문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

벡터 미적분 전체 문제

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10문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-4 · 2.3절 · 3번대학 수준우리말 번역

F\mathbf{F} 가 보존장이고 aa, bb, cc 가 상수라고 하자. F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) 의 퍼텐셜을 구하세요. 또는 F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) 가 보존장이 아니게 되는 보존장 F\mathbf{F} 와 상수 aa, bb, cc 를 하나 제시하세요.

영어 원문 보기

Suppose F\mathbf{F} is conservative and let aa, bb, and cc be constants. Find a potential for F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c), OR give a conservative field F\mathbf{F} and constants aa, bb, and cc for which F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) is not conservative.

정답·풀이 보기

φ\varphi 를 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이라 하자. ϕ=φ+ax+by+cz\phi=\varphi+ax+by+cz 로 정의하면 ∇ϕ=∇φ+(a,b,c)=F+(a,b,c){ \boldsymbol{\nabla} } \phi = { \boldsymbol{\nabla} }\varphi+(a,b,c)=\mathbf{F}+(a,b,c) 이다. 따라서 F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) 도 보존장이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let φ\varphi be a potential for F\mathbf{F}. Define ϕ=φ+ax+by+cz\phi=\varphi+ax+by+cz. Then ∇ϕ=∇φ+(a,b,c)=F+(a,b,c){ \boldsymbol{\nabla} } \phi = { \boldsymbol{\nabla} }\varphi+(a,b,c)=\mathbf{F}+(a,b,c). So, F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) is also conservative.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.3절 · 10번
# 보존 벡터장계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-4 · 2.4절 · 1번대학 수준우리말 번역

반시계 방향으로 꼭짓점이 (0,0)(0,0), (1,0)(1,0), (1,1)(1,1), (0,1)(0,1) 인 정사각형을 따라 ∫Cx2y2 dx+x3y dy\int_\mathcal{C} x^2y^2\,\mathrm{d}x+x^3y\,\mathrm{d}y 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫Cx2y2 dx+x3y dy\int_\mathcal{C} x^2y^2\,\mathrm{d}x+x^3y\,\mathrm{d}y counterclockwise around the square with vertices (0,0)(0,0), (1,0)(1,0), (1,1)(1,1) and (0,1)(0,1).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

정사각형은 네 변을 가지며, 각 변은 선분이다.

  • 첫 번째 변에서는 y=0y=0 이고 dy=0\mathrm{d}y=0 이다. 즉, 첫 번째 변은 0≤x≤10\le x\le 1 에서 r(x)=x ı^\mathbf{r}(x)=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} 로 매개화할 수 있다.
  • 두 번째 변에서는 x=1x=1 이고 dx=0\mathrm{d}x=0 이다. 두 번째 변은 0≤y≤10\le y\le 1 에서 r(y)=ı^+y ȷ^\mathbf{r}(y)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 로 매개화할 수 있다.
  • 세 번째 변에서는 y=1y=1 이고 dy=0\mathrm{d}y=0 이다. 세 번째 변은 xx 가 11 에서 00 까지 변하는 r(x)=x ı^+ȷ^\mathbf{r}(x)=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}} 로 매개화할 수 있다.
  • 마지막 변에서는 x=0x=0 이고 dx=0\mathrm{d}x=0 이다. 네 번째 변은 yy 가 11 에서 00 까지 변하는 r(y)=y ȷ^\mathbf{r}(y)=y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 로 매개화할 수 있다.

그림

따라서

∫Cx2y2 dx+x3y dy=∫01x2×02 dx+∫0113×y dy+∫10x2×12 dx+∫1003×y dy=12−13=16\begin{aligned} \int_\mathcal{C} x^2y^2\,\mathrm{d}x+x^3y\,\mathrm{d}y &=\int_0^1 x^2\times 0^2\,\mathrm{d}x +\int_0^1 1^3\times y\,\mathrm{d}y +\int_1^0 x^2\times 1^2\,\mathrm{d}x +\int_1^0 0^3\times y\,\mathrm{d}y \\ &=\frac{1}{2}-\frac{1}{3} =\frac{1}{6} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The square has four sides, each of which is a line segment.

  • On the first side, y=0y=0 and dy=0\mathrm{d}y=0. That is, we may parametrize the first side by r(x)=x ı^\mathbf{r}(x)=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} with 0≤x≤10\le x\le 1.
  • On the second side, x=1x=1 and dx=0\mathrm{d}x=0. We may parametrize the second side by r(y)=ı^+y ȷ^\mathbf{r}(y)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} with 0≤y≤10\le y\le 1.
  • On the third side, y=1y=1 and dy=0\mathrm{d}y=0. We may parametrize the third side by r(x)=x ı^+ȷ^\mathbf{r}(x)=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}} with xx running from 11 to 00.
  • On the final side, x=0x=0 and dx=0\mathrm{d}x=0. We may parametrize the fourth side by r(y)=y ȷ^\mathbf{r}(y)=y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} with yy running from 11 to 00.

