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 · 25번대학 수준우리말 번역

S\mathcal{S} 를 아래의 곡면이라 하고, 바깥쪽 법선으로 방향을 정하자. x2+y2+2(z−1)2=6,z≥0.x^2 + y^2 + 2(z-1)^2 = 6,\qquad z\ge 0. (예를 들어, 곡면의 가장 높은 점에서 단위법선벡터는 k^\hat{\mathbf{k}} 이다.)

다음과 같이 정의한다. G=∇×F,whereF=(xz−y3cos⁡z) ı^+x3ez ȷ^+xyzex2+y2+z2 k^.\mathbf{G} = \nabla\times\mathbf{F}, \qquad{\rm where}\qquad \mathbf{F} = (xz - y^3\cos z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + x^3 e^z\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + xyze^{x^2+y^2+z^2}\,\hat{\mathbf{k}}. ∬SG⋅n^dS\iint _\mathcal{S} \mathbf{G}\cdot \hat{\mathbf{n}}\mathrm{d}S 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let S\mathcal{S} be the curved surface below, oriented by the outward normal: x2+y2+2(z−1)2=6,z≥0.x^2 + y^2 + 2(z-1)^2 = 6,\qquad z\ge 0. (E.g., at the high point of the surface, the unit normal is k^\hat{\mathbf{k}}.)

Define G=∇×F,whereF=(xz−y3cos⁡z) ı^+x3ez ȷ^+xyzex2+y2+z2 k^.\mathbf{G} = \nabla\times\mathbf{F}, \qquad{\rm where}\qquad \mathbf{F} = (xz - y^3\cos z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + x^3 e^z\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + xyze^{x^2+y^2+z^2}\,\hat{\mathbf{k}}. Find ∬SG⋅n^dS\iint _\mathcal{S} \mathbf{G}\cdot \hat{\mathbf{n}}\mathrm{d}S.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

주어진 곡면은 (x,y,z)=(0,0,1)(x,y,z)=(0,0,1) 을 중심으로 하는 타원면이다. 이 곡면은 평면 z=0z=0 위의 곡선 C\mathcal{C} 를 덮고 있으며, 이 곡선은 x2+y2=4x^2+y^2=4 로 주어진다. 이는 원점을 중심으로 하고 반지름이 22 인 원이며, zz축의 양의 방향에서 볼 때 시계 반대 방향으로 방향이 정해져 있다.

방법 I — 스토크스 정리를 두 번 사용: D\mathcal{D} 를 평면 위의 원판 x2+y2≤4x^2+y^2\le 4, z=0z=0 이라 하자. 스토크스 정리를 두 번 사용하면 다음을 얻는다. ∬SG⋅n^ dS=∬S∇×F⋅n^ dS=∮CF⋅dr=∬D∇×F⋅n^ dS=∬DG⋅n^ dS\iint _\mathcal{S} \mathbf{G}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \iint _\mathcal{S} \nabla\times\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \oint_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _\mathcal{D} \nabla\times\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \iint _\mathcal{D} \mathbf{G}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S 이제 D\mathcal{D} 위에서 n^=k^\hat{\mathbf{n}}=\hat{\mathbf{k}} 이고 z=0z=0 이므로, 이 곡면 위에서

G⋅n^=(∇×F)⋅k^=det⁡[001∂∂x∂∂y∂∂z(xz−y3cos⁡z)x3ezxyzex2+y2+z2]z=0=[3x2ez+3y2cos⁡z]z=0=3(x2+y2)\begin{aligned} \mathbf{G}\cdot\hat{\mathbf{n}} = (\nabla\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{k}} &= \det\left[\begin{matrix} 0 & 0 & 1 \\ \frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial z} \\ (xz - y^3\cos z) & x^3 e^z & xyze^{x^2+y^2+z^2} \end{matrix}\right]_{z=0} \\[0.05in] &= \big[3x^2 e^z + 3y^2\cos z\big]_{z=0} = 3(x^2+y^2) \end{aligned}

