예제·유제 · Examples & Exercises
시점이 $P(-3,4,1)$이고 종점이 $Q(-5,2,2)$인 벡터를 성분으로 나타내고 크기를 구하시오.
풀이. $\overrightarrow{PQ} = Q-P = (-5-(-3),\, 2-4,\, 2-1) = (-2,-2,1)$이다.
따라서 $|\overrightarrow{PQ}| = \sqrt{(-2)^2+(-2)^2+1^2} = \sqrt{9} = 3$이다.
Find the component form of the vector with initial point $P(-3,4,1)$ and terminal point $Q(-5,2,2)$, and find its magnitude.
Solution. $\overrightarrow{PQ} = Q-P = (-5-(-3),\, 2-4,\, 2-1) = (-2,-2,1)$.
Hence $|\overrightarrow{PQ}| = \sqrt{(-2)^2+(-2)^2+1^2} = \sqrt{9} = 3$.
평면벡터 $\mathbf{F}$의 크기가 $20$이고 양의 $x$축과 이루는 각의 크기가 $45^\circ$일 때 벡터 $\mathbf{F}$를 성분으로 나타내시오.
풀이. $\mathbf{F}$의 크기가 $20$이고 양의 $x$축과 이루는 각이 $45^\circ$이므로 $\mathbf{F} = 20(\cos45^\circ, \sin45^\circ) = 20\left(\dfrac{\sqrt2}{2}, \dfrac{\sqrt2}{2}\right) = (10\sqrt2, 10\sqrt2)$이다.
Find the component form of the vector $\mathbf{F}$ in the plane, given that $\mathbf{F}$ has magnitude $20$ and makes an angle of $45^\circ$ with the positive $x$-axis.
Solution. Since $\mathbf{F}$ has magnitude $20$ and makes an angle of $45^\circ$ with the positive $x$-axis, $\mathbf{F} = 20(\cos45^\circ, \sin45^\circ) = 20\left(\dfrac{\sqrt2}{2}, \dfrac{\sqrt2}{2}\right) = (10\sqrt2, 10\sqrt2)$.
세 점 $A(1,-1,2)$, $B(2,1,3)$, $C(-1,2,-1)$을 꼭짓점으로 하는 삼각형의 무게중심을 $P$라 하자. $\overrightarrow{OP}$를 성분으로 나타내시오. (단, $O$는 원점)
풀이. 삼각형의 무게중심은 세 꼭짓점의 위치벡터의 평균이므로
$$\overrightarrow{OP} = \frac{1}{3}\left(\overrightarrow{OA}+\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{OC}\right) = \frac{1}{3}\big((1,-1,2)+(2,1,3)+(-1,2,-1)\big) = \frac{1}{3}(2,2,4) = \left(\frac{2}{3},\frac{2}{3},\frac{4}{3}\right)$$
이다.
Let $P$ be the centroid of the triangle with vertices $A(1,-1,2)$, $B(2,1,3)$, $C(-1,2,-1)$. Find the component form of $\overrightarrow{OP}$. (Here $O$ is the origin.)
Solution. The centroid of a triangle is the average of the position vectors of its three vertices, so
$$\overrightarrow{OP} = \frac{1}{3}\left(\overrightarrow{OA}+\overrightarrow{OB}+\overrightarrow{OC}\right) = \frac{1}{3}\big((1,-1,2)+(2,1,3)+(-1,2,-1)\big) = \frac{1}{3}(2,2,4) = \left(\frac{2}{3},\frac{2}{3},\frac{4}{3}\right).$$
$\mathbf{u}=(-1,3,1)$, $\mathbf{v}=(4,7,0)$일 때 다음을 구하시오.
- $2\mathbf{u}+3\mathbf{v}$
- $\mathbf{u}-\mathbf{v}$
- $\left|\dfrac{1}{2}\mathbf{u}\right|$
풀이. $\mathbf{u}=(-1,3,1)$, $\mathbf{v}=(4,7,0)$이다.
(1) $2\mathbf{u}+3\mathbf{v} = (-2,6,2)+(12,21,0) = (10,27,2)$이다.
(2) $\mathbf{u}-\mathbf{v} = (-1-4,\,3-7,\,1-0) = (-5,-4,1)$이다.
(3) $\dfrac{1}{2}\mathbf{u} = \left(-\dfrac12,\dfrac32,\dfrac12\right)$이므로 $\left|\dfrac12\mathbf{u}\right| = \dfrac12|\mathbf{u}| = \dfrac12\sqrt{(-1)^2+3^2+1^2} = \dfrac{\sqrt{11}}{2}$이다.
Given $\mathbf{u}=(-1,3,1)$ and $\mathbf{v}=(4,7,0)$, find each of the following.
- $2\mathbf{u}+3\mathbf{v}$
- $\mathbf{u}-\mathbf{v}$
- $\left|\dfrac{1}{2}\mathbf{u}\right|$
Solution. $\mathbf{u}=(-1,3,1)$ and $\mathbf{v}=(4,7,0)$.
(1) $2\mathbf{u}+3\mathbf{v} = (-2,6,2)+(12,21,0) = (10,27,2)$.
(2) $\mathbf{u}-\mathbf{v} = (-1-4,\,3-7,\,1-0) = (-5,-4,1)$.
(3) Since $\dfrac{1}{2}\mathbf{u} = \left(-\dfrac12,\dfrac32,\dfrac12\right)$, we have $\left|\dfrac12\mathbf{u}\right| = \dfrac12|\mathbf{u}| = \dfrac12\sqrt{(-1)^2+3^2+1^2} = \dfrac{\sqrt{11}}{2}$.
$P_1(1,0,1)$을 시점으로 하고 $P_2(3,2,0)$을 종점으로 하는 벡터의 방향을 구하시오.
풀이. $\overrightarrow{P_1P_2} = P_2-P_1 = (3-1,\,2-0,\,0-1) = (2,2,-1)$이다.
$|\overrightarrow{P_1P_2}| = \sqrt{4+4+1} = 3$이므로 방향은 $\dfrac{\overrightarrow{P_1P_2}}{|\overrightarrow{P_1P_2}|} = \left(\dfrac23,\dfrac23,-\dfrac13\right)$이다.
Find the direction of the vector with initial point $P_1(1,0,1)$ and terminal point $P_2(3,2,0)$.
Solution. $\overrightarrow{P_1P_2} = P_2-P_1 = (3-1,\,2-0,\,0-1) = (2,2,-1)$.
Since $|\overrightarrow{P_1P_2}| = \sqrt{4+4+1} = 3$, the direction is $\dfrac{\overrightarrow{P_1P_2}}{|\overrightarrow{P_1P_2}|} = \left(\dfrac23,\dfrac23,-\dfrac13\right)$.
속도벡터 $\mathbf{v}=3\mathbf{i}-4\mathbf{j}$에 대해 속력과 방향을 각각 구하시오.
풀이. $\mathbf{v}=3\mathbf{i}-4\mathbf{j}=(3,-4)$이므로 속력은 $|\mathbf{v}| = \sqrt{3^2+(-4)^2} = \sqrt{25} = 5$이다.
방향은 $\dfrac{\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|} = \left(\dfrac35,-\dfrac45\right)$이다.
For the velocity vector $\mathbf{v}=3\mathbf{i}-4\mathbf{j}$, find the speed and the direction.
Solution. Since $\mathbf{v}=3\mathbf{i}-4\mathbf{j}=(3,-4)$, the speed is $|\mathbf{v}| = \sqrt{3^2+(-4)^2} = \sqrt{25} = 5$.
The direction is $\dfrac{\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|} = \left(\dfrac35,-\dfrac45\right)$.
$\mathbf{v}=2\mathbf{i}+2\mathbf{j}-\mathbf{k}$와 같은 방향으로 6N의 힘 $\mathbf{F}$가 물체에 가해지고 있다. $\mathbf{F}$를 크기와 방향의 곱으로 나타내시오.
풀이. $\mathbf{v}=2\mathbf{i}+2\mathbf{j}-\mathbf{k}=(2,2,-1)$이고 $|\mathbf{v}| = \sqrt{4+4+1} = 3$이므로 $\mathbf{v}$의 방향은 $\dfrac{\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|} = \left(\dfrac23,\dfrac23,-\dfrac13\right)$이다.
$\mathbf{F}$는 이 방향으로 크기 $6$을 가지므로
$$\mathbf{F} = 6\cdot\frac{\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|} = 6\left(\frac23,\frac23,-\frac13\right) = (4,4,-2)$$
이다.