figure

So

∫Cx2y2 dx+x3y dy=∫01x2×02 dx+∫0113×y dy+∫10x2×12 dx+∫1003×y dy=12−13=16\begin{aligned} \int_\mathcal{C} x^2y^2\,\mathrm{d}x+x^3y\,\mathrm{d}y &=\int_0^1 x^2\times 0^2\,\mathrm{d}x +\int_0^1 1^3\times y\,\mathrm{d}y +\int_1^0 x^2\times 1^2\,\mathrm{d}x +\int_1^0 0^3\times y\,\mathrm{d}y \\ &=\frac{1}{2}-\frac{1}{3} =\frac{1}{6} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 34번
# 선적분계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-4 · 2.4절 · 3번대학 수준우리말 번역

φ(x,y,z)=ex2+y2+cos⁡(z2)\varphi(x,y,z)=e^{x^2+y^2}+\cos(z^2) 이라 하고, F=∇φ\mathbf{F} = { \boldsymbol{\nabla} } \varphi 로 정의하자. 중심이 (1,2,3)(1,2,3) 이고 점 (5−1,−2,5−3)(\sqrt5-1,-2,\sqrt5-3), ((5−2)/2,−1/2,(5−6)/2)((\sqrt5-2)/2,-1/2,(\sqrt5-6)/2), (−2,3−2,3−3)(-2,\sqrt 3-2,\sqrt3-3) 을 지나며 시계 방향으로 도는 타원인 닫힌 곡선 CC 에 대하여 ∫CF⋅dr\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let φ(x,y,z)=ex2+y2+cos⁡(z2)\varphi(x,y,z)=e^{x^2+y^2}+\cos(z^2), and define F=∇φ\mathbf{F} = { \boldsymbol{\nabla} } \varphi. Evaluate ∫CF⋅dr\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} over the closed curve CC that is an ellipse traversed clockwise, centred at (1,2,3)(1,2,3), passing through the points (5−1,−2,5−3)(\sqrt5-1,-2,\sqrt5-3), ((5−2)/2,−1/2,(5−6)/2)((\sqrt5-2)/2,-1/2,(\sqrt5-6)/2), and (−2,3−2,3−3)(-2,\sqrt 3-2,\sqrt3-3).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

F\mathbf{F} 는 보존적이므로 임의의 닫힌 곡선 CC 에 대하여 ∫CF⋅dr=0\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}=0 이다. 주어진 곡선은 닫힌 곡선이므로 적분값은 단순히 0이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since F\mathbf{F} is conservative, ∫CF⋅dr=0\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}=0 over any closed curve CC. The given curve is closed, so the integral is simply zero.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 1번
# 선적분계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-4 · 2.4절 · 8번대학 수준우리말 번역

힘의 장 F=(x+y)ı^+(x−z)ȷ^+(z−y)k^\mathbf{F}=(x+y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x-z)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(z-y)\hat{\mathbf{k}} 가 물체를 (1,0,−1)(1,0,-1) 에서 (0,−2,3)(0,-2,3) 까지 움직일 때 한 일 ∫CF⋅dr\int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 을 구하세요. 한 일은 (1,0,−1)(1,0,-1) 에서 (0,−2,3)(0,-2,3) 까지 가는 데 사용한 경로에 따라 달라지나요?

영어 원문 보기

Find the work, ∫CF⋅dr\int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}, done by the force field F=(x+y)ı^+(x−z)ȷ^+(z−y)k^\mathbf{F}=(x+y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x-z)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(z-y)\hat{\mathbf{k}} in moving an object from (1,0,−1)(1,0,-1) to (0,−2,3)(0,-2,3). Does the work done depend on the path used to get from (1,0,−1)(1,0,-1) to (0,−2,3)(0,-2,3)?

정답·풀이 보기

여기서 핵심은 F\mathbf{F} 가 보존장이라는 것이다.

F=∇ϕ\mathbf{F}=\nabla\phi 이고

ϕ=x22+yx−yz+z22\phi=\frac{x^2}{2}+yx-yz+\frac{z^2}{2}

이다. 따라서 r(t0)=(1,0,−1)\mathbf{r}(t_0)=(1,0,-1) 에서 r(t1)=(0,−2,3)\mathbf{r}(t_1)=(0,-2,3) 까지의 모든 경로에 대해

∫CF⋅dr=ϕ(r(t1))−ϕ(r(t0))=ϕ(0,−2,3)−ϕ(1,0,−1)=[0+0+6+92]−[12+0−0+12]=912\begin{aligned} \int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\phi\big(\mathbf{r}(t_1)\big)-\phi\big(\mathbf{r}(t_0)\big) &=\phi(0, -2, 3)-\phi(1,0,-1) \\ &=\left[0+0+6+\frac{9}{2}\right]-\left[\frac{1}{2}+0-0+\frac{1}{2}\right] \\ &=9\frac{1}{2} \end{aligned}

.

