문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

스토크스 정리

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

CLP-4 · 4.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

원기둥 x2+y2=1x^2+y^2=1 과 곡면 z=y2z=y^2 의 교선을 CC 라 하고, CC 의 방향은 (0,0,100)(0,0,100) 에서 볼 때 반시계 방향이라고 하자. F=(x2−y , y2+x , 1)\mathbf{F}=(x^2-y\,,\,y^2+x\,,\,1) 일 때, ∮CF⋅dr\oint_C\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 다음 방법으로 구하세요.

(a) 직접 계산하여 구하세요. (b) 스토크스 정리를 이용하여 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the curve of intersection of the cylinder x2+y2=1x^2+y^2=1 and the surface z=y2z=y^2 oriented in the counterclockwise direction as seen from (0,0,100)(0,0,100). Let F=(x2−y , y2+x , 1)\mathbf{F}=(x^2-y\,,\,y^2+x\,,\,1). Calculate ∮CF⋅dr\oint_C\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}

(a) by direct evaluation (b) by using Stokes' Theorem.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) x(t)=cos⁡tx(t)=\cos t, y(t)=sin⁡ty(t)=\sin t 는 x(t)2+y(t)2=1x(t)^2+y(t)^2=1 을 만족함을 알 수 있다. 그러면 z(t)=y(t)2=sin⁡2tz(t)=y(t)^2=\sin ^2 t 이다. 따라서 곡선을 r(t)=(cos⁡t,sin⁡t,sin⁡2t)\mathbf{r}(t)=(\cos t, \sin t, \sin^2 t) (0≤t≤2π0\le t\le 2\pi) 로 매개화할 수 있다. 그러면

r′(t)=(−sin⁡t , cos⁡t , 2sin⁡tcos⁡t)F(r(t))=(cos⁡2t−sin⁡t , sin⁡2t+cos⁡t , 1)F(r(t))⋅r′(t)=−sin⁡tcos⁡2t+sin⁡2t+sin⁡2tcos⁡t+cos⁡2t+2sin⁡tcos⁡t=1+13ddt[cos⁡3t+sin⁡3t]+sin⁡(2t)∮CF⋅dr=∫02π{1+13ddt[cos⁡3t+sin⁡3t]+sin⁡(2t)} dt=[t+13[cos⁡3t+sin⁡3t]−12cos⁡(2t)]02π=2π\begin{aligned} \mathbf{r}'(t)&=(-\sin t\,,\, \cos t \,,\, 2\sin t\cos t)\\ \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)&=\big(\cos^2t-\sin t\,,\,\sin^2t+\cos t\,,\,1\big)\\ \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\cdot\mathbf{r}'(t)&=-\sin t\cos^2 t+\sin^2 t+\sin^2t\cos t +\cos^2t+2\sin t\cos t\\ &=1+\frac{1}{3}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}[\cos^3t+\sin^3 t]+\sin(2t)\\ \oint_C\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^{2\pi} \left\{1+\frac{1}{3}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}[\cos^3t+\sin^3 t]+\sin(2t)\right\}\,\mathrm{d}t \\ &=\left[t+\frac{1}{3}[\cos^3t+\sin^3 t] -\frac{1}{2}\cos(2t) \right]_0^{2\pi}\\ &=2\pi \end{aligned}

(b) SS 를 곡면 z=f(x,y)z=f(x,y) (f(x,y)=y2f(x,y)=y^2, x2+y2≤1x^2+y^2\le 1) 라 하자. CC 의 방향이 zz축 위쪽 높은 곳에서 볼 때 반시계 방향이므로, 스토크스 정리에 따라 SS 의 법선벡터 n^\hat{\mathbf{n}} 은 zz성분이 양수인 것을 써야 한다. 따라서

