예제·유제 · Examples & Exercises
$(-2,0,4)$를 지나고 벡터 $\mathbf{v}=2\mathbf{i}+4\mathbf{j}-2\mathbf{k}$에 평행한 직선의 매개변수방정식을 구하시오.
풀이. 점 $P_0(-2,0,4)$를 지나고 방향벡터가 $\mathbf{v}=(2,4,-2)$인 직선의 매개변수방정식은
$$x=-2+2t,\quad y=4t,\quad z=4-2t\quad(t\in\mathbb{R})$$이다.
Find parametric equations for the line through $(-2,0,4)$ parallel to the vector $\mathbf{v}=2\mathbf{i}+4\mathbf{j}-2\mathbf{k}$.
Solution. The line through $P_0(-2,0,4)$ with direction vector $\mathbf{v}=(2,4,-2)$ has parametric equations
$$x=-2+2t,\quad y=4t,\quad z=4-2t\quad(t\in\mathbb{R}).$$- 두 점 $P(-3,2,-3)$와 $Q(1,-1,4)$를 지나는 직선의 매개변수 방정식을 구하시오.
- 두 점 $P(-3,2,-3)$와 $Q(1,-1,4)$를 잇는 선분의 매개변수 방정식을 구하시오.
풀이. 방향벡터는 $\overrightarrow{PQ}=Q-P=(1-(-3),\,-1-2,\,4-(-3))=(4,-3,7)$이다.
(1) 점 $P(-3,2,-3)$을 지나고 방향벡터가 $(4,-3,7)$인 직선의 매개변수방정식은 $x=-3+4t,\ y=2-3t,\ z=-3+7t\ (t\in\mathbb{R})$이다.
(2) $t=0$일 때 $x=-3,\ y=2,\ z=-3$으로 $P$가 되고, $t=1$일 때 $x=-3+4=1,\ y=2-3=-1,\ z=-3+7=4$로 $Q$가 되므로, 선분 $PQ$의 매개변수방정식은 (1)과 같은 식에서 $0\leq t\leq 1$로 제한한 것이다.
- Find parametric equations for the line through the two points $P(-3,2,-3)$ and $Q(1,-1,4)$.
- Find parametric equations for the line segment joining the two points $P(-3,2,-3)$ and $Q(1,-1,4)$.
Solution. The direction vector is $\overrightarrow{PQ}=Q-P=(1-(-3),\,-1-2,\,4-(-3))=(4,-3,7)$.
(1) The line through $P(-3,2,-3)$ with direction vector $(4,-3,7)$ has parametric equations $x=-3+4t,\ y=2-3t,\ z=-3+7t\ (t\in\mathbb{R})$.
(2) Since $t=0$ gives $x=-3,\ y=2,\ z=-3$, i.e. $P$, and $t=1$ gives $x=-3+4=1,\ y=2-3=-1,\ z=-3+7=4$, i.e. $Q$, the segment $PQ$ is given by the same equations as in (1) restricted to $0\leq t\leq 1$.
직선 $x=1+2t,\ y=-1-t,\ z=3t$과 $xy$평면의 교점의 좌표를 구하시오.
풀이. $xy$평면은 $z=0$인 점들의 집합이므로 $z=3t=0$에서 $t=0$이다. 이때 $x=1+2(0)=1,\ y=-1-0=-1$이므로 교점은 $(1,-1,0)$이다.
Find the coordinates of the point where the line $x=1+2t,\ y=-1-t,\ z=3t$ meets the $xy$-plane.
Solution. The $xy$-plane consists of points with $z=0$, so $z=3t=0$ gives $t=0$. Then $x=1+2(0)=1$ and $y=-1-0=-1$, so the point of intersection is $(1,-1,0)$.
헬리콥터가 원점에서 출발해서 $(1,1,1)$의 방향과 60m/s의 속력으로 이동하고 있다.
- 10초 후 헬리콥터의 위치를 구하시오.
- $t$초 후 헬리콥터의 위치를 구하시오.
풀이. 방향 $(1,1,1)$의 단위벡터는 $\mathbf{u}=\dfrac{1}{\sqrt3}(1,1,1)$이므로, 속력 60m/s인 속도벡터는 $\mathbf{v}=60\mathbf{u}=\dfrac{60}{\sqrt3}(1,1,1)=20\sqrt3\,(1,1,1)$이다. 원점에서 출발하므로 $t$초 후의 위치벡터는
$$\mathbf{r}(t)=20\sqrt3\,t\,(1,1,1)$$이다.
(1) $t=10$일 때 $\mathbf{r}(10)=200\sqrt3\,(1,1,1)=(200\sqrt3,\,200\sqrt3,\,200\sqrt3)$이다.
(2) $t$초 후의 위치는 $\mathbf{r}(t)=20\sqrt3\,t\,(1,1,1)$, 즉 $x=y=z=20\sqrt3\,t$이다.
A helicopter starts at the origin and moves in the direction of $(1,1,1)$ at a speed of 60m/s.
