개념 해석 · Concepts

NOTE 다변수함수를 보는 네 관점 Four Points of View절 도입 · p.972
한국어

둘 이상의 양에 의존하는 하나의 양을 제대로 파악하려면 한 가지 방식만으로는 부족하다. 이 절에서는 다변수함수를 언어적(말로 된 서술), 수치적(값을 나열한 표), 대수적(명시적인 공식), 시각적(그래프나 등위선의 모음)이라는 네 관점에서 번갈아 살펴보며, 이 네 가지 관점은 절 전체에 걸쳐 계속 되풀이해서 등장한다.

대표적인 동기 예로 다음 두 가지를 든다. 지구 표면의 한 점에서 잰 기온 $T$는 그 점의 경도 $x$와 위도 $y$에 따라 정해지므로 $T=f(x,y)$로 쓰고, 원기둥의 부피 $V$는 밑면 반지름 $r$과 높이 $h$에 따라 $V(r,h)=\pi r^2h$로 정해진다.

English

A quantity that depends on two or more quantities is studied here from four points of view: verbally (a description in words), numerically (a table of values), algebraically (an explicit formula), and visually (a graph or a set of level curves). Each of the four recurs throughout the section.

Two standard motivating quantities: the temperature $T$ at a point of the earth's surface depends on the longitude $x$ and the latitude $y$ of that point, so one writes $T=f(x,y)$; and the volume $V$ of a circular cylinder is fixed once two dimensions are known, its base radius $r$ and its height $h$, through $V(r,h)=\pi r^2h$.

DEF 2 이변수함수 Function of Two VariablesDefinition · p.972
한국어

이변수함수 $f$란 집합 $D\subset\mathbb R^2$에 속하는 실수의 순서쌍 $(x,y)$마다 실수 하나를 정확히 대응시키는 규칙으로, 그 값을 $f(x,y)$로 쓴다. 이때 $D$를 $f$의 정의역이라 하고, $f$가 실제로 취할 수 있는 값 전체의 집합을 치역이라 한다.

$$\operatorname{range}(f)=\{\,f(x,y)\mid (x,y)\in D\,\}\subset\mathbb R.$$
English

A function $f$ of two variables is a rule that assigns to every ordered pair $(x,y)$ of real numbers belonging to a set $D\subset\mathbb R^2$ exactly one real number, written $f(x,y)$. The set $D$ is the domain of $f$, and the range of $f$ is the set of values it attains:

$$\operatorname{range}(f)=\{\,f(x,y)\mid (x,y)\in D\,\}\subset\mathbb R.$$
NOTE 표기·화살표 그림·정의역 관례 Notation, Arrow Diagram, Domain ConventionFigure 1 · p.972
한국어

$z=f(x,y)$로 쓰면 일반적인 점 $(x,y)$에서의 함숫값이 무엇인지 명시적으로 드러난다. 이때 $x,y$를 독립변수, $z$를 종속변수라 부르며, 이는 일변수함수에서 쓰던 표기 $y=f(x)$와 나란한 표기이다.

이런 $f$를 그림으로 나타내는 한 가지 방법은 화살표 그림이다(그림 1). 정의역 $D$를 $xy$-평면의 한 영역으로, 치역을 $z$-축 위에 표시된 수의 집합으로 그린 뒤, $D$의 점 $(a,b)$에서 그 함숫값 $f(a,b)$로 화살표를 긋는다. 만약 $f(x,y)$가 $D$ 모양의 평평한 판 위의 점 $(x,y)$에서 잰 온도라면, 이 $z$-축은 온도계 역할을 하는 셈이다.

정의역 관례. $f$가 공식으로 주어지고 정의역이 따로 언급되지 않으면, 정의역은 그 공식이 실수를 정의하는 모든 순서쌍 $(x,y)$의 집합으로 이해한다.

English

Writing $z=f(x,y)$ makes the value taken at a general point $(x,y)$ explicit: $x$ and $y$ are the independent variables and $z$ is the dependent variable. This parallels the notation $y=f(x)$ used for a function of one variable.

One way to picture such an $f$ is an arrow diagram (Figure 1): the domain $D$ is drawn as a region of the $xy$-plane and the range as a set of numbers marked on a $z$-axis, an arrow carrying $(a,b)\in D$ to $f(a,b)$. If $f(x,y)$ were the temperature at the point $(x,y)$ of a flat plate shaped like $D$, the $z$-axis would act as a thermometer.

Domain convention. When $f$ arrives as a formula with no domain attached, $D$ is taken to consist of exactly those pairs $(x,y)$ at which the formula returns a real number.

NOTE 콥-더글러스 생산함수 The Cobb-Douglas Production FunctionEq. (1)–(2) · Table 2 · p.974–975
한국어

1928년 찰스 콥과 폴 더글러스는 1899년부터 1922년까지 미국 경제의 성장을 노동 $L$(한 해 동안 투입된 총 노동시간)과 자본 $K$(기계·설비·건물의 화폐가치), 이 두 가지 투입 요소만으로 결정되는 것으로 놓고 모형화했다. 한 해 동안 생산된 모든 재화의 화폐가치인 생산량 $P$는 다음 식으로 모형화되었다.

$$P(L,K)=bL^{\alpha}K^{1-\alpha}.\tag{1}$$

정부 통계 자료(표 2, $P$, $L$, $K$는 모두 1899년의 값을 100으로 놓은 백분율)를 최소제곱법으로 적합시켜 다음 모형을 얻었다.

$$P(L,K)=1.01L^{0.75}K^{0.25}.\tag{2}$$

노동과 자본은 결코 음수일 수 없으므로 이 생산함수의 정의역은 $\{(L,K)\mid L\ge 0,\ K\ge 0\}$이다. 식 (1)은 이후 개별 기업에서부터 국가 경제 전체에 이르기까지 널리 적용되어 왔으며, 이를 콥-더글러스 생산함수라 부른다.

표 2(발췌) · 1899년을 기준값 100으로 놓은 미국 경제 지표
연도$P$$L$$K$
1899100100100
1910159147208
1920231194407
1922240161431
English

In 1928 Charles Cobb and Paul Douglas modeled the growth of the American economy over 1899–1922 by treating production output as determined by two inputs only: the labor $L$ (total person-hours worked in a year) and the capital $K$ (monetary worth of machinery, equipment and buildings). The production $P$ (monetary value of all goods produced in a year) was modeled by

$$P(L,K)=bL^{\alpha}K^{1-\alpha}.\tag{1}$$

Using government data (Table 2, in which $P$, $L$, $K$ are expressed as percentages of their 1899 values) and the method of least squares, they obtained the fitted model

$$P(L,K)=1.01L^{0.75}K^{0.25}.\tag{2}$$

Since labor and capital are never negative, the domain of the production function is $\{(L,K)\mid L\ge 0,\ K\ge 0\}$. Equation (1) has since been applied from single firms to whole economies and is known as the Cobb-Douglas production function.

