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

159문제 · 8 / 8쪽

141.CLP-3 · 1.6절 · 28번대학 수준우리말 번역

시각 t=0t=0 에서 어떤 입자의 위치 벡터와 속도 벡터가 r(0)=<−1,0,0>\mathbf{r}(0)=\left< -1,0,0\right>, v(0)=<0,−1,1>\mathbf{v}(0)=\left< 0,-1,1\right> 이다. 시각 tt 에서 이 입자의 가속도 벡터는

a(t)=<cos⁡t,sin⁡t,0>\mathbf{a}(t)=\left< \cos t,\sin t,0\right>

이다.

(a) tt 초 후 입자의 위치를 구하세요. (b) 모든 tt 에 대해 입자의 속도와 가속도가 항상 수직임을 보이세요. (c) t=−π/2t=-\pi/2 에서 입자의 경로에 접하는 접선의 방정식을 구하세요. (d) 참 또는 거짓: 입자의 경로에 접하는 직선 중 (0,0,0)(0,0,0) 을 지나는 것은 하나도 없다. 답의 이유를 밝히세요.

영어 원문 보기

At time t=0t=0 a particle has position and velocity vectors r(0)=<−1,0,0>\mathbf{r}(0)=\left< -1,0,0\right> and v(0)=<0,−1,1>\mathbf{v}(0)=\left< 0,-1,1\right>. At time tt, the particle has acceleration vector

a(t)=<cos⁡t,sin⁡t,0>\mathbf{a}(t)=\left< \cos t,\sin t,0\right>

(a) Find the position of the particle after tt seconds. (b) Show that the velocity and acceleration of the particle are always perpendicular for every tt. (c) Find the equation of the tangent line to the particle's path at t=−π/2t=-\pi/2. (d) True or False: None of the lines tangent to the path of the particle pass through (0,0,0)(0,0,0). Justify your answer.

정답·풀이 보기

(a) 정의에 의해

v′(t)=a(t)=<cos⁡t,sin⁡t,0>  ⟹  v(t)=<sin⁡t+c1,−cos⁡t+c2,c3>\mathbf{v}'(t)=\mathbf{a}(t)=\left< \cos t,\sin t,0\right> \implies \mathbf{v}(t)=\left< \sin t+c_1, -\cos t+c_2, c_3\right>

이고, 여기서 c1c_1, c2c_2, c3c_3 은 어떤 상수이다. v(0)=<0,−1,1>\mathbf{v}(0)=\left< 0,-1,1\right> 을 만족하려면 c1=0c_1=0, c2=0c_2=0, c3=1c_3=1 이어야 한다. 따라서 v(t)=<sin⁡t,−cos⁡t,1>\mathbf{v}(t)=\left< \sin t, -\cos t, 1\right> 이다. 마찬가지로

r′(t)=v(t)=<sin⁡t,−cos⁡t,1>  ⟹  r(t)=<−cos⁡t+d1,−sin⁡t+d2,t+d3>\mathbf{r}'(t)=\mathbf{v}(t)=\left< \sin t,-\cos t,1\right> \implies \mathbf{r}(t)=\left< -\cos t+d_1, -\sin t+d_2, t+d_3\right>

이고, 여기서 d1d_1, d2d_2, d3d_3 은 어떤 상수이다. r(0)=<−1,0,0>\mathbf{r}(0)=\left< -1,0,0\right> 을 만족하려면 d1=0d_1=0, d2=0d_2=0, d3=0d_3=0 이어야 한다. 따라서 r(t)=<−cos⁡t,−sin⁡t,t>\mathbf{r}(t)=\left< -\cos t, -\sin t, t\right> 이다.

(b) 수직 여부를 확인하기 위해 내적을 계산하면

v(t)⋅a(t)=<sin⁡t,−cos⁡t,1>⋅<cos⁡t,sin⁡t,0>=sin⁡tcos⁡t−cos⁡tsin⁡t+1×0=0\mathbf{v}(t)\cdot\mathbf{a}(t)=\left< \sin t, -\cos t, 1\right>\cdot\left< \cos t,\sin t,0\right> =\sin t\cos t-\cos t \sin t+1\times 0=0

이므로 모든 tt 에 대해 v(t)⊥a(t)\mathbf{v}(t)\perp\mathbf{a}(t) 이다.

(c) t=−π2t=-\frac{\pi}{2} 에서 입자는 r(−π2)=<0,1,−π2>\mathbf{r}\big(-\frac{\pi}{2}\big)=\left< 0,1,-\frac{\pi}{2}\right> 에 있고 속도는 v(−π2)=<−1,0,1>\mathbf{v}\big(-\frac{\pi}{2}\big)=\left< -1,0,1\right> 이다. 따라서 접선은 <0,1,−π2>\left< 0,1,-\frac{\pi}{2}\right> 을 지나고 방향 벡터가 <−1,0,1>\left< -1,0,1\right> 이어야 한다. 다음은 접선의 벡터 매개변수 방정식이다.

r(u)=<0,1,−π2>+u<−1,0,1>\mathbf{r}(u)=\left< 0,1,-\frac{\pi}{2}\right>+u\left< -1,0,1\right>

(d) 참이다. 입자가 지나는 경로를 위에서 내려다보아 xx 좌표와 yy 좌표만 보이게 하자. 우리가 보는 경로(이를 사영 경로라 하자)는 x(t)=−cos⁡tx(t)=-\cos t, y(t)=−sin⁡ty(t)=-\sin t 이며, 이는 원점을 중심으로 하는 반지름이 1인 원이다. 원의 어떤 접선이든 항상 그 원의 바깥에 놓인다. 따라서 사영 경로에 접하는 어떤 접선도 (0,0)(0,0) 을 지날 수 없다. 그러므로 입자가 지나는 경로에 접하는 어떤 접선도 zz 축을 지날 수 없고, 특히 (0,0,0)(0,0,0) 을 지날 수 없다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) By definition,

v′(t)=a(t)=<cos⁡t,sin⁡t,0>  ⟹  v(t)=<sin⁡t+c1,−cos⁡t+c2,c3>\mathbf{v}'(t)=\mathbf{a}(t)=\left< \cos t,\sin t,0\right> \implies \mathbf{v}(t)=\left< \sin t+c_1, -\cos t+c_2, c_3\right>

for some constants c1c_1, c2c_2, c3c_3. To satisfy v(0)=<0,−1,1>\mathbf{v}(0)=\left< 0,-1,1\right>, we need c1=0c_1=0, c2=0c_2=0 and c3=1c_3=1. So v(t)=<sin⁡t,−cos⁡t,1>\mathbf{v}(t)=\left< \sin t, -\cos t, 1\right>. Similarly,

r′(t)=v(t)=<sin⁡t,−cos⁡t,1>  ⟹  r(t)=<−cos⁡t+d1,−sin⁡t+d2,t+d3>\mathbf{r}'(t)=\mathbf{v}(t)=\left< \sin t,-\cos t,1\right> \implies \mathbf{r}(t)=\left< -\cos t+d_1, -\sin t+d_2, t+d_3\right>

for some constants d1d_1, d2d_2, d3d_3. To satisfy r(0)=<−1,0,0>\mathbf{r}(0)=\left< -1,0,0\right>, we need d1=0d_1=0, d2=0d_2=0 and d3=0d_3=0. So r(t)=<−cos⁡t,−sin⁡t,t>\mathbf{r}(t)=\left< -\cos t, -\sin t, t\right>.

(b) To test for orthogonality, we compute the dot product

v(t)⋅a(t)=<sin⁡t,−cos⁡t,1>⋅<cos⁡t,sin⁡t,0>=sin⁡tcos⁡t−cos⁡tsin⁡t+1×0=0\mathbf{v}(t)\cdot\mathbf{a}(t)=\left< \sin t, -\cos t, 1\right>\cdot\left< \cos t,\sin t,0\right> =\sin t\cos t-\cos t \sin t+1\times 0=0

so v(t)⊥a(t)\mathbf{v}(t)\perp\mathbf{a}(t) for all tt.

(c) At t=−π2t=-\frac{\pi}{2} the particle is at r(−π2)=<0,1,−π2>\mathbf{r}\big(-\frac{\pi}{2}\big)=\left< 0,1,-\frac{\pi}{2}\right> and has velocity v(−π2)=<−1,0,1>\mathbf{v}\big(-\frac{\pi}{2}\big)=\left< -1,0,1\right>. So the tangent line must pass through <0,1,−π2>\left< 0,1,-\frac{\pi}{2}\right> and have direction vector <−1,0,1>\left< -1,0,1\right>. Here is a vector parametric equation for the tangent line.

r(u)=<0,1,−π2>+u<−1,0,1>\mathbf{r}(u)=\left< 0,1,-\frac{\pi}{2}\right>+u\left< -1,0,1\right>

(d) True. Look at the path followed by the particle from the top so that we only see xx and yy coordinates. The path we see (call this the projected path) is x(t)=−cos⁡tx(t)=-\cos t, y(t)=−sin⁡ty(t)=-\sin t, which is a circle of radius one centred on the origin. Any tangent line to any circle always remains outside the circle. So no tangent line to the projected path can pass through the (0,0)(0,0). So no tangent line to the path followed by the particle can pass through the zz–axis and, in particular, through (0,0,0)(0,0,0).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 18번
# 벡터함수의 미분과 적분개념 확인도전자동 분류
142.CLP-3 · 1.6절 · 29번대학 수준우리말 번역

시각 tt (단위: 초 s)에서 입자의 위치가 다음과 같이 주어져 있다.

r(t)=tcos⁡(πt2)ı^+tsin⁡(πt2)ȷ^+t k^\mathbf{r}(t)=t\cos\left(\frac{\pi t}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}} +t\sin\left(\frac{\pi t}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}} +t\,\hat{\mathbf{k}}

(a) 입자의 경로가 원뿔 z2=x2+y2z^2=x^2+y^2 위에 있음을 보이세요. (b) 시각 tt 에서의 속도 벡터와 속력을 구하세요. (c) 시각 t=1t=1s 에서 입자가 경로를 벗어나, 경로에 접하는 방향의 직선 LL 을 따라 날아간다고 하자. 직선 LL 의 방정식을 구하세요. (d) 입자가 직선 LL 을 따라 움직이기 시작한 후, 평면 x=−1x=-1 에 부딪히기까지 걸리는 시간을 구하세요.

영어 원문 보기

The position of a particle at time tt (measured in seconds s) is given by

r(t)=tcos⁡(πt2)ı^+tsin⁡(πt2)ȷ^+t k^\mathbf{r}(t)=t\cos\left(\frac{\pi t}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}} +t\sin\left(\frac{\pi t}{2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}} +t\,\hat{\mathbf{k}}

(a) Show that the path of the particle lies on the cone z2=x2+y2z^2=x^2+y^2. (b) Find the velocity vector and the speed at time tt. (c) Suppose that at time t=1t=1s the particle flies off the path on a line LL in the direction tangent to the path. Find the equation of the line LL. (d) How long does it take for the particle to hit the plane x=−1x=-1 after it started moving along the straight line LL?

정답·풀이 보기

(a) x(t)2+y(t)2=t2cos⁡2(πt2)+t2sin⁡2(πt2)=t2그리고z(t)2=t2x(t)^2+y(t)^2=t^2\cos^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +t^2\sin^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)=t^2\qquad\text{그리고}\qquad z(t)^2=t^2

은 서로 같으므로, 입자의 경로는 원뿔 z2=x2+y2z^2=x^2+y^2 위에 있다.

(b) 정의에 의해,

속도=r′(t)=[cos⁡(πt2)−πt2sin⁡(πt2)]ı^+[sin⁡(πt2)+πt2cos⁡(πt2)]ȷ^+k^속력=∣r′(t)∣=[cos⁡(πt2)−πt2sin⁡(πt2)]2+[sin⁡(πt2)+πt2cos⁡(πt2)]2+12=[cos⁡2(πt2)−2πt2cos⁡(πt2)sin⁡(πt2)+(πt2)2sin⁡2(πt2)+sin⁡2(πt2)+2πt2cos⁡(πt2)sin⁡(πt2)+(πt2)2cos⁡2(πt2)+1]1/2=2+π2t24\begin{aligned} \text{속도}&=\mathbf{r}'(t)&&= \big[\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) -\tfrac{\pi t}{2}\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]\hat{\boldsymbol{\imath}} +\big[\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\hat{\mathbf{k}} \\ \text{속력}&=|\mathbf{r}'(t)|&&= \sqrt{\big[\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) -\tfrac{\pi t}{2}\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]^2 +\big[\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]^2 +1^2} \\ & &&= \Big[\cos^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) -2\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) \sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)^2\sin^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) \\ & && +\sin^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +2\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) \sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)^2\cos^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +1\Big]^{1/2}\\ & &&=\sqrt{2+\frac{\pi^2 t^2}{4}} \end{aligned}

(c) t=1t=1 일 때 입자는 r(1)=(0,1,1)\mathbf{r}(1)=(0,1,1) 에 있고 속도는 r′(1)=<−π2,1,1>\mathbf{r}'(1)=\left< -\frac{\pi}{2},1,1\right> 이다. 따라서 t≥1t\ge 1 일 때 입자의 위치는

<x,y,z>=<0,1,1>+(t−1)<−π2,1,1>\left< x,y,z\right> = \left< 0,1,1\right>+(t-1)\left< -\frac{\pi}{2},1,1\right>

이다. 이것은 이 직선의 벡터 매개변수 방정식이기도 하다.