- Find the position of the helicopter after 10 seconds.
- Find the position of the helicopter after $t$ seconds.
Solution. The unit vector in the direction $(1,1,1)$ is $\mathbf{u}=\dfrac{1}{\sqrt3}(1,1,1)$, so the velocity vector at speed 60 m/s is $\mathbf{v}=60\mathbf{u}=\dfrac{60}{\sqrt3}(1,1,1)=20\sqrt3\,(1,1,1)$. Since the helicopter starts at the origin, its position vector after $t$ seconds is
$$\mathbf{r}(t)=20\sqrt3\,t\,(1,1,1).$$(1) At $t=10$: $\mathbf{r}(10)=200\sqrt3\,(1,1,1)=(200\sqrt3,\,200\sqrt3,\,200\sqrt3)$.
(2) After $t$ seconds, the position is $\mathbf{r}(t)=20\sqrt3\,t\,(1,1,1)$, i.e., $x=y=z=20\sqrt3\,t$.
다음 매개변수 방정식으로 주어진 직선 $L$과 점 $S(1,1,5)$ 사이의 거리를 구하시오.
$$L:\ x=1+t,\ y=3-t,\ z=2t$$풀이. 직선 $L$은 점 $P_0=(1,3,0)$ ($t=0$)을 지나고 방향벡터 $\mathbf{v}=(1,-1,2)$를 가진다. $\overrightarrow{P_0S}=S-P_0=(0,-2,5)$라 하면, 점과 직선 사이의 거리 공식에 의해
$$d=\frac{|\overrightarrow{P_0S}\times\mathbf{v}|}{|\mathbf{v}|}$$이다. $\overrightarrow{P_0S}\times\mathbf{v}=(0,-2,5)\times(1,-1,2)=\big((-2)(2)-(5)(-1),\ (5)(1)-(0)(2),\ (0)(-1)-(-2)(1)\big)=(1,5,2)$이므로 $|\overrightarrow{P_0S}\times\mathbf{v}|=\sqrt{1+25+4}=\sqrt{30}$이고, $|\mathbf{v}|=\sqrt{1+1+4}=\sqrt6$이다. 따라서
$$d=\frac{\sqrt{30}}{\sqrt6}=\sqrt5$$이다.
Find the distance between the point $S(1,1,5)$ and the line $L$ given by the following parametric equations.
$$L:\ x=1+t,\ y=3-t,\ z=2t$$Solution. The line $L$ passes through $P_0=(1,3,0)$ (at $t=0$) with direction vector $\mathbf{v}=(1,-1,2)$. Let $\overrightarrow{P_0S}=S-P_0=(0,-2,5)$. By the point-to-line distance formula,
$$d=\frac{|\overrightarrow{P_0S}\times\mathbf{v}|}{|\mathbf{v}|}.$$Since $\overrightarrow{P_0S}\times\mathbf{v}=(0,-2,5)\times(1,-1,2)=\big((-2)(2)-(5)(-1),\ (5)(1)-(0)(2),\ (0)(-1)-(-2)(1)\big)=(1,5,2)$, we get $|\overrightarrow{P_0S}\times\mathbf{v}|=\sqrt{1+25+4}=\sqrt{30}$, and $|\mathbf{v}|=\sqrt{1+1+4}=\sqrt6$. Hence
$$d=\frac{\sqrt{30}}{\sqrt6}=\sqrt5.$$- $(-3,0,7)$을 지나고 벡터 $\mathbf{v}=2\mathbf{i}+4\mathbf{j}-2\mathbf{k}$와 수직인 평면의 방정식을 구하시오.
- 세 점 $A(0,0,1)$, $B(2,0,0)$, $C(0,3,0)$을 지나는 평면의 방정식을 구하시오.
- 점 $(1,-1,3)$을 지나고 평면 $3x+y+z=7$에 평행한 평면의 방정식을 구하시오.
풀이.
(1) 법선벡터가 $\mathbf{v}=(2,4,-2)$이고 점 $(-3,0,7)$을 지나는 평면의 방정식은 $2(x+3)+4(y-0)-2(z-7)=0$, 즉 $2x+4y-2z+20=0$이다. 양변을 2로 나누면 $x+2y-z=-10$이다.
(2) $\overrightarrow{AB}=(2,0,-1)$, $\overrightarrow{AC}=(0,3,-1)$이라 하면, 평면의 법선벡터는
$$\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}=(2,0,-1)\times(0,3,-1)=\big(0\cdot(-1)-(-1)\cdot3,\ (-1)\cdot0-2\cdot(-1),\ 2\cdot3-0\cdot0\big)=(3,2,6)$$이다. 점 $A(0,0,1)$을 지나므로 평면의 방정식은 $3(x-0)+2(y-0)+6(z-1)=0$, 즉 $3x+2y+6z=6$이다.
(3) 평행한 평면은 같은 법선벡터 $(3,1,1)$을 가지므로, 점 $(1,-1,3)$을 지나는 평면의 방정식은 $3(x-1)+1(y+1)+1(z-3)=0$, 즉 $3x+y+z=5$이다.
