문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

발산 정리

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

CLP-4 · 4.2절 · 4번대학 수준우리말 번역

두 가지 방법으로 적분 ∬SF⋅n^ dS\iint _S\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S 의 값을 구하세요. 여기서 F=z k^\mathbf{F}=z\,\hat{\mathbf{k}} 이고, SS 는 곡면 x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2 이며 n^\hat{\mathbf{n}} 은 SS 의 바깥쪽을 향하는 단위법선벡터이다.

(a) 먼저, 면적분을 직접 계산하세요. (b) 다음으로, 발산 정리를 이용하세요.

영어 원문 보기

Evaluate, by two methods, the integral ∬SF⋅n^ dS\iint _S\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S, where F=z k^\mathbf{F}=z\,\hat{\mathbf{k}}, SS is the surface x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2 and n^\hat{\mathbf{n}} is the outward pointing unit normal to SS.

(a) First, by direct computation of the surface integral. (b) Second, by using the divergence theorem.

정답·풀이 보기

(a) 구면좌표를 사용하자. SS 는 원점을 중심으로 하는 반지름 aa 인 구면이므로 다음과 같이 매개화할 수 있다.

r(θ,φ)=asin⁡φcos⁡θ ı^+asin⁡φsin⁡θ ȷ^+acos⁡φ k^∂r∂θ=−asin⁡φsin⁡θ ı^+asin⁡φcos⁡θ ȷ^∂r∂φ=−acos⁡φcos⁡θ ı^+acos⁡φsin⁡θ ȷ^−asin⁡φ k^n^ dS=±∂r∂θ×∂r∂φ dθ dφ=det⁡[ı^ȷ^k^−asin⁡φsin⁡θasin⁡φcos⁡θ0acos⁡φcos⁡θacos⁡φsin⁡θ−asin⁡φ]dθ dφ=±(−a2sin⁡2φcos⁡θ ı^−a2sin⁡2φsin⁡θ ȷ^−a2sin⁡φcos⁡φ k^) dθ dφ=∓a2sin⁡φ(sin⁡φcos⁡θ ı^+sin⁡φsin⁡θ ȷ^+cos⁡φ k^) dθ dφ\begin{aligned} \mathbf{r}(\theta,\varphi) &=a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + a\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} &=-a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} &= \phantom{-}a\cos\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\cos\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a\sin\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \\ \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\pm\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} \times \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} \ \mathrm{d}\theta\, d\varphi\\ &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ -a\sin\varphi\sin\theta & a\sin\varphi\cos\theta & 0 \\ a\cos\varphi\cos\theta & a\cos\varphi\sin\theta & -a\sin\varphi \end{matrix}\right] \mathrm{d}\theta\, d\varphi\\ &=\pm\Big(-a^2\sin^2\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -a^2\sin^2\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a^2\sin\varphi\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \\ &=\mp a^2\sin\varphi \big(\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \end{aligned}

바깥쪽 법선이 되려면 ++ 부호를 택해야 하므로

n^ dS=a2sin⁡φ(sin⁡φcos⁡θ ı^+sin⁡φsin⁡θ ȷ^+cos⁡φ k^) dθ dφF⋅n^ dS=z(θ,φ) k^⋅n^ dS=a3sin⁡φcos⁡2φ dθ dφ\begin{aligned} \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= a^2\sin\varphi \big(\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \\ \mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= z(\theta,\varphi)\,\hat{\mathbf{k}}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = a^3 \sin\varphi\cos^2\varphi\ \mathrm{d}\theta\,d\varphi \end{aligned}

이고,

∬SF⋅n^ dS=a3∫0πdφ∫02πdθ sin⁡φ cos⁡2φ=2πa3∫0πdφ sin⁡φ cos⁡2φ=2πa3[−13cos⁡3φ]0π=43πa3\begin{aligned} \iint _S\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= a^3\int_0^\pi d\varphi\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \sin\varphi\,\cos^2\varphi\\ &=2\pi a^3 \int_0^\pi d\varphi \ \sin\varphi\,\cos^2\varphi =2\pi a^3\left[-\frac{1}{3}\cos^3\varphi\right]_0^\pi \\ &=\frac{4}{3}\pi a^3 \end{aligned}

이다.

(b) 입체 x2+y2+z2≤a2x^2+y^2+z^2\le a^2 을 VV 라 하자.

∇⋅F=∂∂x(0)+∂∂y(0)+∂∂z(z)=1{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} =\frac{\partial }{\partial x}(0) +\frac{\partial }{\partial y}(0) +\frac{\partial }{\partial z}(z) =1

이므로 발산 정리에 의해

∬SF⋅n^ dS=∭V∇⋅F dV=∭V dV=부피(V)=43πa3\begin{aligned} \iint _{\mathcal{S}}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}V =\iiint _V \ \mathrm{d}V =\text{부피}(V) =\frac{4}{3}\pi a^3 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Let's use spherical coordinates. As SS is the sphere of radius aa centred on the origin, we can parametrize it by