A force $\mathbf{F}$ of magnitude 6N is applied to an object in the same direction as $\mathbf{v}=2\mathbf{i}+2\mathbf{j}-\mathbf{k}$. Express $\mathbf{F}$ as the product of its magnitude and direction.
Solution. Since $\mathbf{v}=2\mathbf{i}+2\mathbf{j}-\mathbf{k}=(2,2,-1)$ and $|\mathbf{v}| = \sqrt{4+4+1} = 3$, the direction of $\mathbf{v}$ is $\dfrac{\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|} = \left(\dfrac23,\dfrac23,-\dfrac13\right)$.
Since $\mathbf{F}$ has magnitude $6$ in this direction,
$$\mathbf{F} = 6\cdot\frac{\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|} = 6\left(\frac23,\frac23,-\frac13\right) = (4,4,-2).$$
다음을 계산하시오.
- $(1,-2,-1)\cdot(-6,2,-3)$
- $\left(\dfrac{1}{2}\mathbf{i}+3\mathbf{j}+\mathbf{k}\right)\cdot(4\mathbf{i}-\mathbf{j}+2\mathbf{k})$
풀이. (1) $(1,-2,-1)\cdot(-6,2,-3) = 1\cdot(-6)+(-2)\cdot2+(-1)\cdot(-3) = -6-4+3 = -7$이다.
(2) $\left(\dfrac12\mathbf{i}+3\mathbf{j}+\mathbf{k}\right)\cdot(4\mathbf{i}-\mathbf{j}+2\mathbf{k}) = \dfrac12\cdot4 + 3\cdot(-1) + 1\cdot2 = 2-3+2 = 1$이다.
Compute the following.
- $(1,-2,-1)\cdot(-6,2,-3)$
- $\left(\dfrac{1}{2}\mathbf{i}+3\mathbf{j}+\mathbf{k}\right)\cdot(4\mathbf{i}-\mathbf{j}+2\mathbf{k})$
Solution. (1) $(1,-2,-1)\cdot(-6,2,-3) = 1\cdot(-6)+(-2)\cdot2+(-1)\cdot(-3) = -6-4+3 = -7$.
(2) $\left(\dfrac12\mathbf{i}+3\mathbf{j}+\mathbf{k}\right)\cdot(4\mathbf{i}-\mathbf{j}+2\mathbf{k}) = \dfrac12\cdot4 + 3\cdot(-1) + 1\cdot2 = 2-3+2 = 1$.
주어진 두 벡터가 이루는 각의 크기를 구하시오.
- $\mathbf{u}=\mathbf{i}-2\mathbf{j}-2\mathbf{k}$, $\mathbf{v}=6\mathbf{i}+3\mathbf{j}+2\mathbf{k}$
- $\mathbf{u}=3\mathbf{i}-2\mathbf{j}+\mathbf{k}$, $\mathbf{v}=2\mathbf{j}+4\mathbf{k}$
풀이. 두 벡터 $\mathbf{u}$, $\mathbf{v}$가 이루는 각을 $\theta$라 하면 $\cos\theta = \dfrac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{u}||\mathbf{v}|}$이다.
(1) $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v} = 1\cdot6+(-2)\cdot3+(-2)\cdot2 = 6-6-4 = -4$이고 $|\mathbf{u}| = \sqrt{1+4+4}=3$, $|\mathbf{v}| = \sqrt{36+9+4}=7$이므로 $\cos\theta = -\dfrac{4}{21}$, 즉 $\theta = \cos^{-1}\left(-\dfrac{4}{21}\right)$이다.
(2) $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v} = 3\cdot0+(-2)\cdot2+1\cdot4 = -4+4 = 0$이므로 $\cos\theta=0$, 즉 $\theta = \dfrac{\pi}{2}$이다.
Find the angle between the given pair of vectors.
- $\mathbf{u}=\mathbf{i}-2\mathbf{j}-2\mathbf{k}$, $\mathbf{v}=6\mathbf{i}+3\mathbf{j}+2\mathbf{k}$
- $\mathbf{u}=3\mathbf{i}-2\mathbf{j}+\mathbf{k}$, $\mathbf{v}=2\mathbf{j}+4\mathbf{k}$
Solution. If $\theta$ is the angle between $\mathbf{u}$ and $\mathbf{v}$, then $\cos\theta = \dfrac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{u}||\mathbf{v}|}$.
(1) $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v} = 1\cdot6+(-2)\cdot3+(-2)\cdot2 = 6-6-4 = -4$, and $|\mathbf{u}| = \sqrt{1+4+4}=3$, $|\mathbf{v}| = \sqrt{36+9+4}=7$, so $\cos\theta = -\dfrac{4}{21}$, i.e., $\theta = \cos^{-1}\left(-\dfrac{4}{21}\right)$.
(2) $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v} = 3\cdot0+(-2)\cdot2+1\cdot4 = -4+4 = 0$, so $\cos\theta=0$, i.e., $\theta = \dfrac{\pi}{2}$.
세 점 $A(1,0,0)$, $B(0,1,0)$, $C(0,0,1)$이 주어졌을 때, $\angle ABC$를 구하시오.
풀이. $\angle ABC$는 $\overrightarrow{BA}$와 $\overrightarrow{BC}$가 이루는 각이다.
$\overrightarrow{BA} = A-B = (1,-1,0)$, $\overrightarrow{BC} = C-B = (0,-1,1)$이고, $\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC} = 0+1+0=1$, $|\overrightarrow{BA}|=|\overrightarrow{BC}|=\sqrt2$이다.
따라서 $\cos(\angle ABC) = \dfrac{1}{\sqrt2\cdot\sqrt2} = \dfrac12$이므로 $\angle ABC = \dfrac{\pi}{3}$이다.
Given the three points $A(1,0,0)$, $B(0,1,0)$, $C(0,0,1)$, find $\angle ABC$.
Solution. $\angle ABC$ is the angle between $\overrightarrow{BA}$ and $\overrightarrow{BC}$.
$\overrightarrow{BA} = A-B = (1,-1,0)$, $\overrightarrow{BC} = C-B = (0,-1,1)$, and $\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC} = 0+1+0=1$, $|\overrightarrow{BA}|=|\overrightarrow{BC}|=\sqrt2$.
Hence $\cos(\angle ABC) = \dfrac{1}{\sqrt2\cdot\sqrt2} = \dfrac12$, so $\angle ABC = \dfrac{\pi}{3}$.
다음 명제의 참·거짓을 밝히시오.
- $\mathbf{u}\cdot\mathbf{u}=0$일 필요충분조건은 $\mathbf{u}=\mathbf{0}$이다.
- $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_1=\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_2$이고 $\mathbf{u}\neq\mathbf{0}$이면 $\mathbf{v}_1=\mathbf{v}_2$이다.
증명.
(1) 참이다. $\mathbf{u}\cdot\mathbf{u} = |\mathbf{u}|^2$이므로 $\mathbf{u}\cdot\mathbf{u}=0 \Leftrightarrow |\mathbf{u}|^2=0 \Leftrightarrow |\mathbf{u}|=0 \Leftrightarrow \mathbf{u}=\mathbf{0}$이다. 즉 $\mathbf{u}\cdot\mathbf{u}=0$은 $\mathbf{u}=\mathbf{0}$과 필요충분조건이다.
(2) 거짓이다. $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_1=\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_2$는 $\mathbf{u}\cdot(\mathbf{v}_1-\mathbf{v}_2)=0$, 즉 $\mathbf{v}_1-\mathbf{v}_2$가 $\mathbf{u}$와 수직임과 동치이므로, $\mathbf{v}_1\neq\mathbf{v}_2$이면서 등식이 성립하는 예를 만들 수 있다. 예를 들어 $\mathbf{u}=(1,0,0)$, $\mathbf{v}_1=(0,1,0)$, $\mathbf{v}_2=(0,1,1)$이라 하면 $\mathbf{u}\neq\mathbf{0}$이고 $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_1 = 0 = \mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_2$이지만 $\mathbf{v}_1\neq\mathbf{v}_2$이다. 따라서 주어진 명제는 거짓이다.
Determine whether the following are true or false.
- A necessary and sufficient condition for $\mathbf{u}\cdot\mathbf{u}=0$ is $\mathbf{u}=\mathbf{0}$.
- If $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_1=\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_2$ and $\mathbf{u}\neq\mathbf{0}$, then $\mathbf{v}_1=\mathbf{v}_2$.
