 1번대학 수준우리말 번역

R2\mathbb R^2 에서 직선이 방향 d\mathbf d 를 가지고 점 c\mathbf c 를 지납니다.

다음 중 이 직선의 매개변수 방정식은 <x,y>=c+td\left< x,y\right> =\mathbf c + t\mathbf d 와 <x,y>=c−td\left< x,y\right> =\mathbf c - t\mathbf d 중 어느 것인가요?

영어 원문 보기

A line in R2\mathbb R^2 has direction d\mathbf d and passes through point c\mathbf c.

Which of the following gives its parametric equation: <x,y>=c+td\left< x,y\right> =\mathbf c + t\mathbf d , or <x,y>=c−td\left< x,y\right> =\mathbf c - t\mathbf d ?

정답·풀이 보기

tt 는 어떤 실수라도 될 수 있으므로 두 방정식은 같은 직선을 나타낸다. 둘 다 옳다. 예를 들어, 첫 번째 매개변수 방정식에서 t=7t=7 일 때의 점, 즉 c+7d\mathbf c + 7\mathbf d 는 두 번째 매개변수 방정식에서 t=−7t=-7 일 때의 점, 즉 c−(−7)d\mathbf c -(-7)\mathbf d 와 정확히 같다.

원본 교재 풀이(영어)

Since tt can be any real number, these equation describe the same line. They're both valid. For example, the point given by the first parametric equation with t=7t=7, namely c+7d\mathbf c + 7\mathbf d , is exactly the same as the point given by the second parametric equation with t=−7t=-7, namely c−(−7)d\mathbf c -(-7)\mathbf d .

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 18번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
2.CLP-3 · 1.3절 · 4번대학 수준우리말 번역

R2\mathbb R^2 에서 한 직선의 매개변수 방정식이 다음과 같습니다. x−3=9ty−5=7t\begin{array}{lcl} x-3&=&9t\\ y-5&=&7t \end{array} 이 직선의 매개변수 방정식을 쓰는 방법은 여러 가지가 있습니다. 이 방정식을 다음과 같이 다시 쓸 때, x−x0=dxty−y0=dyt\begin{array}{lcl} x-x_0&=&d_xt\\ y-y_0&=&d_yt \end{array} <x0,y0>\left< x_0,y_0\right> 와 <dx,dy>\left< d_x,d_y\right> 가 가질 수 있는 값을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

A line in R2\mathbb R^2 has parametric equations x−3=9ty−5=7t\begin{array}{lcl} x-3&=&9t\\ y-5&=&7t \end{array} There are many different ways to write the parametric equations of this line. If we rewrite the equations as x−x0=dxty−y0=dyt\begin{array}{lcl} x-x_0&=&d_xt\\ y-y_0&=&d_yt \end{array} what are all possible values of <x0,y0>\left< x_0,y_0\right> and <dx,dy>\left< d_x,d_y\right>?

정답·풀이 보기

<dx,dy>\left< d_x,d_y\right> 는 직선의 방향이므로 <9,7>\left< 9,7\right> 의 0이 아닌 임의의 스칼라배가 될 수 있다.

<x0,y0>\left< x_0,y_0\right> 는 직선 위의 임의의 점이 될 수 있다. 이 점들을 나타내는 것은 직선 자체를 나타내는 것과 같다. 어떤 실수 tt 에 대해

{x0−3=9ty0−5=7t\begin{aligned} \begin{cases} x_0-3&=9t\\ y_0-5&=7t \end{cases} \end{aligned}

을 만족하는 순서쌍 <x0,y0>\left< x_0,y_0\right> 를 모두 찾으면 된다. 즉,

t=x0−39=y0−577(x0−3)=9(y0−5)7x0+24=9y0\begin{aligned} t=\frac{x_0-3}{9}&=\frac{y_0-5}{7}\\ 7(x_0-3)&=9(y_0-5)\\ 7x_0+24&=9y_0 \end{aligned}

이다. 이 단계들 중 어느 것으로든 <x0,y0>\left< x_0,y_0\right> 의 가능한 값을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 7x0+24=9y07x_0+24=9y_0 을 만족하는 임의의 순서쌍이라고 할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

<dx,dy>\left< d_x,d_y\right> is the direction of the line, so it can be any non-zero scalar multiple of <9,7>\left< 9,7\right>.

