문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

벡터 미적분 전체 문제

이 단원의 모든 연습문제입니다. 소단원으로 좁혀 보려면 아래 꼬리표를 누르세요.

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

68문제 · 1 / 4쪽

1.CLP-4 · 1.6절 · 5번대학 수준우리말 번역

CC 가 (1,2,3)(1,2,3) 에서 (2,4,5)(2,4,5) 까지의 선분일 때, ∫C(xy+z)ds\int_C (xy+z) \mathrm{d}s 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Compute ∫C(xy+z)ds\int_C (xy+z) \mathrm{d}s where CC is the line segment from (1,2,3)(1,2,3) to (2,4,5)(2,4,5).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

CC 를 매개변수로 나타내기 위해, 두 점 사이의 벡터가 (2−1,4−2,5−3)=(1,2,2)(2-1,4-2,5-3)=(1,2,2) 임에 주목한다. 따라서 이 직선은 0≤t≤10 \le t \le 1 에 대해 (1,2,3)+t(1,2,2)(1,2,3)+t(1,2,2) 이다. 즉, x(t)=1+tx(t)=1+t, y(t)=2+2ty(t)=2+2t, 그리고 z(t)=3+2tz(t)=3+2t 이다.

∫C(xy+z)ds=∫01((1+t)(2+2t)+(3+2t))11+22+22dt=∫013(5+6t+2t2) dt=26\begin{aligned} \int_C(xy+z)\mathrm{d}s&=\int_0^1 \left((1+t)(2+2t)+(3+2t)\right)\sqrt{1^1+2^2+2^2}\mathrm{d}t\\ &= \int_0^1 3\big(5 + 6t + 2t^2\big)\ \mathrm{d}t=26 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

To parametrize CC, we note the vector between the two points is (2−1,4−2,5−3)=(1,2,2)(2-1,4-2,5-3)=(1,2,2). So, the line is (1,2,3)+t(1,2,2)(1,2,3)+t(1,2,2) for 0≤t≤10 \le t \le 1. That is, x(t)=1+tx(t)=1+t, y(t)=2+2ty(t)=2+2t, and z(t)=3+2tz(t)=3+2t.

∫C(xy+z)ds=∫01((1+t)(2+2t)+(3+2t))11+22+22dt=∫013(5+6t+2t2) dt=26\begin{aligned} \int_C(xy+z)\mathrm{d}s&=\int_0^1 \left((1+t)(2+2t)+(3+2t)\right)\sqrt{1^1+2^2+2^2}\mathrm{d}t\\ &= \int_0^1 3\big(5 + 6t + 2t^2\big)\ \mathrm{d}t=26 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6장 복습 · 23번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-4 · 1.6절 · 6번대학 수준우리말 번역

다음에 대해 경로적분 ∫Cf(x,y,z) ds\int_\mathcal{C} f(x,y,z)\,\mathrm{d}s 의 값을 구하세요.

(a) f(x,y,z)=xcos⁡zf(x,y,z)=x\cos z, C:r(t)=tı^+t2ȷ^\mathcal{C}:\mathbf{r}(t)=t\hat{\boldsymbol{\imath}}+t^2\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤t≤10\le t\le 1. (b) f(x,y,z)=x+yy+zf(x,y,z)=\frac{x+y}{y+z}, C:r(t)=(t,23t3/2,t)\mathcal{C}:\mathbf{r}(t)= \big(t,\frac{2}{3}t^{3/2},t\big), 1≤t≤21\le t\le 2.

영어 원문 보기

Evaluate the path integral ∫Cf(x,y,z) ds\int_\mathcal{C} f(x,y,z)\,\mathrm{d}s for

(a) f(x,y,z)=xcos⁡zf(x,y,z)=x\cos z, C:r(t)=tı^+t2ȷ^\mathcal{C}:\mathbf{r}(t)=t\hat{\boldsymbol{\imath}}+t^2\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤t≤10\le t\le 1. (b) f(x,y,z)=x+yy+zf(x,y,z)=\frac{x+y}{y+z}, C:r(t)=(t,23t3/2,t)\mathcal{C}:\mathbf{r}(t)= \big(t,\frac{2}{3}t^{3/2},t\big), 1≤t≤21\le t\le 2.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 이 경우 r(t)=tı^+t2ȷ^\mathbf{r}(t)=t\hat{\boldsymbol{\imath}}+t^2\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이므로 v(t)=drdt(t)=ı^+2tȷ^\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고 dsdt=1+4t2\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\sqrt{1+4t^2} 이다. 따라서

∫Cf(x,y,z) ds=∫01x(t)cos⁡z(t)dsdt dt=∫01t(cos⁡0)1+4t2 dt=18(1+4t2)3/23/2∣01=53/2−112\begin{aligned} \int_\mathcal{C} f(x,y,z)\,\mathrm{d}s &=\int_0^1 x(t)\cos z(t) \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\,\mathrm{d}t =\int_0^1 t(\cos 0) \sqrt{1+4t^2}\,\mathrm{d}t =\frac{1}{8}\frac{ {(1+4t^2)}^{3/2}}{3/2}\bigg|_0^1\\ &=\frac{5^{3/2}-1}{12} \end{aligned}

