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.

150문제 · 8 / 8쪽

141.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}}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 10.5절 · 4번
# 직선과 평면의 방정식계산도전자동 분류
142.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
143.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
144.CLP-3 · 1.5절 · 5번대학 수준우리말 번역

각각의 경우에 대해, 주어진 두 직선이 만나는지 판단하세요. 또한 두 직선을 모두 포함하는 평면을 모두 구하세요.

(a) <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−4,2,1>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -4,2,1\right> 과 <x,y,z>=<2,1,2>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right> (b) <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−4,2,1>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -4,2,1\right> 과 <x,y,z>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right> (c) <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−2,−2,2>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -2,-2,2\right> 과 <x,y,z>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right> (d) <x,y,z>=<3,2,−2>+t<−2,−2,2>\left< x,y,z\right> = \left< 3,2,-2\right>+t\left< -2,-2,2\right> 과 <x,y,z>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right>

영어 원문 보기

In each case, determine whether or not the given pair of lines intersect. Also find all planes containing the pair of lines.

(a) <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−4,2,1>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -4,2,1\right> and <x,y,z>=<2,1,2>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right> (b) <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−4,2,1>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -4,2,1\right> and <x,y,z>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right> (c) <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−2,−2,2>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -2,-2,2\right> and <x,y,z>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right> (d) <x,y,z>=<3,2,−2>+t<−2,−2,2>\left< x,y,z\right> = \left< 3,2,-2\right>+t\left< -2,-2,2\right> and <x,y,z>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right>

정답·풀이 보기

(a) 방정식 <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−4,2,1>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -4,2,1\right> 의 매개변수 tt 의 값이 방정식 <x,y,z>=<2,1,2>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right> 의 매개변수 tt 의 값과 같을 필요는 없다. 따라서 첫 번째 방정식의 매개변수 이름을 tt 에서 ss 로 바꾸는 것이 훨씬 안전하다. 점 (x,y,z)(x,y,z) 가 두 직선 위에 모두 놓이려면

<−3,2,4>+s<−4,2,1>=<2,1,2>+t<1,1,−1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -4,2,1\right> = \left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right>

이어야 한다. 이는 세 성분별 등식을 쓰고 ss 와 tt 를 포함한 항은 모두 좌변으로, 상수는 우변으로 옮긴 다음과 같은 식과 같다.

−4s−t=52s−t=−1s+t=−2\begin{aligned} -4s -t &= 5\\ 2s -t &= -1\\ s +t &= -2 \end{aligned}

마지막 두 식을 더하면 3s=−33s=-3 이므로 s=−1s=-1 이다. 이를 마지막 식에 대입하면 t=−1t=-1 이다. s=t=−1s=t=-1 은 세 식을 모두 만족하므로 <x,y,z>=<−3,2,4>−<−4,2,1>=<1,0,3>\left< x,y,z\right>=\left< -3,2,4\right>-\left< -4,2,1\right>=\left< 1,0,3\right> 은 두 직선 위에 모두 놓인다. 두 직선을 모두 포함하는 평면은 두 방향 벡터 <−4,2,1>\left< -4,2,1\right> 과 <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 에 모두 평행해야 한다. 따라서 이 평면의 법선 벡터는 두 방향 벡터에 수직이어야 하고, 즉 <−4,2,1>×<1,1,−1>=<−3,−3,−6>=−3<1,1,2>\left< -4,2,1\right>\times\left< 1,1,-1\right>=\left< -3,-3,-6\right>=-3\left< 1,1,2\right> 에 평행해야 한다. 이 평면은 (1,0,3)(1,0,3) 을 지나고 <1,1,2>\left< 1,1,2\right> 에 수직이다. 평면의 방정식은 <1,1,2>⋅<x−1,y,z−3>=0\left< 1,1,2\right>\cdot\left< x-1,y,z-3\right>=0, 즉 x+y+2z=7x+y+2z=7 이다. 이는 <−3,2,4>+s<−4,2,1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -4,2,1\right> 과 <2,1,2>+t<1,1,−1>\left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right> 이 각각 모든 ss 와 tt 에 대해 x+y+2z=7x+y+2z=7 을 만족함을 확인하여 검증할 수 있다.

(b) 점 (x,y,z)(x,y,z) 가 두 직선 위에 모두 놓이려면

<−3,2,4>+s<−4,2,1>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -4,2,1\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right>

이어야 한다. 이는 세 성분별 등식을 쓰고 ss 와 tt 를 포함한 항은 모두 좌변으로, 상수는 우변으로 옮긴 다음과 같은 식과 같다.

−4s−t=52s−t=−1s+t=−5\begin{aligned} -4s -t &= 5\\ 2s -t &= -1\\ s +t &= -5 \end{aligned}

마지막 두 식을 더하면 3s=−63s=-6 이므로 s=−2s=-2 이다. 이를 마지막 식에 대입하면 t=−3t=-3 이다. 그런데 s=−2, t=−3s=-2,\ t=-3 을 첫 번째 식에 대입하면 11=511=5 가 되어 불가능하다. 두 직선은 만나지 않는다. 두 직선이 한 평면에 놓이면서 만나지 않으려면 평행해야 한다. 따라서 이 경우에는 두 직선을 모두 포함하는 평면은 없다.

