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.

6문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 1.4절 · 14번대학 수준우리말 번역

두 평면 x+y+z=3, x+y+z=9x+y+z=3,\ x+y+z=9 를 접평면으로 갖고, 중심이 평면 2x−y=0, 3x−z=02x-y=0,\ 3x-z=0 위에 있는 구의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the equation of the sphere which has the two planes x+y+z=3, x+y+z=9x+y+z=3,\ x+y+z=9 as tangent planes if the center of the sphere is on the planes 2x−y=0, 3x−z=02x-y=0,\ 3x-z=0.

정답·풀이 보기

두 평면 x+y+z=3x+y+z=3 과 x+y+z=9x+y+z=9 는 평행하다. 중심은 두 평면의 한가운데에 있는 평면 x+y+z=6x+y+z=6 위에 있어야 한다. 따라서 중심은 x+y+z=6x+y+z=6, 2x−y=02x-y=0, 3x−z=03x-z=0 위에 있다. 이 세 식을 풀면, 즉

y=2x, z=3x, x+y+z=6x=6y=2x,\ z=3x,\ x+y+z=6x=6

에서 중심은 (1,2,3)(1,2,3) 이다. (1,1,1)(1,1,1) 은 x+y+z=3x+y+z=3 위의 점이다. (3,3,3)(3,3,3) 은 x+y+z=9x+y+z=9 위의 점이다. 따라서 <2,2,2>\left< 2,2,2\right> 는 시점이 x+y+z=3x+y+z=3 위에 있고 종점이 x+y+z=9x+y+z=9 위에 있는 벡터이다. 또한 <2,2,2>\left< 2,2,2\right> 는 두 평면에 수직이다. 그러므로 두 평면 사이의 거리는 ∣<2,2,2>∣=23|\left< 2,2,2\right>|=2\sqrt{3} 이고 구의 반지름은 3\sqrt{3} 이다. 구의 방정식은

(x−1)2+(y−2)2+(z−3)2=3(x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2=3

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The two planes x+y+z=3x+y+z=3 and x+y+z=9x+y+z=9 are parallel. The centre must be on the plane x+y+z=6x+y+z=6 half way between them. So, the center is on x+y+z=6x+y+z=6, 2x−y=02x-y=0 and 3x−z=03x-z=0. Solving these three equations, or equvalently,

y=2x, z=3x, x+y+z=6x=6y=2x,\ z=3x,\ x+y+z=6x=6

gives (1,2,3)(1,2,3) as the centre. (1,1,1)(1,1,1) is a point on x+y+z=3x+y+z=3. (3,3,3)(3,3,3) is a point on x+y+z=9x+y+z=9. So <2,2,2>\left< 2,2,2\right> is a vector with tail on x+y+z=3x+y+z=3 and head on x+y+z=9x+y+z=9. Furthermore <2,2,2>\left< 2,2,2\right> is perpendicular to the two planes. So the distance between the planes is ∣<2,2,2>∣=23|\left< 2,2,2\right>|=2\sqrt{3} and the radius of the sphere is 3\sqrt{3}. The sphere is

(x−1)2+(y−2)2+(z−3)2=3(x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2=3

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 15번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
2.CLP-3 · 1.4절 · 15번대학 수준우리말 번역

점 (−2,0,1)(-2,0,1) 을 지나고 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5 의 교선을 지나는 평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the equation of the plane that passes through the point (−2,0,1)(-2,0,1) and through the line of intersection of 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5.

정답·풀이 보기

y=0y=0 으로 놓고 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5 를 풀면, 즉 2x−z=02x-z=0, x+2z=−5x+2z=-5, 또는 이와 동치로

z=2x, x+2z=5x=−5z=2x,\ x+2z=5x=-5

그 결과 (−1,0,−2)(-1,0,-2) 는 평면 위의 한 점이다. y=5y=5 로 놓고 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5 를 풀면, 즉 2x+15−z=02x+15-z=0, x−20+2z=−5x-20+2z=-5, 또는 이와 동치로