Proof.
(1) True. Since $\mathbf{u}\cdot\mathbf{u} = |\mathbf{u}|^2$, we have $\mathbf{u}\cdot\mathbf{u}=0 \Leftrightarrow |\mathbf{u}|^2=0 \Leftrightarrow |\mathbf{u}|=0 \Leftrightarrow \mathbf{u}=\mathbf{0}$. Hence $\mathbf{u}\cdot\mathbf{u}=0$ is a necessary and sufficient condition for $\mathbf{u}=\mathbf{0}$.
(2) False. The equality $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_1=\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_2$ is equivalent to $\mathbf{u}\cdot(\mathbf{v}_1-\mathbf{v}_2)=0$, i.e., $\mathbf{v}_1-\mathbf{v}_2$ is perpendicular to $\mathbf{u}$, so we can find $\mathbf{v}_1\neq\mathbf{v}_2$ for which the equality still holds. For instance, let $\mathbf{u}=(1,0,0)$, $\mathbf{v}_1=(0,1,0)$, $\mathbf{v}_2=(0,1,1)$. Then $\mathbf{u}\neq\mathbf{0}$ and $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_1 = 0 = \mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_2$, but $\mathbf{v}_1\neq\mathbf{v}_2$. Hence the statement is false.
$|\mathbf{v}|=2$, $|\mathbf{w}|=3$이고 $\mathbf{v}$와 $\mathbf{w}$가 이루는 각의 크기가 $\pi/3$일 때 $|\mathbf{v}-2\mathbf{w}|$를 구하시오.
풀이. $|\mathbf{v}-2\mathbf{w}|^2 = |\mathbf{v}|^2 - 4\,\mathbf{v}\cdot\mathbf{w} + 4|\mathbf{w}|^2$이고, $\mathbf{v}\cdot\mathbf{w} = |\mathbf{v}||\mathbf{w}|\cos\dfrac{\pi}{3} = 2\cdot3\cdot\dfrac12 = 3$이다.
따라서 $|\mathbf{v}-2\mathbf{w}|^2 = 4 - 4\cdot3 + 4\cdot9 = 4-12+36 = 28$이므로 $|\mathbf{v}-2\mathbf{w}| = \sqrt{28} = 2\sqrt7$이다.
Given $|\mathbf{v}|=2$, $|\mathbf{w}|=3$, and that the angle between $\mathbf{v}$ and $\mathbf{w}$ is $\pi/3$, find $|\mathbf{v}-2\mathbf{w}|$.
Solution. $|\mathbf{v}-2\mathbf{w}|^2 = |\mathbf{v}|^2 - 4\,\mathbf{v}\cdot\mathbf{w} + 4|\mathbf{w}|^2$, and $\mathbf{v}\cdot\mathbf{w} = |\mathbf{v}||\mathbf{w}|\cos\dfrac{\pi}{3} = 2\cdot3\cdot\dfrac12 = 3$.
Hence $|\mathbf{v}-2\mathbf{w}|^2 = 4 - 4\cdot3 + 4\cdot9 = 4-12+36 = 28$, so $|\mathbf{v}-2\mathbf{w}| = \sqrt{28} = 2\sqrt7$.
$\mathbf{w}=|\mathbf{v}|\mathbf{u}+|\mathbf{u}|\mathbf{v}$는 $\mathbf{u}$와 $\mathbf{v}$가 이루는 각을 이등분함을 보이시오.
증명. $\mathbf{u}\neq\mathbf{0}$, $\mathbf{v}\neq\mathbf{0}$이라 하고 $\mathbf{a}=|\mathbf{v}|\mathbf{u}$, $\mathbf{b}=|\mathbf{u}|\mathbf{v}$라 하자. 그러면 $\mathbf{w}=\mathbf{a}+\mathbf{b}$이고
$$|\mathbf{a}| = |\mathbf{v}||\mathbf{u}| = |\mathbf{u}||\mathbf{v}| = |\mathbf{b}|$$
이다. 즉 $\mathbf{a}$와 $\mathbf{b}$는 크기가 같다. $\mathbf{a}$는 $\mathbf{u}$의 양의 배수, $\mathbf{b}$는 $\mathbf{v}$의 양의 배수이므로 $\mathbf{a}$와 $\mathbf{b}$가 이루는 각은 $\mathbf{u}$와 $\mathbf{v}$가 이루는 각과 같다.
$\mathbf{w}=\mathbf{a}+\mathbf{b}$와 $\mathbf{a}$가 이루는 각을 $\theta_1$, $\mathbf{w}$와 $\mathbf{b}$가 이루는 각을 $\theta_2$라 하면, $k=|\mathbf{a}|=|\mathbf{b}|$라 둘 때
$$\cos\theta_1 = \frac{\mathbf{w}\cdot\mathbf{a}}{|\mathbf{w}||\mathbf{a}|} = \frac{(\mathbf{a}+\mathbf{b})\cdot\mathbf{a}}{|\mathbf{w}|k} = \frac{k^2+\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}}{|\mathbf{w}|k}, \qquad \cos\theta_2 = \frac{\mathbf{w}\cdot\mathbf{b}}{|\mathbf{w}||\mathbf{b}|} = \frac{(\mathbf{a}+\mathbf{b})\cdot\mathbf{b}}{|\mathbf{w}|k} = \frac{\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}+k^2}{|\mathbf{w}|k}$$
이므로 $\cos\theta_1=\cos\theta_2$이고, $\theta_1,\theta_2\in[0,\pi]$이므로 $\theta_1=\theta_2$이다.
즉 $\mathbf{w}$는 $\mathbf{a}$와 $\mathbf{b}$가 이루는 각을 이등분하고, 이는 곧 $\mathbf{u}$와 $\mathbf{v}$가 이루는 각을 이등분함을 뜻한다. (단, $\mathbf{w}\neq\mathbf{0}$인 경우, 즉 $\mathbf{u}$와 $\mathbf{v}$가 서로 반대 방향이 아닌 경우를 다룬다.)
Show that $\mathbf{w}=|\mathbf{v}|\mathbf{u}+|\mathbf{u}|\mathbf{v}$ bisects the angle between $\mathbf{u}$ and $\mathbf{v}$.
Proof. Assume $\mathbf{u}\neq\mathbf{0}$, $\mathbf{v}\neq\mathbf{0}$, and let $\mathbf{a}=|\mathbf{v}|\mathbf{u}$, $\mathbf{b}=|\mathbf{u}|\mathbf{v}$. Then $\mathbf{w}=\mathbf{a}+\mathbf{b}$, and
$$|\mathbf{a}| = |\mathbf{v}||\mathbf{u}| = |\mathbf{u}||\mathbf{v}| = |\mathbf{b}|,$$
so $\mathbf{a}$ and $\mathbf{b}$ have equal magnitude. Since $\mathbf{a}$ is a positive multiple of $\mathbf{u}$ and $\mathbf{b}$ is a positive multiple of $\mathbf{v}$, the angle between $\mathbf{a}$ and $\mathbf{b}$ equals the angle between $\mathbf{u}$ and $\mathbf{v}$.
Let $\theta_1$ be the angle between $\mathbf{w}=\mathbf{a}+\mathbf{b}$ and $\mathbf{a}$, and $\theta_2$ the angle between $\mathbf{w}$ and $\mathbf{b}$. Writing $k=|\mathbf{a}|=|\mathbf{b}|$,
$$\cos\theta_1 = \frac{\mathbf{w}\cdot\mathbf{a}}{|\mathbf{w}||\mathbf{a}|} = \frac{(\mathbf{a}+\mathbf{b})\cdot\mathbf{a}}{|\mathbf{w}|k} = \frac{k^2+\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}}{|\mathbf{w}|k}, \qquad \cos\theta_2 = \frac{\mathbf{w}\cdot\mathbf{b}}{|\mathbf{w}||\mathbf{b}|} = \frac{(\mathbf{a}+\mathbf{b})\cdot\mathbf{b}}{|\mathbf{w}|k} = \frac{\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}+k^2}{|\mathbf{w}|k}.$$
Hence $\cos\theta_1=\cos\theta_2$, and since $\theta_1,\theta_2\in[0,\pi]$, we get $\theta_1=\theta_2$.
