문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터와 공간

이차곡면과 곡면 그리기

원기둥면·타원면·포물면·쌍곡면 등 곡면의 단면과 모양을 알아본다

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

1문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 1.7절 · 12번대학 수준우리말 번역

아래 곡면은 zz축을 중심으로 하는 원형 등위곡선을 가집니다. 주어진 직선들은 이 곡면과 yzyz평면의 오른쪽 절반이 만나서 생기는 것입니다. 이 곡면의 방정식을 구하세요.

그림

영어 원문 보기

The surface below has circular level curves, centred along the zz-axis. The lines given are the intersection of the surface with the right half of the yzyz-plane. Give an equation for the surface.

figure

정답·풀이 보기

등위곡선이 (xyxy평면에서) 원점을 중심으로 하는 원이므로, zz가 상수일 때 방정식은 어떤 상수 cc에 대하여 x2+y2=cx^2+y^2=c 꼴이다. 즉 방정식은 다음과 같은 꼴이다. x2+y2=g(z),x^2+y^2=g(z), 여기서 g(z)g(z)는 zz에만 의존하는 함수이다.

단면이 매우 대칭적이므로, 이 도형이 yzyz평면의 왼쪽과 만나는 부분도 알 수 있다: z=3(−y−1)=−3(y+1)z=3(-y-1)=-3(y+1) (z≥0z\ge0 일 때)이고 z=−3(−y−1)=3(y+1)z=-3(-y-1)=3(y+1) (z<0z<0 일 때)이다. 아래는 이 곡면과 yzyz평면이 만나는 부분이다.

그림

x=0x=0 을 대입하면 방정식은 y2=g(z)y^2=g(z) 가 된다. yzyz평면의 오른쪽을 보면 다음을 얻는다: {z=3(y−1)z≥0, y≥1 일 때z=−3(y−1)z<0, y≥1 일 때}\left.\begin{cases} z=3(y-1) &z\geq 0,\ y\ge 1 \text{ 일 때}\\ z=-3(y-1) &z< 0,\ y\ge 1 \text{ 일 때} \end{cases}\right\} . 즉,

∣z∣=3(y−1)∣z∣3+1=y(∣z∣3+1)2=y2(∗)\begin{aligned} |z|&=3(y-1)\\ \frac{|z|}{3}+1&=y\\ \left(\frac{|z|}{3}+1\right)^2&=y^2 &(*) \end{aligned}

간단한 확인: (∗)(*) 에서 양변을 제곱할 때 또 다른 해 ∣z∣3+1=−y\frac{|z|}{3}+1=-y 가 추가되었다. 그림과 달라지지 않았는지 확인해 보자.

(∣z∣3+1)2=y2⇔∣z∣3+1⏟양수=±y⇔{∣z∣3+1=yy>0∣z∣3+1=−yy<0⇔{∣z∣3+1=yy≥1∣z∣3+1=−yy≤−1⇔{∣z∣=3(y−1)y≥1∣z∣=−3(y+1)y≤−1⇔{z=±3(y−1)⏟양수y≥1z=±3(y+1)⏟음수y≤−1⇔{z=3(y−1)y≥1, z≥0z=−3(y−1)y≥1, z≤0z=−3(y+1)y≤−1, z≥0z=3(y+1)y≤−1, z≤0\begin{aligned} &&& \left(\frac{|z|}{3}+1\right)^2=y^2\\ &\Leftrightarrow&& \underbrace{\frac{|z|}{3}+1}_{\text{양수}}=\pm y\\ &\Leftrightarrow&& \begin{cases} \frac{|z|}{3}+1 =y & y>0\\[0.05in] \frac{|z|}{3}+1 =-y & y<0 \end{cases}\\[0.1in] & \Leftrightarrow&& \begin{cases} \frac{|z|}{3}+1 =y & y\ge1\\[0.05in] \frac{|z|}{3}+1 =-y & y\le-1 \end{cases}\\[0.1in] &\Leftrightarrow&& \begin{cases} |z| =3(y-1) & y\ge1\\[0.05in] |z|=-3(y+1) & y\le-1 \end{cases}\\[0.1in] &\Leftrightarrow&& \begin{cases} z =\pm \underbrace{3(y-1)}_{\text{양수}} & y\ge1\\ z=\pm \underbrace{3(y+1)}_{\text{음수}} & y\le-1 \end{cases}\\[0.1in] &\Leftrightarrow&& \begin{cases} z =3(y-1) & y\ge1,\ z\ge0\\ z =-3(y-1) & y\ge1,\ z\le0\\ z=-3(y+1) & y\le-1,\ z \ge 0\\ z=3(y+1) & y\le-1,\ z\le 0 \end{cases} \end{aligned}