(c) 점 (x,y,z)(x,y,z) 가 두 직선 위에 모두 놓이려면

<−3,2,4>+s<−2,−2,2>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -2,-2,2\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right>

이어야 한다. 이는 세 성분별 등식을 쓰고 ss 와 tt 를 포함한 항은 모두 좌변으로, 상수는 우변으로 옮긴 다음과 같은 식과 같다.

−2s−t=5−2s−t=−12s+t=−5\begin{aligned} -2s -t &= 5\\ -2s -t &= -1\\ 2s +t &= -5 \end{aligned}

첫 번째 식과 두 번째 식은 분명히 모순이다. 두 직선은 만나지 않는다. 두 직선을 모두 포함하는 평면은 <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 에 평행해야 하고(따라서 <−2,−2,2>=−2<1,1,−1>\left< -2,-2,2\right>=-2\left< 1,1,-1\right> 에도 자동으로 평행하다), 또한 첫 번째 직선 위의 점 (−3,2,4)(-3,2,4) 에서 두 번째 직선 위의 점 (2,1,−1)(2,1,-1) 로 향하는 벡터에도 평행해야 한다. 이 벡터는 <5,−1,−5>\left< 5,-1,-5\right> 이다. 따라서 평면의 법선 벡터는 <5,−1,−5>×<1,1,−1>=<6,0,6>=6<1,0,1>\left< 5,-1,-5\right>\times\left< 1,1,-1\right>=\left< 6,0,6\right>=6\left< 1,0,1\right> 이다. (2,1,−1)(2,1,-1) 을 지나고 <1,0,1>\left< 1,0,1\right> 에 수직인 평면은 <1,0,1>⋅<x−2,y−1,z+1>=0\left< 1,0,1\right>\cdot\left< x-2,y-1,z+1\right>=0, 즉 x+z=1x+z=1 이다.

(d) 이번에도 <−2,−2,2>=−2<1,1,−1>\left< -2,-2,2\right>=-2\left< 1,1,-1\right> 이므로 두 직선은 평행하다. 게다가 점 <3,2,−2>=<3,2,−2>+0<−2,−2,2>=<2,1,−1>+1<1,1,−1>\left< 3,2,-2\right>=\left< 3,2,-2\right>+0\left< -2,-2,2\right> =\left< 2,1,-1\right>+1\left< 1,1,-1\right> 은 두 직선 위에 모두 놓인다. 따라서 두 직선은 만날 뿐만 아니라 일치한다. 점 (3,2,−2)(3,2,-2) 를 지나고 <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 에 평행한 평면은 모두 두 직선을 포함한다. 일반적으로 평면 ax+by+cz=dax+by+cz=d 가 (3,2,−2)(3,2,-2) 를 지날 필요충분조건은 d=3a+2b−2cd=3a+2b-2c 이고, <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 에 평행할 필요충분조건은 <a,b,c>⋅<1,1,−1>=a+b−c=0\left< a,b,c\right>\cdot\left< 1,1,-1\right>=a+b-c=0 이다. 따라서 (둘 다 0은 아닌) 임의의 aa, bb 에 대해 ax+by+(a+b)z=aax+by+(a+b)z=a 가 조건을 만족한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Note that the value of the parameter tt in the equation <x,y,z>=<−3,2,4>+t<−4,2,1>\left< x,y,z\right> = \left< -3,2,4\right>+t\left< -4,2,1\right> need not have the same value as the parameter tt in the equation <x,y,z>=<2,1,2>+t<1,1,−1>\left< x,y,z\right> = \left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right>. So it is much safer to change the name of the parameter in the first equation from tt to ss. In order for a point (x,y,z)(x,y,z) to lie on both lines we need

<−3,2,4>+s<−4,2,1>=<2,1,2>+t<1,1,−1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -4,2,1\right> = \left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right>

or equivalently, writing out the three component equations and moving all ss's and tt's to the left and constants to the right,

−4s−t=52s−t=−1s+t=−2\begin{aligned} -4s -t &= 5\\ 2s -t &= -1\\ s +t &= -2 \end{aligned}

Adding the last two equations together gives 3s=−33s=-3 or s=−1s=-1. Substituting this into the last equation gives t=−1t=-1. Note that s=t=−1s=t=-1 does indeed satisfy all three equations so that <x,y,z>=<−3,2,4>−<−4,2,1>=<1,0,3>\left< x,y,z\right>=\left< -3,2,4\right>-\left< -4,2,1\right>=\left< 1,0,3\right> lies on both lines. Any plane that contains the two lines must be parallel to both direction vectors <−4,2,1>\left< -4,2,1\right> and <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right>. So its normal vector must be perpendicular to them, i.e. must be parallel to <−4,2,1>×<1,1,−1>=<−3,−3,−6>=−3<1,1,2>\left< -4,2,1\right>\times\left< 1,1,-1\right>=\left< -3,-3,-6\right>=-3\left< 1,1,2\right>. The plane must contain (1,0,3)(1,0,3) and be perpendicular to <1,1,2>\left< 1,1,2\right>. Its equation is <1,1,2>⋅<x−1,y,z−3>=0\left< 1,1,2\right>\cdot\left< x-1,y,z-3\right>=0 or x+y+2z=7x+y+2z=7. This can be checked by verifying that <−3,2,4>+s<−4,2,1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -4,2,1\right> and <2,1,2>+t<1,1,−1>\left< 2,1,2\right>+t\left< 1,1,-1\right> obey x+y+2z=7x+y+2z=7 for all ss and tt respectively.

