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 · 43번대학 수준우리말 번역

SS 를 타원면 x2+2y2+3z2=16x^2+2y^2+3z^2=16 이라 하고, n^\hat{\mathbf{n}} 을 그 바깥쪽 단위법선벡터라 하자.

(a) F(x,y,z)=(x,y,z)−(2,1,1)[(x−2)2+(y−1)2+(z−1)2]3/2\mathbf{F}(x,y,z)=\dfrac{(x,y,z)-(2,1,1)}{{\big[(x-2)^2+(y-1)^2+(z-1)^2\big]}^{3/2}} 일 때 ∬SF⋅n^ dS\iint _S \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S 의 값을 구하세요. (b) G(x,y,z)=(x,y,z)−(3,2,2)[(x−3)2+(y−2)2+(z−2)2]3/2\mathbf{G}(x,y,z)=\dfrac{(x,y,z)-(3,2,2)}{{\big[(x-3)^2+(y-2)^2+(z-2)^2\big]}^{3/2}} 일 때 ∬SG⋅n^ dS\iint _S \mathbf{G}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let SS be the ellipsoid x2+2y2+3z2=16x^2+2y^2+3z^2=16 and n^\hat{\mathbf{n}} its outward unit normal.

(a) Find ∬SF⋅n^ dS\iint _S \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S if F(x,y,z)=(x,y,z)−(2,1,1)[(x−2)2+(y−1)2+(z−1)2]3/2\mathbf{F}(x,y,z)=\dfrac{(x,y,z)-(2,1,1)}{{\big[(x-2)^2+(y-1)^2+(z-1)^2\big]}^{3/2}}. (b) Find ∬SG⋅n^ dS\iint _S \mathbf{G}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S if G(x,y,z)=(x,y,z)−(3,2,2)[(x−3)2+(y−2)2+(z−2)2]3/2\mathbf{G}(x,y,z)=\dfrac{(x,y,z)-(3,2,2)}{{\big[(x-3)^2+(y-2)^2+(z-2)^2\big]}^{3/2}}.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a), (b) 두 경우 모두 발산 정리를 이용한다. 먼저 예비 계산으로, 임의의 (a,b,c)(a,b,c) 에 대해 H(x,y,z)=(x,y,z)−(a,b,c)[(x−a)2+(y−b)2+(z−b)2]3/2\mathbf{H}(x,y,z)=\frac{(x,y,z)-(a,b,c)}{{[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-b)^2]}^{3/2}} 의 발산을 구하자. (x,y,z)≠(a,b,c)(x,y,z)\ne(a,b,c) 이면

∇⋅H(x,y,z)=∂∂xx−a[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2]3/2+∂∂yy−b[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2]3/2+∂∂zz−c[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2]3/2=[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2] − (x−a) 32(2(x−a))[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2]5/2+[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2] − (y−b) 32(2y)[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2]5/2+[(x−a)2+(y−b)2+z2] − (z−c) 32(2(z−c))[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2]5/2=3[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2] − 3(x−a)2−3(y−b)2−3(z−c)2[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2]5/2=0\begin{aligned} &{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{H}(x,y,z) \\ & =\frac{\partial }{\partial x}\frac{x-a} {{[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2]}^{3/2}} +\frac{\partial }{\partial y}\frac{y-b} {{[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2]}^{3/2}} \\& +\frac{\partial }{\partial z}\frac{z-c} {{[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2]}^{3/2}} \\ & =\frac{\big[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2\big]\ -\ (x-a)\ \frac{3}{2}(2(x-a))} {{\big[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2\big]}^{5/2}} \\& +\frac{\big[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2\big]\ -\ (y-b)\ \frac{3}{2}(2y)} {{\big[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2\big]}^{5/2}} \\& +\frac{\big[(x-a)^2+(y-b)^2+z^2\big]\ -\ (z-c)\ \frac{3}{2}(2(z-c))} {{\big[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2\big]}^{5/2}} \\ & =\frac{3\big[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2\big]\ -\ 3(x-a)^2-3(y-b)^2-3(z-c)^2} {{\big[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2\big]}^{5/2}} \\ &=0 \end{aligned}

(x,y,z)=(a,b,c)(x,y,z)=(a,b,c) 이면 H(x,y,z)\mathbf{H}(x,y,z) 가 정의되지 않으므로 ∇⋅H(x,y,z){ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{H}(x,y,z) 도 정의되지 않는다.

