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 · 30번대학 수준우리말 번역

SS 를 구면 x2+y2+(z−1)2=4x^2+y^2+(z-1)^2=4 에서 xyxy평면 위쪽에 있는 부분이라 하자. SS 를 지나 바깥쪽으로 향하는 F=(x2+ey2) ı^+(ex2+y2) ȷ^+(4+5x) k^\mathbf{F}=(x^2+e^{y^2})\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(e^{x^2}+y^2)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +(4+5x)\,\hat{\mathbf{k}} 의 플럭스를 구하세요.

영어 원문 보기

Let SS be the portion of the sphere x2+y2+(z−1)2=4x^2+y^2+(z-1)^2=4 that lies above the xyxy-plane. Find the flux of F=(x2+ey2) ı^+(ex2+y2) ȷ^+(4+5x) k^\mathbf{F}=(x^2+e^{y^2})\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(e^{x^2}+y^2)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +(4+5x)\,\hat{\mathbf{k}} outward across SS.

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정답·풀이 보기

S′S' 를 원판 x2+y2≤3, z=0x^2+y^2\le 3,\ z=0 (이때 n^\hat{\mathbf{n}} 은 아래쪽을 향하는 법선벡터)이라 하고, VV 를 z≥0z\ge 0 인 공 x2+y2+(z−1)2≤4x^2+y^2+(z-1)^2\le 4 의 부분이라 하자. 그러면 발산 정리에 의해

∬SF⋅n^ dS=∭V∇⋅F dV−∬S′F⋅(−k^) dS=∭V(2x+2y) dV+∬S′(4+5x) dxdy\begin{aligned} \iint _{S}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _{V}{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\, \mathrm{d}V -\iint _{S'}\mathbf{F}\cdot(-\hat{\mathbf{k}})\,\mathrm{d}S\\ &=\iiint _{V}(2x+2y)\, \mathrm{d}V +\iint _{S'}(4+5x)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y \end{aligned}

이다. xx 는 x→−xx\rightarrow-x 에 대해 홀함수이고 yy 는 y→−yy\rightarrow -y 에 대해 홀함수이므로,

∭Vx dV=∭Vy dV=∬S′x dxdy=0\iiint _{V}x\, \mathrm{d}V=\iiint _{V}y\, \mathrm{d}V=\iint _{S'}x\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y=0

이고, 따라서

∬SF⋅n^ dS=4∬S′ dxdy=4 넓이(S′)=4×π(3)2=12π\begin{aligned} \iint _{S}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =4\iint _{S'}\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =4\,\text{넓이}(S') =4\times \pi\big(\sqrt{3}\big)^2=12\pi \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let S′S' be the disk x2+y2≤3, z=0x^2+y^2\le 3,\ z=0 (with n^\hat{\mathbf{n}} the downward pointing normal) and let VV be the portion of the ball x2+y2+(z−1)2≤4x^2+y^2+(z-1)^2\le 4 with z≥0z\ge 0. Then, by the divergence theorem,

∬SF⋅n^ dS=∭V∇⋅F dV−∬S′F⋅(−k^) dS=∭V(2x+2y) dV+∬S′(4+5x) dxdy\begin{aligned} \iint _{S}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _{V}{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\, \mathrm{d}V -\iint _{S'}\mathbf{F}\cdot(-\hat{\mathbf{k}})\,\mathrm{d}S\\ &=\iiint _{V}(2x+2y)\, \mathrm{d}V +\iint _{S'}(4+5x)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y \end{aligned}

Because xx is odd under x→−xx\rightarrow-x and yy is odd under y→−yy\rightarrow -y,

∭Vx dV=∭Vy dV=∬S′x dxdy=0\iiint _{V}x\, \mathrm{d}V=\iiint _{V}y\, \mathrm{d}V=\iint _{S'}x\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y=0

so that

∬SF⋅n^ dS=4∬S′ dxdy=4 Area(S′)=4×π(3)2=12π\begin{aligned} \iint _{S}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =4\iint _{S'}\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =4\,\text{Area}(S') =4\times \pi\big(\sqrt{3}\big)^2=12\pi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 3권 · 6.8절 · 8번우리말 번역

[계산기 사용] F(x,y,z)=x3i+y3j+3a2zk (상수 a>0);\text{F}(x,y,z)={x}^{3}\text{i}+{y}^{3}\text{j}+3{a}^{2}z\text{k}\,\text{(상수}\,a>0); S 는 원기둥 x2+y2=a2{x}^{2}+{y}^{2}={a}^{2} 과 평면 z=0 및 z=1z=0\,\text{및}\,z=1 로 유계인 입체의 겉면이다.

다 풀었으면 정답 확인

∫SF⋅Nds=9πa42{\int }_{S}^{}\text{F}\cdot \text{N}ds=\frac{9\pi {a}^{4}}{2}

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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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