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

18문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 3권 · 2.1절 · 15번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서는 주어진 벡터 a\text{a} 와 b\text{b} 를 사용하세요.

a. 벡터의 합 a+b\text{a}+\text{b} 를 구하고, 성분 형태와 표준 단위벡터를 사용한 형태로 각각 나타내세요. b. 벡터의 차 a−b\text{a}-\text{b} 를 구하고, 성분 형태와 표준 단위벡터를 사용한 형태로 각각 나타내세요. c. 벡터 a,\text{a}, b,\text{b}, a+b\text{a}+\text{b} 와, 각각 벡터 a,\text{a}, b,\text{b}, a−b\text{a}-\text{b} 가 삼각부등식을 만족시킴을 확인하세요. d. 벡터 2a,2\text{a}, −b,-\text{b}, 2a−b2\text{a}-\text{b} 를 구하세요. 이 벡터들을 성분 형태와 표준 단위벡터를 사용한 형태로 각각 나타내세요.

a=2i+j,\text{a}=2\text{i}+\text{j}, b=i+3j\text{b}=\text{i}+3\text{j}

영어 원문 보기

For the following exercises, use the given vectors a\text{a} and b.\text{b}.

a. Determine the vector sum a+b\text{a}+\text{b} and express it in both the component form and by using the standard unit vectors. b. Find the vector difference a−b\text{a}-\text{b} and express it in both the component form and by using the standard unit vectors. c. Verify that the vectors a,\text{a}, b,\text{b}, and a+b,\text{a}+\text{b}, and, respectively, a,\text{a}, b,\text{b}, and a−b\text{a}-\text{b} satisfy the triangle inequality. d. Determine the vectors 2a,2\text{a}, −b,-\text{b}, and 2a−b.2\text{a}-\text{b}. Express the vectors in both the component form and by using standard unit vectors.

a=2i+j,\text{a}=2\text{i}+\text{j}, b=i+3j\text{b}=\text{i}+3\text{j}

정답·풀이 보기

a. a+b=3i+4j,\text{a}+\text{b}=3\text{i}+4\text{j}, a+b=⟨3,4⟩;\text{a}+\text{b}=\langle 3,4\rangle ; b. a−b=i−2j,\text{a}-\text{b}=\text{i}-2\text{j}, a−b=⟨1,−2⟩;\text{a}-\text{b}=\langle 1,-2\rangle ; c. 답은 다양하다; d. 2a=4i+2j,2\text{a}=4\text{i}+2\text{j}, 2a=⟨4,2⟩,2\text{a}=\langle 4,2\rangle , −b=−i−3j,-\text{b}=-\text{i}-3\text{j}, −b=⟨−1,−3⟩,-\text{b}=\langle -1,-3\rangle , 2a−b=3i−j,2\text{a}-\text{b}=3\text{i}-\text{j}, 2a−b=⟨3,−1⟩2\text{a}-\text{b}=\langle 3,-1\rangle

원본 교재 풀이(영어)

a. a+b=3i+4j,\text{a}+\text{b}=3\text{i}+4\text{j}, a+b=⟨3,4⟩;\text{a}+\text{b}=\langle 3,4\rangle ; b. a−b=i−2j,\text{a}-\text{b}=\text{i}-2\text{j}, a−b=⟨1,−2⟩;\text{a}-\text{b}=\langle 1,-2\rangle ; c. Answers will vary; d. 2a=4i+2j,2\text{a}=4\text{i}+2\text{j}, 2a=⟨4,2⟩,2\text{a}=\langle 4,2\rangle , −b=−i−3j,-\text{b}=-\text{i}-3\text{j}, −b=⟨−1,−3⟩,-\text{b}=\langle -1,-3\rangle , 2a−b=3i−j,2\text{a}-\text{b}=3\text{i}-\text{j}, 2a−b=⟨3,−1⟩2\text{a}-\text{b}=\langle 3,-1\rangle

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.1절 · 25번
# 벡터의 연산증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.OpenStax 3권 · 2.1절 · 16번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서 주어진 벡터 a\text{a} 와 b\text{b} 를 사용하세요.