Thus $\mathbf{w}$ bisects the angle between $\mathbf{a}$ and $\mathbf{b}$, hence it bisects the angle between $\mathbf{u}$ and $\mathbf{v}$. (Here we treat the case $\mathbf{w}\neq\mathbf{0}$, i.e., $\mathbf{u}$ and $\mathbf{v}$ are not exactly opposite in direction.)
상자를 오른쪽 방향으로 이동시키기 위해 오른쪽 방향과 $60^\circ$의 각도를 이루는 방향으로 40N 크기의 힘을 가하고 있다. 물체가 오른쪽 방향으로 3m 이동했을 때 그 힘이 한 일을 구하시오.
풀이. 힘이 한 일은 $W = \mathbf{F}\cdot\mathbf{d} = |\mathbf{F}||\mathbf{d}|\cos\theta$이다.
$|\mathbf{F}|=40$, $|\mathbf{d}|=3$, $\theta=60^\circ$이므로
$$W = 40\cdot3\cdot\cos60^\circ = 120\cdot\frac12 = 60\ \text{J}$$
이다.
To move a box to the right, a force of magnitude 40N is applied in a direction making a $60^\circ$ angle with the rightward direction. Find the work done by the force when the object moves 3m to the right.
Solution. The work done by the force is $W = \mathbf{F}\cdot\mathbf{d} = |\mathbf{F}||\mathbf{d}|\cos\theta$.
Since $|\mathbf{F}|=40$, $|\mathbf{d}|=3$, $\theta=60^\circ$,
$$W = 40\cdot3\cdot\cos60^\circ = 120\cdot\frac12 = 60\ \text{J}.$$
- $\mathbf{F}=5\mathbf{i}+2\mathbf{j}$의 $\mathbf{v}=\mathbf{i}-3\mathbf{j}$ 위로의 정사영을 구하고 $\mathbf{F}$의 $\mathbf{v}$ 방향으로의 스칼라 성분을 구하시오.
- $\mathbf{u}=6\mathbf{i}+3\mathbf{j}+2\mathbf{k}$의 $\mathbf{v}=\mathbf{i}-2\mathbf{j}-2\mathbf{k}$ 위로의 정사영을 구하고 $\mathbf{u}$의 $\mathbf{v}$ 방향으로의 스칼라 성분을 구하시오.
풀이. 정사영은 $\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u} = \dfrac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|^2}\mathbf{v}$이고, $\mathbf{v}$ 방향으로의 스칼라 성분은 $\dfrac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|}$이다.
(1) $\mathbf{F}=(5,2)$, $\mathbf{v}=(1,-3)$이다. $\mathbf{F}\cdot\mathbf{v} = 5-6=-1$, $|\mathbf{v}|^2=1+9=10$이므로
$$\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{F} = \frac{-1}{10}(1,-3) = \left(-\frac1{10},\frac3{10}\right)$$
이고, 스칼라 성분은 $\dfrac{\mathbf{F}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|} = \dfrac{-1}{\sqrt{10}} = -\dfrac{\sqrt{10}}{10}$이다.
(2) $\mathbf{u}=(6,3,2)$, $\mathbf{v}=(1,-2,-2)$이다. $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v} = 6-6-4=-4$, $|\mathbf{v}|^2=1+4+4=9$이므로
$$\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u} = \frac{-4}{9}(1,-2,-2) = \left(-\frac49,\frac89,\frac89\right)$$
이고, 스칼라 성분은 $\dfrac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|} = \dfrac{-4}{3} = -\dfrac43$이다.
- Find the projection of $\mathbf{F}=5\mathbf{i}+2\mathbf{j}$ onto $\mathbf{v}=\mathbf{i}-3\mathbf{j}$, and find the scalar component of $\mathbf{F}$ in the direction of $\mathbf{v}$.
- Find the projection of $\mathbf{u}=6\mathbf{i}+3\mathbf{j}+2\mathbf{k}$ onto $\mathbf{v}=\mathbf{i}-2\mathbf{j}-2\mathbf{k}$, and find the scalar component of $\mathbf{u}$ in the direction of $\mathbf{v}$.
Solution. The projection is $\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u} = \dfrac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|^2}\mathbf{v}$, and the scalar component in the direction of $\mathbf{v}$ is $\dfrac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|}$.
(1) $\mathbf{F}=(5,2)$, $\mathbf{v}=(1,-3)$. Since $\mathbf{F}\cdot\mathbf{v} = 5-6=-1$ and $|\mathbf{v}|^2=1+9=10$,
$$\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{F} = \frac{-1}{10}(1,-3) = \left(-\frac1{10},\frac3{10}\right),$$
and the scalar component is $\dfrac{\mathbf{F}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|} = \dfrac{-1}{\sqrt{10}} = -\dfrac{\sqrt{10}}{10}$.
(2) $\mathbf{u}=(6,3,2)$, $\mathbf{v}=(1,-2,-2)$. Since $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v} = 6-6-4=-4$ and $|\mathbf{v}|^2=1+4+4=9$,
$$\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u} = \frac{-4}{9}(1,-2,-2) = \left(-\frac49,\frac89,\frac89\right),$$
and the scalar component is $\dfrac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|} = \dfrac{-4}{3} = -\dfrac43$.
- $\mathbf{u}-\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u}$는 $\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u}$와 수직임을 보이시오.
- $\mathbf{u}$와 $\mathbf{v}$가 수직이면 $\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u}=\mathbf{0}$임을 보이시오.
증명. $c = \dfrac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|^2}$라 하면 $\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u} = c\mathbf{v}$이다.
(1) $(\mathbf{u}-\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u})\cdot\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u} = (\mathbf{u}-c\mathbf{v})\cdot(c\mathbf{v}) = c(\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}) - c^2|\mathbf{v}|^2$이다. $c = \dfrac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|^2}$을 대입하면
$$c(\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}) - c^2|\mathbf{v}|^2 = \frac{(\mathbf{u}\cdot\mathbf{v})^2}{|\mathbf{v}|^2} - \frac{(\mathbf{u}\cdot\mathbf{v})^2}{|\mathbf{v}|^2} = 0$$
이므로 $\mathbf{u}-\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u}$는 $\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u}$와 수직이다.
(2) $\mathbf{u}$와 $\mathbf{v}$가 수직이면 $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}=0$이므로 $c = \dfrac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|^2} = 0$이다. 따라서 $\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u} = c\mathbf{v} = \mathbf{0}$이다.
- Show that $\mathbf{u}-\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u}$ is perpendicular to $\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u}$.
- Show that if $\mathbf{u}$ and $\mathbf{v}$ are perpendicular, then $\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u}=\mathbf{0}$.
Proof. Let $c = \dfrac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|^2}$, so that $\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u} = c\mathbf{v}$.
(1) $(\mathbf{u}-\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u})\cdot\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u} = (\mathbf{u}-c\mathbf{v})\cdot(c\mathbf{v}) = c(\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}) - c^2|\mathbf{v}|^2$. Substituting $c = \dfrac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|^2}$,
$$c(\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}) - c^2|\mathbf{v}|^2 = \frac{(\mathbf{u}\cdot\mathbf{v})^2}{|\mathbf{v}|^2} - \frac{(\mathbf{u}\cdot\mathbf{v})^2}{|\mathbf{v}|^2} = 0,$$
so $\mathbf{u}-\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u}$ is perpendicular to $\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u}$.
(2) If $\mathbf{u}$ and $\mathbf{v}$ are perpendicular, then $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}=0$, so $c = \dfrac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|^2} = 0$. Hence $\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u} = c\mathbf{v} = \mathbf{0}$.
두 벡터 $\mathbf{u}=2\mathbf{i}+\mathbf{j}+\mathbf{k}$, $\mathbf{v}=-4\mathbf{i}+3\mathbf{j}+\mathbf{k}$에 대해 $\mathbf{u}\times\mathbf{v}$와 $\mathbf{v}\times\mathbf{u}$를 각각 구하시오.
풀이. $\mathbf{u}=(2,1,1)$, $\mathbf{v}=(-4,3,1)$이다.
$$\mathbf{u}\times\mathbf{v} = \begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\2&1&1\\-4&3&1\end{vmatrix} = (1\cdot1-1\cdot3)\mathbf{i} - (2\cdot1-1\cdot(-4))\mathbf{j} + (2\cdot3-1\cdot(-4))\mathbf{k} = -2\mathbf{i}-6\mathbf{j}+10\mathbf{k} = (-2,-6,10)$$
이다. 외적의 반교환법칙에 의해 $\mathbf{v}\times\mathbf{u} = -(\mathbf{u}\times\mathbf{v}) = (2,6,-10)$이다.