(d) 입자가 LL 을 따라 날아가는 동안 속력이 일정하게 유지된다고 가정하자. 그러면 시각 tt (t≥1t\ge 1)에서 입자의 xx 좌표는 −π2(t−1)-\frac{\pi}{2}(t-1) 이다. 이 값은 t−1=2πt-1=\frac{2}{\pi} 일 때 −1-1 이 된다. 따라서 입자는 원뿔을 벗어난 지 2π\frac{2}{\pi} 초 후에 x=−1x=-1 에 부딪힌다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since

x(t)2+y(t)2=t2cos⁡2(πt2)+t2sin⁡2(πt2)=t2andz(t)2=t2x(t)^2+y(t)^2=t^2\cos^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +t^2\sin^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)=t^2\qquad\text{and}\qquad z(t)^2=t^2

are the same, the path of the particle lies on the cone z2=x2+y2z^2=x^2+y^2.

(b) By definition,

velocity=r′(t)=[cos⁡(πt2)−πt2sin⁡(πt2)]ı^+[sin⁡(πt2)+πt2cos⁡(πt2)]ȷ^+k^speed=∣r′(t)∣=[cos⁡(πt2)−πt2sin⁡(πt2)]2+[sin⁡(πt2)+πt2cos⁡(πt2)]2+12=[cos⁡2(πt2)−2πt2cos⁡(πt2)sin⁡(πt2)+(πt2)2sin⁡2(πt2)+sin⁡2(πt2)+2πt2cos⁡(πt2)sin⁡(πt2)+(πt2)2cos⁡2(πt2)+1]1/2=2+π2t24\begin{aligned} \text{velocity}&=\mathbf{r}'(t)&&= \big[\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) -\tfrac{\pi t}{2}\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]\hat{\boldsymbol{\imath}} +\big[\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\hat{\mathbf{k}} \\ \text{speed}&=|\mathbf{r}'(t)|&&= \sqrt{\big[\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) -\tfrac{\pi t}{2}\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]^2 +\big[\sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)\big]^2 +1^2} \\ & &&= \Big[\cos^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) -2\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) \sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)^2\sin^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) \\ & && +\sin^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +2\tfrac{\pi t}{2}\cos\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) \sin\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +\big(\tfrac{\pi t}{2}\big)^2\cos^2\big(\tfrac{\pi t}{2}\big) +1\Big]^{1/2}\\ & &&=\sqrt{2+\frac{\pi^2 t^2}{4}} \end{aligned}

(c) At t=1t=1, the particle is at r(1)=(0,1,1)\mathbf{r}(1)=(0,1,1) and has velocity r′(1)=<−π2,1,1>\mathbf{r}'(1)=\left< -\frac{\pi}{2},1,1\right>. So for t≥1t\ge 1, the particle is at

<x,y,z>=<0,1,1>+(t−1)<−π2,1,1>\left< x,y,z\right> = \left< 0,1,1\right>+(t-1)\left< -\frac{\pi}{2},1,1\right>

This is also a vector parametric equation for the line.

(d) Assume that the particle's speed remains constant as it flies along LL. Then the xx-coordinate of the particle at time tt (for t≥1t\ge 1) is −π2(t−1)-\frac{\pi}{2}(t-1). This takes the value −1-1 when t−1=2πt-1=\frac{2}{\pi}. So the particle hits x=−1x=-1, 2π\frac{2}{\pi} seconds after it flew off the cone.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 11번
# 벡터함수의 미분과 적분증명·논술도전자동 분류
143.CLP-3 · 1.6절 · 30번대학 수준우리말 번역

(a) 곡선 r1(t)=<1+t,t2,t3>\mathbf{r}_1(t)=\left< 1+t, t^2, t^3\right> 과 r2(t)=<cos⁡t,sin⁡t,t>\mathbf{r}_2(t)=\left< \cos t, \sin t, t\right> 는 점 P(1,0,0)P(1,0,0) 에서 만난다. 점 PP 에서 두 곡선이 만나는 각을 구하세요. (b) 평면 x+y−z=4x+y-z=4 와 2x−z=42x-z=4 의 교선과 직선 r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right> 사이의 거리를 구하세요.

영어 원문 보기

(a) The curve r1(t)=<1+t,t2,t3>\mathbf{r}_1(t)=\left< 1+t, t^2, t^3\right> and r2(t)=<cos⁡t,sin⁡t,t>\mathbf{r}_2(t)=\left< \cos t, \sin t, t\right> intersect at the point P(1,0,0)P(1,0,0). Find the angle of intersection between the curves at the point PP. (b) Find the distance between the line of intersection of the planes x+y−z=4x+y-z=4 and 2x−z=42x-z=4 and the line r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right>.

답 쓰고 채점
(a)
°
(b)
정답·풀이 보기

(a) 두 곡선의 접선벡터는 다음과 같다.

r1′(t)=<1,2t,3t2>r2′(t)=<−sin⁡t,cos⁡t,1>\mathbf{r}'_1(t)=\left< 1, 2t, 3t^2\right>\qquad \mathbf{r}'_2(t)=\left<-\sin t, \cos t, 1\right>

두 곡선은 모두 t=0t=0 일 때 PP 를 지나므로 이때의 접선벡터는 다음과 같다.

r1′(0)=<1,0,0>r2′(0)=<0,1,1>\mathbf{r}'_1(0)=\left< 1, 0, 0\right>\qquad \mathbf{r}'_2(0)=\left< 0, 1, 1\right>

따라서 두 곡선이 만나는 각 θ\theta 는 다음 식으로 정해진다.

r1′(0)⋅r2′(0)=∣r1′(0)∣ ∣r2′(0)∣ cos⁡θ  ⟹  <1,0,0>⋅<0,1,1>=1⋅2⋅cos⁡θ  ⟹  cos⁡θ=0  ⟹  θ=90∘\begin{aligned} \mathbf{r}'_1(0)\cdot\mathbf{r}'_2(0)=|\mathbf{r}'_1(0)|\,|\mathbf{r}'_2(0)|\,\cos\theta &\implies \left< 1, 0, 0\right>\cdot\left< 0, 1, 1\right>=1\cdot\sqrt{2}\cdot\cos\theta \\ &\implies\cos\theta=0\implies \theta=90^\circ \end{aligned}

(b) 풀이 전략은 다음과 같다.

  • 시점이 한 직선 위에 있고 종점이 다른 직선 위에 있는 벡터 v\mathbf{v} 를 구한다.
  • 두 직선에 모두 수직인 벡터 n\mathbf{n} 을 구한다.
  • 그러면 v\mathbf{v} 와 n\mathbf{n} 사이의 각을 θ\theta 라 할 때, 두 직선 사이의 거리는 ∣v∣cos⁡θ=∣v⋅n∣∣n∣|\mathbf{v}|\cos\theta = \frac{|\mathbf{v}\cdot\mathbf{n}|}{|\mathbf{n}|} 이다.

이제 풀어 보자.

  • 먼저 v\mathbf{v} 를 구한다.

  • 직선 r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right> 위의 한 점은 r(0)=<0,−1,1>\mathbf{r}(0)=\left< 0,-1,1\right> 이다.

  • (x,y,z)(x,y,z) 가 다른 직선 위에 있을 필요충분조건은 x+y−z=4x+y-z=4 이고 2x−z=42x-z=4 인 것이다. 특히 z=0z=0 이면 x+y=4x+y=4 이고 2x=42x=4 이므로 x=2x=2, y=2y=2 이다.

  • 따라서 벡터 v=<2−0 , 2−(−1) , 0−1>=<2,3,−1>\mathbf{v}=\left< 2-0\,,\,2-(-1)\,,\,0-1\right>=\left< 2,3,-1\right> 은 종점이 한 직선 위에 있고 시점이 다른 직선 위에 있다.

  • 다음으로 두 직선에 모두 수직인 벡터 n\mathbf{n} 을 구한다.

  • 먼저 직선 x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4 의 방향벡터를 구한다. x=y=2x=y=2, z=0z=0 이 이 직선 위의 점임은 이미 알고 있다. 이 직선 위의 두 번째 점은, 예를 들어 z=2z=2 로 놓고 x+y=6x+y=6, 2x=62x=6 을 풀면 x=3x=3, y=3y=3 으로 구할 수 있다. 따라서 직선 x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4 의 방향벡터 하나는 d1=<3−2 , 3−2 , 2−0>=<1,1,2>\mathbf{d}_1=\left<3-2\,,\,3-2\,,\,2-0 \right> = \left< 1,1,2\right> 이다.

  • 직선 x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4 의 방향벡터를 구하는 두 번째 방법은 다음과 같다. <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> 은 x+y−z=4x+y-z=4 의 법선벡터이므로 이 직선에 수직이고, <2,0,−1>\left< 2,0,-1\right> 은 2x−z=42x-z=4 의 법선벡터이므로 역시 이 직선에 수직이다. 따라서 <1,1,−1>×<2,0,−1>\left< 1,1,-1\right>\times\left< 2,0,-1\right> 이 이 직선의 방향벡터이다.

  • 직선 r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right> 의 방향벡터는 d2=r′(t)=<1,2,3>\mathbf{d}_2=\mathbf{r}'(t)=\left< 1,2,3\right> 이다.

  • 그러므로

n=d2×d1=det⁡[ı^ȷ^k^123112]=ı^+ȷ^−k^\mathbf{n}=\mathbf{d}_2\times\mathbf{d}_1 =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 2 & 3 \\ 1 & 1 & 2 \end{matrix}\right] = \hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

은 두 직선에 모두 수직이다.

따라서 두 직선 사이의 거리는 다음과 같다.

∣v∣cos⁡θ=∣v⋅n∣∣n∣=<2,3,−1>⋅<1,1,−1>∣<1,1,−1>∣=63=23|\mathbf{v}|\cos\theta = \frac{|\mathbf{v}\cdot\mathbf{n}|}{|\mathbf{n}|} =\frac{\left< 2,3,-1\right> \cdot\left< 1,1,-1\right>}{|\left< 1,1,-1\right>|} =\frac{6}{\sqrt{3}} =2\sqrt{3}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The tangent vectors to the two curves are

r1′(t)=<1,2t,3t2>r2′(t)=<−sin⁡t,cos⁡t,1>\mathbf{r}'_1(t)=\left< 1, 2t, 3t^2\right>\qquad \mathbf{r}'_2(t)=\left<-\sin t, \cos t, 1\right>

Both curves pass through PP at t=0t=0 and then the tangent vectors are

r1′(0)=<1,0,0>r2′(0)=<0,1,1>\mathbf{r}'_1(0)=\left< 1, 0, 0\right>\qquad \mathbf{r}'_2(0)=\left< 0, 1, 1\right>

So the angle of intersection, θ\theta, is determined by

r1′(0)⋅r2′(0)=∣r1′(0)∣ ∣r2′(0)∣ cos⁡θ  ⟹  <1,0,0>⋅<0,1,1>=1⋅2⋅cos⁡θ  ⟹  cos⁡θ=0  ⟹  θ=90∘\begin{aligned} \mathbf{r}'_1(0)\cdot\mathbf{r}'_2(0)=|\mathbf{r}'_1(0)|\,|\mathbf{r}'_2(0)|\,\cos\theta &\implies \left< 1, 0, 0\right>\cdot\left< 0, 1, 1\right>=1\cdot\sqrt{2}\cdot\cos\theta \\ &\implies\cos\theta=0\implies \theta=90^\circ \end{aligned}

(b) Our strategy will be to

  • find a vector v\mathbf{v} whose tail is on one line and whose head is on the other line and then
  • find a vector n\mathbf{n} that is perpendicular to both lines.
  • Then, if we denote by θ\theta the angle between v\mathbf{v} and n\mathbf{n}, the distance between the two lines is ∣v∣cos⁡θ=∣v⋅n∣∣n∣|\mathbf{v}|\cos\theta = \frac{|\mathbf{v}\cdot\mathbf{n}|}{|\mathbf{n}|}

Here we go

  • So the first step is to find a v\mathbf{v}.

  • One point on the line r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right> is r(0)=<0,−1,1>\mathbf{r}(0)=\left< 0,-1,1\right>.

  • (x,y,z)(x,y,z) is on the other line if and only if x+y−z=4x+y-z=4 and 2x−z=42x-z=4. In particular, if z=0z=0 then x+y=4x+y=4 and 2x=42x=4 so that x=2x=2 and y=2y=2.

  • So the vector v=<2−0 , 2−(−1) , 0−1>=<2,3,−1>\mathbf{v}=\left< 2-0\,,\,2-(-1)\,,\,0-1\right>=\left< 2,3,-1\right> has its head on one line and its tail on the other line.

  • Next we find a vector n\mathbf{n} that is perpendicular to both lines.

  • First we find a direction vector for the line x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4. We already know that x=y=2x=y=2, z=0z=0 is on that line. We can find a second point on that line by choosing, for example, z=2z=2 and then solving x+y=6x+y=6, 2x=62x=6 to get x=3x=3, y=3y=3. So one direction vector for the line x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4 is d1=<3−2 , 3−2 , 2−0>=<1,1,2>\mathbf{d}_1=\left<3-2\,,\,3-2\,,\,2-0 \right> = \left< 1,1,2\right>.