이는 그림과 정확히 일치한다. 따라서 이 곡면의 방정식은 다음과 같다. x2+y2=(∣z∣3+1)2x^2+y^2=\left( \frac{|z|}{3}+1\right)^2

원본 교재 풀이(영어)

Since the level curves are circles centred at the origin (in the xyxy-plane), when zz is a constant, the equation will have the form x2+y2=cx^2+y^2=c for some constant. That is, our equation looks like x2+y2=g(z),x^2+y^2=g(z), where g(z)g(z) is a function depending only on zz.

Because our cross-sections are so nicely symmetric, we know the intersection of the figure with the left side of the yzyz-plane as well: z=3(−y−1)=−3(y+1)z=3(-y-1)=-3(y+1) (when z≥0z\ge0) and z=−3(−y−1)=3(y+1)z=-3(-y-1)=3(y+1) (when z<0z<0). Below is the intersection of our surface with the yzyz plane.

figure

Setting x=0x=0, our equation becomes y2=g(z)y^2=g(z). Looking at the right side of the yzyz plane, this should lead to: {z=3(y−1)if z≥0, y≥1z=−3(y−1)if z<0, y≥1}\left.\begin{cases} z=3(y-1) &\text{if } z\geq 0,\ y\ge 1\\ z=-3(y-1) &\text{if } z< 0,\ y\ge 1 \end{cases}\right\} . That is:

∣z∣=3(y−1)∣z∣3+1=y(∣z∣3+1)2=y2(∗)\begin{aligned} |z|&=3(y-1)\\ \frac{|z|}{3}+1&=y\\ \left(\frac{|z|}{3}+1\right)^2&=y^2 &(*) \end{aligned}

A quick check: when we squared both sides of the equation in (∗)(*), we added another solution, ∣z∣3+1=−y\frac{|z|}{3}+1=-y. Let's make sure we haven't diverged from our diagram.

(∣z∣3+1)2=y2⇔∣z∣3+1⏟positive=±y⇔{∣z∣3+1=yy>0∣z∣3+1=−yy<0⇔{∣z∣3+1=yy≥1∣z∣3+1=−yy≤−1⇔{∣z∣=3(y−1)y≥1∣z∣=−3(y+1)y≤−1⇔{z=±3(y−1)⏟positivey≥1z=±3(y+1)⏟negativey≤−1⇔{z=3(y−1)y≥1, z≥0z=−3(y−1)y≥1, z≤0z=−3(y+1)y≤−1, z≥0z=3(y+1)y≤−1, z≤0\begin{aligned} &&& \left(\frac{|z|}{3}+1\right)^2=y^2\\ &\Leftrightarrow&& \underbrace{\frac{|z|}{3}+1}_{\text{positive}}=\pm y\\ &\Leftrightarrow&& \begin{cases} \frac{|z|}{3}+1 =y & y>0\\[0.05in] \frac{|z|}{3}+1 =-y & y<0 \end{cases}\\[0.1in] & \Leftrightarrow&& \begin{cases} \frac{|z|}{3}+1 =y & y\ge1\\[0.05in] \frac{|z|}{3}+1 =-y & y\le-1 \end{cases}\\[0.1in] &\Leftrightarrow&& \begin{cases} |z| =3(y-1) & y\ge1\\[0.05in] |z|=-3(y+1) & y\le-1 \end{cases}\\[0.1in] &\Leftrightarrow&& \begin{cases} z =\pm \underbrace{3(y-1)}_{\text{positive}} & y\ge1\\ z=\pm \underbrace{3(y+1)}_{\text{negative}} & y\le-1 \end{cases}\\[0.1in] &\Leftrightarrow&& \begin{cases} z =3(y-1) & y\ge1,\ z\ge0\\ z =-3(y-1) & y\ge1,\ z\le0\\ z=-3(y+1) & y\le-1,\ z \ge 0\\ z=3(y+1) & y\le-1,\ z\le 0 \end{cases} \end{aligned}

This matches our diagram eactly. So, all together, the equation of the surface is x2+y2=(∣z∣3+1)2x^2+y^2=\left( \frac{|z|}{3}+1\right)^2

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 11번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석도전자동 분류