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 · 32번대학 수준우리말 번역

CC 를 곡면 y=x2y=x^2 과 z=x3z=x^3 의 교선을 따라 (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,1,1)(1,1,1) 까지 가는 곡선이라 하자.

(a) ss 가 CC 를 따른 호의 길이이고 ρ=8x+36z\rho=8x+36z 일 때, ∫Cρ ds\int_C \rho\, \mathrm{d}s 의 값을 구하세요. (b) F=sin⁡y ı^+(xcos⁡y+z) ȷ^+(y+z) k^\mathbf{F}=\sin y\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (x\cos y+z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ (y+z)\,\hat{\mathbf{k}} 일 때, ∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the curve from (0,0,0)(0,0,0) to (1,1,1)(1,1,1) along the intersection of the surfaces y=x2y=x^2 and z=x3z=x^3.

(a) Find ∫Cρ ds\int_C \rho\, \mathrm{d}s if ss is arc length along CC and ρ=8x+36z\rho=8x+36z. (b) Find ∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} if F=sin⁡y ı^+(xcos⁡y+z) ȷ^+(y+z) k^\mathbf{F}=\sin y\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (x\cos y+z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ (y+z)\,\hat{\mathbf{k}}.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) CC 를 xx 로 매개변수화한다. 곡선 위의 점의 첫째 성분이 xx 이면 둘째 성분 yy 는 x2x^2 이어야 하고, 셋째 성분 zz 는 x3x^3 이어야 한다. 따라서

r(x)=x ı^+x2 ȷ^+x3 k^0≤x≤1r′(x)=ı^+2x ȷ^+3x2 k^dsdx(x)=1+4x2+9x4\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+x^3\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le x\le 1\\ \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3x^2\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(x)&=\sqrt{1+4x^2+9x^4} \end{aligned}

이고

ρ(x) dsdx(x)=(8x+36x3)1+4x2+9x4∫Cρ ds=∫01(8x+36x3)1+4x2+9x4 dx\begin{aligned} \rho(x)\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(x) &=\big(8x+36x^3\big)\sqrt{1+4x^2+9x^4}\\ \int_C\rho\ \mathrm{d}s &=\int_0^1 \big(8x+36x^3\big)\sqrt{1+4x^2+9x^4}\,\mathrm{d}x \end{aligned}

이다.

u=1+4x2+9x4u=1+4x^2+9x^4, du=(8x+36x3) dx\mathrm{d}u = \big(8x+36x^3\big)\,\mathrm{d}x, u(0)=1u(0)=1, u(1)=14u(1)=14 로 치환하면

∫Cρ ds=∫114u du=23u3/2∣114=23[143/2−1]≈34.26\begin{aligned} \int_C\rho\ \mathrm{d}s &=\int_1^{14} \sqrt{u}\ \mathrm{d}u =\frac{2}{3}u^{3/2}\bigg|_1^{14}\\ &=\frac{2}{3}\big[14^{3/2}-1\big]\approx 34.26 \end{aligned}

이다.

(b) f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+12z2f(x,y,z)=x\sin y+yz+\tfrac{1}{2} z^2 에 대해 F(x,y,z)=∇f(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z)=\nabla f(x,y,z) 이므로

∫CF⋅dr=f(1,1,1)−f(0,0,0)=sin⁡1+32≈2.3415\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=f(1,1,1)-f(0,0,0) =\sin 1+\frac{3}{2} \approx 2.3415

이다.

퍼텐셜 ff 는 추측으로 구한 것이다. 다른 방법으로, 다음을 풀어서 구할 수도 있다.

∂f∂x(x,y,z)=sin⁡y∂f∂y(x,y,z)=xcos⁡y+z∂f∂z(x,y,z)=y+z\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(x,y,z) &= \sin y \\ \frac{\partial f}{\partial y}(x,y,z) &= x\cos y+z \\ \frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z) &= y+z \end{aligned}

이 중 첫째 식을 적분하면

f(x,y,z)=xsin⁡y+g(y,z)f(x,y,z) = x\sin y +g(y,z)

를 얻는다.

이것을 둘째 식에 대입하면

xcos⁡y+∂g∂y(y,z)=xcos⁡y+z또는∂g∂y(x,z)=zx\cos y+\frac{\partial g}{\partial y}(y,z) = x\cos y+z\qquad\text{또는}\qquad \frac{\partial g}{\partial y}(x,z)=z

이고, 이로부터 반드시

g(y,z)=yz+h(z)g(y,z) = yz + h(z)

이다.