r(θ,φ)=asin⁡φcos⁡θ ı^+asin⁡φsin⁡θ ȷ^+acos⁡φ k^∂r∂θ=−asin⁡φsin⁡θ ı^+asin⁡φcos⁡θ ȷ^∂r∂φ=−acos⁡φcos⁡θ ı^+acos⁡φsin⁡θ ȷ^−asin⁡φ k^n^ dS=±∂r∂θ×∂r∂φ dθ dφ=det⁡[ı^ȷ^k^−asin⁡φsin⁡θasin⁡φcos⁡θ0acos⁡φcos⁡θacos⁡φsin⁡θ−asin⁡φ]dθ dφ=±(−a2sin⁡2φcos⁡θ ı^−a2sin⁡2φsin⁡θ ȷ^−a2sin⁡φcos⁡φ k^) dθ dφ=∓a2sin⁡φ(sin⁡φcos⁡θ ı^+sin⁡φsin⁡θ ȷ^+cos⁡φ k^) dθ dφ\begin{aligned} \mathbf{r}(\theta,\varphi) &=a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + a\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} &=-a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} &= \phantom{-}a\cos\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\cos\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a\sin\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \\ \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\pm\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} \times \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} \ \mathrm{d}\theta\, d\varphi\\ &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ -a\sin\varphi\sin\theta & a\sin\varphi\cos\theta & 0 \\ a\cos\varphi\cos\theta & a\cos\varphi\sin\theta & -a\sin\varphi \end{matrix}\right] \mathrm{d}\theta\, d\varphi\\ &=\pm\Big(-a^2\sin^2\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -a^2\sin^2\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a^2\sin\varphi\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \\ &=\mp a^2\sin\varphi \big(\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \end{aligned}

For the outward normal, we want the ++ sign, so

n^ dS=a2sin⁡φ(sin⁡φcos⁡θ ı^+sin⁡φsin⁡θ ȷ^+cos⁡φ k^) dθ dφF⋅n^ dS=z(θ,φ) k^⋅n^ dS=a3sin⁡φcos⁡2φ dθ dφ\begin{aligned} \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= a^2\sin\varphi \big(\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \\ \mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= z(\theta,\varphi)\,\hat{\mathbf{k}}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = a^3 \sin\varphi\cos^2\varphi\ \mathrm{d}\theta\,d\varphi \end{aligned}

and

∬SF⋅n^ dS=a3∫0πdφ∫02πdθ sin⁡φ cos⁡2φ=2πa3∫0πdφ sin⁡φ cos⁡2φ=2πa3[−13cos⁡3φ]0π=43πa3\begin{aligned} \iint _S\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= a^3\int_0^\pi d\varphi\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \sin\varphi\,\cos^2\varphi\\ &=2\pi a^3 \int_0^\pi d\varphi \ \sin\varphi\,\cos^2\varphi =2\pi a^3\left[-\frac{1}{3}\cos^3\varphi\right]_0^\pi \\ &=\frac{4}{3}\pi a^3 \end{aligned}

(b) Call the solid x2+y2+z2≤a2x^2+y^2+z^2\le a^2, VV. As

∇⋅F=∂∂x(0)+∂∂y(0)+∂∂z(z)=1{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} =\frac{\partial }{\partial x}(0) +\frac{\partial }{\partial y}(0) +\frac{\partial }{\partial z}(z) =1

the divergence theorem gives

∬SF⋅n^ dS=∭V∇⋅F dV=∭V dV=Volume(V)=43πa3\begin{aligned} \iint _{\mathcal{S}}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}V =\iiint _V \ \mathrm{d}V =\text{Volume}(V) =\frac{4}{3}\pi a^3 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-4 · 4.2절 · 32번우리말 번역

DD 를 원기둥 x2+y2≤1x^2+y^2\le 1, 0≤z≤50\le z\le 5 라 하자. 벡터장 F=(x+xyez) ı^+12y2zez ȷ^+(3z−yzez) k^\mathbf{F}=(x+xye^z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\tfrac{1}{2} y^2ze^z\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(3z-yze^z)\,\hat{\mathbf{k}} 이 DD 의 겉면 중 옆면을 통해 바깥쪽으로 나가는 선속을 계산하세요.

답 쓰고 채점
다 풀었으면 정답 확인

StS_t, SbS_b, ScS_c 를 각각 DD 의 윗면, 밑면, 옆면이라 하자. 윗면에서는 z=5z=5 이고 DD 의 바깥쪽 법선 벡터는 k^\hat{\mathbf{k}} 이므로 ∬StF⋅n^ dS=∬x2+y2≤1(15−5ye5) dxdy=15∬x2+y2≤1 dxdy=15π\iint _{\mathcal{S}_t}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =\iint _{x^2+y^2\le 1}(15-5ye^5)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =15\iint _{x^2+y^2\le 1}\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =15\pi yy 에 대한 적분이 0인 것은 yy 가 y→−yy\rightarrow -y 에 대해 홀함수이기 때문이다. 밑면에서는 z=0z=0 이고 DD 의 바깥쪽 법선 벡터는 −k^-\hat{\mathbf{k}} 이므로 ∬SbF⋅n^ dS=−∬x2+y2≤1(3×0−0×ye0) dxdy=0\iint _{\mathcal{S}_b}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =-\iint _{x^2+y^2\le 1}(3\times 0-0\times ye^0)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =0 여기서도 yy 에 대한 적분이 0인 것은 yy 가 y→−yy\rightarrow -y 에 대해 홀함수이기 때문이다. ∇⋅F=∂∂x(x+xyez)+12∂∂y(y2zez)+∂∂z(3z−yzez)=(1+yez)+yzez+(3−yzez−yez)=4{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} =\frac{\partial }{\partial x}(x+xye^z) +\tfrac{1}{2}\frac{\partial }{\partial y}\big( y^2ze^z\big) +\frac{\partial }{\partial z}(3z-yze^z) =(1+ye^z)+yze^z+(3-yze^z-ye^z) =4 이므로 발산 정리에 의해

∬ScF⋅n^ dS=∭D∇⋅F dV−∬StF⋅n^ dS−∬SbF⋅n^ dS=∭D4 dV−15π−0=4×π12×5−15π=5π\begin{aligned} \iint _{\mathcal{S}_c}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _D{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}V -\iint _{\mathcal{S}_t}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S -\iint _{\mathcal{S}_b}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S\\ &=\iiint _D4\ \mathrm{d}V -15\pi-0 =4\times\pi 1^2\times 5-15\pi =5\pi \end{aligned}

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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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