원본 교재 풀이(영어)

The point here is that F\mathbf{F} is conservative, as F=∇ϕ\mathbf{F}=\nabla\phi with

ϕ=x22+yx−yz+z22\phi=\frac{x^2}{2}+yx-yz+\frac{z^2}{2}

So, for all paths from r(t0)=(1,0,−1)\mathbf{r}(t_0)=(1,0,-1) to r(t1)=(0,−2,3)\mathbf{r}(t_1)=(0,-2,3),

∫CF⋅dr=ϕ(r(t1))−ϕ(r(t0))=ϕ(0,−2,3)−ϕ(1,0,−1)=[0+0+6+92]−[12+0−0+12]=912\begin{aligned} \int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\phi\big(\mathbf{r}(t_1)\big)-\phi\big(\mathbf{r}(t_0)\big) &=\phi(0, -2, 3)-\phi(1,0,-1) \\ &=\left[0+0+6+\frac{9}{2}\right]-\left[\frac{1}{2}+0-0+\frac{1}{2}\right] \\ &=9\frac{1}{2} \end{aligned}

.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 3번
# 선적분계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-4 · 3.1절 · 1번대학 수준우리말 번역

z=ex+1+xyz=e^{x+1}+xy 로 주어진 곡면을 xx 와 yy 로 매개화하세요.

영어 원문 보기

Parametrize the surface given by z=ex+1+xyz=e^{x+1}+xy in terms of xx and yy.

정답·풀이 보기

이 매개화는 거의 자명하다. 매개화는 r(x,y)=ψ1(x,y)ı^+ψ2(x,y)ȷ^+ψ3(x,y)k^\mathbf{r}(x,y)= \psi_1(x,y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+ \psi_2(x,y)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ \psi_3(x,y)\hat{\mathbf{k}} 꼴이 됨을 알 수 있다. 여기서 ψ1\psi_1 은 xx성분(즉 xx)을, ψ2\psi_2 는 yy성분(즉 yy)을, ψ3\psi_3 는 zz성분(즉 ex+1+xye^{x+1}+xy)을 나타낸다. 따라서 r(x,y)=xı^+yȷ^+(ex+1+xy)k^\mathbf{r}(x,y)= x\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ (e^{x+1}+xy)\hat{\mathbf{k}}

원본 교재 풀이(영어)

This parametrization is almost trivial. We know it will have the form r(x,y)=ψ1(x,y)ı^+ψ2(x,y)ȷ^+ψ3(x,y)k^\mathbf{r}(x,y)= \psi_1(x,y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+ \psi_2(x,y)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ \psi_3(x,y)\hat{\mathbf{k}} where ψ1\psi_1 gives the xx-component (i.e. xx), ψ2\psi_2 gives the yy-component (i.e. yy), and ψ3\psi_3 gives the zz-component (i.e. ex+1+xye^{x+1}+xy). So, r(x,y)=xı^+yȷ^+(ex+1+xy)k^\mathbf{r}(x,y)= x\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ (e^{x+1}+xy)\hat{\mathbf{k}}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.1절 · 7번
# 매개변수 곡면계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.CLP-4 · 3.1절 · 2번대학 수준우리말 번역

SS 를 다음과 같이 주어진 곡면이라 하자.

r(u,v)=(u+v , u2+v2 , u−v),−2≤u≤2, −2≤v≤2\mathbf{r}(u, v) = \big( u + v\,,\, u^2 + v^2 \,,\, u - v\big),\qquad -2 \le u \le 2,\ -2 \le v \le 2

이 곡면은 여러분이 잘 아는 곡면이다. 이 곡면은 무엇인가요? (다음 중 한 곡면의 일부분일 수도 있다.)

구 나선면 타원면 안장면 포물면 그릇 모양 곡면 원기둥 원뿔 평면

영어 원문 보기

Let SS be the surface given by

r(u,v)=(u+v , u2+v2 , u−v),−2≤u≤2, −2≤v≤2\mathbf{r}(u, v) = \big( u + v\,,\, u^2 + v^2 \,,\, u - v\big),\qquad -2 \le u \le 2,\ -2 \le v \le 2

This is a surface you are familiar with. What surface is it (it may be just a portion of one of the following)?

sphere helicoid ellipsoid saddle parabolic bowl cylinder cone plane

정답·풀이 보기

주어진 매개화는

x(u,v)=u+vy(u,v)=u2+v2z(u,v)=u−v\begin{aligned} x(u,v) &= u+v \\ y(u,v) &= u^2+v^2 \\ z(u,v) &= u-v \end{aligned}

이다.

  • x(u,v)x(u,v) 와 z(u,v)z(u,v) 를 더하면 x(u,v)+z(u,v)=2ux(u,v)+z(u,v) = 2u 이다.
  • x(u,v)x(u,v) 에서 z(u,v)z(u,v) 를 빼면 x(u,v)−z(u,v)=2vx(u,v)-z(u,v) = 2v 이다.