(b) 이 경우 r(t)=(t,23t3/2,t)\mathbf{r}(t)=\big(t,\frac{2}{3}t^{3/2},t\big) 이므로 v(t)=drdt(t)=(1,t1/2,1)\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)=\big(1,t^{1/2},1\big) 이고 dsdt=2+t\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\sqrt{2+t} 이다. 따라서

∫Cf(x,y,z) ds=∫12x(t)+y(t)y(t)+z(t) dsdt dt=∫12t+23t3/223t3/2+t2+t dt=(2+t)3/23/2∣12=8−33/23/2\begin{aligned} \int_\mathcal{C} f(x,y,z)\,\mathrm{d}s &=\int_1^2 \frac{x(t)+y(t)}{y(t)+z(t)} \, \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\,\mathrm{d}t =\int_1^2 \frac{t+{2\over 3}t^{3/2}}{{2\over3}t^{3/2}+t} \sqrt{2+t}\,\mathrm{d}t =\frac{(2+t)^{3/2}}{3/2}\bigg|_1^2 \\ &=\frac{8-3^{3/2}}{3/2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) In this case r(t)=tı^+t2ȷ^\mathbf{r}(t)=t\hat{\boldsymbol{\imath}}+t^2\hat{\boldsymbol{\jmath}}, so that v(t)=drdt(t)=ı^+2tȷ^\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\hat{\boldsymbol{\jmath}} and dsdt=1+4t2\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\sqrt{1+4t^2} . Hence

∫Cf(x,y,z) ds=∫01x(t)cos⁡z(t)dsdt dt=∫01t(cos⁡0)1+4t2 dt=18(1+4t2)3/23/2∣01=53/2−112\begin{aligned} \int_\mathcal{C} f(x,y,z)\,\mathrm{d}s &=\int_0^1 x(t)\cos z(t) \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\,\mathrm{d}t =\int_0^1 t(\cos 0) \sqrt{1+4t^2}\,\mathrm{d}t =\frac{1}{8}\frac{ {(1+4t^2)}^{3/2}}{3/2}\bigg|_0^1\\ &=\frac{5^{3/2}-1}{12} \end{aligned}

(b) In this case r(t)=(t,23t3/2,t)\mathbf{r}(t)=\big(t,\frac{2}{3}t^{3/2},t\big), so that v(t)=drdt(t)=(1,t1/2,1)\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)=\big(1,t^{1/2},1\big) and dsdt=2+t\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\sqrt{2+t} . Hence

∫Cf(x,y,z) ds=∫12x(t)+y(t)y(t)+z(t) dsdt dt=∫12t+23t3/223t3/2+t2+t dt=(2+t)3/23/2∣12=8−33/23/2\begin{aligned} \int_\mathcal{C} f(x,y,z)\,\mathrm{d}s &=\int_1^2 \frac{x(t)+y(t)}{y(t)+z(t)} \, \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\,\mathrm{d}t =\int_1^2 \frac{t+{2\over 3}t^{3/2}}{{2\over3}t^{3/2}+t} \sqrt{2+t}\,\mathrm{d}t =\frac{(2+t)^{3/2}}{3/2}\bigg|_1^2 \\ &=\frac{8-3^{3/2}}{3/2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.6절 · 7번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-4 · 1.6절 · 7번대학 수준우리말 번역

∫Csin⁡x ds\int_C \sin x\,\mathrm{d}s 의 값을 구하세요. 단, CC 는 곡선 (arcsec(t),ln⁡t)(\mathop{\mathrm{arcsec}}(t), \ln t), 1≤t≤21 \le t \le \sqrt{2} 입니다.

영어 원문 보기

Evaluate ∫Csin⁡x ds\int_C \sin x\,\mathrm{d}s, where CC is the curve (arcsec(t),ln⁡t)(\mathop{\mathrm{arcsec}}(t), \ln t), 1≤t≤21 \le t \le \sqrt{2}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

아래 그림과 같이 θ=arcsect\theta=\mathop{\mathrm{arcsec}} t 인 삼각형을 그린다. 빗변의 길이는 tt 이고, θ\theta 에 이웃한 변의 길이는 1 이다. 피타고라스 정리에 의해 나머지 한 변의 길이는 t2−1\sqrt{t^2-1} 이므로 sin⁡θ=sin⁡(arcsect)=t2−1t\sin\theta=\sin(\mathop{\mathrm{arcsec}} t)=\frac{\sqrt{t^2-1}}{t} 이다.

