예제·유제 · Examples & Exercises
점 $P(x, y)$가 나타내는 자취의 방정식을 구하고 그 자취를 좌표평면상에 나타내시오. $t$의 값이 커짐에 따라 어떻게 점이 움직이는지 표시하시오.
- $x = \cos t$, $y = \sin t$ $(0 \lt t \lt 2\pi)$
- $x = \cos 2t$, $y = \sin 2t$ $(0 \lt t \lt 2\pi)$
풀이. (1) $x=\cos t$, $y=\sin t$ $(0 \lt t \lt 2\pi)$에서 $x^2+y^2=\cos^2t+\sin^2t=1$이므로 점 $P$의 자취는 단위원 $x^2+y^2=1$이다. $t=0,2\pi$에 대응하는 점 $(1,0)$은 정확히는 제외되지만 $t\to0^+$, $t\to2\pi^-$일 때 모두 점이 $(1,0)$에 한없이 가까워지므로 자취는 사실상 단위원 전체이다. $t$가 커짐에 따라 점은 $(1,0)$ 부근에서 출발하여 반시계 방향으로 원을 한 바퀴 돌아 다시 $(1,0)$ 부근으로 돌아온다.
(2) $x=\cos2t$, $y=\sin2t$ $(0 \lt t \lt 2\pi)$에서도 $x^2+y^2=\cos^22t+\sin^22t=1$이므로 자취는 (1)과 같은 단위원이다. $\varphi=2t$로 놓으면 $t$가 $0$에서 $2\pi$까지 움직일 때 $\varphi$는 $0$에서 $4\pi$까지 움직이므로, 점 $P$는 단위원 위를 반시계 방향으로 두 바퀴 회전한다. 즉 (1)과 자취(점의 집합)는 같지만 회전 각속도가 두 배이다.
Find the equation of the path traced by the point $P(x, y)$ and sketch the path in the coordinate plane. Indicate the direction of motion as $t$ increases.
- $x = \cos t$, $y = \sin t$ $(0 \lt t \lt 2\pi)$
- $x = \cos 2t$, $y = \sin 2t$ $(0 \lt t \lt 2\pi)$
Solution. (1) For $x=\cos t$, $y=\sin t$ $(0 \lt t \lt 2\pi)$, we have $x^2+y^2=\cos^2t+\sin^2t=1$, so the path traced by $P$ lies on the unit circle $x^2+y^2=1$. The point $(1,0)$, corresponding to $t=0,2\pi$, is technically excluded, but as $t\to0^+$ and $t\to2\pi^-$ the point approaches $(1,0)$ arbitrarily closely, so the trace is essentially the entire unit circle. As $t$ increases, $P$ starts near $(1,0)$, goes counterclockwise once around the circle, and returns near $(1,0)$.
(2) For $x=\cos2t$, $y=\sin2t$ $(0 \lt t \lt 2\pi)$, again $x^2+y^2=\cos^22t+\sin^22t=1$, so the trace is the same unit circle as in (1). Setting $\varphi=2t$, as $t$ ranges over $(0,2\pi)$, $\varphi$ ranges over $(0,4\pi)$, so $P$ goes counterclockwise around the unit circle twice. That is, the trace (as a set of points) is the same as in (1), but the angular speed is doubled.
점 $P(x, y)$가 나타내는 자취의 방정식을 구하고 그 자취를 좌표평면상에 나타내시오. $t$의 값이 커짐에 따라 어떻게 점이 움직이는지 표시하시오.
- $\displaystyle x = t + \frac{1}{t}$, $\displaystyle y = t - \frac{1}{t}$ $(t \gt 0)$
- $x = \sqrt{4 + t^2}$, $y = t$ ($t$는 모든 실수)
- $x = 2\sec t$, $y = 2\tan t$ $(-\pi/2 \lt t \lt \pi/2)$
- $x = 2\cosh t$, $y = 2\sinh t$ ($t$는 모든 실수)
풀이. (1) $\displaystyle x=t+\frac1t$, $\displaystyle y=t-\frac1t$ $(t\gt0)$에 대하여 $$x^2-y^2=\left(t+\frac1t\right)^2-\left(t-\frac1t\right)^2=\left(t^2+2+\frac1{t^2}\right)-\left(t^2-2+\frac1{t^2}\right)=4$$ 이므로 점 $P$는 쌍곡선 $x^2-y^2=4$ 위에 있다. 산술-기하평균 부등식에 의해 $t\gt0$이면 $x=t+\dfrac1t\ge2$이고 등호는 $t=1$일 때 성립하므로 자취는 오른쪽 가지($x\ge2$)이다. 또한 $\dfrac{dy}{dt}=1+\dfrac1{t^2}\gt0$이므로 $y=t-\dfrac1t$는 $t$에 대해 증가하고, $t\to0^+$일 때 $y\to-\infty$, $t\to\infty$일 때 $y\to\infty$이다. 따라서 $t$가 증가함에 따라 점은 오른쪽 가지를 아래에서 꼭짓점 $(2,0)$($t=1$)을 지나 위로 이동한다.
(2) $x=\sqrt{4+t^2}$, $y=t$ ($t$는 모든 실수)에서 $x^2=4+t^2=4+y^2$이므로 $x^2-y^2=4$이고 $x=\sqrt{4+t^2}\ge2$(등호는 $t=0$)이므로 자취는 역시 오른쪽 가지이다. $y=t$가 그대로 증가하므로 $t$가 $-\infty$에서 $\infty$로 증가함에 따라 점은 (1)과 같은 오른쪽 가지를 아래에서 꼭짓점 $(2,0)$을 지나 위로 이동한다.
(3) $x=2\sec t$, $y=2\tan t$ $(-\pi/2\lt t\lt\pi/2)$에서 $$\frac{x^2}{4}-\frac{y^2}{4}=\sec^2t-\tan^2t=1$$ 이므로 $x^2-y^2=4$이다. 이 구간에서 $\sec t\ge1$(등호는 $t=0$)이므로 $x\ge2$이고, $\tan t$가 $-\infty$에서 $\infty$까지 증가하므로 $y=2\tan t$도 증가한다. 점은 (1),(2)와 같은 오른쪽 가지를 아래에서 위로 이동한다.
(4) $x=2\cosh t$, $y=2\sinh t$ ($t$는 모든 실수)에서 쌍곡함수 항등식 $\cosh^2t-\sinh^2t=1$에 의해 $$\frac{x^2}{4}-\frac{y^2}{4}=\cosh^2t-\sinh^2t=1$$ 이므로 $x^2-y^2=4$이다. $\cosh t\ge1$이므로 $x\ge2$이고 $\sinh t$가 증가함수이므로 $y=2\sinh t$도 증가한다. 이 경우도 오른쪽 가지를 아래에서 위로 이동한다.
즉 (1)–(4) 모두 같은 곡선, 쌍곡선 $x^2-y^2=4$의 오른쪽 가지($x\ge2$)를 나타내며, 매개변수가 증가함에 따라 항상 아래($y\to-\infty$)에서 위($y\to\infty$)로 이동한다.
Find the equation of the path traced by the point $P(x, y)$ and sketch the path in the coordinate plane. Indicate the direction of motion as $t$ increases.
