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유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

21문제 · 2 / 2쪽

21.CLP-4 · 4.3절 · 3번대학 수준우리말 번역

12π∮Cx dy−y dxx2+y2\displaystyle \frac{1}{2\pi}\oint_C \frac{x\,\mathrm{d}y-y\,\mathrm{d}x}{x^2+y^2} 을 다음 곡선을 따라 반시계 방향으로 적분하세요.

(a) 원 x2+y2=a2x^2+y^2=a^2 (b) 꼭짓점이 (−1,−1)(-1,-1), (−1,1)(-1,1), (1,1)(1,1), (1,−1)(1,-1) 인 정사각형의 경계 (c) 영역 1≤x2+y2≤2, y≥01\le x^2+y^2\le 2,\ y\ge0 의 경계

영어 원문 보기

Integrate 12π∮Cx dy−y dxx2+y2\displaystyle \frac{1}{2\pi}\oint_C \frac{x\,\mathrm{d}y-y\,\mathrm{d}x}{x^2+y^2} counterclockwise around

(a) the circle x2+y2=a2x^2+y^2=a^2 (b) the boundary of the square with vertices (−1,−1)(-1,-1), (−1,1)(-1,1), (1,1)(1,1) and (1,−1)(1,-1) (c) the boundary of the region 1≤x2+y2≤2, y≥01\le x^2+y^2\le 2,\ y\ge0

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(a)
(b)
(c)
정답·풀이 보기

(a) 원을 x=acos⁡θ, y=asin⁡θx=a\cos\theta,\ y=a\sin\theta, 0≤θ≤2π0\le\theta\le 2\pi 로 매개변수로 나타내자. 그러면 dx=−asin⁡θ dθ\mathrm{d}x=-a\sin\theta\,\mathrm{d}\theta 이고 dy=acos⁡θ dθ\mathrm{d}y=a\cos\theta\,\mathrm{d}\theta 이므로

12π∮Cx dy−y dxx2+y2=12π∫02πa2cos⁡2θ dθ+a2sin⁡2θ dθa2cos⁡2θ+a2sin⁡2θ=12π∫02πdθ=1\begin{aligned} \frac{1}{2\pi}\oint_C \frac{x\,\mathrm{d}y-y\,\mathrm{d}x}{x^2+y^2} =\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi} \frac{a^2\cos^2\theta\,\mathrm{d}\theta+a^2\sin^2\theta\,\mathrm{d}\theta} {a^2\cos^2\theta+a^2\sin^2\theta} =\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta=1 \end{aligned}

(b) 정사각형의 경계는 네 변으로 이루어져 있다. y=−1y=-1 인 변, x=1x=1 인 변, y=1y=1 인 변, x=−1x=-1 인 변이다.

그림

네 변에서의 적분을 계산하기 위해

  • y=−1y=-1 인 부분은 xx 로 매개변수화하여 r(x)=x ı^−ȷ^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-\hat{\boldsymbol{\jmath}}, r′(x)=ı^\mathbf{r}'(x)=\hat{\boldsymbol{\imath}} 로 두고, xx 는 −1-1 에서 11 까지 움직인다.
  • x=+1x=+1 인 부분은 yy 로 매개변수화하여 r(y)=ı^+y ȷ^\mathbf{r}(y) = \hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, r′(y)=ȷ^\mathbf{r}'(y)=\hat{\boldsymbol{\jmath}} 로 두고, yy 는 −1-1 에서 11 까지 움직인다.
  • y=+1y=+1 인 부분은 xx 로 매개변수화하여 r(x)=x ı^+ȷ^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}, r′(x)=ı^\mathbf{r}'(x)=\hat{\boldsymbol{\imath}} 로 두고, xx 는 11 에서 −1-1 까지 움직인다.
  • x=−1x=-1 인 부분은 yy 로 매개변수화하여 r(y)=−ı^+y ȷ^\mathbf{r}(y) = -\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, r′(y)=ȷ^\mathbf{r}'(y)=\hat{\boldsymbol{\jmath}} 로 두고, yy 는 11 에서 −1-1 까지 움직인다.