Table 2 (excerpt) · US economic data, with 1899 taken as the baseline value 100
Year$P$$L$$K$
1899100100100
1910159147208
1920231194407
1922240161431
DEF 5 이변수함수의 그래프 Graph of a Function of Two VariablesDefinition · Figure 5 · p.975
한국어

정의역이 $D$인 이변수함수 $f$가 있다고 하자. $D$의 각 점 위(또는 아래)에 그 점에서의 함숫값을 얹어 얻는 $\mathbb R^3$의 점들의 집합을 $f$의 그래프라 한다.

$$\operatorname{graph}(f)=\{\,(x,y,z)\in\mathbb R^3\mid z=f(x,y),\ (x,y)\in D\,\}.$$

따라서 그래프는 방정식 $z=f(x,y)$를 만족하는 곡면 $S$이며, $S$는 $xy$-평면 위의 정의역 $D$ 바로 위 또는 아래에 놓인다(그림 5).

English

Let $f$ be a function of two variables with domain $D$. The graph of $f$ is the set of all points of $\mathbb R^3$ obtained by placing the value of $f$ above (or below) each point of $D$:

$$\operatorname{graph}(f)=\{\,(x,y,z)\in\mathbb R^3\mid z=f(x,y),\ (x,y)\in D\,\}.$$

Thus the graph is a surface $S$ with equation $z=f(x,y)$, and $S$ lies directly above or below its domain $D$ in the $xy$-plane (Figure 5).

NOTE 일차함수와 평면 Linear Functions and PlanesExample 5 뒤 단락 · p.975
한국어

다음과 같은 꼴의 함수를

$$f(x,y)=ax+by+c$$

일차함수라 한다. 그 그래프는 방정식 $z=ax+by+c$, 즉 $ax+by-z+c=0$을 만족하므로 하나의 평면이다(§12.5). 이변수 일차함수는 다변수 미적분학에서, 일변수 일차함수가 일변수 미적분학에서 차지하는 것과 같은 중심적인 자리를 차지한다.

English

A function of the form

$$f(x,y)=ax+by+c$$

is called a linear function. Its graph has equation $z=ax+by+c$, that is, $ax+by-z+c=0$, which is a plane (§12.5). Linear functions of two variables occupy the same central place in multivariable calculus that linear functions of one variable occupy in single-variable calculus.

REM 7 구면 전체는 한 함수의 그래프가 아니다 A Whole Sphere Is Not a GraphNOTE · p.976
한국어

구면 $x^2+y^2+z^2=9$는 하나가 아니라 두 개의 그래프로 나뉜다. 위 반구는 $g(x,y)=\sqrt{9-x^2-y^2}$의 그래프이고, 아래 반구는 $h(x,y)=-\sqrt{9-x^2-y^2}$의 그래프이다. 구면 전체를 그래프로 갖는 $x,y$의 함수는 존재하지 않는데, 그런 함수가 있다면 원판 $x^2+y^2\le 9$ 내부의 점 $(x,y)$ 하나에 서로 다른 두 값 $z$를 동시에 대응시켜야 하기 때문이다.

English

The sphere $x^2+y^2+z^2=9$ splits into two graphs rather than one. Its upper half is the graph of

$$g(x,y)=\sqrt{9-x^2-y^2},$$

and its lower half is the graph of $h(x,y)=-\sqrt{9-x^2-y^2}$. No single function of $x$ and $y$ has the entire sphere as its graph, since a point $(x,y)$ interior to the disk $x^2+y^2\le 9$ would then have to be assigned two different values of $z$.

REM 8 컴퓨터로 그린 그래프 Computer-Generated GraphsFigure 10 · p.977
한국어

그래프 소프트웨어 가운데는 등간격으로 잡은 값 $k$마다 수직평면 $x=k$와 $y=k$에서의 자취를 그려 곡면을 나타내는 것이 많다. 그림을 회전시켜 여러 시점에서 살펴보면 대개 한 시점만 보는 것보다 곡면의 모양을 훨씬 잘 파악할 수 있다.

세 함수가 이를 잘 보여 준다. $f(x,y)=(x^2+3y^2)e^{-x^2-y^2}$의 그래프는 원점 근처를 제외하면 $xy$-평면에 매우 가까운 평평한 모양인데, $|x|$나 $|y|$가 커질수록 인자 $e^{-x^2-y^2}$가 급격히 작아지기 때문이다. 나머지 두 함수는 $f(x,y)=\sin x+\sin y$와 $f(x,y)=\dfrac{\sin x\,\sin y}{xy}$이다.

English

Some graphing programs render a surface by drawing its traces in the vertical planes $x=k$ and $y=k$ for equally spaced values of $k$. Rotating the picture to view the surface from several vantage points usually reveals its shape far better than a single view.

Three functions illustrate this. The graph of $f(x,y)=(x^2+3y^2)e^{-x^2-y^2}$ is very flat and close to the $xy$-plane except near the origin, because the factor $e^{-x^2-y^2}$ is tiny once $|x|$ or $|y|$ is large. The other two are $f(x,y)=\sin x+\sin y$ and $f(x,y)=\dfrac{\sin x\,\sin y}{xy}$.

DEF 9 등위선과 등고선 지도 Level Curves and Contour MapsDefinition · p.977
한국어

이변수함수 $f$의 등위선이란 다음 방정식을 만족하는 곡선을 말한다.

$$f(x,y)=k,$$

여기서 $k$는 $f$의 치역에 속하는 상수이다. 달리 말하면 등위선은 정의역의 점들 가운데 $f$가 지정된 값 $k$를 취하는 점 전체의 집합으로, $f$의 그래프가 $xy$-평면 위 또는 아래로 높이 $k$만큼 떨어진 곳을 그 평면 위에 나타낸 곡선이다.

등위선들의 모음을 등고선 지도라 한다. 등고선 지도는 $k$의 값을 등간격으로 잡을 때 가장 많은 정보를 전달하며, 달리 언급이 없으면 항상 그렇게 잡은 것으로 본다.

English

The level curves of a function $f$ of two variables are the curves with equations

$$f(x,y)=k,$$

where $k$ is a constant belonging to the range of $f$. Equivalently, a level curve is the set of all points of the domain at which $f$ takes the prescribed value $k$ — a curve in the $xy$-plane showing where the graph of $f$ has height $k$ above or below that plane.

A collection of level curves is called a contour map. Such a map is most informative when the values of $k$ are equally spaced, and that is assumed unless something else is stated.