a. 벡터의 합 a+b\text{a}+\text{b} 를 구하고, 성분 형태와 표준 단위벡터를 사용한 형태로 각각 나타내세요. b. 벡터의 차 a−b\text{a}-\text{b} 를 구하고, 성분 형태와 표준 단위벡터를 사용한 형태로 각각 나타내세요. c. 벡터 a,\text{a}, b,\text{b}, a+b\text{a}+\text{b} 와, 각각 벡터 a,\text{a}, b,\text{b}, a−b\text{a}-\text{b} 가 삼각부등식을 만족시킴을 확인하세요. d. 벡터 2a,2\text{a}, −b,-\text{b}, 2a−b2\text{a}-\text{b} 를 구하세요. 벡터를 성분 형태와 표준 단위벡터를 사용한 형태로 각각 나타내세요.

a=2i,\text{a}=2\text{i}, b=−2i+2j\text{b}=-2\text{i}+2\text{j}

영어 원문 보기

For the following exercises, use the given vectors a\text{a} and b.\text{b}.

a. Determine the vector sum a+b\text{a}+\text{b} and express it in both the component form and by using the standard unit vectors. b. Find the vector difference a−b\text{a}-\text{b} and express it in both the component form and by using the standard unit vectors. c. Verify that the vectors a,\text{a}, b,\text{b}, and a+b,\text{a}+\text{b}, and, respectively, a,\text{a}, b,\text{b}, and a−b\text{a}-\text{b} satisfy the triangle inequality. d. Determine the vectors 2a,2\text{a}, −b,-\text{b}, and 2a−b.2\text{a}-\text{b}. Express the vectors in both the component form and by using standard unit vectors.

a=2i,\text{a}=2\text{i}, b=−2i+2j\text{b}=-2\text{i}+2\text{j}

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 33번
# 벡터의 연산증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.OpenStax 3권 · 2.1절 · 21번대학 수준우리말 번역

실수 tt 에 따라 성분이 달라지는 벡터 a(t)=⟨cos⁡ t,sin⁡ t⟩\text{a}(t)=\langle \cos \,t,\sin \,t\rangle 를 생각하자. 수 tt 가 변함에 따라, a(t)\text{a}(t) 의 성분도 그것을 정의하는 함수에 따라 변한다.

a. 벡터 a(0)\text{a}(0) 과 a(π)\text{a}(\pi ) 를 성분으로 나타내세요. b. 벡터 a(t)\text{a}(t) 의 크기 ∥a(t)∥\| \text{a}(t)\| 가 모든 실수 tt 에 대해 일정함을 보이세요. c. tt 가 변함에 따라 벡터 a(t)\text{a}(t) 의 종점이 원점을 중심으로 하고 반지름이 11 인 원을 그림을 보이세요.

영어 원문 보기

Consider the vector a(t)=⟨cos⁡ t,sin⁡ t⟩\text{a}(t)=\langle \cos \,t,\sin \,t\rangle with components that depend on a real number t.t. As the number tt varies, the components of a(t)\text{a}(t) change as well, depending on the functions that define them.

a. Write the vectors a(0)\text{a}(0) and a(π)\text{a}(\pi ) in component form. b. Show that the magnitude ∥a(t)∥\| \text{a}(t)\| of vector a(t)\text{a}(t) remains constant for any real number t.t. c. As tt varies, show that the terminal point of vector a(t)\text{a}(t) describes a circle centered at the origin of radius 1.1.

정답·풀이 보기

a. a(0)=⟨1,0⟩,\text{a}(0)=\langle 1,0\rangle , a(π)=⟨−1,0⟩;\text{a}(\pi )=\langle -1,0\rangle ; b. 답은 다양할 수 있다; c. 답은 다양할 수 있다

원본 교재 풀이(영어)

a. a(0)=⟨1,0⟩,\text{a}(0)=\langle 1,0\rangle , a(π)=⟨−1,0⟩;\text{a}(\pi )=\langle -1,0\rangle ; b. Answers may vary; c. Answers may vary

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 39번
# 벡터의 연산증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.OpenStax 3권 · 2.1절 · 22번대학 수준우리말 번역

실수 x∈[−1,1]x\in [-1,1] 에 따라 성분이 달라지는 벡터 a(x)=⟨x,1−x2⟩\text{a}(x)=\langle x,\sqrt{1-{x}^{2}}\rangle 를 생각하자. 수 xx 가 변함에 따라*,* a(x)\text{a}(x) 의 성분도 그것을 정의하는 함수에 따라 변한다.

a. 벡터 a(0)\text{a}(0) 과 a(1)\text{a}(1) 을 성분으로 나타내세요. b. 벡터 a(x)\text{a}(x) 의 크기 ∥a(x)∥\| \text{a}(x)\| 가 모든 실수 xx 에 대해 일정함을 보이세요. c. xx 가 변함에 따라, a(x)\text{a}(x) 가 표준 위치에 있다면 그 종점이 반원을 그림을 보이세요. 왜 반원일 뿐인지 설명하세요.