(b) 위의 예비 계산에서 (a,b,c)=(3,2,2)(a,b,c)=(3,2,2) 로 놓으면, ∇⋅G{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{G} 는 (x,y,z)≠(3,2,2)(x,y,z)\ne (3,2,2) 인 모든 (x,y,z)(x,y,z) 에서 정의되고 0이다. 특히 다음 영역 VV 의 모든 (x,y,z)(x,y,z) 에서 그렇다.

V={ (x,y,z) ∣ x2+2y2+3z2≤16 }V=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+2y^2+3z^2\le 16\ \big\}

따라서 발산 정리에 의해

∬SG⋅n^ dS=∭V∇⋅G dV=0\begin{aligned} \iint _S \mathbf{G}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{G}\,\mathrm{d}V =0 \end{aligned}

(a) (1,1,2)(1,1,2) 는 VV 의 내부에 있으므로 (b)의 논증으로는 적분값이 0이라고 결론지을 수 없다. ε>0\varepsilon >0 을 충분히 작게 잡아서

Sε={ (x,y,z) ∣ (x−2)2+(y−1)2+(z−1)2=ε2 }S_\varepsilon = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ (x-2)^2 + (y-1)^2 +(z-1)^2=\varepsilon ^2\ \big\}

가 아래 그림처럼 VV 안에 완전히 포함되도록 한다.

그림

다음과 같이 놓는다.

Vε={ (x,y,z) ∣ x2+2y2+3z2≤16, (x−2)2+(y−1)2+(z−1)2≥ε2 }V_\varepsilon =\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+2y^2+3z^2\le 16,\ (x-2)^2 + (y-1)^2 +(z-1)^2\ge\varepsilon ^2\ \big\}

VV 의 경계 ∂Vε\partial V_\varepsilon 은 위 그림의 법선벡터와 함께 SS 와 SεS_\varepsilon 두 부분으로 이루어진다. F\mathbf{F} 의 발산 ∇⋅F{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} 는 VεV_\varepsilon 전체에서 잘 정의되고 0이다. 따라서 발산 정리에 의해

0=∭V∇⋅F dV=∬SF⋅n^ dS+∬SεF⋅n^ dS\begin{aligned} 0 &= \iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\,\mathrm{d}V = \iint _S \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S + \iint _{S_\varepsilon } \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S \end{aligned}

그러므로

∬SF⋅n^ dS=−∬SεF⋅n^ dS\iint _S \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = -\iint _{S_\varepsilon } \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S

SεS_\varepsilon 위의 점 (x,y,z)(x,y,z) 에서 SεS_\varepsilon 의 단위법선벡터는

n^=−1ε[(x−2) ı^+(y−1) ȷ^+(z−1) k^]\hat{\mathbf{n}} =-\frac{1}{\varepsilon }\big[(x-2)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (y-1)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +(z-1)\,\hat{\mathbf{k}}\big]

이다. (SεS_\varepsilon 위에서 ∣(2−1) ı^+(y−1) ȷ^+(z−1) k^∣=ε|(2-1)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (y-1)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +(z-1)\,\hat{\mathbf{k}}|=\varepsilon 임을 기억하자.) 따라서 SεS_\varepsilon 위에서

F⋅n^=−1ε((x,y,z)−(2,1,1)[(x−2)2+(y−1)2+(z−1)2]3/2)⋅[(x−2) ı^+(y−1) ȷ^+(z−1) k^]=−1ε((x−2)2+(y−1)2+(z−1)2[(x−2)2+(y−1)2+(z−1)2]3/2)=−1ε2\begin{aligned} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}} &= -\frac{1}{\varepsilon } \left(\frac{(x,y,z)-(2,1,1)}{{\big[(x-2)^2+(y-1)^2+(z-1)^2\big]}^{3/2}}\right) \cdot\big[(x-2)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (y-1)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +(z-1)\,\hat{\mathbf{k}}\big] \\ &=-\frac{1}{\varepsilon } \left(\frac{(x-2)^2+(y-1)^2+(z-1)^2}{{\big[(x-2)^2+(y-1)^2+(z-1)^2\big] }^{3/2}}\right)\\ &= -\frac{1}{\varepsilon ^2} \end{aligned}

