문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

보존 벡터장

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

CLP-4 · 2.3절 · 10번대학 수준우리말 번역

다음 각 벡터장이 보존적인지 아닌지 판단하세요. 보존적이면 퍼텐셜을 구하세요.

(a) F(x,y,z)=xı^−2yȷ^+3zk^\mathbf{F}(x,y,z)=x\hat{\boldsymbol{\imath}}-2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3z\hat{\mathbf{k}} (b) F(x,y)=xı^−yȷ^x2+y2\mathbf{F}(x,y)=\frac{x\hat{\boldsymbol{\imath}}-y\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{x^2+y^2}

영어 원문 보기

Determine whether or not each of the following vector fields are conservative. Find the potential if it is.

(a) F(x,y,z)=xı^−2yȷ^+3zk^\mathbf{F}(x,y,z)=x\hat{\boldsymbol{\imath}}-2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3z\hat{\mathbf{k}} (b) F(x,y)=xı^−yȷ^x2+y2\mathbf{F}(x,y)=\frac{x\hat{\boldsymbol{\imath}}-y\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{x^2+y^2}

정답·풀이 보기

(a) F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 의 퍼텐셜을 구하여 이 벡터장이 보존적임을 보이겠다. φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) 가 이 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이 되기 위한 필요충분조건은

∂φ∂x(x,y,z)=x∂φ∂y(x,y,z)=−2y∂φ∂z(x,y,z)=3z\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z) &= x \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z) &= -2y \\ \frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z) &= 3z \end{aligned}

이다.

이 중 첫 번째 식을 적분하면

φ(x,y,z)=x22+f(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} + f(y,z)

이다. 이를 두 번째 식에 대입하면

∂f∂y(y,z)=−2y\frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = -2y

이고, 이를 적분하면

f(y,z)=−y2+g(z)f(y,z) = -y^2+ g(z)

이다. 마지막으로 φ(x,y,z)=x22−y2+g(z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} -y^2 + g(z) 를 마지막 식에 대입하면

g′(z)=3zg'(z) = 3z

이고, 이를 적분하면

g(z)=32z2+Cg(z) = \frac{3}{2} z^2 +C

이다. 여기서 CC 는 임의의 상수이다. 따라서 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 는 보존적이며, φ(x,y,z)=12x2−y2+32z2\varphi(x,y,z)=\tfrac{1}{2} x^2-y^2+\frac{3}{2}z^2 은 가능한 퍼텐셜 중 하나이다.

(b) 벡터장 F=F1 ı^+F2 ȷ^\mathbf{F}= F_1\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + F_2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 는 다음 검사를 통과해야만 보존적일 수 있다.

∂F1∂y=∂F2∂x\frac{\partial F_1}{\partial y}=\frac{\partial F_2}{\partial x}

이 경우

∂F1∂y=∂∂y(xx2+y2)=−2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_1}{\partial y} =\frac{\partial}{\partial y}\Big(\frac{x}{x^2+y^2}\Big) =-\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

는

∂F2∂x=∂∂x(−yx2+y2)=2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_2}{\partial x} =\frac{\partial}{\partial x}\Big(\frac{-y}{x^2+y^2}\Big) =\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

와 다르다. 이는 xx 와 yy 가 모두 0 이 아닌 모든 (x,y)(x,y) 에 대해 성립한다. 따라서 F\mathbf{F} 는 보존적이 아니다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We shall show that F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) is conservative by finding a potential for it. φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) is a potential for this F\mathbf{F} if and only if

∂φ∂x(x,y,z)=x∂φ∂y(x,y,z)=−2y∂φ∂z(x,y,z)=3z\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z) &= x \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z) &= -2y \\ \frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z) &= 3z \end{aligned}

Integrating the first of these equations gives

φ(x,y,z)=x22+f(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} + f(y,z)

Substituting this into the second equation gives

∂f∂y(y,z)=−2y\frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = -2y

which integrates to

f(y,z)=−y2+g(z)f(y,z) = -y^2+ g(z)

Finally, substituting φ(x,y,z)=x22−y2+g(z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} -y^2 + g(z) into the last equation gives

g′(z)=3zg'(z) = 3z

which integrates to

g(z)=32z2+Cg(z) = \frac{3}{2} z^2 +C

with CC being an arbitrary constant. So, F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) is conservative and φ(x,y,z)=12x2−y2+32z2\varphi(x,y,z)=\tfrac{1}{2} x^2-y^2+\frac{3}{2}z^2 is one allowed potential.

(b) The field F=F1 ı^+F2 ȷ^\mathbf{F}= F_1\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + F_2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} can be conservative only if it passes the screening test

∂F1∂y=∂F2∂x\frac{\partial F_1}{\partial y}=\frac{\partial F_2}{\partial x}

In this case

∂F1∂y=∂∂y(xx2+y2)=−2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_1}{\partial y} =\frac{\partial}{\partial y}\Big(\frac{x}{x^2+y^2}\Big) =-\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

is different from

∂F2∂x=∂∂x(−yx2+y2)=2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_2}{\partial x} =\frac{\partial}{\partial x}\Big(\frac{-y}{x^2+y^2}\Big) =\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

for all (x,y)(x,y) with xx and yy both nonzero. So F\mathbf{F} is not conservative.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-4 · 2.3절 · 9번우리말 번역

F(x,y,z)=(xx2+y2+z2)ı^+(yx2+y2+z2)ȷ^+(zx2+y2+z2)k^\mathbf{F}(x,y,z)=\left( \frac{x}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left( \frac{y}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\left( \frac{z}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\mathbf{k}} 의 퍼텐셜 φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) 를 구하거나, 존재하지 않음을 증명하세요.

다 풀었으면 정답 확인

φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) 가 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 의 퍼텐셜이면 다음이 성립한다.

  • ∂φ∂x(x,y,z)=xx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z)=\frac{x}{x^2+y^2+z^2} 이므로 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ1(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_1(y,z)
  • ∂φ∂y(x,y,z)=yx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z)=\frac{y}{x^2+y^2+z^2} 이므로 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ2(x,z)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_2(x,z)
  • ∂φ∂z(x,y,z)=zx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z)=\frac{z}{x^2+y^2+z^2} 이므로 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ2(x,y)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_2(x,y)

따라서 예를 들어 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)\varphi(x,y,z)= \frac{1}{2}\ln(x^2+y^2+z^2) 는 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 의 퍼텐셜이다.

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# 보존 벡터장계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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