영어 원문 보기

Consider vector a(x)=⟨x,1−x2⟩\text{a}(x)=\langle x,\sqrt{1-{x}^{2}}\rangle with components that depend on a real number x∈[−1,1].x\in [-1,1]. As the number xx varies*,* the components of a(x)\text{a}(x) change as well, depending on the functions that define them.

a. Write the vectors a(0)\text{a}(0) and a(1)\text{a}(1) in component form. b. Show that the magnitude ∥a(x)∥\| \text{a}(x)\| of vector a(x)\text{a}(x) remains constant for any real number xx c. As xx varies, show that if a(x)\text{a}(x) is in standard position, then its terminal point describes a semicircle. Why is it only a semicircle?

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 13번
# 벡터의 연산증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.OpenStax 3권 · 2.1절 · 23번대학 수준우리말 번역

벡터 a(t)=⟨cos⁡ t,sin⁡ t⟩\text{a}(t)=\langle \cos \,t,\sin \,t\rangle 와 a(x)=⟨x,1−x2⟩\text{a}(x)=\langle x,\sqrt{1-{x}^{2}}\rangle 가 x=1x=1 이고 t=2kπ,t=2k\pi , (단, kk 는 정수)일 때 서로 같음을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that vectors a(t)=⟨cos⁡ t,sin⁡ t⟩\text{a}(t)=\langle \cos \,t,\sin \,t\rangle and a(x)=⟨x,1−x2⟩\text{a}(x)=\langle x,\sqrt{1-{x}^{2}}\rangle are equivalent for x=1x=1 and t=2kπ,t=2k\pi , where kk is an integer.

정답·풀이 보기

답은 다양할 수 있다

원본 교재 풀이(영어)

Answers may vary

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.1절 · 21번
# 벡터의 연산증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.OpenStax 3권 · 2.1절 · 24번대학 수준우리말 번역

벡터 a(t)=⟨cos⁡ t,sin⁡ t⟩\text{a}(t)=\langle \cos \,t,\sin \,t\rangle 와 a(x)=⟨x,1−x2⟩\text{a}(x)=\langle x,\sqrt{1-{x}^{2}}\rangle 가 x=1x=1 이고 t=π+2kπ,t=\pi +2k\pi , (단, kk 는 정수)일 때 서로 부호가 반대임을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that vectors a(t)=⟨cos⁡ t,sin⁡ t⟩\text{a}(t)=\langle \cos \,t,\sin \,t\rangle and a(x)=⟨x,1−x2⟩\text{a}(x)=\langle x,\sqrt{1-{x}^{2}}\rangle are opposite for x=1x=1 and t=π+2kπ,t=\pi +2k\pi , where kk is an integer.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2장 복습 · 25번
# 벡터의 연산증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.OpenStax 3권 · 2.1절 · 41번대학 수준우리말 번역

같은 실수의 집합 DD 에서 정의된 두 함수 ff 와 gg 를 생각하세요. a=⟨x,f(x)⟩\text{a}=\langle x,f(x)\rangle 와 b=⟨x,g(x)⟩\text{b}=\langle x,g(x)\rangle 를 두 함수의 그래프를 나타내는 벡터라 하세요. 단, x∈Dx\in D. 두 함수 ff 와 gg 의 그래프가 만나지 않으면 벡터 a\text{a} 와 b\text{b} 는 같지 않음을 보이세요.

영어 원문 보기

Consider ff and gg two functions defined on the same set of real numbers D.D. Let a=⟨x,f(x)⟩\text{a}=\langle x,f(x)\rangle and b=⟨x,g(x)⟩\text{b}=\langle x,g(x)\rangle be two vectors that describe the graphs of the functions, where x∈D.x\in D. Show that if the graphs of the functions ff and gg do not intersect, then the vectors a\text{a} and b\text{b} are not equivalent.

정답·풀이 보기

a=⟨x,f(x)⟩\text{a}=\langle x,f(x)\rangle 와 b=⟨x,g(x)⟩\text{b}=\langle x,g(x)\rangle 의 성분이 서로 같지 않으므로 두 벡터는 같지 않다.