- Find the equation of the plane through $(-3,0,7)$ perpendicular to the vector $\mathbf{v}=2\mathbf{i}+4\mathbf{j}-2\mathbf{k}$.
- Find the equation of the plane through the three points $A(0,0,1)$, $B(2,0,0)$, $C(0,3,0)$.
- Find the equation of the plane through the point $(1,-1,3)$ parallel to the plane $3x+y+z=7$.
Solution.
(1) The plane with normal vector $\mathbf{v}=(2,4,-2)$ through $(-3,0,7)$ is $2(x+3)+4(y-0)-2(z-7)=0$, i.e., $2x+4y-2z+20=0$. Dividing by 2 gives $x+2y-z=-10$.
(2) Let $\overrightarrow{AB}=(2,0,-1)$ and $\overrightarrow{AC}=(0,3,-1)$. The normal vector of the plane is
$$\overrightarrow{AB}\times\overrightarrow{AC}=(2,0,-1)\times(0,3,-1)=\big(0\cdot(-1)-(-1)\cdot3,\ (-1)\cdot0-2\cdot(-1),\ 2\cdot3-0\cdot0\big)=(3,2,6).$$Since the plane passes through $A(0,0,1)$, its equation is $3(x-0)+2(y-0)+6(z-1)=0$, i.e., $3x+2y+6z=6$.
(3) A parallel plane shares the normal vector $(3,1,1)$, so the plane through $(1,-1,3)$ is $3(x-1)+1(y+1)+1(z-3)=0$, i.e., $3x+y+z=5$.
두 평면 $3x-6y-2z=15$, $2x+y-2z=5$의 교선의 매개변수 방정식을 구하시오.
풀이. 두 평면의 법선벡터는 각각 $\mathbf{n_1}=(3,-6,-2)$, $\mathbf{n_2}=(2,1,-2)$이므로, 교선의 방향벡터는
$$\mathbf{n_1}\times\mathbf{n_2}=(3,-6,-2)\times(2,1,-2)=\big((-6)(-2)-(-2)(1),\ (-2)(2)-(3)(-2),\ (3)(1)-(-6)(2)\big)=(14,2,15)$$이다. 교선 위의 한 점을 찾기 위해 $z=0$으로 놓으면 $3x-6y=15,\ 2x+y=5$이고, 둘째 식에서 $y=5-2x$를 첫째 식에 대입하면 $3x-6(5-2x)=15 \Rightarrow 15x=45 \Rightarrow x=3,\ y=-1$이다. 즉 교선은 점 $(3,-1,0)$을 지나므로, 매개변수방정식은
$$x=3+14t,\quad y=-1+2t,\quad z=15t$$이다.
Find parametric equations for the line of intersection of the two planes $3x-6y-2z=15$ and $2x+y-2z=5$.
Solution. The normal vectors of the two planes are $\mathbf{n_1}=(3,-6,-2)$ and $\mathbf{n_2}=(2,1,-2)$, so the direction vector of the line of intersection is
$$\mathbf{n_1}\times\mathbf{n_2}=(3,-6,-2)\times(2,1,-2)=\big((-6)(-2)-(-2)(1),\ (-2)(2)-(3)(-2),\ (3)(1)-(-6)(2)\big)=(14,2,15).$$To find a point on the line, set $z=0$: then $3x-6y=15$ and $2x+y=5$. Substituting $y=5-2x$ into the first equation gives $3x-6(5-2x)=15 \Rightarrow 15x=45 \Rightarrow x=3,\ y=-1$. So the line passes through $(3,-1,0)$, and its parametric equations are
$$x=3+14t,\quad y=-1+2t,\quad z=15t.$$직선 $x=\dfrac{8}{3}+2t,\ y=-2t,\ z=1+t$와 평면 $3x+2y+6z=6$의 교점을 구하시오.
풀이. 직선 위의 점 $\left(\dfrac{8}{3}+2t,\,-2t,\,1+t\right)$을 평면의 방정식에 대입하면
$$3\left(\frac{8}{3}+2t\right)+2(-2t)+6(1+t)=6 \ \Longrightarrow\ 8+6t-4t+6+6t=6 \ \Longrightarrow\ 14+8t=6$$이므로 $t=-1$이다. 이때 교점은 $x=\dfrac{8}{3}-2=\dfrac{2}{3},\ y=2,\ z=0$, 즉 $\left(\dfrac{2}{3},2,0\right)$이다.
Find the point where the line $x=\dfrac{8}{3}+2t,\ y=-2t,\ z=1+t$ meets the plane $3x+2y+6z=6$.