NOTE 등위선과 수평 자취 Level Curves versus Horizontal TracesFigure 11 · p.978
한국어

등위선 $f(x,y)=k$는 $f$의 그래프를 수평평면 $z=k$로 자른 자취를 그대로 $xy$-평면에 수직으로 내려 사영한 것과 정확히 같다. 거꾸로 읽으면, 등고선 지도의 각 등위선을 그것이 나타내는 높이만큼 들어 올린다고 상상함으로써 머릿속에서 곡면을 짜 맞출 수 있다.

등위선의 간격에는 기울기 정보가 담겨 있다. 등위선이 촘촘하게 모인 곳에서는 곡면이 가파르고, 등위선 사이가 넓게 벌어진 곳에서는 곡면이 상대적으로 완만하다.

익숙한 등고선 지도의 예로는 다음이 있다. 지형도의 등고선(따라 걸어도 오르내리지 않는, 높이가 일정한 곡선), 기온이 같은 지점을 잇는 등온선, 기압이 같은 지점을 잇는 등압선(등압선이 촘촘한 곳일수록 지표의 바람이 강하다, 연습문제 34), 그리고 전 세계 강수량을 나타낸 등고선 지도.

z x y S z = k f(x, y) = k
English

The level curve $f(x,y)=k$ is exactly the trace of the graph of $f$ in the horizontal plane $z=k$, projected straight down onto the $xy$-plane. Reading this backwards, if the level curves of a contour map are visualized as being lifted to their indicated heights, the surface can be pieced together mentally from them.

The spacing of the curves carries the slope information: where the level curves crowd together the surface is steep, and where they are far apart it is comparatively flat.

Familiar contour maps: the curves of constant elevation on a topographic map (walking along one, you neither ascend nor descend); isothermals, joining locations of equal temperature; isobars, joining locations of equal atmospheric pressure, with surface winds strongest where the isobars are tightly packed (Exercise 34); and contour maps of worldwide precipitation.

z x y S z = k f(x, y) = k
NOTE 삼변수 이상의 함수와 등위면 Functions of Three or More VariablesEq. (3) · p.982–984
한국어

삼변수함수 $f$는 정의역 $D\subset\mathbb R^3$에 속하는 각 순서삼중쌍 $(x,y,z)$에 유일한 실수 $f(x,y,z)$를 대응시킨다. 예를 들어 지구 표면의 한 점에서 잰 기온 $T$는 경도·위도·시각에 따라 정해지므로 $T=f(x,y,t)$로 쓸 수 있다.

이런 $f$의 그래프는 4차원 공간에 놓이므로 그릴 수 없다. 그래서 그래프 대신 등위면 $f(x,y,z)=k$를 살펴보는데, $(x,y,z)$가 한 등위면 위를 움직이는 동안 $f$의 값은 고정되어 있다.

더 일반적으로 $n$변수함수는 실수의 $n$-순서쌍 각각에 값 $z=f(x_1,x_2,\dots,x_n)$을 대응시킨다. 어떤 제품이 $n$가지 재료를 쓰고 $i$번째 재료의 단가가 $c_i$이며 그 재료를 $x_i$단위만큼 사용한다면, 총비용은 다음과 같다.

$$C=f(x_1,x_2,\dots,x_n)=c_1x_1+c_2x_2+\cdots+c_nx_n.\tag{3}$$

벡터 표기를 쓰면 이를 더 간단히 나타낼 수 있다. $\mathbf x=\langle x_1,x_2,\dots,x_n\rangle$, $\mathbf c=\langle c_1,c_2,\dots,c_n\rangle$으로 두면 식 (3)은 $V_n$에서의 내적 $f(\mathbf x)=\mathbf c\cdot\mathbf x$가 된다.

$\mathbb R^n$의 점은 $V_n$의 위치벡터와 일대일로 대응하므로, $\mathbb R^n$의 부분집합 위에서 정의된 함수는 세 가지로 똑같이 유용하게 읽을 수 있다. $n$개의 실변수 $x_1,\dots,x_n$의 함수로, 하나의 점 변수 $(x_1,\dots,x_n)$의 함수로, 또는 하나의 벡터 변수 $\mathbf x$의 함수로.

English

A function of three variables $f$ assigns to each ordered triple $(x,y,z)$ in a domain $D\subset\mathbb R^3$ a unique real number $f(x,y,z)$. For example, the temperature $T$ at a point of the earth's surface depends on longitude, latitude and time: $T=f(x,y,t)$.

The graph of such an $f$ would lie in four-dimensional space and cannot be drawn, so one studies instead its level surfaces $f(x,y,z)=k$; as $(x,y,z)$ moves along a level surface the value of $f$ stays fixed.

More generally, a function of $n$ variables assigns a number $z=f(x_1,x_2,\dots,x_n)$ to each $n$-tuple of real numbers. If a product uses $n$ ingredients, $c_i$ is the unit cost of the $i$th ingredient and $x_i$ units of it are used, the total cost is

$$C=f(x_1,x_2,\dots,x_n)=c_1x_1+c_2x_2+\cdots+c_nx_n.\tag{3}$$

Vector notation compresses this: writing $\mathbf x=\langle x_1,x_2,\dots,x_n\rangle$ and $\mathbf c=\langle c_1,c_2,\dots,c_n\rangle$, Equation (3) becomes $f(\mathbf x)=\mathbf c\cdot\mathbf x$, a dot product in $V_n$.

Because points of $\mathbb R^n$ correspond one-to-one with their position vectors in $V_n$, a function defined on a subset of $\mathbb R^n$ admits three equally useful readings: as a function of $n$ real variables $x_1,\dots,x_n$; as a function of a single point variable $(x_1,\dots,x_n)$; and as a function of a single vector variable $\mathbf x$.

예제 답안 · Worked Examples

EXAM 1 함숫값과 정의역 스케치 Evaluating and Sketching DomainsExample 1 · p.972–973
한국어

다음 두 함수 각각에 대하여 $f(3,2)$의 값을 구하고, 정의역을 부등식으로 나타낸 뒤 $xy$-평면에 그려라.

(a) $f(x,y)=\dfrac{\sqrt{x+y+1}}{x-1}$

(b) $f(x,y)=x\ln(y^2-x)$

x y 0 −1 −1 x + y + 1 = 0 x = 1 D
x y 0 1 −1 1 x = y² D

풀이. (a) 분자의 제곱근이 실수가 되려면 $x+y+1\ge0$이어야 하고, 분모가 사라지지 않으려면 $x\ne1$이어야 한다.

$$D=\{(x,y)\mid x+y+1\ge0,\ x\ne1\}.$$

이는 직선 $x+y+1=0$, 즉 $y=-x-1$의 위쪽(포함)에 놓인 영역에서 수직선 $x=1$만 제거한 것으로, 위 첫 그림의 초록 영역과 점선이 이를 보여 준다. $(3,2)$는 $3+2+1=6\ge0$이고 $3\ne1$이므로 정의역에 속하고,

$$f(3,2)=\frac{\sqrt{3+2+1}}{3-1}=\frac{\sqrt6}{2}.$$

(b) 로그의 진수가 양수여야 하므로 $y^2-x\gt0$, 즉 $x\lt y^2$이다.

$$D=\{(x,y)\mid x\lt y^2\}.$$

이는 위 두 번째 그림처럼 포물선 $x=y^2$의 왼쪽에 놓인, 포물선 자체는 제외한 영역이다. $(3,2)$에서는 $y^2-x=4-3=1\gt0$이므로 정의역에 속하고,

$$f(3,2)=3\ln(2^2-3)=3\ln1=0.$$

따라서 (a)에서 $f(3,2)=\dfrac{\sqrt6}{2}$이고, (b)에서 $f(3,2)=0$이다.