이다. 따라서

∬SF⋅n^ dS=−∬Sε(−1ε2) dS=1ε2(4πε2)=4π\begin{aligned} \iint _S \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = -\iint _{S_\varepsilon } \left(-\frac{1}{\varepsilon ^2}\right)\,\mathrm{d}S =\frac{1}{\varepsilon ^2} (4\pi\varepsilon ^2) =4\pi \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We will be using the divergence theorem in both parts (a) and bb. So as a prelimary calculation, let's find the divergence of H(x,y,z)=(x,y,z)−(a,b,c)[(x−a)2+(y−b)2+(z−b)2]3/2\mathbf{H}(x,y,z)=\frac{(x,y,z)-(a,b,c)}{{[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-b)^2]}^{3/2}} for any (a,b,c)(a,b,c). If (x,y,z)≠(a,b,c)(x,y,z)\ne(a,b,c),

∇⋅H(x,y,z)=∂∂xx−a[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2]3/2+∂∂yy−b[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2]3/2+∂∂zz−c[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2]3/2=[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2] − (x−a) 32(2(x−a))[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2]5/2+[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2] − (y−b) 32(2y)[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2]5/2+[(x−a)2+(y−b)2+z2] − (z−c) 32(2(z−c))[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2]5/2=3[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2] − 3(x−a)2−3(y−b)2−3(z−c)2[(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2]5/2=0\begin{aligned} &{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{H}(x,y,z) \\ & =\frac{\partial }{\partial x}\frac{x-a} {{[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2]}^{3/2}} +\frac{\partial }{\partial y}\frac{y-b} {{[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2]}^{3/2}} \\& +\frac{\partial }{\partial z}\frac{z-c} {{[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2]}^{3/2}} \\ & =\frac{\big[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2\big]\ -\ (x-a)\ \frac{3}{2}(2(x-a))} {{\big[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2\big]}^{5/2}} \\& +\frac{\big[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2\big]\ -\ (y-b)\ \frac{3}{2}(2y)} {{\big[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2\big]}^{5/2}} \\& +\frac{\big[(x-a)^2+(y-b)^2+z^2\big]\ -\ (z-c)\ \frac{3}{2}(2(z-c))} {{\big[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2\big]}^{5/2}} \\ & =\frac{3\big[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2\big]\ -\ 3(x-a)^2-3(y-b)^2-3(z-c)^2} {{\big[(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2\big]}^{5/2}} \\ &=0 \end{aligned}

If (x,y,z)=(a,b,c)(x,y,z)=(a,b,c), H(x,y,z)\mathbf{H}(x,y,z) is not defined and hence ∇⋅H(x,y,z){ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{H}(x,y,z) is also not defined.

(b) By the above preliminary computation with (a,b,c)=(3,2,2)(a,b,c)=(3,2,2), ∇⋅G{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{G} is defined and zero for all (x,y,z)≠(3,2,2)(x,y,z)\ne (3,2,2), and, in particular for all (x,y,z)(x,y,z) in

V={ (x,y,z) ∣ x2+2y2+3z2≤16 }V=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+2y^2+3z^2\le 16\ \big\}

So, by the divergence theorem,

∬SG⋅n^ dS=∭V∇⋅G dV=0\begin{aligned} \iint _S \mathbf{G}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{G}\,\mathrm{d}V =0 \end{aligned}

(a) Because (1,1,2)(1,1,2) is inside VV, we cannot use the argument of part (b), to conclude that the integral is zero. Let ε>0\varepsilon >0 be small enough that

Sε={ (x,y,z) ∣ (x−2)2+(y−1)2+(z−1)2=ε2 }S_\varepsilon = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ (x-2)^2 + (y-1)^2 +(z-1)^2=\varepsilon ^2\ \big\}

is completely contained inside VV, as in the sketch below.

figure

Set

Vε={ (x,y,z) ∣ x2+2y2+3z2≤16, (x−2)2+(y−1)2+(z−1)2≥ε2 }V_\varepsilon =\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+2y^2+3z^2\le 16,\ (x-2)^2 + (y-1)^2 +(z-1)^2\ge\varepsilon ^2\ \big\}

The boundary, ∂Vε\partial V_\varepsilon , of VV consists of two parts — SS and SεS_\varepsilon , with the normals as in the figure above. The divergence ∇⋅F{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} of F\mathbf{F} is well-defined and zero throughout VεV_\varepsilon . Consequently, the divergence theorem gives

