유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
34문제 · 2 / 2쪽
21.OpenStax 3권 · 2.6절 · 56번대학 수준우리말 번역
[계산기 사용] 회전타원면은 두 반축의 길이가 같은 타원면이다. 예를 들어, z축을 대칭축으로 하는 회전타원면의 방정식은 a2x2+a2y2+c2z2=1 이다. 여기서 a 와 c 는 양의 실수이다. 회전타원면은 c<a 이면 납작한 회전타원면, c>a 이면 길쭉한 회전타원면이라고 한다.
a. 눈의 각막은 눈을 축으로 하는 길쭉한 회전타원면으로 근사되며, a=8.7mm 그리고c=9.6mm 이다. 각막을 나타내는 회전타원면의 방정식을 쓰고 그 곡면을 그리세요.
b. 길쭉한 회전타원면 모양의 물체의 예를 두 가지 드세요.
영어 원문 보기
[T] A spheroid is an ellipsoid with two equal semiaxes. For instance, the equation of a spheroid with the z-axis as its axis of symmetry is given by a2x2+a2y2+c2z2=1, where a and c are positive real numbers. The spheroid is called oblate if c<a, and prolate for c>a.
a. The eye cornea is approximated as a prolate spheroid with an axis that is the eye, where a=8.7mm andc=9.6mm. Write the equation of the spheroid that models the cornea and sketch the surface.
b. Give two examples of objects with prolate spheroid shapes.
[계산기 사용] 지도 제작에서는 지구를 구가 아니라 납작한 회전타원면으로 근사한다. 적도와 극에서의 반지름은 각각 약 3963 mi, 3950 mi 이다.
a. 지구의 모양을 나타내는 타원면의 방정식을 표준형으로 쓰세요. 지구의 중심은 원점에 있고, 평면 z=0 이 만드는 자취가 적도에 해당한다고 가정하세요.
b. 그래프를 그리세요.
c. xy평면과 평행한 평면 z=1000 과 이 곡면의 교선 곡선의 방정식을 구하세요. 이 교선 곡선을 위도선이라고 한다.
d. z축을 지나는 평면 x+y=0 과 이 곡면의 교선 곡선의 방정식을 구하세요. 이 교선 곡선을 자오선이라고 한다.
영어 원문 보기
[T] In cartography, Earth is approximated by an oblate spheroid rather than a sphere. The radii at the equator and poles are approximately 3963 mi and 3950 mi, respectively.
a. Write the equation in standard form of the ellipsoid that represents the shape of Earth. Assume the center of Earth is at the origin and that the trace formed by plane z=0 corresponds to the equator.
b. Sketch the graph.
c. Find an equation of the intersection curve of the surface with plane z=1000 that is parallel to the xy-plane. The intersection curve is called a parallel.
d. Find an equation of the intersection curve of the surface with plane x+y=0 that passes through the z-axis. The intersection curve is called a meridian.
정답·풀이 보기
a. 39632x2+39632y2+39502z2=1;
b.
;
c. 교선 곡선은 방정식 39632x2+39632y2=39502(2950)(4950) 의 타원이며, 교선은 타원이다.; d. 교선 곡선은 방정식 396322y2+39502z2=1 의 타원이다.
원본 교재 풀이(영어)
a. 39632x2+39632y2+39502z2=1;
b.
;
c. The intersection curve is the ellipse of equation 39632x2+39632y2=39502(2950)(4950), and the intersection is an ellipse.; d. The intersection curve is the ellipse of equation 396322y2+39502z2=1.
[계산기 사용]z축에 대해 대칭인 고리 모양 원환면(토러스)은 위상수학에서 다루는 특별한 곡면이며, 그 방정식은 (x2+y2+z2+R2−r2)2=4R2(x2+y2) 이다. 단, R>r>0 이다. 수 R 와 r 을 각각 이 곡면의 큰 반지름, 작은 반지름이라고 한다. 다음 그림은 R=2이고r=1 인 고리 모양 원환면을 나타낸 것이다.
a. R=2이고r=1 인 고리 모양 원환면의 방정식을 쓰고, 컴퓨터 대수 시스템을 사용하여 이 곡면의 그래프를 그리세요. 그 그래프를 주어진 그림과 비교하세요.
b. a의 고리 모양 원환면이 xy평면 위에 만드는 자취의 방정식을 구하고, 그 자취를 그리세요.
c. 고리 모양 원환면 모양인 물체의 예를 두 가지 드세요.