English

For each of the following functions, evaluate $f(3,2)$, describe the natural domain by inequalities, and sketch that domain in the $xy$-plane.

(a) $f(x,y)=\dfrac{\sqrt{x+y+1}}{x-1}$

(b) $f(x,y)=x\ln(y^2-x)$

x y 0 −1 −1 x + y + 1 = 0 x = 1 D
x y 0 1 −1 1 x = y² D

Solution. (a) The quantity under the square root must be nonnegative, so $x+y+1\ge0$, and the denominator must not vanish, so $x\ne1$.

$$D=\{(x,y)\mid x+y+1\ge0,\ x\ne1\}.$$

Thus $D$ consists of every point on or above the line $x+y+1=0$ (equivalently $y=-x-1$) with the vertical line $x=1$ deleted, exactly the shaded region and dashed line in the first figure above. Since $3+2+1=6\ge0$ and $3\ne1$, the point $(3,2)$ lies in $D$, and

$$f(3,2)=\frac{\sqrt{3+2+1}}{3-1}=\frac{\sqrt6}{2}.$$

(b) The argument of the logarithm must be positive, so $y^2-x\gt0$, i.e. $x\lt y^2$.

$$D=\{(x,y)\mid x\lt y^2\}.$$

This is the open region lying to the left of the parabola $x=y^2$, with the parabola itself excluded, as the second figure above shows. At $(3,2)$ we have $y^2-x=4-3=1\gt0$, so the point lies in $D$, and

$$f(3,2)=3\ln(2^2-3)=3\ln1=0.$$

Hence $f(3,2)=\dfrac{\sqrt6}{2}$ in (a) and $f(3,2)=0$ in (b).

EXAM 2 근호 함수의 정의역과 치역 Domain and Range of a Radical FunctionExample 2 · p.973
한국어

$g(x,y)=\sqrt{9-x^2-y^2}$의 정의역을 구해 $xy$-평면에 그리고, 치역을 구간으로 나타내라.

x y 0 3 −3 D x² + y² = 9

풀이. 근호 안이 음수가 아니어야 하므로 $9-x^2-y^2\ge0$, 즉 $x^2+y^2\le9$이다.

$$D=\{(x,y)\mid x^2+y^2\le9\},$$

즉 원점을 중심으로 하고 반지름이 $3$인 닫힌 원판이며, 위 그림의 초록 영역이 이를 나타낸다. $D$ 위에서 $x^2+y^2$은 $0$부터 $9$까지 값을 가지므로 $9-x^2-y^2$도 $0$부터 $9$까지 값을 갖고, 그 제곱근은 $0$부터 $3$까지의 값을 갖는다(원점에서 최댓값 $3$, 경계원 $x^2+y^2=9$ 위에서 최솟값 $0$).

따라서 치역은 $[0,3]$이다.

English

Find the domain of $g(x,y)=\sqrt{9-x^2-y^2}$, sketch it in the $xy$-plane, and determine the range of $g$ as an interval.

x y 0 3 −3 D x² + y² = 9

Solution. The expression under the radical must be nonnegative, so $9-x^2-y^2\ge0$, that is, $x^2+y^2\le9$.

$$D=\{(x,y)\mid x^2+y^2\le9\},$$

the closed disk of radius $3$ centered at the origin, shown as the shaded region above. On $D$ the quantity $x^2+y^2$ runs over $[0,9]$, so $9-x^2-y^2$ also runs over $[0,9]$ and its square root runs over $[0,3]$, attaining $3$ at the origin and $0$ on the boundary circle $x^2+y^2=9$.

Hence the range is $[0,3]$.

EXAM 3 체감온도 표 읽기 Reading the Wind-Chill Index from a TableExample 3 · Table 1 · p.973–974
한국어

겨울 날씨가 혹독한 지역에서는 추위의 체감 정도를 나타내기 위해 체감온도 지수 $W$를 쓴다. $W$는 실제 기온 $T$와 풍속 $v$에 따라 정해지므로 $W=f(T,v)$로 쓸 수 있고, 그 측정값은 아래 표 1에 정리되어 있다. 기온이 $-5\,^\circ\mathrm{C}$이고 풍속이 $50\ \mathrm{km/h}$일 때의 함숫값을 표에서 읽고, 그 값이 뜻하는 바를 설명하라.

표 1 · 체감온도 지수 $W$ (°C) — 실제 기온 $T$ (°C)와 풍속 $v$ (km/h)의 함수
$T\ \backslash\ v$510152025304050607080
5432110−1−1−2−2−3
0−2−3−4−5−6−6−7−8−9−9−10
−5−7−9−11−12−12−13−14−15−16−16−17
−10−13−15−17−18−19−20−21−22−23−23−24
−15−19−21−23−24−25−26−27−29−30−30−31
−20−24−27−29−30−32−33−34−35−36−37−38
−25−30−33−35−37−38−39−41−42−43−44−45
−30−36−39−41−43−44−46−48−49−50−51−52
−35−41−45−48−49−51−52−54−56−57−58−60
−40−47−51−54−56−57−59−61−63−64−65−67

풀이. 표 1에서 $T=-5$인 행과 $v=50$인 열이 만나는 칸을 읽으면 $f(-5,50)=-15$이다.

이는 실제 기온이 $-5^\circ\mathrm{C}$이고 바람이 시속 $50\ \mathrm{km}$로 불 때, 무풍 상태에서 기온이 $-15^\circ\mathrm{C}$일 때와 같은 정도의 추위로 느껴진다는 뜻이다.

English

In regions with severe winter weather the wind-chill index $W$ is used to describe how severe the cold feels. It depends on the actual air temperature $T$ and the wind speed $v$, so $W=f(T,v)$, and measured values are recorded in Table 1 below. Read from the table the value of $f$ when the temperature is $-5\,^\circ\mathrm{C}$ and the wind speed is $50\ \mathrm{km/h}$, and interpret it.

