문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

그린 정리

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

CLP-4 · 4.3절 · 12번대학 수준우리말 번역

F(x,y)=(32y2+e−y+sin⁡x) ı^+(12x2+x−xe−y) ȷ^\begin{aligned} \mathbf{F}(x,y) = \big(\tfrac{3}{2}y^2 + e^{-y} +\sin x\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\big(\tfrac{1}{2}x^2+x-x e^{-y}\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

라 하자. 꼭짓점이 (0,0)(0,0), (1,−2)(1,-2), (1,2)(1,2) 인 삼각형의 경계를 CC 라 하고, CC 의 방향이 시계 반대 방향일 때 ∫CF⋅dr\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let

F(x,y)=(32y2+e−y+sin⁡x) ı^+(12x2+x−xe−y) ȷ^\begin{aligned} \mathbf{F}(x,y) = \big(\tfrac{3}{2}y^2 + e^{-y} +\sin x\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\big(\tfrac{1}{2}x^2+x-x e^{-y}\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

Find ∫CF⋅dr\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}, where CC is the boundary of the triangle (0,0)(0,0), (1,−2)(1,-2), (1,2)(1,2), oriented anticlockwise.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

직접 계산하면 삼각형의 세 변에 대해 각각 하나씩 모두 세 개의 적분이 나온다. (0,0)(0,0) 에서 (1,−2)(1,-2) 까지의 적분과 (1,2)(1,2) 에서 (0,0)(0,0) 까지의 적분에는 각각 (상수가 아닌) 항이 여섯 개씩 들어 있다. 이는 그다지 효율적으로 보이지 않는다. 그러므로 그린 정리를 이용해 보자. 삼각형을 TT 라 하면

T={ (x,y) ∣ 0≤x≤1, −2x≤y≤2x }−50pt[40pt][40pt]![그림](clp/clp4−OE06A4.png)T = \big\{ \ (x,y)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ -2x\le y\le 2x\ \big\} {-50pt}[40pt][40pt]{ ![그림](clp/clp4-OE06A_4.png) }

이다. TT 의 경계는 ∂T=C\partial T=C 이며, 원하는 대로 시계 반대 방향이다. 따라서 그린 정리에 의해

∫CF⋅dr=∫∂T{(32y2+e−y+sin⁡x)dx+(12x2+x−xe−y)dy}=∬T{∂∂x(12x2+x−xe−y)−∂∂y(32y2+e−y+sin⁡x)}dxdy=∬T{(x+1−e−y)−(3y−e−y)}dxdy=∬T{x−3y+1}dxdy\begin{aligned} \int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &= \int_{\partial T} \big\{\big(\tfrac{3}{2}y^2 + e^{-y} +\sin x\big)\mathrm{d}x +\big(\tfrac{1}{2}x^2+x-x e^{-y}\big)\mathrm{d}y\big\} \\ &= \iint _T \big\{ \tfrac{\partial}{\partial x}\big(\tfrac{1}{2}x^2+x-x e^{-y}\big) -\tfrac{\partial}{\partial y}\big(\tfrac{3}{2}y^2 + e^{-y} +\sin x\big) \big\}\mathrm{d}x\mathrm{d}y \\ &= \iint _T \big\{ \big(x + 1-e^{-y}\big) - \big(3y - e^{-y} \big) \big\}\mathrm{d}x\mathrm{d}y \\ &= \iint _T \big\{ x -3y + 1 \big\}\mathrm{d}x\mathrm{d}y \end{aligned}

이다. 이제

∬Tdxdy=넓이(T)=12(4)(1)=2∬Ty dxdy=0y→−y 일 때 y 는 기함수이므로∬Tx dxdy=∫01dx∫−2x2xdy x=∫014x2 dx=43\begin{aligned} \iint _T \mathrm{d}x\mathrm{d}y &=\text{넓이}(T) = \frac{1}{2}(4)(1) = 2 \\ \iint _T y\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y &= 0 \qquad\text{$y\rightarrow-y$ 일 때 $y$ 는 기함수이므로} \\ \iint _T x\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y &=\int_0^1\mathrm{d}x\int_{-2x}^{2x} \mathrm{d}y\ x =\int_0^1 4x^2\ \mathrm{d}x =\frac{4}{3} \end{aligned}