For the two vectors $\mathbf{u}=2\mathbf{i}+\mathbf{j}+\mathbf{k}$ and $\mathbf{v}=-4\mathbf{i}+3\mathbf{j}+\mathbf{k}$, find $\mathbf{u}\times\mathbf{v}$ and $\mathbf{v}\times\mathbf{u}$.
Solution. $\mathbf{u}=(2,1,1)$, $\mathbf{v}=(-4,3,1)$.
$$\mathbf{u}\times\mathbf{v} = \begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\2&1&1\\-4&3&1\end{vmatrix} = (1\cdot1-1\cdot3)\mathbf{i} - (2\cdot1-1\cdot(-4))\mathbf{j} + (2\cdot3-1\cdot(-4))\mathbf{k} = -2\mathbf{i}-6\mathbf{j}+10\mathbf{k} = (-2,-6,10).$$
By anticommutativity of the cross product, $\mathbf{v}\times\mathbf{u} = -(\mathbf{u}\times\mathbf{v}) = (2,6,-10)$.
세 점 $P(1,-1,0)$, $Q(2,1,-1)$, $R(-1,1,2)$가 주어져 있다.
- 점 $P,Q,R$을 지나는 평면과 수직인 단위벡터를 하나 찾으시오.
- 삼각형 $PQR$의 넓이를 구하시오.
풀이. $\overrightarrow{PQ} = Q-P = (1,2,-1)$, $\overrightarrow{PR} = R-P = (-2,2,2)$이다.
(1) $\overrightarrow{PQ}\times\overrightarrow{PR}$은 평면 $PQR$과 수직이다.
$$\overrightarrow{PQ}\times\overrightarrow{PR} = \begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\1&2&-1\\-2&2&2\end{vmatrix} = (2\cdot2-(-1)\cdot2)\mathbf{i}-(1\cdot2-(-1)\cdot(-2))\mathbf{j}+(1\cdot2-2\cdot(-2))\mathbf{k} = (6,0,6)$$
이고 $|\overrightarrow{PQ}\times\overrightarrow{PR}| = \sqrt{36+0+36}=6\sqrt2$이므로, 구하는 단위벡터는
$$\frac{\overrightarrow{PQ}\times\overrightarrow{PR}}{|\overrightarrow{PQ}\times\overrightarrow{PR}|} = \frac{(6,0,6)}{6\sqrt2} = \left(\frac{\sqrt2}{2},0,\frac{\sqrt2}{2}\right)$$
이다.
(2) 삼각형 $PQR$의 넓이는 $\dfrac12|\overrightarrow{PQ}\times\overrightarrow{PR}| = \dfrac12\cdot6\sqrt2 = 3\sqrt2$이다.
The three points $P(1,-1,0)$, $Q(2,1,-1)$, $R(-1,1,2)$ are given.
- Find a unit vector perpendicular to the plane through the points $P,Q,R$.
- Find the area of triangle $PQR$.
Solution. $\overrightarrow{PQ} = Q-P = (1,2,-1)$, $\overrightarrow{PR} = R-P = (-2,2,2)$.
(1) The vector $\overrightarrow{PQ}\times\overrightarrow{PR}$ is perpendicular to the plane through $P,Q,R$.
$$\overrightarrow{PQ}\times\overrightarrow{PR} = \begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\1&2&-1\\-2&2&2\end{vmatrix} = (2\cdot2-(-1)\cdot2)\mathbf{i}-(1\cdot2-(-1)\cdot(-2))\mathbf{j}+(1\cdot2-2\cdot(-2))\mathbf{k} = (6,0,6),$$
and $|\overrightarrow{PQ}\times\overrightarrow{PR}| = \sqrt{36+0+36}=6\sqrt2$, so the required unit vector is
$$\frac{\overrightarrow{PQ}\times\overrightarrow{PR}}{|\overrightarrow{PQ}\times\overrightarrow{PR}|} = \frac{(6,0,6)}{6\sqrt2} = \left(\frac{\sqrt2}{2},0,\frac{\sqrt2}{2}\right).$$
(2) The area of triangle $PQR$ is $\dfrac12|\overrightarrow{PQ}\times\overrightarrow{PR}| = \dfrac12\cdot6\sqrt2 = 3\sqrt2$.
네 점 $A(1,0,-1)$, $B(1,7,2)$, $C(2,4,-1)$, $D(0,3,2)$를 꼭짓점으로 갖는 평행사변형의 넓이를 구하시오.
풀이. 네 점이 이루는 평행사변형에서 대각선은 서로를 이등분하므로, $\overline{AB}$와 $\overline{CD}$의 중점을 비교한다.
$A,B$의 중점은 $\left(1,\dfrac72,\dfrac12\right)$이고 $C,D$의 중점도 $\left(1,\dfrac72,\dfrac12\right)$로 서로 같다. 따라서 $A,B$가 한 대각선을, $C,D$가 다른 대각선을 이루며, 평행사변형의 꼭짓점은 $A,C,B,D$ 순서로 배열된다.
즉 $A$에 인접한 두 변은 $\overrightarrow{AC}$, $\overrightarrow{AD}$이다. $\overrightarrow{AC} = (1,4,0)$, $\overrightarrow{AD} = (-1,3,3)$이고
$$\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD} = \begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\1&4&0\\-1&3&3\end{vmatrix} = (4\cdot3-0\cdot3)\mathbf{i}-(1\cdot3-0\cdot(-1))\mathbf{j}+(1\cdot3-4\cdot(-1))\mathbf{k} = (12,-3,7)$$
이므로 평행사변형의 넓이는 $|\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD}| = \sqrt{144+9+49} = \sqrt{202}$이다.
Find the area of the parallelogram with vertices $A(1,0,-1)$, $B(1,7,2)$, $C(2,4,-1)$, $D(0,3,2)$.
Solution. In a parallelogram, the diagonals bisect each other, so we compare the midpoints of $\overline{AB}$ and $\overline{CD}$.
The midpoint of $A,B$ is $\left(1,\dfrac72,\dfrac12\right)$, and the midpoint of $C,D$ is also $\left(1,\dfrac72,\dfrac12\right)$, so they coincide. Hence $A,B$ form one diagonal and $C,D$ form the other, so the vertices of the parallelogram are arranged in the order $A,C,B,D$.
That is, the two sides adjacent to $A$ are $\overrightarrow{AC}$ and $\overrightarrow{AD}$. Since $\overrightarrow{AC} = (1,4,0)$ and $\overrightarrow{AD} = (-1,3,3)$,
$$\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD} = \begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\1&4&0\\-1&3&3\end{vmatrix} = (4\cdot3-0\cdot3)\mathbf{i}-(1\cdot3-0\cdot(-1))\mathbf{j}+(1\cdot3-4\cdot(-1))\mathbf{k} = (12,-3,7),$$
so the area of the parallelogram is $|\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD}| = \sqrt{144+9+49} = \sqrt{202}$.
다음 명제의 참·거짓을 밝히시오.
- $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{u}=\mathbf{v}\cdot(\mathbf{u}\times\mathbf{v})$
- $\mathbf{u}\times\mathbf{v}_1=\mathbf{u}\times\mathbf{v}_2$이고 $\mathbf{u}\neq\mathbf{0}$이면 $\mathbf{v}_1=\mathbf{v}_2$이다.
- $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_1=\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_2$, $\mathbf{u}\times\mathbf{v}_1=\mathbf{u}\times\mathbf{v}_2$, $\mathbf{u}\neq\mathbf{0}$이면 $\mathbf{v}_1=\mathbf{v}_2$이다.
증명.
(1) 참이다. $\mathbf{u}\times\mathbf{v}$는 $\mathbf{u}$와 $\mathbf{v}$ 모두와 수직이므로 $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{u} = 0$이고 $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{v}=0$이다. 내적은 교환법칙이 성립하므로 $\mathbf{v}\cdot(\mathbf{u}\times\mathbf{v}) = (\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{v} = 0$이다. 따라서 양변이 모두 $0$이므로 $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{u} = \mathbf{v}\cdot(\mathbf{u}\times\mathbf{v})$이 성립한다.