- $\displaystyle x = t + \frac{1}{t}$, $\displaystyle y = t - \frac{1}{t}$ $(t \gt 0)$
- $x = \sqrt{4 + t^2}$, $y = t$ ($t$ is any real number)
- $x = 2\sec t$, $y = 2\tan t$ $(-\pi/2 \lt t \lt \pi/2)$
- $x = 2\cosh t$, $y = 2\sinh t$ ($t$ is any real number)
Solution. (1) For $\displaystyle x=t+\frac1t$, $\displaystyle y=t-\frac1t$ $(t\gt0)$, $$x^2-y^2=\left(t+\frac1t\right)^2-\left(t-\frac1t\right)^2=\left(t^2+2+\frac1{t^2}\right)-\left(t^2-2+\frac1{t^2}\right)=4,$$ so $P$ lies on the hyperbola $x^2-y^2=4$. By AM–GM, $x=t+\dfrac1t\ge2$ for $t\gt0$, with equality at $t=1$, so the trace is the right branch ($x\ge2$). Also $\dfrac{dy}{dt}=1+\dfrac1{t^2}\gt0$, so $y=t-\dfrac1t$ is increasing in $t$, with $y\to-\infty$ as $t\to0^+$ and $y\to\infty$ as $t\to\infty$. Hence as $t$ increases, $P$ moves up the right branch from below, through the vertex $(2,0)$ (at $t=1$), to above.
(2) For $x=\sqrt{4+t^2}$, $y=t$ ($t$ any real number), $x^2=4+t^2=4+y^2$, so $x^2-y^2=4$, and $x=\sqrt{4+t^2}\ge2$ (equality at $t=0$), so the trace is again the right branch. Since $y=t$ increases outright, as $t$ increases from $-\infty$ to $\infty$, $P$ moves up the same right branch as in (1), from below through the vertex $(2,0)$ to above.
(3) For $x=2\sec t$, $y=2\tan t$ $(-\pi/2\lt t\lt\pi/2)$, $$\frac{x^2}{4}-\frac{y^2}{4}=\sec^2t-\tan^2t=1,$$ so $x^2-y^2=4$. On this interval $\sec t\ge1$ (equality at $t=0$), so $x\ge2$, and $\tan t$ increases from $-\infty$ to $\infty$, so $y=2\tan t$ also increases. As in (1),(2), $P$ moves up the right branch.
(4) For $x=2\cosh t$, $y=2\sinh t$ ($t$ any real number), by the hyperbolic identity $\cosh^2t-\sinh^2t=1$, $$\frac{x^2}{4}-\frac{y^2}{4}=\cosh^2t-\sinh^2t=1,$$ so $x^2-y^2=4$. Since $\cosh t\ge1$, $x\ge2$, and since $\sinh t$ is increasing, $y=2\sinh t$ is also increasing, so again $P$ moves up the right branch.
Thus (1)–(4) all trace the same curve — the right branch ($x\ge2$) of the hyperbola $x^2-y^2=4$ — moving upward (from $y\to-\infty$ to $y\to\infty$) as the parameter increases.
곡선 $x = \sec^2 t - 1$, $y = \tan t$의 자취의 방정식을 구하고 그 자취를 좌표평면상에 나타내시오. (단, $-\pi/2 \lt t \lt \pi/2$)
풀이. $x=\sec^2t-1$, $y=\tan t$ $(-\pi/2\lt t\lt\pi/2)$에서 항등식 $\sec^2t=1+\tan^2t$를 이용하면 $$x=\sec^2t-1=\tan^2t=y^2$$ 이므로 점 $P$의 자취는 포물선 $x=y^2$ 위에 있다. $-\pi/2\lt t\lt\pi/2$에서 $y=\tan t$는 모든 실수값을 취하므로($t\to-\pi/2^+$일 때 $y\to-\infty$, $t\to\pi/2^-$일 때 $y\to\infty$) $x=y^2\ge0$인 포물선 전체가 자취이다. $\tan t$가 증가함수이므로 $t$가 증가함에 따라 $y$도 증가하여, 점은 $y\to-\infty$인 아래쪽에서 시작해 꼭짓점 $(0,0)$($t=0$)을 지나 $y\to\infty$인 위쪽으로 이동한다.
Find the equation of the path traced by the curve $x = \sec^2 t - 1$, $y = \tan t$, and sketch the path in the coordinate plane. (Here, $-\pi/2 \lt t \lt \pi/2$.)
Solution. For $x=\sec^2t-1$, $y=\tan t$ $(-\pi/2\lt t\lt\pi/2)$, using the identity $\sec^2t=1+\tan^2t$, $$x=\sec^2t-1=\tan^2t=y^2,$$ so the trace lies on the parabola $x=y^2$. On $-\pi/2\lt t\lt\pi/2$, $y=\tan t$ takes every real value (as $t\to-\pi/2^+$, $y\to-\infty$; as $t\to\pi/2^-$, $y\to\infty$), so the entire parabola $x=y^2\ge0$ is traced. Since $\tan t$ is increasing, $y$ increases as $t$ increases, so $P$ starts from below ($y\to-\infty$), passes through the vertex $(0,0)$ (at $t=0$), and moves to above ($y\to\infty$).
좌표평면상의 점 $A(4, 0)$, $B(0, 2)$에 대하여 선분 $\overline{AB}$ 위의 점 $P(x, y)$가 $A$에서 $B$로 이동하고 있다. $\angle POA = \theta$를 매개변수로 하여 선분 $\overline{AB}$를 매개화하시오.
풀이. $O$를 원점이라 하자. 선분 $\overline{AB}$는 $A(4,0)$, $B(0,2)$를 지나므로 그 방정식은 $$\frac x4+\frac y2=1$$ 이다. 점 $P(x,y)$가 원점에서 각 $\theta=\angle POA$ 방향, 거리 $r=\overline{OP}$에 있다고 하면 $x=r\cos\theta$, $y=r\sin\theta$이다. 이를 직선의 방정식에 대입하면 $$\frac{r\cos\theta}4+\frac{r\sin\theta}2=1 \iff r\left(\frac{\cos\theta}4+\frac{\sin\theta}2\right)=1 \iff r=\frac{4}{\cos\theta+2\sin\theta}$$ 이다. 따라서 $$x=\frac{4\cos\theta}{\cos\theta+2\sin\theta},\qquad y=\frac{4\sin\theta}{\cos\theta+2\sin\theta}\qquad\left(0\le\theta\le\frac\pi2\right)$$ 이 선분 $\overline{AB}$의 매개화이다. 실제로 $\theta=0$이면 $(x,y)=(4,0)=A$이고 $\theta=\pi/2$이면 $(x,y)=(0,2)=B$이므로, $\theta$가 $0$에서 $\pi/2$까지 증가함에 따라 점 $P$는 $A$에서 $B$로 이동한다.
For the points $A(4, 0)$ and $B(0, 2)$ in the coordinate plane, a point $P(x, y)$ on the segment $\overline{AB}$ moves from $A$ to $B$. Parametrize the segment $\overline{AB}$ using $\angle POA = \theta$ as the parameter.
Solution. Let $O$ be the origin. The segment $\overline{AB}$ passes through $A(4,0)$ and $B(0,2)$, so its equation is $$\frac x4+\frac y2=1.$$ If $P(x,y)$ lies in the direction $\theta=\angle POA$ from the origin at distance $r=\overline{OP}$, then $x=r\cos\theta$, $y=r\sin\theta$. Substituting into the line's equation, $$\frac{r\cos\theta}4+\frac{r\sin\theta}2=1 \iff r\left(\frac{\cos\theta}4+\frac{\sin\theta}2\right)=1 \iff r=\frac{4}{\cos\theta+2\sin\theta}.$$ Hence $$x=\frac{4\cos\theta}{\cos\theta+2\sin\theta},\qquad y=\frac{4\sin\theta}{\cos\theta+2\sin\theta}\qquad\left(0\le\theta\le\frac\pi2\right)$$ is a parametrization of $\overline{AB}$. Indeed, $\theta=0$ gives $(x,y)=(4,0)=A$ and $\theta=\pi/2$ gives $(x,y)=(0,2)=B$, so as $\theta$ increases from $0$ to $\pi/2$, $P$ moves from $A$ to $B$.