영어 원문 보기
[T] The ring torus symmetric about the z-axis is a special type of surface in topology and its equation is given by (x2+y2+z2+R2−r2)2=4R2(x2+y2), where R>r>0. The numbers R and r are called are the major and minor radii, respectively, of the surface. The following figure shows a ring torus for which R=2andr=1.
a. Write the equation of the ring torus with R=2andr=1, and use a CAS to graph the surface. Compare the graph with the figure given.
b. Determine the equation and sketch the trace of the ring torus from a. on the xy-plane.
c. Give two examples of objects with ring torus shapes.
Match the following equations and expressions with the corresponding
pictures. Cartesian coordinates are (x,y,z), cylindrical coordinates
are (r,θ,z), and spherical coordinates are (ρ,θ,φ).
(a) φ=3π 는 (구면좌표) φ 가 상수인 곡면이다. 따라서 원점을 꼭짓점으로 하는 원뿔이다. 0≤φ≤2π 이므로 z≥0 이고, 다음과 같이 φ=3π 를 직교좌표로 나타낼 수 있다.
φ=3π⟺tanφ=23⟺ρsinφ=23ρcosφ⟺x2+y2=23z
따라서 (a)에 해당하는 그림은 (C)이다.
(b) r 와 θ 는 원기둥좌표이므로
r=2cosθ⟺r2=2rcosθ⟺x2+y2=2x⟺(x−1)2+y2=1
(x−1)2+y2=1 에는 z 가 나타나지 않는다. 따라서 (x−1)2+y2=1 의 z 가 상수인 모든 단면은 직선 x=1, y=0 위에 중심이 있고 반지름이 1 인 (수평) 원이다. 이는 직선 x=1, y=0 을 중심축으로 하고 반지름이 1 인 원기둥이다. 따라서 (b)에 해당하는 그림은 (F)이다.
(c) x2+y2=z2+1 의 z 가 상수인 각 단면은 z 축 위에 중심이 있는 (수평) 원이다. 이 원의 반지름은 z=0 일 때 1 이고, z 가 z=0 에서 멀어질수록 커진다. 따라서 x2+y2=z2+1 은 (수평) 원들이 차곡차곡 쌓인 모양이고, 반지름은 ∣z∣ 에 따라 증가한다. 이는 일엽쌍곡면이다. (c)에 해당하는 그림은 (D)이다.
(d) y=x2+z2 의 모든 점은 y≥0 이다. 이 성질을 가진 것은 (B)뿐이다. 또한 y 가 상수인 각 단면은 x=z=0 에 중심이 있는 원임을 알 수 있다. 이 원의 반지름은 y=0 일 때 0 이고, y 가 커질수록 증가한다. 곡면 y=x2+z2 은 포물면이다. (d)에 해당하는 그림은 (B)이다.
(e) ρ 와 φ 는 구면좌표이므로
ρ=2cosφ⟺ρ2=2ρcosφ⟺x2+y2+z2=2z⟺x2+y2+(z−1)2=1
이는 (0,0,1) 을 중심으로 하고 반지름이 1 인 구이다. (e)에 해당하는 그림은 (A)이다.
(f) 남은 가능성은 하나뿐이므로 (f)에 해당하는 그림은 (E)이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) φ=3π is a surface of constant (spherical coordinate)
φ. So it is a cone with vertex at the origin. We can express
φ=3π in cartesian coordinates by observing that
0≤φ≤2π so that z≥0, and
φ=3π⟺tanφ=23⟺ρsinφ=23ρcosφ⟺x2+y2=23z
So the picture that corresponds to (a) is (C).
(b) As r and θ are cylindrical coordinates
r=2cosθ⟺r2=2rcosθ⟺x2+y2=2x⟺(x−1)2+y2=1
There is no z appearing in (x−1)2+y2=1. So every constant z
cross–section of (x−1)2+y2=1 is a (horizontal) circle of radius
1 centred on the line x=1, y=0. It is a cylinder of radius 1
centred on the line x=1, y=0.