(b) In order for a point (x,y,z)(x,y,z) to lie on both lines we need

<−3,2,4>+s<−4,2,1>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -4,2,1\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right>

or equivalently, writing out the three component equations and moving all ss's and tt's to the left and constants to the right,

−4s−t=52s−t=−1s+t=−5\begin{aligned} -4s -t &= 5\\ 2s -t &= -1\\ s +t &= -5 \end{aligned}

Adding the last two equations together gives 3s=−63s=-6 or s=−2s=-2. Substituting this into the last equation gives t=−3t=-3. However, substituting s=−2, t=−3s=-2,\ t=-3 into the first equation gives 11=511=5, which is impossible. The two lines do not intersect. In order for two lines to lie in a common plane and not intersect, they must be parallel. So, in this case no plane contains the two lines.

(c) In order for a point (x,y,z)(x,y,z) to lie on both lines we need

<−3,2,4>+s<−2,−2,2>=<2,1,−1>+t<1,1,−1>\left< -3,2,4\right>+s\left< -2,-2,2\right> = \left< 2,1,-1\right>+t\left< 1,1,-1\right>

or equivalently, writing out the three component equations and moving all ss's and tt's to the left and constants to the right,

−2s−t=5−2s−t=−12s+t=−5\begin{aligned} -2s -t &= 5\\ -2s -t &= -1\\ 2s +t &= -5 \end{aligned}

The first two equations are obviously contradictory. The two lines do not intersect. Any plane containing the two lines must be parallel to <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> (and hence automatically parallel to <−2,−2,2>=−2<1,1,−1>\left< -2,-2,2\right>=-2\left< 1,1,-1\right>) and must also be parallel to the vector from the point (−3,2,4)(-3,2,4), which lies on the first line, to the point (2,1,−1)(2,1,-1), which lies on the second. The vector is <5,−1,−5>\left< 5,-1,-5\right>. Hence the normal to the plane is <5,−1,−5>×<1,1,−1>=<6,0,6>=6<1,0,1>\left< 5,-1,-5\right>\times\left< 1,1,-1\right>=\left< 6,0,6\right>=6\left< 1,0,1\right>. The plane perpendicular to <1,0,1>\left< 1,0,1\right> containing (2,1,−1)(2,1,-1) is <1,0,1>⋅<x−2,y−1,z+1>=0\left< 1,0,1\right>\cdot\left< x-2,y-1,z+1\right>=0 or x+z=1x+z=1.

(d) Again the two lines are parallel, since <−2,−2,2>=−2<1,1,−1>\left< -2,-2,2\right>=-2\left< 1,1,-1\right>. Furthermore the point <3,2,−2>=<3,2,−2>+0<−2,−2,2>=<2,1,−1>+1<1,1,−1>\left< 3,2,-2\right>=\left< 3,2,-2\right>+0\left< -2,-2,2\right> =\left< 2,1,-1\right>+1\left< 1,1,-1\right> lies on both lines. So the two lines not only intersect but are identical. Any plane that contains the point (3,2,−2)(3,2,-2) and is parallel to <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> contains both lines. In general, the plane ax+by+cz=dax+by+cz=d contains (3,2,−2)(3,2,-2) if and only if d=3a+2b−2cd=3a+2b-2c and is parallel to <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> if and only if <a,b,c>⋅<1,1,−1>=a+b−c=0\left< a,b,c\right>\cdot\left< 1,1,-1\right>=a+b-c=0. So, for arbitrary aa and bb (not both zero) ax+by+(a+b)z=aax+by+(a+b)z=a works.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 10.6절 · 31번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
145.CLP-3 · 1.5절 · 6번대학 수준우리말 번역

점 (2,−1,−1)(2,-1,-1) 을 지나고 두 평면 x+y=0x+y=0 과 x−y+2z=0x-y+2z=0 에 각각 평행한 직선의 방정식을 구하세요. 이 직선의 방정식을 벡터 매개변수 형태, 스칼라 매개변수 형태, 대칭형으로 나타내세요.

영어 원문 보기

Find the equation(s) of the line through (2,−1,−1)(2,-1,-1) and parallel to each of the two planes x+y=0x+y=0 and x−y+2z=0x-y+2z=0. Express the equation(s) of the line in vector and scalar parametric forms and in symmetric form.

정답·풀이 보기

먼저 다음을 관찰하자.

  • <1,1,0>\left< 1,1,0\right> 은 x+y=0x+y=0 에 수직이므로 직선에도 수직이다.
  • <1,−1,2>\left< 1,-1,2\right> 은 x−y+2z=0x-y+2z=0 에 수직이므로 직선에도 수직이다.

따라서

<1 , 1 , 0>×<1 , −1 , 2>=det⁡[ı^ȷ^k^1101−12]=<2 , −2 , −2>\begin{aligned} \left< 1\,,\,1\,,\,0\right> \times \left< 1\,,\,-1\,,\,2\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 1 & 0 \\ 1 & -1 & 2 \end{matrix}\right] =\left< 2 \,,\, -2 \,,\, -2 \right> \end{aligned}

은 <1,1,0>\left< 1,1,0\right> 과 <1,−1,2>\left< 1,-1,2\right> 모두에 수직이다. 그러므로 12<2 , −2 , −2>=<1,−1,−1> \frac{1}{2}\left< 2 \,,\, -2 \,,\, -2 \right>=\left< 1,-1,-1\right>\> 도 <1,1,0>\left< 1,1,0\right> 과 <1,−1,2>\left< 1,-1,2\right> 모두에 수직이고, 따라서 직선에 평행하다. 점 (2,−1,−1)(2,-1,-1) 이 직선 위에 있으므로 직선의 벡터 방정식은 다음과 같다.

