먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.
CLP-4 · 4.2절 · 43번대학 수준우리말 번역
S 를 타원면 x2+2y2+3z2=16 이라 하고, n^ 을 그 바깥쪽 단위법선벡터라 하자.
(a) F(x,y,z)=[(x−2)2+(y−1)2+(z−1)2]3/2(x,y,z)−(2,1,1) 일 때 ∬SF⋅n^dS 의 값을 구하세요.
(b) G(x,y,z)=[(x−3)2+(y−2)2+(z−2)2]3/2(x,y,z)−(3,2,2) 일 때 ∬SG⋅n^dS 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Let S be the ellipsoid x2+2y2+3z2=16 and n^ its outward unit
normal.
(a) Find ∬SF⋅n^dS if
F(x,y,z)=[(x−2)2+(y−1)2+(z−1)2]3/2(x,y,z)−(2,1,1).
(b) Find ∬SG⋅n^dS if
G(x,y,z)=[(x−3)2+(y−2)2+(z−2)2]3/2(x,y,z)−(3,2,2).
답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기
(a), (b) 두 경우 모두 발산 정리를 이용한다.
먼저 예비 계산으로, 임의의 (a,b,c) 에 대해
H(x,y,z)=[(x−a)2+(y−b)2+(z−b)2]3/2(x,y,z)−(a,b,c)
의 발산을 구하자. (x,y,z)=(a,b,c) 이면
We will be using the divergence theorem in both parts (a) and b.
So as a prelimary calculation, let's find the divergence of
H(x,y,z)=[(x−a)2+(y−b)2+(z−b)2]3/2(x,y,z)−(a,b,c)
for any (a,b,c). If (x,y,z)=(a,b,c),
The boundary, ∂Vε, of V consists of two parts —
S and Sε, with the normals as in the figure above. The divergence
∇⋅F of F is well-defined and zero throughout Vε.
Consequently, the divergence theorem gives
0=∭V∇⋅FdV=∬SF⋅n^dS+∬SεF⋅n^dS
So
∬SF⋅n^dS=−∬SεF⋅n^dS
The unit normal to Sε at the point (x,y,z) on Sε is
n^=−ε1[(x−2)^+(y−1)^+(z−1)k^]
(Recall that ∣(2−1)^+(y−1)^+(z−1)k^∣=ε on Sε.
So, on Sε,
(a) 벡터장 F=(x+siny,z+y,z2) 의 발산을 구하세요.
(b) 양의 z 방향으로 향하도록 방향이 정해진 윗반구 x2+y2+z2=25,
z≥0 을 지나는 F 의 선속(플럭스)을 구하세요.
(c) 선속
∬SF⋅n^dS 가 −9 가 되는, 방향이 정해진 닫힌 곡면 S 를 하나 제시하세요.
V 의 경계 ∂V 는 두 부분, 즉
위쪽 법선을 갖는 ST 와 법선이 −k^ 인 SB 로 이루어져 있음에 주목하자. 우리가 구할 것은 위쪽 법선을 갖는 ST 를 지나는 선속이다. 발산 정리에 의해 이는 다음과 같다.
∬STF⋅n^dS=∭V∇⋅FdV−∬SBF⋅(−k^)dS=∭V(2+2z)dV
SB 위에서 F⋅k^=z2=0 이기 때문이다. 이 부피적분을 z 에 대한 적분이 바깥쪽에 오는 반복적분으로 나타내어 계산하자. V 에서 z 는 0 부터 5 까지의 값을 가진다. V 에서 높이가 정확히 z 인 점들의 집합은 {(x,y,z)x2+y2≤25−z2} 이다.
따라서