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7문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 1.2절 · 16번대학 수준우리말 번역

구의 지름 하나의 양 끝점이 (2,1,4)(2,1,4) 와 (4,3,10)(4,3,10) 일 때, 이 구의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the equation of a sphere if one of its diameters has end points (2,1,4)(2,1,4) and (4,3,10)(4,3,10).

정답·풀이 보기

구의 중심은 12{(2,1,4)+(4,3,10)}=(3,2,7)\tfrac{1}{2}\big\{(2,1,4)+(4,3,10)\big\}=(3,2,7) 이다. 지름(즉 반지름의 2배)은 ∣(2,1,4)−(4,3,10)∣=∣(−2,−2,−6)∣=2∣(1,1,3)∣=211|(2,1,4)-(4,3,10)|=|(-2,-2,-6)|=2|(1,1,3)|=2\sqrt{11} 이다. 따라서 구의 반지름은 11\sqrt{11} 이고 구의 방정식은 다음과 같다.

(x−3)2+(y−2)2+(z−7)2=11(x-3)^2+(y-2)^2+(z-7)^2=11

원본 교재 풀이(영어)

The center of the sphere is 12{(2,1,4)+(4,3,10)}=(3,2,7)\tfrac{1}{2}\big\{(2,1,4)+(4,3,10)\big\}=(3,2,7). The diameter (i.e. twice the radius) is ∣(2,1,4)−(4,3,10)∣=∣(−2,−2,−6)∣=2∣(1,1,3)∣=211|(2,1,4)-(4,3,10)|=|(-2,-2,-6)|=2|(1,1,3)|=2\sqrt{11}. So the radius of the sphere is 11\sqrt{11} and the equation of the sphere is

(x−3)2+(y−2)2+(z−7)2=11(x-3)^2+(y-2)^2+(z-7)^2=11

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 17번
# 벡터의 연산계산보통자동 분류
2.CLP-3 · 1.2절 · 17번대학 수준우리말 번역

벡터를 이용하여 삼각형의 두 변의 중점을 잇는 선분이 나머지 한 변과 평행하고 그 길이가 나머지 한 변의 길이의 절반임을 증명하세요.

영어 원문 보기

Use vectors to prove that the line joining the midpoints of two sides of a triangle is parallel to the third side and half its length.

정답·풀이 보기

삼각형의 꼭짓점을 AA, BB, CC 라 하고, CC 는 두 변이 만나는 꼭짓점이라 하자. 좌표계는 언제든지 CC 가 원점에 오도록 잡을 수 있다. CC 에서 AA 로 향하는 벡터를 a\mathbf{a}, CC 에서 BB 로 향하는 벡터를 b\mathbf{b} 라 하자.

그림

  • 그러면 CC 에서 CC 와 AA 를 잇는 변의 중점으로 향하는 벡터는 12a\tfrac{1}{2}\mathbf{a} 이고,
  • CC 에서 CC 와 BB 를 잇는 변의 중점으로 향하는 벡터는 12b\tfrac{1}{2}\mathbf{b} 이므로,
  • 두 중점을 잇는 벡터는 12b−12a\tfrac{1}{2}\mathbf{b}-\tfrac{1}{2}\mathbf{a} 이다.

AA 에서 BB 로 향하는 벡터는 b−a=2[12b−12a]\mathbf{b}-\mathbf{a}=2\big[\tfrac{1}{2}\mathbf{b}-\tfrac{1}{2}\mathbf{a}\big] 이므로, 두 중점을 잇는 선분은 나머지 한 변과 평행하고 그 길이는 나머지 한 변의 길이의 절반이다.

원본 교재 풀이(영어)

Call the vertices of the triangle AA, BB and CC with CC being the vertex that joins the two sides. We can always choose our coordinate system so that CC is at the origin. Let a\mathbf{a} be the vector from CC to AA and b\mathbf{b} be the vector from CC to BB.

figure

  • Then the vector from CC to the midpoint of the side from CC to AA is 12a\tfrac{1}{2}\mathbf{a} and
  • the vector from CC to the midpoint of the side from CC to BB is 12b\tfrac{1}{2}\mathbf{b} so that
  • the vector joining the two midpoints is 12b−12a\tfrac{1}{2}\mathbf{b}-\tfrac{1}{2}\mathbf{a}.