0=∭V∇⋅F dV=∬SF⋅n^ dS+∬SεF⋅n^ dS\begin{aligned} 0 &= \iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\,\mathrm{d}V = \iint _S \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S + \iint _{S_\varepsilon } \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S \end{aligned}

So

∬SF⋅n^ dS=−∬SεF⋅n^ dS\iint _S \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = -\iint _{S_\varepsilon } \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S

The unit normal to SεS_\varepsilon at the point (x,y,z)(x,y,z) on SεS_\varepsilon is

n^=−1ε[(x−2) ı^+(y−1) ȷ^+(z−1) k^]\hat{\mathbf{n}} =-\frac{1}{\varepsilon }\big[(x-2)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (y-1)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +(z-1)\,\hat{\mathbf{k}}\big]

(Recall that ∣(2−1) ı^+(y−1) ȷ^+(z−1) k^∣=ε|(2-1)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (y-1)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +(z-1)\,\hat{\mathbf{k}}|=\varepsilon on SεS_\varepsilon . So, on SεS_\varepsilon ,

F⋅n^=−1ε((x,y,z)−(2,1,1)[(x−2)2+(y−1)2+(z−1)2]3/2)⋅[(x−2) ı^+(y−1) ȷ^+(z−1) k^]=−1ε((x−2)2+(y−1)2+(z−1)2[(x−2)2+(y−1)2+(z−1)2]3/2)=−1ε2\begin{aligned} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}} &= -\frac{1}{\varepsilon } \left(\frac{(x,y,z)-(2,1,1)}{{\big[(x-2)^2+(y-1)^2+(z-1)^2\big]}^{3/2}}\right) \cdot\big[(x-2)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (y-1)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +(z-1)\,\hat{\mathbf{k}}\big] \\ &=-\frac{1}{\varepsilon } \left(\frac{(x-2)^2+(y-1)^2+(z-1)^2}{{\big[(x-2)^2+(y-1)^2+(z-1)^2\big] }^{3/2}}\right)\\ &= -\frac{1}{\varepsilon ^2} \end{aligned}

Hence

∬SF⋅n^ dS=−∬Sε(−1ε2) dS=1ε2(4πε2)=4π\begin{aligned} \iint _S \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = -\iint _{S_\varepsilon } \left(-\frac{1}{\varepsilon ^2}\right)\,\mathrm{d}S =\frac{1}{\varepsilon ^2} (4\pi\varepsilon ^2) =4\pi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-4 · 4.2절 · 40번우리말 번역

(a) 벡터장 F=(x+sin⁡y,z+y,z2)\mathbf{F} = (x + \sin y, z + y, z^2) 의 발산을 구하세요. (b) 양의 zz 방향으로 향하도록 방향이 정해진 윗반구 x2+y2+z2=25x^2 + y^2 + z^2 = 25, z≥0z \ge 0 을 지나는 F\mathbf{F} 의 선속(플럭스)을 구하세요. (c) 선속 ∬SF⋅n^ dS\iint _S\mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S 가 −9-9 가 되는, 방향이 정해진 닫힌 곡면 SS 를 하나 제시하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) F\mathbf{F} 의 발산은 다음과 같다.

∇⋅F=∂∂x(x+sin⁡y)+∂∂y(z+y)+∂∂z(z2)=2+2z\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} &= \tfrac{\partial}{\partial x}(x+\sin y) +\tfrac{\partial}{\partial y}(z+y) +\tfrac{\partial}{\partial z}(z^2) \\ &=2+2z \end{aligned}

(b) 다음과 같이 놓자.

V={ (x,y,z) ∣ x2+y2≤25, 0≤z≤25−x2−y2 }ST={ (x,y,z) ∣ x2+y2+z2=25, z≥0 }SB={ (x,y,z) ∣ x2+y2≤25, z=0 }\begin{aligned} V &= \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+y^2\le 25,\ 0\le z\le \sqrt{25-x^2-y^2}\ \big\} \\ S_T &= \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+y^2+z^2 = 25,\ z\ge 0\ \big\} \\ S_B &= \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+y^2 \le 25,\ z= 0\ \big\} \end{aligned}

VV 의 경계 ∂V\partial V 는 두 부분, 즉 위쪽 법선을 갖는 STS_T 와 법선이 −k^-\hat{\mathbf{k}} 인 SBS_B 로 이루어져 있음에 주목하자. 우리가 구할 것은 위쪽 법선을 갖는 STS_T 를 지나는 선속이다. 발산 정리에 의해 이는 다음과 같다.

