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 · 16번대학 수준우리말 번역

CC 를 중심이 (1,0)(1, 0) 인 단위원의 위쪽 반원 (즉, 원에서 xx축 위쪽에 놓인 부분)이라 하고, 시계 방향으로 향하게 하자. 선적분 ∫Cxy dy\int_C xy\,\mathrm{d}y 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the upper half of the unit circle centred on (1,0)(1, 0) (i.e. that part of the circle which lies above the xx-axis), oriented clockwise. Compute the line integral ∫Cxy dy\int_C xy\,\mathrm{d}y.

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풀이 1:

주어진 반원 CC 와 F=xy ȷ^\mathbf{F}=xy\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 에 대하여 선적분 ∫CF⋅dr\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하는 문제이다. ∇×F≠0{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\ne\mathbf{0} 이므로 벡터장 F\mathbf{F} 는 보존적이지 않다. 따라서 직접 적분한다. 먼저 그림을 이용하여

그림

CC 를 다음과 같이 매개화한다.

r(θ)=(x(θ) , y(θ))=(1−cos⁡θ) ı^+sin⁡θ ȷ^0≤θ≤π\mathbf{r}(\theta) = \big(x(\theta)\,,\,y(\theta)\big) =(1-\cos\theta)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\qquad 0\le\theta\le\pi

그러면 적분은 다음과 같다.

∫Cxy dy=∫0πx(θ) y(θ) y′(θ) dθ=∫0π(1−cos⁡θ) sin⁡θ cos⁡θ dθ\begin{aligned} \int_C xy\,\mathrm{d}y =\int_0^\pi x(\theta)\,y(\theta)\, y'(\theta)\ \mathrm{d}\theta =\int_0^\pi (1-\cos\theta)\,\sin\theta\,\cos\theta \ \mathrm{d}\theta \end{aligned}

u=cos⁡θu=\cos\theta, du=−sin⁡θ dθ\mathrm{d}u =-\sin\theta\,\mathrm{d}\theta, u(0)=1u(0)=1, u(π)=−1u(\pi)=-1 로 치환하면

∫Cxy dy=∫1−1(1−u) u (−du)=∫−11(u−u2) du=−2∫01u2 du=−2133=−23\begin{aligned} \int_C xy\,\mathrm{d}y =\int_1^{-1} (1-u)\, u\, (-\mathrm{d}u) =\int_{-1}^1 (u-u^2)\,\mathrm{d}u =-2 \int_0^1 u^2\,\mathrm{d}u =-2 \frac{1^3}{3}=-\frac{2}{3} \end{aligned}

풀이 2:

CC 위에서 xx 를 yy 에 대한 식으로 두 부분으로 나누어 나타낼 수 있다.

  • C1C_1 을 yy 가 0에서 1까지 변할 때의 사분원 x=1−1−y2x=1-\sqrt{1-y^2} 이라 하고,
  • C2C_2 를 yy 가 1에서 0까지 변할 때의 사분원 x=1+1−y2x=1+\sqrt{1-y^2} 이라 하자.

그러면 다음과 같다.

∫Cxydy=∫C1xydy+∫c2xydy=∫01(1−1−y2)y dy+∫10(1+1−y2)y dy=∫01y dy−∫01y1−y2 dy+∫10y dy+∫10y1−y2 dy=−2∫01y1−y2 dy치환 u=1−y2, du=−2y dy 를 이용하면:=∫10u1/2du=−23\begin{aligned} \int_C xy\mathrm{d}y &=\int_{C_1} xy\mathrm{d}y+\int_{c_2}xy\mathrm{d}y\\ &=\int_0^1\left(1-\sqrt{1-y^2}\right)y\,\mathrm{d}y+\int_1^0\left(1+\sqrt{1-y^2}\right)y\,\mathrm{d}y\\ &=\int_0^1 y\,\mathrm{d}y-\int_0^1y\sqrt{1-y^2}\,\mathrm{d}y+\int_1^0y\,\mathrm{d}y+\int_1^0 y\sqrt{1-y^2}\,\mathrm{d}y\\ &=-2\int_0^1 y\sqrt{1-y^2}\,\mathrm{d}y \\ \text{치환 $u=1-y^2$, $\mathrm{d}u=-2y\,\mathrm{d}y$ 를 이용하면:} \\ &=\int_1^0u^{1/2}\mathrm{d}u=-\frac23 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Solution 1:

We are being asked to evaluate the line integral ∫CF⋅dr\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} with CC being the specified semi-circle and F=xy ȷ^\mathbf{F}=xy\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}. As ∇×F≠0{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\ne\mathbf{0}, the vector field F\mathbf{F} is not conservative. So we'll evaluate the integral directly. First, using the figure,

figure

we parametrize CC by

r(θ)=(x(θ) , y(θ))=(1−cos⁡θ) ı^+sin⁡θ ȷ^0≤θ≤π\mathbf{r}(\theta) = \big(x(\theta)\,,\,y(\theta)\big) =(1-\cos\theta)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\qquad 0\le\theta\le\pi

So the integral is

∫Cxy dy=∫0πx(θ) y(θ) y′(θ) dθ=∫0π(1−cos⁡θ) sin⁡θ cos⁡θ dθ\begin{aligned} \int_C xy\,\mathrm{d}y =\int_0^\pi x(\theta)\,y(\theta)\, y'(\theta)\ \mathrm{d}\theta =\int_0^\pi (1-\cos\theta)\,\sin\theta\,\cos\theta \ \mathrm{d}\theta \end{aligned}