As the vector from AA to BB is b−a=2[12b−12a]\mathbf{b}-\mathbf{a}=2\big[\tfrac{1}{2}\mathbf{b}-\tfrac{1}{2}\mathbf{a}\big], the line joining the midpoints is indeed parallel to the third side and half its length.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 7번
# 벡터의 연산증명·논술보통자동 분류
3.CLP-3 · 1.2절 · 19번대학 수준우리말 번역

다음과 같이 정의된 평면 WW 를 생각하세요.

W : −x+3y+3z=6,W\ :\ -x + 3y + 3z = 6,\qquad

WW 위에서 0≤x≤30 \le x \le 3, 0≤y≤20 \le y \le 2 로 정의되는 평행사변형의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the plane WW, defined by:

W : −x+3y+3z=6,W\ :\ -x + 3y + 3z = 6,\qquad

Find the area of the parallelogram on WW defined by 0≤x≤30 \le x \le 3, 0≤y≤20 \le y \le 2.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

다음에 유의한다.

  • WW 위의 점 중 x=0x=0, y=0y=0 인 점은 −0+3(0)+3z=6-0+3(0)+3z=6 을 만족시키므로 z=2z=2 이다.
  • WW 위의 점 중 x=0x=0, y=2y=2 인 점은 −0+3(2)+3z=6-0+3(2)+3z=6 을 만족시키므로 z=0z=0 이다.
  • WW 위의 점 중 x=3x=3, y=0y=0 인 점은 −3+3(0)+3z=6-3+3(0)+3z=6 을 만족시키므로 z=3z=3 이다.
  • WW 위의 점 중 x=3x=3, y=2y=2 인 점은 −3+3(2)+3z=6-3+3(2)+3z=6 을 만족시키므로 z=1z=1 이다.

따라서 평행사변형의 네 꼭짓점은 (0,0,2)(0,0,2), (0,2,0)(0,2,0), (3,0,3)(3,0,3), (3,2,1)(3,2,1) 이다. 벡터

d1=<0−0 , 2−0 , 0−2>=<0 , 2 , −2>d2=<3−0 , 0−0 , 3−2>=<3 , 0 , 1>\begin{aligned} \mathbf{d}_1&=\left< 0-0 \,,\, 2-0 \,,\, 0-2 \right> = \left< 0 \,,\, 2 \,,\, -2\right> \\ \mathbf{d}_2&=\left< 3-0 \,,\, 0-0 \,,\, 3-2 \right> = \left< 3 \,,\, 0 \,,\, 1\right> \end{aligned}

는 평행사변형의 두 변을 이룬다. 따라서 평행사변형의 넓이는

∣d1×d2∣=∣det⁡[ı^ȷ^k^02−2301]∣=∣2 ı^−6 ȷ^−6k^∣=76=219\begin{aligned} \big|\mathbf{d}_1\times\mathbf{d}_2\big| =\left|\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 2 & -2 \\ 3 & 0 & 1 \end{matrix}\right]\right| =\left| 2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - 6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -6\hat{\mathbf{k}} \right| =\sqrt{76} =2\sqrt{19} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Note that

  • the point on WW with x=0x=0, y=0y=0 obeys −0+3(0)+3z=6-0+3(0)+3z=6 and so has z=2z=2
  • the point on WW with x=0x=0, y=2y=2 obeys −0+3(2)+3z=6-0+3(2)+3z=6 and so has z=0z=0
  • the point on WW with x=3x=3, y=0y=0 obeys −3+3(0)+3z=6-3+3(0)+3z=6 and so has z=3z=3
  • the point on WW with x=3x=3, y=2y=2 obeys −3+3(2)+3z=6-3+3(2)+3z=6 and so has z=1z=1