Solution. Substituting the point $\left(\dfrac{8}{3}+2t,\,-2t,\,1+t\right)$ on the line into the equation of the plane gives
$$3\left(\frac{8}{3}+2t\right)+2(-2t)+6(1+t)=6 \ \Longrightarrow\ 8+6t-4t+6+6t=6 \ \Longrightarrow\ 14+8t=6,$$so $t=-1$. Then the point of intersection is $x=\dfrac{8}{3}-2=\dfrac{2}{3},\ y=2,\ z=0$, i.e., $\left(\dfrac{2}{3},2,0\right)$.
두 직선 $L_1:\ x=2t+1,\ y=3t+2,\ z=4t+3$과 $L_2:\ x=s+2,\ y=2s+4,\ z=-4s-1$이 있다.
- $L_1, L_2$의 교점이 존재함을 보이시오.
- $L_1, L_2$를 포함하는 평면의 방정식을 구하시오.
증명.
(1) $L_1$ 위의 점은 $(2t+1,3t+2,4t+3)$, $L_2$ 위의 점은 $(s+2,2s+4,-4s-1)$이다. 두 직선이 만나려면 다음 연립방정식을 만족하는 $t,s$가 존재해야 한다.
$$\begin{aligned}2t+1&=s+2\\ 3t+2&=2s+4\\ 4t+3&=-4s-1\end{aligned}$$첫째 식과 셋째 식에서 $s=2t-1$이고 $t+s=-1$이므로, $t+(2t-1)=-1 \Rightarrow 3t=0 \Rightarrow t=0,\ s=-1$이다. 이 값을 둘째 식에 대입하면 $3(0)-2(-1)=2$로 성립하므로, $t=0,\ s=-1$은 세 방정식을 모두 만족한다. 따라서 두 직선은 교점을 가지며, $t=0$을 대입하면 교점은 $(1,2,3)$이다.
(2) $L_1,L_2$의 방향벡터는 각각 $\mathbf{d_1}=(2,3,4)$, $\mathbf{d_2}=(1,2,-4)$이므로, 두 직선을 포함하는 평면의 법선벡터는
$$\mathbf{d_1}\times\mathbf{d_2}=(2,3,4)\times(1,2,-4)=\big((3)(-4)-(4)(2),\ (4)(1)-(2)(-4),\ (2)(2)-(3)(1)\big)=(-20,12,1)$$이다. (1)에서 구한 교점 $(1,2,3)$을 지나므로, 평면의 방정식은 $-20(x-1)+12(y-2)+1(z-3)=0$, 즉 $-20x+12y+z=7$이다.
Consider the two lines $L_1:\ x=2t+1,\ y=3t+2,\ z=4t+3$ and $L_2:\ x=s+2,\ y=2s+4,\ z=-4s-1$.
- Show that $L_1$ and $L_2$ intersect.
- Find the equation of the plane containing $L_1$ and $L_2$.
Proof.
(1) A point on $L_1$ is $(2t+1,3t+2,4t+3)$, and a point on $L_2$ is $(s+2,2s+4,-4s-1)$. For the lines to meet, there must exist $t,s$ satisfying
$$\begin{aligned}2t+1&=s+2\\ 3t+2&=2s+4\\ 4t+3&=-4s-1\end{aligned}$$From the first and third equations, $s=2t-1$ and $t+s=-1$, so $t+(2t-1)=-1 \Rightarrow 3t=0 \Rightarrow t=0,\ s=-1$. Substituting into the second equation gives $3(0)-2(-1)=2$, which holds, so $t=0,\ s=-1$ satisfies all three equations. Hence the lines intersect, and setting $t=0$ gives the point of intersection $(1,2,3)$.
(2) The direction vectors of $L_1,L_2$ are $\mathbf{d_1}=(2,3,4)$ and $\mathbf{d_2}=(1,2,-4)$, so the normal vector of the plane containing both lines is
$$\mathbf{d_1}\times\mathbf{d_2}=(2,3,4)\times(1,2,-4)=\big((3)(-4)-(4)(2),\ (4)(1)-(2)(-4),\ (2)(2)-(3)(1)\big)=(-20,12,1).$$Since the plane passes through the point of intersection $(1,2,3)$ found in (1), its equation is $-20(x-1)+12(y-2)+1(z-3)=0$, i.e., $-20x+12y+z=7$.
점 $S(1,1,3)$과 평면 $3x+2y+6z=6$ 사이의 거리를 구하시오.
풀이. 점과 평면 사이의 거리 공식에 의해
$$d=\frac{|3(1)+2(1)+6(3)-6|}{\sqrt{3^2+2^2+6^2}}=\frac{|3+2+18-6|}{\sqrt{49}}=\frac{17}{7}$$이다.
Find the distance between the point $S(1,1,3)$ and the plane $3x+2y+6z=6$.
Solution. By the point-to-plane distance formula,
$$d=\frac{|3(1)+2(1)+6(3)-6|}{\sqrt{3^2+2^2+6^2}}=\frac{|3+2+18-6|}{\sqrt{49}}=\frac{17}{7}.$$두 평면 $3x-6y-2z=15$와 $2x+y-2z=5$가 이루는 각의 크기를 구하시오.