(2) 거짓이다. $\mathbf{u}\times\mathbf{v}_1 = \mathbf{u}\times\mathbf{v}_2 \Leftrightarrow \mathbf{u}\times(\mathbf{v}_1-\mathbf{v}_2) = \mathbf{0}$이므로 $\mathbf{v}_1-\mathbf{v}_2$가 $\mathbf{u}$와 평행하기만 하면 등식이 성립한다. 예를 들어 $\mathbf{u}=(1,0,0)$, $\mathbf{v}_1=(0,1,0)$, $\mathbf{v}_2=\mathbf{v}_1+\mathbf{u}=(1,1,0)$이라 하면
$$\mathbf{u}\times\mathbf{v}_1 = (1,0,0)\times(0,1,0) = (0,0,1), \qquad \mathbf{u}\times\mathbf{v}_2 = (1,0,0)\times(1,1,0) = (0,0,1)$$
로 같지만, $\mathbf{u}\neq\mathbf{0}$이고 $\mathbf{v}_1=(0,1,0)\neq(1,1,0)=\mathbf{v}_2$이다. 따라서 명제는 거짓이다.
(3) 참이다. $\mathbf{d}=\mathbf{v}_1-\mathbf{v}_2$라 하면 가정에 의해 $\mathbf{u}\cdot\mathbf{d}=0$이고 $\mathbf{u}\times\mathbf{d}=\mathbf{0}$이다. $\mathbf{u}\times\mathbf{d}=\mathbf{0}$이므로 $\mathbf{d}=\mathbf{0}$이거나 $\mathbf{d}$가 $\mathbf{u}$와 평행하다. $\mathbf{d}$가 $\mathbf{u}$와 평행, 즉 $\mathbf{d}=\lambda\mathbf{u}$ ($\lambda\neq0$)라면 $\mathbf{u}\cdot\mathbf{d} = \lambda|\mathbf{u}|^2 = 0$이고 $\mathbf{u}\neq\mathbf{0}$이므로 $|\mathbf{u}|^2\neq0$, 따라서 $\lambda=0$이 되어 모순이다. 그러므로 $\mathbf{d}=\mathbf{0}$, 즉 $\mathbf{v}_1=\mathbf{v}_2$이다.
Determine whether the following are true or false.
- $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{u}=\mathbf{v}\cdot(\mathbf{u}\times\mathbf{v})$
- If $\mathbf{u}\times\mathbf{v}_1=\mathbf{u}\times\mathbf{v}_2$ and $\mathbf{u}\neq\mathbf{0}$, then $\mathbf{v}_1=\mathbf{v}_2$.
- If $\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_1=\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}_2$, $\mathbf{u}\times\mathbf{v}_1=\mathbf{u}\times\mathbf{v}_2$, and $\mathbf{u}\neq\mathbf{0}$, then $\mathbf{v}_1=\mathbf{v}_2$.
Proof.
(1) True. Since $\mathbf{u}\times\mathbf{v}$ is perpendicular to both $\mathbf{u}$ and $\mathbf{v}$, we have $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{u} = 0$ and $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{v}=0$. By commutativity of the dot product, $\mathbf{v}\cdot(\mathbf{u}\times\mathbf{v}) = (\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{v} = 0$. Since both sides equal $0$, $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{u} = \mathbf{v}\cdot(\mathbf{u}\times\mathbf{v})$ holds.
(2) False. Since $\mathbf{u}\times\mathbf{v}_1 = \mathbf{u}\times\mathbf{v}_2 \Leftrightarrow \mathbf{u}\times(\mathbf{v}_1-\mathbf{v}_2) = \mathbf{0}$, the equality holds whenever $\mathbf{v}_1-\mathbf{v}_2$ is parallel to $\mathbf{u}$. For instance, let $\mathbf{u}=(1,0,0)$, $\mathbf{v}_1=(0,1,0)$, $\mathbf{v}_2=\mathbf{v}_1+\mathbf{u}=(1,1,0)$. Then
$$\mathbf{u}\times\mathbf{v}_1 = (1,0,0)\times(0,1,0) = (0,0,1), \qquad \mathbf{u}\times\mathbf{v}_2 = (1,0,0)\times(1,1,0) = (0,0,1),$$
which are equal, but $\mathbf{u}\neq\mathbf{0}$ and $\mathbf{v}_1=(0,1,0)\neq(1,1,0)=\mathbf{v}_2$. Hence the statement is false.
(3) True. Let $\mathbf{d}=\mathbf{v}_1-\mathbf{v}_2$. By hypothesis $\mathbf{u}\cdot\mathbf{d}=0$ and $\mathbf{u}\times\mathbf{d}=\mathbf{0}$. Since $\mathbf{u}\times\mathbf{d}=\mathbf{0}$, either $\mathbf{d}=\mathbf{0}$ or $\mathbf{d}$ is parallel to $\mathbf{u}$. If $\mathbf{d}$ is parallel to $\mathbf{u}$, say $\mathbf{d}=\lambda\mathbf{u}$ with $\lambda\neq0$, then $\mathbf{u}\cdot\mathbf{d} = \lambda|\mathbf{u}|^2 = 0$; since $\mathbf{u}\neq\mathbf{0}$, $|\mathbf{u}|^2\neq0$, forcing $\lambda=0$, a contradiction. Hence $\mathbf{d}=\mathbf{0}$, i.e., $\mathbf{v}_1=\mathbf{v}_2$.
세 벡터 $\mathbf{u}=\mathbf{i}+2\mathbf{j}-\mathbf{k}$, $\mathbf{v}=-2\mathbf{i}+3\mathbf{k}$, $\mathbf{w}=7\mathbf{j}-4\mathbf{k}$로 결정되는 평행육면체의 부피를 구하시오.
풀이. 평행육면체의 부피는 세 벡터의 스칼라 삼중적의 절댓값 $|\mathbf{u}\cdot(\mathbf{v}\times\mathbf{w})|$이다.
$$\mathbf{v}\times\mathbf{w} = \begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\-2&0&3\\0&7&-4\end{vmatrix} = (0\cdot(-4)-3\cdot7)\mathbf{i}-((-2)\cdot(-4)-3\cdot0)\mathbf{j}+((-2)\cdot7-0\cdot0)\mathbf{k} = (-21,-8,-14)$$
이므로
$$\mathbf{u}\cdot(\mathbf{v}\times\mathbf{w}) = 1\cdot(-21)+2\cdot(-8)+(-1)\cdot(-14) = -21-16+14 = -23$$
이다. 따라서 부피는 $|-23|=23$이다.
Find the volume of the parallelepiped determined by the three vectors $\mathbf{u}=\mathbf{i}+2\mathbf{j}-\mathbf{k}$, $\mathbf{v}=-2\mathbf{i}+3\mathbf{k}$, $\mathbf{w}=7\mathbf{j}-4\mathbf{k}$.
Solution. The volume of the parallelepiped is the absolute value of the scalar triple product, $|\mathbf{u}\cdot(\mathbf{v}\times\mathbf{w})|$.
$$\mathbf{v}\times\mathbf{w} = \begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\-2&0&3\\0&7&-4\end{vmatrix} = (0\cdot(-4)-3\cdot7)\mathbf{i}-((-2)\cdot(-4)-3\cdot0)\mathbf{j}+((-2)\cdot7-0\cdot0)\mathbf{k} = (-21,-8,-14),$$
so
$$\mathbf{u}\cdot(\mathbf{v}\times\mathbf{w}) = 1\cdot(-21)+2\cdot(-8)+(-1)\cdot(-14) = -21-16+14 = -23.$$
Hence the volume is $|-23|=23$.
$A(-1,2,3)$, $B(2,0,1)$, $C(1,-3,2)$, $D(-2,1,-1)$을 꼭짓점으로 갖는 삼각뿔의 부피를 구하시오.
풀이. 삼각뿔의 부피는 한 꼭짓점에서 뻗어나온 세 모서리 벡터의 스칼라 삼중적의 절댓값의 $\dfrac16$이다.
$\overrightarrow{AB}=(3,-2,-2)$, $\overrightarrow{AC}=(2,-5,-1)$, $\overrightarrow{AD}=(-1,-1,-4)$이고
$$\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD} = \begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\2&-5&-1\\-1&-1&-4\end{vmatrix} = ((-5)(-4)-(-1)(-1))\mathbf{i}-((2)(-4)-(-1)(-1))\mathbf{j}+((2)(-1)-(-5)(-1))\mathbf{k} = (19,9,-7)$$
이므로
$$\overrightarrow{AB}\cdot(\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD}) = 3\cdot19+(-2)\cdot9+(-2)\cdot(-7) = 57-18+14 = 53$$
이다. 따라서 삼각뿔의 부피는 $\dfrac{1}{6}|53| = \dfrac{53}{6}$이다.