그림

ddt{ln⁡t}=1t\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\{\ln t\} = \frac{1}{t} 이고 ddt{arcsect}=1∣t∣t2−1\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\{\mathop{\mathrm{arcsec}} t\} = \frac{1}{|t|\sqrt{t^2-1}} 임을 기억하자. 우리가 다루는 범위 1≤t≤21 \le t \le \sqrt 2 에서는 ∣t∣=t|t|=t 이다.

∫Csin⁡x ds=∫12sin⁡(arcsect)(1tt2−1)2+(1t)2 dt=∫12t2−1t1t2(t2−1)+1t2 dt=∫121t dt=12ln⁡2\begin{aligned} \int_C \sin x \,\mathrm{d}s&=\int_{1}^{\sqrt 2}\sin\left(\mathop{\mathrm{arcsec}} t \right)\sqrt{\left(\frac{1}{t\sqrt{t^2-1}} \right)^2+\left(\frac1t \right)^2}\,\mathrm{d}t\\ &=\int_1^{\sqrt{2}} \frac{\sqrt{t^2-1}}{t}\sqrt{\frac{1}{t^2(t^2-1)}+\frac{1}{t^2}} \,\mathrm{d}t\\ &=\int_1^{\sqrt 2}\frac1t\,\mathrm{d}t=\frac{1}{2}\ln 2 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

In the figure below, we construct a triangle with θ=arcsect\theta=\mathop{\mathrm{arcsec}} t; the hypotenuse has length tt, while the side adjacent to θ\theta has length 1. By the Pythagorean Theorem, the remaining side has length t2−1\sqrt{t^2-1}, so sin⁡θ=sin⁡(arcsect)=t2−1t\sin\theta=\sin(\mathop{\mathrm{arcsec}} t)=\frac{\sqrt{t^2-1}}{t}.

figure

Remember ddt{ln⁡t}=1t\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\{\ln t\} = \frac{1}{t} and ddt{arcsect}=1∣t∣t2−1\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\{\mathop{\mathrm{arcsec}} t\} = \frac{1}{|t|\sqrt{t^2-1}}. In our range, 1≤t≤21 \le t \le \sqrt 2, we have ∣t∣=t|t|=t.

∫Csin⁡x ds=∫12sin⁡(arcsect)(1tt2−1)2+(1t)2 dt=∫12t2−1t1t2(t2−1)+1t2 dt=∫121t dt=12ln⁡2\begin{aligned} \int_C \sin x \,\mathrm{d}s&=\int_{1}^{\sqrt 2}\sin\left(\mathop{\mathrm{arcsec}} t \right)\sqrt{\left(\frac{1}{t\sqrt{t^2-1}} \right)^2+\left(\frac1t \right)^2}\,\mathrm{d}t\\ &=\int_1^{\sqrt{2}} \frac{\sqrt{t^2-1}}{t}\sqrt{\frac{1}{t^2(t^2-1)}+\frac{1}{t^2}} \,\mathrm{d}t\\ &=\int_1^{\sqrt 2}\frac1t\,\mathrm{d}t=\frac{1}{2}\ln 2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.6절 · 5번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-4 · 2.1절 · 7번대학 수준우리말 번역

친절한(?) 벌들이 사방에서 여러분의 얼굴을 향해 날아옵니다. 각 벌의 속력은 여러분의 얼굴까지의 거리에 반비례합니다. 벌 떼의 속도에 대한 벡터장을 구하세요.

영어 원문 보기

Friendly (?) bees fly towards your face from all directions. The speed of each bee is inversely proportional to its distance from your face. Find a vector field for the velocity of the swarm.

정답·풀이 보기

얼굴이 좌표계의 원점 (0,0,0)(0,0,0) 에 있도록 잡는다. 위치 (x,y,z)(x,y,z) 에 있는 벌은 얼굴에서 x2+y2+z2\sqrt{x^2+y^2+z^2} 만큼 떨어져 있으며, (−x,−y,−z)(-x,-y,-z) 방향으로 향한다. 따라서 벌 한 마리의 진행 방향을 나타내는 단위벡터는 −1x2+y2+z2(x,y,z)\frac{-1}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}(x,y,z) 이다. 이제 속도 벡터의 크기, 즉 벌의 속력만 구하면 된다.

친절한 벌의 속력은 얼굴까지의 거리인 x2+y2+z2\sqrt{x^2+y^2+z^2} 에 반비례한다. (여러분에게 더 가까이 있는 벌일수록 더 흥분해서 윙윙거리며 날아온다.) 따라서 속력은 어떤 상수 α\alpha 에 대해 αx2+y2+z2\frac{\alpha}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}} 이다.