So the picture that corresponds to (b) is (F).
(c) Each constant z cross–section of x2+y2=z2+1 is a (horizontal)
circle centred on the z–axis. The radius of the circle is 1
when z=0 and grows as z moves away from z=0. So
x2+y2=z2+1 consists of a bunch of (horizontal) circles stacked
on top of each other, with the radius increasing with ∣z∣. It
is a hyperboloid of one sheet.
The picture that corresponds to (c) is (D).
(d) Every point of y=x2+z2 has y≥0. Only (B) has that
property. We can also observe that every constant y cross–section
is a circle centred on x=z=0. The radius of the circle is zero
when y=0 and increases as y increases. The surface y=x2+z2
is a paraboloid.
The picture that corresponds to (d) is (B).
(e) As ρ and φ are spherical coordinates
ρ=2cosφ⟺ρ2=2ρcosφ⟺x2+y2+z2=2z⟺x2+y2+(z−1)2=1
This is the sphere of radius 1 centred on (0,0,1).
The picture that corresponds to (e) is (A).
(f) The only possibility left is that the picture that
corresponds to (f) is (E).
아래 (a), (b) 각각에는 어떤 함수 f(x,y) 의 등위곡선 몇 개 중 제1사분면 부분을 그린 스케치가 주어져 있다.
이에 대응하는 그래프 z=f(x,y) 의 제1팔분공간 부분을 그리세요.
(a)
(b)
영어 원문 보기
In each of (a) and (b) below, you are provided with a sketch of the first quadrant parts of a few level curves of some function f(x,y).
Sketch the first octant part of the corresponding graph z=f(x,y).
(a)
(b)
정답·풀이 보기
아래 각 풀이는 세 개의 스케치로 이루어진다.
첫 번째 스케치에서는 주어진 등위곡선을 그대로 다시 그리되, z축 위 높은 곳에서 xy평면을 내려다보는 것처럼 보이도록 x축과 y축의 방향을 고쳐 그린다.
두 번째 스케치에서는 각 등위곡선 f(x,y)=C 를 위로 들어 올려 수평면 z=C 위에 그린다. 즉 다음 집합을 그린다.
마지막으로 세 번째 스케치에서는 “두 번째 스케치의 빈틈을 메워서” 그래프 z=f(x,y) 의 제1팔분공간 부분을 그린다.
(a)
(b)
원본 교재 풀이(영어)
Each solution below consists of three sketchs.
In the first sketch, we just redraw the given level curves with the
x- and y-axes reoriented so that the sketch looks like we are high on the z-axis looking down at the xy-plane.
In the second sketch, we lift up each level curve f(x,y)=C and draw it in
the horizontal plane z=C. That is we draw
아래에 그래프 z=f(x,y) 가 스케치되어 있는 함수 f(x,y) 의 등위곡선을 몇 개 그리세요.
영어 원문 보기
Sketch a few level curves for the function f(x,y) whose graph z=f(x,y)
is sketched below.
정답·풀이 보기
먼저 그래프의 스케치에 C=3, 2, 1, 0.5, 0.25 에 대한 수평면 z=C 를 덧붙인다.
복잡해 보이지 않도록, 각 C 에 대해 다음 두 가지만 그려 넣었다.
수평면 z=C 와 yz평면, 즉 수직 평면 x=0 의 교선(회색)
수평면 z=C 와 그래프 z=f(x,y) 의 교선(파란색)
평면 z=0.25 의 이름표는 생략했다.
평면 z=C 와 그래프 z=f(x,y) 의 교선은 직선
{(x,y,z)z=f(x,y),z=C}={(x,y,z)f(x,y)=C,z=C}
이다. (x축에 평행한) 이 직선을 평면 z=C 가 아니라 xy평면에 그리면 등위곡선이 된다. C=3, 2, 1, 0.5, 0.25 각각에 대해 이렇게 하면 다섯 개의 등위곡선을 얻는다.
원본 교재 풀이(영어)
We first add into the sketch of the graph the horizontal planes z=C,
for C=3, 2, 1, 0.5, 0.25.
To reduce clutter, for each C, we have drawn in only
the (gray) intersection of the horizontal plane z=C with the yz–plane,
i.e. with the vertical plane x=0, and
the (blue) intersection of the horizontal plane z=C with the graph z=f(x,y).