<x0,y0>\left< x_0,y_0\right> can be any point on the line. Describing these is the same as describing the line itself. We're trying to find all doubles <x0,y0>\left< x_0,y_0\right> that obey

{x0−3=9ty0−5=7t\begin{aligned} \begin{cases} x_0-3&=9t\\ y_0-5&=7t \end{cases} \end{aligned}

for some real number tt. That is,

t=x0−39=y0−577(x0−3)=9(y0−5)7x0+24=9y0\begin{aligned} t=\frac{x_0-3}{9}&=\frac{y_0-5}{7}\\ 7(x_0-3)&=9(y_0-5)\\ 7x_0+24&=9y_0 \end{aligned}

Any of these steps could specify the possible values of <x0,y0>\left< x_0,y_0\right>. Say, they can be any pair satisfying 7x0+24=9y07x_0+24=9y_0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.3절 · 5번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
3.CLP-3 · 1.4절 · 1번대학 수준우리말 번역

벡터 k^\hat{\mathbf{k}} 는 평면 z=0z=0 의 법선벡터(즉, 수직인 벡터)이다. z=0z=0 에 수직인 또 다른 영벡터가 아닌 벡터를 구하세요.

영어 원문 보기

The vector k^\hat{\mathbf{k}} is a normal vector (i.e. is perpendicular) to the plane z=0z=0. Find another nonzero vector that is normal to z=0z=0.

정답·풀이 보기

구하는 벡터는 z=0z=0 에 수직이므로 k^\hat{\mathbf{k}} 와 평행하다. k^\hat{\mathbf{k}} 와 평행하려면 그 벡터는 어떤 실수 cc 에 대해 c k^c\,\hat{\mathbf{k}} 꼴이어야 한다. 이 벡터가 영벡터가 아니려면 c≠0c\ne 0 이어야 하고, k^\hat{\mathbf{k}} 와 다르려면 c≠1c\ne 1 이어야 한다. 따라서 가능한 세 가지 예는 −k^-\hat{\mathbf{k}}, 2 k^2\,\hat{\mathbf{k}}, 7.12345 k^7.12345\,\hat{\mathbf{k}} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We are looking for a vector that is perpendicular to z=0z=0 and hence is parallel to k^\hat{\mathbf{k}}. To be parallel of k^\hat{\mathbf{k}}, the vector has to be of the form c k^c\,\hat{\mathbf{k}} for some real number cc. For the vector to be nonzero, we need c≠0c\ne 0 and for the vector to be different from k^\hat{\mathbf{k}}, we need c≠1c\ne 1. So three possible choices are −k^-\hat{\mathbf{k}}, 2 k^2\,\hat{\mathbf{k}}, 7.12345 k^7.12345\,\hat{\mathbf{k}}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 9번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
4.CLP-3 · 1.4절 · 3번대학 수준우리말 번역

(a) 원점을 지나고 법선벡터가 <1,2,3>\left< 1,2,3\right> 인 평면의 방정식을 구하세요. (b) 점 (0,0,1)(0,0,1) 을 지나고 법선벡터가 <1,1,3>\left< 1,1,3\right> 인 평면의 방정식을 구하세요. (c) 가능하다면, (1,2,3)(1,2,3) 과 (1,0,0)(1,0,0) 을 모두 지나고 법선벡터가 <4,5,6>\left< 4,5,6\right> 인 평면의 방정식을 구하세요. (d) 가능하다면, (1,2,3)(1,2,3) 과 (0,3,4)(0,3,4) 를 모두 지나고 법선벡터가 <2,1,1>\left< 2,1,1\right> 인 평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find the equation of the plane that passes through the origin and has normal vector <1,2,3>\left< 1,2,3\right>. (b) Find the equation of the plane that passes through the point (0,0,1)(0,0,1) and has normal vector <1,1,3>\left< 1,1,3\right>. (c) Find, if possible, the equation of a plane that passes through both (1,2,3)(1,2,3) and (1,0,0)(1,0,0) and has normal vector <4,5,6>\left< 4,5,6\right>. (d) Find, if possible, the equation of a plane that passes through both (1,2,3)(1,2,3) and (0,3,4)(0,3,4) and has normal vector <2,1,1>\left< 2,1,1\right>.