  • A second way to get a direction vector for the line x+y−z=4x+y-z=4, 2x−z=42x-z=4 is to observe that <1,1,−1>\left< 1,1,-1\right> is normal to x+y−z=4x+y-z=4 and so is perpendicular to the line and <2,0,−1>\left< 2,0,-1\right> is normal to 2x−z=42x-z=4 and so is also perpendicular to the line. So <1,1,−1>×<2,0,−1>\left< 1,1,-1\right>\times\left< 2,0,-1\right> is a direction vector for the line.

  • A direction vector for the line r(t)=<t,−1+2t,1+3t>\mathbf{r}(t)=\left< t, -1+2t, 1+3t\right> is d2=r′(t)=<1,2,3>\mathbf{d}_2=\mathbf{r}'(t)=\left< 1,2,3\right>.

  • So

n=d2×d1=det⁡[ı^ȷ^k^123112]=ı^+ȷ^−k^\mathbf{n}=\mathbf{d}_2\times\mathbf{d}_1 =\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 1 & 2 & 3 \\ 1 & 1 & 2 \end{matrix}\right] = \hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\boldsymbol{\jmath}} -\hat{\mathbf{k}}

is perpendicular to both lines.

The distance between the two lines is then

∣v∣cos⁡θ=∣v⋅n∣∣n∣=<2,3,−1>⋅<1,1,−1>∣<1,1,−1>∣=63=23|\mathbf{v}|\cos\theta = \frac{|\mathbf{v}\cdot\mathbf{n}|}{|\mathbf{n}|} =\frac{\left< 2,3,-1\right> \cdot\left< 1,1,-1\right>}{|\left< 1,1,-1\right>|} =\frac{6}{\sqrt{3}} =2\sqrt{3}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.6절 · 23번
# 벡터함수의 미분과 적분계산도전자동 분류
144.CLP-4 · 1.1절 · 11번대학 수준우리말 번역

주어진 위치 함수를 갖는 입자의 속력을 구하세요.

r(t)=52 t ı^+e5t ȷ^−e−5t k^\mathbf{r}(t) = 5 \sqrt{2}\,t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} - e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

옳은 답을 고르세요.

(a) ∣v(t)∣=(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = \big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (b) ∣v(t)∣=10+5et+5e−t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + 5e^{t} + 5e^{-t}} (c) ∣v(t)∣=10+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + e^{10t} + e^{-10t}} (d) ∣v(t)∣=5(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (e) ∣v(t)∣=5(et+e−t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^t + e^{-t}\big)

영어 원문 보기

Find the speed of a particle with the given position function

r(t)=52 t ı^+e5t ȷ^−e−5t k^\mathbf{r}(t) = 5 \sqrt{2}\,t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} - e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

Select the correct answer:

(a) ∣v(t)∣=(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = \big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (b) ∣v(t)∣=10+5et+5e−t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + 5e^{t} + 5e^{-t}} (c) ∣v(t)∣=10+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = \sqrt{10 + e^{10t} + e^{-10t}} (d) ∣v(t)∣=5(e5t+e−5t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^{5t} + e^{-5t}\big) (e) ∣v(t)∣=5(et+e−t)|\mathbf{v}(t)| = 5\big(e^t + e^{-t}\big)

정답·풀이 보기

다음과 같다.

v(t)=r′(t)=52 ı^+5e5t ȷ^+5e−5t k^\mathbf{v}(t) = \mathbf{r}'(t) = 5 \sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 5e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +5 e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

따라서

∣v(t)∣=∣r′(t)∣=5∣2 ı^+e5t ȷ^+e−5t k^∣=52+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = |\mathbf{r}'(t)| = 5 \big|\sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}\big| = 5\sqrt{2+ e^{10t}+ e^{-10t}}

2+e10t+e−10t=(e5t+e−5t)22+ e^{10t}+ e^{-10t} = \big(e^{5t}+e^{-5t}\big)^2 이므로 답은 (d)이다.

원본 교재 풀이(영어)

We have

v(t)=r′(t)=52 ı^+5e5t ȷ^+5e−5t k^\mathbf{v}(t) = \mathbf{r}'(t) = 5 \sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 5e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +5 e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}

and hence

∣v(t)∣=∣r′(t)∣=5∣2 ı^+e5t ȷ^+e−5t k^∣=52+e10t+e−10t|\mathbf{v}(t)| = |\mathbf{r}'(t)| = 5 \big|\sqrt{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + e^{5t}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{-5t}\,\hat{\mathbf{k}}\big| = 5\sqrt{2+ e^{10t}+ e^{-10t}}

Since 2+e10t+e−10t=(e5t+e−5t)22+ e^{10t}+ e^{-10t} = \big(e^{5t}+e^{-5t}\big)^2, that's (d).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 15번
# 벡터함수의 미분과 적분활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
145.CLP-4 · 1.1절 · 12번대학 수준우리말 번역

위치가 다음과 같은 입자의 시각 tt 에서의 속도, 속력, 가속도를 구하세요.

r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ct\,\hat{\mathbf{k}}

입자의 경로를 설명하세요.

영어 원문 보기

Find the velocity, speed and acceleration at time tt of the particle whose position is

r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ct\,\hat{\mathbf{k}}

Describe the path of the particle.

정답·풀이 보기

다음이 주어져 있다.

r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ct\,\hat{\mathbf{k}}

따라서 정의에 의해

속도=v(t)=r′(t)=−asin⁡t ı^+acos⁡t ȷ^+c k^속력=dsdt(t)=∣r′(t)∣=a2+c2가속도=a(t)=r′′(t)=−acos⁡t ı^−asin⁡t ȷ^\begin{aligned} \text{속도}&= \mathbf{v}(t)= \mathbf{r}'(t)=-a \sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}}\\ \text{속력}&=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) = |\mathbf{r}'(t)| = \sqrt{a^2+c^2} \\ \text{가속도}&=\mathbf{a}(t)= \mathbf{r}''(t)=-a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

tt 가 길이 2π2\pi 인 구간을 움직이는 동안 (x,y)(x,y) 는 반지름이 aa 인 원을 그리고 zz 는 2πc2\pi c 만큼 증가한다. 경로는 반지름이 aa 이고 한 바퀴 돌 때마다 높이가 2πc2\pi c 만큼 올라가는 나선이다.

원본 교재 풀이(영어)

We are told that

r(t)=acos⁡t ı^+asin⁡t ȷ^+ct k^\mathbf{r}(t)= a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ct\,\hat{\mathbf{k}}

So, by definition,

velocity=v(t)=r′(t)=−asin⁡t ı^+acos⁡t ȷ^+c k^speed=dsdt(t)=∣r′(t)∣=a2+c2acceleration=a(t)=r′′(t)=−acos⁡t ı^−asin⁡t ȷ^\begin{aligned} \text{velocity}&= \mathbf{v}(t)= \mathbf{r}'(t)=-a \sin t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}}\\ \text{speed}&=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) = |\mathbf{r}'(t)| = \sqrt{a^2+c^2} \\ \text{acceleration}&=\mathbf{a}(t)= \mathbf{r}''(t)=-a \cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-a\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

As tt runs over an interval of length 2π2\pi, (x,y)(x,y) traces out a circle of radius aa and zz increases by 2πc2\pi c. The path is a helix with radius aa and with each turn having height 2πc2\pi c.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 11번
# 벡터함수의 미분과 적분활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
146.CLP-4 · 1.1절 · 15번대학 수준우리말 번역

다음 매개변수 곡선의 길이를 구하세요.

x=acos⁡tsin⁡ty=asin⁡2tz=btx=a\cos t\sin t\qquad y=a\sin^2 t\qquad z=bt

단, t=0t=0 에서 t=T>0t=T>0 까지입니다.

영어 원문 보기

Find the length of the parametric curve

x=acos⁡tsin⁡ty=asin⁡2tz=btx=a\cos t\sin t\qquad y=a\sin^2 t\qquad z=bt

between t=0t=0 and t=T>0t=T>0.

정답·풀이 보기

다음이 성립하므로

x′(t)=a[cos⁡2t−sin⁡2t]=acos⁡2ty′(t)=2asin⁡tcos⁡t=asin⁡2tz′(t)=b\begin{aligned} x'(t)&=a\big[\cos^2 t-\sin^2 t\big]=a\cos 2t\\ y'(t)&=2a\sin t\cos t=a\sin 2t\\ z'(t)&=b \end{aligned}

다음을 얻는다.

dsdt(t)=x′(t)2+y′(t)2+z′(t)2=a2+b2\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) =\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2+z'(t)^2}=\sqrt{a^2+b^2}

속력 dsdt(t)\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) 가 상수이므로, 곡선의 길이는 dsdt T=a2+b2 T\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\,T=\sqrt{a^2+b^2}\,T 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since

x′(t)=a[cos⁡2t−sin⁡2t]=acos⁡2ty′(t)=2asin⁡tcos⁡t=asin⁡2tz′(t)=b\begin{aligned} x'(t)&=a\big[\cos^2 t-\sin^2 t\big]=a\cos 2t\\ y'(t)&=2a\sin t\cos t=a\sin 2t\\ z'(t)&=b \end{aligned}

we have

dsdt(t)=x′(t)2+y′(t)2+z′(t)2=a2+b2\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) =\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2+z'(t)^2}=\sqrt{a^2+b^2}

As the speed dsdt(t)\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) is constant, the length is just dsdt T=a2+b2 T\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\,T=\sqrt{a^2+b^2}\,T.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 19번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
147.CLP-4 · 1.1절 · 19번대학 수준우리말 번역

평면  z=2x+3y \ z=2x+3y\ 이 원기둥  x2+y2=9 \ x^2+y^2=9\ 와 만나서 타원을 이룹니다.

(a) 이 타원의 매개변수 표현을 구하세요. (b) 이 타원의 둘레를 적분으로 나타내세요. 적분을 계산할 필요는 없습니다. (여기에 나오는 부정적분은 타원의 호의 길이와 관련되어 있어서 타원 적분이라고 불리는 적분들 중 하나입니다. 일반적으로 타원 적분은 초등함수로 나타낼 수 없습니다. 즐겨 쓰는 검색 엔진으로 타원 적분에 관한 설명을 쉽게 찾아볼 수 있습니다.)

영어 원문 보기

The plane  z=2x+3y \ z=2x+3y\ intersects the cylinder  x2+y2=9 \ x^2+y^2=9\ in an ellipse.

(a) Find a parametrization of the ellipse. (b) Express the circumference of this ellipse as an integral. You need not evaluate the integral (The indefinite integral involved is one of a class of integrals called elliptic integrals because of their connections to arc lengths of ellipses. In general, elliptic integrals cannot be expressed in terms of elementary functions. You can easily find discussions of elliptic integrals using your favourite search engine.).

정답·풀이 보기

(a) 원  x2+y2=9 \ x^2+y^2=9\ 는 x(θ)=3cos⁡θx(\theta)=3\cos\theta, y(θ)=3sin⁡θy(\theta)=3\sin\theta 로 매개변수 표현할 수 있고, 이때 θ\theta 는 00 부터 2π2\pi 까지 변한다. z=2x+3yz=2x+3y 이므로 타원은 다음과 같이 매개변수 표현할 수 있다.

x(θ)=3cos⁡θ, y(θ)=3sin⁡θ, z(θ)=2x(θ)+3y(θ)=6cos⁡θ+9sin⁡θ, 0≤θ≤2πx(\theta)=3\cos\theta,\ y(\theta)=3\sin\theta,\ z(\theta)=2x(\theta)+3 y(\theta) =6\cos\theta+9\sin\theta,\ 0\le\theta\le 2\pi

(b) 다음이 성립하므로

dsdθ=x′(θ)2+y′(θ)2+z′(θ)2=9sin⁡2θ+9cos⁡2θ+36sin⁡2θ+81cos⁡2θ−108sin⁡θcos⁡θ=45+45cos⁡2θ−108sin⁡θcos⁡θ\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta} &=\sqrt{x'(\theta)^2+y'(\theta)^2+z'(\theta)^2}\\ &=\sqrt{9\sin^2\theta+9\cos^2\theta+36\sin^2\theta +81\cos^2\theta-108\sin\theta\cos\theta}\\ &=\sqrt{45+45\cos^2\theta-108\sin\theta\cos\theta} \end{aligned}

타원의 둘레는 다음과 같다.

s=∫02π45+45cos⁡2θ−108sin⁡θcos⁡θ dθs=\int_0^{2\pi} \sqrt{45+45\cos^2\theta-108\sin\theta\cos\theta}\,\mathrm{d}\theta

원본 교재 풀이(영어)

(a) We can parametrize the circle  x2+y2=9 \ x^2+y^2=9\ as x(θ)=3cos⁡θx(\theta)=3\cos\theta, y(θ)=3sin⁡θy(\theta)=3\sin\theta with θ\theta running from 00 to 2π2\pi. As z=2x+3yz=2x+3y, the ellipse can be parametrized by

x(θ)=3cos⁡θ, y(θ)=3sin⁡θ, z(θ)=2x(θ)+3y(θ)=6cos⁡θ+9sin⁡θ, 0≤θ≤2πx(\theta)=3\cos\theta,\ y(\theta)=3\sin\theta,\ z(\theta)=2x(\theta)+3 y(\theta) =6\cos\theta+9\sin\theta,\ 0\le\theta\le 2\pi

(b) As

dsdθ=x′(θ)2+y′(θ)2+z′(θ)2=9sin⁡2θ+9cos⁡2θ+36sin⁡2θ+81cos⁡2θ−108sin⁡θcos⁡θ=45+45cos⁡2θ−108sin⁡θcos⁡θ\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta} &=\sqrt{x'(\theta)^2+y'(\theta)^2+z'(\theta)^2}\\ &=\sqrt{9\sin^2\theta+9\cos^2\theta+36\sin^2\theta +81\cos^2\theta-108\sin\theta\cos\theta}\\ &=\sqrt{45+45\cos^2\theta-108\sin\theta\cos\theta} \end{aligned}

the circumference is

s=∫02π45+45cos⁡2θ−108sin⁡θcos⁡θ dθs=\int_0^{2\pi} \sqrt{45+45\cos^2\theta-108\sin\theta\cos\theta}\,\mathrm{d}\theta

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 29번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
148.CLP-4 · 1.1절 · 20번대학 수준우리말 번역

곡선

r(t)=13cos⁡3t ı^+13sin⁡3t ȷ^+sin⁡3t k^\mathbf{r}(t) = \frac{1}{3}\cos^3 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\frac{1}{3} \sin^3 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \sin^3 t\,\hat{\mathbf{k}}

을 생각하세요.