We have also omitted the label for the plane z=0.25.
The intersection of the plane z=C with the graph z=f(x,y) is line
{(x,y,z)z=f(x,y),z=C}={(x,y,z)f(x,y)=C,z=C}
Drawing this line (which is parallel to the x-axis) in the xy-plane,
rather than in the plane z=C, gives a level curve. Doing this for each of
C=3, 2, 1, 0.5, 0.25 gives five level curves.
(a)
고정된 각 c>0 에 대해 등위곡선 x2+2y2=c 는
원점을 중심으로 하고 x 방향 반축의 길이가 c,
y 방향 반축의 길이가 c/2 인 타원이다. c=0 이면 등위곡선 x2+2y2=c=0 은
한 점 (0,0) 뿐이다.
(b)
고정된 각 c=0 에 대해 등위곡선 xy=c 는
원점을 중심으로 하고 x축과 y축을 점근선으로 갖는 쌍곡선이다.
c>0 이면 xy=c>0 을 만족하는 x 와 y 는 부호가 같다.
따라서 쌍곡선은 제1사분면과 제3사분면에 놓인다.
c<0 이면 xy=c>0 을 만족하는 x 와 y 는 부호가 반대이다.
따라서 쌍곡선은 제2사분면과 제4사분면에 놓인다.
c=0 이면 등위곡선 xy=c=0 은
한 점 (0,0) 뿐이다.
(c)
고정된 각 c=0 에 대해 등위곡선 xe−y=c 는 로그 곡선
y=−lnxc 이다. c>0 일 때 이 곡선은 다음과 같다.
x>0 으로 제한되며, 그래야 xc>0 이 되어 lnxc 가
정의된다. 또한
x→0+ 일 때 y 는 −∞ 로 가고,
x→+∞ 일 때 y 는 +∞ 로 간다. 그리고
x=c 일 때 x축과 만난다(즉 y=0 이다).
c<0 일 때 이 곡선은 다음과 같다.
x<0 으로 제한되며, 그래야 xc>0 이 되어 lnxc 가
정의된다. 또한
x→0− 일 때 y 는 −∞ 로 가고,
x→−∞ 일 때 y 는 +∞ 로 간다. 그리고
x=c 일 때 x축과 만난다(즉 y=0 이다).
c=0 이면 등위곡선 xe−y=c=0 은
y축, 곧 x=0 이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a)
For each fixed c>0, the level curve x2+2y2=c is the ellipse
centred on the origin with x semi axis c and
y semi axis c/2. If c=0, the level curve x2+2y2=c=0
is the single point (0,0).
(b)
For each fixed c=0, the level curve xy=c is a hyperbola
centred on the origin with asymptotes the x- and y-axes.
If c>0, any x and y obeying xy=c>0 are of the same sign.
So the hyperbola is contained in the first and third quadrants.
If c<0, any x and y obeying xy=c>0 are of opposite sign.
So the hyperbola is contained in the second and fourth quadrants.
If c=0, the level curve xy=c=0
is the single point (0,0).
(c)
For each fixed c=0, the level curve xe−y=c is the logarithmic curve
y=−lnxc. Note that, for c>0, the curve
is restricted to x>0, so that xc>0 and lnxc
is defined, and that
as x→0+, y goes to −∞, while
as x→+∞, y goes to +∞, and
the curve crosses the x-axis (i.e. has y=0) when x=c.
and for c<0, the curve
is restricted to x<0, so that xc>0 and lnxc
is defined, and that
as x→0−, y goes to −∞, while
as x→−∞, y goes to +∞, and
the curve crosses the x-axis (i.e. has y=0) when x=c.
If c=0, the level curve xe−y=c=0
is the y-axis, x=0.
C=0 이면 등위곡선 f=C=0 은 직선 y=0 뿐이다.
C=0 (부호는 어느 쪽이든) 이면 등위곡선 f=C 의 방정식 f(x,y)=x2+y22y=C 를 다음과 같이 고쳐 쓸 수 있다.
x2−C2y+y2=0⟺x2+(y−C1)2=C21
이는 중심이 (0,C1) 이고 반지름이 ∣C∣1 인 원의 방정식이다.
참고.
