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147문제 · 8 / 8쪽

141.CLP-3 · 1.2절 · 32번대학 수준우리말 번역

한 모서리의 길이가 ss 인 정육면체를 생각하세요. 정육면체 아래쪽의 네 꼭짓점을 차례로 A,B,C,DA, B, C, D 라 하고, 위쪽의 대응하는 네 꼭짓점을 A′,B′,C′,D′A', B', C', D' 이라 하세요.

(a) 사면체 A′C′BDA'C'BD 의 모든 모서리의 길이가 같음을 보이세요. (b) EE 를 정육면체의 중심이라 할 때, EAEA 와 ECEC 가 이루는 각을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider a cube such that each side has length ss. Name, in order, the four vertices on the bottom of the cube A,B,C,DA, B, C, D and the corresponding four vertices on the top of the cube A′,B′,C′,D′A', B', C', D'.

(a) Show that all edges of the tetrahedron A′C′BDA'C'BD have the same length. (b) Let EE be the center of the cube. Find the angle between EAEA and ECEC.

정답·풀이 보기

좌표축을 A=(0,0,0)A=(0,0,0), B=(s,0,0)B=(s,0,0), C=(s,s,0)C=(s,s,0), D=(0,s,0)D=(0,s,0) 이고 A′=(0,0,s)A'=(0,0,s), B′=(s,0,s)B'=(s,0,s), C′=(s,s,s)C'=(s,s,s), D′=(0,s,s)D'=(0,s,s) 가 되도록 잡을 수 있다.

(a) 그러면

∣A′C′∣=∣<s,s,s>−<0,0,s>∣=∣<s,s,0>∣=2 s∣A′B∣=∣<s,0,0>−<0,0,s>∣=∣<s,0,−s>∣=2 s∣A′D∣=∣<0,s,0>−<0,0,s>∣=∣<0,s,−s>∣=2 s∣C′B∣=∣<s,0,0>−<s,s,s>∣=∣<0,−s,−s>∣=2 s∣C′D∣=∣<0,s,0>−<s,s,s>∣=∣<−s,0,−s>∣=2 s∣BD∣=∣<0,s,0>−<s,0,0>∣=∣<−s,s,0>∣=2 s\begin{aligned} |A'C'|&=\big|\left< s,s,s\right> -\left< 0,0,s\right> \big| &&=\big|\left< s,s,0\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |A'B|&=\big|\left< s,0,0\right> -\left< 0,0,s\right> \big| &&=\big|\left< s,0,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |A'D|&=\big|\left< 0,s,0\right> -\left< 0,0,s\right> \big| &&=\big|\left< 0,s,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |C'B|&=\big|\left< s,0,0\right> -\left< s,s,s\right> \big| &&=\big|\left< 0,-s,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |C'D|&=\big|\left< 0,s,0\right> -\left< s,s,s\right> \big| &&=\big|\left< -s,0,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |BD|&=\big|\left< 0,s,0\right> -\left< s,0,0\right> \big| &&=\big|\left< -s,s,0\right> \big|&=\sqrt{2}\,s \end{aligned}

(b) E=12(s,s,s)E=\tfrac{1}{2}(s,s,s) 이므로 EA=<0,0,0>−12<s,s,s>=−12<s,s,s>EA=\left< 0,0,0\right> -\tfrac{1}{2}\left< s,s,s\right> =-\tfrac{1}{2}\left< s,s,s\right> 이고 EC=<s,s,0>−12<s,s,s>=12<s,s,−s>EC=\left< s,s,0\right> -\tfrac{1}{2}\left< s,s,s\right> =\tfrac{1}{2}\left< s,s,-s\right> 이다. cos⁡θ=−<s,s,s>⋅<s,s,−s>∣<s,s,s>∣ ∣<s,s,−s>∣=−s23s2=−13  ⟹  θ=109.5∘\cos\theta =\frac{-\left< s,s,s\right> \cdot\left< s,s,-s\right>} {|\left< s,s,s\right> |\,|\left< s,s,-s\right> |} =\frac{-s^2}{3s^2} =-\frac{1}{3} \qquad \implies\quad \theta=109.5^\circ

원본 교재 풀이(영어)

We may choose our coordinate axes so that A=(0,0,0)A=(0,0,0), B=(s,0,0)B=(s,0,0), C=(s,s,0)C=(s,s,0), D=(0,s,0)D=(0,s,0) and A′=(0,0,s)A'=(0,0,s), B′=(s,0,s)B'=(s,0,s), C′=(s,s,s)C'=(s,s,s), D′=(0,s,s)D'=(0,s,s).

(a) Then

∣A′C′∣=∣<s,s,s>−<0,0,s>∣=∣<s,s,0>∣=2 s∣A′B∣=∣<s,0,0>−<0,0,s>∣=∣<s,0,−s>∣=2 s∣A′D∣=∣<0,s,0>−<0,0,s>∣=∣<0,s,−s>∣=2 s∣C′B∣=∣<s,0,0>−<s,s,s>∣=∣<0,−s,−s>∣=2 s∣C′D∣=∣<0,s,0>−<s,s,s>∣=∣<−s,0,−s>∣=2 s∣BD∣=∣<0,s,0>−<s,0,0>∣=∣<−s,s,0>∣=2 s\begin{aligned} |A'C'|&=\big|\left< s,s,s\right> -\left< 0,0,s\right> \big| &&=\big|\left< s,s,0\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |A'B|&=\big|\left< s,0,0\right> -\left< 0,0,s\right> \big| &&=\big|\left< s,0,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |A'D|&=\big|\left< 0,s,0\right> -\left< 0,0,s\right> \big| &&=\big|\left< 0,s,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |C'B|&=\big|\left< s,0,0\right> -\left< s,s,s\right> \big| &&=\big|\left< 0,-s,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |C'D|&=\big|\left< 0,s,0\right> -\left< s,s,s\right> \big| &&=\big|\left< -s,0,-s\right> \big|&=\sqrt{2}\,s\\ |BD|&=\big|\left< 0,s,0\right> -\left< s,0,0\right> \big| &&=\big|\left< -s,s,0\right> \big|&=\sqrt{2}\,s \end{aligned}

(b) E=12(s,s,s)E=\tfrac{1}{2}(s,s,s) so that EA=<0,0,0>−12<s,s,s>=−12<s,s,s>EA=\left< 0,0,0\right> -\tfrac{1}{2}\left< s,s,s\right> =-\tfrac{1}{2}\left< s,s,s\right> and EC=<s,s,0>−12<s,s,s>=12<s,s,−s>EC=\left< s,s,0\right> -\tfrac{1}{2}\left< s,s,s\right> =\tfrac{1}{2}\left< s,s,-s\right> . cos⁡θ=−<s,s,s>⋅<s,s,−s>∣<s,s,s>∣ ∣<s,s,−s>∣=−s23s2=−13  ⟹  θ=109.5∘\cos\theta =\frac{-\left< s,s,s\right> \cdot\left< s,s,-s\right>} {|\left< s,s,s\right> |\,|\left< s,s,-s\right> |} =\frac{-s^2}{3s^2} =-\frac{1}{3} \qquad \implies\quad \theta=109.5^\circ

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 24번
# 벡터의 연산증명·논술도전자동 분류
142.CLP-3 · 1.2절 · 33번대학 수준우리말 번역

정육면체의 대각선과 그 면 중 한 면의 대각선 사이의 각을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the angle between the diagonal of a cube and the diagonal of one of its faces.

