문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

면적분과 플럭스

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

CLP-4 · 3.3절 · 31번대학 수준우리말 번역

벡터장

F=r∣r∣=x ı^+y ȷ^+z k^x2+y2+z2\mathbf{F} = \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|} = \frac{x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}}}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}

의 순 바깥쪽 플럭스를, 원점을 중심으로 하는 반지름 11 인 구와 반지름 22 인 구 사이 영역의 경계면에 대해 구하세요.

영어 원문 보기

Compute the net outward flux of the vector field

F=r∣r∣=x ı^+y ȷ^+z k^x2+y2+z2\mathbf{F} = \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|} = \frac{x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}}}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}

across the boundary of the region between the spheres of radius 11 and radius 22 centred at the origin.

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다음과 같이 놓는다.

V={ (x,y,z) ∣ 1≤x2+y2+z2≤4 }V=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 1\le x^2+y^2+z^2\le 4\ \big\}

VV 의 경계는 두 부분으로 이루어진다. 하나는 원점을 중심으로 하는 반지름 22 인 구 S2S_2 로, (바깥쪽) 법선벡터는 n^=r∣r∣=r2\hat{\mathbf{n}}=\frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}=\frac{\mathbf{r}}{2} 이다. 다른 하나는 원점을 중심으로 하는 반지름 11 인 구 S1S_1 로, (안쪽) 법선벡터는 n^=−r\hat{\mathbf{n}} = -\mathbf{r} 이다. 따라서

∬∂VF⋅n^ dS=∬S2r∣r∣⋅r2 dS−∬S1r∣r∣⋅r dS=∬S2dS−∬S1dS=4π(2)2−4π(1)2=12π\begin{aligned} \iint _{\partial V} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iint _{S_2} \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}\cdot\frac{\mathbf{r}}{2}\,\mathrm{d}S -\iint _{S_1} \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}\cdot\mathbf{r}\,\mathrm{d}S \\ &=\iint _{S_2} \mathrm{d}S -\iint _{S_1} \mathrm{d}S \\ &=4\pi(2)^2 -4\pi(1)^2 \\ &=12\pi \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Write

V={ (x,y,z) ∣ 1≤x2+y2+z2≤4 }V=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 1\le x^2+y^2+z^2\le 4\ \big\}

The boundary of VV consists of two parts — the sphere, S2S_2, of radius 22, centred on the origin, with (outward) normal n^=r∣r∣=r2\hat{\mathbf{n}}=\frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}=\frac{\mathbf{r}}{2}, and the sphere S1S_1 of radius 11, centred on the origin, with (inward) normal n^=−r\hat{\mathbf{n}} = -\mathbf{r}, So,

∬∂VF⋅n^ dS=∬S2r∣r∣⋅r2 dS−∬S1r∣r∣⋅r dS=∬S2dS−∬S1dS=4π(2)2−4π(1)2=12π\begin{aligned} \iint _{\partial V} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iint _{S_2} \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}\cdot\frac{\mathbf{r}}{2}\,\mathrm{d}S -\iint _{S_1} \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}\cdot\mathbf{r}\,\mathrm{d}S \\ &=\iint _{S_2} \mathrm{d}S -\iint _{S_1} \mathrm{d}S \\ &=4\pi(2)^2 -4\pi(1)^2 \\ &=12\pi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-4 · 3.3절 · 21번우리말 번역

(a) 꼭짓점이 점 (0,0,3)(0, 0, 3) 에 있고, 밑면이 xyxy평면 위의 원 x2+y2=4x^2 + y^2 = 4 인 원뿔의 곡면 SS 의 매개변수화를 구하세요. 원뿔의 옆면만 SS 에 속하고, 밑면은 속하지 않습니다. 매개변수의 정의역을 반드시 포함하세요. (b) (a)의 곡면 SS 의 질량중심의 zz좌표를 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) zz 가 상수인 (수평) 단면은 각각 zz축을 중심으로 하는 원이다. 반지름은 z=0z=0 일 때 22 에서 z=3z=3 일 때 00 까지 일차적으로 변한다. 따라서 높이 zz 에서의 반지름은 23(3−z)\frac{2}{3}(3-z) 이고, 다음을 사용할 수 있다.

r(θ,z)=23(3−z)cos⁡θ ı^+23(3−z)sin⁡θ ȷ^+z k^0≤θ<2π,0≤z≤3\begin{aligned} \mathbf{r}(\theta,z) = \frac{2}{3}(3-z)\cos\theta\ \hat{\boldsymbol{\imath}} +\frac{2}{3}(3-z)\sin\theta\ \hat{\boldsymbol{\jmath}} +z\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le\theta<2\pi,\quad 0\le z\le 3 \end{aligned}

이것이 매개변수화이다.