Find the volume of the tetrahedron with vertices $A(-1,2,3)$, $B(2,0,1)$, $C(1,-3,2)$, $D(-2,1,-1)$.
Solution. The volume of a tetrahedron is $\dfrac16$ of the absolute value of the scalar triple product of the three edge vectors from one vertex.
$\overrightarrow{AB}=(3,-2,-2)$, $\overrightarrow{AC}=(2,-5,-1)$, $\overrightarrow{AD}=(-1,-1,-4)$, and
$$\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD} = \begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\2&-5&-1\\-1&-1&-4\end{vmatrix} = ((-5)(-4)-(-1)(-1))\mathbf{i}-((2)(-4)-(-1)(-1))\mathbf{j}+((2)(-1)-(-5)(-1))\mathbf{k} = (19,9,-7),$$
so
$$\overrightarrow{AB}\cdot(\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD}) = 3\cdot19+(-2)\cdot9+(-2)\cdot(-7) = 57-18+14 = 53.$$
Hence the volume of the tetrahedron is $\dfrac{1}{6}|53| = \dfrac{53}{6}$.
8개의 꼭짓점 중 네 꼭짓점이 $A(0,0,0)$, $B(1,2,0)$, $C(0,-3,2)$, $D(3,-4,5)$인 평행육면체의 부피를 구하시오.
풀이. 네 점 $A,B,C,D$가 평행육면체의 한 꼭짓점 $A$와 그에 인접한 세 꼭짓점 $B,C,D$라 하면, 부피는 $|\overrightarrow{AB}\cdot(\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD})|$이다.
$\overrightarrow{AB}=(1,2,0)$, $\overrightarrow{AC}=(0,-3,2)$, $\overrightarrow{AD}=(3,-4,5)$이고
$$\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD} = \begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\0&-3&2\\3&-4&5\end{vmatrix} = ((-3)(5)-(2)(-4))\mathbf{i}-((0)(5)-(2)(3))\mathbf{j}+((0)(-4)-(-3)(3))\mathbf{k} = (-7,6,9)$$
이므로
$$\overrightarrow{AB}\cdot(\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD}) = 1\cdot(-7)+2\cdot6+0\cdot9 = -7+12 = 5$$
이다. 따라서 평행육면체의 부피는 $|5|=5$이다.
Find the volume of the parallelepiped whose eight vertices include the four vertices $A(0,0,0)$, $B(1,2,0)$, $C(0,-3,2)$, $D(3,-4,5)$.
Solution. Since $A$ is a vertex of the parallelepiped and $B,C,D$ are the three vertices adjacent to it, the volume is $|\overrightarrow{AB}\cdot(\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD})|$.
$\overrightarrow{AB}=(1,2,0)$, $\overrightarrow{AC}=(0,-3,2)$, $\overrightarrow{AD}=(3,-4,5)$, and
$$\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD} = \begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\0&-3&2\\3&-4&5\end{vmatrix} = ((-3)(5)-(2)(-4))\mathbf{i}-((0)(5)-(2)(3))\mathbf{j}+((0)(-4)-(-3)(3))\mathbf{k} = (-7,6,9),$$
so
$$\overrightarrow{AB}\cdot(\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD}) = 1\cdot(-7)+2\cdot6+0\cdot9 = -7+12 = 5.$$
Hence the volume of the parallelepiped is $|5|=5$.
- 시점이 원점인 공간벡터 $\mathbf{u}$, $\mathbf{v}$, $\mathbf{w}$가 한 평면 위에 있을 필요충분조건은 $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{w}=0$임을 보이시오.
- 네 점 $A(1,1,1)$, $B(-1,0,4)$, $C(0,2,1)$, $D(2,-2,3)$이 한 평면 위에 있는지 판별하시오.
증명.
(1) 세 벡터 $\mathbf{u},\mathbf{v},\mathbf{w}$가 시점을 원점으로 할 때 한 평면 위에 있다는 것은 세 벡터가 일차종속임을, 즉 세 벡터로 만든 평행육면체의 부피가 $0$임을 뜻한다. 이 부피는 $|(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{w}|$이므로, 세 벡터가 한 평면 위에 있을 필요충분조건은 $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{w}=0$이다.
보다 구체적으로, $\mathbf{u}\times\mathbf{v}\neq\mathbf{0}$인 경우 $\mathbf{u}$, $\mathbf{v}$는 원점을 지나는 한 평면 $\Pi$(법선벡터 $\mathbf{n}=\mathbf{u}\times\mathbf{v}$)를 결정하고, $\mathbf{w}$가 $\mathbf{u},\mathbf{v}$와 같은 평면 위에 있는 것은 $\mathbf{w}$가 $\mathbf{u},\mathbf{v}$의 일차결합으로 표현됨을, 즉 $\mathbf{w}\perp\mathbf{n}$을, 즉 $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{w}=0$을 뜻한다. $\mathbf{u}\times\mathbf{v}=\mathbf{0}$인 경우는 $\mathbf{u}$와 $\mathbf{v}$가 평행하므로 $\mathbf{u},\mathbf{v},\mathbf{w}$는 (원점, $\mathbf{u}$(또는 $\mathbf{v}$)의 방향, $\mathbf{w}$의 방향이 만드는) 한 평면 위에 항상 놓이고, 이때도 $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{w}=\mathbf{0}\cdot\mathbf{w}=0$이므로 등식이 성립한다. 따라서 어느 경우든 필요충분조건이 성립한다.
(2) $\overrightarrow{AB}=(-2,-1,3)$, $\overrightarrow{AC}=(-1,1,0)$, $\overrightarrow{AD}=(1,-3,2)$라 하면, 네 점이 한 평면 위에 있는지는 (1)에 의해 $(\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD})\cdot\overrightarrow{AB}=0$인지로 판별할 수 있다.
$$\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD} = \begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\-1&1&0\\1&-3&2\end{vmatrix} = (1\cdot2-0\cdot(-3))\mathbf{i}-((-1)\cdot2-0\cdot1)\mathbf{j}+((-1)(-3)-1\cdot1)\mathbf{k} = (2,2,2)$$
이므로
$$\overrightarrow{AB}\cdot(\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD}) = (-2)\cdot2+(-1)\cdot2+3\cdot2 = -4-2+6 = 0$$
이다. 스칼라 삼중적이 $0$이므로 네 점 $A,B,C,D$는 한 평면 위에 있다.
- Show that a necessary and sufficient condition for the vectors in space $\mathbf{u}$, $\mathbf{v}$, $\mathbf{w}$, each with initial point at the origin, to lie in a single plane is $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{w}=0$.
- Determine whether the four points $A(1,1,1)$, $B(-1,0,4)$, $C(0,2,1)$, $D(2,-2,3)$ lie in a single plane.
Proof.
(1) Three vectors $\mathbf{u},\mathbf{v},\mathbf{w}$ with initial point at the origin lie in a single plane exactly when they are linearly dependent, i.e., when the parallelepiped they determine has volume $0$. This volume equals $|(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{w}|$, so the vectors lie in a single plane if and only if $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{w}=0$.
More precisely, if $\mathbf{u}\times\mathbf{v}\neq\mathbf{0}$, then $\mathbf{u}$ and $\mathbf{v}$ determine a plane $\Pi$ through the origin with normal vector $\mathbf{n}=\mathbf{u}\times\mathbf{v}$, and $\mathbf{w}$ lies in the same plane as $\mathbf{u},\mathbf{v}$ exactly when $\mathbf{w}$ is a linear combination of $\mathbf{u},\mathbf{v}$, i.e., when $\mathbf{w}\perp\mathbf{n}$, i.e., when $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{w}=0$. If $\mathbf{u}\times\mathbf{v}=\mathbf{0}$, then $\mathbf{u}$ and $\mathbf{v}$ are parallel, so $\mathbf{u},\mathbf{v},\mathbf{w}$ always lie in the plane spanned by the origin, the common direction of $\mathbf{u}$ (or $\mathbf{v}$), and $\mathbf{w}$; in this case $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{w}=\mathbf{0}\cdot\mathbf{w}=0$ as well, so the equality holds. Hence the necessary and sufficient condition holds in either case.