풀이. 두 평면의 법선벡터는 $\mathbf{n_1}=(3,-6,-2)$, $\mathbf{n_2}=(2,1,-2)$이다. $\mathbf{n_1}\cdot\mathbf{n_2}=3(2)+(-6)(1)+(-2)(-2)=6-6+4=4$이고, $|\mathbf{n_1}|=\sqrt{9+36+4}=\sqrt{49}=7$, $|\mathbf{n_2}|=\sqrt{4+1+4}=\sqrt9=3$이므로
$$\cos\theta=\frac{\mathbf{n_1}\cdot\mathbf{n_2}}{|\mathbf{n_1}||\mathbf{n_2}|}=\frac{4}{21}$$이다. 따라서 두 평면이 이루는 각은 $\theta=\cos^{-1}\dfrac{4}{21}$이다.
Find the angle between the two planes $3x-6y-2z=15$ and $2x+y-2z=5$.
Solution. The normal vectors of the two planes are $\mathbf{n_1}=(3,-6,-2)$ and $\mathbf{n_2}=(2,1,-2)$. Since $\mathbf{n_1}\cdot\mathbf{n_2}=3(2)+(-6)(1)+(-2)(-2)=6-6+4=4$, $|\mathbf{n_1}|=\sqrt{9+36+4}=\sqrt{49}=7$, and $|\mathbf{n_2}|=\sqrt{4+1+4}=\sqrt9=3$,
$$\cos\theta=\frac{\mathbf{n_1}\cdot\mathbf{n_2}}{|\mathbf{n_1}||\mathbf{n_2}|}=\frac{4}{21}.$$Hence the angle between the two planes is $\theta=\cos^{-1}\dfrac{4}{21}$.
포물선 $y=x^2,\ z=0$을 따라 $z$축을 이동시켜 얻어진 주면을 구하시오.
풀이. $xy$평면 위의 포물선 $y=x^2\ (z=0)$을 $z$축에 평행하게 평행이동시키면, 이동된 점은 $x,y$좌표는 그대로이고 $z$좌표만 임의의 값을 가진다. 즉 얻어지는 주면(포물기둥면)은 $z$에 대한 조건 없이
$$y=x^2\quad(z\in\mathbb{R})$$로 주어진다. 다시 말해 점 $(x,y,z)$가 이 주면 위에 있을 필요충분조건은 $y=x^2$이며, 어떤 높이 $z=k$에서 평면으로 잘라도 단면은 항상 같은 모양의 포물선 $y=x^2$이다.
Find the cylinder obtained by moving the $z$-axis along the parabola $y=x^2,\ z=0$.
Solution. Translating the parabola $y=x^2\ (z=0)$ in the $xy$-plane parallel to the $z$-axis leaves the $x,y$-coordinates unchanged while $z$ ranges over all real numbers. Hence the resulting cylinder is given, with no condition on $z$, by
$$y=x^2\quad(z\in\mathbb{R}).$$In other words, a point $(x,y,z)$ lies on this cylinder if and only if $y=x^2$; slicing by any plane $z=k$ gives the same parabola $y=x^2$.
주면 $x^2+4z^2=16$을 생성하는 곡선을 하나 구하시오.
풀이. 방정식 $x^2+4z^2=16$에는 $y$가 나타나지 않으므로, 이 주면의 모선(rulings)은 $y$축에 평행하다. 따라서 평면 $y=0$(즉 $xz$평면)과의 교선을 생성 곡선으로 잡을 수 있다.
$$x^2+4z^2=16,\ y=0 \quad\Longleftrightarrow\quad \frac{x^2}{16}+\frac{z^2}{4}=1,\ y=0$$이는 $xz$평면 위의 타원이다.
Find a curve that generates the cylinder $x^2+4z^2=16$.
Solution. Since $y$ does not appear in the equation $x^2+4z^2=16$, the rulings of this cylinder are parallel to the $y$-axis. Hence we may take the trace in the plane $y=0$ (the $xz$-plane) as the generating curve.
$$x^2+4z^2=16,\ y=0 \quad\Longleftrightarrow\quad \frac{x^2}{16}+\frac{z^2}{4}=1,\ y=0$$which is an ellipse in the $xz$-plane.
다음 곡면을 좌표공간 위에 나타내시오. (단, $a,b,c>0$)
- $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}+\dfrac{z^2}{c^2}=1$ (타원면, ellipsoid)
- $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=\dfrac{z}{c}$ (타원형 포물면, elliptical paraboloid)
- $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=\dfrac{z^2}{c^2}$ (타원형 뿔면, elliptical cone)
- $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}-\dfrac{z^2}{c^2}=1$ (일엽쌍곡면, hyperboloid of one sheet)
- $-\dfrac{x^2}{a^2}-\dfrac{y^2}{b^2}+\dfrac{z^2}{c^2}=1$ (이엽쌍곡면, hyperboloid of two sheets)
- $\dfrac{y^2}{b^2}-\dfrac{x^2}{a^2}=\dfrac{z}{c}$ (쌍곡포물면, hyperbolic paraboloid)
풀이. 각 곡면을 평면 $z=k$ 등으로 자른 단면(자취)을 조사하면 다음과 같은 모양을 얻는다.