정답·풀이 보기

정육면체의 높이, 길이, 너비가 ss 라고 하자. 정육면체의 꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (0,0,s)(0,0,s), (s,s,0)(s,s,0), (0,s,s)(0,s,s), (s,0,s)(s,0,s), (s,s,s)(s,s,s) 에 오도록 좌표축을 잡을 수 있다.

먼저 몇 가지 예를 살펴보자. (0,0,0)(0,0,0) 에서 (s,s,s)(s,s,s) 까지의 대각선은 <s,s,s>\left< s,s,s\right> 이다. 정육면체의 한 면은 꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (s,s,0)(s,s,0) 이다. 이 면의 한 대각선은 (0,0,0)(0,0,0) 에서 (s,s,0)(s,s,0) 까지이므로 <s,s,0>\left< s,s,0\right> 이다. <s,s,s>\left< s,s,s\right> 와 <s,s,0>\left< s,s,0\right> 사이의 각은

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<s,s,0>∣)=cos⁡−1(2s23s 2s)=cos⁡−1(26)≈35.26∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2s^2}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2}{\sqrt{6}}\right)\approx 35.26^\circ \end{aligned}

꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (s,s,0)(s,s,0) 인 면의 다른 대각선은 (s,0,0)(s,0,0) 에서 (0,s,0)(0,s,0) 까지의 대각선이다. 이 대각선은 <−s,s,0>\left< -s,s,0\right> 이다. <s,s,s>\left< s,s,s\right> 와 <−s,s,0>\left< -s,s,0\right> 사이의 각은

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<−s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<−s,s,0>∣)=cos⁡−1(03s 2s)=cos⁡−1(0)=90∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< -s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< -s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{0}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}(0)=90^\circ \end{aligned}

이제 일반적인 경우를 살펴보자. 정육면체의 모든 꼭짓점의 모든 성분은 00 또는 ss 이다. 일반적으로 정육면체의 두 꼭짓점은 두 꼭짓점의 세 성분이 모두 서로 다르면 정육면체의 대각선의 반대쪽 양 끝에 있다. 예를 들어 대각선의 한 끝이 (s,0,s)(s,0,s) 이면 다른 끝은 (0,s,0)(0,s,0) 이다. 정육면체의 대각선은 모두 <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right> 꼴이다. 이 대각선의 길이는 모두 3s\sqrt{3}s 이다. 두 꼭짓점은 성분 중 하나가 같으면 정육면체의 같은 면 위에 있다. 나머지 두 성분이 서로 다르면 그 두 꼭짓점은 그 면의 대각선의 반대쪽 양 끝에 있다. 예를 들어 (0,s,s)(0,s,s) 와 (s,0,s)(s,0,s) 는 모두 z=sz=s 인 면 위에 있다. xx 성분 0, s0,\ s 가 서로 다르고 yy 성분 s, 0s,\ 0 도 서로 다르므로 (0,s,s)(0,s,s) 와 (s,0,s)(s,0,s) 는 z=sz=s 인 면의 대각선의 양 끝이다. z=0z=0 또는 z=sz=s 인 면의 대각선은 <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right> 이다. y=0y=0 또는 y=sy=s 인 면의 대각선은 <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right> 이다. x=0x=0 또는 x=sx=s 인 면의 대각선은 <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right> 이다. 이 대각선의 길이는 모두 2s\sqrt{2}s 이다. 정육면체의 대각선 <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right> 중 하나와 면의 대각선 <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right>, <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right>, <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right> 중 하나의 내적은 ±s2±s2+0\pm s^2\pm s^2+0 꼴이므로 2s22s^2 또는 00 또는 −2s2-2s^2 이어야 한다. 일반적으로 정육면체의 대각선과 면의 대각선 사이의 각은

cos⁡−1(2s2 또는 0 또는 −2s23s 2s)=cos⁡−1(2 또는 0 또는 −26)≈35.26∘ 또는 90∘ 또는 144.74∘.\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\text{$2s^2$ 또는 0 또는 $-2s^2$}}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{\text{$2$ 또는 $0$ 또는 $-2$}}{\sqrt{6}}\right)\approx \text{$35.26^\circ$ 또는 $90^\circ$ 또는 $144.74^\circ$}. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Suppose that the cube has height, length and width ss. We may choose our coordinate axes so that the vertices of the cube are at (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0), (0,0,s)(0,0,s), (s,s,0)(s,s,0), (0,s,s)(0,s,s), (s,0,s)(s,0,s) and (s,s,s)(s,s,s).

We'll start with a couple of examples. The diagonal from (0,0,0)(0,0,0) to (s,s,s)(s,s,s) is <s,s,s>\left< s,s,s\right>. One face of the cube has vertices (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0) and (s,s,0)(s,s,0). One diagonal of this face runs from (0,0,0)(0,0,0) to (s,s,0)(s,s,0) and hence is <s,s,0>\left< s,s,0\right>. The angle between <s,s,s>\left< s,s,s\right> and <s,s,0>\left< s,s,0\right> is

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<s,s,0>∣)=cos⁡−1(2s23s 2s)=cos⁡−1(26)≈35.26∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2s^2}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{2}{\sqrt{6}}\right)\approx 35.26^\circ \end{aligned}

A second diagonal for the face with vertices (0,0,0)(0,0,0), (s,0,0)(s,0,0), (0,s,0)(0,s,0) and (s,s,0)(s,s,0) is that running from (s,0,0)(s,0,0) to (0,s,0)(0,s,0). This diagonal is <−s,s,0>\left< -s,s,0\right>. The angle between <s,s,s>\left< s,s,s\right> and <−s,s,0>\left< -s,s,0\right> is

cos⁡−1(<s,s,s>⋅<−s,s,0>∣<s,s,s>∣ ∣<−s,s,0>∣)=cos⁡−1(03s 2s)=cos⁡−1(0)=90∘\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\left< s,s,s\right>\cdot\left< -s,s,0\right>} {|\left< s,s,s\right>|\,|\left< -s,s,0\right>|}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{0}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}(0)=90^\circ \end{aligned}

