예제·유제 · Examples & Exercises

예제 01 나선 그리기
한국어

벡터 함수 $\mathbf{r}(t)=(\cos t)\mathbf{i}+(\sin t)\mathbf{j}+t\mathbf{k}$를 좌표공간 상에 나타내시오. 이 곡선을 나선(helix)라 한다.

풀이. 임의의 $t$에 대해 $x=\cos t,\ y=\sin t$이므로 $x^2+y^2=\cos^2 t+\sin^2 t=1$이다. 즉 이 곡선은 항상 원기둥 $x^2+y^2=1$ 위에 놓여 있고, $t$가 증가함에 따라 $z=t$도 함께 증가하므로 원기둥면을 따라 반시계 방향으로 감아 올라가는 곡선이다. 이 곡선을 좌표공간 상에 나타내면 다음과 같다.

x y z O
English

Sketch the vector function $\mathbf{r}(t)=(\cos t)\mathbf{i}+(\sin t)\mathbf{j}+t\mathbf{k}$ in coordinate space. This curve is called a helix.

Solution. For every $t$, $x=\cos t$ and $y=\sin t$, so $x^2+y^2=\cos^2 t+\sin^2 t=1$. Hence the curve always lies on the cylinder $x^2+y^2=1$, and since $z=t$ increases together with $t$, the curve winds counterclockwise up the cylinder as $t$ increases. The curve is sketched in coordinate space as follows.

x y z O
유제 01 공간곡선 그리기
한국어

벡터 함수 $\mathbf{r}(t)=(t+1)\mathbf{i}+(t^2-1)\mathbf{j}+2t\mathbf{k}$를 좌표공간 상에 나타내시오.

풀이. $x=t+1,\ y=t^2-1,\ z=2t$라 하면 $t=x-1$이므로 $y=(x-1)^2-1$이고 $z=2(x-1)=2x-2$이다. 즉 이 곡선은 포물선기둥(parabolic cylinder) $y=(x-1)^2-1$과 평면 $z=2x-2$의 교선이며, $t$가 증가함에 따라 $x$축 방향으로 이동하면서 포물선 모양을 그리는 동시에 $z$ 방향으로 선형적으로 상승한다. 이 곡선을 좌표공간 상에 나타내면 다음과 같다.

x y z O
English

Sketch the vector function $\mathbf{r}(t)=(t+1)\mathbf{i}+(t^2-1)\mathbf{j}+2t\mathbf{k}$ in coordinate space.

Solution. Let $x=t+1,\ y=t^2-1,\ z=2t$. Since $t=x-1$, we get $y=(x-1)^2-1$ and $z=2(x-1)=2x-2$. Thus the curve is the intersection of the parabolic cylinder $y=(x-1)^2-1$ with the plane $z=2x-2$: as $t$ increases, the curve moves in the $x$-direction tracing a parabola while simultaneously rising linearly in the $z$-direction. The curve is sketched in coordinate space as follows.

x y z O
예제 02 벡터 함수의 극한
한국어

벡터 함수 $\mathbf{r}(t)=(\cos t)\mathbf{i}+(\sin t)\mathbf{j}+t\mathbf{k}$에 대해 $\lim_{t\to\pi/4}\mathbf{r}(t)$를 구하시오.

풀이. $\mathbf{r}(t)=(\cos t)\mathbf{i}+(\sin t)\mathbf{j}+t\mathbf{k}$의 각 성분함수 $\cos t,\ \sin t,\ t$는 $t=\pi/4$에서 모두 연속이므로, 벡터 함수의 극한은 성분별 극한으로 계산할 수 있다.

$$\lim_{t\to\pi/4}\mathbf{r}(t)=\left(\lim_{t\to\pi/4}\cos t\right)\mathbf{i}+\left(\lim_{t\to\pi/4}\sin t\right)\mathbf{j}+\left(\lim_{t\to\pi/4}t\right)\mathbf{k}=\frac{\sqrt2}{2}\mathbf{i}+\frac{\sqrt2}{2}\mathbf{j}+\frac{\pi}{4}\mathbf{k}$$

이다.

English

Find $\lim_{t\to\pi/4}\mathbf{r}(t)$ for the vector function $\mathbf{r}(t)=(\cos t)\mathbf{i}+(\sin t)\mathbf{j}+t\mathbf{k}$.

Solution. The component functions $\cos t,\ \sin t,\ t$ of $\mathbf{r}(t)=(\cos t)\mathbf{i}+(\sin t)\mathbf{j}+t\mathbf{k}$ are all continuous at $t=\pi/4$, so the limit of the vector function can be computed componentwise.

$$\lim_{t\to\pi/4}\mathbf{r}(t)=\left(\lim_{t\to\pi/4}\cos t\right)\mathbf{i}+\left(\lim_{t\to\pi/4}\sin t\right)\mathbf{j}+\left(\lim_{t\to\pi/4}t\right)\mathbf{k}=\frac{\sqrt2}{2}\mathbf{i}+\frac{\sqrt2}{2}\mathbf{j}+\frac{\pi}{4}\mathbf{k}.$$

유제 02 바닥함수와 불연속
한국어

임의의 정수 $n$에 대해 벡터 함수 $\mathbf{g}(t)=(\cos t)\mathbf{i}+(\sin t)\mathbf{j}+\lfloor t \rfloor\mathbf{k}$가 $t=n$에서 불연속임을 보이시오.