엄밀히 말하면, 함수 f(x,y)=x2+y22y 은
(x,y)=(0,0) 에서 정의되지 않는다. 문제에서 f 의 정의역에서 (0,0) 을 제외한다고 밝히거나 f(0,0) 의 값을 정해 주었어야 한다. 사실 f(x,y) 가 (0,0) 에서 연속이 되도록 f(0,0) 의 값을 정하는 것은 불가능한데, limx→0f(x,0)=0 인 반면 limy→0f(0,∣y∣)=∞ 이기 때문이다.
따라서 f 의 정의역을 R2 에서 점 (0,0) 을 제외한 것으로 잡는 편이 더 타당하다. 위 그림의 원점에 작은 구멍이 있는 이유가 이것이다.
원본 교재 풀이(영어)
If C=0, the level curve f=C=0 is just the line y=0.
If C=0 (of either sign), we may rewrite the equation, f(x,y)=x2+y22y=C,
of the level curve f=C as
x2−C2y+y2=0⟺x2+(y−C1)2=C21
which is the equation of the circle of radius ∣C∣1 centred on
(0,C1).
Remark.
To be picky, the function f(x,y)=x2+y22y
is not defined at (x,y)=(0,0). The question should have either specified
that the domain of f excludes (0,0) or have specified a value
for f(0,0). In fact, it is impossible to assign a value to f(0,0)
in such a way that f(x,y) is continuous at (0,0), because
limx→0f(x,0)=0 while limy→0f(0,∣y∣)=∞.
So it makes more sense to have the domain of f being R2
with the point (0,0) removed. That's why there is a little hole at the origin
in the above sketch.
(a) Sketch several level curves z=constant.
(b) Draw a rough sketch of the surface.
정답·풀이 보기
(a)
방정식을 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.
x2+y2=(z−1)2−1
우변은 ∣z−1∣<1, 즉 0<z<2 일 때 음수이다.
따라서 곡면 위의 점 중에는 0<z<2 인 점이 없다. 이 범위 밖에서 고정된 임의의 z 에 대해
곡선 x2+y2=(z−1)2−1 은
z 축 위에 중심이 있는 원이고, 그 반지름은 (z−1)2−1 이다.
이 반지름은 z=0,2 일 때 0 이고, z 가 z=0,2 에서 멀어질수록 커진다. ∣z∣ 가 매우 크면 반지름은 ∣z∣ 에 거의 비례하여 커진다. 다음은 등위곡선 몇 개를 그린 그림이다.
(b)
이 곡면은 원이 쌓인 두 개의 더미로 이루어져 있다.
한 더미는 z=2 에서 반지름 0 으로 시작한다.
z 가 커짐에 따라 반지름이 커진다.
다른 더미는 z=0 에서 반지름 0 으로 시작한다.
z 가 작아짐에 따라 반지름이 커진다.
이 곡면은 이엽쌍곡면이다. 다음은 두 개의 그림이다. 왼쪽 그림은 곡면 중 제1팔분공간에 있는 부분의 그림이다. 오른쪽 그림은 곡면 전체의 그림이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a)
We can rewrite the equation as
x2+y2=(z−1)2−1
The right hand side is negative for ∣z−1∣<1, i.e. for 0<z<2.
So no point on the surface has 0<z<2. For any
fixed z, outside that range, the curve x2+y2=(z−1)2−1
is the circle of radius (z−1)2−1 centred on the z–axis.
That radius is 0 when z=0,2 and increases as z moves away from
z=0,2. For very large ∣z∣, the radius increases roughly linearly with
∣z∣. Here is a sketch of some level curves.
(b)
The surface consists of two stacks of circles.
One stack starts with radius 0 at z=2.
The radius increases as z increases.
The other stack starts with radius 0 at z=0.
The radius increases as z decreases.
This surface is a hyperboloid of two sheets. Here are two
sketchs. The sketch on the left is of the part of the surface in the
first octant. The sketch on the right of the full surface.
고정된 각 z 에 대해 4x2+y2=1+z2 은 타원이다. 따라서 이 곡면은
타원이 차곡차곡 쌓인 모양이다. 반축의 길이는
211+z2 과 1+z2 이다. 이 값들은 z=0 일 때
(즉 xy 평면 위의 타원일 때) 가장 작고 ∣z∣ 가 커짐에 따라 커진다.
