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 · 34번대학 수준우리말 번역

CC 를 xyxy평면에서 점 (0,0)(0, 0) 에서 점 (5,5)(5, 5) 까지 가는 곡선이라 하자. 이 곡선은 점 (0,0)(0,0), (0,1)(0,1), (1,1)(1,1), (1,2)(1,2), (2,2)(2,2), (2,3)(2,3), (3,3)(3,3), (3,4)(3,4), (4,4)(4,4), (4,5)(4,5), (5,5)(5,5) 를 차례로 이은 열 개의 선분으로 이루어져 있다. 선적분

∫CF⋅dr\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} \end{aligned}

의 값을 구하세요. 단,

F=y ı^+(2x−10) ȷ^\begin{aligned} \mathbf{F} = y\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (2x - 10)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

이다.

영어 원문 보기

Let CC be the curve in the xyxy-plane from the point (0,0)(0, 0) to the point (5,5)(5, 5) consisting of the ten line segments consecutively connecting the points (0,0)(0,0), (0,1)(0,1), (1,1)(1,1), (1,2)(1,2), (2,2)(2,2), (2,3)(2,3), (3,3)(3,3), (3,4)(3,4), (4,4)(4,4), (4,5)(4,5), (5,5)(5,5). Evaluate the line integral

∫CF⋅dr\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} \end{aligned}

where

F=y ı^+(2x−10) ȷ^\begin{aligned} \mathbf{F} = y\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (2x - 10)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

CC 가 열 개의 선분으로 이루어져 있으므로 직접 계산하는 것은 아마도 그리 효율적이지 않을 것이다. 다른 방법으로 두 가지를 생각할 수 있다. F\mathbf{F} 가 보존적이면 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜을 이용할 수 있다. F\mathbf{F} 가 보존적이지 않더라도 스토크스 정리(또는 그린 정리)를 효율적으로 이용할 수 있을지 모른다. 그래서 다음을 계산하자.

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zy2x−100]=k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ \tfrac{\partial}{\partial x} & \tfrac{\partial}{\partial y} & \tfrac{\partial}{\partial z} \\ y & 2x-10 & 0 \end{matrix} \right] =\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

∇×F≠0{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\ne\mathbf{0} 이므로 벡터장 F\mathbf{F} 는 보존적이 아니다. 또 ∇×F≠0{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\ne\mathbf{0} 이 매우 간단하므로, 스토크스 정리를 이용하면 적분을 효율적으로 계산할 수 있을 것 같다. 아래 왼쪽 그림에 CC 의 개형이 있다.

그림

그림

곡선 CC 는 닫혀 있지 않으므로 어떤 곡면의 경계가 아니며, 따라서 스토크스 정리를 바로 적용할 수 없다. 그러나 경계가 CC 를 포함하는 곡면은 쉽게 떠올릴 수 있다. 위 오른쪽 그림에서 색칠한 영역을 RR 이라 하자. RR 의 경계 ∂R\partial R 은 CC 와 선분 LL 의 두 부분으로 이루어져 있다. RR 의 법선은 −k^-\hat{\mathbf{k}} 방향이다(∂R\partial R 가 시계 방향으로 향하므로). 따라서 스토크스 정리에 의해

∫CF⋅dr+∫LF⋅dr=∬R∇×F⋅(−k^) dS=∬R(k^)⋅(−k^) dS=−Area(R)\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} + \int_L \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _R { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} \cdot(-\hat{\mathbf{k}})\ \mathrm{d}S = \iint _R (\hat{\mathbf{k}}) \cdot(-\hat{\mathbf{k}})\ \mathrm{d}S = -\text{Area}(R) \end{aligned}

이다.

RR 은 높이가 11 이고 밑변이 11 인 삼각형 55 개의 합집합이다. 따라서

Area(R)=5×12×1×1=52\text{Area}(R) = 5\times \frac{1}{2}\times 1\times 1 =\frac{5}{2}

이다.

(0,0)(0,0) 에서 (5,5)(5,5) 까지의 선분을 −L-L 이라 하면, −L-L 은 r(t)=t(5,5)\mathbf{r}(t) = t(5,5), 0≤t≤10\le t\le 1 로 매개화할 수 있고

∫−LF⋅dr=∫01(5t ı^+(10t−10) ȷ^)⏞F(r(t))⋅(5 ı^+5 ȷ^)⏞r′(t) dt=∫015(15t−10)dt=25(32−2)=−252\begin{aligned} \int_{-L} \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \overbrace{\big(5t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (10t-10)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big)}^{\mathbf{F}(\mathbf{r}(t))} \cdot\overbrace{(5\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+5\,\hat{\boldsymbol{\jmath}})}^{\mathbf{r}'(t)}\ \mathrm{d}t =\int_0^1 5\big(15t-10\big) \mathrm{d}t =25\left(\frac{3}{2}-2\right) \\ &=-\frac{25}{2} \end{aligned}

이다.

