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.

72문제 · 4 / 4쪽

61.CLP-3 · 1.7절 · 1번대학 수준우리말 번역

다음 방정식과 식을 알맞은 그림과 짝지으세요. 직교좌표는 (x,y,z)(x, y, z), 원기둥좌표는 (r,θ,z)(r, \theta, z), 구면좌표는 (ρ,θ,φ)(\rho, \theta, \varphi) 입니다.

(A) 그림

(B) 그림

(C) 그림

(D) 그림

(E) 그림

(F) 그림

(a)φ=π/3(b)r=2cos⁡θ(c)x2+y2=z2+1(d)y=x2+z2(e)ρ=2cos⁡φ(f)z=x4+y4−4xy\begin{aligned} &\text{(a)}\quad& \varphi&=\pi/3 & &\text{(b)}\quad& r&=2\cos\theta & &\text{(c)}\quad& x^2+y^2&=z^2+1 \\ &\text{(d)}& y&=x^2+z^2\qquad & &\text{(e)}& \rho&=2\cos\varphi\qquad & &\text{(f)}& z&=x^4+y^4-4xy & \end{aligned}

영어 원문 보기

Match the following equations and expressions with the corresponding pictures. Cartesian coordinates are (x,y,z)(x, y, z), cylindrical coordinates are (r,θ,z)(r, \theta, z), and spherical coordinates are (ρ,θ,φ)(\rho, \theta, \varphi).

(A) figure

(B) figure

(C) figure

(D) figure

(E) figure

(F) figure

(a)φ=π/3(b)r=2cos⁡θ(c)x2+y2=z2+1(d)y=x2+z2(e)ρ=2cos⁡φ(f)z=x4+y4−4xy\begin{aligned} &\text{(a)}\quad& \varphi&=\pi/3 & &\text{(b)}\quad& r&=2\cos\theta & &\text{(c)}\quad& x^2+y^2&=z^2+1 \\ &\text{(d)}& y&=x^2+z^2\qquad & &\text{(e)}& \rho&=2\cos\varphi\qquad & &\text{(f)}& z&=x^4+y^4-4xy & \end{aligned}

정답·풀이 보기

(a) φ=π3\varphi =\frac{\pi}{3} 는 (구면좌표) φ\varphi 가 상수인 곡면이다. 따라서 원점을 꼭짓점으로 하는 원뿔이다. 0≤φ≤π20\le\varphi\le\frac{\pi}{2} 이므로 z≥0z\ge 0 이고, 다음과 같이 φ=π3\varphi=\frac{\pi}{3} 를 직교좌표로 나타낼 수 있다.

φ=π3  ⟺  tan⁡φ=32  ⟺  ρsin⁡φ=32ρcos⁡φ  ⟺  x2+y2=32z\begin{aligned} \varphi=\frac{\pi}{3} \iff \tan\varphi =\frac{\sqrt{3}}{2} \iff \rho\sin\varphi =\frac{\sqrt{3}}{2}\rho\cos\varphi \iff \sqrt{x^2+y^2}=\frac{\sqrt{3}}{2} z \end{aligned}

따라서 (a)에 해당하는 그림은 (C)이다.

(b) rr 와 θ\theta 는 원기둥좌표이므로

r=2cos⁡θ  ⟺  r2=2rcos⁡θ  ⟺  x2+y2=2x  ⟺  (x−1)2+y2=1\begin{aligned} r=2\cos\theta \iff r^2=2 r\cos\theta \iff x^2+y^2 = 2x \iff (x-1)^2+y^2=1 \end{aligned}

(x−1)2+y2=1(x-1)^2+y^2=1 에는 zz 가 나타나지 않는다. 따라서 (x−1)2+y2=1(x-1)^2+y^2=1 의 zz 가 상수인 모든 단면은 직선 x=1x=1, y=0y=0 위에 중심이 있고 반지름이 11 인 (수평) 원이다. 이는 직선 x=1x=1, y=0y=0 을 중심축으로 하고 반지름이 11 인 원기둥이다. 따라서 (b)에 해당하는 그림은 (F)이다.

(c) x2+y2=z2+1x^2+y^2=z^2+1 의 zz 가 상수인 각 단면은 zz 축 위에 중심이 있는 (수평) 원이다. 이 원의 반지름은 z=0z=0 일 때 11 이고, zz 가 z=0z=0 에서 멀어질수록 커진다. 따라서 x2+y2=z2+1x^2+y^2=z^2+1 은 (수평) 원들이 차곡차곡 쌓인 모양이고, 반지름은 ∣z∣|z| 에 따라 증가한다. 이는 일엽쌍곡면이다. (c)에 해당하는 그림은 (D)이다.

(d) y=x2+z2y=x^2+z^2 의 모든 점은 y≥0y\ge 0 이다. 이 성질을 가진 것은 (B)뿐이다. 또한 yy 가 상수인 각 단면은 x=z=0x=z=0 에 중심이 있는 원임을 알 수 있다. 이 원의 반지름은 y=0y=0 일 때 00 이고, yy 가 커질수록 증가한다. 곡면 y=x2+z2y=x^2+z^2 은 포물면이다. (d)에 해당하는 그림은 (B)이다.

(e) ρ\rho 와 φ\varphi 는 구면좌표이므로

ρ=2cos⁡φ  ⟺  ρ2=2ρcos⁡φ  ⟺  x2+y2+z2=2z  ⟺  x2+y2+(z−1)2=1\begin{aligned} \rho=2\cos\varphi \iff \rho^2=2\rho\cos\varphi \iff x^2+y^2+z^2=2z \iff x^2+y^2 + (z-1)^2=1 \end{aligned}

이는 (0,0,1)(0,0,1) 을 중심으로 하고 반지름이 11 인 구이다. (e)에 해당하는 그림은 (A)이다.