증명. 벡터 함수의 극한은 모든 성분의 극한이 존재할 때 그 성분별 극한으로 주어지며, 어느 한 성분의 극한이라도 존재하지 않으면 벡터 함수의 극한도 존재하지 않는다. $\cos t,\ \sin t$는 모든 $t$에서 연속이므로, $\mathbf{g}(t)$가 $t=n$에서 연속인지는 셋째 성분 $\lfloor t \rfloor$가 $t=n$에서 연속인지에 달려 있다.

임의의 정수 $n$에 대해, $n-1 \leq t \lt n$이면 $\lfloor t \rfloor = n-1$이므로 $\lim_{t\to n^-}\lfloor t \rfloor = n-1$이다. 반면 $n \leq t \lt n+1$이면 $\lfloor t \rfloor = n$이므로 $\lim_{t\to n^+}\lfloor t \rfloor = n$이다. 좌극한과 우극한이 $n-1 \neq n$으로 서로 다르므로 $\lim_{t\to n}\lfloor t \rfloor$는 존재하지 않는다.

따라서 $\lim_{t\to n}\mathbf{g}(t)$도 존재하지 않으므로 $\mathbf{g}(t)$는 $t=n$에서 불연속이다. $n$은 임의의 정수였으므로, $\mathbf{g}(t)$는 모든 정수 $t=n$에서 불연속이다.

$\square$
English

Show that the vector function $\mathbf{g}(t)=(\cos t)\mathbf{i}+(\sin t)\mathbf{j}+\lfloor t \rfloor\mathbf{k}$ is discontinuous at $t=n$ for every integer $n$.

Proof. The limit of a vector function exists and equals the vector of componentwise limits precisely when every component has a limit; if even one component fails to have a limit, the vector function has no limit. Since $\cos t$ and $\sin t$ are continuous for all $t$, whether $\mathbf{g}(t)$ is continuous at $t=n$ depends entirely on whether the third component $\lfloor t \rfloor$ is continuous at $t=n$.

For any integer $n$: if $n-1 \leq t \lt n$ then $\lfloor t \rfloor = n-1$, so $\lim_{t\to n^-}\lfloor t \rfloor = n-1$. If $n \leq t \lt n+1$ then $\lfloor t \rfloor = n$, so $\lim_{t\to n^+}\lfloor t \rfloor = n$. Since the left- and right-hand limits $n-1$ and $n$ differ, $\lim_{t\to n}\lfloor t \rfloor$ does not exist.

Hence $\lim_{t\to n}\mathbf{g}(t)$ does not exist either, so $\mathbf{g}(t)$ is discontinuous at $t=n$. Since $n$ was an arbitrary integer, $\mathbf{g}(t)$ is discontinuous at every integer $t=n$.

$\square$
예제 03 속도·속력·가속도
한국어

물체 A의 위치벡터가 $\mathbf{r}(t)=(2\cos t)\mathbf{i}+(2\sin t)\mathbf{j}+(5\cos^2 t)\mathbf{k}$이다.

  1. A의 속도, 속력, 가속도를 구하시오.
  2. $\mathbf{r}(t)$와 $\mathbf{v}(7\pi/4)$를 좌표공간 상에 나타내시오.

풀이.

(1) $\mathbf{r}(t)=(2\cos t)\mathbf{i}+(2\sin t)\mathbf{j}+(5\cos^2 t)\mathbf{k}$이므로, 속도는

$$\mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)=(-2\sin t)\mathbf{i}+(2\cos t)\mathbf{j}+(-10\cos t\sin t)\mathbf{k}=(-2\sin t)\mathbf{i}+(2\cos t)\mathbf{j}-(5\sin 2t)\mathbf{k}$$

이고, 속력은

$$|\mathbf{v}(t)|=\sqrt{4\sin^2 t+4\cos^2 t+25\sin^2 2t}=\sqrt{4+25\sin^2 2t}$$

이며, 가속도는

$$\mathbf{a}(t)=\mathbf{v}'(t)=(-2\cos t)\mathbf{i}-(2\sin t)\mathbf{j}-(10\cos 2t)\mathbf{k}$$

이다.

(2) $t=7\pi/4$에서 $\mathbf{r}(7\pi/4)=\left(2\cdot\frac{\sqrt2}{2}\right)\mathbf{i}+\left(2\cdot\left(-\frac{\sqrt2}{2}\right)\right)\mathbf{j}+\left(5\cdot\frac12\right)\mathbf{k}=\sqrt2\,\mathbf{i}-\sqrt2\,\mathbf{j}+\frac52\mathbf{k}$이고, (1)의 $\mathbf{v}(t)$에 $t=7\pi/4$를 대입하면 $\mathbf{v}(7\pi/4)=\sqrt2\,\mathbf{i}+\sqrt2\,\mathbf{j}+5\mathbf{k}$이다. $\mathbf{r}(t)$는 원기둥 $x^2+y^2=4$ 위에 놓여 있으며 $z=5\cos^2 t$가 주기 $\pi$로 진동하므로 한 바퀴 도는 동안 높이가 두 번 오르내리는 곡선이다. $\mathbf{r}(t)$와 점 $\mathbf{r}(7\pi/4)$에서의 $\mathbf{v}(7\pi/4)$를 좌표공간 상에 나타내면 다음과 같다.

x y z O P v
English

The position vector of object A is $\mathbf{r}(t)=(2\cos t)\mathbf{i}+(2\sin t)\mathbf{j}+(5\cos^2 t)\mathbf{k}$.

