문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

선적분

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

CLP-4 · 1.6절 · 8번대학 수준우리말 번역

선적분 ∫CF⋅n^ ds\int_C \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}s 의 값을 구하세요. 여기서 F(x,y)=xy2 ı^+yex ȷ^\mathbf{F}(x,y) = xy^2 \,\hat{\boldsymbol{\imath}} + ye^x \,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고, CC 는 직사각형 RR: 0≤x≤30 \le x \le 3, −1≤y≤1-1 \le y \le 1 의 경계이며, n^\hat{\mathbf{n}} 은 CC 에 수직이고 직사각형의 바깥쪽을 향하는 단위벡터입니다.

영어 원문 보기

Evaluate the line integral ∫CF⋅n^ ds\int_C \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}s where F(x,y)=xy2 ı^+yex ȷ^\mathbf{F}(x,y) = xy^2 \,\hat{\boldsymbol{\imath}} + ye^x \,\hat{\boldsymbol{\jmath}} , CC is the boundary of the rectangle RR: 0≤x≤30 \le x \le 3, −1≤y≤1-1 \le y \le 1, and n^\hat{\mathbf{n}} is the unit vector, normal to CC, pointing to the outside of the rectangle.

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문제에서 곡선 CC 의 방향(즉, 곡선을 따라 움직이는 방향)이 정해져 있지 않음을 눈치챘을 것이다. 적분값은 CC 의 방향과 관계없기 때문이다.

  • CC 위의 각 점에서 F(x,y)=xy2 ı^+yex ȷ^\mathbf{F}(x,y) = xy^2 \,\hat{\boldsymbol{\imath}} + ye^x \,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이며, 이는 방향과 관계없다.
  • CC 위의 각 점에서 n^\hat{\mathbf{n}} 은 바깥쪽을 향하는 법선벡터이며, 이는 방향과 관계없다.
  • ds>0ds>0 이며, 이는 방향과 관계없다.

직사각형 RR 의 그림은 다음과 같다.

그림 \

CC 를 반시계 방향으로 따라가기로 임의로 정했다. RR 의 경계는 네 개의 선분으로 이루어져 있다.

  • L1L_1 은 (0,−1)(0,-1) 에서 (3,−1)(3,-1) 까지이며, n^=−ȷ^\hat{\mathbf{n}} = -\hat{\boldsymbol{\jmath}}
  • L2L_2 는 (3,−1)(3,-1) 에서 (3,1)(3,1) 까지이며, n^=ı^\hat{\mathbf{n}} = \hat{\boldsymbol{\imath}}
  • L3L_3 은 (3,1)(3,1) 에서 (0,1)(0,1) 까지이며, n^=ȷ^\hat{\mathbf{n}} = \hat{\boldsymbol{\jmath}}
  • L4L_4 는 (0,1)(0,1) 에서 (0,−1)(0,-1) 까지이며, n^=−ı^\hat{\mathbf{n}} = -\hat{\boldsymbol{\imath}}

따라서

∫CF⋅n^ ds=∫L1F⋅(−ȷ^) ds+∫L2F⋅ı^ ds+∫L3F⋅(ȷ^) ds+∫L4F⋅(−ı^) ds=∫03−(−1)⏞yex dx+∫−11(3)⏞xy2 dy+∫30(1)⏞yex (−dx)⏞ds+∫1−1(0)⏞xy2 (−dy)⏞ds=[e3−1]+[13−(−1)3]+[e3−1]+0=2e3\begin{aligned} \int_C \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}s &= \int_{L_1} \mathbf{F}\cdot(-\hat{\boldsymbol{\jmath}})\,\mathrm{d}s +\int_{L_2} \mathbf{F}\cdot \hat{\boldsymbol{\imath}}\,\mathrm{d}s +\int_{L_3} \mathbf{F}\cdot(\hat{\boldsymbol{\jmath}})\,\mathrm{d}s +\int_{L_4} \mathbf{F}\cdot(-\hat{\boldsymbol{\imath}})\,\mathrm{d}s \\ &= \int_0^3 -\overbrace{(-1)}^{y}e^x\,\mathrm{d}x +\int_{-1}^1 \overbrace{(3)}^{x}y^2\,\mathrm{d}y +\int^0_3 \overbrace{(1)}^{y}e^x\,\overbrace{(-\mathrm{d}x)}^{\mathrm{d}s} +\int^{-1}_1 \overbrace{(0)}^{x}y^2\,\overbrace{(-\mathrm{d}y)}^{\mathrm{d}s} \\ &=\big[e^3-1\big]+\big[1^3-(-1)^3\big] + \big[e^3-1\big]+0 \\ &=2e^3 \end{aligned}

이 계산에서 가장 까다로운 부분은 L3L_3 과 L4L_4 에서 ds\mathrm{d}s 를 바르게 잡는 것이다(ds\mathrm{d}s 는 이동한 곡선의 길이이므로 양수이지만, L3L_3 에서는 dx<0\mathrm{d}x<0 이고 L4L_4 에서는 dy<0\mathrm{d}y<0 임을 기억해야 한다). ∫L3F⋅(ȷ^) ds\int_{L_3} \mathbf{F}\cdot(\hat{\boldsymbol{\jmath}})\,\mathrm{d}s 를 더 자세히 계산하기 위해, L3L_3 을 다음과 같이 매개변수로 나타내자.