정답·풀이 보기

(a) (x,y,z)(x,y,z) 가 평면 위의 임의의 점이면, (x,y,z)(x,y,z) 에서 (0,0,0)(0,0,0) 으로 향하는 벡터, 즉 <x,y,z>\left< x,y,z\right> 의 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터 <x,y,z>\left< x,y,z\right> 는 <1,2,3>\left< 1,2,3\right> 과 수직이어야 하므로

0=<x,y,z>⋅<1,2,3>=x+2y+3z0=\left< x,y,z\right>\cdot \left< 1,2,3\right> =x+2y+3z

(b) (x,y,z)(x,y,z) 가 평면 위의 임의의 점이면, (x,y,z)(x,y,z) 에서 (0,0,1)(0,0,1) 로 향하는 벡터, 즉 <x,y,z−1>\left< x,y,z-1\right> 의 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터 <x,y,z−1>\left< x,y,z-1\right> 는 <1,1,3>\left< 1,1,3\right> 과 수직이어야 하므로

0=<x,y,z−1>⋅<1,1,3>=x+y+3(z−1)  ⟺  x+y+3z=30=\left< x,y,z-1\right>\cdot \left< 1,1,3\right> =x+y+3(z-1) \iff x+y+3z=3

(c) (1,2,3)(1,2,3) 과 (1,0,0)(1,0,0) 이 모두 평면 위에 있다면, (1,2,3)(1,2,3) 에서 (1,0,0)(1,0,0) 으로 향하는 벡터, 즉 <0,2,3>\left< 0,2,3\right> 의 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터 <0,2,3>\left< 0,2,3\right> 는 <4,5,6>\left< 4,5,6\right> 과 수직이어야 한다. 그런데

<0,2,3>⋅<4,5,6>=28≠0\left< 0,2,3\right> \cdot \left< 4,5,6\right> = 28\ne 0

이므로 벡터 <0,2,3>\left< 0,2,3\right> 는 <4,5,6>\left< 4,5,6\right> 과 수직이 아니다. 따라서 (1,2,3)(1,2,3) 과 (1,0,0)(1,0,0) 을 모두 지나고 법선벡터가 <4,5,6>\left< 4,5,6\right> 인 평면은 존재하지 않는다.

(d) (1,2,3)(1,2,3) 과 (0,3,4)(0,3,4) 가 모두 평면 위에 있다면, (1,2,3)(1,2,3) 에서 (0,3,4)(0,3,4) 로 향하는 벡터, 즉 <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right> 의 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터 <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right> 는 <2,1,1>\left< 2,1,1\right> 과 수직이어야 한다. 그런데

<1,−1,−1>⋅<2,1,1>=0\left< 1,-1,-1\right> \cdot \left< 2,1,1\right> = 0

이므로 벡터 <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right> 는 실제로 <2,1,1>\left< 2,1,1\right> 과 수직이다. 따라서 (1,2,3)(1,2,3) 과 (0,3,4)(0,3,4) 를 모두 지나고 법선벡터가 <2,1,1>\left< 2,1,1\right> 인 평면이 존재한다. 이제 그 방정식을 세우기만 하면 된다.

(x,y,z)(x,y,z) 가 평면 위의 임의의 점이면, (x,y,z)(x,y,z) 에서 (1,2,3)(1,2,3) 으로 향하는 벡터, 즉 <x−1,y−2,z−3>\left< x-1,y-2,z-3\right> 의 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터 <x−1,y−2,z−3>\left< x-1,y-2,z-3\right> 는 <2,1,1>\left< 2,1,1\right> 과 수직이어야 하므로

0=<x−1,y−2,z−3>⋅<2,1,1>=2(x−1)+(y−2)+(z−3)  ⟺  2x+y+z=70=\left< x-1,y-2,z-3\right>\cdot \left< 2,1,1\right> =2(x-1)+(y-2)+(z-3) \iff 2x+y+z=7