(b) 대칭성에 의해 질량중심은 zz축 위에 있다. 어차피 zz좌표만 구하면 된다. 질량중심의 zz좌표는 원뿔 위에서 zz 의 가중평균이다. 밀도가 주어지지 않았으므로 상수라고 가정한다. 밀도를 11 로 잡을 수 있으므로, 질량중심의 zz좌표는 ∬Sz dS/∬SdS\iint _S z\,\mathrm{d}S/ \iint _S \mathrm{d}S 이다.

∂r∂θ=(−23(3−z)sin⁡θ , 23(3−z)cos⁡θ , 0)∂r∂z=(−23cos⁡θ , −23sin⁡θ , 1)∂r∂θ×∂r∂z=(23(3−z)cos⁡θ , 23(3−z)sin⁡θ , 49(3−z))\begin{aligned} \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial\theta} &=\big(-\tfrac{2}{3}(3-z)\sin\theta\,,\, \tfrac{2}{3}(3-z)\cos\theta\,,\, 0 \big) \\ \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial z} &=\big(-\tfrac{2}{3}\cos\theta\,,\, -\tfrac{2}{3}\sin\theta\,,\, 1 \big) \\ \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial\theta} \times \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial z} &=\big(\tfrac{2}{3}(3-z)\cos\theta\,,\, \tfrac{2}{3}(3-z)\sin\theta\,,\, \tfrac{4}{9}(3-z)\big) \end{aligned}

이므로, 이 매개변수화에 대한 겉넓이 요소는 다음과 같다.

dS=∣∂r∂θ×∂r∂z∣dθdz=23(3−z)∣(cos⁡θ , sin⁡θ , 23)∣dθdz=2139(3−z)dθdz\begin{aligned} \mathrm{d}S &= \big|\tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial\theta}\times \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial z} \big|\mathrm{d}\theta\mathrm{d}z =\tfrac{2}{3}(3-z)\big|(\cos\theta\,,\,\sin\theta\,,\,\tfrac{2}{3}\big)\big| \mathrm{d}\theta\mathrm{d}z \\ &=\tfrac{2\sqrt{13}}{9}(3-z) \mathrm{d}\theta\mathrm{d}z \end{aligned}

따라서 원뿔의 겉넓이 ∬SdS\iint _S \mathrm{d}S 는 다음과 같다.

∫03dz∫02πdθ 2139(3−z)=4139π∫03dz (3−z)=−2139π(3−z)2∣03=213π\begin{aligned} \int_0^3\mathrm{d}z\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \tfrac{2\sqrt{13}}{9}(3-z) &=\tfrac{4\sqrt{13}}{9}\pi\int_0^3\mathrm{d}z\ (3-z) =-\tfrac{2\sqrt{13}}{9}\pi(3-z)^2\Big|_0^3 \\ &=2\sqrt{13}\pi \end{aligned}

그리고 질량중심의 zz좌표는 다음과 같다.

zˉ=1213π∫03dz∫02πdθ 2139(3−z)z=29∫03dz (3z−z2)=29[3z22−z33]03=29276=1\begin{aligned} \bar z &=\frac{1}{2\sqrt{13}\pi} \int_0^3\mathrm{d}z\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \tfrac{2\sqrt{13}}{9}(3-z) z =\frac{2}{9}\int_0^3\mathrm{d}z\ (3z-z^2) =\frac{2}{9}{\Big[\frac{3z^2}{2}-\frac{z^3}{3}\Big]}_0^3 \\ &=\frac{2}{9}\frac{27}{6} =1 \end{aligned}

이는 원뿔의 절반 높이보다 조금 낮은 값인데, 원뿔이 “아래쪽이 무겁기” 때문에 타당하다.

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