<x−2,y+1,z+1>=t<1,−1,−1>\left< x-2,y+1,z+1\right>= t\left< 1,-1,-1\right>

직선의 스칼라 매개변수 방정식은 다음과 같다.

x−2=t, y+1=−t, z+1=−t또는x=2+t, y=−1−t, z=−1−t\begin{aligned} x-2=t,\ y+1=-t,\ z+1=-t \text{또는} x=2+t,\ y=-1-t,\ z=-1-t \end{aligned}

직선의 대칭 방정식은 다음과 같다.

(t=)x−21=y+1−1=z+1−1또는x−2=−y−1=−z−1\begin{aligned} (t=)\frac{x-2}{1}=\frac{y+1}{-1}=\frac{z+1}{-1} \text{또는} x-2=-y-1=-z-1 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

First observe that

  • <1,1,0>\left< 1,1,0\right> is perpendicular to x+y=0x+y=0 and hence to the line, and
  • <1,−1,2>\left< 1,-1,2\right> is perpendicular to x−y+2z=0x-y+2z=0 and hence to the line.

Consequently

<1 , 1 , 0>×<1 , −1 , 2>=det⁡[ı^ȷ^k^1101−12]=<2 , −2 , −2>\begin{aligned} \left< 1\,,\,1\,,\,0\right> \times \left< 1\,,\,-1\,,\,2\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 1 & 0 \\ 1 & -1 & 2 \end{matrix}\right] =\left< 2 \,,\, -2 \,,\, -2 \right> \end{aligned}

is perpendicular to both <1,1,0>\left< 1,1,0\right> and <1,−1,2>\left< 1,-1,2\right>. So 12<2 , −2 , −2>=<1,−1,−1> \frac{1}{2}\left< 2 \,,\, -2 \,,\, -2 \right>=\left< 1,-1,-1\right>\> is also perpendicular to both <1,1,0>\left< 1,1,0\right> and <1,−1,2>\left< 1,-1,2\right> and hence is parallel to the line. As the point (2,−1,−1)(2,-1,-1) is on the line, the vector equation of the line is

<x−2,y+1,z+1>=t<1,−1,−1>\left< x-2,y+1,z+1\right>= t\left< 1,-1,-1\right>

The scalar parametric equations for the line are

x−2=t, y+1=−t, z+1=−torx=2+t, y=−1−t, z=−1−t\begin{aligned} x-2=t,\ y+1=-t,\ z+1=-t \text{or} x=2+t,\ y=-1-t,\ z=-1-t \end{aligned}

The symmetric equations for the line are

(t=)x−21=y+1−1=z+1−1orx−2=−y−1=−z−1\begin{aligned} (t=)\frac{x-2}{1}=\frac{y+1}{-1}=\frac{z+1}{-1} \text{or} x-2=-y-1=-z-1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.5절 · 5번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
146.CLP-3 · 1.5절 · 10번대학 수준우리말 번역

직선 LL 은 평면 2x+y−z=52x + y - z = 5 에 평행하고 직선 x=3−tx = 3 - t, y=1−2ty = 1 - 2t, z=3tz = 3t 에 수직이다.

(a) 직선 LL 에 평행한 벡터를 구하세요. (b) 직선 LL 이 점 Q(a,b,c)Q(a, b, c) 를 지난다고 할 때, 직선 LL 의 매개변수 방정식을 구하세요. 여기서 a<0a < 0, b>0b > 0, c>0c > 0 이고, QQ 에서 xyxy–평면, xzxz–평면, yzyz–평면까지의 거리는 각각 22, 33, 44 이다.

영어 원문 보기

Let LL be a line which is parallel to the plane 2x+y−z=52x + y - z = 5 and perpendicular to the line x=3−tx = 3 - t, y=1−2ty = 1 - 2t and z=3tz = 3t.

(a) Find a vector parallel to the line LL. (b) Find parametric equations for the line LL if LL passes through a point Q(a,b,c)Q(a, b, c) where a<0a < 0, b>0b > 0, c>0c > 0, and the distances from QQ to the xyxy–plane, the xzxz–plane and the yzyz–plane are 22, 33 and 44 respectively.

정답·풀이 보기

(a) 직선 LL 은 평면 2x+y−z=52x + y - z = 5 의 법선 벡터인 <2 , 1 , −1>\left< 2\,,\,1\,,\,-1\right> 과, 직선 x=3−tx = 3 - t, y=1−2ty = 1 - 2t, z=3tz = 3t 의 방향 벡터인 <−1 , −2 , 3>\left< -1\,,\,-2\,,\,3\right> 모두에 수직이어야 한다. 이러한 벡터는 모두 다음 벡터에 0이 아닌 상수를 곱한 것이다.