z=2x+15, x−20+4x+30=−5z=2x+15,\ x-20+4x+30=-5

그 결과 (−3,5,9)(-3,5,9) 는 평면 위의 또 다른 점이다. 따라서 평면 위의 세 점은 (−2,0,1), (−1,0,−2)(-2,0,1), \ (-1,0,-2), (−3,5,9)(-3,5,9) 이다. <−2+1 , 0−0 , 1+2>=<−1,0,3>\left< -2+1\,,\,0-0\,,\, 1+2 \right>=\left< -1,0,3\right> 과 <−2+3 , 0−5 , 1−9>=<1,−5,−8>\left< -2+3\,,\,0-5\,,\, 1-9 \right> = \left< 1,-5,-8\right> 은 머리와 꼬리가 모두 평면 위에 있는 두 벡터이다.

<−1,0,3>×<1,−5,−8>=det⁡[ı^ȷ^k^−1031−5−8]=<15,−5,5>\begin{aligned} \left< -1,0,3\right> \times \left< 1,-5,-8\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -1 & 0 & 3 \\ 1 & -5 & -8 \end{matrix}\right] =\left< 15 , -5 ,5 \right> \end{aligned}

은 평면에 수직인 벡터이다. 15<15,−5,5>=<3,−1,1>\frac{1}{5}\left< 15 , -5 ,5 \right>=\left< 3,-1,1\right> 도 평면에 수직인 벡터이다. 따라서 평면의 방정식은

3(x+1)−(y−0)+(z+2)=0또는3x−y+z=−53(x+1) -(y-0) + (z+2)=0\quad\text{또는}\quad 3x-y+z=-5

원본 교재 풀이(영어)

Set y=0y=0 and then solve 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5, i.e. 2x−z=02x-z=0, x+2z=−5x+2z=-5, or equvalently

z=2x, x+2z=5x=−5z=2x,\ x+2z=5x=-5

The result, (−1,0,−2)(-1,0,-2), is one point on the plane. Set y=5y=5 and then solve 2x+3y−z=0, x−4y+2z=−52x+3y-z=0,\ x-4y+2z=-5, i.e. 2x+15−z=02x+15-z=0, x−20+2z=−5x-20+2z=-5, or equivalently

z=2x+15, x−20+4x+30=−5z=2x+15,\ x-20+4x+30=-5

The result, (−3,5,9)(-3,5,9), is another point on the plane. So three points on the plane are (−2,0,1), (−1,0,−2)(-2,0,1), \ (-1,0,-2) and (−3,5,9)(-3,5,9). <−2+1 , 0−0 , 1+2>=<−1,0,3>\left< -2+1\,,\,0-0\,,\, 1+2 \right>=\left< -1,0,3\right> and <−2+3 , 0−5 , 1−9>=<1,−5,−8>\left< -2+3\,,\,0-5\,,\, 1-9 \right> = \left< 1,-5,-8\right> are two vectors having both head and tail in the plane.

<−1,0,3>×<1,−5,−8>=det⁡[ı^ȷ^k^−1031−5−8]=<15,−5,5>\begin{aligned} \left< -1,0,3\right> \times \left< 1,-5,-8\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -1 & 0 & 3 \\ 1 & -5 & -8 \end{matrix}\right] =\left< 15 , -5 ,5 \right> \end{aligned}

is a vector perpendicular to the plane. 15<15,−5,5>=<3,−1,1>\frac{1}{5}\left< 15 , -5 ,5 \right>=\left< 3,-1,1\right> is also a vector perpendicular to the plane. The plane is

3(x+1)−(y−0)+(z+2)=0or3x−y+z=−53(x+1) -(y-0) + (z+2)=0\quad\text{or}\quad 3x-y+z=-5

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.3절 · 8번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
3.CLP-3 · 1.4절 · 16번대학 수준우리말 번역

점 p\mathbf{p} 에서 평면 n⋅x=c\mathbf{n}\cdot \mathbf{x}= c 까지의 거리를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the distance from the point p\mathbf{p} to the plane n⋅x=c\mathbf{n}\cdot \mathbf{x}= c.