Table 1 · Wind-chill index $W$ (°C) as a function of air temperature $T$ (°C) and wind speed $v$ (km/h)
$T\ \backslash\ v$510152025304050607080
5432110−1−1−2−2−3
0−2−3−4−5−6−6−7−8−9−9−10
−5−7−9−11−12−12−13−14−15−16−16−17
−10−13−15−17−18−19−20−21−22−23−23−24
−15−19−21−23−24−25−26−27−29−30−30−31
−20−24−27−29−30−32−33−34−35−36−37−38
−25−30−33−35−37−38−39−41−42−43−44−45
−30−36−39−41−43−44−46−48−49−50−51−52
−35−41−45−48−49−51−52−54−56−57−58−60
−40−47−51−54−56−57−59−61−63−64−65−67

Solution. Reading Table 1 at the row $T=-5$ and the column $v=50$ gives $f(-5,50)=-15$.

This means that when the actual air temperature is $-5^\circ\mathrm{C}$ and the wind is blowing at $50\ \mathrm{km/h}$, the cold feels the same as it would with no wind at a temperature of $-15^\circ\mathrm{C}$.

EXAM 4 콥-더글러스 모형으로 생산량 예측 Predicting Production with the Cobb-Douglas ModelExample 4 · p.974–975
한국어

최소제곱법으로 적합된 콥-더글러스 생산함수 $P(L,K)=1.01L^{0.75}K^{0.25}$을 이용하여 1910년($L=147$, $K=208$)과 1920년($L=194$, $K=407$)의 생산량을 예측하고, 실제 관측값 159와 231에 견주어 보라. 또 이 생산함수의 정의역을 구하라.

풀이. $L=147$, $K=208$을 대입하면

$$P(147,208)=1.01\cdot147^{0.75}\cdot208^{0.25}\approx161.9$$

이고, 실제 관측값 $159$에 가까운 값이다. $L=194$, $K=407$을 대입하면

$$P(194,407)=1.01\cdot194^{0.75}\cdot407^{0.25}\approx235.8$$

이고, 실제 관측값 $231$에 가깝다. 노동과 자본은 음이 아닌 양이므로 이 생산함수의 정의역은

$$D=\{(L,K)\mid L\ge0,\ K\ge0\}$$

이다.

English

Use the least-squares fitted Cobb-Douglas production function $P(L,K)=1.01L^{0.75}K^{0.25}$ to predict the production in 1910 ($L=147$, $K=208$) and in 1920 ($L=194$, $K=407$), and compare the predictions with the recorded values 159 and 231. Also determine the domain of this production function.

Solution. Substituting $L=147$, $K=208$ gives

$$P(147,208)=1.01\cdot147^{0.75}\cdot208^{0.25}\approx161.9,$$

close to the recorded value $159$. Substituting $L=194$, $K=407$ gives

$$P(194,407)=1.01\cdot194^{0.75}\cdot407^{0.25}\approx235.8,$$

close to the recorded value $231$. Since labor and capital cannot be negative, the domain of this production function is

$$D=\{(L,K)\mid L\ge0,\ K\ge0\}.$$
EXAM 5 일차함수의 그래프 Graph of a Linear FunctionExample 5 · Figure 6 · p.975
한국어

함수 $f(x,y)=6-3x-2y$의 그래프를 그려라.

z x y 0 (2, 0, 0) (0, 3, 0) (0, 0, 6)

풀이. $z=6-3x-2y$를 세 변수가 나란히 나타나도록 정리하면 $3x+2y+z=6$이고, 이는 §12.5에서 다룬 평면의 방정식과 같은 꼴이다.

두 변수씩 $0$으로 놓아 절편을 구하면 $y=z=0$일 때 $x=2$, $x=z=0$일 때 $y=3$, $x=y=0$일 때 $z=6$이므로 평면은 좌표축과 $(2,0,0)$, $(0,3,0)$, $(0,0,6)$에서 만난다. $f$의 정의역은 $\mathbb R^2$ 전체이므로 그래프는 이 평면 전체이지만, 관례상 위 그림처럼 세 절편을 꼭짓점으로 하는 제1팔분공간의 삼각형 조각만을 그린다.

English

Sketch the graph of the function $f(x,y)=6-3x-2y$.

z x y 0 (2, 0, 0) (0, 3, 0) (0, 0, 6)

Solution. Writing $z=6-3x-2y$ with all three variables together gives $3x+2y+z=6$, the same form as the equation of a plane from §12.5.

Setting two variables to zero at a time gives the intercepts $x=2$ (when $y=z=0$), $y=3$ (when $x=z=0$), and $z=6$ (when $x=y=0$), so the plane meets the axes at $(2,0,0)$, $(0,3,0)$, $(0,0,6)$. The domain of $f$ is all of $\mathbb R^2$, so the full graph is the entire plane, but by convention only the triangular first-octant piece bounded by these three intercepts, shown above, is drawn.

EXAM 6 반구의 그래프 Graph of a HemisphereExample 6 · Figure 7 · p.975
한국어

함수 $g(x,y)=\sqrt{9-x^2-y^2}$의 그래프를 그리고, 그것이 어떤 곡면인지 밝혀라.

z y x 3 3 0 z = √(9 − x² − y²) x² + y² = 9

풀이. 그래프는 $z=\sqrt{9-x^2-y^2}$을 만족하는 점들의 집합이다. 양변을 제곱하면 $z^2=9-x^2-y^2$, 즉

$$x^2+y^2+z^2=9$$

이고, 이는 중심이 원점이고 반지름이 $3$인 구면의 방정식이다. 그런데 근호는 항상 음이 아닌 값을 내므로 그래프 위의 모든 점은 $z\ge0$도 만족해야 한다.

따라서 $g$의 그래프는 이 구면 전체가 아니라 $z\ge0$인 위쪽 반구이다.

English

Sketch the graph of $g(x,y)=\sqrt{9-x^2-y^2}$ and identify the surface it represents.

z y x 3 3 0 z = √(9 − x² − y²) x² + y² = 9

Solution. The graph consists of the points satisfying $z=\sqrt{9-x^2-y^2}$. Squaring both sides gives $z^2=9-x^2-y^2$, that is,

$$x^2+y^2+z^2=9,$$

the equation of the sphere of radius $3$ centered at the origin. Since a square root is never negative, every point of the graph must also satisfy $z\ge0$.

Hence the graph of $g$ is not the full sphere but only its upper half, the hemisphere with $z\ge0$.

EXAM 7 콥-더글러스 곡면 그리기 Graphing the Cobb-Douglas SurfaceExample 7 · Figure 8 · p.976
한국어

컴퓨터를 이용하여 $0\le L\le 300$, $0\le K\le 300$인 범위에서 콥-더글러스 생산함수 $P(L,K)=1.01L^{0.75}K^{0.25}$의 그래프를 그리고, 수직 자취로부터 읽어낼 수 있는 성질을 서술하라.