곡면과 xz 평면(즉 평면 y=0)의 교선은 쌍곡선 4x2−z2=1 이고, 곡면과
yz 평면(즉 평면 x=0)의 교선은 쌍곡선 y2−z2=1 이다.
다음은 곡면의 두 그림이다. 왼쪽 그림은 곡면 중 제1팔분공간에 있는 부분만
(좌표축과 함께) 보여 준다.
원본 교재 풀이(영어)
For each fixed z, 4x2+y2=1+z2 is an ellipse. So the surface
consists of a stack of ellipses one on top of the other. The semi axes are
211+z2 and 1+z2. These are smallest when z=0
(i.e. for the ellipse in the xy-plane) and increase as ∣z∣ increases.
The intersection of the surface with the xz-plane (i.e. with the plane y=0) is the hyperbola 4x2−z2=1 and the intersection with
the yz-pane (i.e. with the plane x=0) is the hyperbola y2−z2=1.
Here are two sketches of the surface. The sketch on the left only shows
the part of the surface in the first octant (with axes).
(a)
그래프는 (x,y) 가 0≤x≤2π, 0≤y≤1 의 범위를 움직일 때의 z=sinx 이다. 0 과 1 사이의 고정된 각 y0 에 대해, 이 그래프와 수직 평면 y=y0 의 교선은 x 가 0 부터 2π 까지 변하는 같은 사인 그래프 z=sinx 이다. 따라서 전체 그래프는 2차원 사인 그래프를 나란히 쌓아 놓은 것과 같다. 이것이 아래 왼쪽의 그래프이다.
(b)
그래프는 z=x2+y2 이다. 고정된 각 z0≥0 에 대해, 이 그래프와 수평 평면 z=z0 의 교선은 원 x2+y2=z0 이다. 이 원은 z축 위에 중심이 있고 반지름이 z0 이다. 따라서 그래프는 원뿔의 위쪽 절반이다. 이것이 위 오른쪽의 그림이다.
(c)
그래프는 z=∣x∣+∣y∣ 이다. 고정된 각 z0≥0 에 대해, 이 그래프와 수평 평면 z=z0 의 교선은 정사각형 ∣x∣+∣y∣=z0 이다. x,y≥0 인 정사각형의 변은 직선 x+y=z0 이다. x≥0 이고 y≤0 인 정사각형의 변은 직선 x−y=z0 이며, 나머지 변도 같은 방식이다. 정사각형의 네 꼭짓점은 (±z0,0,z0) 와 (0,±z0,z0) 이다. 따라서 그래프는 정사각형을 쌓아 놓은 것이다. 이것은 거꾸로 세워진 사각뿔이다. 이 사각뿔 중 제1팔분공간(즉, x,y,z≥0)에 있는 부분이 아래의 그림이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a)
The graph is z=sinx with (x,y) running over
0≤x≤2π, 0≤y≤1. For each fixed y0 between 0 and 1,
the intersection of this graph with the vertical plane y=y0 is the
same sin graph z=sinx with x running from 0 to 2π. So the whole
graph is just a bunch of 2-d sin graphs stacked side-by-side. This gives
the graph on the left below.
(b)
The graph is z=x2+y2. For each fixed z0≥0,
the intersection of this graph with the horizontal plane z=z0 is the
circle x2+y2=z0. This circle is centred on the z-axis
and has radius z0. So the graph is the upper half of a cone. It is the
sketch on the right above.
(c)
The graph is z=∣x∣+∣y∣. For each fixed z0≥0,
the intersection of this graph with the horizontal plane z=z0 is the
square ∣x∣+∣y∣=z0. The side of the square with x,y≥0 is the straight
line x+y=z0. The side of the square with x≥0 and y≤0 is
the straight line x−y=z0 and so on. The four corners of the square are
(±z0,0,z0) and (0,±z0,z0). So the graph is a stack of squares.
It is an upside down four-sided pyramid. The part of the pyramid in the
first octant (that is, x,y,z≥0) is the sketch below.
(a) 4x2+y2=16
(b) x+y+2z=4
(c) 9y2+4z2=1+16x2
(d) y2=x2+z2
(e) 9x2+12y2+9z2=1
(f) x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0 단, b 는 상수이다.