따라서 u=12(x(u,v)+z(u,v))u=\frac{1}{2}\big(x(u,v)+z(u,v)\big) 이고 v=12(x(u,v)−z(u,v))v=\frac{1}{2}\big(x(u,v)-z(u,v)\big) 이다. 그러므로 이 곡면 위에서

y(u,v)=u2+v2=14(x(u,v)+z(u,v))2+14(x(u,v)−z(u,v))2=12x(u,v)2+12z(u,v)2\begin{aligned} y(u,v) &= u^2+v^2 = \frac{1}{4}\big(x(u,v)+z(u,v)\big)^2 +\frac{1}{4}\big(x(u,v)-z(u,v)\big)^2 \\ &= \frac{1}{2} x(u,v)^2 + \frac{1}{2} z(u,v)^2 \end{aligned}

이다.

이 곡면의 모든 점은 2y=x2+z22y= x^2+z^2 위에 있다. 이것은 포물면 그릇 모양 곡면이다.

  • y<0y<0 인 점은 없고
  • y=Yy=Y (Y>0Y> 0) 인 단면은 원 x2+z2=2Yx^2+z^2=2Y, y=Yy=Y 이다.
  • x=0x=0 인 단면은 포물선 2y=z22y=z^2, x=0x=0 이다.
  • z=0z=0 인 단면은 포물선 2y=x22y=x^2, z=0z=0 이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Our parametrization is

x(u,v)=u+vy(u,v)=u2+v2z(u,v)=u−v\begin{aligned} x(u,v) &= u+v \\ y(u,v) &= u^2+v^2 \\ z(u,v) &= u-v \end{aligned}

  • Adding x(u,v)x(u,v) and z(u,v)z(u,v) gives x(u,v)+z(u,v)=2ux(u,v)+z(u,v) = 2u.
  • Subtracting z(u,v)z(u,v) from x(u,v)x(u,v) gives x(u,v)−z(u,v)=2vx(u,v)-z(u,v) = 2v.

So u=12(x(u,v)+z(u,v))u=\frac{1}{2}\big(x(u,v)+z(u,v)\big) and v=12(x(u,v)−z(u,v))v=\frac{1}{2}\big(x(u,v)-z(u,v)\big). So on our surface

y(u,v)=u2+v2=14(x(u,v)+z(u,v))2+14(x(u,v)−z(u,v))2=12x(u,v)2+12z(u,v)2\begin{aligned} y(u,v) &= u^2+v^2 = \frac{1}{4}\big(x(u,v)+z(u,v)\big)^2 +\frac{1}{4}\big(x(u,v)-z(u,v)\big)^2 \\ &= \frac{1}{2} x(u,v)^2 + \frac{1}{2} z(u,v)^2 \end{aligned}

All points of our surface lie on 2y=x2+z22y= x^2+z^2. This is a parabolic bowl:

  • no points have y<0y<0 and
  • the y=Yy=Y (with Y>0Y> 0) cross-section is the circle x2+z2=2Yx^2+z^2=2Y, y=Yy=Y
  • the x=0x=0 cross-section is the parabola 2y=z22y=z^2, x=0x=0
  • the z=0z=0 cross-section is the parabola 2y=x22y=x^2, z=0z=0

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.1절 · 1번
# 매개변수 곡면계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.CLP-4 · 3.2절 · 1번대학 수준우리말 번역

곡면 x2+y2+(z−1)2=1x^2+y^2+(z-1)^2=1 과 x2+y2+(z+1)2=1x^2+y^2+(z+1)^2=1 이 (0,0,0)(0,0,0) 에서 서로 접한다고 말하는 것이 타당한가요?

영어 원문 보기

Is it reasonable to say that the surfaces x2+y2+(z−1)2=1x^2+y^2+(z-1)^2=1 and x2+y2+(z+1)2=1x^2+y^2+(z+1)^2=1 are tangent to each other at (0,0,0)(0,0,0)?

정답·풀이 보기

F(x,y,z)=x2+y2+(z−1)2−1F(x,y,z) = x^2+y^2+(z-1)^2-1, G(x,y,z)=x2+y2+(z+1)2−1G(x,y,z) = x^2+y^2+(z+1)^2-1 이라 쓰자. 곡면 F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0 을 S1S_1, 곡면 G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 을 S2S_2 라 하자. 먼저 F(0,0,0)=G(0,0,0)=0F(0,0,0)=G(0,0,0)=0 이므로 점 (0,0,0)(0,0,0) 은 S1S_1 과 S2S_2 위에 모두 놓여 있다. FF 와 GG 의 기울기벡터는 다음과 같다.