(f) 남은 가능성은 하나뿐이므로 (f)에 해당하는 그림은 (E)이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) φ=π3\varphi =\frac{\pi}{3} is a surface of constant (spherical coordinate) φ\varphi. So it is a cone with vertex at the origin. We can express φ=π3\varphi=\frac{\pi}{3} in cartesian coordinates by observing that 0≤φ≤π20\le\varphi\le\frac{\pi}{2} so that z≥0z\ge 0, and

φ=π3  ⟺  tan⁡φ=32  ⟺  ρsin⁡φ=32ρcos⁡φ  ⟺  x2+y2=32z\begin{aligned} \varphi=\frac{\pi}{3} \iff \tan\varphi =\frac{\sqrt{3}}{2} \iff \rho\sin\varphi =\frac{\sqrt{3}}{2}\rho\cos\varphi \iff \sqrt{x^2+y^2}=\frac{\sqrt{3}}{2} z \end{aligned}

So the picture that corresponds to (a) is (C).

(b) As rr and θ\theta are cylindrical coordinates

r=2cos⁡θ  ⟺  r2=2rcos⁡θ  ⟺  x2+y2=2x  ⟺  (x−1)2+y2=1\begin{aligned} r=2\cos\theta \iff r^2=2 r\cos\theta \iff x^2+y^2 = 2x \iff (x-1)^2+y^2=1 \end{aligned}

There is no zz appearing in (x−1)2+y2=1(x-1)^2+y^2=1. So every constant zz cross–section of (x−1)2+y2=1(x-1)^2+y^2=1 is a (horizontal) circle of radius 11 centred on the line x=1x=1, y=0y=0. It is a cylinder of radius 11 centred on the line x=1x=1, y=0y=0. So the picture that corresponds to (b) is (F).

(c) Each constant zz cross–section of x2+y2=z2+1x^2+y^2=z^2+1 is a (horizontal) circle centred on the zz–axis. The radius of the circle is 11 when z=0z=0 and grows as zz moves away from z=0z=0. So x2+y2=z2+1x^2+y^2=z^2+1 consists of a bunch of (horizontal) circles stacked on top of each other, with the radius increasing with ∣z∣|z|. It is a hyperboloid of one sheet. The picture that corresponds to (c) is (D).

(d) Every point of y=x2+z2y=x^2+z^2 has y≥0y\ge 0. Only (B) has that property. We can also observe that every constant yy cross–section is a circle centred on x=z=0x=z=0. The radius of the circle is zero when y=0y=0 and increases as yy increases. The surface y=x2+z2y=x^2+z^2 is a paraboloid. The picture that corresponds to (d) is (B).

(e) As ρ\rho and φ\varphi are spherical coordinates

ρ=2cos⁡φ  ⟺  ρ2=2ρcos⁡φ  ⟺  x2+y2+z2=2z  ⟺  x2+y2+(z−1)2=1\begin{aligned} \rho=2\cos\varphi \iff \rho^2=2\rho\cos\varphi \iff x^2+y^2+z^2=2z \iff x^2+y^2 + (z-1)^2=1 \end{aligned}

This is the sphere of radius 11 centred on (0,0,1)(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).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 2번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석기본자동 분류
62.CLP-3 · 1.7절 · 2번대학 수준우리말 번역

아래 (a), (b) 각각에는 어떤 함수 f(x,y)f(x,y) 의 등위곡선 몇 개 중 제1사분면 부분을 그린 스케치가 주어져 있다. 이에 대응하는 그래프 z=f(x,y)z=f(x,y) 의 제1팔분공간 부분을 그리세요.

(a) 그림

(b) 그림

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)f(x,y). Sketch the first octant part of the corresponding graph z=f(x,y)z=f(x,y).

(a) figure

(b) figure

정답·풀이 보기

아래 각 풀이는 세 개의 스케치로 이루어진다.

  • 첫 번째 스케치에서는 주어진 등위곡선을 그대로 다시 그리되, zz축 위 높은 곳에서 xyxy평면을 내려다보는 것처럼 보이도록 xx축과 yy축의 방향을 고쳐 그린다.
  • 두 번째 스케치에서는 각 등위곡선 f(x,y)=Cf(x,y)=C 를 위로 들어 올려 수평면 z=Cz=C 위에 그린다. 즉 다음 집합을 그린다.

{ (x,y,z) ∣ f(x,y)=C, z=C, x≥0,y≥0 }={ (x,y,z) ∣ z=f(x,y), z=C, x≥0,y≥0 }\begin{aligned} &\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ f(x,y)=C,\ z=C,\ x\ge 0, y\ge 0\ \big\} \\ &=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ z=f(x,y),\ z=C,\ x\ge 0, y\ge 0\ \big\} \end{aligned}

  • 마지막으로 세 번째 스케치에서는 “두 번째 스케치의 빈틈을 메워서” 그래프 z=f(x,y)z=f(x,y) 의 제1팔분공간 부분을 그린다.

(a)

그림

그림

그림

(b)

그림

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

Each solution below consists of three sketchs.

  • In the first sketch, we just redraw the given level curves with the xx- and yy-axes reoriented so that the sketch looks like we are high on the zz-axis looking down at the xyxy-plane.
  • In the second sketch, we lift up each level curve f(x,y)=Cf(x,y)=C and draw it in the horizontal plane z=Cz=C. That is we draw

{ (x,y,z) ∣ f(x,y)=C, z=C, x≥0,y≥0 }={ (x,y,z) ∣ z=f(x,y), z=C, x≥0,y≥0 }\begin{aligned} &\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ f(x,y)=C,\ z=C,\ x\ge 0, y\ge 0\ \big\} \\ &=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ z=f(x,y),\ z=C,\ x\ge 0, y\ge 0\ \big\} \end{aligned}

  • Finally, in the third sketch, we draw the part of graph z=f(x,y)z=f(x,y) in the first octant, just by “filling in the gaps in the second sketch”.