  1. Find the velocity, speed, and acceleration of A.
  2. Sketch $\mathbf{r}(t)$ and $\mathbf{v}(7\pi/4)$ in coordinate space.

Solution.

(1) Since $\mathbf{r}(t)=(2\cos t)\mathbf{i}+(2\sin t)\mathbf{j}+(5\cos^2 t)\mathbf{k}$, the velocity is

$$\mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)=(-2\sin t)\mathbf{i}+(2\cos t)\mathbf{j}+(-10\cos t\sin t)\mathbf{k}=(-2\sin t)\mathbf{i}+(2\cos t)\mathbf{j}-(5\sin 2t)\mathbf{k},$$

the speed is

$$|\mathbf{v}(t)|=\sqrt{4\sin^2 t+4\cos^2 t+25\sin^2 2t}=\sqrt{4+25\sin^2 2t},$$

and the acceleration is

$$\mathbf{a}(t)=\mathbf{v}'(t)=(-2\cos t)\mathbf{i}-(2\sin t)\mathbf{j}-(10\cos 2t)\mathbf{k}.$$

(2) At $t=7\pi/4$, $\mathbf{r}(7\pi/4)=\left(2\cdot\frac{\sqrt2}{2}\right)\mathbf{i}+\left(2\cdot\left(-\frac{\sqrt2}{2}\right)\right)\mathbf{j}+\left(5\cdot\frac12\right)\mathbf{k}=\sqrt2\,\mathbf{i}-\sqrt2\,\mathbf{j}+\frac52\mathbf{k}$, and substituting $t=7\pi/4$ into $\mathbf{v}(t)$ from (1) gives $\mathbf{v}(7\pi/4)=\sqrt2\,\mathbf{i}+\sqrt2\,\mathbf{j}+5\mathbf{k}$. Since $\mathbf{r}(t)$ lies on the cylinder $x^2+y^2=4$ and $z=5\cos^2 t$ oscillates with period $\pi$, the curve rises and falls twice per revolution. The curve $\mathbf{r}(t)$ together with $\mathbf{v}(7\pi/4)$ at the point $\mathbf{r}(7\pi/4)$ is sketched in coordinate space as follows.

x y z O P v
유제 03-1 속도·가속도의 사잇각
한국어

물체 A의 위치벡터가 $\mathbf{r}(t)=(\ln(t^2+1))\mathbf{i}+(\tan^{-1}t)\mathbf{j}+\sqrt{t^2+1}\,\mathbf{k}$일 때, $t=0$에서의 속도벡터와 가속도벡터가 이루는 각의 크기를 구하시오.

풀이. $\mathbf{r}(t)=\left(\ln(t^2+1)\right)\mathbf{i}+(\tan^{-1}t)\mathbf{j}+\sqrt{t^2+1}\,\mathbf{k}$이므로

$$\mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)=\frac{2t}{t^2+1}\mathbf{i}+\frac{1}{1+t^2}\mathbf{j}+\frac{t}{\sqrt{t^2+1}}\mathbf{k}$$

이고, $t=0$에서 $\mathbf{v}(0)=\mathbf{j}$이다.

다시 미분하면

$$\mathbf{a}(t)=\mathbf{v}'(t)=\frac{2-2t^2}{(t^2+1)^2}\mathbf{i}-\frac{2t}{(1+t^2)^2}\mathbf{j}+\frac{1}{(t^2+1)^{3/2}}\mathbf{k}$$

이고, $t=0$에서 $\mathbf{a}(0)=2\mathbf{i}+\mathbf{k}$이다.

$\mathbf{v}(0)\cdot\mathbf{a}(0)=(0)(2)+(1)(0)+(0)(1)=0$이므로 $\mathbf{v}(0)$과 $\mathbf{a}(0)$은 서로 수직이고, 두 벡터가 이루는 각의 크기는 $\dfrac{\pi}{2}$이다.

English

The position vector of object A is $\mathbf{r}(t)=(\ln(t^2+1))\mathbf{i}+(\tan^{-1}t)\mathbf{j}+\sqrt{t^2+1}\,\mathbf{k}$. Find the measure of the angle between the velocity vector and the acceleration vector at $t=0$.

Solution. Since $\mathbf{r}(t)=\left(\ln(t^2+1)\right)\mathbf{i}+(\tan^{-1}t)\mathbf{j}+\sqrt{t^2+1}\,\mathbf{k}$,

$$\mathbf{v}(t)=\mathbf{r}'(t)=\frac{2t}{t^2+1}\mathbf{i}+\frac{1}{1+t^2}\mathbf{j}+\frac{t}{\sqrt{t^2+1}}\mathbf{k},$$

and at $t=0$, $\mathbf{v}(0)=\mathbf{j}$.

