요약
이 수업은 강좌의 다섯 번째이자 마지막 단원을 연다. 이 단원은 공간 해석기하학을 다룬다. 이 수업은 단원을 이루는 네 수업과 그것들을 잇는 실마리를 소개한다. 강좌 I에서 배운 평면의 벡터는 길이와 각을 재는 내적을 갖춘 세 수의 순서쌍이 된다. 4단원의 3차 행렬식은 새로운 곱인 외적을 주고, 그와 함께 넓이와 부피를 재는 스칼라 삼중곱을 준다. 직선과 평면은 일차방정식으로 나타내어지고, 그 위치 관계는 랭크와 루셰-프로베니우스 정리로 판정된다. 그리고 이 모든 것이 모여 점, 직선, 평면 사이의 거리와 각을 잰다. 이 수업은 이러한 생각들의 역사적 배경을, 17세기에 평면 밖으로 거의 나가지 못한 데카르트와 페르마의 좌표에서 깁스와 헤비사이드의 벡터 해석과 결정학에 이르기까지 살펴본다. 지하철망의 두 터널을 통해 그것들을 낳은 문제, 곧 공간의 두 직선이 만나는지를 판정하고 만나지 않을 때 얼마나 떨어져 있는지를 재는 문제를 정확하게 정식화한다. 끝으로 이 강좌, 사이트의 다른 강좌, 그리고 과학과 기술에서 그것들이 다시 쓰이는 곳을 보여 준다.
학습 목표
- 단원의 수업 순서를 설명하고, 각 수업이 어떤 도구를 제공하며 행렬 단원과 강좌 I의 평면기하학에서 어떤 도구를 가져오는지 설명한다.
- 공간의 좌표, 내적, 외적, 벡터 해석을 역사적 맥락 속에 놓고, 각 생각이 해결하려고 했던 문제를 말한다.
- 공간의 두 직선이 만나는지에 대한 물음을 연립일차방정식으로 세우고, 첨가행렬의 랭크로 판정하며, 꼬인 위치에 있는 두 직선 사이의 최단 거리를 계산한다.
- 공간 해석기하학이 물리학, 컴퓨터 그래픽스, 로봇공학, 측지학, 위성 측위, 화학에서 쓰이는 경우를 알아본다.
입문 평가
단원을 시작하기 전에 출발점을 재어 보는 것이 좋다. 처음 여덟 문항은 두 문항씩 단원의 네 수업을 다루고, 아홉 번째 문항은 모델링 문제로, 구체적인 상황을 점과 직선 사이의 거리를 이용해 나타내도록 요구한다. 같은 기능은 마지막 종합 수업에서 다시 측정된다. 마지막 세 문항은 단원이 행렬 단원과 강좌 I에서 이미 알고 있다고 여기는 것을 확인한다. 이 자가 점검은 점수를 매기지 않는다. 무엇을 익혔고 어디에서 멈추어 살펴야 하는지 알기 위한 것이다.
단원을 시작하기 전에 출발점을 확인해 보세요. 짧은 자기 평가입니다. 점수가 매겨지지 않으며 결과는 브라우저에만 저장됩니다.
문제 1두 점 과 사이의 거리를 구하여라.
문제 2두 벡터 과 가 이루는 각은 얼마인가?
내적을 한쪽 크기로만 나눈 결과로, 가 나온다. 두 벡터가 이루는 각의 코사인은 내적을 두 크기의 곱으로 나눈 것이다.사인이 인 각이다. 내적을 크기의 곱으로 나눈 몫은 두 벡터가 이루는 각의 코사인이지 사인이 아니다.내적은 이고 각 벡터의 크기는 이다. 두 벡터가 이루는 각의 코사인은 이며, 이는 에 해당한다.복습: 공간벡터와 내적
문제 3을 계산하여라.
형식적 행렬식을 첫째 행으로 전개할 때 둘째 항의 음의 부호가 빠졌다. 둘째 성분은 이다. 벡터 은 에 수직이 아니다.순서를 거꾸로 한 곱, 곧 이다. 외적은 반교환적이어서 인수의 순서를 바꾸면 부호가 바뀐다.성분끼리의 곱으로, 인수에 수직이 아니고 기하학적 의미도 없다. 외적의 각 성분은 2차 행렬식이다.성분은 , , 이다. 결과는 두 인수에 수직이며, 이는 내적으로 확인할 수 있다.복습: 외적과 스칼라 삼중곱
문제 4꼭짓점이 , , , 인 사면체의 부피를 구하여라.
정답:
, , 의 스칼라 삼중곱은 행이 , , 인 행렬식이며, 그 값은 이다. 이것은 평행육면체의 부피이고, 사면체의 부피는 그 육분의 일인 이다. 을 얻었다면 평행육면체를 계산한 것이고, 를 얻었다면 삼각형의 넓이에서처럼 절반을 취한 것이다.복습: 외적과 스칼라 삼중곱
문제 5, , 을 지나는 평면의 방정식은 무엇인가?