따라서 극좌표를 이용하면 ∬SG⋅n^ dS=∬D3(x2+y2) dxdy=3∫θ=02π∫r=02(r2) r dr dθ=3(2π)(4)=24π\iint _\mathcal{S} \mathbf{G}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \iint _\mathcal{D} 3(x^2+y^2)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y = 3\int_{\theta=0}^{2\pi} \int_{r=0}^2 (r^2)\,r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta = 3(2\pi)(4)= 24\pi

방법 II — 스토크스 정리를 한 번 사용: 스토크스 정리에 의해

∬SG⋅n^ dS=∬S∇×F⋅n^ dS=∮CF⋅dr\iint _\mathcal{S} \mathbf{G}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \iint _\mathcal{S} \nabla\times\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \oint_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}

원 C\mathcal{C} 를 r(θ)=2cos⁡θ ı^+2sin⁡θ ȷ^,0≤θ≤2π\mathbf{r}(\theta) = 2\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 2\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}},\qquad 0\le\theta\le 2\pi 로 매개화하면 dr=drdθ dθ=(−2sin⁡θ ı^+2cos⁡θ ȷ^) dθ.\mathrm{d}\mathbf{r} = \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}\theta}\,\mathrm{d}\theta = (-2\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 2\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}})\,\mathrm{d}\theta. 를 얻는다. 그러면 C\mathcal{C} 위에서 z=0z=0 이므로,

∬SG⋅n^ dS=∫02π(−(2sin⁡θ)3 ı^+(2cos⁡θ)3 ȷ^⏞F(r(θ)))⋅(−2sin⁡θ ı^+2cos⁡θ ȷ^⏞r′(θ)) dθ=16∫02π(sin⁡4θ+cos⁡4θ) dθ\begin{aligned} \iint _\mathcal{S} \mathbf{G}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= \int_{0}^{2\pi}\big( \overbrace{-(2\sin\theta)^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (2\cos\theta)^3\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}}^ {\mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)}\big) \cdot \big(\overbrace{-2\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 2\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}}^{\mathbf{r}'(\theta)}\big) \,\mathrm{d}\theta \\ &= 16 \int_{0}^{2\pi}\big(\sin^4\theta + \cos^4\theta\big)\,\mathrm{d}\theta \end{aligned}

배각 공식

cos⁡2θ=1+cos⁡(2θ)2sin⁡2θ=1−cos⁡(2θ)2\begin{aligned} \cos^2\theta=\frac{1+\cos(2\theta)}{2}\qquad \sin^2\theta=\frac{1-\cos(2\theta)}{2}\qquad \end{aligned}

에 의해 다음을 얻는다.

sin⁡4θ+cos⁡4θ=[1−cos⁡(2θ)]24+[1+cos⁡(2θ)]24=12+cos⁡2(2θ)2=12+1+cos⁡(4θ)4\begin{aligned} \sin^4\theta + \cos^4\theta &=\frac{\big[1-\cos(2\theta)\big]^2}{4} + \frac{\big[1+\cos(2\theta)\big]^2}{4} \\ &=\frac{1}{2} + \frac{\cos^2(2\theta)}{2} =\frac{1}{2} + \frac{1+\cos(4\theta)}{4} \end{aligned}

그러므로 ∬SG⋅n^ dS=16∫02π(34+14cos⁡(4θ)) dθ=16×34×(2π)=24π\iint _\mathcal{S} \mathbf{G}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =16\int_{0}^{2\pi} \left(\frac{3}{4}+\frac{1}{4}\cos(4\theta)\right) \,\mathrm{d}\theta = 16\times\frac{3}{4}\times (2\pi) = 24\pi

원본 교재 풀이(영어)

The given surface is an ellipsoid centred at (x,y,z)=(0,0,1)(x,y,z)=(0,0,1). It caps a curve C\mathcal{C} in the plane z=0z=0, given by x2+y2=4x^2+y^2=4. This is a circle of radius 22 centred at the origin, oriented counterclockwise when viewed from the positive zz-axis.