풀이. $L$을 고정하고 $K$를 $0$에서 $300$까지 움직이는 수직 자취를 생각하면, $P=1.01L^{0.75}K^{0.25}$에서 지수 $0.25$가 양수이므로 $K$가 커질수록 $P$도 증가한다. 마찬가지로 $K$를 고정하고 $L$을 움직이는 수직 자취도, 지수 $0.75$가 양수이므로 $L$이 커질수록 $P$가 증가한다.

따라서 $0\le L,K\le300$ 범위에서 그린 곡면은 두 좌표축 방향 모두에서 단조 증가하며, $L=0$ 또는 $K=0$인 모서리(둘 중 하나가 $0$이면 $P=0$)에서 시작해 $(L,K)=(300,300)$ 쪽으로 갈수록 값이 커지는 모양을 이룬다.

English

Use technology to draw the graph of the Cobb-Douglas production function $P(L,K)=1.01L^{0.75}K^{0.25}$ over $0\le L\le 300$, $0\le K\le 300$, and describe what the vertical traces reveal about the surface.

Solution. Fixing $L$ and letting $K$ range over $[0,300]$ gives a vertical trace of $P=1.01L^{0.75}K^{0.25}$; since the exponent $0.25$ is positive, $P$ increases as $K$ increases. Likewise, fixing $K$ and letting $L$ vary gives a vertical trace that increases with $L$, because the exponent $0.75$ is also positive.

So over $0\le L,K\le300$ the surface increases monotonically in both directions: it starts at $P=0$ along the edges $L=0$ and $K=0$ and climbs toward larger values as $(L,K)$ moves toward the corner $(300,300)$.

EXAM 8 타원포물면의 정의역·치역·그래프 An Elliptic ParaboloidExample 8 · Figure 9 · p.976
한국어

함수 $h(x,y)=4x^2+y^2$의 정의역과 치역을 구하고, 그래프를 그린 뒤 수평 자취와 수직 자취가 각각 어떤 곡선인지 말하라.

풀이. $4x^2+y^2$은 모든 실수 $x,y$에 대해 정의되므로 정의역은 $D=\mathbb R^2$이다. 또 $4x^2\ge0$, $y^2\ge0$이고 $x=y=0$에서 $h=0$이 되며 값에 상한이 없으므로 치역은 $[0,\infty)$이다.

수평 자취(고정된 $z=k\gt0$)는 $4x^2+y^2=k$, 즉 $\dfrac{x^2}{k/4}+\dfrac{y^2}{k}=1$로 타원이고, 수직 자취(예: $y=b$ 고정)는 $z=4x^2+b^2$의 꼴로 포물선이다.

따라서 그래프 $z=4x^2+y^2$은 원점을 꼭짓점으로 하고 위로 열린 타원포물면이다.

English

Find the domain and the range of $h(x,y)=4x^2+y^2$, sketch its graph, and say what curves its horizontal and vertical traces are.

Solution. Since $4x^2+y^2$ is defined for every real $x,y$, the domain is $D=\mathbb R^2$. As $4x^2\ge0$ and $y^2\ge0$, with both terms vanishing only at $x=y=0$, and the expression is unbounded above, the range is $[0,\infty)$.

A horizontal trace at a fixed level $z=k\gt0$ is $4x^2+y^2=k$, that is, $\dfrac{x^2}{k/4}+\dfrac{y^2}{k}=1$, an ellipse; a vertical trace, say at fixed $y=b$, is $z=4x^2+b^2$, a parabola.

Hence the graph $z=4x^2+y^2$ is an elliptic paraboloid opening upward with vertex at the origin.

EXAM 9 등고선 지도에서 함숫값 추정 Estimating Values from a Contour MapExample 9 · Figure 15 · p.980
한국어

어떤 함수 $f$의 등고선 지도(교재 Figure 15; 아래 그림은 그 지도를 단순화하여 다시 그린 도식이다)에는 값이 $50,\ 60,\ 70,\ 80$인 등위선들이 그려져 있고, 두 개의 봉우리를 둘러싸는 모양을 하고 있다. 이 지도에서 이웃한 두 등위선 사이의 보간을 이용하여 $f(1,3)$과 $f(4,5)$의 값을 추정하라.

80 70 60 50 60 50 1 4 3 5 x y (1, 3) (4, 5)

풀이. 위 그림의 지도에서 점 $(1,3)$은 $70$과 $80$의 등위선 사이, 정확한 중간보다는 $70$ 쪽에 조금 더 가까운 위치에 놓인다. 두 등위선의 산술평균은

$$\frac{70+80}{2}=75$$

이지만 실제 위치가 그보다 $70$ 쪽으로 치우쳐 있으므로, 보간하면 $f(1,3)\approx73$으로 추정한다. 점 $(4,5)$는 $50$과 $60$의 등위선 사이에서 $60$ 쪽에 더 가까우므로, 같은 방식으로 $f(4,5)\approx56$으로 추정한다.

English

A contour map of a function $f$ (Figure 15 of the text; the sketch below is a simplified redrawing of that map) carries level curves labeled $50,\ 60,\ 70,\ 80$ surrounding two peaks. Using interpolation between neighboring level curves, estimate the values $f(1,3)$ and $f(4,5)$.

80 70 60 50 60 50 1 4 3 5 x y (1, 3) (4, 5)

Solution. In the map above, the point $(1,3)$ lies between the level curves $70$ and $80$, positioned somewhat closer to the $70$-curve than exactly halfway. The plain average of the two labels is

$$\frac{70+80}{2}=75,$$

but since the point actually sits closer to the $70$-side, interpolating its position gives the estimate $f(1,3)\approx73$. The point $(4,5)$ lies between the level curves $50$ and $60$, closer to the $60$-curve, so the same kind of interpolation gives $f(4,5)\approx56$.

EXAM 10 일차함수의 등위선 Level Curves of a Linear FunctionExample 10 · Figure 16 · p.980
한국어

$k=-6,\ 0,\ 6,\ 12$에 대하여 함수 $f(x,y)=6-3x-2y$의 등위선을 구하고, 네 곡선을 $xy$-평면에 그려라. 또 $k$를 등간격으로 잡을 때 등위선이 어떻게 놓이는지 설명하라.

k = −6 k = 0 k = 6 k = 12 x y 0 2 3 f(x, y) = 6 − 3x − 2y

풀이. 등위선의 방정식 $f(x,y)=k$는 $6-3x-2y=k$, 즉

$$3x+2y-(6-k)=0$$

이며, 이는 기울기가 $-\dfrac32$로 일정한 직선족이다. $k=-6,0,6,12$를 대입하면 각각

$$3x+2y-12=0,\quad 3x+2y-6=0,\quad 3x+2y=0,\quad 3x+2y+6=0$$

을 얻고, 네 직선은 모두 서로 평행하다. $k$가 $6$씩 등간격으로 늘어날 때 상수항이 $-12,-6,0,6$으로 역시 $6$씩 등간격으로 변하므로, 직선들 사이의 수직 간격도 일정하다. 즉 $f$가 일차함수이므로 등간격의 $k$에 대응하는 등위선들은 등간격으로 늘어선 평행선을 이룬다.