좌표축과의 교점을 계수로 잡은 것이다. 좌표축과 , , 에서 만나는 평면의 방정식은 이다. 여기서는 이고, 이는 과 동치이다. 점 는 를 만족하지 않는다.법선벡터는 옳지만 상수항을 계산하지 않았다. 이 방정식은 원점을 지나는 평행한 평면을 나타내며, 세 점 가운데 어느 것도 이를 만족하지 않는다.와 를 지나는 직선이다. 평면에는 평행하지 않은 두 방향벡터나 하나의 법선벡터가 필요하다.법선벡터 하나는 이고, 이는 에 비례한다. 상수항은 를 대입하여 얻는다. 이다. 세 점 모두 방정식을 만족한다.복습: 공간의 직선과 평면
문제 6두 직선 과 의 위치 관계는 무엇인가?
평면에서 평행하지 않은 두 직선이 보이는 모습이다. 공간에서는 점이 같다는 조건에서 미지수가 두 개인 방정식 세 개가 나오고, 그 셋째 방정식 은 성립할 수 없다.평면에서는 공통점이 없는 두 직선이 평행하지만, 공간에서는 그렇지 않다. 꼬인 위치에 있을 수 있기 때문이다. 방향벡터 과 는 비례하지 않는다.두 직선의 방향벡터는 평행하지 않고, 연립방정식 , , 은 해가 없다. 평행하지 않으면서 공통점이 없는 두 직선은 꼬인 위치에 있다. , , 의 스칼라 삼중곱은 로 영이 아니며, 이로써 두 직선이 한 평면 위에 있지 않음이 확인된다.복습: 공간의 직선과 평면
문제 7점 과 평면 사이의 거리를 구하여라.
정답:
점과 평면 사이의 거리 공식에 따라 . 를 얻었다면 법선벡터의 크기로 나누는 것을 잊은 것이고, 을 얻었다면 상수항을 빼는 대신 더한 것이다.복습: 공간의 거리, 각, 부피
문제 8방향벡터가 인 직선과 평면 가 이루는 각은 얼마인가?
직선과 법선벡터가 이루는 각이지, 평면과 이루는 각이 아니다. 평면과 이루는 각은 직선이 그 평면 위로의 정사영과 이루는 각이며, 앞의 각의 여각이다.내적을 한쪽 크기로만 나눈 결과로, 코사인이 가 된다. 두 크기의 곱으로 나누어야 한다.방향벡터가 법선벡터에 수직이라면 직선은 평면에 평행할 것이다. 그러나 와 의 내적은 이지 이 아니다.방향벡터와 법선벡터 는 코사인이 인 각, 곧 크기가 인 각을 이룬다. 직선과 평면이 이루는 각은 그 여각인 이다.복습: 공간의 거리, 각, 부피
문제 9드론이 공원의 점 에서 이륙하여 벡터 의 방향으로 똑바로 상승한다. 거리의 단위는 미터이다. 지면의 점 에 한 사람이 앉아 있다. 드론은 이 사람에게서 최소 몇 미터 떨어진 곳을 지나가는가?
정답:
궤적은 직선 이고, 의 크기는 이며, 최소 거리는 와 이 직선 사이의 거리인 이다. 이 거리는 수선의 발, 곧 점 에서 얻어진다. 이 에 수직이기 때문이다. 를 얻었다면 정사영 를 계산한 것인데, 이는 드론이 그 발까지 얼마나 나아가는지를 재는 것이지 거리가 아니다. 를 얻었다면 이륙 지점까지의 거리를 잰 것이다.복습: 공간의 거리, 각, 부피
문제 10이전 단원에서행이 , , 인 행렬의 행렬식을 계산하여라.
문제 11이전 단원에서미지수가 두 개인 일차방정식 세 개로 이루어진 연립방정식의 계수행렬의 랭크는 이고, 첨가행렬의 랭크는 이다. 해는 몇 개인가?
계수행렬의 랭크가 미지수의 개수와 같다는 것은 연립방정식이 해를 가질 때에만 해의 유일성을 보장하며, 해를 가지려면 첨가행렬의 랭크도 같아야 한다.해가 무수히 많은 것은 연립방정식이 해를 가지고 공통의 랭크가 미지수의 개수보다 작을 때이다. 여기서는 두 랭크가 달라 연립방정식이 해를 가지지 않는다.루셰-프로베니우스 정리에 따라, 연립방정식은 두 행렬의 랭크가 같을 때, 그리고 그때에만 해를 가진다. 여기서는 랭크가 서로 달라 연립방정식은 해가 없다.문제 12이전 단원에서의 값이 얼마일 때 평면벡터 와 이 수직인가?
정답:
영벡터가 아닌 두 벡터는 내적이 영일 때, 그리고 그때에만 수직이다. 이고, 따라서 . 을 얻었다면 부호 하나를 잘못 바꾼 것이고, 기울기를 같게 놓으면 수직인 벡터가 아니라 평행한 벡터를 찾게 된다.
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