(g) 4x=4y2+9z2
(h) z=x2
영어 원문 보기
Sketch and describe the following surfaces.
(a) 4x2+y2=16
(b) x+y+2z=4
(c) 9y2+4z2=1+16x2
(d) y2=x2+z2
(e) 9x2+12y2+9z2=1
(f) x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0 where b is a constant.
(g) 4x=4y2+9z2
(h) z=x2
정답·풀이 보기
(a)
고정된 각각의 z0 에 대해, 이 곡면의 z=z0 단면(xy 평면에 평행한 단면)은
원점을 중심으로 하는 타원이며, x 축 방향의 반축의 길이는 2, y 축 방향의 반축의 길이는
4 이다. 따라서 이것은 z 축에 평행한 타원기둥이다.
다음은 xy 평면 위쪽에 있는 곡면 부분의 개형이다.
(b)
이것은 세 점 (4,0,0), (0,4,0), (0,0,2) 를 지나는 평면이다.
다음은 제1팔분공간에 있는 평면 부분의 개형이다.
(c)
고정된 각각의 x0 에 대해, yz 평면에 평행한 x=x0
단면은 타원이며, y 축에 평행한 반축의 길이는
31+16x02, z 축에 평행한 반축의 길이는
21+16x02 이다.
x=0 에서 x 축을 따라 멀어질수록 타원은
1+16x2 에 비례하는 비율로 커지며, 이는 x 가 클 때
대략 4∣x∣ 이다.
이것을 일엽쌍곡면이라 한다. 이 곡면의
(d)
고정된 각각의 y0 에 대해, y=x0 단면(xz 평면에 평행한 단면)은
y 축을 중심으로 하고 반지름이 ∣y∣ 인 원이다. y0=0 일 때 반지름은
0 이다. xz 평면에서 어느 방향으로든 더 멀어질수록,
즉 ∣y0∣ 가 커질수록 반지름은 선형적으로(일정한 비율로) 커진다. 곡면 전체는
이러한 원들을 옆으로 쌓아 놓은 것이다. 이것은
y 축을 중심축으로 하는 원뿔이다.
(e)
이것은 원점을 중심으로 하는 타원면이며, x 축, y 축, z 축 방향의 반축의 길이는 각각 3,
12=23, 3 이다.
(f)
세 번 완전제곱식으로 고치면,
x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0 일 필요충분조건은
(x+2)2+(y−2b)2+(z+29)2=b+4+4b2+481 이다.
이것은 반지름이 rb=21b2+4b+97 이고 중심이
21(−4,b,−9) 인 구이다.
(g)
곡면 위에는 x<0 인 점이 없다.
고정된 각각의 x0>0 에 대해, yz 평면에 평행한 단면 x=x0 는
x 축을 중심으로 하는 타원이며, y 축 방향의 반축의 길이는 x0,
z 축 방향의 반축의 길이는 23x0 이다. x0 가 커질수록,
즉 x 축을 따라 멀어질수록
타원은 x0 에 비례하는 비율로 커진다. 이것은
x 축을 축으로 하는 타원포물면이다.
(h)
이것을 포물기둥이라 한다. 고정된 임의의 y0 에 대해,
y=y0 단면(xz 평면에 평행한 단면)은 위로 열린
포물선 z=x2 이며, 이 포물선의 꼭짓점은 y 축 위에 있다.
원본 교재 풀이(영어)
(a)
For each fixed z0, the z=z0 cross-section (parallel to the xy-plane)
of this surface is an ellipse centered on the origin with
one semiaxis of length 2 along the x-axis and one semiaxis of length
4 along the y-axis. So this is an elliptic cylinder parallel to the z-axis.
Here is a sketch of the part of the surface above the xy–plane.
(b)
This is a plane through (4,0,0), (0,4,0) and (0,0,2).
Here is a sketch of the part of the plane in the first octant.
(c)
For each fixed x0, the x=x0
cross-section parallel to the yz-plane is an ellipse with semiaxes
31+16x02 parallel to the y-axis and
21+16x02 parallel to the z-axis.
As you move out along the x-axis, away from x=0, the ellipses grow
at a rate proportional to 1+16x2, which for large x
is approximately 4∣x∣.