Now we'll consider the general case. Note that every component of every vertex of the cube is either 00 or ss. In general, two vertices of the cube are at opposite ends of a diagonal of the cube if all three components of the two vertices are different. For example, if one end of the diagonal is (s,0,s)(s,0,s), the other end is (0,s,0)(0,s,0). The diagonals of the cube are all of the form <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right>. All of these diagonals are of length 3s\sqrt{3}s. Two vertices are on the same face of the cube if one of their components agree. They are on opposite ends of a diagonal for the face if their other two components differ. For example (0,s,s)(0,s,s) and (s,0,s)(s,0,s) are both on the face with z=sz=s. Because the xx components 0, s0,\ s are different and the yy components s, 0s,\ 0 are different, (0,s,s)(0,s,s) and (s,0,s)(s,0,s) are the ends of a diagonal of the face with z=sz=s. The diagonals of the faces with z=0z=0 or z=sz=s are <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right>. The diagonals of the faces with y=0y=0 or y=sy=s are <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right>. The diagonals of the faces with x=0x=0 or x=sx=s are <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right>. All of these diagonals have length 2s\sqrt{2}s. The dot product of one the cube diagonals <±s,±s,±s>\left< \pm s,\pm s,\pm s\right> with one of the face diagonals <±s,±s,0>\left< \pm s,\pm s,0\right>, <±s,0,±s>\left< \pm s,0, \pm s\right>, <0,±s,±s>\left< 0,\pm s,\pm s\right> is of the form ±s2±s2+0\pm s^2\pm s^2+0 and hence must be either 2s22s^2 or 00 or −2s2-2s^2. In general, the angle between a cube diagonal and a face diagonal is

cos⁡−1(2s2 or 0 or −2s23s 2s)=cos⁡−1(2 or 0 or −26)≈35.26∘ or 90∘ or 144.74∘.\begin{aligned} \cos^{-1}\left(\frac{\text{$2s^2$ or 0 or $-2s^2$}}{\sqrt{3}s\,\sqrt{2}s}\right) =\cos^{-1}\left(\frac{\text{$2$ or $0$ or $-2$}}{\sqrt{6}}\right)\approx \text{$35.26^\circ$ or $90^\circ$ or $144.74^\circ$}. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2장 복습 · 17번
# 벡터의 연산계산도전자동 분류
143.CLP-3 · 1.2절 · 34번대학 수준우리말 번역

2차원 세계에서 마찰 없이 언덕 y=h(x)y=h(x) 위를 미끄러져 내려가는 스키 선수를 생각하세요. 스키 선수에게는 두 힘이 작용합니다. 하나는 중력입니다. 다른 하나는 언덕에 수직으로 작용합니다. 이 두 번째 힘은 스키 선수가 언덕 속으로 파고들지 않도록 크기가 저절로 조절됩니다. 스키 선수가 y0=h(x0)y_0=h(x_0) 인 어떤 점 (x0,y0)(x_0,y_0) 에서 공중으로 떠올랐다고 합시다. 이때 스키 선수의 속력은 얼마였는지 구하세요.

영어 원문 보기

Consider a skier who is sliding without friction on the hill y=h(x)y=h(x) in a two dimensional world. The skier is subject to two forces. One is gravity. The other acts perpendicularly to the hill. The second force automatically adjusts its magnitude so as to prevent the skier from burrowing into the hill. Suppose that the skier became airborne at some (x0,y0)(x_0,y_0) with y0=h(x0)y_0=h(x_0). How fast was the skier going?

정답·풀이 보기

시각 tt 에서 스키 선수의 위치를 (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) 로 나타내자. 스키 선수가 언덕 표면 위에 있는 동안

y(t)=h(x(t))  ⟹  y′(t)=h′(x(t)) x′(t)  ⟹  y′′(t)=h′′(x(t)) x′(t)2+h′(x(t)) x′′(t)\begin{aligned} y(t)&=h\big(x(t)\big) \\ \implies y'(t)&=h'\big(x(t)\big)\,x'(t) \\ \implies y''(t)&=h''\big(x(t)\big)\, x'(t)^2+h'\big(x(t)\big)\,x''(t) \end{aligned}

따라서 스키 선수의 속도 벡터와 가속도 벡터는 다음과 같다.

v(t)=<1,h′(x(t))>x′(t)a(t)=<1,h′(x(t))>x′′(t)+<0,h′′(x(t))>x′(t)2\begin{aligned} \mathbf{v}(t)&=\left< 1,h'\big(x(t)\big)\right> x'(t) \\ \mathbf{a}(t)&=\left< 1,h'\big(x(t)\big)\right> x''(t) +\left< 0,h''\big(x(t)\big)\right> x'(t)^2 \end{aligned}

스키 선수에게는 두 힘이 작용한다. 하나는 중력이다. 다른 하나는 언덕에 수직으로 작용하며, 스키 선수가 언덕 표면 위에 머물도록 하는 크기를 가진다. 스키 선수가 언덕 표면 위에 있는 동안에는 속도 벡터가 언덕에 접하므로, 이 속도 벡터로부터 (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) 에서 언덕에 수직인 벡터 하나가 n(t)=<−h′(x(t)),1>\mathbf{n}(t)=\left<-h'\big(x(t)\big),1\right> 임을 알 수 있다. 이 벡터는 단위벡터가 아니지만 상관없다. 뉴턴의 운동 법칙에 의해

ma=−mg ȷ^+p(t) n(t)m\mathbf{a}=-mg\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+p(t)\,\mathbf{n}(t)

이다. 여기서 p(t)p(t) 는 어떤 함수이다. 이 등식의 양변에 n(t)\mathbf{n}(t) 를 내적한다.

ma(t)⋅n(t)=−mgȷ^⋅n(t)+p(t)∣n(t)∣2m\mathbf{a}(t)\cdot\mathbf{n}(t)=-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\mathbf{n}(t)+p(t)|\mathbf{n}(t)|^2

대입하면

mh′′(x(t)) x′(t)2=−mg+p(t)[1+h′(x(t))2]  ⟹  p(t)[1+h′(x(t))2]=m(g+h′′(x(t)) x′(t)2)\begin{aligned} mh''\big(x(t)\big)\,x'(t)^2&=-mg+p(t)\left[1+h'\big(x(t)\big)^2\right] \\ \implies p(t)\left[1+h'\big(x(t)\big)^2\right] &=m\Big(g+h''\big(x(t)\big)\,x'(t)^2\Big) \end{aligned}

이다. p(t)≥0p(t)\ge 0 인 동안에는 언덕이 스키 선수를 표면 위에 머물게 하려고 위로 밀고 있다. p(t)p(t) 가 음수가 되면 언덕이 스키 선수를 표면에 붙잡아 두기 위해 잡아당겨야 한다. 그러나 언덕은 잡아당길 수 없으므로 스키 선수는 대신 공중으로 떠오른다. 이는

g+h′′(x(t))x′(t)2=0g+h''\big(x(t)\big)x'(t)^2=0

일 때 일어난다. 즉 x′(t)=−g/h′′(x(t))x'(t)=\sqrt{-g/h''\big(x(t)\big)} 일 때이다. 이때 x(t)=x0x(t)=x_0, y(t)=y0y(t)=y_0 이고 스키 선수의 속력은

x′(t)2+y′(t)2=1+h′(x0)2−g/h′′(x0)\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2} =\sqrt{1+h'\big(x_0\big)^2}\sqrt{-g/h''\big(x_0\big)}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Denote by (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) the position of the skier at time tt. As long as the skier remains on the surface of the hill

y(t)=h(x(t))  ⟹  y′(t)=h′(x(t)) x′(t)  ⟹  y′′(t)=h′′(x(t)) x′(t)2+h′(x(t)) x′′(t)\begin{aligned} y(t)&=h\big(x(t)\big) \\ \implies y'(t)&=h'\big(x(t)\big)\,x'(t) \\ \implies y''(t)&=h''\big(x(t)\big)\, x'(t)^2+h'\big(x(t)\big)\,x''(t) \end{aligned}