So the four corners of the parallelogram are (0,0,2)(0,0,2), (0,2,0)(0,2,0), (3,0,3)(3,0,3) and (3,2,1)(3,2,1). The vectors

d1=<0−0 , 2−0 , 0−2>=<0 , 2 , −2>d2=<3−0 , 0−0 , 3−2>=<3 , 0 , 1>\begin{aligned} \mathbf{d}_1&=\left< 0-0 \,,\, 2-0 \,,\, 0-2 \right> = \left< 0 \,,\, 2 \,,\, -2\right> \\ \mathbf{d}_2&=\left< 3-0 \,,\, 0-0 \,,\, 3-2 \right> = \left< 3 \,,\, 0 \,,\, 1\right> \end{aligned}

form two sides of the paralleogram. So the area of the parallelogram is

∣d1×d2∣=∣det⁡[ı^ȷ^k^02−2301]∣=∣2 ı^−6 ȷ^−6k^∣=76=219\begin{aligned} \big|\mathbf{d}_1\times\mathbf{d}_2\big| =\left|\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ 0 & 2 & -2 \\ 3 & 0 & 1 \end{matrix}\right]\right| =\left| 2\,\hat{\boldsymbol{\imath}} - 6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -6\hat{\mathbf{k}} \right| =\sqrt{76} =2\sqrt{19} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2장 복습 · 15번
# 벡터의 연산활용보통자동 분류
4.CLP-3 · 1.2절 · 24번대학 수준우리말 번역

u=−2ı^+5ȷ^\mathbf{u}=-2\hat{\boldsymbol{\imath}}+5\hat{\boldsymbol{\jmath}}, v=αı^−2ȷ^\mathbf{v}=\alpha \hat{\boldsymbol{\imath}}-2\hat{\boldsymbol{\jmath}} 라 하자. 다음을 만족시키는 α\alpha 를 구하세요.

(a) u⊥v\mathbf{u}\perp\mathbf{v} (b) u∥v\mathbf{u} \| \mathbf{v} (c) u\mathbf{u} 와 v\mathbf{v} 가 이루는 각이 60∘60^\circ 이다.

영어 원문 보기

Let u=−2ı^+5ȷ^\mathbf{u}=-2\hat{\boldsymbol{\imath}}+5\hat{\boldsymbol{\jmath}} and v=αı^−2ȷ^\mathbf{v}=\alpha \hat{\boldsymbol{\imath}}-2\hat{\boldsymbol{\jmath}}. Find α\alpha so that

(a) u⊥v\mathbf{u}\perp\mathbf{v} (b) u∥v\mathbf{u} \| \mathbf{v} (c) The angle between u\mathbf{u} and v\mathbf{v} is 60∘60^\circ.

정답·풀이 보기

(a) 0=u⋅v=−2α−100=\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}=-2\alpha -10 이어야 하므로 α=−5\alpha =-5 이다.

(b) −2/α=5/(−2)-2/\alpha =5/(-2) 이어야 하므로 α=0.8\alpha =0.8 이다.

(c) u⋅v=−2α−10=∣u∣ ∣v∣ cos⁡60∘=29 α2+4 12\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}=-2\alpha -10 =|\mathbf{u}|\,|\mathbf{v}|\,\cos 60^\circ =\sqrt{29}\,\sqrt{\alpha ^2+4}\,\tfrac{1}{2} 이어야 한다. 양변을 제곱하면

4α2+40α+100=294(α2+4)  ⟹  13α2−160α−284=0  ⟹  α=160±1602+4×13×28426≈13.88 또는 −1.574\begin{aligned} & & 4\alpha ^2+40\alpha +100&=\frac{29}{4}(\alpha ^2+4) \\ &\implies\quad & 13\alpha ^2-160\alpha -284&=0 \\ &\implies\quad & \alpha &=\frac{160\pm\sqrt{160^2+4\times13\times284}}{26} \approx 13.88\text{ 또는 }-1.574 \end{aligned}

이 두 α\alpha 값 모두 u⋅v<0\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}<0 이므로 조건을 만족시키는 α\alpha 는 없다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We want 0=u⋅v=−2α−100=\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}=-2\alpha -10 or α=−5\alpha =-5.

(b) We want −2/α=5/(−2)-2/\alpha =5/(-2) or α=0.8\alpha =0.8.