This is called a hyperboloid of one sheet. Its
(d)
For each fixed y0, the y=x0 cross-section (parallel to the xz-plane)
is a circle of radius ∣y∣ centred on the y-axis. When y0=0 the radius
is 0. As you move further from the xz-plane, in either direction,
i.e. as ∣y0∣ increases, the radius grows linearly. The full surface
consists of a bunch of these circles stacked sideways. This is a
circular cone centred on the y-axis.
(e)
This is an ellipsoid centered on the origin with semiaxes 3,
12=23 and 3 along the x, y and z-axes, respectively.
(f)
Completing three squares, we have that
x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0 if and only if
(x+2)2+(y−2b)2+(z+29)2=b+4+4b2+481.
This is a sphere of radius rb=21b2+4b+97 centered on
21(−4,b,−9).
(g)
There are no points on the surface with x<0.
For each fixed x0>0 the cross-section x=x0 parallel to the
yz-plane is an ellipse centred on the x–axis with semiaxes x0
in the y-axis direction and 23x0 in the z–axis
direction. As you increase x0, i.e. move out along the x-axis,
the ellipses grow at a rate proportional to x0. This is
an elliptic paraboloid with axis the x-axis.
(h)
This is called a parabolic cylinder. For any fixed y0, the
y=y0 cross-section (parallel to the xz-plane) is the upward
opening parabola z=x2 which has vertex on the y-axis.
아래 곡면은 z축을 중심으로 하는 원형 등위곡선을 가집니다. 주어진 직선들은 이 곡면과 yz평면의 오른쪽 절반이 만나서 생기는 것입니다. 이 곡면의 방정식을 구하세요.
영어 원문 보기
The surface below has circular level curves, centred along the z-axis. The lines given are the intersection of the surface with the right half of the yz-plane. Give an equation for the surface.
정답·풀이 보기
등위곡선이 (xy평면에서) 원점을 중심으로 하는 원이므로, z가 상수일 때 방정식은 어떤 상수 c에 대하여 x2+y2=c 꼴이다. 즉 방정식은 다음과 같은 꼴이다.
x2+y2=g(z), 여기서 g(z)는 z에만 의존하는 함수이다.
단면이 매우 대칭적이므로, 이 도형이 yz평면의 왼쪽과 만나는 부분도 알 수 있다: z=3(−y−1)=−3(y+1)
(z≥0 일 때)이고 z=−3(−y−1)=3(y+1) (z<0 일 때)이다. 아래는 이 곡면과 yz평면이 만나는 부분이다.
x=0 을 대입하면 방정식은 y2=g(z) 가 된다. yz평면의 오른쪽을 보면 다음을 얻는다:
{z=3(y−1)z=−3(y−1)z≥0,y≥1일때z<0,y≥1일때}. 즉,
∣z∣3∣z∣+1(3∣z∣+1)2=3(y−1)=y=y2(∗)
간단한 확인: (∗) 에서 양변을 제곱할 때 또 다른 해 3∣z∣+1=−y 가 추가되었다. 그림과 달라지지 않았는지 확인해 보자.
이는 그림과 정확히 일치한다. 따라서 이 곡면의 방정식은 다음과 같다.
x2+y2=(3∣z∣+1)2
원본 교재 풀이(영어)
Since the level curves are circles centred at the origin (in the xy-plane), when z is a constant, the equation will have the form x2+y2=c for some constant. That is, our equation looks like
x2+y2=g(z), where g(z) is a function depending only on z.
Because our cross-sections are so nicely symmetric, we know the intersection of the figure with the left side of the yz-plane as well: z=3(−y−1)=−3(y+1)
(when z≥0) and z=−3(−y−1)=3(y+1) (when z<0). Below is the intersection of our surface with the yz plane.
Setting x=0, our equation becomes y2=g(z). Looking at the right side of the yz plane, this should lead to:
{z=3(y−1)z=−3(y−1)if z≥0,y≥1if z<0,y≥1}. That is:
∣z∣3∣z∣+1(3∣z∣+1)2=3(y−1)=y=y2(∗)
A quick check: when we squared both sides of the equation in (∗), we added another solution, 3∣z∣+1=−y. Let's make sure we haven't diverged from our diagram.