마지막으로 f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+h(z)f(x,y,z) = x\sin y +yz + h(z) 를 마지막 식에 대입하면

y+h′(z)=y+z또는h′(z)=zy + h'(z) =y+z \quad\text{또는}\quad h'(z) = z

이다.

따라서 h(x)=z22+Ch(x) = \frac{z^2}{2}+C 이고, 그러므로 임의의 상수 CC 에 대해 f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+z22+Cf(x,y,z) = x\sin y + yz + \frac{z^2}{2}+C 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Parametrize CC by xx. When the first component of a point on the curve is xx, then the second component, yy, must be x2x^2 and the third component, zz, must be x3x^3. So

r(x)=x ı^+x2 ȷ^+x3 k^0≤x≤1r′(x)=ı^+2x ȷ^+3x2 k^dsdx(x)=1+4x2+9x4\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+x^3\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le x\le 1\\ \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3x^2\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(x)&=\sqrt{1+4x^2+9x^4} \end{aligned}

and

ρ(x) dsdx(x)=(8x+36x3)1+4x2+9x4∫Cρ ds=∫01(8x+36x3)1+4x2+9x4 dx\begin{aligned} \rho(x)\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(x) &=\big(8x+36x^3\big)\sqrt{1+4x^2+9x^4}\\ \int_C\rho\ \mathrm{d}s &=\int_0^1 \big(8x+36x^3\big)\sqrt{1+4x^2+9x^4}\,\mathrm{d}x \end{aligned}

Substituting u=1+4x2+9x4u=1+4x^2+9x^4, du=(8x+36x3) dx\mathrm{d}u = \big(8x+36x^3\big)\,\mathrm{d}x, u(0)=1u(0)=1, u(1)=14u(1)=14,

∫Cρ ds=∫114u du=23u3/2∣114=23[143/2−1]≈34.26\begin{aligned} \int_C\rho\ \mathrm{d}s &=\int_1^{14} \sqrt{u}\ \mathrm{d}u =\frac{2}{3}u^{3/2}\bigg|_1^{14}\\ &=\frac{2}{3}\big[14^{3/2}-1\big]\approx 34.26 \end{aligned}

(b) Since F(x,y,z)=∇f(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z)=\nabla f(x,y,z) with f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+12z2f(x,y,z)=x\sin y+yz+\tfrac{1}{2} z^2,

∫CF⋅dr=f(1,1,1)−f(0,0,0)=sin⁡1+32≈2.3415\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=f(1,1,1)-f(0,0,0) =\sin 1+\frac{3}{2} \approx 2.3415

The potential ff was just guessed. Alternatively, it can be found by solving

∂f∂x(x,y,z)=sin⁡y∂f∂y(x,y,z)=xcos⁡y+z∂f∂z(x,y,z)=y+z\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(x,y,z) &= \sin y \\ \frac{\partial f}{\partial y}(x,y,z) &= x\cos y+z \\ \frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z) &= y+z \end{aligned}

Integrating the first of these equations gives

f(x,y,z)=xsin⁡y+g(y,z)f(x,y,z) = x\sin y +g(y,z)

Substituting this into the second equation gives

xcos⁡y+∂g∂y(y,z)=xcos⁡y+zor∂g∂y(x,z)=zx\cos y+\frac{\partial g}{\partial y}(y,z) = x\cos y+z\qquad\text{or}\qquad \frac{\partial g}{\partial y}(x,z)=z

which forces

g(y,z)=yz+h(z)g(y,z) = yz + h(z)

Finally, substituting f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+h(z)f(x,y,z) = x\sin y +yz + h(z) into the last equation gives

y+h′(z)=y+zorh′(z)=zy + h'(z) =y+z \quad\text{or}\quad h'(z) = z

So h(x)=z22+Ch(x) = \frac{z^2}{2}+C and hence f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+z22+Cf(x,y,z) = x\sin y + yz + \frac{z^2}{2}+C for any constant CC.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-4 · 1.6절 · 2번우리말 번역

(a) 극좌표로 r=r(θ)r=r(\theta), θ1≤θ≤θ2\theta_1\le \theta\le\theta_2 와 같이 주어진 곡선 C\mathcal{C} 를 따라 적분한 ∫Cf(x,y) ds\int_\mathcal{C} f(x,y)\,ds 가

∫θ1θ2f(r(θ)cos⁡θ,r(θ)sin⁡θ)r(θ)2+(drdθ(θ))2 dθ\int_{\theta_1}^{\theta_2}f\big(r(\theta)\cos\theta, r(\theta)\sin\theta\big) \sqrt{r(\theta)^2+\left(\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}(\theta)\right)^2}\, \mathrm{d}\theta 임을 보이세요. (b) r=1+cos⁡θ, 0≤θ≤2πr=1+\cos\theta,\ 0\le \theta\le 2\pi 의 곡선의 길이를 구하세요. 계산을 간단히 하기 위해 다음 공식을 사용해도 됩니다.