벌의 속도는 단위벡터 −1x2+y2+z2(x,y,z)\frac{-1}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}(x,y,z) 의 방향을 가지고, 어떤 양의 상수 α\alpha 에 대해 크기가 αx2+y2+z2\frac{\alpha}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}} 이다. 즉, v(x,y,z)=−αx2+y2+z2(x,y,z)\mathbf{v}(x,y,z)=-\frac{\alpha}{{x^2+y^2+z^2}}(x,y,z)

원본 교재 풀이(영어)

Set your face to be at the origin of our coordinate system, (0,0,0)(0,0,0). A bee at position (x,y,z)(x,y,z) is a distance of x2+y2+z2\sqrt{x^2+y^2+z^2} from your face, heading in the direction (−x,−y,−z)(-x,-y,-z). So, the unit vector indicating the direction of travel of one bee is −1x2+y2+z2(x,y,z)\frac{-1}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}(x,y,z). Now all we need to find is the length of the velocity vector, i.e. the speed of the bee.

The speed of the friendly bee is inversely proportional to x2+y2+z2\sqrt{x^2+y^2+z^2}, its distance from your face. (Bees that are closer to you are buzzing towards you more excitedly.) So, the speed is given by αx2+y2+z2\frac{\alpha}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}} for some constant α\alpha.

The bee velocity has the direction of the unit vector −1x2+y2+z2(x,y,z)\frac{-1}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}(x,y,z) with length αx2+y2+z2\frac{\alpha}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}} for some positive constant α\alpha. That is, v(x,y,z)=−αx2+y2+z2(x,y,z)\mathbf{v}(x,y,z)=-\frac{\alpha}{{x^2+y^2+z^2}}(x,y,z)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.1절 · 4번
# 벡터장과 흐름선활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-4 · 2.1절 · 8번대학 수준우리말 번역

벡터장 v(x,y)=(x2,y)\mathbf{v}(x,y)=(x^2,y) 의 그래프를 그리세요.

영어 원문 보기

Sketch the vector field v(x,y)=(x2,y)\mathbf{v}(x,y)=(x^2,y).

정답·풀이 보기

본문에서처럼 시작하여 다음을 알 수 있다.

v(x,y)⋅ı^=x2{>0x≠0=0x=0\mathbf{v}(x,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}=x^2 \begin{cases} >0 & x \neq 0\\ =0 & x=0 \end{cases} 그리고 v(x,y)⋅ȷ^=y{>0y>0=0y=0<0y<0\mathbf{v}(x,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}=y \begin{cases} >0 & y > 0\\ =0 & y=0\\ <0 & y<0 \end{cases}.

이로부터 다음 그림을 얻는다.

그림

이것으로 대략적인 모양을 알 수 있다. 더 자세히 살펴보면, x2>∣y∣x^2>|y| 일 때 벡터 v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 는 수직보다 수평에 더 가깝다. yy축에서 수평선을 따라 멀어질수록 x2x^2 과 ∣y∣|y| 의 차가 커지므로 벡터는 점점 더 수평에 가까워진다. 그러나 xx 의 값을 고정하면, 축에서 더 먼 곳의 벡터가 축에 가까운 곳의 벡터보다 더 수직에 가깝다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Beginning as in the text, we note

v(x,y)⋅ı^=x2{>0x≠0=0x=0\mathbf{v}(x,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}=x^2 \begin{cases} >0 & x \neq 0\\ =0 & x=0 \end{cases} and v(x,y)⋅ȷ^=y{>0y>0=0y=0<0y<0\mathbf{v}(x,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}=y \begin{cases} >0 & y > 0\\ =0 & y=0\\ <0 & y<0 \end{cases} .

That leads to the following picture:

figure

This gives us a general idea to start with. Refining, we notice that when x2>∣y∣x^2>|y|, then the vector v(x,y)\mathbf{v}(x,y) will be more horizontal than vertical. As we move away from the yy-axis in a horizontal line, the difference between x2x^2 and ∣y∣|y| grows, so the vectors get more and more horizontal. However, for a fixed value of xx, vectors farther from the axis will be more vertical than vectors closer to it.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.1절 · 9번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.CLP-4 · 2.1절 · 9번대학 수준우리말 번역

v(x,y)=(x2+y2 , (x−1)2+(y−1)2)\mathbf{v}(x,y) = \left( \sqrt{x^2+y^2}~,~\sqrt{(x-1)^2+(y-1)^2}\right) 의 방향장을 그래프로 그리세요.

영어 원문 보기

Sketch the direction field of v(x,y)=(x2+y2 , (x−1)2+(y−1)2)\mathbf{v}(x,y) = \left( \sqrt{x^2+y^2}~,~\sqrt{(x-1)^2+(y-1)^2}\right).

정답·풀이 보기

결국에는 단위 길이의 벡터만 그리게 되지만, v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 의 xx성분과 yy성분을 구하면 그 방향을 알 수 있다.

v(x,y)⋅ı^\mathbf{v}(x,y)\cdot \hat{\boldsymbol{\imath}} 는 (x,y)(x,y) 에서 원점까지의 거리이고, v(x,y)⋅ȷ^\mathbf{v}(x,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}} 는 (x,y)(x,y) 에서 점 (1,1)(1,1) 까지의 거리이다. 이 두 수는 항상 음이 아니다. 따라서 다음과 같은 그림이 된다.