<2 , 1 , −1>×<−1 , −2 , 3>=det⁡[ı^ȷ^k^21−1−1−23]=<1 , −5 , −3>\begin{aligned} \left< 2\,,\,1\,,\,-1\right> \times \left< -1\,,\,-2\,,\,3\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 2 & 1 & -1 \\ -1 & -2 & 3 \end{matrix}\right] =\left< 1 \,,\, -5 \,,\, -3 \right> \end{aligned}

(b) 점 Q(a,b,c)Q(a, b, c) 에 대하여

  • xyxy–평면까지의 거리가 22 이려면 ∣c∣=2|c|=2 이어야 하고,
  • xzxz–평면까지의 거리가 33 이려면 ∣b∣=3|b|=3 이어야 하고,
  • yzyz–평면까지의 거리가 44 이려면 ∣a∣=4|a|=4 이어야 한다.

a<0a < 0, b>0b > 0, c>0c > 0 이므로 점 QQ 는 (−4,3,2)(-4, 3, 2) 이고 직선 LL 은

x=−4+ty=3−5tz=2−3tx = -4 + t \qquad y = 3 - 5t \qquad z = 2 - 3t

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The line LL must be perpendicular both to <2 , 1 , −1>\left< 2\,,\,1\,,\,-1\right>, which is a normal vector for the plane 2x+y−z=52x + y - z = 5, and to <−1 , −2 , 3>\left< -1\,,\,-2\,,\,3\right>, which is a direction vector for the line x=3−tx = 3 - t, y=1−2ty = 1 - 2t and z=3tz = 3t. Any such vector must be a nonzero constant times

<2 , 1 , −1>×<−1 , −2 , 3>=det⁡[ı^ȷ^k^21−1−1−23]=<1 , −5 , −3>\begin{aligned} \left< 2\,,\,1\,,\,-1\right> \times \left< -1\,,\,-2\,,\,3\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 2 & 1 & -1 \\ -1 & -2 & 3 \end{matrix}\right] =\left< 1 \,,\, -5 \,,\, -3 \right> \end{aligned}

(b) For the point Q(a,b,c)Q(a, b, c)

  • to be a distance 22 from the xyxy–plane, it is necessary that ∣c∣=2|c|=2, and
  • to be a distance 33 from the xzxz–plane, it is necessary that ∣b∣=3|b|=3, and
  • to be a distance 44 from the yzyz–plane, it is necessary that ∣a∣=4|a|=4.

As a<0a < 0, b>0b > 0, c>0c > 0, the point QQ is (−4,3,2)(-4, 3, 2) and the line LL is

x=−4+ty=3−5tz=2−3tx = -4 + t \qquad y = 3 - 5t \qquad z = 2 - 3t

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.5절 · 11번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
147.CLP-3 · 1.5절 · 11번대학 수준우리말 번역

LL 을 평면 x+y+z=6x + y + z = 6 과 x−y+2z=0x - y + 2z = 0 의 교선이라 하자.

(a) 직선 LL 이 좌표평면과 만나는 점을 구하세요. (b) 점 (10,11,13)(10, 11, 13) 을 지나고 직선 LL 에 수직이며 평면 y=zy = z 에 평행한 직선의 매개변수 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Let LL be the line of intersection of the planes x+y+z=6x + y + z = 6 and x−y+2z=0x - y + 2z = 0.

(a) Find the points in which the line LL intersects the coordinate planes. (b) Find parametric equations for the line through the point (10,11,13)(10, 11, 13) that is perpendicular to the line LL and parallel to the plane y=zy = z.

정답·풀이 보기

(a) 직선 LL 이 xyxy평면과 만나는 점은 x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, 그리고 z=0z=0 을 만족한다. z=0z=0 일 때 LL 의 방정식은 x+y=6x + y = 6, x−y=0x - y = 0 으로 간단해진다. 따라서 교점은 (3,3,0)(3,3,0) 이다.

직선 LL 이 xzxz평면과 만나는 점은 x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, 그리고 y=0y=0 을 만족한다. y=0y=0 일 때 LL 의 방정식은 x+z=6x + z = 6, x+2z=0x +2z = 0 으로 간단해진다. x=−2zx=-2z 를 x+z=6x+z=6 에 대입하면 −z=6-z=6 이다. 따라서 교점은 (12,0,−6)(12,0,-6) 이다.

직선 LL 이 yzyz평면과 만나는 점은 x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, 그리고 x=0x=0 을 만족한다. x=0x=0 일 때 LL 의 방정식은 y+z=6y + z = 6, −y+2z=0-y +2z = 0 으로 간단해진다. y=2zy=2z 를 y+z=6y+z=6 에 대입하면 3z=63z=6 이다. 따라서 교점은 (0,4,2)(0,4,2) 이다.

(b) 핵심은 이 직선의 방향벡터 d\mathbf{d} 를 구하는 것이다.

  • 직선이 y=zy=z 에 평행해야 하므로, d\mathbf{d} 는 y=zy=z 의 법선벡터 <0,1,−1>\left< 0,1,-1\right> 에 수직이어야 한다.
  • 또한 d\mathbf{d} 는 LL 에도 수직이어야 한다. 점 (x,y,z)(x,y,z) 가 LL 위에 있으려면 x+y=6−zx+y = 6-z 와 x−y=−2zx-y =-2z 를 만족해야 한다. 이 두 식을 더하면 2x=6−3z2x=6-3z 이고, 첫째 식에서 둘째 식을 빼면 2y=6+z2y= 6+z 이다. 따라서 점 (x,y,z)(x,y,z) 가 LL 위에 있으려면 x=3−3z2x=3-\frac{3z}{2}, y=3+z2y=3+\frac{z}{2} 를 만족해야 한다. LL 위의 점 중 z=0z=0 인 점은 (3,3,0)(3,3,0) 이고 z=2z=2 인 점은 (0,4,2)(0,4,2) 이다. 따라서 <0−3,4−3,2−0>=<−3,1,2>\left< 0-3,4-3,2-0 \right>=\left< -3,1,2 \right> 는 LL 의 방향벡터이다.