∇F(x,y,z)=(∂F∂x(x,y,z) , ∂F∂y(x,y,z) , ∂F∂z(x,y,z))=(2x , 2y , 2(z−1))∇G(x,y,z)=(∂G∂x(x,y,z) , ∂G∂y(x,y,z) , ∂G∂z(x,y,z))=(2x , 2y , 2(z+1))\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } F(x,y,z) &=\left(\frac{\partial F}{\partial x}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial F}{\partial y}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial F}{\partial z}(x,y,z)\right) =\left( 2x\,,\,2y\,,\,2(z-1)\right) \\ { \boldsymbol{\nabla} } G(x,y,z) &=\left(\frac{\partial G}{\partial x}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}(x,y,z)\right) =\left( 2x\,,\,2y\,,\,2(z+1)\right) \end{aligned}

특히,

∇F(0,0,0)=(0,0,−2)∇G(0,0,0)=(0,0,2){ \boldsymbol{\nabla} } F(0,0,0)=\left( 0,0,-2\right)\qquad { \boldsymbol{\nabla} } G(0,0,0)=\left( 0,0,2\right)

이므로 벡터 k^=−12∇F(0,0,0)=12∇G(0,0,0)\hat{\mathbf{k}}=-\frac{1}{2}{ \boldsymbol{\nabla} } F(0,0,0) =\frac{1}{2}{ \boldsymbol{\nabla} } G(0,0,0) 은 (0,0,0)(0,0,0) 에서 두 곡면에 모두 수직이다. 따라서 (0,0,0)(0,0,0) 에서 S1S_1 과 S2S_2 모두에 접하는 접평면은

k^⋅(x−0,y−0,z−0)=0또는z=0\hat{\mathbf{k}}\cdot\left(x-0,y-0,z-0\right)=0\qquad\text{또는}\qquad z=0

이다.

평면 z=0z=0 을 PP 라 하자. 그러면 S1S_1 은 (0,0,0)(0,0,0) 에서 PP 에 접하고, PP 는 (0,0,0)(0,0,0) 에서 S2S_2 에 접한다. 따라서 S1S_1 과 S2S_2 가 (0,0,0)(0,0,0) 에서 접한다고 말하는 것은 타당하다.

원본 교재 풀이(영어)

Write F(x,y,z)=x2+y2+(z−1)2−1F(x,y,z) = x^2+y^2+(z-1)^2-1 and G(x,y,z)=x2+y2+(z+1)2−1G(x,y,z) = x^2+y^2+(z+1)^2-1. Let S1S_1 denote the surface F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0 and S2S_2 denote the surface G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0. First note that F(0,0,0)=G(0,0,0)=0F(0,0,0)=G(0,0,0)=0 so that the point (0,0,0)(0,0,0) lies on both S1S_1 and S2S_2. The gradients of FF and GG are

∇F(x,y,z)=(∂F∂x(x,y,z) , ∂F∂y(x,y,z) , ∂F∂z(x,y,z))=(2x , 2y , 2(z−1))∇G(x,y,z)=(∂G∂x(x,y,z) , ∂G∂y(x,y,z) , ∂G∂z(x,y,z))=(2x , 2y , 2(z+1))\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } F(x,y,z) &=\left(\frac{\partial F}{\partial x}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial F}{\partial y}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial F}{\partial z}(x,y,z)\right) =\left( 2x\,,\,2y\,,\,2(z-1)\right) \\ { \boldsymbol{\nabla} } G(x,y,z) &=\left(\frac{\partial G}{\partial x}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}(x,y,z)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}(x,y,z)\right) =\left( 2x\,,\,2y\,,\,2(z+1)\right) \end{aligned}

In particular,

∇F(0,0,0)=(0,0,−2)∇G(0,0,0)=(0,0,2){ \boldsymbol{\nabla} } F(0,0,0)=\left( 0,0,-2\right)\qquad { \boldsymbol{\nabla} } G(0,0,0)=\left( 0,0,2\right)

so that the vector k^=−12∇F(0,0,0)=12∇G(0,0,0)\hat{\mathbf{k}}=-\frac{1}{2}{ \boldsymbol{\nabla} } F(0,0,0) =\frac{1}{2}{ \boldsymbol{\nabla} } G(0,0,0) is normal to both surfaces at (0,0,0)(0,0,0). So the tangent plane to both S1S_1 and S2S_2 at (0,0,0)(0,0,0) is

k^⋅(x−0,y−0,z−0)=0orz=0\hat{\mathbf{k}}\cdot\left(x-0,y-0,z-0\right)=0\qquad\text{or}\qquad z=0

Denote by PP the plane z=0z=0. Thus S1S_1 is tangent to PP at (0,0,0)(0,0,0) and PP is tangent to S2S_2 at (0,0,0)(0,0,0). So it is reasonable to say that S1S_1 and S2S_2 are tangent at (0,0,0)(0,0,0).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.2절 · 2번
# 매개변수 곡면계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.CLP-4 · 4.1절 · 2번대학 수준우리말 번역

∇×F{ \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F} 는 반드시 F\mathbf{F} 에 수직인가요?