Differentiating again,

$$\mathbf{a}(t)=\mathbf{v}'(t)=\frac{2-2t^2}{(t^2+1)^2}\mathbf{i}-\frac{2t}{(1+t^2)^2}\mathbf{j}+\frac{1}{(t^2+1)^{3/2}}\mathbf{k},$$

and at $t=0$, $\mathbf{a}(0)=2\mathbf{i}+\mathbf{k}$.

Since $\mathbf{v}(0)\cdot\mathbf{a}(0)=(0)(2)+(1)(0)+(0)(1)=0$, the vectors $\mathbf{v}(0)$ and $\mathbf{a}(0)$ are perpendicular, so the angle between them has measure $\dfrac{\pi}{2}$.

유제 03-2 접선의 방정식
한국어
  1. 곡선 $\mathbf{r}(t)=(\sin t)\mathbf{i}+(t^2-\cos t)\mathbf{j}+e^t\mathbf{k}$의 $t=0$에서의 접선의 방정식을 구하시오.
  2. 곡선 $\mathbf{r}(t)=(t^2,1+t,2t-3)$ 위의 점 $(1,2,-1)$에서의 접선의 방정식을 구하시오.

풀이.

(1) $\mathbf{r}(t)=(\sin t)\mathbf{i}+(t^2-\cos t)\mathbf{j}+e^t\mathbf{k}$에서 $\mathbf{r}(0)=(0,-1,1)$이고, $\mathbf{r}'(t)=(\cos t)\mathbf{i}+(2t+\sin t)\mathbf{j}+e^t\mathbf{k}$이므로 $\mathbf{r}'(0)=(1,0,1)$이다. 따라서 $t=0$에서의 접선은 점 $(0,-1,1)$을 지나고 방향벡터가 $(1,0,1)$인 직선이므로, 매개변수 $s$에 대해

$$x=s,\quad y=-1,\quad z=1+s\quad(s\in\mathbb{R})$$

이다.

(2) $\mathbf{r}(t)=(t^2,1+t,2t-3)$에서 $(1,2,-1)$은 $t=1$에 대응한다 ($1^2=1,\ 1+1=2,\ 2\cdot1-3=-1$이므로 모두 성립). $\mathbf{r}'(t)=(2t,1,2)$이므로 $\mathbf{r}'(1)=(2,1,2)$이다. 따라서 접선은 점 $(1,2,-1)$을 지나고 방향벡터가 $(2,1,2)$인 직선이므로, 매개변수 $s$에 대해

$$x=1+2s,\quad y=2+s,\quad z=-1+2s\quad(s\in\mathbb{R})$$

이다.

English
  1. Find the equation of the tangent line to the curve $\mathbf{r}(t)=(\sin t)\mathbf{i}+(t^2-\cos t)\mathbf{j}+e^t\mathbf{k}$ at $t=0$.
  2. Find the equation of the tangent line to the curve $\mathbf{r}(t)=(t^2,1+t,2t-3)$ at the point $(1,2,-1)$ on it.

Solution.

(1) For $\mathbf{r}(t)=(\sin t)\mathbf{i}+(t^2-\cos t)\mathbf{j}+e^t\mathbf{k}$, $\mathbf{r}(0)=(0,-1,1)$, and $\mathbf{r}'(t)=(\cos t)\mathbf{i}+(2t+\sin t)\mathbf{j}+e^t\mathbf{k}$, so $\mathbf{r}'(0)=(1,0,1)$. Hence the tangent line at $t=0$ passes through $(0,-1,1)$ with direction vector $(1,0,1)$, so for a parameter $s$,

$$x=s,\quad y=-1,\quad z=1+s\quad(s\in\mathbb{R}).$$

(2) For $\mathbf{r}(t)=(t^2,1+t,2t-3)$, the point $(1,2,-1)$ corresponds to $t=1$ (since $1^2=1$, $1+1=2$, and $2\cdot1-3=-1$ all hold). Since $\mathbf{r}'(t)=(2t,1,2)$, $\mathbf{r}'(1)=(2,1,2)$. Hence the tangent line passes through $(1,2,-1)$ with direction vector $(2,1,2)$, so for a parameter $s$,

$$x=1+2s,\quad y=2+s,\quad z=-1+2s\quad(s\in\mathbb{R}).$$
예제 04 벡터 함수의 적분
한국어

다음을 구하시오.

  1. $\int((\cos t)\mathbf{i}+\mathbf{j}-2t\mathbf{k})\,dt$
  2. $\int_0^\pi((\cos t)\mathbf{i}+\mathbf{j}-2t\mathbf{k})\,dt$

풀이.

(1) 각 성분을 따로 적분하면

$$\int\big((\cos t)\mathbf{i}+\mathbf{j}-2t\mathbf{k}\big)\,dt=(\sin t)\mathbf{i}+t\mathbf{j}-t^2\mathbf{k}+\mathbf{C}$$

이다. (단, $\mathbf{C}$는 상수벡터)

(2) (1)의 부정적분에서 상수를 제외한 $\mathbf{R}(t)=(\sin t)\mathbf{i}+t\mathbf{j}-t^2\mathbf{k}$를 이용하면

$$\int_0^\pi\big((\cos t)\mathbf{i}+\mathbf{j}-2t\mathbf{k}\big)\,dt=\mathbf{R}(\pi)-\mathbf{R}(0)=(0,\pi,-\pi^2)-(0,0,0)=\pi\mathbf{j}-\pi^2\mathbf{k}$$

이다.