그림

(x,y)(x,y) 가 원점에서 멀리 떨어져 있으면, (0,0)(0,0) 까지의 거리는 (1,0)(1,0) 까지의 거리와 거의 같다. 그러므로 v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 는 (1,1)(1,1) 의 스칼라 배수에 가까울 것으로 예상된다.

(0,0)(0,0) 에서 v(0,0)⋅ı^=0v(0,0)\cdot \hat{\boldsymbol{\imath}}=0 이므로 이 벡터는 수평이다. 마찬가지로 v(1,1)⋅ȷ^=0v(1,1)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}=0 이므로 이 벡터는 수평이다. (0,0)(0,0) 에 아주 가까운 곳의 벡터는 거의 수평이고, (1,1)(1,1) 에 가까운 곳의 벡터는 거의 수직이다.

그림

방향장을 그리기 위해 벡터의 길이가 1이 되도록 정규화한다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Although ultimately we'll sketch only unit-length vectors, we can still find the direction of v(x,y)\mathbf{v}(x,y) by finding its xx- and yy components.

Note v(x,y)⋅ı^\mathbf{v}(x,y)\cdot \hat{\boldsymbol{\imath}} is the distance from (x,y)(x,y) to the origin, while v(x,y)⋅ȷ^\mathbf{v}(x,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}} is the distance from (x,y)(x,y) to the point (1,1)(1,1). Both these numbers are always nonnegative. This leads to the following sketch:

figure

When (x,y)(x,y) is far from the origin, its distance from (0,0)(0,0) is almost the same as its distance from (1,0)(1,0). So, we expect v(x,y)\mathbf{v}(x,y) to be approximately a scalar multiple of (1,1)(1,1).

At (0,0)(0,0), v(0,0)⋅ı^=0v(0,0)\cdot \hat{\boldsymbol{\imath}}=0, so our vector is horizontal; similarly, v(1,1)⋅ȷ^=0v(1,1)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}=0 so this vector is horizontal. Vectors very near to (0,0)(0,0) are nearly horizontal, while vectors near to (1,1)(1,1) are nearly vertical.

figure

For the direction field, we normalize our vectors to have unit length.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.1절 · 6번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.CLP-4 · 2.1절 · 11번대학 수준우리말 번역

벡터장 v(x,y)=[1/3x2+y2(x,y)+1/3(x−1)2+y2(x−1,y)]\displaystyle \mathbf{v}(x,y)=\left[\frac{1/3}{\sqrt{x^2+y^2}}(x,y)+\frac{1/3}{\sqrt{(x-1)^2+y^2}}(x-1,y)\right] 을 그리세요.

영어 원문 보기

Sketch the vector field v(x,y)=[1/3x2+y2(x,y)+1/3(x−1)2+y2(x−1,y)]\displaystyle \mathbf{v}(x,y)=\left[\frac{1/3}{\sqrt{x^2+y^2}}(x,y)+\frac{1/3}{\sqrt{(x-1)^2+y^2}}(x-1,y)\right].

정답·풀이 보기

벡터장 v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 는 원점에서 멀어지는 방향의 단위벡터와 (1,0)(1,0) 에서 멀어지는 방향의 단위벡터의 합에 1/3을 곱한 것이다. 이로부터 몇몇 영역에 대해 알 수 있다.

  • (0,0)(0,0) 과 (1,0)(1,0) 사이의 xx축 위에서는 이 두 점에서 멀어지는 방향의 벡터가 서로 반대 방향이고 (길이가 같으므로) 서로 상쇄된다. 즉, 모든 x∈(0,1)x \in (0,1) 에 대해 v(x,0)=0v(x,0)=0 이다.
  • v(0,0)v(0,0) 과 v(1,0)v(1,0) 은 정의되지 않는다.
  • [0,1][0,1] 바깥의 xx축 위에서는 점 (0,0)(0,0) 에서 멀어지는 방향의 벡터가 점 (1,0)(1,0) 에서 멀어지는 방향의 벡터와 같다. 따라서 x<0x<0 일 때 v(x,0)=(−2/3,0)v(x,0)=(-2/3,0) 이고, x>1x>1 일 때 v(x,0)=(2/3,0)v(x,0)=(2/3,0) 이다.

