발산과 회전 연습문제 — CLP-4 · 4.1절 · 5번

CLP-4 · 4.1절 · 5번대학 수준우리말 번역

(a) $\mathbf{r}=(x,y,z)$ , $r=|(x,y,z)|$ 일 때 ${ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\big(\frac{\mathbf{r}}{r}\big)$ 를 계산하고 간단히 하세요. 답을 $r$ 에 관한 식으로 나타내세요. (b) ${ \boldsymbol{\nabla} }\times\big(yz\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 2xz\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{xy}\,\hat{\mathbf{k}}\big)$ 를 계산하세요.

영어 원문 보기

(a) Compute and simplify ${ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\big(\frac{\mathbf{r}}{r}\big)$ for $\mathbf{r}=(x,y,z)$ and $r=|(x,y,z)|$ . Express your answer in terms of $r$ . (b) Compute ${ \boldsymbol{\nabla} }\times\big(yz\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 2xz\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{xy}\,\hat{\mathbf{k}}\big)$ .

정답·풀이 보기

(a) $\frac{\mathbf{r}}{r} =\frac{x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}}}{[x^2+y^2+z^2]^{1/2}}$ 의 발산을 계산하면 된다.

$\begin{aligned} \frac{\partial }{\partial x}\frac{x}{{[x^2+y^2+z^2]}^{1/2}} &=\frac{1}{{[x^2+y^2+z^2]}^{1/2}} -\frac{1}{2}\frac{x(2x)}{{[x^2+y^2+z^2]}^{3/2}} &\,=\,\frac{y^2+z^2}{{[x^2+y^2+z^2]}^{3/2}} \\ \frac{\partial }{\partial y}\frac{y}{{[x^2+y^2+z^2]}^{1/2}} &=\frac{1}{{[x^2+y^2+z^2]}^{1/2}} -\frac{1}{2}\frac{y(2y)}{{[x^2+y^2+z^2]}^{3/2}} &\,=\,\frac{x^2+z^2}{{[x^2+y^2+z^2]}^{3/2}} \\ \frac{\partial }{\partial z}\frac{z}{{[x^2+y^2+z^2]}^{1/2}} &=\frac{1}{{[x^2+y^2+z^2]}^{1/2}} -\frac{1}{2}\frac{z(2z)}{{[x^2+y^2+z^2]}^{3/2}} &\,=\,\frac{x^2+y^2}{{[x^2+y^2+z^2]}^{3/2}} \end{aligned}$

이므로 구하는 발산은 다음과 같다.

$\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\left(\frac{\mathbf{r}}{r}\right) &= \frac{2x^2+2y^2+2z^2}{{[x^2+y^2+z^2]}^{3/2}} =\frac{2r^2}{r^3} =\frac{2}{r} \end{aligned}$

(b)

$\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times\big(yz\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 2xz\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + e^{xy}\,\hat{\mathbf{k}}\big) &=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}}&\hat{\boldsymbol{\jmath}}&\hat{\mathbf{k}}\\[0.03in] \frac{\partial }{\partial x}& \frac{\partial }{\partial y}& \frac{\partial }{\partial z}\\[0.03in] yz&2xz&e^{xy}\end{matrix}\right] =\big(xe^{xy}-2x\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-\big(ye^{xy}-y\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}$

원본 교재 풀이(영어)

(a) We are to compute the divergence of $\frac{\mathbf{r}}{r} =\frac{x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}}}{[x^2+y^2+z^2]^{1/2}}$ . Since

the specified divergence is

$\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\left(\frac{\mathbf{r}}{r}\right) &= \frac{2x^2+2y^2+2z^2}{{[x^2+y^2+z^2]}^{3/2}} =\frac{2r^2}{r^3} =\frac{2}{r} \end{aligned}$

(b)

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-4 · 4.1절 · 6번우리말 번역

다음에서 기호 $\mathbf{r} = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + z\,\hat{\mathbf{k}}$ , $r = |\mathbf{r}|$ 를 사용하고, $k$ 는 $k = 0, 1, -1, 2, -2, \dots$ 중 어떤 수이다.

(a) 다음을 만족하는 $k$ 의 값을 구하세요.

${ \boldsymbol{\nabla} } (r^k) = -3\frac{\mathbf{r}}{r^5}$ (b) 다음을 만족하는 $k$ 의 값을 구하세요.

${ \boldsymbol{\nabla} } \cdot (r^k\mathbf{r}) = 5r^2$ (c) 다음을 만족하는 $k$ 의 값을 구하세요.

${ \boldsymbol{\nabla} }^2 (r^k) = \frac{2}{r^4}$

답 쓰고 채점

(a)

(b)

(c)

다 풀었으면 정답 확인

(a) $r^k=\big(x^2+y^2+z^2\big)^{k/2}$ 이므로,

$\begin{aligned} \frac{\partial }{\partial x} r^k & = 2x\ \frac{k}{2}\big(x^2+y^2+z^2\big)^{\frac{k}{2}-1} = k\ (\mathbf{r}\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}})\ r^{k-2} \\ \frac{\partial }{\partial y} r^k & = 2y\ \frac{k}{2}\big(x^2+y^2+z^2\big)^{\frac{k}{2}-1} = k\ (\mathbf{r}\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}})\ r^{k-2} \\ \frac{\partial }{\partial z} r^k & = 2z\ \frac{k}{2}\big(x^2+y^2+z^2\big)^{\frac{k}{2}-1} = k\ (\mathbf{r}\cdot\hat{\mathbf{k}})\ r^{k-2} \end{aligned}$

구하는 값은 $k=-3$ 이다.

(b) (a)의 계산을 이용하면

$\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } \cdot (r^k\mathbf{r}) &= \frac{\partial }{\partial x} (x r^k) + \frac{\partial }{\partial y} (y r^k) + \frac{\partial }{\partial z} (z r^k) \\ &= 3r^k + x \frac{\partial }{\partial x} r^k + y \frac{\partial }{\partial y} r^k + z \frac{\partial }{\partial z} r^k \\ &= 3r^k + x \big(kx\ r^{k-2}\big) + y \big(ky\ r^{k-2}\big) + z \big(kz\ r^{k-2}\big) \\ &= \big(3+k\big)r^k \end{aligned}$

구하는 값은 $k=2$ 이다.

$\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }^2 (r^k ) &={ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\big({ \boldsymbol{\nabla} }(r^k)\big) \\ &={ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(k r^{k-2}\,\mathbf{r}) &\text{(a)에 의해} \\ &=k(3+k-2)r^{k-2} &\text{(b)에 의해, 단 $k$ 를 $k-2$ 로 바꾼다} \end{aligned}$

구하는 값은 $k=-2$ 이다.

이 문제로 이어서 풀기

# 발산과 회전계산보통자동 분류