그러므로 d\mathbf{d} 는 <0,1,−1>\left< 0,1,-1\right> 과 <−3,1,2>\left< -3,1,2 \right> 모두에 수직이어야 하고, 따라서 다음 벡터의 0이 아닌 상수배이다.

<0,1,−1>×<−3,1,2>=det⁡[ı^ȷ^k^01−1−312]=<3 , 3 , 3>\begin{aligned} \left< 0,1,-1\right> \times \left< -3,1,2 \right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 1 & -1 \\ -3 & 1 & 2 \end{matrix}\right] =\left< 3 \,,\, 3 \,,\, 3 \right> \end{aligned}

d=13<3 , 3 , 3>=<1 , 1 , 1>\mathbf{d}=\frac{1}{3}\left< 3 \,,\, 3 \,,\, 3 \right>=\left< 1\,,\,1\,,\,1 \right> 로 택한다. 따라서

<x,y,z>=<10,11,13>+t<1 , 1 , 1>\left< x,y,z\right> = \left< 10,11,13\right> + t \left< 1\,,\,1\,,\,1 \right>

는 이 직선의 벡터 매개변수 방정식이다. 이를 x=10+tx=10+t, y=11+ty=11+t, z=13+tz=13+t 로 쓸 수도 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The line LL intersects the xyxy–plane when x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, and z=0z=0. When z=0z=0 the equations of LL reduce to x+y=6x + y = 6, x−y=0x - y = 0. So the intersection point is (3,3,0)(3,3,0).

The line LL intersects the xzxz–plane when x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, and y=0y=0. When y=0y=0 the equations of LL reduce to x+z=6x + z = 6, x+2z=0x +2z = 0. Substituting x=−2zx=-2z into x+z=6x+z=6 gives −z=6-z=6. So the intersection point is (12,0,−6)(12,0,-6).

The line LL intersects the yzyz–plane when x+y+z=6x + y + z = 6, x−y+2z=0x - y + 2z = 0, and x=0x=0. When x=0x=0 the equations of LL reduce to y+z=6y + z = 6, −y+2z=0-y +2z = 0. Substituting y=2zy=2z into y+z=6y+z=6 gives 3z=63z=6. So the intersection point is (0,4,2)(0,4,2).

(b) Our main job is to find a direction vector d\mathbf{d} for the line.

  • Since the line is to be parallel to y=zy=z, d\mathbf{d} must be perpendicular to the normal vector for y=zy=z, which is <0,1,−1>\left< 0,1,-1\right>.
  • d\mathbf{d} must also be perpendicular to LL. For a point (x,y,z)(x,y,z) to be on LL it must obey x+y=6−zx+y = 6-z and x−y=−2zx-y =-2z. Adding these two equations gives 2x=6−3z2x=6-3z and subtracting the second equation from the first gives 2y=6+z2y= 6+z. So for a point (x,y,z)(x,y,z) to be on LL it must obey x=3−3z2x=3-\frac{3z}{2}, y=3+z2y=3+\frac{z}{2}. The point on LL with z=0z=0 is (3,3,0)(3,3,0) and the point on LL with z=2z=2 is (0,4,2)(0,4,2). So <0−3,4−3,2−0>=<−3,1,2>\left< 0-3,4-3,2-0 \right>=\left< -3,1,2 \right> is a direction vector for LL.

So d\mathbf{d} must be perpendicular to both <0,1,−1>\left< 0,1,-1\right> and <−3,1,2>\left< -3,1,2 \right> and so must be a nonzero constant times

<0,1,−1>×<−3,1,2>=det⁡[ı^ȷ^k^01−1−312]=<3 , 3 , 3>\begin{aligned} \left< 0,1,-1\right> \times \left< -3,1,2 \right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 1 & -1 \\ -3 & 1 & 2 \end{matrix}\right] =\left< 3 \,,\, 3 \,,\, 3 \right> \end{aligned}

We choose d=13<3 , 3 , 3>=<1 , 1 , 1>\mathbf{d}=\frac{1}{3}\left< 3 \,,\, 3 \,,\, 3 \right>=\left< 1\,,\,1\,,\,1 \right>. So

<x,y,z>=<10,11,13>+t<1 , 1 , 1>\left< x,y,z\right> = \left< 10,11,13\right> + t \left< 1\,,\,1\,,\,1 \right>

is a vector parametric equation for the line. We can also write this as x=10+tx=10+t, y=11+ty=11+t, z=13+tz=13+t.

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다음 두 평면

x+y+z=11그리고x−y−z=13.x + y + z = 11\qquad \text{그리고}\qquad x - y - z = 13.

의 교선에 대한 매개변수 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the parametric equation for the line of intersection of the planes

x+y+z=11andx−y−z=13.x + y + z = 11\qquad \text{and}\qquad x - y - z = 13.