좌표평면 위에 원 $C : x^2 + y^2 = 1$과 그 위의 점 $A(1, 0)$을 생각하자.
- 1사분면 상의 원 $C$ 위의 점 $P(x, y)$가 점 $A$에서 출발하여 시계 반대 방향으로 이동하고 있을 때, 점 $B(-2, 0)$에 대하여 $\angle PBA = \theta$를 매개변수로 하여 점 $P$의 자취를 매개화하시오.
- 원 $C$ 위의 점 $P(x, y)$와 점 $A$를 지나는 직선의 기울기를 $m$이라 할 때, $m$을 매개변수로 한 원 $C$의 매개화를 구하시오.
풀이. (1) 점 $B(-2,0)$에서 각 $\theta$ 방향으로 뻗은 반직선 위의 점을 $(x,y)=(-2+s\cos\theta,\ s\sin\theta)$ $(s\ge0)$라 하자. 이 점이 원 $C:x^2+y^2=1$ 위에 있으려면 $$(-2+s\cos\theta)^2+(s\sin\theta)^2=1 \iff 4-4s\cos\theta+s^2=1 \iff s^2-4\cos\theta\,s+3=0$$ 을 만족해야 한다. 이를 $s$에 대해 풀면 $s=2\cos\theta\pm\sqrt{4\cos^2\theta-3}$이다. $\theta=0$일 때 $P=A(1,0)$에 대응해야 하는데, $s=2\cos0+\sqrt{4-3}=3$을 택하면 $(x,y)=(-2+3,0)=(1,0)=A$이므로 $+$ 부호가 옳다. 즉 $$s(\theta)=2\cos\theta+\sqrt{4\cos^2\theta-3}$$ 이다. $P$가 제1사분면에서 $A(1,0)$부터 원과 $y$축의 교점 $(0,1)$까지 움직이므로, $(0,1)$에서의 $\theta$를 구하면 $\overrightarrow{BP}=(2,1)$, $\overrightarrow{BA}=(3,0)$에서 $\tan\theta=\dfrac12$이다. 따라서 매개화는 $$x=-2+s(\theta)\cos\theta,\qquad y=s(\theta)\sin\theta,\qquad s(\theta)=2\cos\theta+\sqrt{4\cos^2\theta-3}$$ 이고 $\theta$의 범위는 $0\le\theta\le\tan^{-1}\dfrac12$이다.
(2) 점 $P(x,y)$와 $A(1,0)$을 지나는 직선은 $y=m(x-1)$이다. 이를 $x^2+y^2=1$에 대입하면 $$x^2+m^2(x-1)^2=1 \iff (1+m^2)x^2-2m^2x+(m^2-1)=0$$ 이다. $x=1$이 이 방정식의 한 근(점 $A$)이므로 두 근의 곱이 $\dfrac{m^2-1}{1+m^2}$임을 이용하면 다른 근은 $$x=\frac{m^2-1}{1+m^2}$$ 이고, $$y=m(x-1)=m\left(\frac{m^2-1}{1+m^2}-1\right)=\frac{-2m}{1+m^2}$$ 이다. 따라서 원 $C$(점 $A$ 제외)의 매개화는 $$x=\frac{m^2-1}{m^2+1},\qquad y=\frac{-2m}{m^2+1}\qquad(m\in\mathbb{R})$$ 이며, 점 $A(1,0)$은 $m\to\pm\infty$인 극한으로 대응된다.
Consider the circle $C : x^2 + y^2 = 1$ in the coordinate plane and the point $A(1, 0)$ on it.
- A point $P(x, y)$ on the circle $C$ in the first quadrant starts at $A$ and moves counterclockwise. For the point $B(-2, 0)$, parametrize the path of $P$ using $\angle PBA = \theta$ as the parameter.
- Let $m$ be the slope of the line through the point $P(x, y)$ on the circle $C$ and the point $A$. Find a parametrization of the circle $C$ using $m$ as the parameter.
Solution. (1) Let $(x,y)=(-2+s\cos\theta,\ s\sin\theta)$ $(s\ge0)$ be a point on the ray from $B(-2,0)$ in direction $\theta$. For this point to lie on $C:x^2+y^2=1$, $$(-2+s\cos\theta)^2+(s\sin\theta)^2=1 \iff 4-4s\cos\theta+s^2=1 \iff s^2-4\cos\theta\,s+3=0.$$ Solving for $s$ gives $s=2\cos\theta\pm\sqrt{4\cos^2\theta-3}$. At $\theta=0$ we must get $P=A(1,0)$; taking $s=2\cos0+\sqrt{4-3}=3$ gives $(x,y)=(-2+3,0)=(1,0)=A$, so the $+$ sign is the correct choice: $$s(\theta)=2\cos\theta+\sqrt{4\cos^2\theta-3}.$$ Since $P$ moves in the first quadrant from $A(1,0)$ to the point $(0,1)$ where the circle meets the $y$-axis, we find $\theta$ at $(0,1)$: from $\overrightarrow{BP}=(2,1)$, $\overrightarrow{BA}=(3,0)$, we get $\tan\theta=\dfrac12$. Hence a parametrization is $$x=-2+s(\theta)\cos\theta,\qquad y=s(\theta)\sin\theta,\qquad s(\theta)=2\cos\theta+\sqrt{4\cos^2\theta-3},$$ with $0\le\theta\le\tan^{-1}\dfrac12$.
(2) The line through $P(x,y)$ and $A(1,0)$ is $y=m(x-1)$. Substituting into $x^2+y^2=1$, $$x^2+m^2(x-1)^2=1 \iff (1+m^2)x^2-2m^2x+(m^2-1)=0.$$ Since $x=1$ is one root (the point $A$), using the product of roots $\dfrac{m^2-1}{1+m^2}$, the other root is $$x=\frac{m^2-1}{1+m^2},$$ and $$y=m(x-1)=m\left(\frac{m^2-1}{1+m^2}-1\right)=\frac{-2m}{1+m^2}.$$ Hence a parametrization of $C$ (excluding the point $A$) is $$x=\frac{m^2-1}{m^2+1},\qquad y=\frac{-2m}{m^2+1}\qquad(m\in\mathbb{R}),$$ with $A(1,0)$ corresponding to the limit $m\to\pm\infty$.
- 곡선 $y^2 = x^3$을 매개화하시오.
- 곡선 $y^2 = x^2 + x^3$을 매개화하시오.
풀이. (1) $x\neq0$일 때 $t=\dfrac yx$로 놓으면 $y=tx$이고, 이를 $y^2=x^3$에 대입하면 $$t^2x^2=x^3 \iff x^2(x-t^2)=0$$ 이므로 $x\neq0$이면 $x=t^2$이고 $y=tx=t^3$이다. $x=0$인 경우($y=0$, 원점)도 $t=0$일 때 $x=t^2=0$, $y=t^3=0$으로 포함되므로, 매개화는 $$x=t^2,\qquad y=t^3\qquad(t\in\mathbb{R})$$ 이다.
(2) $y^2=x^2+x^3=x^2(1+x)$에서 $x\neq0$일 때 양변을 $x^2$으로 나누고 $t=\dfrac yx$로 놓으면 $$t^2=1+x \iff x=t^2-1,\qquad y=tx=t(t^2-1)=t^3-t$$ 이다. 원점 $(0,0)$도 $x=t^2-1=0$, 즉 $t=\pm1$일 때 $y=t^3-t=0$으로 포함되므로, 매개화는 $$x=t^2-1,\qquad y=t^3-t\qquad(t\in\mathbb{R})$$ 이다.