So the velocity and acceleration vectors of the skier are

v(t)=<1,h′(x(t))>x′(t)a(t)=<1,h′(x(t))>x′′(t)+<0,h′′(x(t))>x′(t)2\begin{aligned} \mathbf{v}(t)&=\left< 1,h'\big(x(t)\big)\right> x'(t) \\ \mathbf{a}(t)&=\left< 1,h'\big(x(t)\big)\right> x''(t) +\left< 0,h''\big(x(t)\big)\right> x'(t)^2 \end{aligned}

The skier is subject to two forces. One is gravity. The other acts perpendicularly to the hill and has a magnitude such that the skier remains on the surface of the hill. From the velocity vector of the skier (which remain tangential to the hill as long as the skier remains of the surface of the hill),we see that one vector normal to the hill at (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) is n(t)=<−h′(x(t)),1>\mathbf{n}(t)=\left<-h'\big(x(t)\big),1\right> This vector is not a unit vector, but that's ok. By Newton's law of motion

ma=−mg ȷ^+p(t) n(t)m\mathbf{a}=-mg\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+p(t)\,\mathbf{n}(t)

for some function p(t)p(t). Dot both sides of this equation with n(t)\mathbf{n}(t).

ma(t)⋅n(t)=−mgȷ^⋅n(t)+p(t)∣n(t)∣2m\mathbf{a}(t)\cdot\mathbf{n}(t)=-mg\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot\mathbf{n}(t)+p(t)|\mathbf{n}(t)|^2

Substituting in

mh′′(x(t)) x′(t)2=−mg+p(t)[1+h′(x(t))2]  ⟹  p(t)[1+h′(x(t))2]=m(g+h′′(x(t)) x′(t)2)\begin{aligned} mh''\big(x(t)\big)\,x'(t)^2&=-mg+p(t)\left[1+h'\big(x(t)\big)^2\right] \\ \implies p(t)\left[1+h'\big(x(t)\big)^2\right] &=m\Big(g+h''\big(x(t)\big)\,x'(t)^2\Big) \end{aligned}

As long as p(t)≥0p(t)\ge 0, the hill is pushing up in order to keep the skier on the surface. When p(t)p(t) becomes negative, the hill has to pull on the skier in order to keep her on the surface. But the hill can't pull, so the skier becomes airborne instead. This happens when

g+h′′(x(t))x′(t)2=0g+h''\big(x(t)\big)x'(t)^2=0

That is when x′(t)=−g/h′′(x(t))x'(t)=\sqrt{-g/h''\big(x(t)\big)}. At this time x(t)=x0x(t)=x_0, y(t)=y0y(t)=y_0 and the speed of the skier is

x′(t)2+y′(t)2=1+h′(x0)2−g/h′′(x0)\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2} =\sqrt{1+h'\big(x_0\big)^2}\sqrt{-g/h''\big(x_0\big)}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 35번
# 벡터의 연산활용도전자동 분류
144.CLP-3 · 1.2절 · 35번대학 수준우리말 번역

구슬 하나가 평면 ax+by+cz=dax+by+cz=d 위에 놓여 있다. 좌표계는 양의 zz축이 똑바로 위를 향하도록 잡았다. 계수 cc 는 0이 아니고, 계수 aa 와 bb 는 둘 다 0은 아니다. 구슬은 어느 방향으로 구르는가? "c≠0c\ne 0" 과 "a,ba,b 가 둘 다 0은 아니다"라는 조건은 왜 붙였는지 설명하세요.

영어 원문 보기

A marble is placed on the plane ax+by+cz=dax+by+cz=d. The coordinate system has been chosen so that the positive zz–axis points straight up. The coefficient cc is nonzero and the coefficients aa and bb are not both zero. In which direction does the marble roll? Why were the conditions “c≠0c\ne 0” and “a,ba,b not both zero” imposed?

정답·풀이 보기

구슬에는 두 힘이 작용한다. 첫째는 중력으로 −mg k^-mg\,\hat{\mathbf{k}} 이며, mm 은 구슬의 질량이다. 둘째는 평면이 가하는 수직항력이다. 이 힘은 평면에 수직인 방향으로 작용한다. 평면에 수직인 벡터 하나는 a ı^+b ȷ^+c k^a\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+b\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}} 이다. 따라서 평면에 의한 힘은 T<a,b,c>T\left< a,b,c\right> 이다. 여기서 TT 는 평면에 수직인 알짜힘이 정확히 0이어야 한다는 성질로 정해지는데, 그래야 구슬이 평면 속으로 파고들지도, 평면에서 튀어 오르지도 않고 평면 위에 머문다. 중력을 법선 벡터 <a,b,c>\left< a,b,c\right> 위로 정사영한 것은 다음과 같다.

−mg<0,0,1>⋅<a,b,c>∣<a,b,c>∣2<a,b,c>=−mgca2+b2+c2<a,b,c>\frac{-mg\left< 0,0,1\right>\cdot\left< a,b,c\right>}{|\left< a,b,c\right>|^2}\left< a,b,c\right> =\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>

따라서 TT 를 정하는 조건은 다음과 같다.

T<a,b,c>+−mgca2+b2+c2<a,b,c>=0  ⟹  T=mgca2+b2+c2T\left< a,b,c\right>+\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right> =0 \implies T=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}

그러면 구슬에 작용하는 전체 힘은 다음과 같다(마찰은 무시한다. 마찰은 운동 방향에 영향을 주지 않는다).

T<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgca2+b2+c2<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgc<a,b,c>−<0,0,a2+b2+c2>a2+b2+c2=mg<ac,bc,−a2−b2>a2+b2+c2\begin{aligned} T\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>&=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>\\ &=mg\frac{c\left< a,b,c\right>-\left< 0,0,a^2+b^2+c^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ &=mg\frac{\left< ac,bc,-a^2-b^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ \end{aligned}

운동 방향은 <ac,bc,−a2−b2>\left< ac,bc,-a^2-b^2\right> 이다. 이를 단위벡터로 바꾸려면 (a2+b2)(a2+b2+c2)\sqrt{(a^2+b^2)(a^2+b^2+c^2)} 으로 나누면 된다. 이 방향 벡터는 <a,b,c>\left< a,b,c\right> 에 수직이므로 평면에 평행하다. c=0c=0 이면 평면은 수직이다. 이 경우 구슬은 구르지 않고 곧장 아래로 떨어진다. a=b=0a=b=0 이면 평면은 수평이다. 이 경우 구슬은 구르지 않고 정지해 있다.