(a) t=0t = 0 에서 t=π2t = \frac{\pi}{2} 까지 곡선의 길이를 구하세요. (b) t=0t = 0 에서 t=πt = \pi 까지 곡선의 길이를 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the curve

r(t)=13cos⁡3t ı^+13sin⁡3t ȷ^+sin⁡3t k^\mathbf{r}(t) = \frac{1}{3}\cos^3 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\frac{1}{3} \sin^3 t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \sin^3 t\,\hat{\mathbf{k}}

(a) Compute the arc length of the curve from t=0t = 0 to t=π2t = \frac{\pi}{2}. (b) Compute the arc length of the curve from t=0t = 0 to t=πt = \pi.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) r′(t)=−sin⁡tcos⁡2t ı^+sin⁡2tcos⁡t ı^+3sin⁡2tcos⁡t k^=sin⁡tcos⁡t(−cos⁡t ı^+sin⁡t ȷ^+3sin⁡t k^)dsdt(t)=∣sin⁡tcos⁡t∣cos⁡2t+sin⁡2t+9sin⁡2t=∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) & = -\sin t\cos^2 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin^2 t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 3\sin^2 t\cos t\,\hat{\mathbf{k}} = \sin t\cos t\big(-\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3\sin t\,\hat{\mathbf{k}}\big) \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) & = |\sin t\cos t|\sqrt{\cos^2 t + \sin ^2 t + 9\sin^2 t} = |\sin t\cos t|\sqrt{1+ 9\sin^2 t} \end{aligned}

이므로 t=0t = 0 에서 t=π2t = \frac{\pi}{2} 까지 곡선의 길이는

∫0π/2dsdt(t) dt=∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt=118∫110u du여기서 u=1+9sin⁡2t, du=18sin⁡tcos⁡t dt=118[23u3/2]110=127(1010−1)\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{18}\int_1^{10} \sqrt{u}\ \mathrm{d}u \qquad \text{여기서 } u = 1+ 9\sin^2 t,\ \mathrm{d}u = 18\sin t\cos t\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{18}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_1^{10}\\ &=\frac{1}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big) \end{aligned}

이다.

(b) t=0t = 0 에서 t=πt = \pi 까지 곡선의 길이는

∫0πdsdt(t) dt=∫0π∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dt절댓값 기호를 잊지 말 것!=2∫0π/2∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dt=2∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt\begin{aligned} \int_0^{\pi} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \qquad\text{절댓값 기호를 잊지 말 것!}\\ &=2\int_0^{\pi/2} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t = 2\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \end{aligned}

이다. 피적분함수가 t→π−tt\rightarrow\pi-t 에 대해 변하지 않기 때문이다. 따라서 t=0t = 0 에서 t=πt = \pi 까지 곡선의 길이는 (a)에서 구한 곡선의 길이의 두 배, 즉 227(1010−1)\frac{2}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) As

r′(t)=−sin⁡tcos⁡2t ı^+sin⁡2tcos⁡t ı^+3sin⁡2tcos⁡t k^=sin⁡tcos⁡t(−cos⁡t ı^+sin⁡t ȷ^+3sin⁡t k^)dsdt(t)=∣sin⁡tcos⁡t∣cos⁡2t+sin⁡2t+9sin⁡2t=∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) & = -\sin t\cos^2 t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin^2 t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 3\sin^2 t\cos t\,\hat{\mathbf{k}} = \sin t\cos t\big(-\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +3\sin t\,\hat{\mathbf{k}}\big) \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) & = |\sin t\cos t|\sqrt{\cos^2 t + \sin ^2 t + 9\sin^2 t} = |\sin t\cos t|\sqrt{1+ 9\sin^2 t} \end{aligned}

the arclength from t=0t = 0 to t=π2t = \frac{\pi}{2} is

∫0π/2dsdt(t) dt=∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt=118∫110u duwith u=1+9sin⁡2t, du=18sin⁡tcos⁡t dt=118[23u3/2]110=127(1010−1)\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{18}\int_1^{10} \sqrt{u}\ \mathrm{d}u \qquad \text{with } u = 1+ 9\sin^2 t,\ \mathrm{d}u = 18\sin t\cos t\,\mathrm{d}t\\ &=\frac{1}{18}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_1^{10}\\ &=\frac{1}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big) \end{aligned}

(b) The arclength from t=0t = 0 to t=πt = \pi is

∫0πdsdt(t) dt=∫0π∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dtDon’t forget the absolute value signs!=2∫0π/2∣sin⁡tcos⁡t∣1+9sin⁡2t dt=2∫0π/2sin⁡tcos⁡t1+9sin⁡2t dt\begin{aligned} \int_0^{\pi} \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_0^{\pi} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \qquad\text{Don't forget the absolute value signs!}\\ &=2\int_0^{\pi/2} |\sin t\cos t| \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t = 2\int_0^{\pi/2} \sin t\cos t \sqrt{1+ 9\sin^2 t}\,\mathrm{d}t \end{aligned}

since the integrand is invariant under t→π−tt\rightarrow\pi-t. So the arc length from t=0t = 0 to t=πt = \pi is just twice the arc length from part (a), namely 227(1010−1)\frac{2}{27}\big(10\sqrt{10}-1\big).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 3.2절 · 29번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
149.CLP-4 · 1.1절 · 21번대학 수준우리말 번역

r(t)=(13t3,12t2,12t)\mathbf{r}(t)=\big(\frac{1}{3}t^3,\frac{1}{2}t^2,\frac{1}{2}t\big), t≥0t\ge 0 라 하자. 시각 tt 까지의 곡선의 길이 s(ts(t)를 구하세요.

영어 원문 보기

Let r(t)=(13t3,12t2,12t)\mathbf{r}(t)=\big(\frac{1}{3}t^3,\frac{1}{2}t^2,\frac{1}{2}t\big), t≥0t\ge 0. Compute s(ts(t), the arclength of the curve at time tt.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

r(t)=t33 ı^+t22 ȷ^+t2 k^r′(t)=t2 ı^+t ȷ^+12 k^dsdt(t)=∣r′(t)∣=t4+t2+14=(t2+12)2=t2+12\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= \frac{t^3}{3}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{t}{2}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(t)&= t^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{r}'(t)|&=\sqrt{t^4+t^2+\frac{1}{4}} =\sqrt{\Big(t^2+\frac{1}{2}\Big)^2}=t^2+\frac{1}{2} \end{aligned}

이므로 곡선의 길이는

s(t)=∫0tdsdt(u) du=∫0t(u2+12) du=t33+t2\begin{aligned} s(t)=\int_0^t \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(u)\,\mathrm{d}u =\int_0^t \Big(u^2+\frac{1}{2}\Big)\,\mathrm{d}u =\frac{t^3}{3} +\frac{t}{2} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since

r(t)=t33 ı^+t22 ȷ^+t2 k^r′(t)=t2 ı^+t ȷ^+12 k^dsdt(t)=∣r′(t)∣=t4+t2+14=(t2+12)2=t2+12\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&= \frac{t^3}{3}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{t}{2}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(t)&= t^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)=|\mathbf{r}'(t)|&=\sqrt{t^4+t^2+\frac{1}{4}} =\sqrt{\Big(t^2+\frac{1}{2}\Big)^2}=t^2+\frac{1}{2} \end{aligned}

the length of the curve is

s(t)=∫0tdsdt(u) du=∫0t(u2+12) du=t33+t2\begin{aligned} s(t)=\int_0^t \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(u)\,\mathrm{d}u =\int_0^t \Big(u^2+\frac{1}{2}\Big)\,\mathrm{d}u =\frac{t^3}{3} +\frac{t}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 20번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
150.CLP-4 · 1.1절 · 22번대학 수준우리말 번역

곡선 r(t)=(tm , tm , t3m/2)\mathbf{r}(t) = \big(t^m\,,\, t^m\,,\, t^{3m/2}\big) (0≤a≤t≤b0 \le a \le t \le b, 단 m>0m > 0) 의 곡선의 길이를 구하세요. 결과를 mm, aa, bb 로 나타내세요.

영어 원문 보기

Find the arc length of the curve r(t)=(tm , tm , t3m/2)\mathbf{r}(t) = \big(t^m\,,\, t^m\,,\, t^{3m/2}\big) for 0≤a≤t≤b0 \le a \le t \le b, and where m>0m > 0. Express your result in terms of mm, aa, and bb.

정답·풀이 보기

r(t)=tm ı^+tm ȷ^+t3m/2 k^r′(t)=mtm−1 ı^+mtm−1 ȷ^+3m2t3m/2−1 k^dsdt=∣r′(t)∣=2m2t2m−2+9m24t3m−2=mtm−12+94tm\begin{aligned} \mathbf{r}(t) & = t^m\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t^m\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + t^{3m/2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \mathbf{r}'(t) &= mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\frac{3m}{2}t^{3m/2-1}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} = |\mathbf{r}'(t)| & = \sqrt{ 2m^2 t^{2m-2} +\frac{9m^2}{4} t^{3m-2} } = mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m } \end{aligned}

이므로 곡선의 길이는 다음과 같다.

∫abdsdt(t) dt=∫abmtm−12+94tm dt=49∫2+94am2+94bmu du단, u=2+94tm, du=9m4tm−1=49[23u3/2]2+94am2+94bm=827[(2+94bm)3/2−(2+94am)3/2]\begin{aligned} \int_a^b \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_a^b mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m }\ \mathrm{d}t \\ &=\frac{4}{9}\int_{2 + \frac{9}{4}a^m}^{2 + \frac{9}{4}b^m}\sqrt{u}\,\mathrm{d}u \qquad\text{단, } u = 2 + \frac{9}{4}t^m,\ \mathrm{d}u = \frac{9m}{4}t^{m-1}\\ &=\frac{4}{9}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_{2 + \frac{9}{4}a^m} ^{2 + \frac{9}{4}b^m} \\ &=\frac{8}{27}\Big[\Big(2 + \frac{9}{4}b^m\Big)^{3/2} -\Big(2 + \frac{9}{4}a^m\Big)^{3/2}\Big] \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Since

r(t)=tm ı^+tm ȷ^+t3m/2 k^r′(t)=mtm−1 ı^+mtm−1 ȷ^+3m2t3m/2−1 k^dsdt=∣r′(t)∣=2m2t2m−2+9m24t3m−2=mtm−12+94tm\begin{aligned} \mathbf{r}(t) & = t^m\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + t^m\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + t^{3m/2}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \mathbf{r}'(t) &= mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + mt^{m-1}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\frac{3m}{2}t^{3m/2-1}\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t} = |\mathbf{r}'(t)| & = \sqrt{ 2m^2 t^{2m-2} +\frac{9m^2}{4} t^{3m-2} } = mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m } \end{aligned}

the arc length is

∫abdsdt(t) dt=∫abmtm−12+94tm dt=49∫2+94am2+94bmu duwith u=2+94tm, du=9m4tm−1=49[23u3/2]2+94am2+94bm=827[(2+94bm)3/2−(2+94am)3/2]\begin{aligned} \int_a^b \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t &=\int_a^b mt^{m-1}\sqrt{2 + \frac{9}{4}t^m }\ \mathrm{d}t \\ &=\frac{4}{9}\int_{2 + \frac{9}{4}a^m}^{2 + \frac{9}{4}b^m}\sqrt{u}\,\mathrm{d}u \qquad\text{with } u = 2 + \frac{9}{4}t^m,\ \mathrm{d}u = \frac{9m}{4}t^{m-1}\\ &=\frac{4}{9}\Big[\frac{2}{3}u^{3/2}\Big]_{2 + \frac{9}{4}a^m} ^{2 + \frac{9}{4}b^m} \\ &=\frac{8}{27}\Big[\Big(2 + \frac{9}{4}b^m\Big)^{3/2} -\Big(2 + \frac{9}{4}a^m\Big)^{3/2}\Big] \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 11.2절 · 3번
# 벡터함수의 미분과 적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
151.CLP-4 · 1.1절 · 23번대학 수준우리말 번역

CC 를 포물기둥 x=y2x = y^2 과 쌍곡포물면 3z=2xy3z = 2xy 의 교선 중 y≥0y\ge 0 인 부분이라 하자.