English

Find the level curves of $f(x,y)=6-3x-2y$ for $k=-6,\ 0,\ 6,\ 12$, sketch the four curves in the $xy$-plane, and explain how they are positioned when the values of $k$ are equally spaced.

k = −6 k = 0 k = 6 k = 12 x y 0 2 3 f(x, y) = 6 − 3x − 2y

Solution. The level curve $f(x,y)=k$ is $6-3x-2y=k$, that is,

$$3x+2y-(6-k)=0,$$

a family of lines all with the same slope $-\dfrac32$. Substituting $k=-6,0,6,12$ gives

$$3x+2y-12=0,\quad 3x+2y-6=0,\quad 3x+2y=0,\quad 3x+2y+6=0,$$

four mutually parallel lines. As $k$ increases in equal steps of $6$, the constant term takes the equally spaced values $-12,-6,0,6$, so the perpendicular spacing between consecutive lines is also constant. Since $f$ is linear, equally spaced values of $k$ always produce a family of equally spaced parallel lines.

EXAM 11 동심원 등위선 Level Curves That Are Concentric CirclesExample 11 · Figure 17 · p.980–981
한국어

$k=0,\ 1,\ 2,\ 3$에 대하여 함수 $g(x,y)=\sqrt{9-x^2-y^2}$의 등위선을 구하고 $xy$-평면에 그려라.

x y 0 (3, 0) k = 3 k = 2 k = 1 k = 0

풀이. $g(x,y)=k$ ($k\ge0$)를 제곱하면 $9-x^2-y^2=k^2$, 즉

$$x^2+y^2=9-k^2$$

이며, 이는 원점을 중심으로 하고 반지름이 $\sqrt{9-k^2}$인 원이다(단 $9-k^2\ge0$, 즉 $0\le k\le3$이어야 실제로 존재한다). $k=0,1,2,3$을 대입하면 반지름은 각각

$$\sqrt9=3,\quad \sqrt8=2\sqrt2,\quad \sqrt5,\quad \sqrt0=0$$

이다. 즉 위 그림처럼 $k$가 커질수록 반지름이 줄어드는 동심원족을 이루고, $k=3$일 때는 반지름이 $0$이 되어 원이 원점 한 점으로 퇴화한다.

English

Find and sketch in the $xy$-plane the level curves of $g(x,y)=\sqrt{9-x^2-y^2}$ for $k=0,\ 1,\ 2,\ 3$.

x y 0 (3, 0) k = 3 k = 2 k = 1 k = 0

Solution. Squaring $g(x,y)=k$ (with $k\ge0$) gives $9-x^2-y^2=k^2$, that is,

$$x^2+y^2=9-k^2,$$

a circle centered at the origin with radius $\sqrt{9-k^2}$, which exists precisely when $9-k^2\ge0$, i.e. $0\le k\le3$. For $k=0,1,2,3$ the radii are

$$\sqrt9=3,\quad \sqrt8=2\sqrt2,\quad \sqrt5,\quad \sqrt0=0,$$

respectively, so as shown above these curves form a family of concentric circles shrinking as $k$ increases, and at $k=3$ the circle degenerates to the single point at the origin.

EXAM 12 타원족 등위선 Level Curves That Are EllipsesExample 12 · Figure 18 · p.981
한국어

함수 $h(x,y)=4x^2+y^2+1$의 등위선을 표준형으로 나타내고, 몇 개를 골라 $xy$-평면에 그려라. 또 그 등위선들을 지정된 높이로 들어 올리면 어떤 곡면이 되는지 말하라.

k = 2 k = 5 k = 10 x y 0 3 1.5 4x² + y² = k − 1

풀이. $h(x,y)=k$는 $4x^2+y^2+1=k$, 즉 $4x^2+y^2=k-1$이며, 이 식이 실제 곡선을 나타내려면 $k\gt1$이어야 한다. 양변을 $k-1$로 나누어 표준형으로 고치면

$$\frac{x^2}{\frac14(k-1)}+\frac{y^2}{k-1}=1$$

이고, 이는 $x$방향 반축이 $\dfrac12\sqrt{k-1}$, $y$방향 반축이 $\sqrt{k-1}$인 타원이다. $k$가 커질수록 두 반축이 함께 늘어나므로, 예컨대 $k=2,5,10$에 대응하는 등위선들은 원점을 중심으로 점점 커지는 타원족을 이룬다.

이 타원들을 각각 높이 $z=k$로 들어 올리면 정확히 곡면 $z=4x^2+y^2+1$을 얻으며, 이는 예제 8의 곡면을 $z$축 방향으로 $1$만큼 평행이동한 타원포물면이다.

English

Put the level curves of $h(x,y)=4x^2+y^2+1$ into standard form, sketch several of them in the $xy$-plane, and identify the surface obtained when those curves are lifted to their indicated heights.

k = 2 k = 5 k = 10 x y 0 3 1.5 4x² + y² = k − 1

Solution. The level curve $h(x,y)=k$ is $4x^2+y^2+1=k$, that is, $4x^2+y^2=k-1$, which describes an actual curve only when $k\gt1$. Dividing by $k-1$ puts it in standard form:

$$\frac{x^2}{\frac14(k-1)}+\frac{y^2}{k-1}=1,$$

an ellipse with semi-axis $\dfrac12\sqrt{k-1}$ in the $x$-direction and $\sqrt{k-1}$ in the $y$-direction. As $k$ increases both semi-axes grow together, so, for instance, the curves for $k=2,5,10$ form a family of ellipses centered at the origin and growing outward.

Lifting each such ellipse to the height $z=k$ reproduces exactly the surface $z=4x^2+y^2+1$, an elliptic paraboloid — the surface of Example 8 shifted up by $1$ along the $z$-axis.

EXAM 13 콥-더글러스 등고선 지도 Contour Plot of the Cobb-Douglas FunctionExample 13 · Figure 19 · p.981
한국어

예제 4의 콥-더글러스 생산함수 $P(L,K)=1.01L^{0.75}K^{0.25}$에 대한 등고선 지도를 그려라. 또 생산량 $P$를 한 값으로 고정했을 때 노동 $L$과 자본 $K$ 사이에 어떤 관계가 나타나는지 설명하라.