(1) 타원면. $x,y,z$축과 각각 $(\pm a,0,0),(0,\pm b,0),(0,0,\pm c)$에서 만난다. 평면 $z=k\ (|k|\leq c)$로 자른 단면은 타원 $\dfrac{x^2}{a^2(1-k^2/c^2)}+\dfrac{y^2}{b^2(1-k^2/c^2)}=1$이고, $k=\pm c$에서는 한 점으로 줄어든다. 즉 원점에 중심을 둔 닫힌 곡면이다.
(2) 타원형 포물면. 꼭짓점은 원점이다. 평면 $z=k\geq0$과의 단면은 타원 $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=\dfrac{k}{c}$로 $k$가 커질수록 커지고, $z\lt0$에서는 실수 단면이 없다(단, $c\gt0$). 즉 $z$축의 양의 방향으로 열린 그릇 모양이다.
(3) 타원형 뿔면. 꼭짓점은 원점이다. 평면 $z=k$와의 단면은 타원 $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=\dfrac{k^2}{c^2}$로 반지름이 $|k|$에 비례하여 커지며, $z\gt0$과 $z\lt0$ 양쪽에 대칭인 두 잎(nappe)이 원점에서 만난다.
(4) 일엽쌍곡면. 평면 $z=k$와의 단면은 항상 타원 $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=1+\dfrac{k^2}{c^2}$이며(공집합이 되는 경우가 없다), $k=0$에서 반지름이 최소(허리)이고 $|k|$가 커질수록 벌어진다. 즉 하나로 연결된 곡면이다.
(5) 이엽쌍곡면. 평면 $z=k$와의 단면은 $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=\dfrac{k^2}{c^2}-1$이므로 $|k|\geq c$일 때만 존재하고, $|k|\lt c$에서는 공집합이다. 즉 $(0,0,\pm c)$를 각각 꼭짓점으로 하는, 서로 떨어진 두 곡면(잎)으로 이루어진다.
(6) 쌍곡포물면. 평면 $x=0$과의 단면은 위로 열린 포물선 $z=\dfrac{c}{b^2}y^2$이고, 평면 $y=0$과의 단면은 아래로 열린 포물선 $z=-\dfrac{c}{a^2}x^2$이다. 즉 원점을 지나면서 한 방향으로는 위로, 다른 방향으로는 아래로 휘어지는 안장(saddle) 모양이다.
Sketch the following surfaces in coordinate space. (Here, $a,b,c>0$.)
- $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}+\dfrac{z^2}{c^2}=1$ (ellipsoid)
- $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=\dfrac{z}{c}$ (elliptical paraboloid)
- $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=\dfrac{z^2}{c^2}$ (elliptical cone)
- $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}-\dfrac{z^2}{c^2}=1$ (hyperboloid of one sheet)
- $-\dfrac{x^2}{a^2}-\dfrac{y^2}{b^2}+\dfrac{z^2}{c^2}=1$ (hyperboloid of two sheets)
- $\dfrac{y^2}{b^2}-\dfrac{x^2}{a^2}=\dfrac{z}{c}$ (hyperbolic paraboloid)
Solution. Examining the trace of each surface in the plane $z=k$ (and similar planes) gives the following shapes.
(1) Ellipsoid. It meets the $x,y,z$-axes at $(\pm a,0,0),(0,\pm b,0),(0,0,\pm c)$. The trace in $z=k\ (|k|\leq c)$ is the ellipse $\dfrac{x^2}{a^2(1-k^2/c^2)}+\dfrac{y^2}{b^2(1-k^2/c^2)}=1$, shrinking to a point at $k=\pm c$. Hence it is a closed surface centered at the origin.
(2) Elliptical paraboloid. The vertex is at the origin. The trace in $z=k\geq0$ is the ellipse $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=\dfrac{k}{c}$, growing as $k$ increases, with no real trace for $z\lt0$ (since $c\gt0$). Hence it is a bowl opening in the positive $z$-direction.
(3) Elliptical cone. The vertex is at the origin. The trace in $z=k$ is the ellipse $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=\dfrac{k^2}{c^2}$, whose radius grows proportionally to $|k|$; two nappes, symmetric for $z\gt0$ and $z\lt0$, meet at the origin.
(4) Hyperboloid of one sheet. The trace in $z=k$ is always the ellipse $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=1+\dfrac{k^2}{c^2}$ (never empty); the radius is smallest (the waist) at $k=0$ and increases as $|k|$ grows. Hence it is a single connected surface.
(5) Hyperboloid of two sheets. The trace in $z=k$ is $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=\dfrac{k^2}{c^2}-1$, which exists only for $|k|\geq c$ and is empty for $|k|\lt c$. Hence the surface consists of two separate sheets, with vertices at $(0,0,\pm c)$.