종합하면

∫CF⋅dr=−Area(R)−∫LF⋅dr=−Area(R)+∫−LF⋅dr=−52−252=−15\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = -\text{Area}(R) - \int_L \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = -\text{Area}(R) + \int_{-L} \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =-\frac{5}{2}-\frac{25}{2} =-15 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Considering that there are ten line segments in CC, it is probably not very efficient to use direct evaluation. Two other possible methods come to mind. If F\mathbf{F} is conservative, we can use F\mathbf{F}'s potential. Even if F\mathbf{F} is not conservative, it may be possible to efficiently use Stokes' (or Green's) theorem. So let's compute

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zy2x−100]=k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ \tfrac{\partial}{\partial x} & \tfrac{\partial}{\partial y} & \tfrac{\partial}{\partial z} \\ y & 2x-10 & 0 \end{matrix} \right] =\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

As ∇×F≠0{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\ne\mathbf{0}, the vector field F\mathbf{F} is not conservative. As ∇×F≠0{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\ne\mathbf{0} is very simple, it looks like Stokes' theorem could provide an efficient way to compute the integral. The left figure below contains a sketch of CC.

figure

figure

The curve CC is not closed, and so is not the boundary of a surface, so we cannot apply Stokes' theorem directly. But we can easily come up with a surface whose boundary contains CC. Let RR be the shaded region in the figure on the right above. The boundary ∂R\partial R of RR consists of two parts — CC and the line segment LL. The normal of RR for −k^-\hat{\mathbf{k}} (since ∂R\partial R is oriented clockwise). So Stokes' theorem gives

∫CF⋅dr+∫LF⋅dr=∬R∇×F⋅(−k^) dS=∬R(k^)⋅(−k^) dS=−Area(R)\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} + \int_L \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _R { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} \cdot(-\hat{\mathbf{k}})\ \mathrm{d}S = \iint _R (\hat{\mathbf{k}}) \cdot(-\hat{\mathbf{k}})\ \mathrm{d}S = -\text{Area}(R) \end{aligned}

RR is the union of 55 triangles, each of height 11 and base 11. So

Area(R)=5×12×1×1=52\text{Area}(R) = 5\times \frac{1}{2}\times 1\times 1 =\frac{5}{2}

If we denote by −L-L the line segment from (0,0)(0,0) to (5,5)(5,5), we can parametrize −L-L by r(t)=t(5,5)\mathbf{r}(t) = t(5,5), 0≤t≤10\le t\le 1 and

∫−LF⋅dr=∫01(5t ı^+(10t−10) ȷ^)⏞F(r(t))⋅(5 ı^+5 ȷ^)⏞r′(t) dt=∫015(15t−10)dt=25(32−2)=−252\begin{aligned} \int_{-L} \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \overbrace{\big(5t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (10t-10)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big)}^{\mathbf{F}(\mathbf{r}(t))} \cdot\overbrace{(5\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+5\,\hat{\boldsymbol{\jmath}})}^{\mathbf{r}'(t)}\ \mathrm{d}t =\int_0^1 5\big(15t-10\big) \mathrm{d}t =25\left(\frac{3}{2}-2\right) \\ &=-\frac{25}{2} \end{aligned}

All together

∫CF⋅dr=−Area(R)−∫LF⋅dr=−Area(R)+∫−LF⋅dr=−52−252=−15\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = -\text{Area}(R) - \int_L \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = -\text{Area}(R) + \int_{-L} \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =-\frac{5}{2}-\frac{25}{2} =-15 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-4 · 4.4절 · 36번우리말 번역

패러데이 법칙의 적분형

∮CE⋅dr=−1c ddt∬SH⋅n^ dS\oint_C\mathbf{E}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = -\frac{1}{c}\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\iint _S\mathbf{H}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S

로부터 미분형

∇×E=−1c∂H∂t{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E} = -\frac{1}{c}\frac{\partial\mathbf{H}}{\partial t}

를 어떻게 이끌어 내는지 설명하세요.

다 풀었으면 정답 확인

스토크스 정리에 의해

∮CE⋅dr=∬S(∇×E)⋅n^ dS\oint_C\mathbf{E}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=\iint _S({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E})\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S

이므로 패러데이 법칙은 다음과 같이 된다.

∬S(∇×E+1c∂H∂t)⋅n^ dS=0\iint _S\Big({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E} +\frac{1}{c}\frac{\partial\mathbf{H}}{\partial t}\Big)\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S=0

이것은 모든 곡면 SS 에 대해 성립한다. 따라서 피적분함수가 연속이라고 가정하면 피적분함수는 0이어야 한다.

이를 확인하기 위해 G=(∇×E+1c∂H∂t)\mathbf{G}=\Big({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E}+\frac{1}{c}\frac{\partial\mathbf{H}}{\partial t}\Big) 라 하자. G(x0)≠0\mathbf{G}(\mathbf{x}_0)\ne 0 이라고 가정한다. G(x0)\mathbf{G}(\mathbf{x}_0) 의 방향으로 단위 벡터 n^\hat{\mathbf{n}} 을 잡는다. SS 를 x0\mathbf{x}_0 를 중심으로 하고 법선 벡터가 n^\hat{\mathbf{n}} (우리가 잡은 벡터)인 아주 작은 평평한 원판이라 하자. 그러면 G(x0)⋅n^>0\mathbf{G}(\mathbf{x}_0)\cdot\hat{\mathbf{n}}>0 이고, SS 를 충분히 작게 잡았다면 연속성에 의해 SS 위의 모든 x\mathbf{x} 에 대해 G(x)⋅n^>0\mathbf{G}(\mathbf{x})\cdot\hat{\mathbf{n}}>0 이다. 그러면 ∬S(∇×E+1c∂H∂t)⋅n^ dS>0\iint _S\Big({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E} +\frac{1}{c}\frac{\partial\mathbf{H}}{\partial t}\Big)\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S>0 이 되어 모순이다. 따라서 모든 곳에서 G=0\mathbf{G}=\mathbf{0} 이고, 다음을 얻는다.

∇×E+1c∂H∂t=0{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E}+\frac{1}{c}\frac{\partial\mathbf{H}}{\partial t}=0

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

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