(a) xx 를 매개변수로 하여 CC 의 벡터 매개변수 방정식을 쓰세요. (b) 원점과 점 (9,3,18)(9, 3, 18) 사이에 있는 CC 부분의 길이를 구하세요. (c) 입자가 xx 가 증가하는 방향으로 CC 를 따라 움직인다. 이 입자가 일정한 속력 9로 움직일 때, 점 (1,1,23)(1, 1, \frac{2}{3}) 에 있을 때의 속도 벡터를 구하세요. (d) (c)의 입자가 점 (1,1,23)(1, 1, \frac{2}{3}) 에 있을 때의 가속도 벡터를 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the part of the curve of intersection of the parabolic cylinder x=y2x = y^2 and the hyperbolic paraboloid 3z=2xy3z = 2xy with y≥0y\ge 0.

(a) Write a vector parametric equation for CC using xx as the parameter. (b) Find the length of the part of CC between the origin and the point (9,3,18)(9, 3, 18). (c) A particle moves along CC in the direction for which xx is increasing. If the particle moves with constant speed 9, find its velocity vector when it is at the point (1,1,23)(1, 1, \frac{2}{3}). (d) Find the acceleration vector of the particle of part (c) when it is at the point (1,1,23)(1, 1, \frac{2}{3}).

정답·풀이 보기

(a) y=xy=\sqrt{x} 이고 z=23xy=23x3/2z=\frac{2}{3}xy=\frac{2}{3}x^{3/2} 이므로,

r(x)=x ı^+x ȷ^+23x3/2 k^\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\sqrt{x}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{2}{3}x^{3/2}\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이 문제의 나머지 부분을 위해 다음도 필요하다.

r′(x)=ı^+12x ȷ^+x k^r′′(x)=−14x3/2 ȷ^+12x k^dsdx=∣r′(x)∣=1+14x+x=(12x+x)2=12x+xdsdx(1)=32\begin{aligned} \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{1}{2\sqrt{x}}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\sqrt{x}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(x)&=-\frac{1}{4x^{3/2}}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{2\sqrt{x}}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}=|\mathbf{r}'(x)| &=\sqrt{1+\frac{1}{4x}+x} =\sqrt{\left(\frac{1}{2\sqrt{x}}+\sqrt{x}\right)^2} =\frac{1}{2\sqrt{x}}+\sqrt{x}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(1)&=\frac{3}{2} \end{aligned}

(b)

∫C ds=∫09dsdx dx=∫09(12x+x) dx=[x+23x3/2]09=3+18=21\int_C \ ds =\int_0^9 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\ \mathrm{d}x =\int_0^9 \left(\frac{1}{2\sqrt{x}}+\sqrt{x}\right)\ \mathrm{d}x =\left[\sqrt{x}+\frac{2}{3}x^{3/2}\right]_0^9 =3+18 =21

(c) 다음과 같이 놓는다.

  • r(x)\mathbf{r}(x): 입자의 첫째 좌표가 xx 일 때의 위치,
  • R(t)\mathbf{R}(t): 시각 tt 에서의 입자의 위치,
  • x(t)x(t): 시각 tt 에서의 입자의 xx–좌표,
  • s(x)s(x): 원점에서 r(x)\mathbf{r}(x) 까지의 곡선의 길이.

모든 tt 에 대해 ∣R′(t)∣=9|\mathbf{R}'(t)|=9 임이 주어져 있다. 따라서

R(t)=r(x(t))  ⟹  R′(t)=r′(x(t))dxdt(t)  ⟹  9=∣R′(t)∣=dsdx(x(t))dxdt(t)=(12x(t)+x(t))dxdt(t)\begin{aligned} \mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(x(t)\big)&\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) \\ &\implies 9=|\mathbf{R}'(t)|=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\big(x(t)\big) \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) =\left(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\right)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) \end{aligned}

특히 입자가 시각 00 에 (1,1,23)(1,1,\frac{2}{3}) 에 있다면 x(0)=1x(0)=1 이고

9=(121+1)dxdt(0)  ⟹  dxdt(0)=69=\left(\frac{1}{2\sqrt{1}}+\sqrt{1}\right)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0) \implies \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0)=6

이므로

R′(0)=r′(1)dxdt(0)=(ı^+12 ȷ^+k^)6= 6 ı^+3 ȷ^+6 k^\mathbf{R}'(0)=\mathbf{r}'(1)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0) =\left(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{1}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}\right)6 =\ 6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}

이다.

(d) 곱의 미분법과 연쇄 법칙에 의해,

R′(t)=r′(x(t))dxdt(t)  ⟹  R′′(t)=r′′(x(t))(dxdt(t))2+r′(x(t))d2xdt2(t)\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(x(t)\big)\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)\right)^2 +\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}(t)

(c)에서 9=∣R′(t)∣=(12x(t)+x(t))dxdt(t)9=|\mathbf{R}'(t)|=\Big(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\Big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) 임을 보았으므로

dxdt(t)=9(12x(t)+x(t))−1\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)=9\left(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\right)^{-1}

이다. 이를 미분하면

d2xdt2(t)=−9(12x(t)+x(t))−2(−14x(t)3/2+12x(t))dxdt(t)\frac{d^2x}{dt^2}(t)=-9\left(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\right)^{-2} \left(-\frac{1}{4x(t)^{3/2}}+\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}\right)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)

이다. 특히 t=0t=0 일 때 x(0)=1x(0)=1 이고 dxdt(0)=6\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0)=6 이므로

d2xdt2(0)=−9(32)−2(14)6=−6\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}(0)=-9\left(\frac{3}{2}\right)^{-2} \left(\frac{1}{4}\right)6=-6

이고, 따라서

R′′(0)=r′′(1) (6)2+r′(1)(−6)=36(−14 ȷ^+12 k^)−6(ı^+12 ȷ^+k^)=−6 ı^−12 ȷ^+12 k^\begin{aligned} \mathbf{R}''(0)&=\mathbf{r}''(1)\ \big(6\big)^2+\mathbf{r}'(1)\big(-6\big) =36\left(-\frac{1}{4}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}}\right) -6\left(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{1}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}\right) \\ &=-6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since y=xy=\sqrt{x} and z=23xy=23x3/2z=\frac{2}{3}xy=\frac{2}{3}x^{3/2},

r(x)=x ı^+x ȷ^+23x3/2 k^\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\sqrt{x}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{2}{3}x^{3/2}\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

For the remaining parts of this problem we will also need

r′(x)=ı^+12x ȷ^+x k^r′′(x)=−14x3/2 ȷ^+12x k^dsdx=∣r′(x)∣=1+14x+x=(12x+x)2=12x+xdsdx(1)=32\begin{aligned} \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{1}{2\sqrt{x}}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\sqrt{x}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(x)&=-\frac{1}{4x^{3/2}}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{2\sqrt{x}}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}=|\mathbf{r}'(x)| &=\sqrt{1+\frac{1}{4x}+x} =\sqrt{\left(\frac{1}{2\sqrt{x}}+\sqrt{x}\right)^2} =\frac{1}{2\sqrt{x}}+\sqrt{x}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(1)&=\frac{3}{2} \end{aligned}

(b)

∫C ds=∫09dsdx dx=∫09(12x+x) dx=[x+23x3/2]09=3+18=21\int_C \ ds =\int_0^9 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\ \mathrm{d}x =\int_0^9 \left(\frac{1}{2\sqrt{x}}+\sqrt{x}\right)\ \mathrm{d}x =\left[\sqrt{x}+\frac{2}{3}x^{3/2}\right]_0^9 =3+18 =21

(c) Denote by

  • r(x)\mathbf{r}(x) the position of the particle when its first coordinate is xx,
  • R(t)\mathbf{R}(t) the position of the particle at time tt,
  • x(t)x(t) the xx–coordinate of the particle at time tt, and
  • s(x)s(x) the arc length of the curve from the origin to r(x)\mathbf{r}(x).

We are told that ∣R′(t)∣=9|\mathbf{R}'(t)|=9 for all tt. So

R(t)=r(x(t))  ⟹  R′(t)=r′(x(t))dxdt(t)  ⟹  9=∣R′(t)∣=dsdx(x(t))dxdt(t)=(12x(t)+x(t))dxdt(t)\begin{aligned} \mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(x(t)\big)&\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) \\ &\implies 9=|\mathbf{R}'(t)|=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\big(x(t)\big) \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) =\left(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\right)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) \end{aligned}

In particular, if the particle is at (1,1,23)(1,1,\frac{2}{3}) at time 00, then x(0)=1x(0)=1 and

9=(121+1)dxdt(0)  ⟹  dxdt(0)=69=\left(\frac{1}{2\sqrt{1}}+\sqrt{1}\right)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0) \implies \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0)=6

so that

R′(0)=r′(1)dxdt(0)=(ı^+12 ȷ^+k^)6= 6 ı^+3 ȷ^+6 k^\mathbf{R}'(0)=\mathbf{r}'(1)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0) =\left(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{1}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}\right)6 =\ 6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}

(d) By the product and chain rules,

R′(t)=r′(x(t))dxdt(t)  ⟹  R′′(t)=r′′(x(t))(dxdt(t))2+r′(x(t))d2xdt2(t)\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(x(t)\big)\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)\right)^2 +\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}(t)

We saw in part (c) that 9=∣R′(t)∣=(12x(t)+x(t))dxdt(t)9=|\mathbf{R}'(t)|=\Big(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\Big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) so that

dxdt(t)=9(12x(t)+x(t))−1\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)=9\left(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\right)^{-1}

Differentiating that gives

d2xdt2(t)=−9(12x(t)+x(t))−2(−14x(t)3/2+12x(t))dxdt(t)\frac{d^2x}{dt^2}(t)=-9\left(\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}+\sqrt{x(t)}\right)^{-2} \left(-\frac{1}{4x(t)^{3/2}}+\frac{1}{2\sqrt{x(t)}}\right)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t)

In particular, when t=0t=0, x(0)=1x(0)=1 and dxdt(0)=6\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(0)=6

d2xdt2(0)=−9(32)−2(14)6=−6\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}(0)=-9\left(\frac{3}{2}\right)^{-2} \left(\frac{1}{4}\right)6=-6

so

R′′(0)=r′′(1) (6)2+r′(1)(−6)=36(−14 ȷ^+12 k^)−6(ı^+12 ȷ^+k^)=−6 ı^−12 ȷ^+12 k^\begin{aligned} \mathbf{R}''(0)&=\mathbf{r}''(1)\ \big(6\big)^2+\mathbf{r}'(1)\big(-6\big) =36\left(-\frac{1}{4}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}}\right) -6\left(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{1}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}\right) \\ &=-6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 11.2절 · 2번
# 벡터함수의 미분과 적분활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
152.CLP-4 · 1.1절 · 24번대학 수준우리말 번역

질량이 상수 mm 인 입자가 위치 r\mathbf{r} 에서 속도 v\mathbf{v} 로 움직이고 있다면, 이 입자의 각운동량은 L=m(r×v)\mathbf{L}=m(\mathbf{r}\times\mathbf{v}) 입니다.

질량이 m=1m=1 이고 위치 함수가 r=(sin⁡t,cos⁡t,t)\mathbf{r}=(\sin t, \cos t, t) 인 입자에 대해 ∣dLdt∣\left|\frac{\mathrm{d}\mathbf{L}}{\mathrm{d}t} \right| 를 구하세요.

영어 원문 보기

If a particle has constant mass mm, position r\mathbf{r}, and is moving with velocity v\mathbf{v}, then its angular momentum is L=m(r×v)\mathbf{L}=m(\mathbf{r}\times\mathbf{v}).

For a particle with mass m=1m=1 and position function r=(sin⁡t,cos⁡t,t)\mathbf{r}=(\sin t, \cos t, t), find ∣dLdt∣\left|\frac{\mathrm{d}\mathbf{L}}{\mathrm{d}t} \right|.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

입자의 위치가 주어졌으므로 속도를 구할 수 있다: v(t)=r′(t)=(cos⁡t,−sin⁡t,1)\mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)=(\cos t, -\sin t , 1) 주어진 공식을 적용하면 L(t)=r×v=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(cos⁡t,−sin⁡t,1).\mathbf{L}(t)=\mathbf{r} \times \mathbf{v}=(\sin t , \cos t , t) \times (\cos t, -\sin t , 1).

  • 풀이 1: 먼저 외적을 계산한 다음 미분할 수 있다:

L(t)=(cos⁡t+tsin⁡t)ı^+(tcos⁡t−sin⁡t)ȷ^−k^L′(t)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2(sin⁡2t+cos⁡2t)=t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}(t)& = (\cos t + t\sin t)\hat{\boldsymbol{\imath}} + (t\cos t - \sin t)\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{L}'(t)&=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -t\sin t\, \hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2(\sin^2 t + \cos^2 t)}=\sqrt{t^2}=|t| \end{aligned}

  • 풀이 2: 곱의 미분법을 이용한다:

L′(t)=r′(t)×v(t)+r(t)×v′(t)=r′(t)×r′(t)⏟0+r(t)×v′(t)=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(−sin⁡t,−cos⁡t,0)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2cos⁡2t+t2sin⁡t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}'(t)&=\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{v}(t) + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &=\underbrace{\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{r}'(t)}_{0} + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &= (\sin t ,\cos t,t)\times(-\sin t , -\cos t, 0)\\ &=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2\cos^2 t + t^2\sin t^2 }=|t| \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Given the position of the particle, we can find its velocity: v(t)=r′(t)=(cos⁡t,−sin⁡t,1)\mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)=(\cos t, -\sin t , 1) Applying the given formula, L(t)=r×v=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(cos⁡t,−sin⁡t,1).\mathbf{L}(t)=\mathbf{r} \times \mathbf{v}=(\sin t , \cos t , t) \times (\cos t, -\sin t , 1).