정답·풀이 보기

벡터 n\mathbf{n} 은 평면 n⋅x=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}= c 에 수직이다. 따라서 직선

x(t)=p+tn\mathbf{x}(t)=\mathbf{p}+t\mathbf{n}

은 p\mathbf{p} 를 지나고 평면에 수직이다.

그림

이 직선은 다음을 만족하는 tt 의 값에서 평면과 만난다.

n⋅x(t)=c또는n⋅[p+tn]=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}(t)= c \text{또는} \mathbf{n}\cdot[\mathbf{p}+t\mathbf{n}]= c

즉

t=[c−n⋅p]/∣n∣2t=[c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}]/|\mathbf{n}|^2

벡터

x(t)−p=t n=n [c−n⋅p]/∣n∣2\mathbf{x}(t)-\mathbf{p}=t\,\mathbf{n}=\mathbf{n}\,[c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}]/|\mathbf{n}|^2

은 머리가 평면 n⋅x=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}= c 위에 있고, 꼬리가 p\mathbf{p} 에 있으며, 평면에 수직이다. 따라서 거리는 이 벡터의 길이이며, 그 값은

∣c−n⋅p∣/∣n∣|c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}|/|\mathbf{n}|

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The vector n\mathbf{n} is perpendicular to the plane n⋅x=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}= c. So the line

x(t)=p+tn\mathbf{x}(t)=\mathbf{p}+t\mathbf{n}

passes through p\mathbf{p} and is perpendicular to the plane.

figure

It crosses the plane at the value of tt which obeys

n⋅x(t)=corn⋅[p+tn]=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}(t)= c \text{or} \mathbf{n}\cdot[\mathbf{p}+t\mathbf{n}]= c

namely

t=[c−n⋅p]/∣n∣2t=[c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}]/|\mathbf{n}|^2

The vector

x(t)−p=t n=n [c−n⋅p]/∣n∣2\mathbf{x}(t)-\mathbf{p}=t\,\mathbf{n}=\mathbf{n}\,[c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}]/|\mathbf{n}|^2

has head on the plane n⋅x=c\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}= c, tail at p\mathbf{p}, and is perpendicular to the plane. So the distance is the length of that vector, which is

∣c−n⋅p∣/∣n∣|c-\mathbf{n}\cdot\mathbf{p}|/|\mathbf{n}|

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 17번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
4.CLP-3 · 1.4절 · 17번대학 수준우리말 번역

(1,2,3)(1,2,3)과 (5,2,7)(5,2,7)로부터 같은 거리에 있는 점들의 집합을 설명하세요.

영어 원문 보기

Describe the set of points equidistant from (1,2,3)(1,2,3) and (5,2,7)(5,2,7).

정답·풀이 보기

점 (x,y,z)(x,y,z)에서 (1,2,3)(1,2,3)까지의 거리는 (x−1)2+(y−2)2+(z−3)2\sqrt{(x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2}이고, (x,y,z)(x,y,z)에서 (5,2,7)(5,2,7)까지의 거리는 (x−5)2+(y−2)2+(z−7)2\sqrt{(x-5)^2+(y-2)^2+(z-7)^2}이다. 따라서 (x,y,z)(x,y,z)가 (1,2,3)(1,2,3)과 (5,2,7)(5,2,7)로부터 같은 거리에 있을 필요충분조건은 다음과 같다.

(x−1)2+(y−2)2+(z−3)2=(x−5)2+(y−2)2+(z−7)2  ⟺  x2−2x+1+z2−6z+9=x2−10x+25+z2−14z+49  ⟺  8x+8z=64  ⟺  x+z=8\begin{aligned} & & (x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2&=(x-5)^2+(y-2)^2+(z-7)^2\\ &\iff & x^2-2x+1+z^2-6z+9&=x^2-10x+25+z^2-14z+49\\ &\iff & 8x+8z&=64\\ &\iff & x+z&=8 \end{aligned}

이것은 (3,2,5)=12(1,2,3)+12(5,2,7)(3,2,5)=\tfrac{1}{2}(1,2,3)+\tfrac{1}{2}(5,2,7)을 지나고 법선 벡터가 <1,0,1>=14(<5,2,7>−<1,2,3>)\left< 1,0,1\right>=\frac{1}{4}\big(\left< 5,2,7\right>-\left< 1,2,3\right> \big)인 평면이다.