(a)

figure

figure

figure

(b)

figure

figure

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 3번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석기본자동 분류
63.CLP-3 · 1.7절 · 3번대학 수준우리말 번역

아래에 그래프 z=f(x,y)z=f(x,y) 가 스케치되어 있는 함수 f(x,y)f(x,y) 의 등위곡선을 몇 개 그리세요.

그림

영어 원문 보기

Sketch a few level curves for the function f(x,y)f(x,y) whose graph z=f(x,y)z=f(x,y) is sketched below.

figure

정답·풀이 보기

먼저 그래프의 스케치에 C=3C=3, 22, 11, 0.50.5, 0.250.25 에 대한 수평면 z=Cz=C 를 덧붙인다.

그림

복잡해 보이지 않도록, 각 CC 에 대해 다음 두 가지만 그려 넣었다.

  • 수평면 z=Cz=C 와 yzyz평면, 즉 수직 평면 x=0x=0 의 교선(회색)
  • 수평면 z=Cz=C 와 그래프 z=f(x,y)z=f(x,y) 의 교선(파란색)

평면 z=0.25z=0.25 의 이름표는 생략했다.

평면 z=Cz=C 와 그래프 z=f(x,y)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 }\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ z=f(x,y),\ z=C\ \big\} = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ f(x,y)=C,\ z=C\ \big\}

이다. (xx축에 평행한) 이 직선을 평면 z=Cz=C 가 아니라 xyxy평면에 그리면 등위곡선이 된다. C=3C=3, 22, 11, 0.50.5, 0.250.25 각각에 대해 이렇게 하면 다섯 개의 등위곡선을 얻는다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

We first add into the sketch of the graph the horizontal planes z=Cz=C, for C=3C=3, 22, 11, 0.50.5, 0.250.25.

figure

To reduce clutter, for each CC, we have drawn in only

  • the (gray) intersection of the horizontal plane z=Cz=C with the yzyz–plane, i.e. with the vertical plane x=0x=0, and
  • the (blue) intersection of the horizontal plane z=Cz=C with the graph z=f(x,y)z=f(x,y).

We have also omitted the label for the plane z=0.25z=0.25.

The intersection of the plane z=Cz=C with the graph z=f(x,y)z=f(x,y) is line

{ (x,y,z) ∣ z=f(x,y), z=C }={ (x,y,z) ∣ f(x,y)=C, z=C }\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ z=f(x,y),\ z=C\ \big\} = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ f(x,y)=C,\ z=C\ \big\}

Drawing this line (which is parallel to the xx-axis) in the xyxy-plane, rather than in the plane z=Cz=C, gives a level curve. Doing this for each of C=3C=3, 22, 11, 0.50.5, 0.250.25 gives five level curves.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 12번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석기본자동 분류
64.CLP-3 · 1.7절 · 4번대학 수준우리말 번역

다음 함수의 등위곡선을 몇 개 그리세요.

(a) f(x,y)=x2+2y2f(x,y)=x^2+2y^2 (b) f(x,y)=xyf(x,y)=xy (c) f(x,y)=xe−yf(x,y)=xe^{-y}

영어 원문 보기

Sketch some of the level curves of

(a) f(x,y)=x2+2y2f(x,y)=x^2+2y^2 (b) f(x,y)=xyf(x,y)=xy (c) f(x,y)=xe−yf(x,y)=xe^{-y}

정답·풀이 보기

(a) 고정된 각 c>0c>0 에 대해 등위곡선 x2+2y2=cx^2+2y^2=c 는 원점을 중심으로 하고 xx 방향 반축의 길이가 c\sqrt{c}, yy 방향 반축의 길이가 c/2\sqrt{c/2} 인 타원이다. c=0c=0 이면 등위곡선 x2+2y2=c=0x^2+2y^2=c=0 은 한 점 (0,0)(0,0) 뿐이다.

그림

(b) 고정된 각 c≠0c\ne 0 에 대해 등위곡선 xy=cxy=c 는 원점을 중심으로 하고 xx축과 yy축을 점근선으로 갖는 쌍곡선이다. c>0c>0 이면 xy=c>0xy=c>0 을 만족하는 xx 와 yy 는 부호가 같다. 따라서 쌍곡선은 제1사분면과 제3사분면에 놓인다. c<0c<0 이면 xy=c>0xy=c>0 을 만족하는 xx 와 yy 는 부호가 반대이다. 따라서 쌍곡선은 제2사분면과 제4사분면에 놓인다. c=0c=0 이면 등위곡선 xy=c=0xy=c=0 은 한 점 (0,0)(0,0) 뿐이다.

그림

(c) 고정된 각 c≠0c\ne 0 에 대해 등위곡선 xe−y=cxe^{-y}=c 는 로그 곡선 y=−ln⁡cxy=-\ln\frac{c}{x} 이다. c>0c>0 일 때 이 곡선은 다음과 같다.

  • x>0x>0 으로 제한되며, 그래야 cx>0\frac{c}{x}>0 이 되어 ln⁡cx\ln \frac{c}{x} 가 정의된다. 또한
  • x→0+x\rightarrow 0^+ 일 때 yy 는 −∞-\infty 로 가고,
  • x→+∞x\rightarrow +\infty 일 때 yy 는 +∞+\infty 로 간다. 그리고
  • x=cx=c 일 때 xx축과 만난다(즉 y=0y=0 이다).

c<0c<0 일 때 이 곡선은 다음과 같다.