  • Solution 1: We can first compute the cross product, then differentiate:

L(t)=(cos⁡t+tsin⁡t)ı^+(tcos⁡t−sin⁡t)ȷ^−k^L′(t)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2(sin⁡2t+cos⁡2t)=t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}(t)& = (\cos t + t\sin t)\hat{\boldsymbol{\imath}} + (t\cos t - \sin t)\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{L}'(t)&=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -t\sin t\, \hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2(\sin^2 t + \cos^2 t)}=\sqrt{t^2}=|t| \end{aligned}

  • Solution 2: Using the product rule:

L′(t)=r′(t)×v(t)+r(t)×v′(t)=r′(t)×r′(t)⏟0+r(t)×v′(t)=(sin⁡t,cos⁡t,t)×(−sin⁡t,−cos⁡t,0)=tcos⁡t ı^−tsin⁡t ȷ^∣L′(t)∣=t2cos⁡2t+t2sin⁡t2=∣t∣\begin{aligned} \mathbf{L}'(t)&=\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{v}(t) + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &=\underbrace{\mathbf{r}'(t)\times \mathbf{r}'(t)}_{0} + \mathbf{r}(t) \times \mathbf{v}'(t)\\ &= (\sin t ,\cos t,t)\times(-\sin t , -\cos t, 0)\\ &=t\cos t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t\sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ |\mathbf{L}'(t)|&=\sqrt{t^2\cos^2 t + t^2\sin t^2 }=|t| \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 11.2절 · 1번
# 벡터함수의 미분과 적분활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
153.CLP-4 · 1.1절 · 25번대학 수준우리말 번역

한 입자가 곡면 z2=12yz^2=12y 와 18x=yz18x=yz 의 교선인 곡선 C\mathcal{C} 를 따라 위쪽 방향으로 움직인다. 입자가 (1,3,6)(1,3,6) 에 있을 때 속도 v\mathbf{v} 와 가속도 a\mathbf{a} 는 다음과 같다. v=6 ı^+12 ȷ^+12 k^a=27 ı^+30 ȷ^+6 k^\mathbf{v} =6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}\qquad \mathbf{a} = 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}

(a) u=z6u=\frac{z}{6} 를 매개변수로 사용하여 C\mathcal{C} 의 벡터 매개변수 방정식을 쓰세요. (b) (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,3,6)(1,3,6) 까지 C\mathcal{C} 의 길이를 구하세요. (c) u=u(t)u=u(t) 가 시각 tt 에서 입자의 위치에 해당하는 매개변수 값일 때, 입자가 (1,3,6)(1,3,6) 에 있을 때의 dudt\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} 를 구하세요. (d) 입자가 (1,3,6)(1,3,6) 에 있을 때의 d2udt2\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} 를 구하세요.

영어 원문 보기

A particle moves along the curve C\mathcal{C} of intersection of the surfaces z2=12yz^2=12y and 18x=yz18x=yz in the upward direction. When the particle is at (1,3,6)(1,3,6) its velocity v\mathbf{v} and acceleration a\mathbf{a} are given by v=6 ı^+12 ȷ^+12 k^a=27 ı^+30 ȷ^+6 k^\mathbf{v} =6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}\qquad \mathbf{a} = 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}

(a) Write a vector parametric equation for C\mathcal{C} using u=z6u=\frac{z}{6} as a parameter. (b) Find the length of C\mathcal{C} from (0,0,0)(0,0,0) to (1,3,6)(1,3,6). (c) If u=u(t)u=u(t) is the parameter value for the particle's position at time tt, find dudt\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} when the particle is at (1,3,6)(1,3,6). (d) Find d2udt2\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} when the particle is at (1,3,6)(1,3,6).

정답·풀이 보기

(a) z=6uz=6u 이므로 y=z212=3u2y=\frac{z^2}{12}=3u^2 이고 x=yz18=u3x=\frac{yz}{18}=u^3 이다.

r(u)=u3 ı^+3u2 ȷ^+6u k^\begin{aligned} \mathbf{r}(u)&=u^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3u^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6u\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(b)

r′(u)=3u2 ı^+6u ȷ^+6 k^r′′(u)=6u ı^+6 ȷ^dsdu(u)=∣r′(u)∣=9u4+36u2+36=3(u2+2)\begin{aligned} \mathbf{r}'(u)&=3u^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6u\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(u)&=6u\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}(u)=|\mathbf{r}'(u)| &=\sqrt{9u^4+36u^2+36}=3\big(u^2+2\big)\\ \end{aligned}

∫C ds=∫01dsdu du=∫013(u2+2) du=[u3+6u]01=7\int_\mathcal{C} \ ds =\int_0^1 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}\ \mathrm{d}u =\int_0^1 3\big(u^2+2\big)\ \mathrm{d}u =\big[u^3+6u\big]_0^1 =7

(c) 시각 tt 에서 입자의 위치를 R(t)\mathbf{R}(t) 라 하자. 그러면 R(t)=r(u(t))  ⟹  R′(t)=r′(u(t))dudt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(u(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} 특히, 입자가 시각 t1t_1 에 (1,3,6)(1,3,6) 에 있다면 u(t1)=1u(t_1)=1 이고 6 ı^+12 ȷ^+12 k^=R′(t1)=r′(1)dudt(t1)=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)dudt(t1)6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}=\mathbf{R}'(t_1)=\mathbf{r}'(1)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) 이므로 dudt(t1)=2\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)=2 이다.

(d) 곱의 미분법과 연쇄 법칙에 의해 R′(t)=r′(u(t))dudt  ⟹  R′′(t)=r′′(u(t))(dudt)2+r′(u(t))d2udt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(u(t)\big)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} 특히,

27 ı^+30 ȷ^+6 k^=R′′(t1)=r′′(1)(dudt(t1))2+r′(1)d2udt2(t1)=(6 ı^+6 ȷ^)22+(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)\begin{aligned} 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} &=\mathbf{R}''(t_1)=\mathbf{r}''(1)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \\ &=\big(6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big)2^2+\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \end{aligned}

간단히 하면 3 ı^+6 ȷ^+6 k^=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)  ⟹  d2udt2(t1)=13\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \implies \frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1)=1

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since z=6uz=6u, y=z212=3u2y=\frac{z^2}{12}=3u^2 and x=yz18=u3x=\frac{yz}{18}=u^3,

r(u)=u3 ı^+3u2 ȷ^+6u k^\begin{aligned} \mathbf{r}(u)&=u^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3u^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6u\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(b)

r′(u)=3u2 ı^+6u ȷ^+6 k^r′′(u)=6u ı^+6 ȷ^dsdu(u)=∣r′(u)∣=9u4+36u2+36=3(u2+2)\begin{aligned} \mathbf{r}'(u)&=3u^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6u\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(u)&=6u\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}(u)=|\mathbf{r}'(u)| &=\sqrt{9u^4+36u^2+36}=3\big(u^2+2\big)\\ \end{aligned}

∫C ds=∫01dsdu du=∫013(u2+2) du=[u3+6u]01=7\int_\mathcal{C} \ ds =\int_0^1 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}u}\ \mathrm{d}u =\int_0^1 3\big(u^2+2\big)\ \mathrm{d}u =\big[u^3+6u\big]_0^1 =7

(c) Denote by R(t)\mathbf{R}(t) the position of the particle at time tt. Then R(t)=r(u(t))  ⟹  R′(t)=r′(u(t))dudt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(u(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t} In particular, if the particle is at (1,3,6)(1,3,6) at time t1t_1, then u(t1)=1u(t_1)=1 and 6 ı^+12 ȷ^+12 k^=R′(t1)=r′(1)dudt(t1)=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)dudt(t1)6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+12\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+12\,\hat{\mathbf{k}}=\mathbf{R}'(t_1)=\mathbf{r}'(1)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1) which implies that dudt(t1)=2\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)=2.

(d) By the product and chain rules, R′(t)=r′(u(t))dudt  ⟹  R′′(t)=r′′(u(t))(dudt)2+r′(u(t))d2udt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(u(t)\big)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(u(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2} In particular,

27 ı^+30 ȷ^+6 k^=R′′(t1)=r′′(1)(dudt(t1))2+r′(1)d2udt2(t1)=(6 ı^+6 ȷ^)22+(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)\begin{aligned} 27\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+30\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} &=\mathbf{R}''(t_1)=\mathbf{r}''(1)\Big(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}t}(t_1)\Big)^2 +\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \\ &=\big(6\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big)2^2+\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \end{aligned}

Simplifying 3 ı^+6 ȷ^+6 k^=(3 ı^+6 ȷ^+6 k^)d2udt2(t1)  ⟹  d2udt2(t1)=13\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}} =\big(3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+6\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1) \implies \frac{\mathrm{d^2}u}{\mathrm{d}{t}^2}(t_1)=1

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 24번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
154.CLP-4 · 1.1절 · 26번대학 수준우리말 번역

질량이 m=1m = 1 인 입자가 시각 00 에서 위치 r0=12 k^\mathbf{r}_0 = \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} 이고 속도 v0=π22 ı^\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} 이다. 이 입자는 다음 힘을 받아 움직인다.

F(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^.\mathbf{F}(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}.

(a) 입자의 위치 r(t)\mathbf{r}(t) 를 tt 에 대한 식으로 구하세요. (b) 시각 t=0t = 0 이후 입자가 평면 x=0x = 0 을 처음으로 지나는 시각은 언제인지 구하세요. (c) (b)에서 입자가 평면 x=0x = 0 을 지날 때의 속도를 구하세요.

영어 원문 보기

A particle of mass m=1m = 1 has position r0=12 k^\mathbf{r}_0 = \frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} and velocity v0=π22 ı^\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} at time 00. It moves under a force

F(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^.\mathbf{F}(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}.

(a) Determine the position r(t)\mathbf{r}(t) of the particle depending on tt. (b) At what time after time t=0t = 0 does the particle cross the plane x=0x = 0 for the first time? (c) What is the velocity of the particle when it crosses the plane x=0x = 0 in part (b)?

정답·풀이 보기

(a) 뉴턴의 법칙에 따라

mr′′(t)=F(t)이므로r′′(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^m\mathbf{r}''(t) = \mathbf{F}(t)\qquad\text{이므로}\qquad \mathbf{r}''(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}

한 번 적분하면

r′(t)=−3t22 ı^−cos⁡t ȷ^+e2t k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = -3\frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - \cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c} \end{aligned}

이다. 여기서 c\mathbf{c} 는 어떤 상수 벡터이다. 주어진 조건 r′(0)=v0=π22 ı^\mathbf{r}'(0)=\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} 에서 c=π22 ı^+ȷ^−k^\mathbf{c}=\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}} 이므로

r′(t)=(π22−3t22) ı^+(1−cos⁡t) ȷ^+(e2t−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3t^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2t}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다.

한 번 더 적분하면

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} + \mathbf{c} \end{aligned}

이다. 여기서 c\mathbf{c} 는 (앞의 것과는 다른) 어떤 상수 벡터이다. 주어진 조건 r(0)=r0=12 k^\mathbf{r}(0)=\mathbf{r}_0 =\frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}} 에서 c=0\mathbf{c}=\mathbf{0} 이므로

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다.

(b) 입자가 평면 x=0x=0 위에 있는 것은

0=(π2t2−t32)=t2(π2−t2)  ⟺  t=0,±π\begin{aligned} 0=\left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right) =\frac{t}{2}(\pi^2-t^2) \iff t=0, \pm\pi \end{aligned}

일 때이다. 따라서 구하는 시각은 t=πt=\pi 이다.

(c) 시각 t=πt=\pi 에서의 속도는

r′(π)=(π22−3π22) ı^+(1−cos⁡π) ȷ^+(e2π−1) k^=−π2 ı^+2 ȷ^+(e2π−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(\pi) &= \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3\pi^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos\pi)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \\ &= -\pi^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) According to Newton,

mr′′(t)=F(t)so thatr′′(t)=−3t ı^+sin⁡t ȷ^+2e2t k^m\mathbf{r}''(t) = \mathbf{F}(t)\qquad\text{so that}\qquad \mathbf{r}''(t) = -3t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + 2e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}}

Integrating once gives

r′(t)=−3t22 ı^−cos⁡t ȷ^+e2t k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = -3\frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - \cos t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{2t}\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c} \end{aligned}

for some constant vector c\mathbf{c}. We are told that r′(0)=v0=π22 ı^\mathbf{r}'(0)=\mathbf{v}_0 =\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}. This forces c=π22 ı^+ȷ^−k^\mathbf{c}=\frac{\pi^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}} so that

r′(t)=(π22−3t22) ı^+(1−cos⁡t) ȷ^+(e2t−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3t^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2t}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

Integrating a second time gives

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^+c\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} + \mathbf{c} \end{aligned}

for some (other) constant vector c\mathbf{c}. We are told that r(0)=r0=12 k^\mathbf{r}(0)=\mathbf{r}_0 =\frac{1}{2}\,\hat{\mathbf{k}}. This forces c=0\mathbf{c}=\mathbf{0} so that

r(t)=(π2t2−t32) ı^+(t−sin⁡t) ȷ^+(12e2t−t) k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = \left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(t- \sin t)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \left(\frac{1}{2}e^{2t}-t\right)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(b) The particle is in the plane x=0x=0 when

0=(π2t2−t32)=t2(π2−t2)  ⟺  t=0,±π\begin{aligned} 0=\left(\frac{\pi^2 t}{2}-\frac{t^3}{2}\right) =\frac{t}{2}(\pi^2-t^2) \iff t=0, \pm\pi \end{aligned}

So the desired time is t=πt=\pi.