원본 교재 풀이(영어)

The components of a=⟨x,f(x)⟩\text{a}=\langle x,f(x)\rangle and b=⟨x,g(x)⟩\text{b}=\langle x,g(x)\rangle are not equal, so the vectors are not equivalent.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2.1절 · 55번
# 벡터의 연산증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.CLP-3 · 1.2절 · 8번대학 수준우리말 번역

벡터 a\mathbf{a} 와 b\mathbf{b} 로 결정되는 평행사변형의 넓이가 ∣a×b∣|\mathbf{a}\times \mathbf{b}| 임을 보이세요.

그림

영어 원문 보기

Show that the area of the parallelogram determined by the vectors a\mathbf{a} and b\mathbf{b} is ∣a×b∣|\mathbf{a}\times \mathbf{b}|.

figure

정답·풀이 보기

평행사변형의 넓이는 밑변의 길이와 높이의 곱이다.

그림

밑변을 a\mathbf{a} 로 잡을 수 있다. 그러면 θ\theta 가 변 a\mathbf{a} 와 b\mathbf{b} 사이의 각일 때, 높이는 ∣b∣sin⁡θ|\mathbf{b}|\sin\theta 이다. 따라서

area=∣a∣∣b∣sin⁡θ=∣a×b∣\text{area} = |\mathbf{a}||\mathbf{b}|\sin\theta=|\mathbf{a}\times\mathbf{b}|

원본 교재 풀이(영어)

The area of a parallelogram is the length of its base time its height.

figure

We can choose the base to be a\mathbf{a}. Then, if θ\theta is the angle between its sides a\mathbf{a} and b\mathbf{b}, its height is ∣b∣sin⁡θ|\mathbf{b}|\sin\theta. So

area=∣a∣∣b∣sin⁡θ=∣a×b∣\text{area} = |\mathbf{a}||\mathbf{b}|\sin\theta=|\mathbf{a}\times\mathbf{b}|

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 13번
# 벡터의 연산증명·논술기본자동 분류
9.CLP-3 · 1.2절 · 9번대학 수준우리말 번역

벡터 a, b\mathbf{a},\ \mathbf{b}, c\mathbf{c} 로 정해지는 평행육면체의 부피가

∣a⋅(b×c)∣|\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}\times\mathbf{c})|

임을 보이세요.

그림

영어 원문 보기

Show that the volume of the parallelepiped determined by the vectors a, b\mathbf{a},\ \mathbf{b} and c\mathbf{c} is

∣a⋅(b×c)∣|\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}\times\mathbf{c})|

figure

정답·풀이 보기

평행육면체의 부피는 밑면의 넓이와 높이의 곱이다. 밑면을 벡터 b\mathbf{b} 와 c\mathbf{c} 로 정해지는 평행사변형으로 잡을 수 있다. 이 밑면의 넓이는 ∣b×c∣|\mathbf{b}\times\mathbf{c}| 이다. 벡터 b×c\mathbf{b}\times\mathbf{c} 는 밑면에 수직이다.

그림

a\mathbf{a} 와 밑면에 수직인 벡터 b×c\mathbf{b}\times\mathbf{c} 가 이루는 각을 θ\theta 라 하자. 평행육면체의 높이는 ∣a∣∣cos⁡θ∣|\mathbf{a}| |\cos\theta| 이다. 따라서

volume=∣a∣ ∣cos⁡θ∣ ∣b×c∣=∣a⋅(b×c)∣\text{volume} = |\mathbf{a}|\, |\cos\theta|\, |\mathbf{b}\times\mathbf{c}| =|\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}\times\mathbf{c})|

원본 교재 풀이(영어)

The volume of a parallelepiped is the area of its base time its height. We can choose the base to be the parallelogram determined by the vectors b\mathbf{b} and c\mathbf{c}. It has area ∣b×c∣|\mathbf{b}\times\mathbf{c}|. The vector b×c\mathbf{b}\times\mathbf{c} is perpendicular to the base.

figure

Denote by θ\theta the angle between a\mathbf{a} and the perpendicular b×c\mathbf{b}\times\mathbf{c}. The height of the parallelepiped is ∣a∣∣cos⁡θ∣|\mathbf{a}| |\cos\theta|. So

volume=∣a∣ ∣cos⁡θ∣ ∣b×c∣=∣a⋅(b×c)∣\text{volume} = |\mathbf{a}|\, |\cos\theta|\, |\mathbf{b}\times\mathbf{c}| =|\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}\times\mathbf{c})|

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 2장 복습 · 19번
# 벡터의 연산증명·논술기본자동 분류
10.CLP-3 · 1.2절 · 11번대학 수준우리말 번역

다음 명제를 생각하세요: "a≠0\mathbf{a}\ne\mathbf{0} 이고 a⋅b=a⋅c\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}=\mathbf{a}\cdot\mathbf{c} 이면 b=c\mathbf{b}=\mathbf{c} 이다." 이 명제가 참이면 증명하세요. 거짓이면 반례를 드세요.