English

Find the following.

  1. $\int((\cos t)\mathbf{i}+\mathbf{j}-2t\mathbf{k})\,dt$
  2. $\int_0^\pi((\cos t)\mathbf{i}+\mathbf{j}-2t\mathbf{k})\,dt$

Solution.

(1) Integrating each component separately,

$$\int\big((\cos t)\mathbf{i}+\mathbf{j}-2t\mathbf{k}\big)\,dt=(\sin t)\mathbf{i}+t\mathbf{j}-t^2\mathbf{k}+\mathbf{C}$$

where $\mathbf{C}$ is a constant vector.

(2) Using $\mathbf{R}(t)=(\sin t)\mathbf{i}+t\mathbf{j}-t^2\mathbf{k}$ (the antiderivative from (1) with $\mathbf{C}=\mathbf{0}$),

$$\int_0^\pi\big((\cos t)\mathbf{i}+\mathbf{j}-2t\mathbf{k}\big)\,dt=\mathbf{R}(\pi)-\mathbf{R}(0)=(0,\pi,-\pi^2)-(0,0,0)=\pi\mathbf{j}-\pi^2\mathbf{k}.$$
유제 04-1 가속도로부터 위치벡터
한국어

물체 A의 가속도벡터가 $\mathbf{a}(t)=-(3\cos t)\mathbf{i}-(3\sin t)\mathbf{j}+2\mathbf{k}$이다. $t=0$에서의 A의 위치는 $(4,0,0)$이고 속도는 $(0,3,0)$일 때, A의 위치벡터를 구하시오.

풀이. $\mathbf{a}(t)=-(3\cos t)\mathbf{i}-(3\sin t)\mathbf{j}+2\mathbf{k}$를 적분하면

$$\mathbf{v}(t)=-(3\sin t)\mathbf{i}+(3\cos t)\mathbf{j}+2t\mathbf{k}+\mathbf{C}_1$$

이고, $\mathbf{v}(0)=(0,3,0)$이므로 $(0,3,0)+\mathbf{C}_1=(0,3,0)$, 즉 $\mathbf{C}_1=\mathbf{0}$이다. 따라서

$$\mathbf{v}(t)=-(3\sin t)\mathbf{i}+(3\cos t)\mathbf{j}+2t\mathbf{k}$$

이다. 다시 적분하면

$$\mathbf{r}(t)=(3\cos t)\mathbf{i}+(3\sin t)\mathbf{j}+t^2\mathbf{k}+\mathbf{C}_2$$

이고, $\mathbf{r}(0)=(4,0,0)$이므로 $(3,0,0)+\mathbf{C}_2=(4,0,0)$, 즉 $\mathbf{C}_2=(1,0,0)$이다. 따라서 A의 위치벡터는

$$\mathbf{r}(t)=(3\cos t+1)\mathbf{i}+(3\sin t)\mathbf{j}+t^2\mathbf{k}$$

이다.

English

The acceleration vector of object A is $\mathbf{a}(t)=-(3\cos t)\mathbf{i}-(3\sin t)\mathbf{j}+2\mathbf{k}$. If the position of A at $t=0$ is $(4,0,0)$ and the velocity is $(0,3,0)$, find the position vector of A.

Solution. Integrating $\mathbf{a}(t)=-(3\cos t)\mathbf{i}-(3\sin t)\mathbf{j}+2\mathbf{k}$ gives

$$\mathbf{v}(t)=-(3\sin t)\mathbf{i}+(3\cos t)\mathbf{j}+2t\mathbf{k}+\mathbf{C}_1,$$

and since $\mathbf{v}(0)=(0,3,0)$, we have $(0,3,0)+\mathbf{C}_1=(0,3,0)$, so $\mathbf{C}_1=\mathbf{0}$. Hence

$$\mathbf{v}(t)=-(3\sin t)\mathbf{i}+(3\cos t)\mathbf{j}+2t\mathbf{k}.$$

Integrating again,

$$\mathbf{r}(t)=(3\cos t)\mathbf{i}+(3\sin t)\mathbf{j}+t^2\mathbf{k}+\mathbf{C}_2,$$

and since $\mathbf{r}(0)=(4,0,0)$, we have $(3,0,0)+\mathbf{C}_2=(4,0,0)$, so $\mathbf{C}_2=(1,0,0)$. Therefore the position vector of A is

$$\mathbf{r}(t)=(3\cos t+1)\mathbf{i}+(3\sin t)\mathbf{j}+t^2\mathbf{k}.$$
유제 04-2 1계 미분과 초기조건
한국어

다음을 만족시키는 벡터 함수 $\mathbf{r}(t)$를 구하시오.

$$\frac{d\mathbf{r}}{dt}=(\tan t)\mathbf{i}+\left(\cos\left(\frac{1}{2}t\right)\right)\mathbf{j}-(\sec 2t)\mathbf{k},\quad \mathbf{r}(0)=3\mathbf{i}-2\mathbf{j}+\mathbf{k}$$

풀이. 각 성분을 적분한다.