(c) At time t=πt=\pi, the velocity is

r′(π)=(π22−3π22) ı^+(1−cos⁡π) ȷ^+(e2π−1) k^=−π2 ı^+2 ȷ^+(e2π−1) k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(\pi) &= \left(\frac{\pi^2}{2}-\frac{3\pi^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(1- \cos\pi)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \\ &= -\pi^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \big(e^{2\pi}-1\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 31번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
155.CLP-4 · 1.1절 · 27번대학 수준우리말 번역

CC 를 곡면 y=x2y=x^2 과 z=23x3z=\frac{2}{3}x^3 의 교선이 만드는 곡선이라 하자. 한 입자가 dxdt>0\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}>0 이고 일정한 속력으로 CC 를 따라 움직인다. 이 입자는 시각 t=0t=0 에 (0,0,0)(0,0,0) 에 있고, 시각 t=72t=\frac{7}{2} 에 (3,9,18)(3,9,18) 에 있다.

(a) CC 에서 (0,0,0)(0,0,0) 과 (3,9,18)(3,9,18) 사이 부분의 길이를 구하세요. (b) 입자의 일정한 속력을 구하세요. (c) 입자가 (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) 에 있을 때 입자의 속도를 구하세요. (d) 입자가 (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) 에 있을 때 입자의 가속도를 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the curve of intersection of the surfaces y=x2y=x^2 and z=23x3z=\frac{2}{3}x^3. A particle moves along CC with constant speed such that dxdt>0\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}>0. The particle is at (0,0,0)(0,0,0) at time t=0t=0 and is at (3,9,18)(3,9,18) at time t=72t=\frac{7}{2}.

(a) Find the length of the part of CC between (0,0,0)(0,0,0) and (3,9,18)(3,9,18). (b) Find the constant speed of the particle. (c) Find the velocity of the particle when it is at (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big). (d) Find the acceleration of the particle when it is at (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big).

정답·풀이 보기

(a) CC 를 xx 로 매개화한다. y=x2y=x^2 이고 z=23x3z=\frac{2}{3}x^3 이므로

r(x)=x ı^+x2 ȷ^+23x3 k^r′(x)=ı^+2x ȷ^+2x2 k^r′′(x)=2 ȷ^+4x k^dsdx=∣r′(x)∣=1+4x2+4x4=1+2x2\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{2}{3}x^3\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2x^2\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(x)&=2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4x\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x} &=|\mathbf{r}'(x)| =\sqrt{1+4x^2+4x^4}=1+2x^2 \end{aligned}

이고 ∫C ds=∫03dsdx dx=∫03(1+2x2) dx=[x+23x3]03=21\int_C \ \mathrm{d}s =\int_0^3 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\ \mathrm{d}x =\int_0^3 \big(1+2x^2\big)\ \mathrm{d}x ={\Big[x+\frac{2}{3}x^3\Big]}_0^3 =21

(b) 입자는 72\frac{7}{2} 시간 단위 동안 21 단위의 거리를 이동했다. 따라서 속력은 217/2=6\frac{21}{7/2}=6 이다.

(c) 시각 tt 에서 입자의 위치를 R(t)\mathbf{R}(t) 라 하자. 그러면 R(t)=r(x(t))  ⟹  R′(t)=r′(x(t))dxdt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(x(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} (a), (b)와 합성함수의 미분법에 의해 6=dsdt=dsdxdxdt=(1+2x2)dxdt  ⟹  dxdt=61+2x26=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=(1+2x^2)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \implies \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2x^2} 특히, 입자가 (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) 에 있는 때는 x=1x=1 일 때이다. 이때 dxdt=61+2×1=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2\times 1}=2 이고 R′=r′(1)dxdt=(ı^+2 ȷ^+2 k^)2=2ı^+4 ȷ^+4 k^\mathbf{R}'=\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} =\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)2 =2\hat{\boldsymbol{\imath}}+4\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}

(d) 곱의 미분법과 합성함수의 미분법에 의해 R′(t)=r′(x(t))dxdt  ⟹  R′′(t)=r′′(x(t))(dxdt)2+r′(x(t))d2xdt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(x(t)\big){\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2 +\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} 6=(1+2x(t)2)dxdt(t)6=\big(1+2x(t)^2\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) 의 양변에 ddt\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} 를 적용하면 0=4x(dxdt)2+(1+2x2)d2xdt20=4x{\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2+(1+2x^2)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} 특히, x=1x=1 이고 dxdt=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=2 일 때, 0=4×1(2)2+(3)d2xdt20=4\times 1\big(2\big)^2+(3)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} 에서 d2xdt2=−163\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}=-\frac{16}{3} 이고 R′′=(2 ȷ^+4 k^)(2)2−(ı^+2 ȷ^+2 k^)163=−83(2ı^+ ȷ^−2 k^)\mathbf{R}''=\big(2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}\big)\big(2\big)^2 -\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{16}{3} = -\frac{8}{3}\big(2\hat{\boldsymbol{\imath}}+\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-2\,\hat{\mathbf{k}}\big)

원본 교재 풀이(영어)

(a) Parametrize CC by xx. Since y=x2y=x^2 and z=23x3z=\frac{2}{3}x^3,

r(x)=x ı^+x2 ȷ^+23x3 k^r′(x)=ı^+2x ȷ^+2x2 k^r′′(x)=2 ȷ^+4x k^dsdx=∣r′(x)∣=1+4x2+4x4=1+2x2\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{2}{3}x^3\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2x^2\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{r}''(x)&=2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4x\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x} &=|\mathbf{r}'(x)| =\sqrt{1+4x^2+4x^4}=1+2x^2 \end{aligned}

and ∫C ds=∫03dsdx dx=∫03(1+2x2) dx=[x+23x3]03=21\int_C \ \mathrm{d}s =\int_0^3 \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\ \mathrm{d}x =\int_0^3 \big(1+2x^2\big)\ \mathrm{d}x ={\Big[x+\frac{2}{3}x^3\Big]}_0^3 =21

(b) The particle travelled a distance of 21 units in 72\frac{7}{2} time units. This corresponds to a speed of 217/2=6\frac{21}{7/2}=6.

(c) Denote by R(t)\mathbf{R}(t) the position of the particle at time tt. Then R(t)=r(x(t))  ⟹  R′(t)=r′(x(t))dxdt\mathbf{R}(t)=\mathbf{r}\big(x(t)\big)\implies \mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} By parts (a) and (b) and the chain rule 6=dsdt=dsdxdxdt=(1+2x2)dxdt  ⟹  dxdt=61+2x26=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=(1+2x^2)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \implies \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2x^2} In particular, the particle is at (1,1,23)\big(1,1,\frac{2}{3}\big) at x=1x=1. At this time dxdt=61+2×1=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\frac{6}{1+2\times 1}=2 and R′=r′(1)dxdt=(ı^+2 ȷ^+2 k^)2=2ı^+4 ȷ^+4 k^\mathbf{R}'=\mathbf{r}'\big(1\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} =\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)2 =2\hat{\boldsymbol{\imath}}+4\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}

(d) By the product and chain rules, R′(t)=r′(x(t))dxdt  ⟹  R′′(t)=r′′(x(t))(dxdt)2+r′(x(t))d2xdt2\mathbf{R}'(t)=\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\implies \mathbf{R}''(t)=\mathbf{r}''\big(x(t)\big){\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2 +\mathbf{r}'\big(x(t)\big)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} Applying ddt\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} to 6=(1+2x(t)2)dxdt(t)6=\big(1+2x(t)^2\big)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}(t) gives 0=4x(dxdt)2+(1+2x2)d2xdt20=4x{\Big(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\Big)}^2+(1+2x^2)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} In particular, when x=1x=1 and dxdt=2\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=2, 0=4×1(2)2+(3)d2xdt20=4\times 1\big(2\big)^2+(3)\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2} gives d2xdt2=−163\frac{\mathrm{d^2}x}{\mathrm{d}{t}^2}=-\frac{16}{3} and R′′=(2 ȷ^+4 k^)(2)2−(ı^+2 ȷ^+2 k^)163=−83(2ı^+ ȷ^−2 k^)\mathbf{R}''=\big(2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+4\,\hat{\mathbf{k}}\big)\big(2\big)^2 -\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2\,\hat{\mathbf{k}}\big)\frac{16}{3} = -\frac{8}{3}\big(2\hat{\boldsymbol{\imath}}+\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-2\,\hat{\mathbf{k}}\big)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 30번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
156.CLP-4 · 1.1절 · 28번대학 수준우리말 번역

기둥에 설치된 카메라는 한 바퀴 전체를 돌 수 있다. 이 카메라가 한 물체를 추적하고 있는데, 시각 tt초에서 그 물체의 위치는 기둥으로부터 동쪽으로 x(t)x(t) 미터, 북쪽으로 y(t)y(t) 미터이다.

카메라가 항상 물체를 똑바로 향하려면, 시각 tt에서 카메라가 얼마나 빠르게 회전하도록 프로그램해야 하는지 구하세요. (답은 x(t)x(t), y(t)y(t) 및 이들의 도함수를 이용하여 rad/sec 단위로 나타내세요.)

영어 원문 보기

A camera mounted to a pole can swivel around in a full circle. It is tracking an object whose position at time tt seconds is x(t)x(t) metres east of the pole, and y(t)y(t) metres north of the pole.

In order to always be pointing directly at the object, how fast should the camera be programmed to rotate at time tt? (Give your answer in terms of x(t)x(t) and y(t)y(t) and their derivatives, in the units rad/sec.)

정답·풀이 보기

이 문제는 이미 카메라를 원점으로 하는 xyxy평면으로 설정되어 있으므로, 카메라가 향하는 방향의 벡터는 (x(t),y(t))(x(t),y(t))이다. θ\theta를 카메라가 양의 xx축(정동쪽)과 이루는 각이라 하자. 카메라, 물체, 정동쪽 방향(양의 xx축)은 직각삼각형을 이룬다.

그림

tan⁡θ=yxt에 대해 음함수 미분하면:sec⁡2θ dθdt=xy′−yx′x2dθdt=cos⁡2θ(xy′−yx′x2)=(xx2+y2)2(xy′−yx′x2)=xy′−yx′x2+y2\begin{aligned} \tan\theta&=\frac{y}{x}\\ \text{$t$에 대해 음함수 미분하면:} \\ \sec^2\theta\,\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\frac{xy'-yx'}{x^2}\\ \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\cos^2\theta\left(\frac{xy'-yx'}{x^2}\right)=\left(\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}\right)^2\left(\frac{xy'-yx'}{x^2}\right)=\frac{xy'-yx'}{{x^2+y^2}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The question is already set up as an xyxy-plane, with the camera at the origin, so the vector in the direction the camera is pointing is (x(t),y(t))(x(t),y(t)). Let θ\theta be the angle the camera makes with the positive xx-axis (due east). The camera, the object, and the due-east direction (positive xx-axis) make a right triangle.

figure

tan⁡θ=yxDifferentiating implicitly with respect to t:sec⁡2θ dθdt=xy′−yx′x2dθdt=cos⁡2θ(xy′−yx′x2)=(xx2+y2)2(xy′−yx′x2)=xy′−yx′x2+y2\begin{aligned} \tan\theta&=\frac{y}{x}\\ \text{Differentiating implicitly with respect to $t$:} \\ \sec^2\theta\,\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\frac{xy'-yx'}{x^2}\\ \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\cos^2\theta\left(\frac{xy'-yx'}{x^2}\right)=\left(\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}\right)^2\left(\frac{xy'-yx'}{x^2}\right)=\frac{xy'-yx'}{{x^2+y^2}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 27번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
157.CLP-4 · 1.1절 · 29번대학 수준우리말 번역

반지름이 3인 관이 곡선 r(t)=(223t3/2 , 12t2 , t+2)\mathbf{r}(t)=(\frac{2\sqrt2}{3}t^{3/2}~,~\frac12t^2~,~t+2) (0≤t≤100 \le t \le 10)의 경로를 따라 놓여 있다.

이 관의 내부 부피를 구하세요. 또 이 관의 겉넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

A pipe of radius 3 follows the path of the curve r(t)=(223t3/2 , 12t2 , t+2)\mathbf{r}(t)=(\frac{2\sqrt2}{3}t^{3/2}~,~\frac12t^2~,~t+2), for 0≤t≤100 \le t \le 10.

What is the volume inside the pipe? What is the surface area of the pipe?