(2) Let $\overrightarrow{AB}=(-2,-1,3)$, $\overrightarrow{AC}=(-1,1,0)$, $\overrightarrow{AD}=(1,-3,2)$. By part (1), whether the four points lie in a single plane can be determined by checking whether $(\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD})\cdot\overrightarrow{AB}=0$.
$$\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD} = \begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\-1&1&0\\1&-3&2\end{vmatrix} = (1\cdot2-0\cdot(-3))\mathbf{i}-((-1)\cdot2-0\cdot1)\mathbf{j}+((-1)(-3)-1\cdot1)\mathbf{k} = (2,2,2),$$
so
$$\overrightarrow{AB}\cdot(\overrightarrow{AC}\times\overrightarrow{AD}) = (-2)\cdot2+(-1)\cdot2+3\cdot2 = -4-2+6 = 0.$$
Since the scalar triple product is $0$, the four points $A,B,C,D$ lie in a single plane.
문제 · Problems
$\mathbf{u}=(1,2,1)$, $\mathbf{v}=(1,-1,-1)$, $\mathbf{w}=(1,1,-1)$, $\mathbf{z}=(2,-3,-4)$라 하자. $\mathbf{z}=a\mathbf{u}+b\mathbf{v}+c\mathbf{w}$를 만족시키는 실수 $a,b,c$를 구하시오.
Let $\mathbf{u}=(1,2,1)$, $\mathbf{v}=(1,-1,-1)$, $\mathbf{w}=(1,1,-1)$, $\mathbf{z}=(2,-3,-4)$. Find the real numbers $a,b,c$ satisfying $\mathbf{z}=a\mathbf{u}+b\mathbf{v}+c\mathbf{w}$.
100N의 무게를 갖는 물체 A가 2개의 실에 의해 그림과 같이 천장에 매달려 있다. $\mathbf{F}_1$과 $\mathbf{F}_2$의 수평 방향으로의 성분과 수직 방향으로의 성분을 $\alpha,\beta$를 이용해 각각 나타내시오.
An object A weighing 100N is suspended from the ceiling by two strings, as shown in the figure. Express the horizontal and vertical components of $\mathbf{F}_1$ and $\mathbf{F}_2$ in terms of $\alpha$ and $\beta$.
- 공간 위의 $n$개의 점 $A_1,A_2,\cdots,A_n$에 대해 다음이 성립함을 보이시오. $$\overrightarrow{A_1A_2}+\overrightarrow{A_2A_3}+\cdots+\overrightarrow{A_{n-1}A_n}+\overrightarrow{A_nA_1}=\mathbf{0}$$
- 삼각형 $ABC$에 대해 꼭짓점 $A,B,C$가 마주보는 변의 중점을 각각 $A',B',C'$라 하자. 이때 다음이 성립함을 보이시오. $$\overrightarrow{AA'}+\overrightarrow{BB'}+\overrightarrow{CC'}=\mathbf{0}$$
- Show that the following holds for $n$ points $A_1,A_2,\cdots,A_n$ in space. $$\overrightarrow{A_1A_2}+\overrightarrow{A_2A_3}+\cdots+\overrightarrow{A_{n-1}A_n}+\overrightarrow{A_nA_1}=\mathbf{0}$$
- For triangle $ABC$, let $A',B',C'$ be the midpoints of the sides opposite vertices $A,B,C$, respectively. Show that the following holds. $$\overrightarrow{AA'}+\overrightarrow{BB'}+\overrightarrow{CC'}=\mathbf{0}$$
공간벡터 $\mathbf{v}=a\mathbf{i}+b\mathbf{j}+c\mathbf{k}$에 대해 $\mathbf{v}$가 양의 $x$축과 이루는 각의 크기를 $\alpha$, 양의 $y$축과 이루는 각의 크기를 $\beta$, 양의 $z$축과 이루는 각의 크기를 $\gamma$라 하자. 이때 $(\cos\alpha,\cos\beta,\cos\gamma)$는 $\mathbf{v}$와 평행한 단위벡터임을 보이시오. 여기서 $\cos\alpha,\cos\beta,\cos\gamma$를 방향코사인(direction cosine)이라 한다.
For the vector in space $\mathbf{v}=a\mathbf{i}+b\mathbf{j}+c\mathbf{k}$, let $\alpha$ be the angle it makes with the positive $x$-axis, $\beta$ the angle with the positive $y$-axis, and $\gamma$ the angle with the positive $z$-axis. Show that $(\cos\alpha,\cos\beta,\cos\gamma)$ is a unit vector parallel to $\mathbf{v}$. Here $\cos\alpha,\cos\beta,\cos\gamma$ are called the direction cosines.
- 두 벡터 $\mathbf{v}_1$, $\mathbf{v}_2$에 대해 $\mathbf{v}_1+\mathbf{v}_2$와 $\mathbf{v}_1-\mathbf{v}_2$가 수직일 필요충분조건을 제시하시오.
- 선분 $AB$를 지름으로 갖는 원 위의 한 점 $C$에 대해 $\overrightarrow{CA}$와 $\overrightarrow{CB}$는 수직임을 보이시오.
- Give a necessary and sufficient condition for $\mathbf{v}_1+\mathbf{v}_2$ and $\mathbf{v}_1-\mathbf{v}_2$ to be perpendicular, for two vectors $\mathbf{v}_1$, $\mathbf{v}_2$.
- Show that for a point $C$ on the circle with diameter $AB$, $\overrightarrow{CA}$ and $\overrightarrow{CB}$ are perpendicular.
정사면체 $ABCD$에 대하여 선분 $BC$의 중점을 $P$라 하자. $\overrightarrow{AD}$와 $\overrightarrow{AP}$가 이루는 각의 크기를 구하시오.
For a regular tetrahedron $ABCD$, let $P$ be the midpoint of segment $BC$. Find the angle between $\overrightarrow{AD}$ and $\overrightarrow{AP}$.
공간 위에 벡터 $\mathbf{n}$과 수직인 평면 $\alpha$가 존재한다. 벡터 $\mathbf{v}$와 평행한 방향으로 진행하던 빛이 평면 $\alpha$에서 반사되었을 때 반사광과 평행한 벡터 $\mathbf{w}$를 구하시오 (단, $|\mathbf{v}|=|\mathbf{w}|$)
In space, there is a plane $\alpha$ perpendicular to the vector $\mathbf{n}$. A ray of light traveling in a direction parallel to the vector $\mathbf{v}$ is reflected off the plane $\alpha$. Find a vector $\mathbf{w}$ parallel to the reflected ray (where $|\mathbf{v}|=|\mathbf{w}|$).
다음이 성립함을 보이시오.
- $\mathbf{u}\times(\mathbf{v}\times\mathbf{w})+\mathbf{v}\times(\mathbf{w}\times\mathbf{u})+\mathbf{w}\times(\mathbf{u}\times\mathbf{v})=\mathbf{0}$
- $\mathbf{u}\times\mathbf{v}=(\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}\times\mathbf{i})\mathbf{i}+(\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}\times\mathbf{j})\mathbf{j}+(\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}\times\mathbf{k})\mathbf{k}$
- $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot(\mathbf{w}\times\mathbf{r})=(\mathbf{u}\cdot\mathbf{w})(\mathbf{v}\cdot\mathbf{r})-(\mathbf{v}\cdot\mathbf{w})(\mathbf{u}\cdot\mathbf{r})$
- $\mathbf{u}\times(\mathbf{u}\times(\mathbf{u}\times\mathbf{v}))\cdot\mathbf{w}=-|\mathbf{u}|^2\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}\times\mathbf{w}$
Show that the following hold.
- $\mathbf{u}\times(\mathbf{v}\times\mathbf{w})+\mathbf{v}\times(\mathbf{w}\times\mathbf{u})+\mathbf{w}\times(\mathbf{u}\times\mathbf{v})=\mathbf{0}$
- $\mathbf{u}\times\mathbf{v}=(\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}\times\mathbf{i})\mathbf{i}+(\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}\times\mathbf{j})\mathbf{j}+(\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}\times\mathbf{k})\mathbf{k}$
- $(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot(\mathbf{w}\times\mathbf{r})=(\mathbf{u}\cdot\mathbf{w})(\mathbf{v}\cdot\mathbf{r})-(\mathbf{v}\cdot\mathbf{w})(\mathbf{u}\cdot\mathbf{r})$
- $\mathbf{u}\times(\mathbf{u}\times(\mathbf{u}\times\mathbf{v}))\cdot\mathbf{w}=-|\mathbf{u}|^2\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}\times\mathbf{w}$