검산으로, (x,y,z)=(1,2,3)(x,y,z)=(1,2,3) 과 (x,y,z)=(0,3,4)(x,y,z)=(0,3,4) 가 모두 방정식 2x+y+z=72x+y+z=7 을 만족함을 확인할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If (x,y,z)(x,y,z) is any point on the plane, then both the head and the tail of the vector from (x,y,z)(x,y,z) to (0,0,0)(0,0,0), namely <x,y,z>\left< x,y,z\right>, lie in the plane. So the vector <x,y,z>\left< x,y,z\right> must be perpendicular to <1,2,3>\left< 1,2,3\right> and

0=<x,y,z>⋅<1,2,3>=x+2y+3z0=\left< x,y,z\right>\cdot \left< 1,2,3\right> =x+2y+3z

(b) If (x,y,z)(x,y,z) is any point on the plane, then both the head and the tail of the vector from (x,y,z)(x,y,z) to (0,0,1)(0,0,1), namely <x,y,z−1>\left< x,y,z-1\right>, lie in the plane. So the vector <x,y,z−1>\left< x,y,z-1\right> must be perpendicular to <1,1,3>\left< 1,1,3\right> and

0=<x,y,z−1>⋅<1,1,3>=x+y+3(z−1)  ⟺  x+y+3z=30=\left< x,y,z-1\right>\cdot \left< 1,1,3\right> =x+y+3(z-1) \iff x+y+3z=3

(c) If both (1,2,3)(1,2,3) and (1,0,0)(1,0,0) are on the plane, then both the head and the tail of the vector from (1,2,3)(1,2,3) to (1,0,0)(1,0,0), namely <0,2,3>\left< 0,2,3\right>, lie in the plane. So the vector <0,2,3>\left< 0,2,3\right> must be perpendicular to <4,5,6>\left< 4,5,6\right>. As

<0,2,3>⋅<4,5,6>=28≠0\left< 0,2,3\right> \cdot \left< 4,5,6\right> = 28\ne 0

the vector <0,2,3>\left< 0,2,3\right> is not perpendicular to <4,5,6>\left< 4,5,6\right>. So there is no plane that passes through both (1,2,3)(1,2,3) and (1,0,0)(1,0,0) and has normal vector <4,5,6>\left< 4,5,6\right>.

(d) If both (1,2,3)(1,2,3) and (0,3,4)(0,3,4) are on the plane, then both the head and the tail of the vector from (1,2,3)(1,2,3) to (0,3,4)(0,3,4), namely <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right>, lie in the plane. So the vector <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right> must be perpendicular to <2,1,1>\left< 2,1,1\right>. As

<1,−1,−1>⋅<2,1,1>=0\left< 1,-1,-1\right> \cdot \left< 2,1,1\right> = 0

the vector <1,−1,−1>\left< 1,-1,-1\right> is indeed perpendicular to <2,1,1>\left< 2,1,1\right>. So there is a plane that passes through both (1,2,3)(1,2,3) and (0,3,4)(0,3,4) and has normal vector <2,1,1>\left< 2,1,1\right>. We now just have to build its equation.

If (x,y,z)(x,y,z) is any point on the plane, then both the head and the tail of the vector from (x,y,z)(x,y,z) to (1,2,3)(1,2,3), namely <x−1,y−2,z−3>\left< x-1,y-2,z-3\right>, lie in the plane. So the vector <x−1,y−2,z−3>\left< x-1,y-2,z-3\right> must be perpendicular to <2,1,1>\left< 2,1,1\right> and

0=<x−1,y−2,z−3>⋅<2,1,1>=2(x−1)+(y−2)+(z−3)  ⟺  2x+y+z=70=\left< x-1,y-2,z-3\right>\cdot \left< 2,1,1\right> =2(x-1)+(y-2)+(z-3) \iff 2x+y+z=7

As a check, note that both (x,y,z)=(1,2,3)(x,y,z)=(1,2,3) and (x,y,z)=(0,3,4)(x,y,z)=(0,3,4) obey the equation 2x+y+z=72x+y+z=7.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 2번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
5.CLP-3 · 1.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

세 점 (1,0,0)(1,0,0), (0,1,0)(0,1,0), (0,0,1)(0,0,1)을 지나는 평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the equation of the plane that contains (1,0,0)(1,0,0), (0,1,0)(0,1,0) and (0,0,1)(0,0,1).