정답·풀이 보기

zz 를 매개변수로 쓰고 tt 라 하자. 그러면 z=tz=t 이고

x+y=11−tx−y=13+t\begin{aligned} x+y&=11-t \\ x-y&=13+t \end{aligned}

이다. 두 방정식을 더하면 2x=242x=24 이고, 첫째 식에서 둘째 식을 빼면 2y=−2−2t2y=-2-2t 이다. 따라서

(x,y,z)=(12 , −1−t , t)(x,y,z) = \big(12\,,\,-1-t\,,\,t\big)

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let's use zz as the parameter and call it tt. Then z=tz=t and

x+y=11−tx−y=13+t\begin{aligned} x+y&=11-t \\ x-y&=13+t \end{aligned}

Adding the two equations gives 2x=242x=24 and subtracting the second equation from the first gives 2y=−2−2t2y=-2-2t. So

(x,y,z)=(12 , −1−t , t)(x,y,z) = \big(12\,,\,-1-t\,,\,t\big)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.4절 · 7번
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149.CLP-3 · 1.5절 · 14번대학 수준우리말 번역

(a) (2,5,−3)(2, 5, -3) 과 (−3,6,1)(-3, 6, 1) 에서 같은 거리에 있는 yy축 위의 점을 구하세요. (b) 점 (1,3,1)(1, 3, 1) 과 직선 r(t)=t ı^+t ȷ^+(t+2) k^\mathbf{r}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + (t + 2)\,\hat{\mathbf{k}} 를 포함하는 평면의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find a point on the y-axis equidistant from (2,5,−3)(2, 5, -3) and (−3,6,1)(-3, 6, 1). (b) Find the equation of the plane containing the point (1,3,1)(1, 3, 1) and the line r(t)=t ı^+t ȷ^+(t+2) k^\mathbf{r}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + (t + 2)\,\hat{\mathbf{k}}.

정답·풀이 보기

(a) yy축 위의 점 (0,y,0)(0,y,0) 이 (2,5,−3)(2, 5, -3) 과 (−3,6,1)(-3, 6, 1) 에서 같은 거리에 있을 필요충분조건은

∣<2,5,−3>−<0,y,0>∣=∣<−3,6,1>−<0,y,0>∣  ⟺  22+(5−y)2+(−3)2=(−3)2+(6−y)2+12  ⟺  2y=8  ⟺  y=4\begin{aligned} &\big|\left< 2, 5, -3\right>-\left< 0,y,0\right>\big| =\big|\left< -3, 6, 1\right>-\left< 0,y,0\right>\big| \\ &\iff 2^2+(5-y)^2+(-3)^2=(-3)^2+(6-y)^2+1^2 \\ &\iff 2y=8 \\ &\iff y=4 \end{aligned}

이다.

(b) 두 점 (1,3,1)(1,3,1) 과 r(0)=(0,0,2)\mathbf{r}(0)=(0,0,2) 는 모두 평면 위에 있다. 따라서 두 점을 잇는 벡터 <1,3,1>−<0,0,2>=<1,3,−1>\left< 1,3,1\right>-\left< 0,0,2\right>=\left< 1,3,-1\right> 과 직선의 방향벡터 <1,1,1>\left< 1,1,1\right> 은 모두 평면과 평행하다. 그러므로

<1,3,−1>×<1,1,1>=det⁡[ı^ȷ^k^13−1111]=<4,−2,−2>\left< 1,3,-1\right>\times \left< 1,1,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ 1&3&-1 \\ 1&1&1 \end{matrix}\right] = \left< 4,-2,-2\right>

은 평면에 수직이다. 점 (0,0,2)(0,0,2) 가 평면 위에 있고 벡터 <4,−2,−2>\left< 4,-2,-2\right> 가 평면에 수직이므로, 평면의 방정식은

4(x−0)−2(y−0)−2(z−2)=0 또는 2x−y−z=−24(x-0)-2(y-0)-2(z-2)=0\text{ 또는 } 2x-y-z=-2

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The point (0,y,0)(0,y,0), on the yy–axis, is equidistant from (2,5,−3)(2, 5, -3) and (−3,6,1)(-3, 6, 1) if and only if

∣<2,5,−3>−<0,y,0>∣=∣<−3,6,1>−<0,y,0>∣  ⟺  22+(5−y)2+(−3)2=(−3)2+(6−y)2+12  ⟺  2y=8  ⟺  y=4\begin{aligned} &\big|\left< 2, 5, -3\right>-\left< 0,y,0\right>\big| =\big|\left< -3, 6, 1\right>-\left< 0,y,0\right>\big| \\ &\iff 2^2+(5-y)^2+(-3)^2=(-3)^2+(6-y)^2+1^2 \\ &\iff 2y=8 \\ &\iff y=4 \end{aligned}

(b) The points (1,3,1)(1,3,1) and r(0)=(0,0,2)\mathbf{r}(0)=(0,0,2) are both on the plane. Hence the vector <1,3,1>−<0,0,2>=<1,3,−1>\left< 1,3,1\right>-\left< 0,0,2\right>=\left< 1,3,-1\right> joining them, and the direction vector of the line, namely <1,1,1>\left< 1,1,1\right> are both parallel to the plane. So