  • x<0x<0 으로 제한되며, 그래야 cx>0\frac{c}{x}>0 이 되어 ln⁡cx\ln \frac{c}{x} 가 정의된다. 또한
  • x→0−x\rightarrow 0^- 일 때 yy 는 −∞-\infty 로 가고,
  • x→−∞x\rightarrow -\infty 일 때 yy 는 +∞+\infty 로 간다. 그리고
  • x=cx=c 일 때 xx축과 만난다(즉 y=0y=0 이다).

c=0c=0 이면 등위곡선 xe−y=c=0xe^{-y}=c=0 은 yy축, 곧 x=0x=0 이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) For each fixed c>0c>0, the level curve x2+2y2=cx^2+2y^2=c is the ellipse centred on the origin with xx semi axis c\sqrt{c} and yy semi axis c/2\sqrt{c/2}. If c=0c=0, the level curve x2+2y2=c=0x^2+2y^2=c=0 is the single point (0,0)(0,0).

figure

(b) For each fixed c≠0c\ne 0, the level curve xy=cxy=c is a hyperbola centred on the origin with asymptotes the xx- and yy-axes. If c>0c>0, any xx and yy obeying xy=c>0xy=c>0 are of the same sign. So the hyperbola is contained in the first and third quadrants. If c<0c<0, any xx and yy obeying xy=c>0xy=c>0 are of opposite sign. So the hyperbola is contained in the second and fourth quadrants. If c=0c=0, the level curve xy=c=0xy=c=0 is the single point (0,0)(0,0).

figure

(c) For each fixed c≠0c\ne 0, the level curve xe−y=cxe^{-y}=c is the logarithmic curve y=−ln⁡cxy=-\ln\frac{c}{x}. Note that, for c>0c>0, the curve

  • is restricted to x>0x>0, so that cx>0\frac{c}{x}>0 and ln⁡cx\ln \frac{c}{x} is defined, and that
  • as x→0+x\rightarrow 0^+, yy goes to −∞-\infty, while
  • as x→+∞x\rightarrow +\infty, yy goes to +∞+\infty, and
  • the curve crosses the xx-axis (i.e. has y=0y=0) when x=cx=c.

and for c<0c<0, the curve

  • is restricted to x<0x<0, so that cx>0\frac{c}{x}>0 and ln⁡cx\ln \frac{c}{x} is defined, and that
  • as x→0−x\rightarrow 0^-, yy goes to −∞-\infty, while
  • as x→−∞x\rightarrow -\infty, yy goes to +∞+\infty, and
  • the curve crosses the xx-axis (i.e. has y=0y=0) when x=cx=c.

If c=0c=0, the level curve xe−y=c=0xe^{-y}=c=0 is the yy-axis, x=0x=0.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 5번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석보통자동 분류
65.CLP-3 · 1.7절 · 5번대학 수준우리말 번역

f(x,y)=2yx2+y2f(x,y)=\frac{2y}{x^2+y^2} 의 등위곡선을 그리세요.

영어 원문 보기

Sketch the level curves of f(x,y)=2yx2+y2f(x,y)=\frac{2y}{x^2+y^2}.

정답·풀이 보기

C=0C=0 이면 등위곡선 f=C=0f=C=0 은 직선 y=0y=0 뿐이다. C≠0C\ne 0 (부호는 어느 쪽이든) 이면 등위곡선 f=Cf=C 의 방정식 f(x,y)=2yx2+y2=Cf(x,y)=\frac{2y}{x^2+y^2}=C 를 다음과 같이 고쳐 쓸 수 있다.

x2−2Cy+y2=0  ⟺  x2+(y−1C)2=1C2x^2-\frac{2}{C}y+y^2=0 \iff x^2+\left(y-\frac{1}{C}\right)^2 =\frac{1}{C^2}

이는 중심이 (0 , 1C)\left(0\,,\,\frac{1}{C}\right) 이고 반지름이 1∣C∣\frac{1}{|C|} 인 원의 방정식이다.

그림

참고. 엄밀히 말하면, 함수 f(x,y)=2yx2+y2f(x,y)=\frac{2y}{x^2+y^2} 은 (x,y)=(0,0)(x,y)=(0,0) 에서 정의되지 않는다. 문제에서 ff 의 정의역에서 (0,0)(0,0) 을 제외한다고 밝히거나 f(0,0)f(0,0) 의 값을 정해 주었어야 한다. 사실 f(x,y)f(x,y) 가 (0,0)(0,0) 에서 연속이 되도록 f(0,0)f(0,0) 의 값을 정하는 것은 불가능한데, lim⁡x→0f(x,0)=0\lim_{x\rightarrow 0}f(x,0)=0 인 반면 lim⁡y→0f(0,∣y∣)=∞\lim_{y\rightarrow 0}f(0,|y|)=\infty 이기 때문이다. 따라서 ff 의 정의역을 R2\mathbb{R}^2 에서 점 (0,0)(0,0) 을 제외한 것으로 잡는 편이 더 타당하다. 위 그림의 원점에 작은 구멍이 있는 이유가 이것이다.

원본 교재 풀이(영어)

If C=0C=0, the level curve f=C=0f=C=0 is just the line y=0y=0. If C≠0C\ne 0 (of either sign), we may rewrite the equation, f(x,y)=2yx2+y2=Cf(x,y)=\frac{2y}{x^2+y^2}=C, of the level curve f=Cf=C as

x2−2Cy+y2=0  ⟺  x2+(y−1C)2=1C2x^2-\frac{2}{C}y+y^2=0 \iff x^2+\left(y-\frac{1}{C}\right)^2 =\frac{1}{C^2}

which is the equation of the circle of radius 1∣C∣\frac{1}{|C|} centred on (0 , 1C)\left(0\,,\,\frac{1}{C}\right).

figure

Remark. To be picky, the function f(x,y)=2yx2+y2f(x,y)=\frac{2y}{x^2+y^2} is not defined at (x,y)=(0,0)(x,y)=(0,0). The question should have either specified that the domain of ff excludes (0,0)(0,0) or have specified a value for f(0,0)f(0,0). In fact, it is impossible to assign a value to f(0,0)f(0,0) in such a way that f(x,y)f(x,y) is continuous at (0,0)(0,0), because lim⁡x→0f(x,0)=0\lim_{x\rightarrow 0}f(x,0)=0 while lim⁡y→0f(0,∣y∣)=∞\lim_{y\rightarrow 0}f(0,|y|)=\infty. So it makes more sense to have the domain of ff being R2\mathbb{R}^2 with the point (0,0)(0,0) removed. That's why there is a little hole at the origin in the above sketch.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 6번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석보통자동 분류
66.CLP-3 · 1.7절 · 6번대학 수준우리말 번역

f(x,y)=e−x2+4y2f(x, y) = e^{-x^2 +4y^2} 의 “등고선 지도”를 그리되, 나타나는 등위곡선의 종류를 모두 보이세요.