Method I — double Stokes': Let D\mathcal{D} denote the plane disk x2+y2≤4x^2+y^2\le 4, z=0z=0. Using Stokes' theorem twice gives ∬SG⋅n^ dS=∬S∇×F⋅n^ dS=∮CF⋅dr=∬D∇×F⋅n^ dS=∬DG⋅n^ dS\iint _\mathcal{S} \mathbf{G}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \iint _\mathcal{S} \nabla\times\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \oint_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _\mathcal{D} \nabla\times\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \iint _\mathcal{D} \mathbf{G}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S Now in D\mathcal{D} we have n^=k^\hat{\mathbf{n}}=\hat{\mathbf{k}} and z=0z=0, so on this surface,

G⋅n^=(∇×F)⋅k^=det⁡[001∂∂x∂∂y∂∂z(xz−y3cos⁡z)x3ezxyzex2+y2+z2]z=0=[3x2ez+3y2cos⁡z]z=0=3(x2+y2)\begin{aligned} \mathbf{G}\cdot\hat{\mathbf{n}} = (\nabla\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{k}} &= \det\left[\begin{matrix} 0 & 0 & 1 \\ \frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial z} \\ (xz - y^3\cos z) & x^3 e^z & xyze^{x^2+y^2+z^2} \end{matrix}\right]_{z=0} \\[0.05in] &= \big[3x^2 e^z + 3y^2\cos z\big]_{z=0} = 3(x^2+y^2) \end{aligned}

Hence, using polar coordinates, ∬SG⋅n^ dS=∬D3(x2+y2) dxdy=3∫θ=02π∫r=02(r2) r dr dθ=3(2π)(4)=24π\iint _\mathcal{S} \mathbf{G}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \iint _\mathcal{D} 3(x^2+y^2)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y = 3\int_{\theta=0}^{2\pi} \int_{r=0}^2 (r^2)\,r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta = 3(2\pi)(4)= 24\pi

Method II — single Stokes': By Stokes' theorem

∬SG⋅n^ dS=∬S∇×F⋅n^ dS=∮CF⋅dr\iint _\mathcal{S} \mathbf{G}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \iint _\mathcal{S} \nabla\times\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \oint_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}

Parametrize the circle C\mathcal{C} using r(θ)=2cos⁡θ ı^+2sin⁡θ ȷ^,0≤θ≤2π\mathbf{r}(\theta) = 2\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 2\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}},\qquad 0\le\theta\le 2\pi to obtain dr=drdθ dθ=(−2sin⁡θ ı^+2cos⁡θ ȷ^) dθ.\mathrm{d}\mathbf{r} = \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}\theta}\,\mathrm{d}\theta = (-2\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 2\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}})\,\mathrm{d}\theta. Then since z=0z=0 on C\mathcal{C},

∬SG⋅n^ dS=∫02π(−(2sin⁡θ)3 ı^+(2cos⁡θ)3 ȷ^⏞F(r(θ)))⋅(−2sin⁡θ ı^+2cos⁡θ ȷ^⏞r′(θ)) dθ=16∫02π(sin⁡4θ+cos⁡4θ) dθ\begin{aligned} \iint _\mathcal{S} \mathbf{G}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= \int_{0}^{2\pi}\big( \overbrace{-(2\sin\theta)^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (2\cos\theta)^3\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}}^ {\mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)}\big) \cdot \big(\overbrace{-2\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + 2\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}}^{\mathbf{r}'(\theta)}\big) \,\mathrm{d}\theta \\ &= 16 \int_{0}^{2\pi}\big(\sin^4\theta + \cos^4\theta\big)\,\mathrm{d}\theta \end{aligned}