영어 원문 보기

Consider the following statement: “If a≠0\mathbf{a}\ne\mathbf{0} and if a⋅b=a⋅c\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}=\mathbf{a}\cdot\mathbf{c} then b=c\mathbf{b}=\mathbf{c}.” If the statment is true, prove it. If the statement is false, give a counterexample.

정답·풀이 보기

이 명제는 거짓이다. 두 수 a⋅b\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}, a⋅c\mathbf{a}\cdot\mathbf{c} 가 같을 필요충분조건은 a⋅(b−c)=0\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}-\mathbf{c})= 0 이다. 이는 다시 a\mathbf{a} 가 b−c\mathbf{b}-\mathbf{c} 와 수직인 것과 필요충분조건이다(0\mathbf{0} 은 모든 벡터와 수직이라는 약속에 따른다). 예를 들어 a=<1,0,0>\mathbf{a}=\left< 1,0,0\right> , b=<0,1,0>, c=<0,0,1>\mathbf{b}=\left< 0,1,0\right> ,\ \mathbf{c}=\left< 0,0,1\right> 이면 b−c=<0,1,−1>\mathbf{b}-\mathbf{c}=\left< 0,1,-1\right> 은 a\mathbf{a} 와 수직이므로 a⋅b=a⋅c\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}=\mathbf{a}\cdot\mathbf{c} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

This statement is false. The two numbers a⋅b\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}, a⋅c\mathbf{a}\cdot\mathbf{c} are equal if and only if a⋅(b−c)=0\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}-\mathbf{c})= 0. This in turn is the case if and only if a\mathbf{a} is perpendicular to b−c\mathbf{b}-\mathbf{c} (under the convention that 0\mathbf{0} is perpendicular to all vectors). For example, if a=<1,0,0>\mathbf{a}=\left< 1,0,0\right> , b=<0,1,0>, c=<0,0,1>\mathbf{b}=\left< 0,1,0\right> ,\ \mathbf{c}=\left< 0,0,1\right> , then b−c=<0,1,−1>\mathbf{b}-\mathbf{c}=\left< 0,1,-1\right> is perpendicular to a\mathbf{a} so that a⋅b=a⋅c\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}=\mathbf{a}\cdot\mathbf{c}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 16번
# 벡터의 연산증명·논술기본자동 분류
11.CLP-3 · 1.2절 · 12번대학 수준우리말 번역

다음 명제를 생각하세요. "벡터 a×(b×c)\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c}) 는 어떤 실수 α\alpha 와 β\beta 에 대해 αb+βc\alpha \mathbf{b}+\beta \mathbf{c} 의 꼴이다." 이 명제가 참이면 증명하세요. 거짓이면 반례를 드세요.

영어 원문 보기

Consider the following statement: “The vector a×(b×c)\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c}) is of the form αb+βc\alpha \mathbf{b}+\beta \mathbf{c} for some real numbers α\alpha and β\beta .” If the statement is true, prove it. If the statement is false, give a counterexample.

정답·풀이 보기

이 명제는 참이다. b\mathbf{b} 와 c\mathbf{c} 가 평행한 경우에는 b×c=0\mathbf{b}\times\mathbf{c}=\mathbf{0} 이므로 a×(b×c)=0=0b+0c\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c})=\mathbf{0}=0\mathbf{b}+0\mathbf{c} 이다. 따라서 b\mathbf{b} 와 c\mathbf{c} 가 평행하지 않다고 가정해도 된다. 그러면 α\alpha 와 β\beta 가 R\mathbb{R} 전체를 움직일 때, 벡터 αb+βc\alpha \mathbf{b}+\beta \mathbf{c} 는 원점과 벡터 b\mathbf{b}, c\mathbf{c} 를 포함하는 평면 위를 움직인다. 이 평면을 PP 라 하자. d=b×c\mathbf{d}=\mathbf{b}\times\mathbf{c} 는 영벡터가 아니고 b\mathbf{b} 와 c\mathbf{c} 모두에 수직이므로, PP 는 원점을 포함하고 d\mathbf{d} 에 수직인 평면이다. a×(b×c)=a×d\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c})=\mathbf{a}\times\mathbf{d} 는 언제나 d\mathbf{d} 에 수직이므로 PP 위에 놓인다.