- Parametrize the curve $y^2 = x^3$.
- Parametrize the curve $y^2 = x^2 + x^3$.
Solution. (1) For $x\neq0$, set $t=\dfrac yx$, so $y=tx$; substituting into $y^2=x^3$, $$t^2x^2=x^3 \iff x^2(x-t^2)=0,$$ so for $x\neq0$, $x=t^2$ and $y=tx=t^3$. The case $x=0$ ($y=0$, the origin) is also included at $t=0$, where $x=t^2=0$, $y=t^3=0$. Hence a parametrization is $$x=t^2,\qquad y=t^3\qquad(t\in\mathbb{R}).$$
(2) For $y^2=x^2+x^3=x^2(1+x)$, dividing both sides by $x^2$ (for $x\neq0$) and setting $t=\dfrac yx$, $$t^2=1+x \iff x=t^2-1,\qquad y=tx=t(t^2-1)=t^3-t.$$ The origin $(0,0)$ is also included, at $x=t^2-1=0$, i.e. $t=\pm1$, where $y=t^3-t=0$. Hence a parametrization is $$x=t^2-1,\qquad y=t^3-t\qquad(t\in\mathbb{R}).$$
좌표평면상에 반지름이 $a$이고 중심이 $(0, a)$인 원 위에 점 $P(0, 0)$이 놓여있다. (단, $a \gt 0$)
원이 $x$축의 양의 방향으로 미끄러짐 없이 굴러서 각 $\theta$만큼 회전했을 때 점 $P$의 좌표를 구하시오. 그 자취를 사이클로이드(cycloid)라 한다.
풀이. 원의 중심을 $C(\theta)$라 하자. 원이 미끄러짐 없이 굴러가므로, 각 $\theta$만큼 회전하는 동안 중심이 이동한 거리는 원이 $x$축과 접촉하며 지나간 호의 길이 $a\theta$와 같다. 따라서 $$C(\theta)=(a\theta,\ a)$$ 이다.
처음($\theta=0$) 점 $P$는 원의 맨 아래, 즉 중심에서 $(0,-a)$만큼 떨어진 위치에 있었다. 원이 $x$축의 양의 방향으로 굴러가면 원은 시계 방향으로 회전하므로, 중심에 대한 $P$의 상대 위치 벡터도 각 $\theta$만큼 시계 방향으로 회전한다. 시계 방향으로 각 $\theta$만큼 회전하는 변환은 $$(u,v)\ \longmapsto\ (u\cos\theta+v\sin\theta,\ -u\sin\theta+v\cos\theta)$$ 이므로, 초기 벡터 $(0,-a)$에 이를 적용하면 $$\big(0\cdot\cos\theta+(-a)\sin\theta,\ -0\cdot\sin\theta+(-a)\cos\theta\big)=(-a\sin\theta,\ -a\cos\theta)$$ 이다. 따라서 점 $P$의 위치는 $$P(\theta)=C(\theta)+(-a\sin\theta,-a\cos\theta)=(a\theta-a\sin\theta,\ a-a\cos\theta)$$ 즉 $$x=a\theta-a\sin\theta,\qquad y=a-a\cos\theta$$ 이다. 이 곡선을 사이클로이드라 한다.
In the coordinate plane, a point $P(0, 0)$ lies on a circle of radius $a$ centered at $(0, a)$. (Here, $a \gt 0$.)
Find the coordinates of $P$ after the circle rolls without slipping in the positive $x$-direction through an angle $\theta$. The path traced is called a cycloid.
Solution. Let $C(\theta)$ denote the center of the circle. Since the circle rolls without slipping, while it rotates through angle $\theta$ the center moves the same distance as the arc length $a\theta$ traced along the $x$-axis. Hence $$C(\theta)=(a\theta,\ a).$$
Initially ($\theta=0$), $P$ was at the bottom of the circle, i.e. displaced $(0,-a)$ from the center. As the circle rolls in the positive $x$-direction it rotates clockwise, so the position vector of $P$ relative to the center also rotates clockwise through angle $\theta$. A clockwise rotation by $\theta$ is the map $$(u,v)\ \longmapsto\ (u\cos\theta+v\sin\theta,\ -u\sin\theta+v\cos\theta),$$ so applying it to the initial vector $(0,-a)$ gives $$\big(0\cdot\cos\theta+(-a)\sin\theta,\ -0\cdot\sin\theta+(-a)\cos\theta\big)=(-a\sin\theta,\ -a\cos\theta).$$ Hence the position of $P$ is $$P(\theta)=C(\theta)+(-a\sin\theta,-a\cos\theta)=(a\theta-a\sin\theta,\ a-a\cos\theta),$$ that is, $$x=a\theta-a\sin\theta,\qquad y=a-a\cos\theta.$$ This curve is called a cycloid.
좌표평면상에 반지름이 $a$이고 중심이 $(0, a)$인 원 위에 점 $P(0, a-b)$가 놓여있다. (단, $a \gt b \gt 0$) 원이 $x$축의 양의 방향으로 미끄러짐 없이 굴러가 각 $\theta$만큼 회전했을 때 점 $P$의 좌표를 구하시오. 그 자취를 트로코이드(trochoid)라 한다.
풀이. 예제 03과 같은 방식으로 생각한다. 원의 반지름은 $a$이므로 원이 각 $\theta$만큼 굴러갈 때 중심이 이동한 거리는 $a\theta$이고, 중심은 $$C(\theta)=(a\theta,\ a)$$ 에 위치한다. 처음($\theta=0$) 점 $P$는 중심 $(0,a)$에서 $(0,\,(a-b)-a)=(0,-b)$만큼 떨어진 위치, 즉 중심 바로 아래 거리 $b$인 곳에 있다. 원이 $x$축의 양의 방향으로 굴러가면 시계 방향으로 회전하므로, 중심에 대한 $P$의 상대 위치 벡터도 각 $\theta$만큼 시계 방향으로 회전한다. 예제 03의 회전 변환을 초기 벡터 $(0,-b)$에 적용하면 $$\big(0\cdot\cos\theta+(-b)\sin\theta,\ -0\cdot\sin\theta+(-b)\cos\theta\big)=(-b\sin\theta,\ -b\cos\theta)$$ 이다. 따라서 $$P(\theta)=C(\theta)+(-b\sin\theta,-b\cos\theta)=(a\theta-b\sin\theta,\ a-b\cos\theta)$$ 즉 $$x=a\theta-b\sin\theta,\qquad y=a-b\cos\theta$$ 이다. 이 곡선을 트로코이드라 한다. ($b=a$이면 사이클로이드가 되고, $b\lt a$이면 $P$가 원 내부에 있으므로 자취가 더 완만해진다.)
In the coordinate plane, a point $P(0, a-b)$ lies on a circle of radius $a$ centered at $(0, a)$. (Here, $a \gt b \gt 0$.) Find the coordinates of $P$ after the circle rolls without slipping in the positive $x$-direction through an angle $\theta$. The path traced is called a trochoid.
Solution. We argue as in Example 03. Since the circle has radius $a$, when it rolls through angle $\theta$ the center moves a distance $a\theta$, so $$C(\theta)=(a\theta,\ a).$$ Initially ($\theta=0$), $P$ is displaced $(0,\,(a-b)-a)=(0,-b)$ from the center $(0,a)$, i.e. a distance $b$ directly below the center. As the circle rolls in the positive $x$-direction it rotates clockwise, so the position vector of $P$ relative to the center also rotates clockwise through angle $\theta$. Applying the rotation of Example 03 to the initial vector $(0,-b)$, $$\big(0\cdot\cos\theta+(-b)\sin\theta,\ -0\cdot\sin\theta+(-b)\cos\theta\big)=(-b\sin\theta,\ -b\cos\theta).$$ Hence $$P(\theta)=C(\theta)+(-b\sin\theta,-b\cos\theta)=(a\theta-b\sin\theta,\ a-b\cos\theta),$$ that is, $$x=a\theta-b\sin\theta,\qquad y=a-b\cos\theta.$$ This curve is called a trochoid. (When $b=a$ it becomes a cycloid; when $b\lt a$, $P$ lies inside the circle and the trace is flatter.)