정답·풀이 보기

풀이 1: 너무 쉽다. 그냥 짐작하면 된다. 평면 x+y+z=1x+y+z=1은 주어진 세 점을 모두 지난다.

풀이 2: 이 평면은 원점을 지나지 않는다. (간단히 그림을 그려 보면 알 수 있다.) 따라서 이 평면의 방정식은 ax+by+cz=1ax+by+cz=1 꼴이다.

  • (1,0,0)(1,0,0)이 평면 위에 있으려면

a(1)+b(0)+c(0)=1  ⟹  a=1a(1) +b(0) +c(0) =1 \implies a=1

  • (0,1,0)(0,1,0)이 평면 위에 있으려면

a(0)+b(1)+c(0)=1  ⟹  b=1a(0) +b(1) +c(0) =1 \implies b=1

  • (0,0,1)(0,0,1)이 평면 위에 있으려면

a(0)+b(0)+c(1)=1  ⟹  c=1a(0) +b(0) +c(1) =1 \implies c=1

따라서 이 평면은 x+y+z=1x+y+z=1이다.

풀이 3: (1,0,0)(1,0,0)에서 (0,1,0)(0,1,0)까지의 벡터, 즉 <−1,1,0>\left< -1,1,0\right>의 시점과 종점은 모두 평면 위에 있다. 마찬가지로 (1,0,0)(1,0,0)에서 (0,0,1)(0,0,1)까지의 벡터, 즉 <−1,0,1>\left< -1,0,1\right>의 시점과 종점도 모두 평면 위에 있다. 따라서 벡터

<−1,1,0>×<−1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^−110−101]=<1,1,1>\begin{aligned} \left< -1,1,0\right> \times \left< -1,0,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -1 & 1 & 0 \\ -1 & 0 & 1 \end{matrix}\right] =\left< 1 , 1 ,1 \right> \end{aligned}

은 이 평면의 법선 벡터이다. (1,0,0)(1,0,0)이 평면 위의 점이므로

<1,1,1>⋅<x−1 , y−0 , z−0>=0또는x+y+z=1\begin{aligned} \left< 1 , 1 ,1 \right> \cdot \left< x-1\,,\,y-0\,,\, z-0 \right> = 0\qquad \text{또는}\quad x+y+z=1 \end{aligned}

이 평면의 방정식이다.

원본 교재 풀이(영어)

Solution 1: That's too easy. We just guess. The plane x+y+z=1x+y+z=1 contains all three given points.

Solution 2: The plane does not pass through the origin. (You can see this by just making a quick sketch.) So the plane has an equation of the form ax+by+cz=1ax+by+cz=1.

  • For (1,0,0)(1,0,0) to be on the plane we need that

a(1)+b(0)+c(0)=1  ⟹  a=1a(1) +b(0) +c(0) =1 \implies a=1

  • For (0,1,0)(0,1,0) to be on the plane we need that

a(0)+b(1)+c(0)=1  ⟹  b=1a(0) +b(1) +c(0) =1 \implies b=1

  • For (0,0,1)(0,0,1) to be on the plane we need that

a(0)+b(0)+c(1)=1  ⟹  c=1a(0) +b(0) +c(1) =1 \implies c=1

So the plane is x+y+z=1x+y+z=1.

Solution 3: Both the head and the tail of the vector from (1,0,0)(1,0,0) to (0,1,0)(0,1,0), namely <−1,1,0>\left< -1,1,0\right>, lie in the plane. Similarly, both the head and the tail of the vector from (1,0,0)(1,0,0) to (0,0,1)(0,0,1), namely <−1,0,1>\left< -1,0,1\right>, lie in the plane. So the vector