원본 교재 풀이(영어)

The distance from the point (x,y,z)(x,y,z) to (1,2,3)(1,2,3) is (x−1)2+(y−2)2+(z−3)2\sqrt{(x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2} and the distance from (x,y,z)(x,y,z)to (5,2,7)(5,2,7) is (x−5)2+(y−2)2+(z−7)2\sqrt{(x-5)^2+(y-2)^2+(z-7)^2}. Hence (x,y,z)(x,y,z) is equidistant from (1,2,3)(1,2,3) and (5,2,7)(5,2,7) if and only if

(x−1)2+(y−2)2+(z−3)2=(x−5)2+(y−2)2+(z−7)2  ⟺  x2−2x+1+z2−6z+9=x2−10x+25+z2−14z+49  ⟺  8x+8z=64  ⟺  x+z=8\begin{aligned} & & (x-1)^2+(y-2)^2+(z-3)^2&=(x-5)^2+(y-2)^2+(z-7)^2\\ &\iff & x^2-2x+1+z^2-6z+9&=x^2-10x+25+z^2-14z+49\\ &\iff & 8x+8z&=64\\ &\iff & x+z&=8 \end{aligned}

This is the plane through (3,2,5)=12(1,2,3)+12(5,2,7)(3,2,5)=\tfrac{1}{2}(1,2,3)+\tfrac{1}{2}(5,2,7) with normal vector <1,0,1>=14(<5,2,7>−<1,2,3>)\left< 1,0,1\right>=\frac{1}{4}\big(\left< 5,2,7\right>-\left< 1,2,3\right> \big).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 10번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
5.CLP-3 · 1.4절 · 18번대학 수준우리말 번역

a\mathbf{a}와 b\mathbf{b}로부터 같은 거리에 있는 점들의 집합을 설명하세요.

영어 원문 보기

Describe the set of points equidistant from a\mathbf{a} and b\mathbf{b}.

정답·풀이 보기

점 x\mathbf{x}에서 a\mathbf{a}까지의 거리는 (x−a)⋅(x−a)\sqrt{(\mathbf{x}-\mathbf{a})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{a})}이고, x\mathbf{x}에서 b\mathbf{b}까지의 거리는 (x−b)⋅(x−b)\sqrt{(\mathbf{x}-\mathbf{b})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{b})}이다. 따라서 x\mathbf{x}가 a\mathbf{a}와 b\mathbf{b}로부터 같은 거리에 있을 필요충분조건은 다음과 같다.

(x−a)⋅(x−a)=(x−b)⋅(x−b)  ⟺  ∣x∣2−2a⋅x+∣a∣2=∣x∣2−2b⋅x+∣b∣2  ⟺  2(b−a)⋅x=∣b∣2−∣a∣2\begin{aligned} & & (\mathbf{x}-\mathbf{a})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{a})&=(\mathbf{x}-\mathbf{b})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{b}) \\ &\iff\qquad & |\mathbf{x}|^2-2\mathbf{a}\cdot\mathbf{x}+|\mathbf{a}|^2&=|\mathbf{x}|^2-2\mathbf{b}\cdot\mathbf{x}+|\mathbf{b}|^2 \\ &\iff & 2(\mathbf{b}-\mathbf{a})\cdot\mathbf{x}&=|\mathbf{b}|^2-|\mathbf{a}|^2 \end{aligned}

이것은 12a+12b\tfrac{1}{2}\mathbf{a}+\tfrac{1}{2}\mathbf{b}를 지나고 법선 벡터가 b−a\mathbf{b}-\mathbf{a}인 평면이다.