따라서 적분은

12π∮Cx dy−y dxx2+y2=12π∫−11−(−1)dxx2+1⏞y=−1 part+12π∫−11(1)dy1+y2⏞x=+1 part+12π∫1−1−(1)dxx2+1⏞y=+1 part+12π∫1−1(−1)dy1+y2⏞x=−1 part=412πarctan⁡x∣−11=2π[π4+π4]=1\begin{aligned} \frac{1}{2\pi}\oint_C \frac{x\,\mathrm{d}y-y\,\mathrm{d}x}{x^2+y^2} &=\frac{1}{2\pi}\overbrace{\int_{-1}^1 \frac{-(-1)\mathrm{d}x}{x^2+1}}^{y=-1{\rm\ part}} +\frac{1}{2\pi}\overbrace{\int_{-1}^1 \frac{(1)\mathrm{d}y}{1+y^2}}^{x=+1{\rm\ part}} +\frac{1}{2\pi}\overbrace{\int^{-1}_1 \frac{-(1)\mathrm{d}x}{x^2+1}}^{y=+1{\rm\ part}} +\frac{1}{2\pi}\overbrace{\int^{-1}_1 \frac{(-1)\mathrm{d}y}{1+y^2}}^{x=-1{\rm\ part}} \\ &=4\frac{1}{2\pi}\arctan x\bigg|_{-1}^1 =\frac{2}{\pi}\Big[\frac{\pi}{4}+\frac{\pi}{4}\Big] =1 \end{aligned}

(c) (a)에서 a=2a=\sqrt{2} 로 하고 θ\theta 가 00 에서 π\pi 까지 움직이는 경우와 같으므로, 바깥쪽 반원에서의 적분값은

12π∫0πa2cos⁡2θ dθ+a2sin⁡2θ dθa2cos⁡2θ+a2sin⁡2θ=12π∫0πdθ=12\frac{1}{2\pi}\int_0^{\pi} \frac{a^2\cos^2\theta\,\mathrm{d}\theta+a^2\sin^2\theta\,\mathrm{d}\theta} {a^2\cos^2\theta+a^2\sin^2\theta} =\frac{1}{2\pi}\int_0^{\pi}\mathrm{d}\theta =\frac{1}{2}

그림

(a)에서 a=1a=1 로 하고 θ\theta 가 π\pi 에서 00 까지 움직이는 경우와 같으므로, 안쪽 반원에서의 적분값은

12π∫π0a2cos⁡2θ dθ+a2sin⁡2θ dθa2cos⁡2θ+a2sin⁡2θ=12π∫π0dθ=−12\frac{1}{2\pi}\int^0_{\pi} \frac{a^2\cos^2\theta\,\mathrm{d}\theta+a^2\sin^2\theta\,\mathrm{d}\theta} {a^2\cos^2\theta+a^2\sin^2\theta} =\frac{1}{2\pi}\int^0_{\pi}\mathrm{d}\theta =-\frac{1}{2}

두 직선 부분은 그 위에서 y=0y=0 이고 dy=0\mathrm{d}y=0 이므로 각각 00 이다. 따라서

12π∮Cx dy−y dxx2+y2=12+0−12+0=0\frac{1}{2\pi}\oint_C \frac{x\,\mathrm{d}y-y\,\mathrm{d}x}{x^2+y^2} =\frac{1}{2}+0-\frac{1}{2}+0=0

그린 정리를 이용한 다른 풀이는 다음 문제의 풀이에 나와 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Parametrize the circle by x=acos⁡θ, y=asin⁡θx=a\cos\theta,\ y=a\sin\theta, 0≤θ≤2π0\le\theta\le 2\pi. Then dx=−asin⁡θ dθ\mathrm{d}x=-a\sin\theta\,\mathrm{d}\theta and dy=acos⁡θ dθ\mathrm{d}y=a\cos\theta\,\mathrm{d}\theta so that

12π∮Cx dy−y dxx2+y2=12π∫02πa2cos⁡2θ dθ+a2sin⁡2θ dθa2cos⁡2θ+a2sin⁡2θ=12π∫02πdθ=1\begin{aligned} \frac{1}{2\pi}\oint_C \frac{x\,\mathrm{d}y-y\,\mathrm{d}x}{x^2+y^2} =\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi} \frac{a^2\cos^2\theta\,\mathrm{d}\theta+a^2\sin^2\theta\,\mathrm{d}\theta} {a^2\cos^2\theta+a^2\sin^2\theta} =\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta=1 \end{aligned}

(b) The boundary of the square has four sides — one with y=−1y=-1, one with x=1x=1, one with y=1y=1 and one with x=−1x=-1.