그림

  • (x,y)(x,y) 에서 원점까지의 거리가 커질수록, (0,0)(0,0) 에서 멀어지는 방향의 벡터는 (1,0)(1,0) 에서 멀어지는 방향의 벡터와 점점 더 비슷해진다. 따라서 원점에서 멀리 떨어진 곳의 벡터는 원점에서 멀어지는 방향을 향하고 길이가 약 2/3인 벡터와 비슷하다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

The field v(x,y)\mathbf{v}(x,y) is the sum, scaled by 1/3, of the unit vector pointing away from the origin and the unit vector pointing away from (1,0)(1,0). This tells us about a few regions:

  • Along the xx axis between (0,0)(0,0) and (1,0)(1,0), the vectors away from these points are pointing in opposite directions (and have the same length), so they cancel each other out. That is, v(x,0)=0v(x,0)=0 for all x∈(0,1)x \in (0,1).
  • v(0,0)v(0,0) and v(1,0)v(1,0) are not defined.
  • Along the xx-axis outside of [0,1][0,1], the vector pointing away from the point (0,0)(0,0) is the same as the vector pointing away from the point (1,0)(1,0). So, v(x,0)=(−2/3,0)v(x,0)=(-2/3,0) for x<0x<0 and v(x,0)=(2/3,0)v(x,0)=(2/3,0) for x>1x>1.

figure

  • As the distance from (x,y)(x,y) to the origin grows, the vector pointing away from (0,0)(0,0) looks more and more like the vector pointing away from (1,0)(1,0). So, our vectors far away from the origin look like vectors of length about 2/3, pointing away from the origin.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.1절 · 13번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.CLP-4 · 2.1절 · 13번대학 수준우리말 번역

질량이 MM 인 물체는 자신으로부터 거리 DD 만큼 떨어진 단위 질량의 입자에 크기가 GMD2\frac{GM}{D^2} 인 힘을 작용한다. 여기서 GG 는 물리 상수이다. 이 힘은 입자에서 물체를 향하는 방향으로 작용한다.

그림

좌표평면 위에서 질량 5 kg 인 물체가 위치 (0,0)(0,0) 에, 질량 3 kg 인 물체가 위치 (2,3)(2,3) 에, 질량 7 kg 인 물체가 위치 (4,0)(4,0) 에 놓여 있다고 하자. 위치 (x,y)(x,y) 에 있는 단위 질량에 작용하는 전체 중력의 벡터장 f(x,y)\mathbf{f}(x,y) 를 구하세요.

영어 원문 보기

A body of mass MM exerts a force of magnitude GMD2\frac{GM}{D^2} on a particle of unit mass distance DD away from itself, where GG is a physical constant. The force acts in the direction from the particle to the body.

figure

Suppose a mass of 5 kg sits at position (0,0)(0,0), a mass of 3 kg sits at position (2,3)(2,3), and a mass of 7 kg sits at position (4,0)(4,0) on a coordinate plane. Give the vector field f(x,y)\mathbf{f}(x,y) of the net gravitational force exerted on a unit mass at position (x,y)(x,y).

정답·풀이 보기

위치 (x,y)(x,y) 에 있는 단위 질량의 입자는 5kg 물체로부터 거리 D1=x2+y2D_1=\sqrt{x^2+y^2} 만큼 떨어져 있으므로, 그 물체는 입자에 크기가 G(5)x2+y2\frac{G(5)}{x^2+y^2} 인 힘을 작용한다. 이 힘의 방향은 (−x,−y)(-x,-y) 이다. 따라서 5kg 물체가 작용하는 힘은 f1(x,y)=−5G(x2+y2)3/2(x,y)\mathbf{f}_1(x,y)=\frac{-5G}{(x^2+y^2)^{3/2}}(x,y) 이다.

마찬가지로, (2,3)(2,3) 에 있는 3 kg 물체가 작용하는 힘은 f2(x,y)=3G((x−2)2+(y−3)2)3/2(2−x,3−y)\mathbf{f}_2(x,y)=\frac{3G}{((x-2)^2+(y-3)^2)^{3/2}}(2-x,3-y) 이고, (4,0)(4,0) 에 있는 7 kg 물체가 작용하는 힘은 f3(x,y)=7G((x−4)2+y2)3/2(4−x,−y)\mathbf{f}_3(x,y)=\frac{7G}{((x-4)^2+y^2)^{3/2}}(4-x,-y) 이다.

따라서 단위 질량에 작용하는 전체 힘은 다음과 같다.

f(x,y)=f1(x,y)+f2(x,y)+f3(x,y)=−5G(x,y)(x2+y2)3/2+3G(2−x,3−y)((x−2)2+(y−3)2)3/2+7G(4−x,−y)((x−4)2+y2)3/2\begin{aligned} \mathbf{f}(x,y)&=\mathbf{f}_1(x,y)+\mathbf{f}_2(x,y)+\mathbf{f}_3(x,y)\\ &=\frac{-5G(x,y)}{(x^2+y^2)^{3/2}}+\frac{3G(2-x,3-y)}{((x-2)^2+(y-3)^2)^{3/2}}+\frac{7G(4-x,-y)}{((x-4)^2+y^2)^{3/2}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

A particle of unit mass at position (x,y)(x,y) has distance D1=x2+y2D_1=\sqrt{x^2+y^2} from the 5kg mass, so that mass exerts a force of magnitude G(5)x2+y2\frac{G(5)}{x^2+y^2} on the particle. This force has direction (−x,−y)(-x,-y). So, the force exerted by the 5kg mass is f1(x,y)=−5G(x2+y2)3/2(x,y)\mathbf{f}_1(x,y)=\frac{-5G}{(x^2+y^2)^{3/2}}(x,y).