원본 교재 풀이(영어)

The distance from the point x\mathbf{x} to a\mathbf{a} is (x−a)⋅(x−a)\sqrt{(\mathbf{x}-\mathbf{a})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{a})} and the distance from x\mathbf{x} to b\mathbf{b} is (x−b)⋅(x−b)\sqrt{(\mathbf{x}-\mathbf{b})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{b})}. Hence x\mathbf{x} is equidistant from a\mathbf{a} and b\mathbf{b} if and only if

(x−a)⋅(x−a)=(x−b)⋅(x−b)  ⟺  ∣x∣2−2a⋅x+∣a∣2=∣x∣2−2b⋅x+∣b∣2  ⟺  2(b−a)⋅x=∣b∣2−∣a∣2\begin{aligned} & & (\mathbf{x}-\mathbf{a})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{a})&=(\mathbf{x}-\mathbf{b})\cdot(\mathbf{x}-\mathbf{b}) \\ &\iff\qquad & |\mathbf{x}|^2-2\mathbf{a}\cdot\mathbf{x}+|\mathbf{a}|^2&=|\mathbf{x}|^2-2\mathbf{b}\cdot\mathbf{x}+|\mathbf{b}|^2 \\ &\iff & 2(\mathbf{b}-\mathbf{a})\cdot\mathbf{x}&=|\mathbf{b}|^2-|\mathbf{a}|^2 \end{aligned}

This is the plane through 12a+12b\tfrac{1}{2}\mathbf{a}+\tfrac{1}{2}\mathbf{b} with normal vector b−a\mathbf{b}-\mathbf{a}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.3절 · 3번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
6.CLP-3 · 1.4절 · 20번대학 수준우리말 번역

다음 구면을 생각하자. (x−1)2+(y−2)2+(z+1)2=2(x-1)^2+(y-2)^2+(z+1)^2=2 여러분이 SS 위의 점 (2,2,0)(2,2,0) 에 있고, SS 위에서 가장 짧은 경로를 따라 (2,1,−1)(2,1,-1) 로 가려고 한다고 하자. 처음 진행 방향을 외적으로 나타내세요.

영어 원문 보기

Consider the sphere given by (x−1)2+(y−2)2+(z+1)2=2(x-1)^2+(y-2)^2+(z+1)^2=2 Suppose that you are at the point (2,2,0)(2,2,0) on SS, and you plan to follow the shortest path on SS to (2,1,−1)(2,1,-1). Express your initial direction as a cross product.

정답·풀이 보기

새로운 좌표계로 바꾸어 X=x−1Y=y−2Z=z+1X=x-1\qquad Y=y-2\qquad Z=z+1 이라 하자. 이 새로운 좌표계에서 구의 방정식은 X2+Y2+Z2=2X^2+Y^2+Z^2=2 이다. 따라서 구의 중심은 (X,Y,Z)=(0,0,0)(X,Y,Z)=(0,0,0) 이고 반지름은 2\sqrt{2} 이다. 새로운 좌표계에서 출발점 (x,y,z)=(2,2,0)(x,y,z)=(2,2,0) 은 (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) 이고, 도착점 (x,y,z)=(2,1,−1)(x,y,z)=(2,1,-1) 은 (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0) 이다. 출발점을 PP, 도착점을 QQ 라 하자. 가장 짧은 경로는 PP 에서 QQ 까지 대원을 따라간다.

그림

구 위의 대원은 구의 중심을 포함하는 평면과 구가 만나서 생기는 도형이다. 처음 방향을 구하는 전략은 다음 두 가지 관찰에 바탕을 둔다.

  • 가장 짧은 경로는 원점과 두 점 PP, QQ 를 포함하는 평면 Π\Pi 위에 있다. 가장 짧은 경로가 Π\Pi 위에 있으므로 방향 벡터도 Π\Pi 위에 놓여야 하고, 따라서 Π\Pi 의 법선벡터와 수직이어야 한다.
  • 가장 짧은 경로는 구 위에도 머물러 있으므로, 처음 방향은 출발점 PP 에서 구의 법선벡터와도 수직이어야 한다.

처음 방향이 두 법선벡터에 모두 수직이므로, 두 법선벡터의 외적과 평행하다.

따라서 우리가 할 일은 평면 Π\Pi 의 법선벡터와 PP 에서 구의 법선벡터를 구하는 것이다.