figure

To evaluate the integrals over the four sides

  • parametrize the y=−1y=-1 part by xx so that r(x)=x ı^−ȷ^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-\hat{\boldsymbol{\jmath}}, r′(x)=ı^\mathbf{r}'(x)=\hat{\boldsymbol{\imath}}, with xx running from −1-1 to 11,
  • parametrize the x=+1x=+1 part by yy so that r(y)=ı^+y ȷ^\mathbf{r}(y) = \hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, r′(y)=ȷ^\mathbf{r}'(y)=\hat{\boldsymbol{\jmath}}, with yy running from −1-1 to 11,
  • parametrize the y=+1y=+1 part by xx so that r(x)=x ı^+ȷ^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}, r′(x)=ı^\mathbf{r}'(x)=\hat{\boldsymbol{\imath}}, with xx running from 11 to −1-1, and
  • parametrize the x=−1x=-1 part by yy so that r(y)=−ı^+y ȷ^\mathbf{r}(y) = -\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, r′(y)=ȷ^\mathbf{r}'(y)=\hat{\boldsymbol{\jmath}}, with yy running from 11 to −1-1,

so that the integral

12π∮Cx dy−y dxx2+y2=12π∫−11−(−1)dxx2+1⏞y=−1 part+12π∫−11(1)dy1+y2⏞x=+1 part+12π∫1−1−(1)dxx2+1⏞y=+1 part+12π∫1−1(−1)dy1+y2⏞x=−1 part=412πarctan⁡x∣−11=2π[π4+π4]=1\begin{aligned} \frac{1}{2\pi}\oint_C \frac{x\,\mathrm{d}y-y\,\mathrm{d}x}{x^2+y^2} &=\frac{1}{2\pi}\overbrace{\int_{-1}^1 \frac{-(-1)\mathrm{d}x}{x^2+1}}^{y=-1{\rm\ part}} +\frac{1}{2\pi}\overbrace{\int_{-1}^1 \frac{(1)\mathrm{d}y}{1+y^2}}^{x=+1{\rm\ part}} +\frac{1}{2\pi}\overbrace{\int^{-1}_1 \frac{-(1)\mathrm{d}x}{x^2+1}}^{y=+1{\rm\ part}} +\frac{1}{2\pi}\overbrace{\int^{-1}_1 \frac{(-1)\mathrm{d}y}{1+y^2}}^{x=-1{\rm\ part}} \\ &=4\frac{1}{2\pi}\arctan x\bigg|_{-1}^1 =\frac{2}{\pi}\Big[\frac{\pi}{4}+\frac{\pi}{4}\Big] =1 \end{aligned}

(c) As in part (a) with a=2a=\sqrt{2}, but with θ\theta running from 00 to π\pi, the outer semicircle gives

12π∫0πa2cos⁡2θ dθ+a2sin⁡2θ dθa2cos⁡2θ+a2sin⁡2θ=12π∫0πdθ=12\frac{1}{2\pi}\int_0^{\pi} \frac{a^2\cos^2\theta\,\mathrm{d}\theta+a^2\sin^2\theta\,\mathrm{d}\theta} {a^2\cos^2\theta+a^2\sin^2\theta} =\frac{1}{2\pi}\int_0^{\pi}\mathrm{d}\theta =\frac{1}{2}

figure

As in part (a) with a=1a=1, but with θ\theta running from π\pi to 00, the inner semicircle gives

12π∫π0a2cos⁡2θ dθ+a2sin⁡2θ dθa2cos⁡2θ+a2sin⁡2θ=12π∫π0dθ=−12\frac{1}{2\pi}\int^0_{\pi} \frac{a^2\cos^2\theta\,\mathrm{d}\theta+a^2\sin^2\theta\,\mathrm{d}\theta} {a^2\cos^2\theta+a^2\sin^2\theta} =\frac{1}{2\pi}\int^0_{\pi}\mathrm{d}\theta =-\frac{1}{2}

The two flat pieces each give zero, since on them y=0y=0 and dy=0\mathrm{d}y=0. So

12π∮Cx dy−y dxx2+y2=12+0−12+0=0\frac{1}{2\pi}\oint_C \frac{x\,\mathrm{d}y-y\,\mathrm{d}x}{x^2+y^2} =\frac{1}{2}+0-\frac{1}{2}+0=0

An alternate solution, that uses Green's theorem, is given in the solution to the next question.

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CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)