원본 교재 풀이(영어)

The marble is subject to two forces. The first, gravity, is −mg k^-mg\,\hat{\mathbf{k}} with mm being the mass of the marble. The second is the normal force imposed by the plane. This forces acts in a direction perpendicular to the plane. One vector normal to the plane is a ı^+b ȷ^+c k^a\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+b\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c\,\hat{\mathbf{k}}. So the force due to the plane is T<a,b,c>T\left< a,b,c\right> with TT determined by the property that the net force perpendicular to the plane must be exactly zero, so that the marble remains on the plane, neither digging into nor flying off of it. The projection of the gravitational force onto the normal vector <a,b,c>\left< a,b,c\right> is

−mg<0,0,1>⋅<a,b,c>∣<a,b,c>∣2<a,b,c>=−mgca2+b2+c2<a,b,c>\frac{-mg\left< 0,0,1\right>\cdot\left< a,b,c\right>}{|\left< a,b,c\right>|^2}\left< a,b,c\right> =\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>

The condition that determines TT is thus

T<a,b,c>+−mgca2+b2+c2<a,b,c>=0  ⟹  T=mgca2+b2+c2T\left< a,b,c\right>+\frac{-mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right> =0 \implies T=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}

The total force on the marble is then (ignoring friction – which will have no effect on the direction of motion)

T<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgca2+b2+c2<a,b,c>−mg<0,0,1>=mgc<a,b,c>−<0,0,a2+b2+c2>a2+b2+c2=mg<ac,bc,−a2−b2>a2+b2+c2\begin{aligned} T\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>&=\frac{mgc}{a^2+b^2+c^2}\left< a,b,c\right>-mg\left< 0,0,1\right>\\ &=mg\frac{c\left< a,b,c\right>-\left< 0,0,a^2+b^2+c^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ &=mg\frac{\left< ac,bc,-a^2-b^2\right>}{a^2+b^2+c^2}\\ \end{aligned}

The direction of motion <ac,bc,−a2−b2>\left< ac,bc,-a^2-b^2\right>. If you want to turn this into a unit vector, just divide by (a2+b2)(a2+b2+c2)\sqrt{(a^2+b^2)(a^2+b^2+c^2)}. Note that the direction vector in perpendicular <a,b,c>\left< a,b,c\right> and hence is parallel to the plane. If c=0c=0, the plane is vertical. In this case, the marble doesn't roll – it falls straight down. If a=b=0a=b=0, the plane is horizontal. In this case, the marble doesn't roll — it remains stationary.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.1절 · 13번
# 벡터의 연산계산도전자동 분류
145.CLP-3 · 1.2절 · 37번대학 수준우리말 번역

a×(b×c)=(a⋅c)b−(a⋅b)c\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c}) =(\mathbf{a}\cdot\mathbf{c})\mathbf{b}-(\mathbf{a}\cdot\mathbf{b})\mathbf{c} 임을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that a×(b×c)=(a⋅c)b−(a⋅b)c\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c}) =(\mathbf{a}\cdot\mathbf{c})\mathbf{b}-(\mathbf{a}\cdot\mathbf{b})\mathbf{c}.

정답·풀이 보기

정의에 의해,

b×c = (b2c3−b3c2)ı^−(b1c3−b3c1)ȷ^+(b1c2−b2c1)k^따라서 좌변과 우변은 다음과 같다a×(b×c) = det⁡[ı^ȷ^k^a1a2a3b2c3−b3c2−b1c3+b3c1b1c2−b2c1] = ı^ [a2(b1c2−b2c1)−a3(−b1c3+b3c1)]−ȷ^ [a1(b1c2−b2c1)−a3(b2c3−b3c2)]+k^ [a1(−b1c3+b3c1)−a2(b2c3−b3c2)](lhs)(a⋅c)b−(a⋅b)c = (a1c1+a2c2+a3c3)(b1ı^+b2ȷ^+b3k^)−(a1b1+a2b2+a3b3)(c1ı^+c2ȷ^+c3k^)= ı^ [a1b1c1+a2b1c2+a3b1c3−a1b1c1−a2b2c1−a3b3c1]+ȷ^ [a1b2c1+a2b2c2+a3b2c3−a1b1c2−a2b2c2−a3b3c2]+k^ [a1b3c1+a2b3c2+a3b3c3−a1b1c3−a2b2c3−a3b3c3]= ı^ [a2b1c2+a3b1c3−a2b2c1−a3b3c1]+ȷ^ [a1b2c1+a3b2c3−a1b1c2−a3b3c2]+k^ [a1b3c1+a2b3c2−a1b1c3−a2b2c3](rhs)\begin{aligned} \mathbf{b}\times\mathbf{c} \ =\ &(b_2c_3-b_3c_2)\hat{\boldsymbol{\imath}}-(b_1c_3-b_3c_1)\hat{\boldsymbol{\jmath}} +(b_1c_2-b_2c_1)\hat{\mathbf{k}} \\ \\ \text{따라서 좌변과 우변은 다음과 같다} \\ \mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c}) \ =\ &\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ a_1&a_2&a_3\\ b_2c_3-b_3c_2&-b_1c_3+b_3c_1&b_1c_2-b_2c_1\end{matrix}\right]\\ \ =\ &\hat{\boldsymbol{\imath}}\,[a_2(b_1c_2-b_2c_1)-a_3(-b_1c_3+b_3c_1)]\\ {-}&\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,[a_1(b_1c_2-b_2c_1)-a_3(b_2c_3-b_3c_2)]\\ {+}&\hat{\mathbf{k}}\,[a_1(-b_1c_3+b_3c_1)-a_2(b_2c_3-b_3c_2)]&{\rm (lhs)}\\ (\mathbf{a}\cdot\mathbf{c})\mathbf{b}-(\mathbf{a}\cdot\mathbf{b})\mathbf{c} \ =\ &(a_1c_1+a_2c_2+a_3c_3)(b_1\hat{\boldsymbol{\imath}}+b_2\hat{\boldsymbol{\jmath}}+b_3\hat{\mathbf{k}}) -(a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3)(c_1\hat{\boldsymbol{\imath}}+c_2\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c_3\hat{\mathbf{k}})\\ {=}\ & \hat{\boldsymbol{\imath}}\,[a_1b_1c_1+a_2b_1c_2+a_3b_1c_3-a_1b_1c_1-a_2b_2c_1-a_3b_3c_1] \\ {+}&\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,[a_1b_2c_1+a_2b_2c_2+a_3b_2c_3-a_1b_1c_2-a_2b_2c_2-a_3b_3c_2] \\ {+}&\hat{\mathbf{k}}\,[a_1b_3c_1+a_2b_3c_2+a_3b_3c_3-a_1b_1c_3-a_2b_2c_3-a_3b_3c_3]\\ {=}\ & \hat{\boldsymbol{\imath}}\,[a_2b_1c_2+a_3b_1c_3-a_2b_2c_1-a_3b_3c_1] \\ {+}&\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,[a_1b_2c_1+a_3b_2c_3-a_1b_1c_2-a_3b_3c_2] \\ {+}&\hat{\mathbf{k}}\,[a_1b_3c_1+a_2b_3c_2-a_1b_1c_3-a_2b_2c_3] &{\rm (rhs)} \end{aligned}

(lhs)와 (rhs)는 같다.