영어 원문 보기

Does ∇×F{ \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F} have to be perpendicular to F\mathbf{F}?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

아니요. 벡터장 F(x,y,z)=ı^+y k^\mathbf{F}(x,y,z) = \hat{\boldsymbol{\imath}} +y\,\hat{\mathbf{k}} 에 대해

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂z10y]=ı^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial }{\partial x} & \frac{\partial }{\partial y} & \frac{\partial }{\partial z} \\ 1 & 0 & y \end{matrix}\right] \\ &=\hat{\boldsymbol{\imath}} \end{aligned}

이고, 이 벡터는 모든 xx, yy, zz 에 대해 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 와의 내적이 11 이므로 이 벡터장과 수직이 아니다.

원본 교재 풀이(영어)

No. The vector field F(x,y,z)=ı^+y k^\mathbf{F}(x,y,z) = \hat{\boldsymbol{\imath}} +y\,\hat{\mathbf{k}} has

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂z10y]=ı^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial }{\partial x} & \frac{\partial }{\partial y} & \frac{\partial }{\partial z} \\ 1 & 0 & y \end{matrix}\right] \\ &=\hat{\boldsymbol{\imath}} \end{aligned}

has dot product 11 with F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) (for all xx, yy, zz) and so is not perpendicular to it.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.1절 · 3번
# 발산과 회전계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.CLP-4 · 4.1절 · 3번대학 수준우리말 번역

다음 벡터 항등식을 확인하세요.

(a) ∇⋅(fF)=f∇⋅F+F⋅∇f{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(f\mathbf{F})=f{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}+\mathbf{F}\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } f (b) ∇⋅(F×G)=G⋅(∇×F)−F⋅(∇×G){ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(\mathbf{F}\times\mathbf{G}) =\mathbf{G}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})- \mathbf{F}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{G}) (c) ∇2(fg)=f ∇2g+2∇f⋅∇g+g ∇2f{ \boldsymbol{\nabla} }^2(fg)=f\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 g+2{ \boldsymbol{\nabla} } f\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } g+g\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 f

영어 원문 보기

Verify the vector identities

(a) ∇⋅(fF)=f∇⋅F+F⋅∇f{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(f\mathbf{F})=f{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}+\mathbf{F}\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } f (b) ∇⋅(F×G)=G⋅(∇×F)−F⋅(∇×G){ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(\mathbf{F}\times\mathbf{G}) =\mathbf{G}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})- \mathbf{F}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{G}) (c) ∇2(fg)=f ∇2g+2∇f⋅∇g+g ∇2f{ \boldsymbol{\nabla} }^2(fg)=f\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 g+2{ \boldsymbol{\nabla} } f\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } g+g\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 f

정답·풀이 보기

(a) 곱의 미분법에 의해

∇⋅(fF)=∂∂x(fF1)+∂∂y(fF2)+∂∂z(fF3)=+f∂F1∂x+f∂F2∂y+f∂F3∂z=+F1∂f∂x+F2∂f∂y+F3∂f∂z=f ∇⋅F+F⋅∇f\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\cdot(f\mathbf{F}) &=\frac{\partial }{\partial x}(fF_1) +\frac{\partial }{\partial y}(fF_2) +\frac{\partial }{\partial z}(fF_3) \\ &=\phantom{+}f\frac{\partial F_1}{\partial x} +f\frac{\partial F_2}{\partial y} +f\frac{\partial F_3}{\partial z} \\ &\phantom{=}+F_1\frac{\partial f}{\partial x} +F_2\frac{\partial f}{\partial y} +F_3\frac{\partial f}{\partial z} \\ &=f\,{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}+\mathbf{F}\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } f \end{aligned}

(b) 다시 곱의 미분법에 의해

∇⋅(F×G)=∂∂x(F2G3−F3G2)+∂∂y(F3G1−F1G3)+∂∂z(F1G2−F2G1)=+∂F2∂xG3−∂F3∂xG2+∂F3∂yG1−∂F1∂yG3+∂F1∂zG2−∂F2∂zG1=+F2∂G3∂x−F3∂G2∂x+F3∂G1∂y−F1∂G3∂y+F1∂G2∂z−F2∂G1∂z=+(∂F3∂y−∂F2∂z)G1+(∂F1∂z−∂F3∂x)G2+(∂F2∂x−∂F1∂y)G3=−F1(∂G3∂y−∂G2∂z)−F2(∂G1∂z−∂G3∂x)−F3(∂G2∂x−∂G1∂y)=G⋅(∇×F)−F⋅(∇×G)\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\cdot(\mathbf{F}\times\mathbf{G}) &=\frac{\partial }{\partial x}(F_2G_3-F_3G_2) +\frac{\partial }{\partial y}(F_3G_1-F_1G_3) +\frac{\partial }{\partial z}(F_1G_2-F_2G_1) \\ &=\phantom{+}\frac{\partial F_2}{\partial x}G_3 -\frac{\partial F_3}{\partial x}G_2 +\frac{\partial F_3}{\partial y}G_1 - \frac{\partial F_1}{\partial y}G_3 +\frac{\partial F_1}{\partial z}G_2 - \frac{\partial F_2}{\partial z}G_1 \\ &\phantom{=}+F_2\frac{\partial G_3}{\partial x} -F_3\frac{\partial G_2}{\partial x} +F_3\frac{\partial G_1}{\partial y} -F_1\frac{\partial G_3}{\partial y} +F_1\frac{\partial G_2}{\partial z} - F_2\frac{\partial G_1}{\partial z} \\ &=\phantom{+} \left(\frac{\partial F_3}{\partial y}-\frac{\partial F_2}{\partial z}\right)G_1 +\left(\frac{\partial F_1}{\partial z}-\frac{\partial F_3}{\partial x}\right)G_2 +\left(\frac{\partial F_2}{\partial x}-\frac{\partial F_1}{\partial y}\right)G_3 \\ &\phantom{=} -F_1\left(\frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z}\right) -F_2\left(\frac{\partial G_1}{\partial z}-\frac{\partial G_3}{\partial x}\right) -F_3\left(\frac{\partial G_2}{\partial x}-\frac{\partial G_1}{\partial y}\right) \\ &=\mathbf{G}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})- \mathbf{F}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{G}) \end{aligned}