(c) We want u⋅v=−2α−10=∣u∣ ∣v∣ cos⁡60∘=29 α2+4 12\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}=-2\alpha -10 =|\mathbf{u}|\,|\mathbf{v}|\,\cos 60^\circ =\sqrt{29}\,\sqrt{\alpha ^2+4}\,\tfrac{1}{2}. Squaring both sides gives

4α2+40α+100=294(α2+4)  ⟹  13α2−160α−284=0  ⟹  α=160±1602+4×13×28426≈13.88 or −1.574\begin{aligned} & & 4\alpha ^2+40\alpha +100&=\frac{29}{4}(\alpha ^2+4) \\ &\implies\quad & 13\alpha ^2-160\alpha -284&=0 \\ &\implies\quad & \alpha &=\frac{160\pm\sqrt{160^2+4\times13\times284}}{26} \approx 13.88\text{ or }-1.574 \end{aligned}

Both of these α\alpha 's give u⋅v<0\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}<0 so no α\alpha works.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.1절 · 17번
# 벡터의 연산계산보통자동 분류
5.CLP-3 · 1.2절 · 25번대학 수준우리말 번역

a=<1,2,3>\mathbf{a}=\left< 1,2,3\right>, b=<4,10,6>\mathbf{b}=\left< 4,10,6\right> 이라 하자.

(a) a\mathbf{a} 방향으로의 b\mathbf{b} 의 성분을 구하세요. (b) a\mathbf{a} 위로의 b\mathbf{b} 의 정사영을 구하세요. (c) a\mathbf{a} 에 수직인 방향으로의 b\mathbf{b} 의 정사영을 구하세요.

영어 원문 보기

Define a=<1,2,3>\mathbf{a}=\left< 1,2,3\right> and b=<4,10,6>\mathbf{b}=\left< 4,10,6\right>.

(a) Find the component of b\mathbf{b} in the direction a\mathbf{a}. (b) Find the projection of b\mathbf{b} on a\mathbf{a}. (c) Find the projection of b\mathbf{b} perpendicular to a\mathbf{a}.

정답·풀이 보기

(a) a\mathbf{a} 방향으로의 b\mathbf{b} 의 성분은 b⋅a∣a∣=1×4+2×10+3×61+4+9=4214\mathbf{b}\cdot\frac{\mathbf{a}}{|\mathbf{a}|} =\frac{1\times 4+2\times 10+3\times 6}{\sqrt{1+4+9}} =\text{$\frac{42}{\sqrt{14}}$} 이다.

(b) a\mathbf{a} 위로의 b\mathbf{b} 의 정사영은 길이가 42/1442/\sqrt{14} 이고 방향이 a/∣a∣\mathbf{a}/|\mathbf{a}| 인 벡터, 즉 4214<1,2,3>=<3,6,9>\frac{42}{14}\left< 1,2,3\right>=\left< 3,6,9\right> 이다.

(c) a\mathbf{a} 에 수직인 방향으로의 b\mathbf{b} 의 정사영은 b\mathbf{b} 에서 a\mathbf{a} 위로의 정사영을 뺀 벡터, 즉 <4,10,6>−<3,6,9>=<1,4,−3>\left< 4,10,6\right>-\left< 3,6,9\right>=\left< 1,4,-3\right> 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The component of b\mathbf{b} in the direction a\mathbf{a} is b⋅a∣a∣=1×4+2×10+3×61+4+9=4214\mathbf{b}\cdot\frac{\mathbf{a}}{|\mathbf{a}|} =\frac{1\times 4+2\times 10+3\times 6}{\sqrt{1+4+9}} =\text{$\frac{42}{\sqrt{14}}$}

(b) The projection of b\mathbf{b} on a\mathbf{a} is a vector of length 42/1442/\sqrt{14} in direction a/∣a∣\mathbf{a}/|\mathbf{a}|, namely 4214<1,2,3>=<3,6,9>\frac{42}{14}\left< 1,2,3\right>=\left< 3,6,9\right>.

(c) The projection of b\mathbf{b} perpendicular to a\mathbf{a} is b\mathbf{b} minus its projection on a\mathbf{a}, namely <4,10,6>−<3,6,9>=<1,4,−3>\left< 4,10,6\right>-\left< 3,6,9\right>=\left< 1,4,-3\right>.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2장 복습 · 11번
# 벡터의 연산계산보통자동 분류
6.CLP-3 · 1.2절 · 26번대학 수준우리말 번역

<1,2,3>×<4,5,6>\left< 1,2,3\right>\times\left< 4,5,6\right> 을 계산하세요.

영어 원문 보기

Compute <1,2,3>×<4,5,6>\left< 1,2,3\right>\times\left< 4,5,6\right>.