  • Π\Pi 의 법선벡터를 구하는 한 가지 방법은 Π\Pi 의 방정식을 짐작해 보는 것이다. (0,0,0)(0,0,0) 이 Π\Pi 위에 있으므로 (0,0,0)(0,0,0) 은 Π\Pi 의 방정식을 만족해야 한다. 따라서 Π\Pi 의 방정식은 aX+bY+cZ=0aX+bY+cZ=0 꼴이어야 한다. (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) 이 Π\Pi 위에 있으므로 a+c=0a+c=0 이다. (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0) 이 Π\Pi 위에 있으므로 a−b=0a-b=0 이다. 따라서 a=1a=1, b=1b=1, c=−1c=-1 로 잡을 수 있다. 즉 Π\Pi 는 X+Y−Z=0X+Y-Z=0 이다. (세 점 (0,0,0)(0,0,0), (1,0,1)(1,0,1), (1,−1,0)(1,-1,0) 이 모두 X+Y−Z=0X+Y-Z=0 을 만족하는지 확인하세요.) Π\Pi 의 법선벡터는 <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 이다.

  • Π\Pi 의 법선벡터를 구하는 두 번째 방법은 다음 두 가지를 관찰하는 것이다.

  • (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,0,1)(1,0,1) 로 가는 벡터, 즉 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 은 완전히 Π\Pi 안에 놓여 있고

  • (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,−1,0)(1,-1,0) 로 가는 벡터, 즉 <1,−1,0>\left< 1,-1,0\right> 도 완전히 Π\Pi 안에 놓여 있다.

따라서 벡터

<1,0,1>×<1,−1,0>=det⁡[ı^ȷ^k^1011−10]=ı^+ȷ^−k^\left< 1,0,1\right>\times\left< 1,-1,0\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 0 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

는 Π\Pi 에 수직이다.

  • 구의 중심에서 구 위의 점 PP 로 가는 벡터는 PP 에서 구에 수직이다. 따라서 출발점 (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) 에서 구의 법선벡터는 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 이다.

처음 방향(좌표 변환 X=x−1X=x-1, Y=y−2Y=y-2, Z=z+1Z=z+1 은 속도 벡터나 방향 벡터에 전혀 영향을 주지 않음에 주의하자. 시각 tt 에서의 위치가 원래 좌표계에서 (x(t),y(t),z(t))(x(t),y(t),z(t)) 이면, 새로운 좌표계에서는 (X(t),Y(t),Z(t))=(x(t)−1,y(t)−2,z(t)+1)(X(t),Y(t),Z(t)) =(x(t)-1,y(t)-2,z(t)+1) 이다. 두 좌표계에서의 속도 벡터 <x′(t),y′(t),z′(t)>=<X′(t),Y′(t),Z′(t)>\left< x'(t),y'(t),z'(t)\right> =\left< X'(t),Y'(t),Z'(t)\right> 는 같다.) 은 <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 과 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 에 모두 수직이어야 하므로, ±<1,1,−1>×<1,0,1>\pm\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right> 중 하나이다. 가장 짧은 경로로 (1,0,1)(1,0,1) 에서 (1,−1,0)(1,-1,0) 으로 가려면 ZZ 좌표가 11 에서 00 으로 감소해야 한다. 따라서 처음 방향의 ZZ 좌표는 음수여야 한다. 이는 다음의 경우에 해당한다.

<1,1,−1>×<1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^11−1101]=ı^−2 ȷ^−k^\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 1 & -1 \\ 1 & 0 & 1 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} - 2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

원본 교재 풀이(영어)

Switch to a new coordinate system with X=x−1Y=y−2Z=z+1X=x-1\qquad Y=y-2\qquad Z=z+1 In this new coordinate system, the sphere has equation X2+Y2+Z2=2X^2+Y^2+Z^2=2. So the sphere is centred at (X,Y,Z)=(0,0,0)(X,Y,Z)=(0,0,0) and has radius 2\sqrt{2}. In the new coordinate system, the initial point (x,y,z)=(2,2,0)(x,y,z)=(2,2,0) has (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) and our final point (x,y,z)=(2,1,−1)(x,y,z)=(2,1,-1) has (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0). Call the initial point PP and the final point QQ. The shortest path will follow the great circle from PP to QQ.

figure

A great circle on a sphere is the intersection of the sphere with a plane that contains the centre of the sphere. Our strategy for finding the initial direction will be based on two observations.