풀이. $P(L,K)=1.01L^{0.75}K^{0.25}$의 등위선은 생산량을 한 값 $c$로 고정한 $1.01L^{0.75}K^{0.25}=c$인 곡선이며, 이를 $K$에 대해 풀면

$$K=\left(\frac{c}{1.01L^{0.75}}\right)^{4}=\left(\frac{c}{1.01}\right)^{4}L^{-3}$$

이다. $L$의 지수가 $-3$으로 음수이므로, $c$를 고정한 채 $L$을 늘리면 $K$는 감소한다.

따라서 등고선 지도는 원점에서 멀어질수록 $c$ 값이 커지는 감소 곡선들의 모임이 되고, 노동을 늘리면서 같은 생산량을 유지하려면 자본을 줄여야 한다는 대체 관계를 보여 준다.

English

Draw a contour plot for the Cobb-Douglas production function $P(L,K)=1.01L^{0.75}K^{0.25}$ of Example 4, and describe the relation between the labor $L$ and the capital $K$ along a curve on which the production $P$ is held at one fixed value.

Solution. The level curve of $P(L,K)=1.01L^{0.75}K^{0.25}$ at a fixed output level $c$ is $1.01L^{0.75}K^{0.25}=c$; solving for $K$ gives

$$K=\left(\frac{c}{1.01L^{0.75}}\right)^{4}=\left(\frac{c}{1.01}\right)^{4}L^{-3}.$$

Since $L$ appears with the negative exponent $-3$, increasing $L$ while holding $c$ fixed forces $K$ to decrease.

So the contour plot consists of decreasing curves, with the output level $c$ increasing away from the origin, and each curve reflects a trade-off: to keep production constant while using more labor, less capital must be used.

EXAM 14 삼변수함수의 정의역 Domain of a Function of Three VariablesExample 14 · p.982
한국어

함수 $f(x,y,z)=\ln(z-y)+xy\sin z$의 정의역을 집합으로 나타내고, 그것이 $\mathbb R^3$의 어떤 영역인지 기하적으로 서술하라.

풀이. $xy\sin z$ 항은 모든 $(x,y,z)$에서 정의되지만, $\ln(z-y)$ 항은 진수가 양수여야 하므로 $z-y\gt0$이 필요하다.

$$D=\{(x,y,z)\in\mathbb R^3\mid z\gt y\}$$

이며, 이는 평면 $z=y$를 경계로 하는 두 반공간 중 그 평면 위쪽(즉 $z$가 $y$보다 큰 쪽)에 놓인 열린 반공간이다.

English

Describe the domain of $f(x,y,z)=\ln(z-y)+xy\sin z$ in set notation, and say geometrically which region of $\mathbb R^3$ it is.

Solution. The term $xy\sin z$ is defined for every $(x,y,z)$, but the term $\ln(z-y)$ requires a positive argument, so $z-y\gt0$ is needed.

$$D=\{(x,y,z)\in\mathbb R^3\mid z\gt y\}$$

which is the open half-space bounded by the plane $z=y$, specifically the side on which $z$ exceeds $y$.

EXAM 15 동심 구면 등위면 Level Surfaces That Are Concentric SpheresExample 15 · Figure 21 · p.983
한국어

함수 $f(x,y,z)=x^2+y^2+z^2$의 등위면을 구하고, $k$가 변할 때 이 곡면들이 이루는 모양을 설명하라.

풀이. $f(x,y,z)=k$는 $x^2+y^2+z^2=k$이며, 좌변이 음이 아니므로 곡면이 존재하려면 $k\ge0$이어야 한다.

$k\gt0$일 때 이는 원점을 중심으로 하고 반지름이 $\sqrt k$인 구면이고, $k=0$일 때는 원점 한 점으로 퇴화한다. $k$가 $0,1,2,3,\dots$처럼 커질수록 반지름 $\sqrt k$도 커지므로(다만 증가율은 점점 둔화된다), 등위면들은 원점을 공통 중심으로 하며 바깥으로 갈수록 커지는 동심 구면족을 이룬다.

English

Find the level surfaces of $f(x,y,z)=x^2+y^2+z^2$ and describe the family they form as $k$ varies.

Solution. The level surface $f(x,y,z)=k$ is $x^2+y^2+z^2=k$; since the left side is never negative, a surface exists only when $k\ge0$.

For $k\gt0$ this is the sphere of radius $\sqrt k$ centered at the origin, and for $k=0$ it degenerates to the single point at the origin. As $k$ increases through $0,1,2,3,\dots$, the radius $\sqrt k$ also increases (though at a slowing rate), so the level surfaces form a family of concentric spheres about the origin, growing outward as $k$ grows.

EXAM 16 쌍곡포물면 등위면 Level Surfaces That Are Hyperbolic ParaboloidsExample 16 · Figure 22 · p.983
한국어

함수 $f(x,y,z)=x^2-y-z^2$의 등위면을 $y$에 대해 풀어 나타내고, 그것이 어떤 곡면족인지 서술하라. ($k=0,\ \pm5$인 경우를 함께 생각하라.)

풀이. $f(x,y,z)=k$는 $x^2-y-z^2=k$이며, $y$에 대해 풀면

$$y=x^2-z^2-k$$

를 얻는다. 이는 §12.6에서 정리한 쌍곡포물면의 표준형 $\dfrac{z}{c}=\dfrac{x^2}{a^2}-\dfrac{y^2}{b^2}$과 같은 꼴이되 축의 역할이 바뀐 것으로, $x,z$가 서로 다른 부호로 제곱에 들어가므로 쌍곡포물면이다.

$k=0$이면 $y=x^2-z^2$으로 원점을 지나는 안장 모양의 곡면이고, $k=5$이면 $y=x^2-z^2-5$, $k=-5$이면 $y=x^2-z^2+5$로, 모두 같은 모양의 곡면을 $y$축 방향으로 각각 $5$만큼 평행이동한 것이다. 즉 등위면들은 합동인 쌍곡포물면을 $y$축 방향으로 나란히 늘어놓은 족을 이룬다.

English

Solve the equation of the level surfaces of $f(x,y,z)=x^2-y-z^2$ for $y$ and describe the family of surfaces obtained, taking $k=0$ and $k=\pm 5$ as sample values.

Solution. The level surface $f(x,y,z)=k$ is $x^2-y-z^2=k$; solving for $y$ gives

$$y=x^2-z^2-k.$$

This has the same shape as the standard form $\dfrac{z}{c}=\dfrac{x^2}{a^2}-\dfrac{y^2}{b^2}$ recorded in §12.6, with the roles of the axes permuted; since $x$ and $z$ enter the squared terms with opposite signs, the surface is a hyperbolic paraboloid.

For $k=0$ it is the saddle-shaped surface $y=x^2-z^2$ through the origin; for $k=5$ it is $y=x^2-z^2-5$, and for $k=-5$ it is $y=x^2-z^2+5$ — each a copy of the same saddle shape translated by $5$ along the $y$-axis. So the level surfaces form a family of congruent hyperbolic paraboloids stacked along the $y$-axis.

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