원본 교재 풀이(영어)

This statement is true. In the event that b\mathbf{b} and c\mathbf{c} are parallel, b×c=0\mathbf{b}\times\mathbf{c}=\mathbf{0} so that a×(b×c)=0=0b+0c\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c})=\mathbf{0}=0\mathbf{b}+0\mathbf{c}, so we may assume that b\mathbf{b} and c\mathbf{c} are not parallel. Then as α\alpha and β\beta run over R\mathbb{R}, the vector αb+βc\alpha \mathbf{b}+\beta \mathbf{c} runs over the plane that contains the origin and the vectors b\mathbf{b} and c\mathbf{c}. Call this plane PP. Because d=b×c\mathbf{d}=\mathbf{b}\times\mathbf{c} is nonzero and perpendicular to both b\mathbf{b} and c\mathbf{c}, PP is the plane that contains the origin and is perpendicular to d\mathbf{d}. As a×(b×c)=a×d\mathbf{a}\times(\mathbf{b}\times\mathbf{c})=\mathbf{a}\times\mathbf{d} is always perpendicular to d\mathbf{d}, it lies in PP.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 8번
# 벡터의 연산증명·논술기본자동 분류
12.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
13.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
14.CLP-3 · 1.2절 · 31번대학 수준우리말 번역

평행사변형의 두 대각선은 서로를 이등분함을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that the diagonals of a parallelogram bisect each other.

정답·풀이 보기

벡터 a\mathbf{a} 와 b\mathbf{b} 로 결정되는 평행사변형의 꼭짓점은 0, a, b\mathbf{0},\ \mathbf{a},\ \mathbf{b}, a+b\mathbf{a}+\mathbf{b} 이다. tt 가 00 에서 11 까지 변할 때, t(a+b)t(\mathbf{a}+\mathbf{b}) 는 0\mathbf{0} 에서 a+b\mathbf{a}+\mathbf{b} 까지의 대각선을 지난다. ss 가 00 에서 11 까지 변할 때, a+s(b−a)\mathbf{a}+s(\mathbf{b}-\mathbf{a}) 는 a\mathbf{a} 에서 b\mathbf{b} 까지의 대각선을 지난다. 이 두 직선은 ss 와 tt 가 다음을 만족할 때 만난다.

t(a+b)=a+s(b−a)t(\mathbf{a}+\mathbf{b})=\mathbf{a}+s(\mathbf{b}-\mathbf{a})

즉

(t+s−1)a=(s−t)b(t+s-1)\mathbf{a}=(s-t)\mathbf{b}

a\mathbf{a} 와 b\mathbf{b} 가 평행하지 않다고 가정하면(즉 평행사변형이 선분으로 퇴화하지 않았다면), 이는 t+s−1=0t+s-1=0 이고 s−t=0s-t=0 일 때에만 성립한다. 즉 s=t=12s=t=\tfrac{1}{2} 이다. 따라서 두 직선은 각각의 중점에서 만난다.

원본 교재 풀이(영어)

The parallelogram determined by the vectors a\mathbf{a} and b\mathbf{b} has vertices 0, a, b\mathbf{0},\ \mathbf{a},\ \mathbf{b} and a+b\mathbf{a}+\mathbf{b}. As tt varies from 00 to 11, t(a+b)t(\mathbf{a}+\mathbf{b}) traverses the diagonal from 0\mathbf{0} to a+b\mathbf{a}+\mathbf{b}. As ss varies from 00 to 11, a+s(b−a)\mathbf{a}+s(\mathbf{b}-\mathbf{a}) traverses the diagonal from a\mathbf{a} to b\mathbf{b}. These two straight lines meet when ss and tt are such that

t(a+b)=a+s(b−a)t(\mathbf{a}+\mathbf{b})=\mathbf{a}+s(\mathbf{b}-\mathbf{a})

or

(t+s−1)a=(s−t)b(t+s-1)\mathbf{a}=(s-t)\mathbf{b}

Assuming that a\mathbf{a} and b\mathbf{b} are not parallel (i.e. the parallelogram has not degenerated to a line segment), this is the case only when t+s−1=0t+s-1=0 and s−t=0s-t=0. That is, s=t=12s=t=\tfrac{1}{2}. So the two lines meet at their midpoints.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 1.2절 · 25번
# 벡터의 연산증명·논술도전자동 분류
15.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
16.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
17.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
18.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