영어 원문 보기

Draw a “contour map” of f(x,y)=e−x2+4y2f(x, y) = e^{-x^2 +4y^2} , showing all types of level curves that occur.

정답·풀이 보기

임의의 상수 CC 에 대해 곡선 −x2+4y2=C-x^2+4y^2=C 는 등위곡선 f=eCf=e^C 임에 주목하자.

  • C=0C=0 이면 −x2+4y2=C=0-x^2+4y^2=C=0 은 두 직선 y=±x2y=\pm\frac{x}{2} 이다.
  • C>0C>0 이면 −x2+4y2=C>0-x^2+4y^2=C>0 은 쌍곡선 y=±12C+x2y=\pm\frac{1}{2}\sqrt{C+x^2} 이다.
  • C<0C<0 이면 −x2+4y2=C<0-x^2+4y^2=C<0 은 쌍곡선 x=±∣C∣+4y2x=\pm\sqrt{|C|+4y^2} 이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Observe that, for any constant CC, the curve −x2+4y2=C-x^2+4y^2=C is the level curve f=eCf=e^C.

  • If C=0C=0, then −x2+4y2=C=0-x^2+4y^2=C=0 is the pair of lines y=±x2y=\pm\frac{x}{2}.
  • If C>0C>0, then −x2+4y2=C>0-x^2+4y^2=C>0 is the hyperbola y=±12C+x2y=\pm\frac{1}{2}\sqrt{C+x^2}.
  • If C<0C<0, then −x2+4y2=C<0-x^2+4y^2=C<0 is the hyperbola x=±∣C∣+4y2x=\pm\sqrt{|C|+4y^2}.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 7번
# 이차곡면과 곡면 그리기계산보통자동 분류
67.CLP-3 · 1.7절 · 7번대학 수준우리말 번역

곡면이 다음과 같이 음함수로 주어져 있다.

x2+y2−z2+2z=0x^2 + y^2 - z^2 + 2z = 0

(a) 여러 개의 등위곡선 z=z = 상수를 그리세요. (b) 곡면의 대략적인 그림을 그리세요.

영어 원문 보기

A surface is given implicitly by

x2+y2−z2+2z=0x^2 + y^2 - z^2 + 2z = 0

(a) Sketch several level curves z=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)2−1x^2 + y^2 = (z-1)^2 - 1

우변은 ∣z−1∣<1|z-1|<1, 즉 0<z<20<z<2 일 때 음수이다. 따라서 곡면 위의 점 중에는 0<z<20<z<2 인 점이 없다. 이 범위 밖에서 고정된 임의의 zz 에 대해 곡선 x2+y2=(z−1)2−1x^2 + y^2 = (z-1)^2 - 1 은 zz 축 위에 중심이 있는 원이고, 그 반지름은 (z−1)2−1\sqrt{(z-1)^2 - 1} 이다. 이 반지름은 z=0,2z=0,2 일 때 00 이고, zz 가 z=0,2z=0,2 에서 멀어질수록 커진다. ∣z∣|z| 가 매우 크면 반지름은 ∣z∣|z| 에 거의 비례하여 커진다. 다음은 등위곡선 몇 개를 그린 그림이다.

그림

(b) 이 곡면은 원이 쌓인 두 개의 더미로 이루어져 있다. 한 더미는 z=2z=2 에서 반지름 00 으로 시작한다. zz 가 커짐에 따라 반지름이 커진다. 다른 더미는 z=0z=0 에서 반지름 00 으로 시작한다. zz 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.

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) We can rewrite the equation as

x2+y2=(z−1)2−1x^2 + y^2 = (z-1)^2 - 1

The right hand side is negative for ∣z−1∣<1|z-1|<1, i.e. for 0<z<20<z<2. So no point on the surface has 0<z<20<z<2. For any fixed zz, outside that range, the curve x2+y2=(z−1)2−1x^2 + y^2 = (z-1)^2 - 1 is the circle of radius (z−1)2−1\sqrt{(z-1)^2 - 1} centred on the zz–axis. That radius is 00 when z=0,2z=0,2 and increases as zz moves away from z=0,2z=0,2. For very large ∣z∣|z|, the radius increases roughly linearly with ∣z∣|z|. Here is a sketch of some level curves.

figure

(b) The surface consists of two stacks of circles. One stack starts with radius 00 at z=2z=2. The radius increases as zz increases. The other stack starts with radius 00 at z=0z=0. The radius increases as zz 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.

figure

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 1번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석보통자동 분류
68.CLP-3 · 1.7절 · 8번대학 수준우리말 번역

쌍곡면 z2=4x2+y2−1z^2=4x^2+y^2-1 의 그래프를 그리세요.

영어 원문 보기

Sketch the hyperboloid z2=4x2+y2−1z^2=4x^2+y^2-1.