r(t)=(3,1)+t{(0,1)−(3,1)}=(3−3t,1)0≤t≤1\mathbf{r}(t) = (3,1) + t\big\{(0,1)-(3,1)\big\} = \big(3-3t,1\big)\qquad 0\le t\le 1

그러면 r(0)=(3,1)\mathbf{r}(0) = (3,1) 은 L3L_3 의 시작점이고 r(1)=(0,1)\mathbf{r}(1) = (0,1) 은 L3L_3 의 끝점이다. 이때

r′(t)=(−3,0)dsdt(t)=∣r′(t)∣=3\mathbf{r}'(t) = (-3,0)\qquad \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) = |\mathbf{r}'(t)| = 3

이고

∫L3F⋅ȷ^ ds=∫01F(r(t))⋅ȷ^ dsdt(t) dt=∫01e3−3t⏞y(t)ex(t) 3⏞dsdt(t) dt=−e3−3t∣01=e3−1\begin{aligned} \int_{L_3} \mathbf{F}\cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}\,\mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}\,\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\overbrace{e^{3-3t}}^{y(t)e^{x(t)}}\, \overbrace{3}^{\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)}\,\mathrm{d}t =-e^{3-3t}\Big|_0^1 =e^3-1 \end{aligned}

이다.

검산으로, L3L_3 을 다음과 같이 매개변수로 나타낼 때에도 ∫L3F⋅(ȷ^) ds\int_{L_3} \mathbf{F}\cdot(\hat{\boldsymbol{\jmath}})\,\mathrm{d}s 의 값이 같음을 확인해 보자.

r(t)=(0,1)+t{(3,1)−(0,1)}=(3t,1)0≤t≤1\mathbf{r}(t) = (0,1) + t\big\{(3,1)-(0,1)\big\} = \big(3t,1\big)\qquad 0\le t\le 1

이번에는 r(0)=(0,1)\mathbf{r}(0) = (0,1) 이 L3L_3 의 시작점이고 r(1)=(3,1)\mathbf{r}(1) = (3,1) 이 L3L_3 의 끝점이다. 이번에는

r′(t)=(3,0)dsdt(t)=∣r′(t)∣=3\mathbf{r}'(t) = (3,0)\qquad \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) = |\mathbf{r}'(t)| = 3

이고

∫L3F⋅ȷ^ ds=∫01F(r(t))⋅ȷ^ dsdt(t) dt=∫01e3t⏞y(t)ex(t) 3⏞dsdt(t) dt=e3t∣01=e3−1\begin{aligned} \int_{L_3} \mathbf{F}\cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}\,\mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}\,\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\overbrace{e^{3t}}^{y(t)e^{x(t)}}\, \overbrace{3}^{\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)}\,\mathrm{d}t =e^{3t}\Big|_0^1 =e^3-1 \end{aligned}

이다.

따라서 L3L_3 의 두 방향 모두 ∫L3F⋅(ȷ^) ds\int_{L_3} \mathbf{F}\cdot(\hat{\boldsymbol{\jmath}})\,\mathrm{d}s 의 값이 같다.

원본 교재 풀이(영어)

You may have noticed that the orientation of (i.e. the direction of motion along) the curve CC was not specified in the question. That's because the value of the integral is independent of the orientation of CC:

  • At each point of CC, F(x,y)=xy2 ı^+yex ȷ^\mathbf{F}(x,y) = xy^2 \,\hat{\boldsymbol{\imath}} + ye^x \,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, independent of the orientation.
  • At each point of CC, n^\hat{\mathbf{n}} is the outward pointing normal, independent of the orientation.
  • ds>0ds>0, independent of the orientation.

Here is a sketch of the rectangle RR.

figure \

We have arbitrarily chosen to traverse CC in the counterclockwise direction. The boundary of RR boundary consists of four line segments.

  • L1L_1 from (0,−1)(0,-1) to (3,−1)(3,-1), with n^=−ȷ^\hat{\mathbf{n}} = -\hat{\boldsymbol{\jmath}}
  • L2L_2 from (3,−1)(3,-1) to (3,1)(3,1), with n^=ı^\hat{\mathbf{n}} = \hat{\boldsymbol{\imath}}
  • L3L_3 from (3,1)(3,1) to (0,1)(0,1), with n^=ȷ^\hat{\mathbf{n}} = \hat{\boldsymbol{\jmath}}
  • L4L_4 from (0,1)(0,1) to (0,−1)(0,-1), with n^=−ı^\hat{\mathbf{n}} = -\hat{\boldsymbol{\imath}}