원본 교재 풀이(영어)

By definition,

b×c = (b2c3−b3c2)ı^−(b1c3−b3c1)ȷ^+(b1c2−b2c1)k^so that the left and right hand sides area×(b×c) = det⁡[ı^ȷ^k^a1a2a3b2c3−b3c2−b1c3+b3c1b1c2−b2c1] = ı^ [a2(b1c2−b2c1)−a3(−b1c3+b3c1)]−ȷ^ [a1(b1c2−b2c1)−a3(b2c3−b3c2)]+k^ [a1(−b1c3+b3c1)−a2(b2c3−b3c2)](lhs)(a⋅c)b−(a⋅b)c = (a1c1+a2c2+a3c3)(b1ı^+b2ȷ^+b3k^)−(a1b1+a2b2+a3b3)(c1ı^+c2ȷ^+c3k^)= ı^ [a1b1c1+a2b1c2+a3b1c3−a1b1c1−a2b2c1−a3b3c1]+ȷ^ [a1b2c1+a2b2c2+a3b2c3−a1b1c2−a2b2c2−a3b3c2]+k^ [a1b3c1+a2b3c2+a3b3c3−a1b1c3−a2b2c3−a3b3c3]= ı^ [a2b1c2+a3b1c3−a2b2c1−a3b3c1]+ȷ^ [a1b2c1+a3b2c3−a1b1c2−a3b3c2]+k^ [a1b3c1+a2b3c2−a1b1c3−a2b2c3](rhs)\begin{aligned} \mathbf{b}\times\mathbf{c} \ =\ &(b_2c_3-b_3c_2)\hat{\boldsymbol{\imath}}-(b_1c_3-b_3c_1)\hat{\boldsymbol{\jmath}} +(b_1c_2-b_2c_1)\hat{\mathbf{k}} \\ \\ \text{so that the left and right hand sides are} \\ \mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c}) \ =\ &\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}}\\ a_1&a_2&a_3\\ b_2c_3-b_3c_2&-b_1c_3+b_3c_1&b_1c_2-b_2c_1\end{matrix}\right]\\ \ =\ &\hat{\boldsymbol{\imath}}\,[a_2(b_1c_2-b_2c_1)-a_3(-b_1c_3+b_3c_1)]\\ {-}&\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,[a_1(b_1c_2-b_2c_1)-a_3(b_2c_3-b_3c_2)]\\ {+}&\hat{\mathbf{k}}\,[a_1(-b_1c_3+b_3c_1)-a_2(b_2c_3-b_3c_2)]&{\rm (lhs)}\\ (\mathbf{a}\cdot\mathbf{c})\mathbf{b}-(\mathbf{a}\cdot\mathbf{b})\mathbf{c} \ =\ &(a_1c_1+a_2c_2+a_3c_3)(b_1\hat{\boldsymbol{\imath}}+b_2\hat{\boldsymbol{\jmath}}+b_3\hat{\mathbf{k}}) -(a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3)(c_1\hat{\boldsymbol{\imath}}+c_2\hat{\boldsymbol{\jmath}}+c_3\hat{\mathbf{k}})\\ {=}\ & \hat{\boldsymbol{\imath}}\,[a_1b_1c_1+a_2b_1c_2+a_3b_1c_3-a_1b_1c_1-a_2b_2c_1-a_3b_3c_1] \\ {+}&\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,[a_1b_2c_1+a_2b_2c_2+a_3b_2c_3-a_1b_1c_2-a_2b_2c_2-a_3b_3c_2] \\ {+}&\hat{\mathbf{k}}\,[a_1b_3c_1+a_2b_3c_2+a_3b_3c_3-a_1b_1c_3-a_2b_2c_3-a_3b_3c_3]\\ {=}\ & \hat{\boldsymbol{\imath}}\,[a_2b_1c_2+a_3b_1c_3-a_2b_2c_1-a_3b_3c_1] \\ {+}&\hat{\boldsymbol{\jmath}}\,[a_1b_2c_1+a_3b_2c_3-a_1b_1c_2-a_3b_3c_2] \\ {+}&\hat{\mathbf{k}}\,[a_1b_3c_1+a_2b_3c_2-a_1b_1c_3-a_2b_2c_3] &{\rm (rhs)} \end{aligned}

(lhs) and (rhs) are the same.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2장 복습 · 13번
# 벡터의 연산증명·논술도전자동 분류
146.CLP-3 · 1.2절 · 39번대학 수준우리말 번역

각기둥의 여섯 꼭짓점이 다음과 같다.

A=(1,0,0)A′=(5,0,1)B=(0,3,0)B′=(4,3,1)C=(0,0,4)C′=(4,0,5)\begin{aligned} A&=(1,0,0)\qquad & A'&=(5,0,1) \\ B&=(0,3,0) & B'&=(4,3,1) \\ C&=(0,0,4) & C'&=(4,0,5) \end{aligned}

(a) 면 중 세 개가 평행사변형임을 확인하세요. 이 면들은 직사각형인가요? (b) AA′AA' 의 길이를 구하세요. (c) 삼각형 ABCABC 의 넓이를 구하세요. (d) 이 각기둥의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

A prism has the six vertices

A=(1,0,0)A′=(5,0,1)B=(0,3,0)B′=(4,3,1)C=(0,0,4)C′=(4,0,5)\begin{aligned} A&=(1,0,0)\qquad & A'&=(5,0,1) \\ B&=(0,3,0) & B'&=(4,3,1) \\ C&=(0,0,4) & C'&=(4,0,5) \end{aligned}

(a) Verify that three of the faces are parallelograms. Are they rectangular? (b) Find the length of AA′AA'. (c) Find the area of the triangle ABCABC. (d) Find the volume of the prism.

정답·풀이 보기

(a) AA′=<4,0,1>AA'=\left< 4,0,1\right> 와 BB′=<4,0,1>BB'=\left< 4,0,1\right> 는 사각형 AA′B′BAA'B'B 의 마주 보는 변이다. 두 변은 길이와 방향이 같다. AB=<−1,3,0>AB=\left< -1,3,0\right> 와 A′B′=<−1,3,0>A'B'=\left< -1,3,0\right> 도 마찬가지이다. 따라서 AA′B′BAA'B'B 는 평행사변형이다. AA′⋅AB=<4,0,1>⋅<−1,3,0>=−4≠0AA'\cdot AB=\left< 4,0,1\right> \cdot\left< -1,3,0\right> =-4\ne 0 이므로 AA′B′BAA'B'B 의 이웃한 두 변은 수직이 아니고, 따라서 AA′B′BAA'B'B 는 직사각형이 아니다.

