문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

선적분

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

CLP-4 · 2.4절 · 13번대학 수준우리말 번역

힘의 장 F(x,y,z)=(x−y2 , y−z2 , z−x2)\mathbf{F}(x,y,z) = (x - y^2\,,\, y - z^2\,,\, z - x^2) 이 점 (0,0,1)(0, 0, 1) 에서 (2,1,0)(2, 1, 0) 까지의 선분을 따라 움직이는 입자에 한 일을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the work done by the force field F(x,y,z)=(x−y2 , y−z2 , z−x2)\mathbf{F}(x,y,z) = (x - y^2\,,\, y - z^2\,,\, z - x^2) on a particle that moves along the line segment from (0,0,1)(0, 0, 1) to (2,1,0)(2, 1, 0).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

선분을 다음과 같이 매개변수로 나타낸다.

r(t)=(0,0,1)+t{(2,1,0)−(0,0,1)}=(2t,t,1−t)0≤t≤1\mathbf{r}(t) = (0,0,1) + t\big\{(2,1,0)-(0,0,1)\big\} = \big(2t,t,1-t\big)\qquad 0\le t\le 1

그러면 r(0)=(0,0,1)\mathbf{r}(0) = (0,0,1) 은 선분의 시작점이고 r(1)=(2,1,0)\mathbf{r}(1) = (2,1,0) 은 선분의 끝점이다. 이때

r′(t)=(2,1,−1)\mathbf{r}'(t) = (2,1,-1)\qquad

이고, 일은

∫F⋅dr=∫01F(r(t))⋅r′(t) dt=∫01(2t−t2 , t−(1−t)2 , (1−t)−4t2)⋅(2,1,−1) dt=∫01(4t−2t2 + t−1+2t−t2 − 1+t+4t2) dt=∫01(t2+8t−2) dt=13+4−2=73\begin{aligned} \int\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\cdot \mathbf{r}'(t)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big(2t-t^2\,,\, t-(1-t)^2 \,,\,(1-t)-4t^2\big)\cdot(2,1,-1)\,\mathrm{d}t \\ &=\int_0^1\big(4t-2t^2 \ +\ t-1+2t-t^2 \ -\ 1+t+4t^2\big)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big(t^2+8t-2\big)\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{3}+4-2 =\frac{7}{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Parametrize the line segment by

r(t)=(0,0,1)+t{(2,1,0)−(0,0,1)}=(2t,t,1−t)0≤t≤1\mathbf{r}(t) = (0,0,1) + t\big\{(2,1,0)-(0,0,1)\big\} = \big(2t,t,1-t\big)\qquad 0\le t\le 1

so that r(0)=(0,0,1)\mathbf{r}(0) = (0,0,1) is the initial point of the line segment and r(1)=(2,1,0)\mathbf{r}(1) = (2,1,0) is the final point of the segment. Then

r′(t)=(2,1,−1)\mathbf{r}'(t) = (2,1,-1)\qquad

and the work is

∫F⋅dr=∫01F(r(t))⋅r′(t) dt=∫01(2t−t2 , t−(1−t)2 , (1−t)−4t2)⋅(2,1,−1) dt=∫01(4t−2t2 + t−1+2t−t2 − 1+t+4t2) dt=∫01(t2+8t−2) dt=13+4−2=73\begin{aligned} \int\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\cdot \mathbf{r}'(t)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big(2t-t^2\,,\, t-(1-t)^2 \,,\,(1-t)-4t^2\big)\cdot(2,1,-1)\,\mathrm{d}t \\ &=\int_0^1\big(4t-2t^2 \ +\ t-1+2t-t^2 \ -\ 1+t+4t^2\big)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big(t^2+8t-2\big)\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{3}+4-2 =\frac{7}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-4 · 2.4절 · 14번우리말 번역

 F=xx2+y2 ı^+yx2+y2 ȷ^+x3 k^\ \mathbf{F}= \frac{x}{x^2+y^2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{y}{x^2+y^2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+x^3\,\hat{\mathbf{k}} 라 하자. PP 는 (1,0,0)(1,0,0) 에서 출발하여 (12,12,12ln⁡2)\big(\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{2}\ln 2\big) 에서 끝나고 다음 곡선을 따르는 경로라 하자.

x2+y2=1xez=1x^2+y^2=1\qquad xe^z=1

장 F\mathbf{F} 안에서 입자를 PP 를 따라 움직일 때 한 일을 구하세요.

답 쓰고 채점
다 풀었으면 정답 확인

PP 위에서 z=ln⁡1x=−ln⁡(x)z=\ln\frac{1}{x}=-\ln(x) 이다. 따라서 곡선 PP 를 다음과 같이 매개변수로 나타낸다.

r(θ)=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^−ln⁡(cos⁡θ) k^0≤θ≤π4\mathbf{r}(\theta)=\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\ln(\cos\theta)\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le\theta\le\frac{\pi}{4}

그러면

r ′(θ)=−sin⁡θ ı^+cos⁡θ ȷ^+tan⁡θ k^F(r(θ))=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^+cos⁡3θ k^F(r(θ))⋅r ′(θ)=sin⁡θcos⁡2θ\begin{aligned} \mathbf{r}\,'(\theta)&=-\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\tan\theta\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)&=\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\cos^3\theta\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)\cdot\mathbf{r}\,'(\theta)&=\sin\theta\cos^2\theta\\ \end{aligned}

이므로

일=∫PF⋅dr=∫0π/4F(r(θ))⋅r ′(θ) dθ=∫0π/4sin⁡θcos⁡2θ dθ=−13cos⁡3θ∣0π/4=13[1−123/2]≈0.2155\begin{aligned} \text{일} &=\int_P\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\int_0^{\pi/4}\mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)\cdot\mathbf{r}\,'(\theta)\ \mathrm{d}\theta =\int_0^{\pi/4}\sin\theta\cos^2\theta\ \mathrm{d}\theta =-\frac{1}{3}\cos^3\theta\Big|_0^{\pi/4} \\ &=\frac{1}{3}\big[1-\frac{1}{2^{3/2}}\big]\approx 0.2155 \end{aligned}

이 문제로 이어서 풀기
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

「선적분」 문제 목록으로