정답·풀이 보기

파푸스의 정리를 이용하면, 이 관과 길이와 반지름이 같은 관의 겉넓이와 부피를 계산할 수 있다. 따라서 관의 길이 LL을 구해야 한다.

drdt=(2t,t,1)∣drdt∣=2t+t2+1=∣t+1∣L=∫010(t+1)dt=60\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}&=(\sqrt{2t},t,1)\\ \left| \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}\right|&=\sqrt{2t+t^2+1}=|t+1|\\ L&=\int_0^{10}(t+1)\mathrm{d}t=60 \end{aligned}

반지름이 3이고 길이가 60인 관의 겉넓이는 60(2π⋅3)=360π60(2\pi\cdot 3)=360\pi이고, 부피는 60(π⋅32)=540π60(\pi \cdot3^2)=540\pi이다.

원본 교재 풀이(영어)

Using the Theorem of Pappus, we can calculate the surface area and volume of a pipe with the same length and radius as this pipe. So, we need to find the length of the pipe, LL.

drdt=(2t,t,1)∣drdt∣=2t+t2+1=∣t+1∣L=∫010(t+1)dt=60\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}&=(\sqrt{2t},t,1)\\ \left| \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}\right|&=\sqrt{2t+t^2+1}=|t+1|\\ L&=\int_0^{10}(t+1)\mathrm{d}t=60 \end{aligned}

A pipe with radius 3 and length 60 has surface area 60(2π⋅3)=360π60(2\pi\cdot 3)=360\pi and volume 60(π⋅32)=540π60(\pi \cdot3^2)=540\pi.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 28번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
158.CLP-4 · 1.1절 · 30번대학 수준우리말 번역

전체 길이가 1000cm인 철사를 원형 나선 모양의 유연한 코일로 만들었습니다. 높이 1 cm마다 10번씩 감겨 있고 나선의 반지름이 3 cm일 때, 코일의 높이는 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

A wire of total length 1000cm is formed into a flexible coil that is a circular helix. If there are 10 turns to each centimetre of height and the radius of the helix is 3 cm, how tall is the coil?

정답·풀이 보기

일반적으로 나선은 다음과 같이 매개변수로 나타낼 수 있다.

r(θ)=acos⁡θ ı^+asin⁡θ ȷ^+bθ k^\mathbf{r}(\theta)=a\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+b\theta\,\hat{\mathbf{k}}

먼저 aa와 bb를 구해야 한다. 나선의 반지름이 33 cm이므로 a=3a=3 cm이다. 10번 감긴 후(즉 θ=20π\theta=20\pi) 높이 bθb\theta는 1 cm이다. 따라서 b(20π)=1b(20\pi)=1이고 b=120πb=\frac{1}{20\pi}cm/rad이다. 그러므로 r(θ)=3cos⁡θ ı^+3sin⁡θ ȷ^+120πθk^\mathbf{r}(\theta)=3\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{20\pi}\theta\hat{\mathbf{k}}이다.

나선이 한 바퀴 감길 때마다(즉 θ\theta가 2π2\pi만큼 증가할 때마다) 나선의 높이는 2πb=110cm2\pi b=\frac{1}{10}\textrm{cm}만큼 증가한다. 따라서 나선 한 바퀴에 들어가는 철사의 길이를 구하면, 나선이 모두 몇 바퀴 감기는지 쉽게 구할 수 있고, 이로부터 나선의 전체 높이를 구할 수 있다.

r′(θ)=−3sin⁡θ ı^+3cos⁡θ ȷ^+120πk^\mathbf{r}'(\theta)=-3\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{20\pi}\hat{\mathbf{k}}이므로 dsdθ=∣r′(θ)∣=9+1400π2\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}=\big|\mathbf{r}'(\theta)\big|=\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}이다. 따라서 나선 한 바퀴의 길이는

∫02π9+1400π2 dθ=2π9+1400π2\begin{aligned} \int_0^{2\pi}\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}\ \mathrm{d}\theta &=2\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}} \end{aligned}

이고, 1000cm의 철사로는

10002π9+1400π2=500π9+1400π2\frac{1000}{2\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}} =\frac{500}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}}

바퀴를 만들 수 있다. 한 바퀴마다 높이가 110cm\frac{1}{10}\textrm{cm}씩 늘어나므로 전체 높이는

500π9+1400π2⋅110=50π9+1400π2≈5.3 cm\frac{500}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}}\cdot \frac{1}{10} =\frac{50}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}} \approx 5.3\textrm{ cm}

이다.

참고. 각 바퀴가 늘리는 높이는 (반지름에 비해) 매우 작다는 점을 이용하면 이 답이 타당한지 확인할 수 있다. 따라서 한 바퀴의 길이는 반지름이 같은 원의 둘레, 즉 6π6\pi와 거의 같을 것으로 예상된다. 철사로 실제 원을 만든다면 10006π\frac{1000}{6\pi}개를 만들 수 있다. 1 cm당 10개씩 쌓으면 높이는 10006π⋅10\frac{1000}{6\pi\cdot 10}cm가 된다. 이 값도 약 5.35.3cm이므로 우리가 구한 결과가 타당하다고 할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

In general a helix can be parametrized by

r(θ)=acos⁡θ ı^+asin⁡θ ȷ^+bθ k^\mathbf{r}(\theta)=a\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+b\theta\,\hat{\mathbf{k}}

Our first task is to determine aa and bb. The radius of the helix is 33 cm, so a=3a=3 cm. After 10 turns (i.e. θ=20π\theta=20\pi) the height, bθb\theta, is 1 cm. So b(20π)=1b(20\pi)=1 and b=120πb=\frac{1}{20\pi}cm/rad. Thus r(θ)=3cos⁡θ ı^+3sin⁡θ ȷ^+120πθk^\mathbf{r}(\theta)=3\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{20\pi}\theta\hat{\mathbf{k}}.

With each full turn of the helix (i.e. each increase of θ\theta by 2π2\pi) the height of the helix increases by 2πb=110cm2\pi b=\frac{1}{10}\textrm{cm}. So if we can determine the length of wire in one full turn of the helix, we can easily determine how many turns the helix goes through in total, and from that we can determine the total height of the helix.

As r′(θ)=−3sin⁡θ ı^+3cos⁡θ ȷ^+120πk^\mathbf{r}'(\theta)=-3\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+3\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{1}{20\pi}\hat{\mathbf{k}} we have dsdθ=∣r′(θ)∣=9+1400π2\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}=\big|\mathbf{r}'(\theta)\big|=\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}. So the length of one full turn of the helix is

∫02π9+1400π2 dθ=2π9+1400π2\begin{aligned} \int_0^{2\pi}\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}\ \mathrm{d}\theta &=2\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}} \end{aligned}

and 1000cm of wire generates

10002π9+1400π2=500π9+1400π2\frac{1000}{2\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}} =\frac{500}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}}

turns. Each turn adds 110cm\frac{1}{10}\textrm{cm} to the height, so the total height is

500π9+1400π2⋅110=50π9+1400π2≈5.3 cm\frac{500}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}}\cdot \frac{1}{10} =\frac{50}{\pi\sqrt{9+\frac{1}{400\pi^2}}} \approx 5.3\textrm{ cm}

Remark. We can check that this answer is reasonable by taking advantage of the fact that each coil adds only a very small height (relative to the radius). So we expect the length of one coil to be about the same as the circumference of a circle of the same radius, namely 6π6\pi. If we were making actual circles of the wire, there would be 10006π\frac{1000}{6\pi} of them. Stacking up at 10 per centimetre, this would make a pile of height 10006π⋅10\frac{1000}{6\pi\cdot 10}cm. Since this number is also approximately 5.35.3cm, we feel our result is reasonable.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 26번
# 벡터함수의 미분과 적분계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
159.CLP-4 · 1.1절 · 31번대학 수준우리말 번역

중력의 영향을 받아 떨어지면서 속력에 비례하는 공기 저항으로 느려지는 발사체의 위치는 다음을 만족한다.

d2rdt2=−gk^−αdrdt\frac{\mathrm{d^2}\mathbf{r}}{\mathrm{d}{t}^2}=-g\hat{\mathbf{k}}-\alpha\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}

여기서 α\alpha 는 양의 상수이다. 시각 t=0t=0 에서 r=r0\mathbf{r}=\mathbf{r}_0 이고 drdt=v0\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}=\mathbf{v}_0 일 때, r(t)\mathbf{r}(t) 를 구하세요.

영어 원문 보기

A projectile falling under the influence of gravity and slowed by air resistance proportional to its speed has position satisfying

d2rdt2=−gk^−αdrdt\frac{\mathrm{d^2}\mathbf{r}}{\mathrm{d}{t}^2}=-g\hat{\mathbf{k}}-\alpha\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}

where α\alpha is a positive constant. If r=r0\mathbf{r}=\mathbf{r}_0 and drdt=v0\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}=\mathbf{v}_0 at time t=0t=0, find r(t)\mathbf{r}(t).

정답·풀이 보기

u(t)=eαtdrdt(t)\mathbf{u}(t)=e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t) 로 정의하자. 그러면

dudt(t)=αeαtdrdt(t)+eαtd2rdt2(t)=αeαtdrdt(t)−geαtk^−αeαtdrdt(t)=−geαtk^\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}\mathbf{u}}{\mathrm{d}t}(t)&=\alpha e^{\alpha t}\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t) +e^{\alpha t}\frac{d^2\mathbf{r}}{dt^2}(t)\\ &=\alpha e^{\alpha t}\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t) -ge^{\alpha t}\hat{\mathbf{k}} -\alpha e^{\alpha t}\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)\\ &=-ge^{\alpha t}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이 등식의 양변을 t=0t=0 에서 t=Tt=T 까지 적분하면

u(T)−u(0)=−geαT−1αk^\mathbf{u}(T)-\mathbf{u}(0)=-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}}

이므로

u(T)=u(0)−geαT−1αk^=drdt(0)−geαT−1αk^=v0−geαT−1αk^\mathbf{u}(T)=\mathbf{u}(0)-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} =\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(0)-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} =\mathbf{v}_0-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}}

이다. u(T)=eαtdrdt(T)\mathbf{u}(T)=e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(T) 를 대입하고 양변에 e−αTe^{-\alpha T} 를 곱하면

drdt(T)=e−αTv0−g1−e−αTαk^\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(T) =e^{-\alpha T}\mathbf{v}_0-g\frac{1-e^{-\alpha T}}{\alpha}\hat{\mathbf{k}}

이다. 이 등식의 양변을 T=0T=0 에서 T=tT=t 까지 적분하면

r(t)−r(0)=e−αt−1−αv0−gtαk^+ge−αt−1−α2k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)-\mathbf{r}(0) =\frac{e^{-\alpha t}-1}{-\alpha}\mathbf{v}_0-g\frac{ t}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} +g\frac{e^{-\alpha t}-1}{-\alpha^2}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이므로

r(t)=r0−e−αt−1αv0+g1−αt−e−αtα2k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)=\mathbf{r}_0-\frac{e^{-\alpha t}-1}{\alpha}\mathbf{v}_0 +g\frac{1-\alpha t-e^{-\alpha t}}{\alpha^2}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Define u(t)=eαtdrdt(t)\mathbf{u}(t)=e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t). Then

dudt(t)=αeαtdrdt(t)+eαtd2rdt2(t)=αeαtdrdt(t)−geαtk^−αeαtdrdt(t)=−geαtk^\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}\mathbf{u}}{\mathrm{d}t}(t)&=\alpha e^{\alpha t}\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t) +e^{\alpha t}\frac{d^2\mathbf{r}}{dt^2}(t)\\ &=\alpha e^{\alpha t}\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t) -ge^{\alpha t}\hat{\mathbf{k}} -\alpha e^{\alpha t}\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)\\ &=-ge^{\alpha t}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

Integrating both sides of this equation from t=0t=0 to t=Tt=T gives

u(T)−u(0)=−geαT−1αk^\mathbf{u}(T)-\mathbf{u}(0)=-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}}

so that

u(T)=u(0)−geαT−1αk^=drdt(0)−geαT−1αk^=v0−geαT−1αk^\mathbf{u}(T)=\mathbf{u}(0)-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} =\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(0)-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} =\mathbf{v}_0-g\frac{e^{\alpha T}-1}{\alpha}\hat{\mathbf{k}}

Substituting in u(T)=eαtdrdt(T)\mathbf{u}(T)=e^{\alpha t}\frac{d\mathbf{r}}{dt}(T) and multiplying through by e−αTe^{-\alpha T} gives

drdt(T)=e−αTv0−g1−e−αTαk^\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(T) =e^{-\alpha T}\mathbf{v}_0-g\frac{1-e^{-\alpha T}}{\alpha}\hat{\mathbf{k}}

Integrating both sides of this equation from T=0T=0 to T=tT=t gives

r(t)−r(0)=e−αt−1−αv0−gtαk^+ge−αt−1−α2k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)-\mathbf{r}(0) =\frac{e^{-\alpha t}-1}{-\alpha}\mathbf{v}_0-g\frac{ t}{\alpha}\hat{\mathbf{k}} +g\frac{e^{-\alpha t}-1}{-\alpha^2}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

so that

r(t)=r0−e−αt−1αv0+g1−αt−e−αtα2k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t)=\mathbf{r}_0-\frac{e^{-\alpha t}-1}{\alpha}\mathbf{v}_0 +g\frac{1-\alpha t-e^{-\alpha t}}{\alpha^2}\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.1절 · 25번
# 벡터함수의 미분과 적분활용도전자동 분류
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