(c) ∇2(fg)=∇⋅[∇(fg)]{ \boldsymbol{\nabla} }^2(fg) = { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\big[{ \boldsymbol{\nabla} }(fg)\big] 임을 떠올리자. 먼저

∇(fg)=ı^∂∂x(fg)+ȷ^∂∂y(fg)+k^∂∂z(fg)=+ı^g∂f∂x+ȷ^g∂f∂y+k^g∂f∂z=+ı^f∂g∂x+ȷ^f∂g∂y+k^f∂g∂z=g∇f+f∇g\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }(fg) &=\hat{\boldsymbol{\imath}}\frac{\partial }{\partial x}(fg) +\hat{\boldsymbol{\jmath}}\frac{\partial }{\partial y}(fg) +\hat{\mathbf{k}}\frac{\partial }{\partial z}(fg) \\ &=\phantom{+}\hat{\boldsymbol{\imath}} g\frac{\partial f}{\partial x} +\hat{\boldsymbol{\jmath}} g\frac{\partial f}{\partial y} +\hat{\mathbf{k}} g\frac{\partial f}{\partial z} \\ &\phantom{=}+\hat{\boldsymbol{\imath}} f\frac{\partial g}{\partial x} +\hat{\boldsymbol{\jmath}} f\frac{\partial g}{\partial y} +\hat{\mathbf{k}} f\frac{\partial g}{\partial z} \\ &=g{ \boldsymbol{\nabla} } f+f{ \boldsymbol{\nabla} } g \end{aligned}

따라서 (a)를 두 번 이용하면

∇2(fg)=∇⋅(g∇f)+∇⋅(f∇g)=g(∇⋅∇f)+(∇g)⋅(∇f)+f(∇⋅∇g)+(∇f)⋅(∇g)=f ∇2g+2∇f⋅∇g+g ∇2f\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }^2(fg) & = { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\big(g{ \boldsymbol{\nabla} } f\big) +{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\big(f{ \boldsymbol{\nabla} } g\big) \\ &= g\big({ \boldsymbol{\nabla} }\cdot { \boldsymbol{\nabla} } f\big) + \big({ \boldsymbol{\nabla} } g\big)\cdot\big({ \boldsymbol{\nabla} } f\big) +f\big({ \boldsymbol{\nabla} }\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } g\big) + \big({ \boldsymbol{\nabla} } f\big)\cdot\big({ \boldsymbol{\nabla} } g\big) \\ &=f\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 g+2{ \boldsymbol{\nabla} } f\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } g+g\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 f \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) By the product rule

∇⋅(fF)=∂∂x(fF1)+∂∂y(fF2)+∂∂z(fF3)=+f∂F1∂x+f∂F2∂y+f∂F3∂z=+F1∂f∂x+F2∂f∂y+F3∂f∂z=f ∇⋅F+F⋅∇f\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\cdot(f\mathbf{F}) &=\frac{\partial }{\partial x}(fF_1) +\frac{\partial }{\partial y}(fF_2) +\frac{\partial }{\partial z}(fF_3) \\ &=\phantom{+}f\frac{\partial F_1}{\partial x} +f\frac{\partial F_2}{\partial y} +f\frac{\partial F_3}{\partial z} \\ &\phantom{=}+F_1\frac{\partial f}{\partial x} +F_2\frac{\partial f}{\partial y} +F_3\frac{\partial f}{\partial z} \\ &=f\,{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}+\mathbf{F}\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } f \end{aligned}