첫째 성분: $\displaystyle\int\tan t\,dt=-\ln|\cos t|+C_1$이고 $r_1(0)=3$이므로 $-\ln1+C_1=3$, 즉 $C_1=3$이다. 따라서 $r_1(t)=3-\ln|\cos t|$이다.

둘째 성분: $\displaystyle\int\cos\!\left(\frac t2\right)dt=2\sin\!\left(\frac t2\right)+C_2$이고 $r_2(0)=-2$이므로 $2\sin 0+C_2=-2$, 즉 $C_2=-2$이다. 따라서 $r_2(t)=2\sin\!\left(\dfrac t2\right)-2$이다.

셋째 성분: $\displaystyle\int(-\sec 2t)\,dt=-\frac12\ln|\sec 2t+\tan 2t|+C_3$이고 $r_3(0)=1$이므로 $-\frac12\ln1+C_3=1$, 즉 $C_3=1$이다. 따라서 $r_3(t)=1-\dfrac12\ln|\sec 2t+\tan 2t|$이다.

따라서

$$\mathbf{r}(t)=\big(3-\ln|\cos t|\big)\mathbf{i}+\left(2\sin\frac t2-2\right)\mathbf{j}+\left(1-\frac12\ln|\sec 2t+\tan 2t|\right)\mathbf{k}$$

이다.

English

Find the vector function $\mathbf{r}(t)$ satisfying the following.

$$\frac{d\mathbf{r}}{dt}=(\tan t)\mathbf{i}+\left(\cos\left(\frac{1}{2}t\right)\right)\mathbf{j}-(\sec 2t)\mathbf{k},\quad \mathbf{r}(0)=3\mathbf{i}-2\mathbf{j}+\mathbf{k}$$

Solution. Integrate each component.

First component: $\displaystyle\int\tan t\,dt=-\ln|\cos t|+C_1$, and since $r_1(0)=3$, $-\ln1+C_1=3$, so $C_1=3$. Hence $r_1(t)=3-\ln|\cos t|$.

Second component: $\displaystyle\int\cos\!\left(\frac t2\right)dt=2\sin\!\left(\frac t2\right)+C_2$, and since $r_2(0)=-2$, $2\sin0+C_2=-2$, so $C_2=-2$. Hence $r_2(t)=2\sin\!\left(\dfrac t2\right)-2$.

Third component: $\displaystyle\int(-\sec 2t)\,dt=-\frac12\ln|\sec 2t+\tan 2t|+C_3$, and since $r_3(0)=1$, $-\frac12\ln1+C_3=1$, so $C_3=1$. Hence $r_3(t)=1-\dfrac12\ln|\sec 2t+\tan 2t|$.

Therefore

$$\mathbf{r}(t)=\big(3-\ln|\cos t|\big)\mathbf{i}+\left(2\sin\frac t2-2\right)\mathbf{j}+\left(1-\frac12\ln|\sec 2t+\tan 2t|\right)\mathbf{k}.$$
유제 04-3 2계 미분과 초기조건
한국어

다음을 만족시키는 벡터 함수 $\mathbf{r}(t)$를 구하시오.

$$\frac{d^2\mathbf{r}}{dt^2}=e^t\mathbf{i}-e^{-t}\mathbf{j}+4e^{2t}\mathbf{k},\quad \mathbf{r}(0)=3\mathbf{i}+\mathbf{j}+2\mathbf{k},\quad \left.\frac{d\mathbf{r}}{dt}\right|_{t=0}=-\mathbf{i}+4\mathbf{j}$$

풀이. $\dfrac{d^2\mathbf{r}}{dt^2}=e^t\mathbf{i}-e^{-t}\mathbf{j}+4e^{2t}\mathbf{k}$를 적분하면

$$\frac{d\mathbf{r}}{dt}=e^t\mathbf{i}+e^{-t}\mathbf{j}+2e^{2t}\mathbf{k}+\mathbf{C}_1$$

이고, $\left.\dfrac{d\mathbf{r}}{dt}\right|_{t=0}=(-1,4,0)$이므로 $(1,1,2)+\mathbf{C}_1=(-1,4,0)$, 즉 $\mathbf{C}_1=(-2,3,-2)$이다. 따라서

$$\frac{d\mathbf{r}}{dt}=(e^t-2)\mathbf{i}+(e^{-t}+3)\mathbf{j}+(2e^{2t}-2)\mathbf{k}$$

이다. 다시 적분하면

$$\mathbf{r}(t)=(e^t-2t)\mathbf{i}+(-e^{-t}+3t)\mathbf{j}+(e^{2t}-2t)\mathbf{k}+\mathbf{C}_2$$

이고, $\mathbf{r}(0)=(3,1,2)$이므로 $(1,-1,1)+\mathbf{C}_2=(3,1,2)$, 즉 $\mathbf{C}_2=(2,2,1)$이다. 따라서

$$\mathbf{r}(t)=(e^t-2t+2)\mathbf{i}+(-e^{-t}+3t+2)\mathbf{j}+(e^{2t}-2t+1)\mathbf{k}$$

이다.