마찬가지로 사각형 ACC′A′ACC'A' 의 마주 보는 변은 AA′=<4,0,1>=CC′=<4,0,1>AA'=\left< 4,0,1\right> =CC'=\left< 4,0,1\right> 이고 AC=<−1,0,4>=A′C′=<−1,0,4>AC=\left< -1,0,4\right> =A'C'=\left< -1,0,4\right> 이므로 평행사변형이다. AA′⋅AC=<4,0,1>⋅<−1,0,4>=0AA'\cdot AC=\left< 4,0,1\right> \cdot\left< -1,0,4\right> = 0 이므로 ACC′A′ACC'A' 의 이웃한 두 변은 수직이고, 따라서 ACC′A′ACC'A' 는 직사각형이다.

마지막으로 사각형 BCC′B′BCC'B' 의 마주 보는 변은 BB′=<4,0,1>=CC′=<4,0,1>BB'=\left< 4,0,1\right> =CC'=\left< 4,0,1\right> 이고 BC=<0,−3,4>=B′C′=<0,−3,4>BC=\left< 0,-3,4\right> =B'C'=\left< 0,-3,4\right> 이므로 평행사변형이다. BB′⋅BC=<4,0,1>⋅<0,−3,4>=4≠0BB'\cdot BC=\left< 4,0,1\right> \cdot\left< 0,-3,4\right> = 4\ne 0 이므로 BCC′B′BCC'B' 의 이웃한 두 변은 수직이 아니고, 따라서 BCC′B′BCC'B' 는 직사각형이 아니다.

(b) AA′AA' 의 길이는 ∣<4,0,1>∣=16+1=17|\left< 4,0,1\right> |=\sqrt{16+1}=\sqrt{17} 이다.

(c) 삼각형의 넓이는 밑변의 길이와 높이의 곱의 2분의 1이다. 즉, ∣AB∣|AB| 와 ∣AC∣sin⁡θ|AC|\sin\theta 의 곱의 2분의 1이며, 여기서 θ\theta 는 ABAB 와 ACAC 가 이루는 각이다. 이것은 바로 12∣AB×AC∣=12∣<−1,3,0>×<−1,0,4>∣=12∣<12,4,3>∣=132\tfrac{1}{2} |AB\times AC|=\tfrac{1}{2}|\left< -1,3,0\right> \times\left< -1,0,4\right> | =\tfrac{1}{2} |\left< 12,4,3\right>|=\frac{13}{2} 이다.

(d) 각기둥의 부피는 밑면 ABCABC 의 넓이에 높이를 곱한 것이다. 높이는 AA′AA' 의 길이에 AA′AA' 와 ABCABC 의 법선이 이루는 각의 코사인 값을 곱한 것이다. 이것은 12<12,4,3>⋅<4,0,1>=12(48+3)=512\tfrac{1}{2} \left< 12,4,3\right> \cdot\left< 4,0,1\right> =\tfrac{1}{2}(48+3)=\frac{51}{2} 과 같으며, 이는 <12,4,3>\left< 12,4,3\right> 의 길이(ABCABC 의 넓이)와 <4,0,1>\left< 4,0,1\right> 의 길이(AA′AA' 의 길이)와 <12,4,3>\left< 12,4,3\right> 와 <4,0,1>\left< 4,0,1\right> 가 이루는 각(ABCABC 의 법선과 AA′AA' 가 이루는 각)의 코사인 값을 모두 곱한 것의 2분의 1이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) AA′=<4,0,1>AA'=\left< 4,0,1\right> and BB′=<4,0,1>BB'=\left< 4,0,1\right> are opposite sides of the quadrilateral AA′B′BAA'B'B. They have the same length and direction. The same is true for AB=<−1,3,0>AB=\left< -1,3,0\right> and A′B′=<−1,3,0>A'B'=\left< -1,3,0\right> . So AA′B′BAA'B'B is a parallelogram. Because, AA′⋅AB=<4,0,1>⋅<−1,3,0>=−4≠0AA'\cdot AB=\left< 4,0,1\right> \cdot\left< -1,3,0\right> =-4\ne 0, the neighbouring edges of AA′B′BAA'B'B are not perpendicular and so AA′B′BAA'B'B is not a rectangle.

Similarly, the quadilateral ACC′A′ACC'A' has opposing sides AA′=<4,0,1>=CC′=<4,0,1>AA'=\left< 4,0,1\right> =CC'=\left< 4,0,1\right> and AC=<−1,0,4>=A′C′=<−1,0,4>AC=\left< -1,0,4\right> =A'C'=\left< -1,0,4\right> and so is a parallelogram. Because AA′⋅AC=<4,0,1>⋅<−1,0,4>=0AA'\cdot AC=\left< 4,0,1\right> \cdot\left< -1,0,4\right> = 0, the neighbouring edges of ACC′A′ACC'A' are perpendicular, so ACC′A′ACC'A' is a rectangle.

Finally, the quadilateral BCC′B′BCC'B' has opposing sides BB′=<4,0,1>=CC′=<4,0,1>BB'=\left< 4,0,1\right> =CC'=\left< 4,0,1\right> and BC=<0,−3,4>=B′C′=<0,−3,4>BC=\left< 0,-3,4\right> =B'C'=\left< 0,-3,4\right> and so is a parallelogram. Because BB′⋅BC=<4,0,1>⋅<0,−3,4>=4≠0BB'\cdot BC=\left< 4,0,1\right> \cdot\left< 0,-3,4\right> = 4\ne 0, the neighbouring edges of BCC′B′BCC'B' are not perpendicular, so BCC′B′BCC'B' is not a rectangle.

(b) The length of AA′AA' is ∣<4,0,1>∣=16+1=17|\left< 4,0,1\right> |=\sqrt{16+1}=\sqrt{17}.

(c) The area of a triangle is one half its base times its height. That is, one half times ∣AB∣|AB| times ∣AC∣sin⁡θ|AC|\sin\theta, where θ\theta is the angle between ABAB and ACAC. This is precisely 12∣AB×AC∣=12∣<−1,3,0>×<−1,0,4>∣=12∣<12,4,3>∣=132\tfrac{1}{2} |AB\times AC|=\tfrac{1}{2}|\left< -1,3,0\right> \times\left< -1,0,4\right> | =\tfrac{1}{2} |\left< 12,4,3\right>|=\frac{13}{2}.

(d) The volume of the prism is the area of its base ABCABC, times its height, which is the length of AA′AA' times the cosine of the angle between AA′AA' and the normal to ABCABC. This coincides with 12<12,4,3>⋅<4,0,1>=12(48+3)=512\tfrac{1}{2} \left< 12,4,3\right> \cdot\left< 4,0,1\right> =\tfrac{1}{2}(48+3)=\frac{51}{2}, which is one half times the length of <12,4,3>\left< 12,4,3\right> (the area of ABCABC) times the length of <4,0,1>\left< 4,0,1\right> (the length of AA′AA') times the cosine of the angle between <12,4,3>\left< 12,4,3\right> and <4,0,1>\left< 4,0,1\right> (the angle between the normal to ABCABC and AA′AA').