n^ dS=[−∂f∂x ı^−∂f∂y ȷ^+k^] dx dy=[−2y ȷ^+k^] dx dy∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zx2−yy2+x1]=2k^∇×F⋅n^ dS=2 dx dy∮CF⋅dr=∬S∇×F⋅n^ dS=2∬x2+y2≤1 dx dy=2π\begin{aligned} \hat{\mathbf{n}}\,dS&=\Big[-\frac{\partial f}{\partial x}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -\frac{\partial f}{\partial y}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}\Big]\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\Big[-2y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}\Big]\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\\ { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}&=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\[0.05in] \frac{\partial }{\partial x} & \frac{\partial }{\partial y} & \frac{\partial }{\partial z} \\[0.05in] x^2-y & y^2+x & 1 \end{matrix}\right] =2\hat{\mathbf{k}}\\ { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,dS&=2\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\\ \oint_C\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\iint _S{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =2\iint _{x^2+y^2\le 1}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\\ &=2\pi \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Observe that x(t)=cos⁡tx(t)=\cos t and y(t)=sin⁡ty(t)=\sin t obey x(t)2+y(t)2=1x(t)^2+y(t)^2=1. Then z(t)=y(t)2=sin⁡2tz(t)=y(t)^2=\sin ^2 t. So we may parametrize the curve by r(t)=(cos⁡t,sin⁡t,sin⁡2t)\mathbf{r}(t)=(\cos t, \sin t, \sin^2 t) with 0≤t≤2π0\le t\le 2\pi. Then

r′(t)=(−sin⁡t , cos⁡t , 2sin⁡tcos⁡t)F(r(t))=(cos⁡2t−sin⁡t , sin⁡2t+cos⁡t , 1)F(r(t))⋅r′(t)=−sin⁡tcos⁡2t+sin⁡2t+sin⁡2tcos⁡t+cos⁡2t+2sin⁡tcos⁡t=1+13ddt[cos⁡3t+sin⁡3t]+sin⁡(2t)∮CF⋅dr=∫02π{1+13ddt[cos⁡3t+sin⁡3t]+sin⁡(2t)} dt=[t+13[cos⁡3t+sin⁡3t]−12cos⁡(2t)]02π=2π\begin{aligned} \mathbf{r}'(t)&=(-\sin t\,,\, \cos t \,,\, 2\sin t\cos t)\\ \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)&=\big(\cos^2t-\sin t\,,\,\sin^2t+\cos t\,,\,1\big)\\ \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\cdot\mathbf{r}'(t)&=-\sin t\cos^2 t+\sin^2 t+\sin^2t\cos t +\cos^2t+2\sin t\cos t\\ &=1+\frac{1}{3}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}[\cos^3t+\sin^3 t]+\sin(2t)\\ \oint_C\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^{2\pi} \left\{1+\frac{1}{3}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}[\cos^3t+\sin^3 t]+\sin(2t)\right\}\,\mathrm{d}t \\ &=\left[t+\frac{1}{3}[\cos^3t+\sin^3 t] -\frac{1}{2}\cos(2t) \right]_0^{2\pi}\\ &=2\pi \end{aligned}

(b) Let SS be the surface z=f(x,y)z=f(x,y) with f(x,y)=y2f(x,y)=y^2 and x2+y2≤1x^2+y^2\le 1. Since CC is oriented counter clockwise when viewed from high on the zz-axis, Stokes' theorem requires that we use the normal n^\hat{\mathbf{n}} to SS with positive zz component. Hence

n^ dS=[−∂f∂x ı^−∂f∂y ȷ^+k^] dx dy=[−2y ȷ^+k^] dx dy∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zx2−yy2+x1]=2k^∇×F⋅n^ dS=2 dx dy∮CF⋅dr=∬S∇×F⋅n^ dS=2∬x2+y2≤1 dx dy=2π\begin{aligned} \hat{\mathbf{n}}\,dS&=\Big[-\frac{\partial f}{\partial x}\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -\frac{\partial f}{\partial y}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}\Big]\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\Big[-2y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}\Big]\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\\ { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}&=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\[0.05in] \frac{\partial }{\partial x} & \frac{\partial }{\partial y} & \frac{\partial }{\partial z} \\[0.05in] x^2-y & y^2+x & 1 \end{matrix}\right] =2\hat{\mathbf{k}}\\ { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,dS&=2\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\\ \oint_C\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\iint _S{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =2\iint _{x^2+y^2\le 1}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\\ &=2\pi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 3권 · 6.7절 · 6번우리말 번역

F(x,y,z)=2yi−6zj+3xk;\text{F}(x,y,z)=2y\text{i}-6z\text{j}+3x\text{k}; S 는 포물면 z=4−x2−y2z=4-{x}^{2}-{y}^{2} 의 일부이며 xy평면 위쪽에 있습니다.

다 풀었으면 정답 확인

∬S(curl F⋅N)dS=−8π{\iint }_{S}(\text{curl}\,\text{F}\cdot \text{N})dS=-8\pi

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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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