문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

선적분

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

CLP-4 · 7번대학 수준우리말 번역

벡터장 F=P(x,y) ı^+Q(x,y) ȷ^\mathbf{F} = P (x, y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + Q(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 를 아래에 그렸습니다.

그림

다음 물음에서 그래프로 가장 잘 뒷받침되는 답을 고르세요.

(a) 점 AA 에서의 미분계수 PyP_y 는 (a) 양수이다, (b) 음수이다, (c) 0이다, (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. (b) 점 AA 에서의 미분계수 QxQ_x 는 (a) 양수이다, (b) 음수이다, (c) 0이다, (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. (c) 점 AA 에서 F\mathbf{F} 의 회전(curl)은 (a) +k^+\hat{\mathbf{k}} 방향이다 (b) −k^-\hat{\mathbf{k}} 방향이다 (c) 0이다 (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. (d) 입자가 곡선 C1\mathcal{C}_1 을 따라 점 BB 에서 점 CC 까지 움직일 때 벡터장이 한 일은 (a) 양수이다 (b) 음수이다 (c) 0이다 (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. (e) 입자가 곡선 C2\mathcal{C}_2 를 따라 점 BB 에서 점 CC 까지 움직일 때 벡터장이 한 일은 (a) 양수이다 (b) 음수이다 (c) 0이다 (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. (f) 벡터장 F\mathbf{F} 는 (a) 어떤 함수 ff 의 그래디언트이다 (b) 어떤 벡터장 G\mathbf{G} 의 회전이다 (c) 보존적이지 않다 (d) 발산이 0이다.

영어 원문 보기

The vector field F=P(x,y) ı^+Q(x,y) ȷ^\mathbf{F} = P (x, y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + Q(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} is plotted below.

figure

In the following questions, give the answer that is best supported by the plot.

(a) The derivative PyP_y at the point labelled AA is (a) positive, (b) negative, (c) zero, (d) there is not enough information to tell. (b) The derivative QxQ_x at the point labelled AA is (a) positive, (b) negative, (c) zero, (d) there is not enough information to tell. (c) The curl of F\mathbf{F} at the point labelled AA is (a) in the direction of +k^+\hat{\mathbf{k}} (b) in the direction of −k^-\hat{\mathbf{k}} (c) zero (d) there is not enough information to tell. (d) The work done by the vector field on a particle travelling from point BB to point CC along the curve C1\mathcal{C}_1 is (a) positive (b) negative (c) zero (d) there is not enough information to tell. (e) The work done by the vector field on a particle travelling from point BB to point CC along the curve C2\mathcal{C}_2 is (a) positive (b) negative (c) zero (d) there is not enough information to tell. (f) The vector field F\mathbf{F} is (a) the gradient of some function ff (b) the curl of some vector field G\mathbf{G} (c) not conservative (d) divergence free.

정답·풀이 보기

(a) PP 는 F\mathbf{F} 의 xx성분이다. AA 를 지나 수직 위쪽으로 움직이면 그 xx성분은 감소한다. 따라서 AA 에서 Py<0P_y<0 이다.

(b) QQ 는 F\mathbf{F} 의 yy성분이다. AA 를 지나 수평 오른쪽으로 움직이면 그 yy성분은 증가한다. 따라서 AA 에서 Qx>0Q_x>0 이다.

(c) ∇×F=(Qx−Py)k^{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} = (Q_x-P_y)\hat{\mathbf{k}} 이고 AA 에서 Qx−Py>0Q_x-P_y>0 이므로, AA 에서 F\mathbf{F} 의 회전은 +k^+\hat{\mathbf{k}} 방향이다.

(d) 곡선 C1\mathcal{C}_1 을 따라 F\mathbf{F} 와 dr\mathrm{d}\mathbf{r} 가 이루는 각의 크기가 90∘90^\circ 보다 작으므로 F⋅dr>0\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}>0 이고 ∫C1F⋅dr>0\int_{\mathcal{C}_1}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}>0 이다.

(e) 곡선 C2\mathcal{C}_2 를 따라 F\mathbf{F} 와 dr\mathrm{d}\mathbf{r} 가 이루는 각의 크기가 90∘90^\circ 보다 크므로 F⋅dr<0\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}<0 이고 ∫C2F⋅dr<0\int_{\mathcal{C}_2}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}<0 이다.

(f) F\mathbf{F} 가 보존적이라면 ∫C1F⋅dr=∫C2F⋅dr\int_{\mathcal{C}_1}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =\int_{\mathcal{C}_2}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} 이어야 한다. 그런데 이 두 적분은 부호가 반대이므로 F\mathbf{F} 는 보존적이지 않다. (F\mathbf{F} 가 보존적이지 않으므로 어떤 함수의 그래디언트가 아니다. AA 에서 Px>0P_x>0 이고 Qy>0Q_y>0 이다. 따라서 F\mathbf{F} 는 발산이 0이 아니며 벡터 퍼텐셜의 회전도 아니다.)

원본 교재 풀이(영어)

(a) PP is the xx-component of F\mathbf{F}. As we travel vertically upward through AA, that xx-component decreases. Hence Py<0P_y<0 at AA.

(b) QQ is the yy-component of F\mathbf{F}. As we travel horizontally to the right through AA, that yy-component increases. Hence Qx>0Q_x>0 at AA.

(c) ∇×F=(Qx−Py)k^{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} = (Q_x-P_y)\hat{\mathbf{k}} and Qx−Py>0Q_x-P_y>0 at AA, so that the curl of F\mathbf{F} at AA is in the direction of +k^+\hat{\mathbf{k}}.

(d) Along the curve C1\mathcal{C}_1 the magnitude of the angle between F\mathbf{F} and dr\mathrm{d}\mathbf{r} is less than 90∘90^\circ, so that F⋅dr>0\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}>0 and ∫C1F⋅dr>0\int_{\mathcal{C}_1}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}>0.

(e) Along the curve C2\mathcal{C}_2 the magnitude of the angle between F\mathbf{F} and dr\mathrm{d}\mathbf{r} is greater than 90∘90^\circ, so that F⋅dr<0\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}<0 and ∫C2F⋅dr<0\int_{\mathcal{C}_2}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}<0.

(f) If F\mathbf{F} were conservative, we would have ∫C1F⋅dr=∫C2F⋅dr\int_{\mathcal{C}_1}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =\int_{\mathcal{C}_2}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}. As these two integrals have opposite signs F\mathbf{F} is not conservative. (Since F\mathbf{F} is not conservative, it is not the gradient of some function. At AA, Px>0P_x>0 and Qy>0Q_y>0. So F\mathbf{F} is not divergence free and is not the curl of a vector potential.)

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 3권 · 6.2절 · 39번우리말 번역

다음 연습문제에서, 표시된 경로를 따라 움직이는 물체에 힘의 장 F 가 한 일을 구하세요.

∫Cy2dx+(xy−x2)dy{\int }_{C}^{}{y}^{2}dx+(xy-{x}^{2})dy 의 값을 구하세요. 단, 경로는 C: y2=9x{y}^{2}=9x 를 따라 (0, 0)에서 (1, 3)까지이다.

다 풀었으면 정답 확인

∫Cy2dx+(xy−x2)dy=6.15{\int }_{C}^{}{y}^{2}dx+(xy-{x}^{2})dy=6.15

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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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