(b) Again by the product rule

∇⋅(F×G)=∂∂x(F2G3−F3G2)+∂∂y(F3G1−F1G3)+∂∂z(F1G2−F2G1)=+∂F2∂xG3−∂F3∂xG2+∂F3∂yG1−∂F1∂yG3+∂F1∂zG2−∂F2∂zG1=+F2∂G3∂x−F3∂G2∂x+F3∂G1∂y−F1∂G3∂y+F1∂G2∂z−F2∂G1∂z=+(∂F3∂y−∂F2∂z)G1+(∂F1∂z−∂F3∂x)G2+(∂F2∂x−∂F1∂y)G3=−F1(∂G3∂y−∂G2∂z)−F2(∂G1∂z−∂G3∂x)−F3(∂G2∂x−∂G1∂y)=G⋅(∇×F)−F⋅(∇×G)\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\cdot(\mathbf{F}\times\mathbf{G}) &=\frac{\partial }{\partial x}(F_2G_3-F_3G_2) +\frac{\partial }{\partial y}(F_3G_1-F_1G_3) +\frac{\partial }{\partial z}(F_1G_2-F_2G_1) \\ &=\phantom{+}\frac{\partial F_2}{\partial x}G_3 -\frac{\partial F_3}{\partial x}G_2 +\frac{\partial F_3}{\partial y}G_1 - \frac{\partial F_1}{\partial y}G_3 +\frac{\partial F_1}{\partial z}G_2 - \frac{\partial F_2}{\partial z}G_1 \\ &\phantom{=}+F_2\frac{\partial G_3}{\partial x} -F_3\frac{\partial G_2}{\partial x} +F_3\frac{\partial G_1}{\partial y} -F_1\frac{\partial G_3}{\partial y} +F_1\frac{\partial G_2}{\partial z} - F_2\frac{\partial G_1}{\partial z} \\ &=\phantom{+} \left(\frac{\partial F_3}{\partial y}-\frac{\partial F_2}{\partial z}\right)G_1 +\left(\frac{\partial F_1}{\partial z}-\frac{\partial F_3}{\partial x}\right)G_2 +\left(\frac{\partial F_2}{\partial x}-\frac{\partial F_1}{\partial y}\right)G_3 \\ &\phantom{=} -F_1\left(\frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z}\right) -F_2\left(\frac{\partial G_1}{\partial z}-\frac{\partial G_3}{\partial x}\right) -F_3\left(\frac{\partial G_2}{\partial x}-\frac{\partial G_1}{\partial y}\right) \\ &=\mathbf{G}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})- \mathbf{F}\cdot({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{G}) \end{aligned}

(c) Recall that ∇2(fg)=∇⋅[∇(fg)]{ \boldsymbol{\nabla} }^2(fg) = { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\big[{ \boldsymbol{\nabla} }(fg)\big]. First

∇(fg)=ı^∂∂x(fg)+ȷ^∂∂y(fg)+k^∂∂z(fg)=+ı^g∂f∂x+ȷ^g∂f∂y+k^g∂f∂z=+ı^f∂g∂x+ȷ^f∂g∂y+k^f∂g∂z=g∇f+f∇g\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }(fg) &=\hat{\boldsymbol{\imath}}\frac{\partial }{\partial x}(fg) +\hat{\boldsymbol{\jmath}}\frac{\partial }{\partial y}(fg) +\hat{\mathbf{k}}\frac{\partial }{\partial z}(fg) \\ &=\phantom{+}\hat{\boldsymbol{\imath}} g\frac{\partial f}{\partial x} +\hat{\boldsymbol{\jmath}} g\frac{\partial f}{\partial y} +\hat{\mathbf{k}} g\frac{\partial f}{\partial z} \\ &\phantom{=}+\hat{\boldsymbol{\imath}} f\frac{\partial g}{\partial x} +\hat{\boldsymbol{\jmath}} f\frac{\partial g}{\partial y} +\hat{\mathbf{k}} f\frac{\partial g}{\partial z} \\ &=g{ \boldsymbol{\nabla} } f+f{ \boldsymbol{\nabla} } g \end{aligned}

So by part (a), twice,

∇2(fg)=∇⋅(g∇f)+∇⋅(f∇g)=g(∇⋅∇f)+(∇g)⋅(∇f)+f(∇⋅∇g)+(∇f)⋅(∇g)=f ∇2g+2∇f⋅∇g+g ∇2f\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }^2(fg) & = { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\big(g{ \boldsymbol{\nabla} } f\big) +{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\big(f{ \boldsymbol{\nabla} } g\big) \\ &= g\big({ \boldsymbol{\nabla} }\cdot { \boldsymbol{\nabla} } f\big) + \big({ \boldsymbol{\nabla} } g\big)\cdot\big({ \boldsymbol{\nabla} } f\big) +f\big({ \boldsymbol{\nabla} }\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } g\big) + \big({ \boldsymbol{\nabla} } f\big)\cdot\big({ \boldsymbol{\nabla} } g\big) \\ &=f\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 g+2{ \boldsymbol{\nabla} } f\cdot{ \boldsymbol{\nabla} } g+g\,{ \boldsymbol{\nabla} }^2 f \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.1절 · 13번
# 발산과 회전계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.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

답 쓰고 채점
(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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