By the double angle trig identities

cos⁡2θ=1+cos⁡(2θ)2sin⁡2θ=1−cos⁡(2θ)2\begin{aligned} \cos^2\theta=\frac{1+\cos(2\theta)}{2}\qquad \sin^2\theta=\frac{1-\cos(2\theta)}{2}\qquad \end{aligned}

we have

sin⁡4θ+cos⁡4θ=[1−cos⁡(2θ)]24+[1+cos⁡(2θ)]24=12+cos⁡2(2θ)2=12+1+cos⁡(4θ)4\begin{aligned} \sin^4\theta + \cos^4\theta &=\frac{\big[1-\cos(2\theta)\big]^2}{4} + \frac{\big[1+\cos(2\theta)\big]^2}{4} \\ &=\frac{1}{2} + \frac{\cos^2(2\theta)}{2} =\frac{1}{2} + \frac{1+\cos(4\theta)}{4} \end{aligned}

So ∬SG⋅n^ dS=16∫02π(34+14cos⁡(4θ)) dθ=16×34×(2π)=24π\iint _\mathcal{S} \mathbf{G}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =16\int_{0}^{2\pi} \left(\frac{3}{4}+\frac{1}{4}\cos(4\theta)\right) \,\mathrm{d}\theta = 16\times\frac{3}{4}\times (2\pi) = 24\pi

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-4 · 4.4절 · 9번우리말 번역

F=−yez ı^+x3cos⁡z ȷ^+zsin⁡(xy) k^\mathbf{F} = - ye^z\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + x^3\cos z\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + z\sin(xy)\,\hat{\mathbf{k}} 라 하고, SS 를 xyxy평면의 정사각형 영역 −1≤x≤1-1\le x\le 1, −1≤y≤1-1\le y\le 1 의 위쪽에 놓인 곡면 z=(1−x2)(1−y2) z = (1-x^2)(1-y^2) 의 부분이라 하자. SS 를 통과하는 ∇×F{ \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F} 의 위쪽 방향 플럭스를 구하세요.

답 쓰고 채점
다 풀었으면 정답 확인

곡면

S={ (x,y,z) ∣ −1≤x≤1, −1≤y≤1, z≥0, z=(1−x2)(1−y2) }={ (x,y,z) ∣ −1≤x≤1, −1≤y≤1,  z=(1−x2)(1−y2) }\begin{aligned} S&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ -1\le x\le 1,\ -1\le y\le 1,\ z\ge 0,\ z = (1-x^2)(1-y^2)\ \big\} \\ &=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ -1\le x\le 1,\ -1\le y\le 1,\ \ z = (1-x^2)(1-y^2)\ \big\} \end{aligned}

이다. x=1x=1 또는 x=−1x=-1 또는 y=1y=1 또는 y=−1y=-1 일 때 z=(1−x2)(1−y2)=0z= (1-x^2)(1-y^2)=0 임에 주목하자. 따라서 SS 의 경계 CC 는 정사각형 −1≤x,y≤1-1\le x,y\le 1, z=0z=0 의 경계이며, 반시계 방향으로 향한다. 다음은 CC 의 개략도이다.

그림

스토크스 정리를 적용한다. CC 위에서 z=0z=0 이므로 F=−y ı^+x3 ȷ^\mathbf{F} = -y\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +x^3\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 임에 주목하면,

∬S∇×F⋅n^ dS=∮CF⋅dr=∮C[−y ı^+x3ȷ^]⋅dr=∫−11−(−1) dx⏟y=−1 side+∫−11(1)3 dy⏟x=1 side+∫1−1−(1) dx⏟y=1 side+∫1−1(−1)3 dy⏟x=−1 side=8\begin{aligned} \iint _S{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\oint_C\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\oint_C[-y\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x^3\hat{\boldsymbol{\jmath}}]\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}\\ &=\underbrace{\int_{-1}^1 -(-1)\,\mathrm{d}x}_{y=-1{\rm\ side}} +\underbrace{\int_{-1}^1 (1)^3\,\mathrm{d}y}_{x=1{\rm\ side}} + \underbrace{\int^{-1}_1 -(1)\,\mathrm{d}x}_{y=1{\rm\ side}} + \underbrace{\int^{-1}_1 (-1)^3\,\mathrm{d}y}_{x=-1{\rm\ side}} \\ &=8 \end{aligned}

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

「스토크스 정리」 문제 목록으로