예제·유제 · Examples & Exercises

예제 01 매개곡선의 자취와 방향
한국어

점 $P(x, y)$가 나타내는 자취의 방정식을 구하고 그 자취를 좌표평면상에 나타내시오. $t$의 값이 커짐에 따라 어떻게 점이 움직이는지 표시하시오.

  1. $x = \cos t$, $y = \sin t$ $(0 \lt t \lt 2\pi)$
  2. $x = \cos 2t$, $y = \sin 2t$ $(0 \lt t \lt 2\pi)$

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.

English

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.

  1. $x = \cos t$, $y = \sin t$ $(0 \lt t \lt 2\pi)$
  2. $x = \cos 2t$, $y = \sin 2t$ $(0 \lt t \lt 2\pi)$

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.

유제 01-1 여러 매개곡선의 자취
한국어

점 $P(x, y)$가 나타내는 자취의 방정식을 구하고 그 자취를 좌표평면상에 나타내시오. $t$의 값이 커짐에 따라 어떻게 점이 움직이는지 표시하시오.

  1. $\displaystyle x = t + \frac{1}{t}$, $\displaystyle y = t - \frac{1}{t}$ $(t \gt 0)$
  2. $x = \sqrt{4 + t^2}$, $y = t$ ($t$는 모든 실수)
  3. $x = 2\sec t$, $y = 2\tan t$ $(-\pi/2 \lt t \lt \pi/2)$
  4. $x = 2\cosh t$, $y = 2\sinh t$ ($t$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.

English

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.

  1. $\displaystyle x = t + \frac{1}{t}$, $\displaystyle y = t - \frac{1}{t}$ $(t \gt 0)$
  2. $x = \sqrt{4 + t^2}$, $y = t$ ($t$ is any real number)
  3. $x = 2\sec t$, $y = 2\tan t$ $(-\pi/2 \lt t \lt \pi/2)$
  4. $x = 2\cosh t$, $y = 2\sinh t$ ($t$ 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.

유제 01-2 탄젠트 곡선의 자취
한국어

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.

English

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 ($y\to\infty$).

예제 02 각으로 선분 매개화
한국어

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.

English

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 $B$.

유제 02-1 원의 여러 매개화
한국어

좌표평면 위에 원 $C : x^2 + y^2 = 1$과 그 위의 점 $A(1, 0)$을 생각하자.

  1. 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.
  2. 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.

English

Consider the circle $C : x^2 + y^2 = 1$ in the coordinate plane and the point $A(1, 0)$ on it.

  1. 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.
  2. 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 $m\to\pm\infty$.

유제 02-2 음함수 곡선의 매개화
한국어
  1. 곡선 $y^2 = x^3$을 매개화하시오.
  2. 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.

English
  1. Parametrize the curve $y^2 = x^3$.
  2. 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 $$x=t^2-1,\qquad y=t^3-t\qquad(t\in\mathbb{R}).$$

예제 03 사이클로이드
한국어

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.

English

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.

유제 03-1 트로코이드
한국어

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.)

English

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.)

유제 03-2 하이포사이클로이드와 성망형
한국어
  1. 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.
  2. $r = R/4$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.

$\square$
English
  1. 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.
  2. 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.

$\square$
유제 03-3 에피사이클로이드
한국어

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.

English

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.

예제 04 사이클로이드의 길이·넓이·부피
한국어

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.

  1. 사이클로이드의 길이와 밑넓이를 구하시오.
  2. 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.

English

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.

  1. Find the arc length of the cycloid and the area under it.
  2. 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 $$V=\pi a^3\cdot5\pi=5\pi^2a^3.$$

유제 04-1 회전면의 넓이
한국어

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.

English

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 $$S=\int_0^{2\pi}2\pi(1+\sin\theta)\,d\theta=2\pi\Big[\theta-\cos\theta\Big]_0^{2\pi}=2\pi\big[(2\pi-1)-(0-1)\big]=2\pi\cdot2\pi=4\pi^2.$$

유제 04-2 매개곡선의 접선
한국어

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.

English

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

문제 01 각 매개변수로 나타낸 자취
한국어

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)

English

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.)

문제 02 최단강하 곡선
한국어
  1. 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)) $$mgy = \frac{1}{2}mv_1^2 - \frac{1}{2}mv_0^2$$
  2. (1)에서 물체가 사이클로이드 위의 어떤 점에 가만히 놓여져 있더라도 $B$까지 아래로 떨어지는데 걸리는 시간은 일정함을 보이시오.
English
  1. 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.)) $$mgy = \frac{1}{2}mv_1^2 - \frac{1}{2}mv_0^2$$
  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.
문제 03 재매개화와 곡선의 길이
한국어

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.

English

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.