  • The shortest path lies on the plane Π\Pi that contains the origin and the points PP and QQ. Since the shortest path lies on Π\Pi, our direction vector must also lie on Π\Pi and hence must be perpendicular to the normal vector to Π\Pi.
  • The shortest path also remains on the sphere, so our initial direction must also be perpendicular to the normal vector to the sphere at our initial point PP.

As our initial direction is perpendicular to the two normal vectors, it is parallel to their cross product.

So our main job is to find normal vectors to the plane Π\Pi and to the sphere at PP.

  • One way to find a normal vector to Π\Pi is to guess an equation for Π\Pi. As (0,0,0)(0,0,0) is on Π\Pi, (0,0,0)(0,0,0) must obey Π\Pi's equation. So Π\Pi's equation must be of the form aX+bY+cZ=0aX+bY+cZ=0. That (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) is on Π\Pi forces a+c=0a+c=0. That (X,Y,Z)=(1,−1,0)(X,Y,Z)=(1,-1,0) is on Π\Pi forces a−b=0a-b=0. So we may take a=1a=1, b=1b=1 and c=−1c=-1. That is, Π\Pi is X+Y−Z=0X+Y-Z=0. (Check that all three points (0,0,0)(0,0,0), (1,0,1)(1,0,1) and (1,−1,0)(1,-1,0) do indeed obey X+Y−Z=0X+Y-Z=0.) A normal vector to Π\Pi is <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right>.

  • A second way to find a normal vector to Π\Pi is to observe that both

  • the vector from (0,0,0)(0,0,0) to (1,0,1)(1,0,1), that is <1,0,1>\left< 1,0,1\right>, lies completely inside Π\Pi and

  • the vector from (0,0,0)(0,0,0) to (1,−1,0)(1,-1,0), that is <1,−1,0>\left< 1,-1,0\right>, lies completely inside Π\Pi.

So the vector

<1,0,1>×<1,−1,0>=det⁡[ı^ȷ^k^1011−10]=ı^+ȷ^−k^\left< 1,0,1\right>\times\left< 1,-1,0\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 0 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

is perpendicular to Π\Pi.

  • The vector from the centre of the sphere to the point PP on the sphere is perpendicular to the sphere at PP. So a normal vector to the sphere at our initial point (X,Y,Z)=(1,0,1)(X,Y,Z)=(1,0,1) is <1,0,1>\left< 1,0,1\right>.

Since our initial direction (Note that the change of coordinates X=x−1X=x-1, Y=y−2Y=y-2, Z=z+1Z=z+1 has absolutely no effect on any velocity or direction vector. If our position at time tt is (x(t),y(t),z(t))(x(t),y(t),z(t)) in the original coordinate system, then it is (X(t),Y(t),Z(t))=(x(t)−1,y(t)−2,z(t)+1)(X(t),Y(t),Z(t)) =(x(t)-1,y(t)-2,z(t)+1) in the new coordinate system. The velocity vectors in the two coordinate systems <x′(t),y′(t),z′(t)>=<X′(t),Y′(t),Z′(t)>\left< x'(t),y'(t),z'(t)\right> =\left< X'(t),Y'(t),Z'(t)\right> are identical.) must be perpendicular to both <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> and <1,0,1>\left< 1,0,1\right>, it must be one of ±<1,1,−1>×<1,0,1>\pm\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right>. To get from (1,0,1)(1,0,1) to (1,−1,0)(1,-1,0) by the shortest path, our ZZ coordinate should decrease from 11 to 00. So the ZZ coordinate of our initial direction should be negative. This is the case for

<1,1,−1>×<1,0,1>=det⁡[ı^ȷ^k^11−1101]=ı^−2 ȷ^−k^\left< 1,1,-1\right>\times\left< 1,0,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 1 & -1 \\ 1 & 0 & 1 \end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}} - 2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

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