(6) Hyperbolic paraboloid. The trace in $x=0$ is the upward parabola $z=\dfrac{c}{b^2}y^2$, and the trace in $y=0$ is the downward parabola $z=-\dfrac{c}{a^2}x^2$. Hence the surface curves upward in one direction and downward in the other through the origin, forming a saddle shape.
곡면 $x^2+y^2+4z^2-2x+4y+1=0$을 좌표공간 위에 나타내시오.
풀이. 완전제곱식으로 정리하면
$$x^2-2x+y^2+4y+4z^2=-1 \;\Longrightarrow\; (x-1)^2-1+(y+2)^2-4+4z^2=-1$$ $$\Longrightarrow\; (x-1)^2+(y+2)^2+4z^2=4 \;\Longrightarrow\; \frac{(x-1)^2}{4}+\frac{(y+2)^2}{4}+z^2=1$$이다. 이는 중심이 $(1,-2,0)$이고 $x,y,z$방향 반축의 길이가 각각 $2,2,1$인 타원면(적도 단면은 반지름 2인 원, $xz,yz$방향으로는 짧은 축을 갖는 회전타원체)이다.
Sketch the surface $x^2+y^2+4z^2-2x+4y+1=0$ in coordinate space.
Solution. Completing the square gives
$$x^2-2x+y^2+4y+4z^2=-1 \;\Longrightarrow\; (x-1)^2-1+(y+2)^2-4+4z^2=-1$$ $$\Longrightarrow\; (x-1)^2+(y+2)^2+4z^2=4 \;\Longrightarrow\; \frac{(x-1)^2}{4}+\frac{(y+2)^2}{4}+z^2=1.$$This is an ellipsoid centered at $(1,-2,0)$ with semi-axes $2,2,1$ in the $x,y,z$ directions, respectively (the equatorial cross-section is a circle of radius 2, while the axis in the $z$-direction is shorter).
타원면 $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}+\dfrac{z^2}{c^2}=1\ (a,b,c>0)$으로 둘러싸인 영역의 부피를 구하시오.
풀이. 치환 $x=au,\ y=bv,\ z=cw$를 사용하면 타원면 $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}+\dfrac{z^2}{c^2}=1$은 단위구 $u^2+v^2+w^2\leq1$로 바뀌고, 야코비안은 $\left|\dfrac{\partial(x,y,z)}{\partial(u,v,w)}\right|=abc$이다. 단위구의 부피는 $\dfrac{4}{3}\pi$이므로, 타원면으로 둘러싸인 영역의 부피는
$$V=\iiint_{\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}\leq1} dV = abc\iiint_{u^2+v^2+w^2\leq1} du\,dv\,dw = abc\cdot\frac{4}{3}\pi=\frac{4}{3}\pi abc$$이다.
Find the volume of the region enclosed by the ellipsoid $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}+\dfrac{z^2}{c^2}=1\ (a,b,c>0)$.
Solution. With the substitution $x=au,\ y=bv,\ z=cw$, the ellipsoid $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}+\dfrac{z^2}{c^2}=1$ becomes the unit ball $u^2+v^2+w^2\leq1$, and the Jacobian is $\left|\dfrac{\partial(x,y,z)}{\partial(u,v,w)}\right|=abc$. Since the volume of the unit ball is $\dfrac{4}{3}\pi$, the volume of the region enclosed by the ellipsoid is
$$V=\iiint_{\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}\leq1} dV = abc\iiint_{u^2+v^2+w^2\leq1} du\,dv\,dw = abc\cdot\frac{4}{3}\pi=\frac{4}{3}\pi abc.$$일엽쌍곡면 $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}-\dfrac{z^2}{c^2}=1\ (a,b,c>0)$과 평면 $z=0,\ z=h\ (h>0)$으로 둘러싸인 영역의 부피를 구하시오.
풀이. 높이 $z=k\ (0\leq k\leq h)$에서 일엽쌍곡면을 자른 단면은
$$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1+\frac{k^2}{c^2}$$즉 반축이 $a\sqrt{1+k^2/c^2}$, $b\sqrt{1+k^2/c^2}$인 타원이므로, 그 넓이는
$$A(k)=\pi\cdot a\sqrt{1+\frac{k^2}{c^2}}\cdot b\sqrt{1+\frac{k^2}{c^2}}=\pi ab\left(1+\frac{k^2}{c^2}\right)$$이다. 따라서 구하는 부피는
$$V=\int_0^h A(k)\,dk=\pi ab\int_0^h\left(1+\frac{k^2}{c^2}\right)dk=\pi ab\left[k+\frac{k^3}{3c^2}\right]_0^h=\pi ab\left(h+\frac{h^3}{3c^2}\right)$$이다.
Find the volume of the region enclosed by the hyperboloid of one sheet $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}-\dfrac{z^2}{c^2}=1\ (a,b,c>0)$ and the planes $z=0,\ z=h\ (h>0)$.
