문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

발산과 회전

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

CLP-4 · 4.1절 · 9번대학 수준우리말 번역

k^\hat{\mathbf{k}} 성분이 A3=0A_3=0 이고 다음의 벡터 퍼텐셜이 되는 벡터장 A\mathbf{A} 를 가능하면 구하세요.

(a) F=(1+yz)ı^+(2y+zx)ȷ^+(3z2+xy)k^\mathbf{F}=(1+yz)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(2y+zx)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(3z^2+xy)\hat{\mathbf{k}} (b) G=yzı^+zxȷ^+xyk^\mathbf{G}= yz\hat{\boldsymbol{\imath}}+zx\hat{\boldsymbol{\jmath}}+xy\hat{\mathbf{k}}

영어 원문 보기

Find, if possible, a vector field A\mathbf{A} that has k^\hat{\mathbf{k}} component A3=0A_3=0 and that is a vector potential for

(a) F=(1+yz)ı^+(2y+zx)ȷ^+(3z2+xy)k^\mathbf{F}=(1+yz)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(2y+zx)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(3z^2+xy)\hat{\mathbf{k}} (b) G=yzı^+zxȷ^+xyk^\mathbf{G}= yz\hat{\boldsymbol{\imath}}+zx\hat{\boldsymbol{\jmath}}+xy\hat{\mathbf{k}}

정답·풀이 보기

(a) ∇⋅F=∂∂x(1+yz)+∂∂y(2y+zx)+∂∂z(3z2+xy)=2+6z≠0{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} =\frac{\partial }{\partial x}(1+yz)+\frac{\partial }{\partial y}(2y+zx)+\frac{\partial }{\partial z}(3z^2+xy)=2+6z\ne 0 이므로 F\mathbf{F} 는 판별 조건을 만족하지 못하여 벡터 퍼텐셜을 가질 수 없다.

(b) 벡터장 A=A1ı^+A2ȷ^\mathbf{A}=A_1\hat{\boldsymbol{\imath}}+A_2\hat{\boldsymbol{\jmath}} 가 G\mathbf{G} 의 벡터 퍼텐셜이 될 필요충분조건은 G=∇×A\mathbf{G}={ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{A} 이고, 이는 다음이 성립할 필요충분조건과 같다.

−∂A2∂z=yz  ⟺  A2=−12yz2+B2(x,y)∂A1∂z=zx  ⟺  A1=−12xz2+B1(x,y)∂A2∂x−∂A1∂y=xy  ⟺  ∂B2∂x−∂B1∂y=xy\begin{aligned} -\frac{\partial A_2}{\partial z}&= yz\quad & \iff&\quad& &A_2=-\frac{1}{2} yz^2+B_2(x,y)\\ \frac{\partial A_1}{\partial z}&=zx & \iff&\quad & &A_1=\phantom{-}\frac{1}{2} xz^2+B_1(x,y)\\ \frac{\partial A_2}{\partial x}-\frac{\partial A_1}{\partial y} &=xy & \iff& & & \frac{\partial B_2}{\partial x} -\frac{\partial B_1}{\partial y}=xy \end{aligned}

∂B2∂x−∂B1∂y=xy\frac{\partial B_2}{\partial x} -\frac{\partial B_1}{\partial y}=xy 의 해는 무수히 많다. 실제로 B2B_2 는 완전히 임의로 정할 수 있다. B2=0B_2=0 으로 택하면 B1=−12xy2B_1=-\frac{1}{2} xy^2 이 조건을 만족한다. B1=0B_1=0 으로 택하면 B2=12x2yB_2=\frac{1}{2} x^2y 가 조건을 만족한다. 따라서 두 가지 해는 A=12(z2−y2)xı^−12yz2ȷ^\mathbf{A}=\frac{1}{2}(z^2-y^2)x\hat{\boldsymbol{\imath}}-\frac{1}{2} yz^2\hat{\boldsymbol{\jmath}} 와 A=12xz2ı^+12(x2−z2)yȷ^\mathbf{A}=\frac{1}{2} xz^2\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{1}{2}(x^2-z^2)y\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since ∇⋅F=∂∂x(1+yz)+∂∂y(2y+zx)+∂∂z(3z2+xy)=2+6z≠0{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} =\frac{\partial }{\partial x}(1+yz)+\frac{\partial }{\partial y}(2y+zx)+\frac{\partial }{\partial z}(3z^2+xy)=2+6z\ne 0, F\mathbf{F} fails the screening test and cannot have a vector potential.

(b) The vector field A=A1ı^+A2ȷ^\mathbf{A}=A_1\hat{\boldsymbol{\imath}}+A_2\hat{\boldsymbol{\jmath}} is a vector potential for G\mathbf{G} if and only if G=∇×A\mathbf{G}={ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{A}, which is the case if and only if

−∂A2∂z=yz  ⟺  A2=−12yz2+B2(x,y)∂A1∂z=zx  ⟺  A1=−12xz2+B1(x,y)∂A2∂x−∂A1∂y=xy  ⟺  ∂B2∂x−∂B1∂y=xy\begin{aligned} -\frac{\partial A_2}{\partial z}&= yz\quad & \iff&\quad& &A_2=-\frac{1}{2} yz^2+B_2(x,y)\\ \frac{\partial A_1}{\partial z}&=zx & \iff&\quad & &A_1=\phantom{-}\frac{1}{2} xz^2+B_1(x,y)\\ \frac{\partial A_2}{\partial x}-\frac{\partial A_1}{\partial y} &=xy & \iff& & & \frac{\partial B_2}{\partial x} -\frac{\partial B_1}{\partial y}=xy \end{aligned}

There are infinitely many solutions to ∂B2∂x−∂B1∂y=xy\frac{\partial B_2}{\partial x} -\frac{\partial B_1}{\partial y}=xy. In fact B2B_2 is completely arbitrary. If one chooses B2=0B_2=0, then B1=−12xy2B_1=-\frac{1}{2} xy^2 does the job. If one chooses B1=0B_1=0, then B2=12x2yB_2=\frac{1}{2} x^2y does the job. Thus two solutions are A=12(z2−y2)xı^−12yz2ȷ^\mathbf{A}=\frac{1}{2}(z^2-y^2)x\hat{\boldsymbol{\imath}}-\frac{1}{2} yz^2\hat{\boldsymbol{\jmath}} and A=12xz2ı^+12(x2−z2)yȷ^\mathbf{A}=\frac{1}{2} xz^2\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{1}{2}(x^2-z^2)y\hat{\boldsymbol{\jmath}}.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-4 · 4.1절 · 2번우리말 번역

∇×F{ \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F} 는 반드시 F\mathbf{F} 에 수직인가요?

답 쓰고 채점
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아니요. 벡터장 F(x,y,z)=ı^+y k^\mathbf{F}(x,y,z) = \hat{\boldsymbol{\imath}} +y\,\hat{\mathbf{k}} 에 대해

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂z10y]=ı^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial }{\partial x} & \frac{\partial }{\partial y} & \frac{\partial }{\partial z} \\ 1 & 0 & y \end{matrix}\right] \\ &=\hat{\boldsymbol{\imath}} \end{aligned}

이고, 이 벡터는 모든 xx, yy, zz 에 대해 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 와의 내적이 11 이므로 이 벡터장과 수직이 아니다.

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# 발산과 회전계산보통자동 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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