- 좌표평면상에 반지름의 길이가 $R$이고 중심이 원점인 원을 $C_1$이라 하고 반지름의 길이가 $r$이고 중심이 $(0, R-r)$인 원을 $C_2$라 하자. (단, $0 \lt r \lt R$) 이때 원 $C_2$에 점 $P(R, 0)$이 놓여있다. 원 $C_2$가 원 $C_1$을 따라 시계반대방향으로 미끄러짐 없이 굴러가 각 $\theta$만큼 회전했을 때 점 $P$의 좌표를 구하시오. 그 자취를 하이포사이클로이드(hypocycloid)라 한다.
- $r = R/4$일 때 자취의 방정식이 성망형(astroid)임을 보이시오.
역주. 원문의 중심 $(0, R-r)$로는 $P(R,0)$이 $C_2$ 위에 있을 수 없으므로, 중심을 $(R-r, 0)$으로 바로잡아 푼다.
증명. (1) 원 $C_2$의 중심을 $O_2(\theta)$, 원 $C_1$과 $C_2$의 접점을 $T(\theta)$라 하자. $O_2$가 원점을 중심으로 각 $\theta$만큼 반시계 방향으로 공전하므로 $$O_2(\theta)=\big((R-r)\cos\theta,\ (R-r)\sin\theta\big)$$ 이고, 접점 $T(\theta)$는 원점과 $O_2(\theta)$를 잇는 직선 위, 원점에서 거리 $R$인 점이므로 $$T(\theta)=(R\cos\theta,\ R\sin\theta)$$ 이다. ($\theta=0$일 때 $O_2(0)=(R-r,0)$, $T(0)=(R,0)=P$로 초기 조건과 일치한다.)
미끄러짐 없이 굴러가므로, 원 $C_1$ 위에서 초기 접점 $T(0)=P$부터 $T(\theta)$까지의 호의 길이 $R\theta$는 원 $C_2$ 위에서 $P$로부터 현재 접점까지의 호의 길이와 같아야 하고, 이는 원판 $C_2$가 직선 $OO_2$을 기준으로 각 $\dfrac{R\theta}{r}$만큼 회전했음을 뜻한다. 안쪽을 도는 경우 원판의 자전은 공전과 반대 방향(시계 방향)으로 겹쳐지므로, 벡터 $O_2P$의 방향각은 $O_2T(\theta)$의 방향각 $\theta$에서 $\dfrac{R\theta}{r}$만큼 시계 방향으로 더 회전한 $$\theta-\frac{R\theta}{r}=-\frac{(R-r)\theta}{r}$$ 이다. 따라서 $$P(\theta)=O_2(\theta)+r\left(\cos\!\left(-\frac{(R-r)\theta}{r}\right),\ \sin\!\left(-\frac{(R-r)\theta}{r}\right)\right)$$ 이고, 코사인은 우함수, 사인은 기함수이므로 $$x=(R-r)\cos\theta+r\cos\!\left(\frac{(R-r)\theta}{r}\right),\qquad y=(R-r)\sin\theta-r\sin\!\left(\frac{(R-r)\theta}{r}\right)$$ 이다. 이 곡선을 하이포사이클로이드라 한다.
(2) $r=\dfrac R4$이면 $R-r=\dfrac{3R}4$, $\dfrac{R-r}{r}=3$이므로 (1)의 결과에 대입하면 $$x=\frac{3R}4\cos\theta+\frac R4\cos3\theta,\qquad y=\frac{3R}4\sin\theta-\frac R4\sin3\theta$$ 이다. 삼배각 공식 $\cos3\theta=4\cos^3\theta-3\cos\theta$, $\sin3\theta=3\sin\theta-4\sin^3\theta$를 대입하면 $$x=\frac{3R}4\cos\theta+\frac R4(4\cos^3\theta-3\cos\theta)=\frac{3R}4\cos\theta+R\cos^3\theta-\frac{3R}4\cos\theta=R\cos^3\theta$$ $$y=\frac{3R}4\sin\theta-\frac R4(3\sin\theta-4\sin^3\theta)=\frac{3R}4\sin\theta-\frac{3R}4\sin\theta+R\sin^3\theta=R\sin^3\theta$$ 이다. 즉 $x=R\cos^3\theta$, $y=R\sin^3\theta$이므로 $$x^{2/3}+y^{2/3}=R^{2/3}\cos^2\theta+R^{2/3}\sin^2\theta=R^{2/3}$$ 이다. 이는 성망형(astroid)의 방정식이므로, $r=R/4$일 때 자취는 성망형이다.
- In the coordinate plane, let $C_1$ be a circle of radius $R$ centered at the origin, and let $C_2$ be a circle of radius $r$ centered at $(0, R-r)$. (Here, $0 \lt r \lt R$.) A point $P(R, 0)$ lies on the circle $C_2$. Find the coordinates of $P$ after the circle $C_2$ rolls without slipping counterclockwise along the circle $C_1$ through an angle $\theta$. The path traced is called a hypocycloid.
- Show that when $r = R/4$, the equation of the path is an astroid.
Note. With center $(0, R-r)$ the point $P(R,0)$ cannot lie on $C_2$; we correct the center to $(R-r, 0)$.
Proof. (1) Let $O_2(\theta)$ be the center of $C_2$ and $T(\theta)$ the point of tangency between $C_1$ and $C_2$. Since $O_2$ revolves about the origin counterclockwise through angle $\theta$, $$O_2(\theta)=\big((R-r)\cos\theta,\ (R-r)\sin\theta\big),$$ and $T(\theta)$ lies on the line through the origin and $O_2(\theta)$, at distance $R$ from the origin, so $$T(\theta)=(R\cos\theta,\ R\sin\theta).$$ (At $\theta=0$, $O_2(0)=(R-r,0)$ and $T(0)=(R,0)=P$, matching the initial condition.)
Since $C_2$ rolls without slipping, the arc length $R\theta$ traced on $C_1$ from the initial contact $T(0)=P$ to $T(\theta)$ must equal the arc length traced on $C_2$ from $P$ to the current contact point, which means the disk $C_2$ has rotated through angle $\dfrac{R\theta}{r}$ relative to the line $OO_2$. For rolling on the inside, this spin is superposed on the revolution in the opposite (clockwise) sense, so the direction angle of the vector $O_2P$ is that of $O_2T(\theta)$, namely $\theta$, rotated a further $\dfrac{R\theta}{r}$ clockwise: $$\theta-\frac{R\theta}{r}=-\frac{(R-r)\theta}{r}.$$ Hence $$P(\theta)=O_2(\theta)+r\left(\cos\!\left(-\frac{(R-r)\theta}{r}\right),\ \sin\!\left(-\frac{(R-r)\theta}{r}\right)\right),$$ and since cosine is even and sine is odd, $$x=(R-r)\cos\theta+r\cos\!\left(\frac{(R-r)\theta}{r}\right),\qquad y=(R-r)\sin\theta-r\sin\!\left(\frac{(R-r)\theta}{r}\right).$$ This curve is called a hypocycloid.