정답·풀이 보기

고정된 각 zz 에 대해 4x2+y2=1+z24x^2+y^2=1+z^2 은 타원이다. 따라서 이 곡면은 타원이 차곡차곡 쌓인 모양이다. 반축의 길이는 121+z2\frac{1}{2}\sqrt{1+z^2} 과 1+z2\sqrt{1+z^2} 이다. 이 값들은 z=0z=0 일 때 (즉 xyxy 평면 위의 타원일 때) 가장 작고 ∣z∣|z| 가 커짐에 따라 커진다. 곡면과 xzxz 평면(즉 평면 y=0y=0)의 교선은 쌍곡선 4x2−z2=14x^2-z^2=1 이고, 곡면과 yzyz 평면(즉 평면 x=0x=0)의 교선은 쌍곡선 y2−z2=1y^2-z^2=1 이다. 다음은 곡면의 두 그림이다. 왼쪽 그림은 곡면 중 제1팔분공간에 있는 부분만 (좌표축과 함께) 보여 준다.

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

For each fixed zz, 4x2+y2=1+z24x^2+y^2=1+z^2 is an ellipse. So the surface consists of a stack of ellipses one on top of the other. The semi axes are 121+z2\frac{1}{2}\sqrt{1+z^2} and 1+z2\sqrt{1+z^2}. These are smallest when z=0z=0 (i.e. for the ellipse in the xyxy-plane) and increase as ∣z∣|z| increases. The intersection of the surface with the xzxz-plane (i.e. with the plane y=0y=0) is the hyperbola 4x2−z2=14x^2-z^2=1 and the intersection with the yzyz-pane (i.e. with the plane x=0x=0) is the hyperbola y2−z2=1y^2-z^2=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).

figure

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 9번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석보통자동 분류
69.CLP-3 · 1.7절 · 9번대학 수준우리말 번역

다음 함수의 등위면을 설명하세요.

(a) f(x,y,z)=x2+y2+z2f(x,y,z)=x^2+y^2+z^2 (b) f(x,y,z)=x+2y+3zf(x,y,z)=x+2y+3z (c) f(x,y,z)=x2+y2f(x,y,z)=x^2+y^2

영어 원문 보기

Describe the level surfaces of

(a) f(x,y,z)=x2+y2+z2f(x,y,z)=x^2+y^2+z^2 (b) f(x,y,z)=x+2y+3zf(x,y,z)=x+2y+3z (c) f(x,y,z)=x2+y2f(x,y,z)=x^2+y^2

정답·풀이 보기

(a) c>0c>0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, 즉 x2+y2+z2=cx^2+y^2+z^2=c 는 원점을 중심으로 하고 반지름이 c\sqrt{c} 인 구이다. c=0c=0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c 는 원점 하나뿐이다. c<0c<0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c 를 만족시키는 (x,y,z)(x,y,z) 는 없다.

(b) f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, 즉 x+2y+3z=cx+2y+3z=c 는 (1,2,3)(1,2,3) 에 수직이고 (c,0,0)(c,0,0) 을 지나는 평면이다.

(c) c>0c>0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, 즉 x2+y2=cx^2+y^2=c 는 zz 축에 평행한 원기둥이고, 그 단면은 xyxy 평면에 평행하며 zz 축 위에 중심이 있는 반지름이 c\sqrt{c} 인 원이다. c=0c=0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c 는 zz 축이다. c<0c<0 이면 f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c 를 만족시키는 (x,y,z)(x,y,z) 는 없다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) If c>0c>0, f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, i.e. x2+y2+z2=cx^2+y^2+z^2=c, is the sphere of radius c\sqrt{c} centered at the origin. If c=0c=0, f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c is just the origin. If c<0c<0, no (x,y,z)(x,y,z) satisfies f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c.

(b) f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, i.e. x+2y+3z=cx+2y+3z=c, is the plane normal to (1,2,3)(1,2,3) passing through (c,0,0)(c,0,0).

(c) If c>0c>0, f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c, i.e. x2+y2=cx^2+y^2=c, is the cylinder parallel to the zz-axis whose cross-section is a circle of radius c\sqrt{c} that is parallel to the xyxy-plane and is centered on the zz-axis. If c=0c=0, f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c is the zz-axis. If c<0c<0, no (x,y,z)(x,y,z) satisfies f(x,y,z)=cf(x,y,z)=c.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.6절 · 13번
# 이차곡면과 곡면 그리기계산보통자동 분류
70.CLP-3 · 1.7절 · 10번대학 수준우리말 번역

다음 함수의 그래프를 그리세요.

(a) f(x,y)=sin⁡x0≤x≤2π, 0≤y≤1f(x,y)=\sin x\qquad 0\le x\le 2\pi,\ 0\le y\le 1 (b) f(x,y)=x2+y2f(x,y)=\sqrt{x^2+y^2} (c) f(x,y)=∣x∣+∣y∣f(x,y)=|x|+|y|

영어 원문 보기

Sketch the graphs of

(a) f(x,y)=sin⁡x0≤x≤2π, 0≤y≤1f(x,y)=\sin x\qquad 0\le x\le 2\pi,\ 0\le y\le 1 (b) f(x,y)=x2+y2f(x,y)=\sqrt{x^2+y^2} (c) f(x,y)=∣x∣+∣y∣f(x,y)=|x|+|y|

정답·풀이 보기

(a) 그래프는 (x,y)(x,y) 가 0≤x≤2π0\le x\le 2\pi, 0≤y≤10\le y\le 1 의 범위를 움직일 때의 z=sin⁡xz=\sin x 이다. 00 과 11 사이의 고정된 각 y0y_0 에 대해, 이 그래프와 수직 평면 y=y0y=y_0 의 교선은 xx 가 00 부터 2π2\pi 까지 변하는 같은 사인 그래프 z=sin⁡xz=\sin x 이다. 따라서 전체 그래프는 2차원 사인 그래프를 나란히 쌓아 놓은 것과 같다. 이것이 아래 왼쪽의 그래프이다.