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 9번
# 벡터의 연산증명·논술도전자동 분류
147.CLP-3 · 1.2절 · 40번대학 수준우리말 번역

(3차원 피타고라스 정리) 공간에서 꼭짓점이 정확히 네 개인 입체를 사면체라고 한다. AA, BB, CC, DD 를 사면체의 네 면의 넓이라고 하자. 넓이가 DD 인 면의 반대쪽 꼭짓점에서 만나는 세 모서리가 서로 수직이라고 하자. D2=A2+B2+C2D^2=A^2+B^2+C^2 임을 보이세요.

그림

영어 원문 보기

(Three dimensional Pythagorean Theorem) A solid body in space with exactly four vertices is called a tetrahedron. Let AA, BB, CC and DD be the areas of the four faces of a tetrahedron. Suppose that the three edges meeting at the vertex opposite the face of area DD are perpendicular to each other. Show that D2=A2+B2+C2D^2=A^2+B^2+C^2.

figure

정답·풀이 보기

넓이가 DD 인 면의 반대쪽 꼭짓점이 원점에 오도록 좌표축을 잡는다. 넓이가 각각 AA, BB, CC 인 면의 반대쪽 꼭짓점을 각각 a\mathbf{a}, b\mathbf{b}, c\mathbf{c} 로 나타내자. 그러면 넓이가 AA 인 면은 모서리 b\mathbf{b} 와 c\mathbf{c} 를 가지므로 A=12∣b×c∣A=\tfrac{1}{2} |\mathbf{b}\times\mathbf{c}| 이다. 마찬가지로 B=12∣c×a∣B=\tfrac{1}{2}|\mathbf{c}\times\mathbf{a}| 이고 C=12∣a×b∣C=\tfrac{1}{2}|\mathbf{a}\times \mathbf{b}| 이다. 넓이가 DD 인 면은 b−a\mathbf{b}-\mathbf{a} 와 c−a\mathbf{c}-\mathbf{a} 가 이루는 삼각형이므로

D=12∣(b−a)×(c−a)∣=12∣b×c−a×c−b×a∣=12∣b×c+c×a+a×b∣\begin{aligned} D&=\tfrac{1}{2}|(\mathbf{b}-\mathbf{a})\times(\mathbf{c}-\mathbf{a})|\\ &=\tfrac{1}{2}|\mathbf{b}\times \mathbf{c}-\mathbf{a}\times\mathbf{c}-\mathbf{b}\times\mathbf{a}|\\ &=\tfrac{1}{2}|\mathbf{b}\times \mathbf{c}+\mathbf{c}\times\mathbf{a}+\mathbf{a}\times\mathbf{b}| \end{aligned}

이다.

가정에 의해 벡터 a\mathbf{a}, b\mathbf{b}, c\mathbf{c} 는 모두 서로 수직이다. 따라서 벡터 b×c\mathbf{b}\times \mathbf{c} (이는 a\mathbf{a} 의 스칼라배이다), c×a\mathbf{c}\times\mathbf{a} (이는 b\mathbf{b} 의 스칼라배이다), a×b\mathbf{a}\times\mathbf{b} (이는 c\mathbf{c} 의 스칼라배이다)도 서로 수직이다. 그러므로 다음을 전개하면

D2=14[b×c+c×a+a×b]⋅[b×c+c×a+a×b]D^2=\frac{1}{4}\big[\mathbf{b}\times \mathbf{c}+\mathbf{c}\times\mathbf{a}+\mathbf{a}\times\mathbf{b}\big]\cdot\big[\mathbf{b}\times \mathbf{c}+\mathbf{c}\times\mathbf{a}+\mathbf{a}\times\mathbf{b}\big]

교차항은 모두 0이 되어 다음이 남는다.

D2=14[(b×c)⋅(b×c)+(c×a)⋅(c×a)+(a×b)⋅(a×b)]=A2+B2+C2D^2=\frac{1}{4}\big[(\mathbf{b}\times \mathbf{c})\cdot(\mathbf{b}\times \mathbf{c}) +(\mathbf{c}\times\mathbf{a})\cdot(\mathbf{c}\times\mathbf{a}) +(\mathbf{a}\times\mathbf{b})\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b})\big]=A^2+B^2+C^2

원본 교재 풀이(영어)

Choose our coordinate axes so that the vertex opposite the face of area DD is at the origin. Denote by a\mathbf{a}, b\mathbf{b} and c\mathbf{c} the vertices opposite the sides of area AA, BB and CC respectively. Then the face of area AA has edges b\mathbf{b} and c\mathbf{c} so that A=12∣b×c∣A=\tfrac{1}{2} |\mathbf{b}\times\mathbf{c}|. Similarly B=12∣c×a∣B=\tfrac{1}{2}|\mathbf{c}\times\mathbf{a}| and C=12∣a×b∣C=\tfrac{1}{2}|\mathbf{a}\times \mathbf{b}|. The face of area DD is the triangle spanned by b−a\mathbf{b}-\mathbf{a} and c−a\mathbf{c}-\mathbf{a} so that

D=12∣(b−a)×(c−a)∣=12∣b×c−a×c−b×a∣=12∣b×c+c×a+a×b∣\begin{aligned} D&=\tfrac{1}{2}|(\mathbf{b}-\mathbf{a})\times(\mathbf{c}-\mathbf{a})|\\ &=\tfrac{1}{2}|\mathbf{b}\times \mathbf{c}-\mathbf{a}\times\mathbf{c}-\mathbf{b}\times\mathbf{a}|\\ &=\tfrac{1}{2}|\mathbf{b}\times \mathbf{c}+\mathbf{c}\times\mathbf{a}+\mathbf{a}\times\mathbf{b}| \end{aligned}

By hypothesis, the vectors a\mathbf{a}, b\mathbf{b} and c\mathbf{c} are all perpendicular to each other. Consequently the vectors b×c\mathbf{b}\times \mathbf{c} (which is a scalar times a\mathbf{a}), c×a\mathbf{c}\times\mathbf{a} (which is a scalar times b\mathbf{b}) and a×b\mathbf{a}\times\mathbf{b} (which is a scalar times c\mathbf{c}) are also mutually perpendicular. So, when we multiply out

D2=14[b×c+c×a+a×b]⋅[b×c+c×a+a×b]D^2=\frac{1}{4}\big[\mathbf{b}\times \mathbf{c}+\mathbf{c}\times\mathbf{a}+\mathbf{a}\times\mathbf{b}\big]\cdot\big[\mathbf{b}\times \mathbf{c}+\mathbf{c}\times\mathbf{a}+\mathbf{a}\times\mathbf{b}\big]

all the cross terms vanish, leaving

D2=14[(b×c)⋅(b×c)+(c×a)⋅(c×a)+(a×b)⋅(a×b)]=A2+B2+C2D^2=\frac{1}{4}\big[(\mathbf{b}\times \mathbf{c})\cdot(\mathbf{b}\times \mathbf{c}) +(\mathbf{c}\times\mathbf{a})\cdot(\mathbf{c}\times\mathbf{a}) +(\mathbf{a}\times\mathbf{b})\cdot(\mathbf{a}\times\mathbf{b})\big]=A^2+B^2+C^2

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.1절 · 49번
# 벡터의 연산증명·논술도전자동 분류