∬STF⋅n^ dS=∭V∇⋅F dV−∬SBF⋅(−k^) dS=∭V(2+2z) dV\begin{aligned} \iint _{S_T} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\,\mathrm{d}V - \iint _{S_B} \mathbf{F}\cdot(-\hat{\mathbf{k}})\,\mathrm{d}S \\ &= \iiint _V (2+2z)\,\mathrm{d}V \end{aligned}

SBS_B 위에서 F⋅k^=z2=0\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{k}}=z^2=0 이기 때문이다. 이 부피적분을 zz 에 대한 적분이 바깥쪽에 오는 반복적분으로 나타내어 계산하자. VV 에서 zz 는 00 부터 55 까지의 값을 가진다. VV 에서 높이가 정확히 zz 인 점들의 집합은 { (x,y,z) ∣ x2+y2≤25−z2 }\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+y^2\le 25-z^2\ \big\} 이다. 따라서

∬STF⋅n^ dS=∫05dz∬x2+y2≤25−z2dx dy (2+2z)=∫05dz (2+2z)∬x2+y2≤25−z2dx dy=∫05dz π(25−z2)(2+2z)∬x2+y2≤25−z2dx dy 는 반지름이 25−z2 인 원판의 넓이이므로=π∫05dz (50−2z2+50z−2z3)=π(50×5−2533+50522−2544)=π53(2−23+5−52)=π 53(43+52)=π23653=28756π\begin{aligned} \iint _{S_T} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= \int_0^5\mathrm{d}z \iint _{x^2+y^2\le 25-z^2} \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\ (2+2z) = \int_0^5\mathrm{d}z\ (2+2z)\iint _{x^2+y^2\le 25-z^2} \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \\ &= \int_0^5\mathrm{d}z\ \pi(25-z^2) (2+2z) \\ \\ \text{$\iint _{x^2+y^2\le 25-z^2} \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y$ 는 반지름이 $\sqrt{25-z^2}$ 인 원판의 넓이이므로} \\ &= \pi\int_0^5\mathrm{d}z\ (50 -2z^2 +50z -2z^3) \\ &=\pi\Big(50\times 5-2\frac{5^3}{3} +50\frac{5^2}{2}-2\frac{5^4}{4}\Big) =\pi 5^3 \Big(2-\frac{2}{3} +5-\frac{5}{2}\Big) = \pi\,5^3 \Big(\frac{4}{3}+\frac{5}{2}\Big) \\ &=\pi\frac{23}{6} 5^3 =\frac{2875}{6}\pi \end{aligned}

(c) 먼저 입체 VV 의 경계인 임의의 닫힌 곡면 SS 를 생각하자. 다음과 같이 쓴다.

  • SS 의 법선은 바깥쪽을 향하는 것을 사용한다.
  • ∣V∣|V| 는 VV 의 부피를 나타낸다.
  • zˉ=1∣V∣∭Vz dV\bar z=\frac{1}{|V|}\iiint _V z\ \mathrm{d}V 는 VV 의 무게중심 (즉 밀도가 상수인 질량중심)의 zz 성분을 나타낸다.

그러면 발산 정리에 의해

∬SF⋅n^ dS=∭V∇⋅F dV=∭V(2+2z) dV=2∭V dV+2∭Vz dV=2∣V∣+2∣V∣zˉ\begin{aligned} \iint _{S} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\,\mathrm{d}V =\iiint _V (2+2z)\,\mathrm{d}V =2\iiint _V \,\mathrm{d}V +2\iiint _V z\,\mathrm{d}V \\ &=2|V| +2|V|\bar z \end{aligned}

이 값이 −9-9 가 될 필요충분조건은

2∣V∣zˉ=−9−2∣V∣  ⟺  zˉ=−92∣V∣−1\begin{aligned} 2|V|\bar z =-9-2|V| \iff \bar z = -\frac{9}{2|V|}-1 \end{aligned}

이 조건을 만족하는 곡면의 하나는 (0,0,−112)\big(0,0, -\frac{11}{2}\big) 을 중심으로 하는 (바깥쪽 법선을 갖는) 단위 정육면체이다.

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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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