English

Find the vector function $\mathbf{r}(t)$ satisfying the following.

$$\frac{d^2\mathbf{r}}{dt^2}=e^t\mathbf{i}-e^{-t}\mathbf{j}+4e^{2t}\mathbf{k},\quad \mathbf{r}(0)=3\mathbf{i}+\mathbf{j}+2\mathbf{k},\quad \left.\frac{d\mathbf{r}}{dt}\right|_{t=0}=-\mathbf{i}+4\mathbf{j}$$

Solution. Integrating $\dfrac{d^2\mathbf{r}}{dt^2}=e^t\mathbf{i}-e^{-t}\mathbf{j}+4e^{2t}\mathbf{k}$ gives

$$\frac{d\mathbf{r}}{dt}=e^t\mathbf{i}+e^{-t}\mathbf{j}+2e^{2t}\mathbf{k}+\mathbf{C}_1,$$

and since $\left.\dfrac{d\mathbf{r}}{dt}\right|_{t=0}=(-1,4,0)$, we have $(1,1,2)+\mathbf{C}_1=(-1,4,0)$, so $\mathbf{C}_1=(-2,3,-2)$. Hence

$$\frac{d\mathbf{r}}{dt}=(e^t-2)\mathbf{i}+(e^{-t}+3)\mathbf{j}+(2e^{2t}-2)\mathbf{k}.$$

Integrating again,

$$\mathbf{r}(t)=(e^t-2t)\mathbf{i}+(-e^{-t}+3t)\mathbf{j}+(e^{2t}-2t)\mathbf{k}+\mathbf{C}_2,$$

and since $\mathbf{r}(0)=(3,1,2)$, we have $(1,-1,1)+\mathbf{C}_2=(3,1,2)$, so $\mathbf{C}_2=(2,2,1)$. Hence

$$\mathbf{r}(t)=(e^t-2t+2)\mathbf{i}+(-e^{-t}+3t+2)\mathbf{j}+(e^{2t}-2t+1)\mathbf{k}.$$
유제 04-4 직선 운동의 위치벡터
한국어

A는 직선 경로를 따라 $(1,2,3)$에서 $(4,1,4)$로 이동한다. A의 가속도는 $(3,-1,1)$로 일정하고 $(1,2,3)$에서 A의 속력은 $2$이다. A의 위치벡터를 시각 $t$에 대해 나타내시오.

풀이. A가 $(1,2,3)$에서 $(4,1,4)$까지 직선 경로로 이동하므로, 이 직선의 방향벡터는

$$\overrightarrow{u}=\frac{(4,1,4)-(1,2,3)}{|(4,1,4)-(1,2,3)|}=\frac{(3,-1,1)}{\sqrt{9+1+1}}=\frac{1}{\sqrt{11}}(3,-1,1)$$

이다. A는 직선 위에서만 움직이므로 속도벡터와 가속도벡터는 모두 $\overrightarrow{u}$ 방향(또는 그 반대 방향)이어야 하며, 실제로 가속도 $(3,-1,1)=\sqrt{11}\,\overrightarrow{u}$는 이 방향과 일치한다. $(1,2,3)$에서 속력이 $2$이고 이동 방향이 $\overrightarrow{u}$ 방향이므로 $\mathbf{v}(0)=2\overrightarrow{u}$이다.

가속도가 일정하므로

$$\mathbf{r}(t)=\mathbf{r}(0)+\mathbf{v}(0)t+\frac12(3,-1,1)t^2=(1,2,3)+2\overrightarrow{u}\,t+\frac12(3,-1,1)t^2$$

이고, $\overrightarrow{u}=\frac{1}{\sqrt{11}}(3,-1,1)$을 대입하면

$$\mathbf{r}(t)=(1,2,3)+\left(\frac{2t}{\sqrt{11}}+\frac{t^2}{2}\right)(3,-1,1)$$

$$\mathbf{r}(t)=\left(1+\frac{6t}{\sqrt{11}}+\frac{3t^2}{2},\ 2-\frac{2t}{\sqrt{11}}-\frac{t^2}{2},\ 3+\frac{2t}{\sqrt{11}}+\frac{t^2}{2}\right)$$

이다.

English

A moves along a straight-line path from $(1,2,3)$ to $(4,1,4)$. The acceleration of A is constantly $(3,-1,1)$, and the speed of A at $(1,2,3)$ is $2$. Express the position vector of A as a function of time $t$.

Solution. Since A moves along the straight-line path from $(1,2,3)$ to $(4,1,4)$, the direction vector of this line is

$$\overrightarrow{u}=\frac{(4,1,4)-(1,2,3)}{|(4,1,4)-(1,2,3)|}=\frac{(3,-1,1)}{\sqrt{9+1+1}}=\frac{1}{\sqrt{11}}(3,-1,1).$$

Since A moves only along the line, both its velocity and acceleration vectors must point along $\overrightarrow{u}$ (or its opposite); indeed the acceleration $(3,-1,1)=\sqrt{11}\,\overrightarrow{u}$ matches this direction. As the speed at $(1,2,3)$ is $2$ and the motion is in the direction of $\overrightarrow{u}$, $\mathbf{v}(0)=2\overrightarrow{u}$.

