수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 2번

문제

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해설강의 준비중

(1) 먼저 직선 Lϕ(0)\displaystyle L_\phi(0)은 점 a=(1,0,0)\displaystyle \boldsymbol a=(1,0,0)를 지나고 벡터 (0,cos(ϕ),sin(ϕ))\displaystyle (0,\cos(\phi),\sin(\phi))에 평행하므로, Lϕ(0)\displaystyle L_\phi(0)의 벡터방정식을 임의의 실수 t\displaystyle t에 대해 다음과 같이 성분으로 나타낼 수 있다.{x=1,y=tcos(ϕ)z=tsin(ϕ)\displaystyle \begin{cases}x=1,\\y=t\cos(\phi)\\z=t\sin(\phi)\end{cases}xy\displaystyle xy-평면 위의 점 (1,tcos(ϕ))\displaystyle (1,t\cos(\phi))z\displaystyle z-축을 중심으로 θ\displaystyle \theta만큼 회전하여 옮겨진 점은(cos(θ)tsin(θ)cos(ϕ), sin(θ)+tcos(θ)cos(ϕ))\displaystyle (\cos(\theta)-t\sin(\theta)\cos(\phi),\ \sin(\theta)+t\cos(\theta)\cos(\phi))이므로 직선 Lϕ(θ)\displaystyle L_\phi(\theta)의 벡터방정식을 성분으로 나타내면{x=cos(θ)tsin(θ)cos(ϕ)y=sin(θ)+tcos(θ)cos(ϕ)z=tsin(ϕ)\displaystyle \begin{cases}x=\cos(\theta)-t\sin(\theta)\cos(\phi)\\y=\sin(\theta)+t\cos(\theta)\cos(\phi)\\z=t\sin(\phi)\end{cases}가 된다.

(2) 직선 Lϕ(θ)\displaystyle L_\phi(\theta)에 대한 위 방정식으로부터 θ\displaystyle \thetat\displaystyle t를 소거하면x2+y2=1+z2cot2(ϕ)\displaystyle x^2+y^2=1+z^2\cot^2(\phi)이고, 곡면 Sϕ\displaystyle S_\phi 상의 임의의 점 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)는 위의 방정식을 만족한다. 이 곡면을 z\displaystyle z-축을 포함하는 임의의 평면으로 잘라서 생긴 곡선의 모양은 일정하므로, 특히 xz\displaystyle xz-평면으로 자르면, 곡선의 임의의 점 (x,0,z)\displaystyle (x,0,z)x2z2cot2(ϕ)=1\displaystyle x^2-z^2\cot^2(\phi)=1를 만족하고 이는 cot2(ϕ)0\displaystyle \cot^2(\phi)\ne0이면 xz\displaystyle xz-평면 위의 쌍곡선의 방정식이다. 따라서 구하는 곡선은 0<ϕ<π\displaystyle 0<\phi<\piϕ\displaystyle \phi에 대해, ϕπ2\displaystyle \phi\ne\frac\pi2이면 쌍곡선이고, ϕ=π2\displaystyle \phi=\frac\pi2이면 원기둥 안의 마주보는 두 직선이다.

(3) 곡면 Sϕ1\displaystyle S_{\phi_1}Sϕ2\displaystyle S_{\phi_2}가 동일하다면 ϕ1\displaystyle \phi_1ϕ2\displaystyle \phi_2는 위에서 구한 쌍곡선의 방정식으로부터cot2(ϕ1)=cot2(ϕ2)\displaystyle \cot^2(\phi_1)=\cot^2(\phi_2)를 만족해야 한다. 따라서 두 곡면이 동일할 조건은 ϕ1+ϕ2=π\displaystyle \phi_1+\phi_2=\pi이다.

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