정답·풀이 보기

<1,2,3>×<4,5,6>=det⁡[ı^ȷ^k^123456]=ı^ (2×6−3×5)−ȷ^ (1×6−3×4)+k^ (1×5−2×4)=−3 ı^+6 ȷ^−3 k^\begin{aligned} \left< 1,2,3\right>\times\left< 4,5,6\right> &=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ 1&2&3 \\ 4&5&6\end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}}\,(2\times 6-3\times 5) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,(1\times 6-3\times 4) +\hat{\mathbf{k}}\,(1\times 5-2\times 4) \\ &=-3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-3\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

<1,2,3>×<4,5,6>=det⁡[ı^ȷ^k^123456]=ı^ (2×6−3×5)−ȷ^ (1×6−3×4)+k^ (1×5−2×4)=−3 ı^+6 ȷ^−3 k^\begin{aligned} \left< 1,2,3\right>\times\left< 4,5,6\right> &=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ 1&2&3 \\ 4&5&6\end{matrix}\right] =\hat{\boldsymbol{\imath}}\,(2\times 6-3\times 5) -\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,(1\times 6-3\times 4) +\hat{\mathbf{k}}\,(1\times 5-2\times 4) \\ &=-3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+6\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-3\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.1절 · 11번
# 벡터의 연산계산보통자동 분류
7.CLP-3 · 1.2절 · 30번대학 수준우리말 번역

단위 질량의 입자 PP 의 시각 tt 에서의 공간상 위치가 r(t)\mathbf{r}(t) 일 때, 이 입자의 각운동량은 L(t)=r(t)×r′(t)L(t)=\mathbf{r}(t)\times\mathbf{r}'(t) 이다. 어떤 스칼라 함수 ρ\rho 에 대해 r′′(t)=ρ(t)r(t)\mathbf{r}''(t)=\rho(t)\mathbf{r}(t) 이면, LL 이 상수, 즉 시간에 따라 변하지 않음을 보이세요. 여기서 ′' 은 ddt\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} 를 뜻한다.

영어 원문 보기

A particle PP of unit mass whose position in space at time tt is r(t)\mathbf{r}(t) has angular momentum L(t)=r(t)×r′(t)L(t)=\mathbf{r}(t)\times\mathbf{r}'(t). If r′′(t)=ρ(t)r(t)\mathbf{r}''(t)=\rho(t)\mathbf{r}(t) for a scalar function ρ\rho, show that LL is constant, i.e. does not change with time. Here ′' denotes ddt\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}.

정답·풀이 보기

LL 의 도함수는

dLdt=ddt(r(t)×r′(t))=r′(t)×r′(t)+r(t)×r′′(t)=r′(t)×r′(t)+r(t)×(ρ(t)r(t))\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}L}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big(\mathbf{r}(t)\times\mathbf{r}'(t)\big) =\mathbf{r}'(t)\times\mathbf{r}'(t)+\mathbf{r}(t)\times\mathbf{r}''(t) =\mathbf{r}'(t)\times\mathbf{r}'(t)+\mathbf{r}(t)\times\big(\rho(t)\mathbf{r}(t)\big) \end{aligned}

이다. 평행한 두 벡터의 외적은 영벡터이므로 두 항이 모두 0이 된다. 따라서 dLdt=0\frac{\mathrm{d}L}{\mathrm{d}t}=0 이고, L(t)L(t) 는 tt 에 관계없이 일정하다.

원본 교재 풀이(영어)

The derivative of LL is

dLdt=ddt(r(t)×r′(t))=r′(t)×r′(t)+r(t)×r′′(t)=r′(t)×r′(t)+r(t)×(ρ(t)r(t))\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}L}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\big(\mathbf{r}(t)\times\mathbf{r}'(t)\big) =\mathbf{r}'(t)\times\mathbf{r}'(t)+\mathbf{r}(t)\times\mathbf{r}''(t) =\mathbf{r}'(t)\times\mathbf{r}'(t)+\mathbf{r}(t)\times\big(\rho(t)\mathbf{r}(t)\big) \end{aligned}

Both terms vanish because the cross product of any two parallel vectors is zero. So dLdt=0\frac{\mathrm{d}L}{\mathrm{d}t}=0 and L(t)L(t) is independent of tt.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 26번
# 벡터의 연산증명·논술보통자동 분류