이다. 그러므로

∫CF⋅dr=43−3×0+2=103\int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = \frac{4}{3}-3\times 0 +2 =\frac{10}{3}

원본 교재 풀이(영어)

Direct evaluation will lead to three integrals, one for each side of the triangle. The integral from (0,0)(0,0) and (1,−2)(1,-2) and the integral from (1,2)(1,2) to (0,0)(0,0) will each contain six (nonconstant) terms. This does not look very efficient. So let's try Green's theorem. Denote by TT, the triangle

T={ (x,y) ∣ 0≤x≤1, −2x≤y≤2x }−50pt[40pt][40pt]![figure](clp/clp4−OE06A4.png)T = \big\{ \ (x,y)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ -2x\le y\le 2x\ \big\} {-50pt}[40pt][40pt]{ ![figure](clp/clp4-OE06A_4.png) }

It has boundary ∂T=C\partial T=C, oriented counterclockwise as desired. So, by Green's theorem,

∫CF⋅dr=∫∂T{(32y2+e−y+sin⁡x)dx+(12x2+x−xe−y)dy}=∬T{∂∂x(12x2+x−xe−y)−∂∂y(32y2+e−y+sin⁡x)}dxdy=∬T{(x+1−e−y)−(3y−e−y)}dxdy=∬T{x−3y+1}dxdy\begin{aligned} \int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &= \int_{\partial T} \big\{\big(\tfrac{3}{2}y^2 + e^{-y} +\sin x\big)\mathrm{d}x +\big(\tfrac{1}{2}x^2+x-x e^{-y}\big)\mathrm{d}y\big\} \\ &= \iint _T \big\{ \tfrac{\partial}{\partial x}\big(\tfrac{1}{2}x^2+x-x e^{-y}\big) -\tfrac{\partial}{\partial y}\big(\tfrac{3}{2}y^2 + e^{-y} +\sin x\big) \big\}\mathrm{d}x\mathrm{d}y \\ &= \iint _T \big\{ \big(x + 1-e^{-y}\big) - \big(3y - e^{-y} \big) \big\}\mathrm{d}x\mathrm{d}y \\ &= \iint _T \big\{ x -3y + 1 \big\}\mathrm{d}x\mathrm{d}y \end{aligned}

Now

∬Tdxdy=Area(T)=12(4)(1)=2∬Ty dxdy=0since y is odd under y→−y∬Tx dxdy=∫01dx∫−2x2xdy x=∫014x2 dx=43\begin{aligned} \iint _T \mathrm{d}x\mathrm{d}y &=\text{Area}(T) = \frac{1}{2}(4)(1) = 2 \\ \iint _T y\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y &= 0 \qquad\text{since $y$ is odd under $y\rightarrow-y$} \\ \iint _T x\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y &=\int_0^1\mathrm{d}x\int_{-2x}^{2x} \mathrm{d}y\ x =\int_0^1 4x^2\ \mathrm{d}x =\frac{4}{3} \end{aligned}

So

∫CF⋅dr=43−3×0+2=103\int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = \frac{4}{3}-3\times 0 +2 =\frac{10}{3}

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 3권 · 6.4절 · 50번우리말 번역

C 를 정사각형 0≤x≤π, 0≤y≤π0\le x\le \pi ,\,0\le y\le \pi 의 경계라 하고, 반시계 방향으로 한 바퀴 돈다고 하자. 그린 정리를 이용하여 ∫Csin⁡(x+y)dx+cos⁡(x+y)dy{\int }_{C}^{}\sin (x+y)dx+\cos (x+y)dy 의 값을 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

∫Csin⁡(x+y)dx+cos⁡(x+y)dy=4{\int }_{C}^{}\sin (x+y)dx+\cos (x+y)dy=4

이 문제로 이어서 풀기
# 그린 정리계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

「그린 정리」 문제 목록으로