So

∫CF⋅n^ ds=∫L1F⋅(−ȷ^) ds+∫L2F⋅ı^ ds+∫L3F⋅(ȷ^) ds+∫L4F⋅(−ı^) ds=∫03−(−1)⏞yex dx+∫−11(3)⏞xy2 dy+∫30(1)⏞yex (−dx)⏞ds+∫1−1(0)⏞xy2 (−dy)⏞ds=[e3−1]+[13−(−1)3]+[e3−1]+0=2e3\begin{aligned} \int_C \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}s &= \int_{L_1} \mathbf{F}\cdot(-\hat{\boldsymbol{\jmath}})\,\mathrm{d}s +\int_{L_2} \mathbf{F}\cdot \hat{\boldsymbol{\imath}}\,\mathrm{d}s +\int_{L_3} \mathbf{F}\cdot(\hat{\boldsymbol{\jmath}})\,\mathrm{d}s +\int_{L_4} \mathbf{F}\cdot(-\hat{\boldsymbol{\imath}})\,\mathrm{d}s \\ &= \int_0^3 -\overbrace{(-1)}^{y}e^x\,\mathrm{d}x +\int_{-1}^1 \overbrace{(3)}^{x}y^2\,\mathrm{d}y +\int^0_3 \overbrace{(1)}^{y}e^x\,\overbrace{(-\mathrm{d}x)}^{\mathrm{d}s} +\int^{-1}_1 \overbrace{(0)}^{x}y^2\,\overbrace{(-\mathrm{d}y)}^{\mathrm{d}s} \\ &=\big[e^3-1\big]+\big[1^3-(-1)^3\big] + \big[e^3-1\big]+0 \\ &=2e^3 \end{aligned}

The trickiest part of this computation is getting ds\mathrm{d}s correct on L3L_3 and L4L_4 (remembering that ds\mathrm{d}s is the arc length traveled and so is positive, while dx<0\mathrm{d}x<0 on L3L_3 and dy<0\mathrm{d}y<0 on L4L_4). To make a more detailed computation of ∫L3F⋅(ȷ^) ds\int_{L_3} \mathbf{F}\cdot(\hat{\boldsymbol{\jmath}})\,\mathrm{d}s, parametrize L3L_3 by

r(t)=(3,1)+t{(0,1)−(3,1)}=(3−3t,1)0≤t≤1\mathbf{r}(t) = (3,1) + t\big\{(0,1)-(3,1)\big\} = \big(3-3t,1\big)\qquad 0\le t\le 1

so that r(0)=(3,1)\mathbf{r}(0) = (3,1) is the initial point of L3L_3 and r(1)=(0,1)\mathbf{r}(1) = (0,1) is the final point of L3L_3. Then

r′(t)=(−3,0)dsdt(t)=∣r′(t)∣=3\mathbf{r}'(t) = (-3,0)\qquad \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) = |\mathbf{r}'(t)| = 3

and

∫L3F⋅ȷ^ ds=∫01F(r(t))⋅ȷ^ dsdt(t) dt=∫01e3−3t⏞y(t)ex(t) 3⏞dsdt(t) dt=−e3−3t∣01=e3−1\begin{aligned} \int_{L_3} \mathbf{F}\cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}\,\mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}\,\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\overbrace{e^{3-3t}}^{y(t)e^{x(t)}}\, \overbrace{3}^{\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)}\,\mathrm{d}t =-e^{3-3t}\Big|_0^1 =e^3-1 \end{aligned}

As a check, we'll now verify that we get the same answer for ∫L3F⋅(ȷ^) ds\int_{L_3} \mathbf{F}\cdot(\hat{\boldsymbol{\jmath}})\,\mathrm{d}s, when we parametrize L3L_3 by

r(t)=(0,1)+t{(3,1)−(0,1)}=(3t,1)0≤t≤1\mathbf{r}(t) = (0,1) + t\big\{(3,1)-(0,1)\big\} = \big(3t,1\big)\qquad 0\le t\le 1

so that, this time, r(0)=(0,1)\mathbf{r}(0) = (0,1) is the initial point of L3L_3 and r(1)=(3,1)\mathbf{r}(1) = (3,1) is the final point of L3L_3. This time

r′(t)=(3,0)dsdt(t)=∣r′(t)∣=3\mathbf{r}'(t) = (3,0)\qquad \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t) = |\mathbf{r}'(t)| = 3

and

∫L3F⋅ȷ^ ds=∫01F(r(t))⋅ȷ^ dsdt(t) dt=∫01e3t⏞y(t)ex(t) 3⏞dsdt(t) dt=e3t∣01=e3−1\begin{aligned} \int_{L_3} \mathbf{F}\cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}\,\mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\cdot \hat{\boldsymbol{\jmath}}\,\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\overbrace{e^{3t}}^{y(t)e^{x(t)}}\, \overbrace{3}^{\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}(t)}\,\mathrm{d}t =e^{3t}\Big|_0^1 =e^3-1 \end{aligned}

So both orientations of L3L_3 give the same value of ∫L3F⋅(ȷ^) ds\int_{L_3} \mathbf{F}\cdot(\hat{\boldsymbol{\jmath}})\,\mathrm{d}s.

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 3권 · 6장 복습 · 3번우리말 번역

벡터장의 발산은 벡터장이다.

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