그림

그림

(b) 그래프는 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 이다. 고정된 각 z0≥0z_0\ge 0 에 대해, 이 그래프와 수평 평면 z=z0z=z_0 의 교선은 원 x2+y2=z0\sqrt{x^2+y^2}=z_0 이다. 이 원은 zz축 위에 중심이 있고 반지름이 z0z_0 이다. 따라서 그래프는 원뿔의 위쪽 절반이다. 이것이 위 오른쪽의 그림이다.

(c) 그래프는 z=∣x∣+∣y∣z=|x|+|y| 이다. 고정된 각 z0≥0z_0\ge 0 에 대해, 이 그래프와 수평 평면 z=z0z=z_0 의 교선은 정사각형 ∣x∣+∣y∣=z0|x|+|y|=z_0 이다. x,y≥0x,y\ge 0 인 정사각형의 변은 직선 x+y=z0x+y=z_0 이다. x≥0x\ge 0 이고 y≤0y\le 0 인 정사각형의 변은 직선 x−y=z0x-y=z_0 이며, 나머지 변도 같은 방식이다. 정사각형의 네 꼭짓점은 (±z0,0,z0)(\pm z_0,0,z_0) 와 (0,±z0,z0)(0, \pm z_0,z_0) 이다. 따라서 그래프는 정사각형을 쌓아 놓은 것이다. 이것은 거꾸로 세워진 사각뿔이다. 이 사각뿔 중 제1팔분공간(즉, x,y,z≥0x,y,z\ge 0)에 있는 부분이 아래의 그림이다.

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) The graph is z=sin⁡xz=\sin x with (x,y)(x,y) running over 0≤x≤2π0\le x\le 2\pi, 0≤y≤10\le y\le 1. For each fixed y0y_0 between 00 and 11, the intersection of this graph with the vertical plane y=y0y=y_0 is the same sin graph z=sin⁡xz=\sin x with xx running from 00 to 2π2\pi. 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.

figure

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(b) The graph is z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2}. For each fixed z0≥0z_0\ge 0, the intersection of this graph with the horizontal plane z=z0z=z_0 is the circle x2+y2=z0\sqrt{x^2+y^2}=z_0. This circle is centred on the zz-axis and has radius z0z_0. 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∣z=|x|+|y|. For each fixed z0≥0z_0\ge 0, the intersection of this graph with the horizontal plane z=z0z=z_0 is the square ∣x∣+∣y∣=z0|x|+|y|=z_0. The side of the square with x,y≥0x,y\ge 0 is the straight line x+y=z0x+y=z_0. The side of the square with x≥0x\ge 0 and y≤0y\le 0 is the straight line x−y=z0x-y=z_0 and so on. The four corners of the square are (±z0,0,z0)(\pm z_0,0,z_0) and (0,±z0,z0)(0, \pm z_0,z_0). 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≥0x,y,z\ge 0) is the sketch below.

figure

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 8번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석보통자동 분류
71.CLP-3 · 1.7절 · 11번대학 수준우리말 번역

다음 곡면의 개형을 그리고 설명하세요.

(a) 4x2+y2=164x^2+y^2=16 (b) x+y+2z=4x+y+2z=4 (c) y29+z24=1+x216\frac{y^2}{9}+\frac{z^2}{4}=1+\frac{x^2}{16} (d) y2=x2+z2y^2=x^2+z^2 (e) x29+y212+z29=1\frac{x^2}{9}+\frac{y^2}{12}+\frac{z^2}{9}=1 (f) x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0x^2+y^2+z^2+4x-by+9z-b=0 단, bb 는 상수이다. (g) x4=y24+z29\frac{x}{4}=\frac{y^2}{4}+\frac{z^2}{9} (h) z=x2z=x^2

영어 원문 보기

Sketch and describe the following surfaces.

(a) 4x2+y2=164x^2+y^2=16 (b) x+y+2z=4x+y+2z=4 (c) y29+z24=1+x216\frac{y^2}{9}+\frac{z^2}{4}=1+\frac{x^2}{16} (d) y2=x2+z2y^2=x^2+z^2 (e) x29+y212+z29=1\frac{x^2}{9}+\frac{y^2}{12}+\frac{z^2}{9}=1 (f) x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0x^2+y^2+z^2+4x-by+9z-b=0 where bb is a constant. (g) x4=y24+z29\frac{x}{4}=\frac{y^2}{4}+\frac{z^2}{9} (h) z=x2z=x^2

정답·풀이 보기

(a) 고정된 각각의 z0z_0 에 대해, 이 곡면의 z=z0z=z_0 단면(xyxy 평면에 평행한 단면)은 원점을 중심으로 하는 타원이며, xx 축 방향의 반축의 길이는 2, yy 축 방향의 반축의 길이는 4 이다. 따라서 이것은 zz 축에 평행한 타원기둥이다. 다음은 xyxy 평면 위쪽에 있는 곡면 부분의 개형이다.

그림

(b) 이것은 세 점 (4,0,0)(4,0,0), (0,4,0)(0,4,0), (0,0,2)(0,0,2) 를 지나는 평면이다. 다음은 제1팔분공간에 있는 평면 부분의 개형이다.