(2) When $r=\dfrac R4$, $R-r=\dfrac{3R}4$ and $\dfrac{R-r}{r}=3$, so substituting into (1), $$x=\frac{3R}4\cos\theta+\frac R4\cos3\theta,\qquad y=\frac{3R}4\sin\theta-\frac R4\sin3\theta.$$ Using the triple-angle formulas $\cos3\theta=4\cos^3\theta-3\cos\theta$ and $\sin3\theta=3\sin\theta-4\sin^3\theta$, $$x=\frac{3R}4\cos\theta+\frac R4(4\cos^3\theta-3\cos\theta)=\frac{3R}4\cos\theta+R\cos^3\theta-\frac{3R}4\cos\theta=R\cos^3\theta,$$ $$y=\frac{3R}4\sin\theta-\frac R4(3\sin\theta-4\sin^3\theta)=\frac{3R}4\sin\theta-\frac{3R}4\sin\theta+R\sin^3\theta=R\sin^3\theta.$$ That is, $x=R\cos^3\theta$, $y=R\sin^3\theta$, so $$x^{2/3}+y^{2/3}=R^{2/3}\cos^2\theta+R^{2/3}\sin^2\theta=R^{2/3}.$$ This is the equation of an astroid, so when $r=R/4$ the path is an astroid.
좌표평면상에 반지름의 길이가 $R$이고 중심이 원점인 원을 $C_1$이라 하고 반지름의 길이가 $r$이고 중심이 $(0, R+r)$인 원을 $C_2$라 하자. (단, $0 \lt r \lt R$) 이때 원 $C_2$ 위에 점 $P(R, 0)$이 놓여있다. 원 $C_2$가 원 $C_1$을 따라 시계반대방향으로 미끄러짐 없이 굴러가 각 $\theta$만큼 회전했을 때 점 $P$의 좌표를 구하시오. 그 자취를 에피사이클로이드(epicycloid)라 한다.
역주. 원문의 중심 $(0, R+r)$로는 $P(R,0)$이 $C_2$ 위에 있을 수 없으므로, 중심을 $(R+r, 0)$으로 바로잡아 푼다.
풀이. (중심이 $(R+r,0)$인 것으로 바로잡은 뒤, 유제 03-2와 같은 방식으로 생각한다. 다만 이번에는 원 $C_2$가 원 $C_1$의 바깥을 따라 구른다.)
원 $C_2$의 중심을 $O_2(\theta)$, 두 원의 접점을 $T(\theta)$라 하면 $$O_2(\theta)=\big((R+r)\cos\theta,\ (R+r)\sin\theta\big)$$ 이고, $T(\theta)$는 원점과 $O_2(\theta)$를 잇는 선분 위, 원점에서 거리 $R$인 점이므로 $$T(\theta)=(R\cos\theta,\ R\sin\theta)$$ 이다. ($\theta=0$일 때 $O_2(0)=(R+r,0)$, $T(0)=(R,0)=P$로 초기 조건과 일치한다.)
미끄러짐 없이 굴러가므로 원 $C_1$ 위의 호 $R\theta$(초기 접점 $P$부터 $T(\theta)$까지)와 원 $C_2$ 위의 호(초기 접점 $P$로부터 현재 접점까지)의 길이가 같고, 이는 원판 $C_2$가 직선 $OO_2$을 기준으로 각 $\dfrac{R\theta}{r}$만큼 회전했음을 뜻한다. 바깥쪽을 도는 경우 원판의 자전은 공전과 같은 방향(반시계)으로 겹쳐지므로, 벡터 $O_2P$의 방향각은 벡터 $O_2T(\theta)$의 반대 방향, 즉 원점 쪽을 향하는 방향각 $\theta+\pi$에서 $\dfrac{R\theta}{r}$만큼 반시계 방향으로 더 회전한 $$\theta+\pi+\frac{R\theta}{r}=\pi+\frac{(R+r)\theta}{r}$$ 이다. 따라서 $$P(\theta)=O_2(\theta)+r\left(\cos\!\left(\pi+\frac{(R+r)\theta}{r}\right),\ \sin\!\left(\pi+\frac{(R+r)\theta}{r}\right)\right)=O_2(\theta)-r\left(\cos\frac{(R+r)\theta}{r},\ \sin\frac{(R+r)\theta}{r}\right)$$ 이므로 $$x=(R+r)\cos\theta-r\cos\!\left(\frac{(R+r)\theta}{r}\right),\qquad y=(R+r)\sin\theta-r\sin\!\left(\frac{(R+r)\theta}{r}\right)$$ 이다. 이 곡선을 에피사이클로이드라 한다.
In the coordinate plane, let $C_1$ be a circle of radius $R$ centered at the origin, and let $C_2$ be a circle of radius $r$ centered at $(0, R+r)$. (Here, $0 \lt r \lt R$.) A point $P(R, 0)$ lies on the circle $C_2$. Find the coordinates of $P$ after the circle $C_2$ rolls without slipping counterclockwise along the circle $C_1$ through an angle $\theta$. The path traced is called an epicycloid.
Note. With center $(0, R+r)$ the point $P(R,0)$ cannot lie on $C_2$; we correct the center to $(R+r, 0)$.
Solution. (With the corrected center $(R+r,0)$, we argue as in Exercise 03-2, except now $C_2$ rolls along the outside of $C_1$.)
Let $O_2(\theta)$ be the center of $C_2$ and $T(\theta)$ the point of tangency. Then $$O_2(\theta)=\big((R+r)\cos\theta,\ (R+r)\sin\theta\big),$$ and $T(\theta)$ lies on the segment from the origin to $O_2(\theta)$, at distance $R$ from the origin, so $$T(\theta)=(R\cos\theta,\ R\sin\theta).$$ (At $\theta=0$, $O_2(0)=(R+r,0)$ and $T(0)=(R,0)=P$, matching the initial condition.)
Since $C_2$ rolls without slipping, the arc $R\theta$ on $C_1$ (from the initial contact $P$ to $T(\theta)$) equals the arc on $C_2$ (from $P$ to the current contact), which means the disk $C_2$ has rotated through angle $\dfrac{R\theta}{r}$ relative to the line $OO_2$. For rolling on the outside, this spin is superposed on the revolution in the same (counterclockwise) sense, so the direction angle of $O_2P$ is the opposite of $O_2T(\theta)$ — i.e. the direction angle $\theta+\pi$ pointing toward the origin — rotated a further $\dfrac{R\theta}{r}$ counterclockwise: $$\theta+\pi+\frac{R\theta}{r}=\pi+\frac{(R+r)\theta}{r}.$$ Hence $$P(\theta)=O_2(\theta)+r\left(\cos\!\left(\pi+\frac{(R+r)\theta}{r}\right),\ \sin\!\left(\pi+\frac{(R+r)\theta}{r}\right)\right)=O_2(\theta)-r\left(\cos\frac{(R+r)\theta}{r},\ \sin\frac{(R+r)\theta}{r}\right),$$ so $$x=(R+r)\cos\theta-r\cos\!\left(\frac{(R+r)\theta}{r}\right),\qquad y=(R+r)\sin\theta-r\sin\!\left(\frac{(R+r)\theta}{r}\right).$$ This curve is called an epicycloid.
좌표평면 상에 사이클로이드 $x = a\theta - a\sin\theta$, $y = a - a\cos\theta$ $(0 \le \theta \le 2\pi,\ a \gt 0)$가 놓여있다.
- 사이클로이드의 길이와 밑넓이를 구하시오.
- 사이클로이드 아래의 영역을 $x$축을 중심으로 회전했을 때 회전체의 부피를 구하시오.
풀이. $x=a\theta-a\sin\theta$, $y=a-a\cos\theta$ $(0\le\theta\le2\pi)$에서 $$\frac{dx}{d\theta}=a(1-\cos\theta),\qquad \frac{dy}{d\theta}=a\sin\theta$$ 이다.