Similarly, the 3 kg mass at (2,3)(2,3) exerts a force of f2(x,y)=3G((x−2)2+(y−3)2)3/2(2−x,3−y)\mathbf{f}_2(x,y)=\frac{3G}{((x-2)^2+(y-3)^2)^{3/2}}(2-x,3-y); and the 7 kg mass at (4,0)(4,0) exerts a force of f3(x,y)=7G((x−4)2+y2)3/2(4−x,−y)\mathbf{f}_3(x,y)=\frac{7G}{((x-4)^2+y^2)^{3/2}}(4-x,-y).

The net force on a unit mass is therefore

f(x,y)=f1(x,y)+f2(x,y)+f3(x,y)=−5G(x,y)(x2+y2)3/2+3G(2−x,3−y)((x−2)2+(y−3)2)3/2+7G(4−x,−y)((x−4)2+y2)3/2\begin{aligned} \mathbf{f}(x,y)&=\mathbf{f}_1(x,y)+\mathbf{f}_2(x,y)+\mathbf{f}_3(x,y)\\ &=\frac{-5G(x,y)}{(x^2+y^2)^{3/2}}+\frac{3G(2-x,3-y)}{((x-2)^2+(y-3)^2)^{3/2}}+\frac{7G(4-x,-y)}{((x-4)^2+y^2)^{3/2}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.1절 · 23번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.CLP-4 · 2.2절 · 4번대학 수준우리말 번역

벡터장 F=2y ı^+xy2 ȷ^+eyk^\mathbf{F}= 2y\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ \frac{x}{y^2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+e^y\hat{\mathbf{k}} 의 장선 중에서 (1,1,e)(1,1,e) 를 지나는 것을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the field line of the vector field F=2y ı^+xy2 ȷ^+eyk^\mathbf{F}= 2y\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ \frac{x}{y^2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+e^y\hat{\mathbf{k}} that passes through (1,1,e)(1,1,e).

정답·풀이 보기

장선은 다음을 만족한다.

dx2y=dyx/y2=dzey x,y≠0 일 때\frac{\mathrm{d}x}{2y}=\frac{\mathrm{d}y}{x/y^2}=\frac{\mathrm{d}z}{e^y} \qquad\text{ $x,y\ne 0$ 일 때}

특히

dx2y=y2 dyx  ⟹  x dx=2y3 dy  ⟹  12x2=12y4+C\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}x}{2y}=\frac{y^2\,\mathrm{d}y}{x} \implies x\,\mathrm{d}x=2y^3\,\mathrm{d}y \implies \frac{1}{2}x^2=\frac{1}{2}y^4+C \end{aligned}

x=1x=1 일 때 y=1y=1 이므로 C=0C=0 이다. 따라서 x=y2x=y^2 이고

dyx/y2=dzey  ⟹  eydy=dz  ⟹  z=ey+D\frac{\mathrm{d}y}{x/y^2}=\frac{\mathrm{d}z}{e^y} \implies e^ydy=dz \implies z=e^y+D

y=1y=1 일 때 z=ez=e 이므로 D=0D=0 이다. 따라서 장선은 다음과 같다.

x=y2z=eyx=y^2 \qquad z=e^y

원본 교재 풀이(영어)

The field lines obey

dx2y=dyx/y2=dzey if x,y≠0\frac{\mathrm{d}x}{2y}=\frac{\mathrm{d}y}{x/y^2}=\frac{\mathrm{d}z}{e^y} \qquad\text{ if $x,y\ne 0$}

In particular

dx2y=y2 dyx  ⟹  x dx=2y3 dy  ⟹  12x2=12y4+C\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}x}{2y}=\frac{y^2\,\mathrm{d}y}{x} \implies x\,\mathrm{d}x=2y^3\,\mathrm{d}y \implies \frac{1}{2}x^2=\frac{1}{2}y^4+C \end{aligned}

Since y=1y=1 when x=1x=1, C=0C=0. So x=y2x=y^2 and

dyx/y2=dzey  ⟹  eydy=dz  ⟹  z=ey+D\frac{\mathrm{d}y}{x/y^2}=\frac{\mathrm{d}z}{e^y} \implies e^ydy=dz \implies z=e^y+D

Since z=ez=e when y=1y=1, D=0D=0. So the field line is

x=y2z=eyx=y^2 \qquad z=e^y

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 14.2절 · 3번
# 벡터장과 흐름선계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.CLP-4 · 2.2절 · 5번대학 수준우리말 번역

벡터장 F=x ı^+3y ȷ^\mathbf{F}= x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ 3y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 의 역선을 구하고 그래프를 그리세요.

영어 원문 보기

Find and sketch the field lines of the vector field F=x ı^+3y ȷ^\mathbf{F}= x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ 3y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}.