그림

(c) 고정된 각각의 x0x_0 에 대해, yzyz 평면에 평행한 x=x0x=x_0 단면은 타원이며, yy 축에 평행한 반축의 길이는 31+x02163\sqrt{1+\frac{x_0^2}{16}}, zz 축에 평행한 반축의 길이는 21+x02162\sqrt{1+\frac{x_0^2}{16}} 이다. x=0x=0 에서 xx 축을 따라 멀어질수록 타원은 1+x216\sqrt{1+\frac{x^2}{16}} 에 비례하는 비율로 커지며, 이는 xx 가 클 때 대략 ∣x∣4\frac{|x|}{4} 이다. 이것을 일엽쌍곡면이라 한다. 이 곡면의

그림

그림

(d) 고정된 각각의 y0y_0 에 대해, y=x0y=x_0 단면(xzxz 평면에 평행한 단면)은 yy 축을 중심으로 하고 반지름이 ∣y∣|y| 인 원이다. y0=0y_0=0 일 때 반지름은 00 이다. xzxz 평면에서 어느 방향으로든 더 멀어질수록, 즉 ∣y0∣|y_0| 가 커질수록 반지름은 선형적으로(일정한 비율로) 커진다. 곡면 전체는 이러한 원들을 옆으로 쌓아 놓은 것이다. 이것은 yy 축을 중심축으로 하는 원뿔이다.

그림

(e) 이것은 원점을 중심으로 하는 타원면이며, xx 축, yy 축, zz 축 방향의 반축의 길이는 각각 33, 12=23\sqrt{12}=2\sqrt{3}, 33 이다.

그림

그림

(f) 세 번 완전제곱식으로 고치면, x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0x^2+y^2+z^2+4x-by+9z-b=0 일 필요충분조건은 (x+2)2+(y−b2)2+(z+92)2=b+4+b24+814(x+2)^2+\big(y-\frac{b}{2}\big)^2+\big(z+\frac{9}{2}\big)^2 =b+4+\frac{b^2}{4}+\frac{81}{4} 이다. 이것은 반지름이 rb=12b2+4b+97r_b=\frac{1}{2}\sqrt{b^2+4b+97} 이고 중심이 12(−4,b,−9)\frac{1}{2}(-4,b,-9) 인 구이다.

그림

(g) 곡면 위에는 x<0x<0 인 점이 없다. 고정된 각각의 x0>0x_0>0 에 대해, yzyz 평면에 평행한 단면 x=x0x=x_0 는 xx 축을 중심으로 하는 타원이며, yy 축 방향의 반축의 길이는 x0\sqrt{x_0}, zz 축 방향의 반축의 길이는 32x0\frac{3}{2}\sqrt{x_0} 이다. x0x_0 가 커질수록, 즉 xx 축을 따라 멀어질수록 타원은 x0\sqrt{x_0} 에 비례하는 비율로 커진다. 이것은 xx 축을 축으로 하는 타원포물면이다.

그림

그림

(h) 이것을 포물기둥이라 한다. 고정된 임의의 y0y_0 에 대해, y=y0y=y_0 단면(xzxz 평면에 평행한 단면)은 위로 열린 포물선 z=x2z=x^2 이며, 이 포물선의 꼭짓점은 yy 축 위에 있다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) For each fixed z0z_0, the z=z0z=z_0 cross-section (parallel to the xyxy-plane) of this surface is an ellipse centered on the origin with one semiaxis of length 2 along the xx-axis and one semiaxis of length 4 along the yy-axis. So this is an elliptic cylinder parallel to the zz-axis. Here is a sketch of the part of the surface above the xyxy–plane.

figure

(b) This is a plane through (4,0,0)(4,0,0), (0,4,0)(0,4,0) and (0,0,2)(0,0,2). Here is a sketch of the part of the plane in the first octant.

figure

(c) For each fixed x0x_0, the x=x0x=x_0 cross-section parallel to the yzyz-plane is an ellipse with semiaxes 31+x02163\sqrt{1+\frac{x_0^2}{16}} parallel to the yy-axis and 21+x02162\sqrt{1+\frac{x_0^2}{16}} parallel to the zz-axis. As you move out along the xx-axis, away from x=0x=0, the ellipses grow at a rate proportional to 1+x216\sqrt{1+\frac{x^2}{16}}, which for large xx is approximately ∣x∣4\frac{|x|}{4}. This is called a hyperboloid of one sheet. Its

figure

figure

(d) For each fixed y0y_0, the y=x0y=x_0 cross-section (parallel to the xzxz-plane) is a circle of radius ∣y∣|y| centred on the yy-axis. When y0=0y_0=0 the radius is 00. As you move further from the xzxz-plane, in either direction, i.e. as ∣y0∣|y_0| 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 yy-axis.

figure

(e) This is an ellipsoid centered on the origin with semiaxes 33, 12=23\sqrt{12}=2\sqrt{3} and 33 along the xx, yy and zz-axes, respectively.

figure

figure

(f) Completing three squares, we have that x2+y2+z2+4x−by+9z−b=0x^2+y^2+z^2+4x-by+9z-b=0 if and only if (x+2)2+(y−b2)2+(z+92)2=b+4+b24+814(x+2)^2+\big(y-\frac{b}{2}\big)^2+\big(z+\frac{9}{2}\big)^2 =b+4+\frac{b^2}{4}+\frac{81}{4}. This is a sphere of radius rb=12b2+4b+97r_b=\frac{1}{2}\sqrt{b^2+4b+97} centered on 12(−4,b,−9)\frac{1}{2}(-4,b,-9).

figure

(g) There are no points on the surface with x<0x<0. For each fixed x0>0x_0>0 the cross-section x=x0x=x_0 parallel to the yzyz-plane is an ellipse centred on the xx–axis with semiaxes x0\sqrt{x_0} in the yy-axis direction and 32x0\frac{3}{2}\sqrt{x_0} in the zz–axis direction. As you increase x0x_0, i.e. move out along the xx-axis, the ellipses grow at a rate proportional to x0\sqrt{x_0}. This is an elliptic paraboloid with axis the xx-axis.

figure

figure

(h) This is called a parabolic cylinder. For any fixed y0y_0, the y=y0y=y_0 cross-section (parallel to the xzxz-plane) is the upward opening parabola z=x2z=x^2 which has vertex on the yy-axis.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.7절 · 10번
# 이차곡면과 곡면 그리기그래프·표 해석보통자동 분류
72.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
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