Solution. The cross-section of the hyperboloid of one sheet at height $z=k\ (0\leq k\leq h)$ is
$$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1+\frac{k^2}{c^2},$$an ellipse with semi-axes $a\sqrt{1+k^2/c^2}$ and $b\sqrt{1+k^2/c^2}$, so its area is
$$A(k)=\pi\cdot a\sqrt{1+\frac{k^2}{c^2}}\cdot b\sqrt{1+\frac{k^2}{c^2}}=\pi ab\left(1+\frac{k^2}{c^2}\right).$$Hence the volume is
$$V=\int_0^h A(k)\,dk=\pi ab\int_0^h\left(1+\frac{k^2}{c^2}\right)dk=\pi ab\left[k+\frac{k^3}{3c^2}\right]_0^h=\pi ab\left(h+\frac{h^3}{3c^2}\right).$$문제 · Problems
두 점 $P_1(1,2,3)$, $P_2(3,2,1)$을 지나고 평면 $4x-y+2z=7$에 수직인 평면의 방정식을 구하시오.
Find the equation of the plane through the two points $P_1(1,2,3)$, $P_2(3,2,1)$ perpendicular to the plane $4x-y+2z=7$.
- 평면 $x+2y+6z=1$과 $x+2y+6z=10$ 사이의 거리를 구하시오.
- 직선 $x=2+t,\ y=1+t,\ z=-\dfrac{1}{2}-\dfrac{1}{2}t$와 평면 $x+2y+6z=10$ 사이의 거리를 구하시오.
- Find the distance between the planes $x+2y+6z=1$ and $x+2y+6z=10$.
- Find the distance between the line $x=2+t,\ y=1+t,\ z=-\dfrac{1}{2}-\dfrac{1}{2}t$ and the plane $x+2y+6z=10$.
- 두 직선 $x=t,\ y=2t,\ z=-t$와 $x=1-t,\ y=5+t,\ z=2t$가 이루는 각의 크기를 구하시오.
- 직선 $x=1-t,\ y=3t,\ z=1+t$와 평면 $2x-y+3z=6$이 이루는 각의 크기를 구하시오.
- Find the angle between the two lines $x=t,\ y=2t,\ z=-t$ and $x=1-t,\ y=5+t,\ z=2t$.
- Find the angle between the line $x=1-t,\ y=3t,\ z=1+t$ and the plane $2x-y+3z=6$.
다음 세 직선의 위치관계를 밝히시오.
$$\begin{aligned} L_1&:\ x=3+2t,\ y=-1+4t,\ z=2-t \\ L_2&:\ x=1+4s,\ y=1+2s,\ z=-3+4s \\ L_3&:\ x=3+2r,\ y=2+r,\ z=-2+2r \end{aligned}$$Determine the relative position of the following three lines.
$$\begin{aligned} L_1&:\ x=3+2t,\ y=-1+4t,\ z=2-t \\ L_2&:\ x=1+4s,\ y=1+2s,\ z=-3+4s \\ L_3&:\ x=3+2r,\ y=2+r,\ z=-2+2r \end{aligned}$$- 두 직선 $L_1, L_2$는 꼬인 위치에 있다고 하자. $P_1, P_2$는 각각 $L_1, L_2$위의 점이라 할 때, $\overrightarrow{P_1P_2}$가 최소일 필요충분조건은 $\overrightarrow{P_1P_2}$가 $L_1, L_2$에 수직인 것임을 보이시오.
- 네 점 $A(1,0,-1)$, $B(1,1,0)$, $C(3,1,-1)$, $D(4,5,-2)$에 대하여 직선 $AB$와 $CD$ 사이의 거리를 구하시오.
- Suppose two lines $L_1, L_2$ are skew. Let $P_1, P_2$ be points on $L_1, L_2$, respectively. Show that a necessary and sufficient condition for $\overrightarrow{P_1P_2}$ to be minimal is that $\overrightarrow{P_1P_2}$ is perpendicular to $L_1, L_2$.
- For the four points $A(1,0,-1)$, $B(1,1,0)$, $C(3,1,-1)$, $D(4,5,-2)$, find the distance between the lines $AB$ and $CD$.
- 임의의 실수 $k$에 대하여 평면 $x-2y+z+3+k(2x-y-z+1)=0$이 포함하는 직선의 방정식을 구하시오.
- 두 평면 $x-2y+z+3=0$, $2x-y-z+1$의 교선과 $(0,0,0)$을 지나는 평면의 방정식을 구하시오.
- For an arbitrary real number $k$, find the equation of the line contained in the plane $x-2y+z+3+k(2x-y-z+1)=0$.
- Find the equation of the plane through the line of intersection of the two planes $x-2y+z+3=0$, $2x-y-z+1$ and the point $(0,0,0)$.
다음 부등식이 나타내는 영역을 그리시오.
- $2x+y+z>2$
- $x^2+y^2+4z^2\leq 4$
Sketch the region represented by the following inequalities.
- $2x+y+z>2$
- $x^2+y^2+4z^2\leq 4$