<−1,1,0>×<−1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^−110−101]=<1,1,1>\begin{aligned} \left< -1,1,0\right> \times \left< -1,0,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -1 & 1 & 0 \\ -1 & 0 & 1 \end{matrix}\right] =\left< 1 , 1 ,1 \right> \end{aligned}

is a normal vector for the plane. As (1,0,0)(1,0,0) is a point in the plane,

<1,1,1>⋅<x−1 , y−0 , z−0>=0orx+y+z=1\begin{aligned} \left< 1 , 1 ,1 \right> \cdot \left< x-1\,,\,y-0\,,\, z-0 \right> = 0\qquad \text{or}\quad x+y+z=1 \end{aligned}

is an equation for the plane.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 3번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
6.CLP-3 · 1.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 무엇이 잘못되었는지 설명하세요. “세 점 (1,2,3)(1,2,3), (2,3,4)(2,3,4), (3,4,5)(3,4,5)를 포함하는 평면의 방정식을 구하세요.”

영어 원문 보기

What's wrong with the following exercise? “Find the equation of the plane containing (1,2,3)(1,2,3), (2,3,4)(2,3,4) and (3,4,5)(3,4,5).”

정답·풀이 보기

(1,2,3)(1,2,3)에서 (2,3,4)(2,3,4)까지의 벡터, 즉 <1,1,1>\left< 1,1,1\right>은 (1,2,3)(1,2,3)에서 (3,4,5)(3,4,5)까지의 벡터, 즉 <2,2,2>\left< 2,2,2\right>와 평행하다. 따라서 주어진 세 점은 한 직선 위에 있다. 정확히 말하면, 세 점 (1,2,3), (2,3,4)(1,2,3),\ (2,3,4), (3,4,5)(3,4,5)는 모두 직선 <x−1,y−2,z−3>=t<1,1,1>\left< x-1,y-2,z-3\right>=t\left< 1,1,1\right> 위에 있다. 이 직선을 지나는 평면은 많다.

원본 교재 풀이(영어)

The vector from (1,2,3)(1,2,3) to (2,3,4)(2,3,4), namely <1,1,1>\left< 1,1,1\right> is parallel to the vector from (1,2,3)(1,2,3) to (3,4,5)(3,4,5), namely <2,2,2>\left< 2,2,2\right>. So the three given points are collinear. Precisely, all three points (1,2,3), (2,3,4)(1,2,3),\ (2,3,4) and (3,4,5)(3,4,5) are on the line <x−1,y−2,z−3>=t<1,1,1>\left< x-1,y-2,z-3\right>=t\left< 1,1,1\right>. There are many planes through that line.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 4번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
7.CLP-3 · 1.5절 · 1번대학 수준우리말 번역

다음 문제에 어떤 잘못이 있는지 설명하세요.

“점 (3,1,3)(3,1,3) 을 지나고 벡터 <4,−6,2>\left< 4,-6,2 \right> 와 <13,−12,16>\left< \frac13,-\frac12,\frac16 \right> 에 수직인 직선의 방정식을 구하세요.”

영어 원문 보기

What is wrong with the following exercise?

“Give an equation for the line passing through the point (3,1,3)(3,1,3) that is normal to the vectors <4,−6,2>\left< 4,-6,2 \right> and <13,−12,16>\left< \frac13,-\frac12,\frac16 \right>."

정답·풀이 보기

12<13,−12,16>=<4,−6,2>12\left< \frac13,-\frac12,\frac16 \right>=\left< 4,-6,2 \right> 임에 주목한다. 따라서 우리가 구하려는 직선에 대해 실제로 알고 있는 법선 방향은 하나뿐이다. 즉 주어진 조건을 만족하는 직선은 사실 무수히 많다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Note 12<13,−12,16>=<4,−6,2>12\left< \frac13,-\frac12,\frac16 \right>=\left< 4,-6,2 \right>. So, we actually only know one normal direction to the line we're supposed to be describing. That means there are actually infinitely many lines satisfying the given conditions.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.5절 · 6번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류
8.CLP-3 · 1.5절 · 2번대학 수준우리말 번역

가능하다면, 3차원 공간에서 다음 조건을 만족하는 직선 네 개를 구하세요.