1+cos⁡θ=2cos⁡2θ21+\cos\theta=2\cos^2\frac{\theta}{2}

다 풀었으면 정답 확인

(a) 곡선은 r(θ)=x(θ) ı^+y(θ) ȷ^\mathbf{r}(\theta) = x(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고 x(θ)=r(θ)cos⁡θx(\theta)=r(\theta)\cos\theta, y(θ)=r(θ)sin⁡θy(\theta)=r(\theta)\sin\theta, θ1≤θ≤θ2\theta_1\le \theta\le \theta_2 이다. 이 곡선 위에서

v(θ)=drdθ(θ)=x′(θ)ı^+y′(θ)ȷ^=[r′(θ)cos⁡θ−r(θ)sin⁡θ]ı^+[r′(θ)sin⁡θ+r(θ)cos⁡θ]ȷ^  ⟹  dsdθ(θ)=[r′(θ)cos⁡θ−r(θ)sin⁡θ]2+[r′(θ)sin⁡θ+r(θ)cos⁡θ]2=r′(θ)2+r(θ)2\begin{aligned} \mathbf{v}(\theta) =\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}\theta}(\theta)&= x'(\theta)\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y'(\theta)\hat{\boldsymbol{\jmath}} =\big[r'(\theta)\cos\theta-r(\theta)\sin\theta\big]\hat{\boldsymbol{\imath}}+ \big[r'(\theta)\sin\theta+r(\theta)\cos\theta\big]\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ \implies \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}(\theta) &=\sqrt{\big[r'(\theta)\cos\theta-r(\theta)\sin\theta\big]^2 + \big[r'(\theta)\sin\theta+r(\theta)\cos\theta\big]^2}\\ &=\sqrt{r'(\theta)^2+r(\theta)^2} \end{aligned}

따라서

∫Cf(x,y) ds=∫θ1θ2 ⁣ ⁣ ⁣f(x(θ),y(θ))dsdθ dθ=∫θ1θ2 ⁣ ⁣ ⁣f(r(θ)cos⁡θ,r(θ)sin⁡θ)r(θ)2+(drdθ(θ))2 dθ\begin{aligned} \int_\mathcal{C} f(x,y)\,ds &= \int_{\theta_1}^{\theta_2}\!\!\!f\big(x(\theta), y(\theta)\big) \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}\,\mathrm{d}\theta \\ &=\int_{\theta_1}^{\theta_2}\!\!\!f\big(r(\theta)\cos\theta, r(\theta)\sin\theta\big) \sqrt{r(\theta)^2 +\left(\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}(\theta)\right)^2}\, \mathrm{d}\theta \end{aligned}

이다.

(b) 이 경우 f(x,y)=1f(x,y)=1, r(θ)=1+cos⁡θr(\theta)=1+\cos\theta, θ1=0\theta_1=0, θ2=2π\theta_2=2\pi 이므로

∫C ds=∫02π[1+cos⁡θ]2+[−sin⁡θ]2 dθ=∫02π2(1+cos⁡θ) dθ=∫02π4cos⁡2θ2 dθ=2∫02π∣cos⁡θ2∣ dθ=4∫0πcos⁡θ2 dθ=8sin⁡θ2∣0π=8\begin{aligned} \int_C \,ds &=\int_0^{2\pi} \sqrt{[1+\cos\theta]^2+[-\sin\theta]^2}\,\mathrm{d}\theta =\int_0^{2\pi} \sqrt{2(1+\cos\theta)}\,\mathrm{d}\theta\\ &=\int_0^{2\pi} \sqrt{4\cos^2\frac{\theta}{2}}\,\mathrm{d}\theta =2\int_0^{2\pi} \left|\cos\frac{\theta}{2}\right|\,\mathrm{d}\theta =4\int_0^{\pi} \cos\frac{\theta}{2}\ \mathrm{d}\theta =8 \sin\frac{\theta}{2}\bigg|_0^{\pi} =8 \end{aligned}

이다.

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

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