(1) $$\left(\frac{dx}{d\theta}\right)^2+\left(\frac{dy}{d\theta}\right)^2=a^2(1-\cos\theta)^2+a^2\sin^2\theta=a^2(2-2\cos\theta)=4a^2\sin^2\frac\theta2$$ (반각공식 $1-\cos\theta=2\sin^2(\theta/2)$)이고, $0\le\theta\le2\pi$에서 $\sin(\theta/2)\ge0$이므로 $\dfrac{ds}{d\theta}=2a\sin\dfrac\theta2$이다. 따라서 길이는 $$L=\int_0^{2\pi}2a\sin\frac\theta2\,d\theta=2a\left[-2\cos\frac\theta2\right]_0^{2\pi}=2a\big(-2\cos\pi+2\cos0\big)=2a(2+2)=8a$$ 이다.
밑넓이는 $$A=\int_0^{2\pi a}y\,dx=\int_0^{2\pi}(a-a\cos\theta)\cdot a(1-\cos\theta)\,d\theta=a^2\int_0^{2\pi}(1-\cos\theta)^2\,d\theta$$ 이고 $(1-\cos\theta)^2=1-2\cos\theta+\cos^2\theta$, $\displaystyle\int_0^{2\pi}1\,d\theta=2\pi$, $\displaystyle\int_0^{2\pi}\cos\theta\,d\theta=0$, $\displaystyle\int_0^{2\pi}\cos^2\theta\,d\theta=\pi$이므로 $$A=a^2(2\pi-0+\pi)=3\pi a^2$$ 이다.
(2) 사이클로이드 아래 영역을 $x$축을 중심으로 회전한 부피는 $$V=\int_0^{2\pi a}\pi y^2\,dx=\pi\int_0^{2\pi}a^2(1-\cos\theta)^2\cdot a(1-\cos\theta)\,d\theta=\pi a^3\int_0^{2\pi}(1-\cos\theta)^3\,d\theta$$ 이다. $(1-\cos\theta)^3=1-3\cos\theta+3\cos^2\theta-\cos^3\theta$이고 $\displaystyle\int_0^{2\pi}\cos^3\theta\,d\theta=0$(한 주기 전체에 대한 적분)이므로 $$\int_0^{2\pi}(1-\cos\theta)^3\,d\theta=2\pi-0+3\pi-0=5\pi$$ 이다. 따라서 $$V=\pi a^3\cdot5\pi=5\pi^2a^3$$ 이다.
Consider the cycloid $x = a\theta - a\sin\theta$, $y = a - a\cos\theta$ $(0 \le \theta \le 2\pi,\ a \gt 0)$ in the coordinate plane.
- Find the arc length of the cycloid and the area under it.
- Find the volume of the solid obtained by revolving the region under the cycloid about the $x$-axis.
Solution. For $x=a\theta-a\sin\theta$, $y=a-a\cos\theta$ $(0\le\theta\le2\pi)$, $$\frac{dx}{d\theta}=a(1-\cos\theta),\qquad \frac{dy}{d\theta}=a\sin\theta.$$
(1) $$\left(\frac{dx}{d\theta}\right)^2+\left(\frac{dy}{d\theta}\right)^2=a^2(1-\cos\theta)^2+a^2\sin^2\theta=a^2(2-2\cos\theta)=4a^2\sin^2\frac\theta2$$ (by the half-angle identity $1-\cos\theta=2\sin^2(\theta/2)$), and since $\sin(\theta/2)\ge0$ on $0\le\theta\le2\pi$, $\dfrac{ds}{d\theta}=2a\sin\dfrac\theta2$. Hence the length is $$L=\int_0^{2\pi}2a\sin\frac\theta2\,d\theta=2a\left[-2\cos\frac\theta2\right]_0^{2\pi}=2a\big(-2\cos\pi+2\cos0\big)=2a(2+2)=8a.$$
The area under the curve is $$A=\int_0^{2\pi a}y\,dx=\int_0^{2\pi}(a-a\cos\theta)\cdot a(1-\cos\theta)\,d\theta=a^2\int_0^{2\pi}(1-\cos\theta)^2\,d\theta,$$ and since $(1-\cos\theta)^2=1-2\cos\theta+\cos^2\theta$ with $\displaystyle\int_0^{2\pi}1\,d\theta=2\pi$, $\displaystyle\int_0^{2\pi}\cos\theta\,d\theta=0$, $\displaystyle\int_0^{2\pi}\cos^2\theta\,d\theta=\pi$, $$A=a^2(2\pi-0+\pi)=3\pi a^2.$$
(2) The volume of the solid obtained by revolving the region under the cycloid about the $x$-axis is $$V=\int_0^{2\pi a}\pi y^2\,dx=\pi\int_0^{2\pi}a^2(1-\cos\theta)^2\cdot a(1-\cos\theta)\,d\theta=\pi a^3\int_0^{2\pi}(1-\cos\theta)^3\,d\theta.$$ Since $(1-\cos\theta)^3=1-3\cos\theta+3\cos^2\theta-\cos^3\theta$ and $\displaystyle\int_0^{2\pi}\cos^3\theta\,d\theta=0$ (integral over a full period), $$\int_0^{2\pi}(1-\cos\theta)^3\,d\theta=2\pi-0+3\pi-0=5\pi.$$ Hence $$V=\pi a^3\cdot5\pi=5\pi^2a^3.$$
곡선 $x = \cos\theta$, $y = 1 + \sin\theta$ $(0 \le \theta \le 2\pi)$를 $x$축을 중심으로 회전했을 때 생기는 회전면의 넓이를 구하시오.
풀이. $x=\cos\theta$, $y=1+\sin\theta$ $(0\le\theta\le2\pi)$는 중심이 $(0,1)$이고 반지름이 $1$인 원이며, $y=1+\sin\theta\ge0$이므로 곡선 전체가 $x$축 위쪽에 있다(원점에서만 접한다). 회전면의 넓이 공식은 $$S=\int2\pi y\,ds,\qquad ds=\sqrt{\left(\frac{dx}{d\theta}\right)^2+\left(\frac{dy}{d\theta}\right)^2}\,d\theta$$ 이다. $\dfrac{dx}{d\theta}=-\sin\theta$, $\dfrac{dy}{d\theta}=\cos\theta$이므로 $$\left(\frac{dx}{d\theta}\right)^2+\left(\frac{dy}{d\theta}\right)^2=\sin^2\theta+\cos^2\theta=1,\qquad ds=d\theta$$ 이다. 따라서 $$S=\int_0^{2\pi}2\pi(1+\sin\theta)\,d\theta=2\pi\Big[\theta-\cos\theta\Big]_0^{2\pi}=2\pi\big[(2\pi-1)-(0-1)\big]=2\pi\cdot2\pi=4\pi^2$$ 이다.
Find the area of the surface obtained by revolving the curve $x = \cos\theta$, $y = 1 + \sin\theta$ $(0 \le \theta \le 2\pi)$ about the $x$-axis.