  • 어떤 두 직선도 서로 평행하지 않고,
  • 어떤 두 직선도 서로 만나지 않는다.
영어 원문 보기

Find, if possible, four lines in 3d with

  • no two of the lines parallel to each other and
  • no two of the lines intersecting.
정답·풀이 보기

정답은 무수히 많다. 그중 하나는

L1: <x , y , z−1>=t<1,0,0>L2: <x , y , z−2>=t<0,1,0>L3: <x , y , z−3>=t<1,1,0>L4: <x , y , z−4>=t<1,−1,0>\begin{aligned} L_1:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-1\right> &= t\left< 1,0,0\right> & L_2:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-2\right> &= t\left< 0,1,0\right> \\ L_3:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-3\right> &= t\left< 1,1,0\right> & L_4:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-4\right> &= t\left< 1,-1,0\right> \end{aligned}

이다.

어떤 두 직선도 평행하지 않다. 그 이유는 다음과 같다.

  • L1L_1 과 L2L_2 는 평행하지 않다. 왜냐하면 <1,0,0>×<0,1,0>=<0,0,1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 0,1,0\right>=\left< 0,0,1\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.
  • L1L_1 과 L3L_3 은 평행하지 않다. 왜냐하면 <1,0,0>×<1,1,0>=<0,0,1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 1,1,0\right>=\left< 0,0,1\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.
  • L1L_1 과 L4L_4 는 평행하지 않다. 왜냐하면 <1,0,0>×<1,−1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.
  • L2L_2 와 L3L_3 은 평행하지 않다. 왜냐하면 <0,1,0>×<1,1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 0,1,0\right>\times \left< 1,1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.
  • L2L_2 와 L4L_4 는 평행하지 않다. 왜냐하면 <0,1,0>×<1,−1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 0,1,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.
  • L3L_3 과 L4L_4 는 평행하지 않다. 왜냐하면 <1,1,0>×<1,−1,0>=<0,0,−2>≠0\left< 1,1,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-2\right>\ne\mathbf{0} 이기 때문이다.

어떤 두 직선도 만나지 않는다. 그 이유는 다음과 같다.

  • L1L_1 위의 모든 점은 z=1z=1 이고
  • L2L_2 위의 모든 점은 z=2z=2 이고
  • L3L_3 위의 모든 점은 z=3z=3 이고
  • L4L_4 위의 모든 점은 z=4z=4 이다.
원본 교재 풀이(영어)

There are infinitely many correct answers. One is

L1: <x , y , z−1>=t<1,0,0>L2: <x , y , z−2>=t<0,1,0>L3: <x , y , z−3>=t<1,1,0>L4: <x , y , z−4>=t<1,−1,0>\begin{aligned} L_1:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-1\right> &= t\left< 1,0,0\right> & L_2:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-2\right> &= t\left< 0,1,0\right> \\ L_3:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-3\right> &= t\left< 1,1,0\right> & L_4:\ \left< x\,,\,y\,,\,z-4\right> &= t\left< 1,-1,0\right> \end{aligned}

No two of the lines are parallel because

  • L1L_1 and L2L_2 are not parallel because <1,0,0>×<0,1,0>=<0,0,1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 0,1,0\right>=\left< 0,0,1\right>\ne\mathbf{0}.
  • L1L_1 and L3L_3 are not parallel because <1,0,0>×<1,1,0>=<0,0,1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 1,1,0\right>=\left< 0,0,1\right>\ne\mathbf{0}.
  • L1L_1 and L4L_4 are not parallel because <1,0,0>×<1,−1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 1,0,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0}.
  • L2L_2 and L3L_3 are not parallel because <0,1,0>×<1,1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 0,1,0\right>\times \left< 1,1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0}.
  • L2L_2 and L4L_4 are not parallel because <0,1,0>×<1,−1,0>=<0,0,−1>≠0\left< 0,1,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-1\right>\ne\mathbf{0}.
  • L3L_3 and L4L_4 are not parallel because <1,1,0>×<1,−1,0>=<0,0,−2>≠0\left< 1,1,0\right>\times \left< 1,-1,0\right>=\left< 0,0,-2\right>\ne\mathbf{0}.

No two of the lines intersect because

  • every point on L1L_1 has z=1z=1 and
  • every point on L2L_2 has z=2z=2 and
  • every point on L3L_3 has z=3z=3 and
  • every point on L4L_4 has z=4z=4.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.5절 · 1번
# 직선과 평면의 방정식계산기본자동 분류