Making the substitution u=cos⁡θu=\cos\theta, du=−sin⁡θ dθ\mathrm{d}u =-\sin\theta\,\mathrm{d}\theta, u(0)=1u(0)=1, u(π)=−1u(\pi)=-1,

∫Cxy dy=∫1−1(1−u) u (−du)=∫−11(u−u2) du=−2∫01u2 du=−2133=−23\begin{aligned} \int_C xy\,\mathrm{d}y =\int_1^{-1} (1-u)\, u\, (-\mathrm{d}u) =\int_{-1}^1 (u-u^2)\,\mathrm{d}u =-2 \int_0^1 u^2\,\mathrm{d}u =-2 \frac{1^3}{3}=-\frac{2}{3} \end{aligned}

Solution 2:

We can write xx in terms of yy over CC in two pieces:

  • Let C1C_1 be the quarter-circle x=1−1−y2x=1-\sqrt{1-y^2} as yy goes from 0 to 1, and
  • Let C2C_2 be the quarter-circle x=1+1−y2x=1+\sqrt{1-y^2} as yy goes from 1 to 0.

Then:

∫Cxydy=∫C1xydy+∫c2xydy=∫01(1−1−y2)y dy+∫10(1+1−y2)y dy=∫01y dy−∫01y1−y2 dy+∫10y dy+∫10y1−y2 dy=−2∫01y1−y2 dyUsing the substitution u=1−y2, du=−2y dy:=∫10u1/2du=−23\begin{aligned} \int_C xy\mathrm{d}y &=\int_{C_1} xy\mathrm{d}y+\int_{c_2}xy\mathrm{d}y\\ &=\int_0^1\left(1-\sqrt{1-y^2}\right)y\,\mathrm{d}y+\int_1^0\left(1+\sqrt{1-y^2}\right)y\,\mathrm{d}y\\ &=\int_0^1 y\,\mathrm{d}y-\int_0^1y\sqrt{1-y^2}\,\mathrm{d}y+\int_1^0y\,\mathrm{d}y+\int_1^0 y\sqrt{1-y^2}\,\mathrm{d}y\\ &=-2\int_0^1 y\sqrt{1-y^2}\,\mathrm{d}y \\ \text{Using the substitution $u=1-y^2$, $\mathrm{d}u=-2y\,\mathrm{d}y$:} \\ &=\int_1^0u^{1/2}\mathrm{d}u=-\frac23 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-4 · 2.4절 · 17번우리말 번역

다음 선적분이 경로에 무관함을 보이고, 그 적분의 값을 구하세요.

∫C(yex+sin⁡y) dx+(ex+sin⁡y+xcos⁡y) dy\begin{aligned} \int_C (ye^x + \sin y)\,\mathrm{d}x + (e^x + \sin y + x \cos y)\,\mathrm{d}y \end{aligned}

여기서 CC 는 (1,0)(1, 0) 에서 (0,π/2)(0, \pi/2) 까지의 임의의 경로이다.

다 풀었으면 정답 확인

이 선적분은 ∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} 이고 F=(yex+sin⁡y) ı^+(ex+sin⁡y+xcos⁡y) ȷ^\mathbf{F} = (ye^x + \sin y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (e^x + \sin y + x \cos y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이다. 이 적분이 경로에 무관함을 보여야 한다. 이는 F\mathbf{F} 가 보존장인 것과 필요충분조건이다. 그러므로 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜 φ\varphi 를 찾아보자. 즉, 다음을 만족하는 함수 φ\varphi 를 찾아보자.

∂φ∂x(x,y)=yex+sin⁡y∂φ∂y(x,y)=ex+sin⁡y+xcos⁡y\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y) &= ye^x + \sin y \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y) &= e^x + \sin y + x \cos y \end{aligned}

이 중 첫째 식을 적분하면 다음을 얻는다.

φ(x,y)=yex+xsin⁡y+f(y)\varphi(x,y) = ye^x + x\sin y + f(y)

이것을 둘째 식에 대입하면 다음을 얻는다.

ex+xcos⁡y+f′(y)=ex+sin⁡y+xcos⁡y또는f′(y)=sin⁡ye^x + x\cos y + f'(y) = e^x + \sin y + x \cos y\qquad\text{또는}\quad f'(y) = \sin y

이를 적분하면 다음과 같다.

f(y)=−cos⁡y+Cf(y) = -\cos y + C

따라서 F\mathbf{F} 는 실제로 보존장이며, 퍼텐셜 중 하나는 φ(x,y)=yex+xsin⁡y−cos⁡y\varphi(x,y) = ye^x + x\sin y -\cos y 이고 선적분은 다음과 같다.

∫C(yex+sin⁡y) dx+(ex+sin⁡y+xcos⁡y) dy=∫CF⋅dr=φ(x,y)∣(1,0)(0,π/2)=[yex+xsin⁡y−cos⁡y](1,0)(0,π/2)=1+π2\begin{aligned} \int_C (ye^x + \sin y)\,\mathrm{d}x + (e^x + \sin y + x \cos y)\,\mathrm{d}y &=\int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =\varphi(x,y)\Big|^{(0,\pi/2)}_{(1,0)} \\ &=\Big[ye^x + x\sin y -\cos y\Big]^{(0,\pi/2)}_{(1,0)} \\ &=1+\frac{\pi}{2} \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)

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