Since the acceleration is constant,

$$\mathbf{r}(t)=\mathbf{r}(0)+\mathbf{v}(0)t+\frac12(3,-1,1)t^2=(1,2,3)+2\overrightarrow{u}\,t+\frac12(3,-1,1)t^2,$$

and substituting $\overrightarrow{u}=\frac{1}{\sqrt{11}}(3,-1,1)$ gives

$$\mathbf{r}(t)=(1,2,3)+\left(\frac{2t}{\sqrt{11}}+\frac{t^2}{2}\right)(3,-1,1),$$

that is,

$$\mathbf{r}(t)=\left(1+\frac{6t}{\sqrt{11}}+\frac{3t^2}{2},\ 2-\frac{2t}{\sqrt{11}}-\frac{t^2}{2},\ 3+\frac{2t}{\sqrt{11}}+\frac{t^2}{2}\right).$$

문제 · Problems

문제 01 곡선이 원임을 증명
한국어

주어진 곡선이 중심이 $(2,2,1)$이고 평면 $x+y-2z=2$ 위에 있는 원임을 보이시오.

$$\mathbf{r}(t)=(2,2,1)+\cos t\left(\frac{1}{\sqrt{2}},-\frac{1}{\sqrt{2}},0\right)+\sin t\left(\frac{1}{\sqrt{3}},\frac{1}{\sqrt{3}},\frac{1}{\sqrt{3}}\right)$$
English

Show that the given curve is a circle centered at $(2,2,1)$ lying on the plane $x+y-2z=2$.

$$\mathbf{r}(t)=(2,2,1)+\cos t\left(\frac{1}{\sqrt{2}},-\frac{1}{\sqrt{2}},0\right)+\sin t\left(\frac{1}{\sqrt{3}},\frac{1}{\sqrt{3}},\frac{1}{\sqrt{3}}\right)$$
문제 02 곡선이 타원임을 증명
한국어

곡선 $\mathbf{r}(t)=(\cos t)\mathbf{i}+(\sin t)\mathbf{j}+(1-\cos t)\mathbf{k}$가 타원임을 보이시오.

(Hint. 원기둥과 평면의 교선은 타원임을 보이시오.)

English

Show that the curve $\mathbf{r}(t)=(\cos t)\mathbf{i}+(\sin t)\mathbf{j}+(1-\cos t)\mathbf{k}$ is an ellipse.

(Hint. Show that the intersection of a cylinder and a plane is an ellipse.)

문제 03 최고속력 구하기
한국어

물체 A의 위치벡터가 $\mathbf{r}(t)=\dfrac{1}{\sqrt{1+t^2}}\mathbf{i}+\dfrac{t}{\sqrt{1+t^2}}\mathbf{j}$일 때, A의 최고속력을 구하시오.

English

The position vector of object A is $\mathbf{r}(t)=\dfrac{1}{\sqrt{1+t^2}}\mathbf{i}+\dfrac{t}{\sqrt{1+t^2}}\mathbf{j}$. Find the maximum speed of A.

문제 04 위치·가속도의 일정 각
한국어

물체 A의 위치벡터가 $\mathbf{r}(t)=(e^t\cos t)\mathbf{i}+(e^t\sin t)\mathbf{j}$일 때, 위치벡터와 가속도벡터가 항상 일정한 각도를 이룸을 보이시오.

English

The position vector of object A is $\mathbf{r}(t)=(e^t\cos t)\mathbf{i}+(e^t\sin t)\mathbf{j}$. Show that the position vector and the acceleration vector always make a constant angle.

문제 05 미분 항등식 증명
한국어

$\dfrac{d}{dt}\left(\mathbf{r}\cdot\dfrac{d\mathbf{r}}{dt}\times\dfrac{d^2\mathbf{r}}{dt^2}\right)=\mathbf{r}\cdot\dfrac{d\mathbf{r}}{dt}\times\dfrac{d^3\mathbf{r}}{dt^3}$임을 보이시오.

English

Show that $\dfrac{d}{dt}\left(\mathbf{r}\cdot\dfrac{d\mathbf{r}}{dt}\times\dfrac{d^2\mathbf{r}}{dt^2}\right)=\mathbf{r}\cdot\dfrac{d\mathbf{r}}{dt}\times\dfrac{d^3\mathbf{r}}{dt^3}$.

문제 06 각운동량 보존법칙
한국어

물체 A의 위치벡터가 $\mathbf{r}(t)$일 때, 상수 $c$에 대해 A에 힘 $\mathbf{F}(t)=-\dfrac{c}{|\mathbf{r}(t)|^3}\mathbf{r}(t)$이 작용하고 있다. 이때 각운동량(angular momentum) $\mathbf{L}(t)=\mathbf{r}(t)\times m\mathbf{v}(t)$은 일정함을 보이시오. (단, $m$은 A의 질량이고 $\mathbf{v}(t)$는 A의 속도)

English

The position vector of object A is $\mathbf{r}(t)$, and for a constant $c$, a force $\mathbf{F}(t)=-\dfrac{c}{|\mathbf{r}(t)|^3}\mathbf{r}(t)$ acts on A. Show that the angular momentum $\mathbf{L}(t)=\mathbf{r}(t)\times m\mathbf{v}(t)$ is constant. (Here, $m$ is the mass of A and $\mathbf{v}(t)$ is the velocity of A.)