Solution. The curve $x=\cos\theta$, $y=1+\sin\theta$ $(0\le\theta\le2\pi)$ is a circle of radius $1$ centered at $(0,1)$, and since $y=1+\sin\theta\ge0$, the entire curve lies at or above the $x$-axis (tangent to it at one point). The surface-area formula is $$S=\int2\pi y\,ds,\qquad ds=\sqrt{\left(\frac{dx}{d\theta}\right)^2+\left(\frac{dy}{d\theta}\right)^2}\,d\theta.$$ Since $\dfrac{dx}{d\theta}=-\sin\theta$ and $\dfrac{dy}{d\theta}=\cos\theta$, $$\left(\frac{dx}{d\theta}\right)^2+\left(\frac{dy}{d\theta}\right)^2=\sin^2\theta+\cos^2\theta=1,\qquad ds=d\theta.$$ Hence $$S=\int_0^{2\pi}2\pi(1+\sin\theta)\,d\theta=2\pi\Big[\theta-\cos\theta\Big]_0^{2\pi}=2\pi\big[(2\pi-1)-(0-1)\big]=2\pi\cdot2\pi=4\pi^2.$$
곡선 $x = (1 + 2\sin\theta)\cos\theta$, $y = (1 + 2\sin\theta)\sin\theta$ $(0 \le \theta \le 2\pi)$을 좌표평면상에 나타내고 $\theta = \pi/2$에 대응되는 점에서의 접선의 방정식을 구하시오.
풀이. 이 곡선은 극방정식 $r=1+2\sin\theta$로 나타나는 리마송으로, $0\le\theta\le2\pi$에서 원점을 중심으로 큰 바깥 고리와 작은 안쪽 고리를 이룬다. 배각공식을 이용하면 $$x=(1+2\sin\theta)\cos\theta=\cos\theta+\sin2\theta,\qquad y=(1+2\sin\theta)\sin\theta=\sin\theta+1-\cos2\theta$$ 이고, $$\frac{dx}{d\theta}=-\sin\theta+2\cos2\theta,\qquad \frac{dy}{d\theta}=\cos\theta+2\sin2\theta$$ 이다.
$\theta=\pi/2$에 대응하는 점은 $r=1+2\sin(\pi/2)=3$이므로 $(x,y)=\big(3\cos(\pi/2),3\sin(\pi/2)\big)=(0,3)$이다.
$\theta=\pi/2$에서 $$\frac{dx}{d\theta}=-\sin\frac\pi2+2\cos\pi=-1+2(-1)=-3,\qquad \frac{dy}{d\theta}=\cos\frac\pi2+2\sin\pi=0+0=0$$ 이므로 $$\left.\frac{dy}{dx}\right|_{\theta=\pi/2}=\frac{dy/d\theta}{dx/d\theta}=\frac0{-3}=0$$ 이다. 즉 점 $(0,3)$에서 접선의 기울기는 $0$이므로 접선의 방정식은 $$y=3$$ 이다.
Sketch the curve $x = (1 + 2\sin\theta)\cos\theta$, $y = (1 + 2\sin\theta)\sin\theta$ $(0 \le \theta \le 2\pi)$ in the coordinate plane, and find the equation of the tangent line at the point corresponding to $\theta = \pi/2$.
Solution. This curve is the limaçon given in polar form by $r=1+2\sin\theta$, which on $0\le\theta\le2\pi$ forms a large outer loop and a small inner loop about the origin. Using double-angle identities, $$x=(1+2\sin\theta)\cos\theta=\cos\theta+\sin2\theta,\qquad y=(1+2\sin\theta)\sin\theta=\sin\theta+1-\cos2\theta,$$ so $$\frac{dx}{d\theta}=-\sin\theta+2\cos2\theta,\qquad \frac{dy}{d\theta}=\cos\theta+2\sin2\theta.$$
The point corresponding to $\theta=\pi/2$ has $r=1+2\sin(\pi/2)=3$, so $(x,y)=\big(3\cos(\pi/2),3\sin(\pi/2)\big)=(0,3)$.
At $\theta=\pi/2$, $$\frac{dx}{d\theta}=-\sin\frac\pi2+2\cos\pi=-1+2(-1)=-3,\qquad \frac{dy}{d\theta}=\cos\frac\pi2+2\sin\pi=0+0=0,$$ so $$\left.\frac{dy}{dx}\right|_{\theta=\pi/2}=\frac{dy/d\theta}{dx/d\theta}=\frac0{-3}=0.$$ That is, the tangent line at $(0,3)$ has slope $0$, so its equation is $$y=3.$$
문제 · Problems
좌표평면 위에 원 $C : x^2 + (y-a)^2 = a^2$와 그 위의 점 $A(0, 2a)$가 놓여있다. (단, $a \gt 0$) 제1사분면과 직선 $y = 2a$ 위에 있는 점 $N$에 대해 선분 $\overline{ON}$이 원 $C$와 만나는 점을 $M$이라 하자. $\overline{OP} = \overline{MN}$이 되도록 선분 $\overline{ON}$ 위의 점 $P$를 잡을 때 점 $P$의 자취를 $\angle AON = t$를 매개변수로 하여 나타내시오. (단, $O$는 원점)
In the coordinate plane, consider the circle $C : x^2 + (y-a)^2 = a^2$ and the point $A(0, 2a)$ on it. (Here, $a \gt 0$.) For a point $N$ in the first quadrant on the line $y = 2a$, let $M$ be the point where the segment $\overline{ON}$ meets the circle $C$. Choose the point $P$ on the segment $\overline{ON}$ so that $\overline{OP} = \overline{MN}$. Express the path traced by $P$ using $\angle AON = t$ as the parameter. (Here, $O$ is the origin.)
- 좌표평면 위에 사이클로이드 $x = a\theta - a\sin\theta$, $y = a\cos\theta - a$가 놓여있다. (단, $a \gt 0$, $0 \le \theta \le 2\pi$) 사이클로이드 곡선을 따라 원점에 가만히 놓여있는 물체가 점 $B(a\pi, -2a)$까지 아래로 떨어지고 있다고 할 때 걸리는 시간을 구하시오.
(Hint. 질량이 $m$이고 속력이 $v_0$인 물체가 높이 $y$만큼 떨어진 뒤 속력이 $v_1$이 되었을 때 다음의 관계가 성립한다. (단, $g$는 중력가속도)) $$mgy = \frac{1}{2}mv_1^2 - \frac{1}{2}mv_0^2$$
- (1)에서 물체가 사이클로이드 위의 어떤 점에 가만히 놓여져 있더라도 $B$까지 아래로 떨어지는데 걸리는 시간은 일정함을 보이시오.
- Consider the cycloid $x = a\theta - a\sin\theta$, $y = a\cos\theta - a$ in the coordinate plane. (Here, $a \gt 0$, $0 \le \theta \le 2\pi$.) An object starts at rest at the origin and slides down along the cycloid to the point $B(a\pi, -2a)$. Find the time it takes.
(Hint. For an object of mass $m$ and speed $v_0$, after falling a height $y$ its speed becomes $v_1$, and the following relation holds. (Here, $g$ is the acceleration due to gravity.)) $$mgy = \frac{1}{2}mv_1^2 - \frac{1}{2}mv_0^2$$
- Show that, in (1), the time it takes for the object to slide down to $B$ is the same no matter which point on the cycloid it starts at rest from.
연속미분가능한 곡선 $(x(t), y(t))$ $(a \le t \le b)$를 함수 $t = g(s)$를 이용하여 $(x(g(s)), y(g(s)))$ $(c \le s \le d)$로 재매개화(reparametrization)하였다. (단, $g : [c, d] \to [a, b]$는 연속미분가능하고 역함수가 존재하며 그 역함수도 역시 연속미분가능하다.) 재매개화를 하기 전 곡선의 길이와 재매개화를 한 후 곡선의 길이가 일치함을 보이시오.
A continuously differentiable curve $(x(t), y(t))$ $(a \le t \le b)$ is reparametrized as $(x(g(s)), y(g(s)))$ $(c \le s \le d)$ using a function $t = g(s)$. (Here, $g : [c, d] \to [a, b]$ is continuously differentiable, has an inverse, and its inverse is also continuously differentiable.) Show that the arc length of the curve before reparametrization equals the arc length after reparametrization.