<1,3,−1>×<1,1,1>=det⁡[ı^ȷ^k^13−1111]=<4,−2,−2>\left< 1,3,-1\right>\times \left< 1,1,1\right> =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ 1&3&-1 \\ 1&1&1 \end{matrix}\right] = \left< 4,-2,-2\right>

is perpendicular to the plane. As the point (0,0,2)(0,0,2) is on the plane and the vector <4,−2,−2>\left< 4,-2,-2\right> is perpendicular to the plane, the equation of the plane is

4(x−0)−2(y−0)−2(z−2)=0 or 2x−y−z=−24(x-0)-2(y-0)-2(z-2)=0\text{ or } 2x-y-z=-2

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.5절 · 16번
# 직선과 평면의 방정식계산보통자동 분류
150.CLP-3 · 1.5절 · 16번대학 수준우리말 번역

P, Q, RP,\ Q,\ R 와 SS 를 사면체의 꼭짓점이라 하자. 원점에서 P, Q, RP,\ Q,\ R 와 SS 까지의 벡터를 각각 p, q, r\mathbf{p},\ \mathbf{q},\ \mathbf{r}, s\mathbf{s} 라 하자. 각 꼭짓점에서 그 마주 보는 면의 무게중심까지 직선을 그린다. 여기서 꼭짓점이 a, b\mathbf{a},\ \mathbf{b}, c\mathbf{c} 인 삼각형의 무게중심은 13(a+b+c)\frac{1}{3}(\mathbf{a}+\mathbf{b}+\mathbf{c}) 이다. 이 네 직선이 14(p+q+r+s\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 에서 만남을 보이세요.

영어 원문 보기

Let P, Q, RP,\ Q,\ R and SS be the vertices of a tetrahedron. Denote by p, q, r\mathbf{p},\ \mathbf{q},\ \mathbf{r} and s\mathbf{s} the vectors from the origin to P, Q, RP,\ Q,\ R and SS respectively. A line is drawn from each vertex to the centroid of the opposite face, where the centroid of a triangle with vertices a, b\mathbf{a},\ \mathbf{b} and c\mathbf{c} is 13(a+b+c)\frac{1}{3}(\mathbf{a}+\mathbf{b}+\mathbf{c}). Show that these four lines meet at 14(p+q+r+s\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}).

정답·풀이 보기

p\mathbf{p} 의 맞은편 면은 꼭짓점이 q\mathbf{q}, r\mathbf{r}, s\mathbf{s} 인 삼각형이다. 이 삼각형의 무게중심은 13(q+r+s)\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 이다. p\mathbf{p} 와 무게중심 13(q+r+s)\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 를 지나는 직선의 방향 벡터는 13(q+r+s)−p\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{p} 이다. p\mathbf{p} 와 무게중심 13(q+r+s)\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 를 지나는 직선 위의 점은 어떤 실수 tt 에 대해 다음 꼴이다.

x=p+t[13(q+r+s)−p]\mathbf{x}=\mathbf{p}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{p}\right]

t=34t=\frac{3}{4} 일 때 p+t[13(q+r+s)−p]=14(p+q+r+s)\mathbf{p}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{p}\right] =\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 이므로 14(p+q+r+s)\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 는 이 직선 위에 있다. 나머지 세 직선의 벡터 매개변수 방정식은 다음과 같다.

x=q+t[13(p+r+s)−q]x=r+t[13(p+q+s)−r]x=s+t[13(p+q+r)−s]\begin{aligned} \mathbf{x}&=\mathbf{q}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{p}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{q}\right] \\ \mathbf{x}&=\mathbf{r}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{s})-\mathbf{r}\right] \\ \mathbf{x}&=\mathbf{s}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r})-\mathbf{s}\right] \end{aligned}

t=34t=\frac{3}{4} 일 때 세 식의 우변도 각각 14(p+q+r+s)\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 가 되므로 14(p+q+r+s)\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) 는 이 세 직선 위에도 각각 있다.

원본 교재 풀이(영어)

The face opposite p\mathbf{p} is the triangle with vertices q\mathbf{q}, r\mathbf{r} and s\mathbf{s}. The centroid of this triangle is 13(q+r+s)\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}). The direction vector of the line through p\mathbf{p} and the centroid 13(q+r+s)\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) is 13(q+r+s)−p\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{p}. The points on the line through p\mathbf{p} and the centroid 13(q+r+s)\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) are those of the form

x=p+t[13(q+r+s)−p]\mathbf{x}=\mathbf{p}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{p}\right]

for some real number tt. Observe that when t=34t=\frac{3}{4} p+t[13(q+r+s)−p]=14(p+q+r+s)\mathbf{p}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{p}\right] =\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) so that 14(p+q+r+s)\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) is on the line. The other three lines have vector parametric equations

x=q+t[13(p+r+s)−q]x=r+t[13(p+q+s)−r]x=s+t[13(p+q+r)−s]\begin{aligned} \mathbf{x}&=\mathbf{q}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{p}+\mathbf{r}+\mathbf{s})-\mathbf{q}\right] \\ \mathbf{x}&=\mathbf{r}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{s})-\mathbf{r}\right] \\ \mathbf{x}&=\mathbf{s}+ t\left[\frac{1}{3}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r})-\mathbf{s}\right] \end{aligned}

When t=34t=\frac{3}{4}, each of the three right hand sides also reduces to 14(p+q+r+s)\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) so that 14(p+q+r+s)\frac{1}{4}(\mathbf{p}+\mathbf{q}+\mathbf{r}+\mathbf{s}) is also on each of these three lines.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.5절 · 13번
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