정답·풀이 보기

역선은 다음을 만족한다.

dxx=dy3y x,y≠0 일 때  ⟹  3ln⁡∣x∣=ln⁡∣y∣+C  ⟹  ∣x∣3=eC∣y∣  ⟹  y=±e−Cx3  ⟹  y=C′x3\begin{aligned} &\frac{\mathrm{d}x}{x}=\frac{\mathrm{d}y}{3y}\qquad\text{ $x,y\ne 0$ 일 때}\\ &\implies 3\ln |x|=\ln |y|+C\\ &\implies |x|^3=e^C|y| \\ &\implies y=\pm e^{-C}x^3 \\ &\implies y=C'x^3 \end{aligned}

여기서 C′C' 은 0이 아닌 상수이다. yy축 위에서는 F∥ȷ^\mathbf{F}\parallel\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고 xx축 위에서는 F∥ı^\mathbf{F}\parallel\hat{\boldsymbol{\imath}} 이므로 x=0x=0 과 y=0y=0 도 역선이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

The field lines obey

dxx=dy3y if x,y≠0  ⟹  3ln⁡∣x∣=ln⁡∣y∣+C  ⟹  ∣x∣3=eC∣y∣  ⟹  y=±e−Cx3  ⟹  y=C′x3\begin{aligned} &\frac{\mathrm{d}x}{x}=\frac{\mathrm{d}y}{3y}\qquad\text{ if $x,y\ne 0$}\\ &\implies 3\ln |x|=\ln |y|+C\\ &\implies |x|^3=e^C|y| \\ &\implies y=\pm e^{-C}x^3 \\ &\implies y=C'x^3 \end{aligned}

with C′C' a nonzero constant. x=0x=0 and y=0y=0 are also field lines, since on the yy-axis F∥ȷ^\mathbf{F}\parallel\hat{\boldsymbol{\jmath}} and on the xx-axis F∥ı^\mathbf{F}\parallel\hat{\boldsymbol{\imath}}.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.2절 · 4번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
11.CLP-4 · 2.3절 · 6번대학 수준우리말 번역

F(x,y)=(x+y)ı^+(x−y)ȷ^\mathbf{F}(x,y)=(x+y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x-y)\hat{\boldsymbol{\jmath}} 의 퍼텐셜 φ\varphi 를 구하거나, 퍼텐셜이 존재하지 않음을 증명하세요.

영어 원문 보기

Find a potential φ\varphi for F(x,y)=(x+y)ı^+(x−y)ȷ^\mathbf{F}(x,y)=(x+y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x-y)\hat{\boldsymbol{\jmath}}, or prove none exists.

정답·풀이 보기

φ\varphi 가 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이면 다음이 성립한다.

  • ∂φ∂x=x+y\frac{\partial \varphi}{\partial x}=x+y 이므로 φ=12x2+xy+ψ1(y)\varphi = \frac{1}{2}x^2+xy+\psi_1(y)
  • ∂φ∂y=x−y\frac{\partial \varphi}{\partial y}=x-y 이므로 φ=xy−12y2+ψ2(x)\varphi = xy-\frac{1}{2}y^2+\psi_2(x)

따라서 예를 들어 φ=12x2+xy−12y2\varphi = \frac{1}{2}x^2+xy-\frac{1}{2}y^2 은 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이다.

원본 교재 풀이(영어)

If φ\varphi is a potential for F\mathbf{F}, then:

  • ∂φ∂x=x+y\frac{\partial \varphi}{\partial x}=x+y, so φ=12x2+xy+ψ1(y)\varphi = \frac{1}{2}x^2+xy+\psi_1(y)
  • ∂φ∂y=x−y\frac{\partial \varphi}{\partial y}=x-y, so φ=xy−12y2+ψ2(x)\varphi = xy-\frac{1}{2}y^2+\psi_2(x)

So, for instance, φ=12x2+xy−12y2\varphi = \frac{1}{2}x^2+xy-\frac{1}{2}y^2 is a potential for F\mathbf{F}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 5번
# 보존 벡터장증명·논술보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
12.CLP-4 · 2.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

F(x,y)=(1x−1y)ı^+(xy2)ȷ^\mathbf{F}(x,y)=\left( \frac{1}{x}-\frac{1}{y}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left(\frac{x}{y^2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}} 의 퍼텐셜 φ\varphi 를 구하거나, 존재하지 않음을 증명하세요.

영어 원문 보기

Find a potential φ\varphi for F(x,y)=(1x−1y)ı^+(xy2)ȷ^\mathbf{F}(x,y)=\left( \frac{1}{x}-\frac{1}{y}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left(\frac{x}{y^2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}}, or prove none exists.

정답·풀이 보기

φ\varphi 가 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이면 다음이 성립한다.

  • ∂φ∂x=1x−1y\frac{\partial \varphi}{\partial x}=\frac1x-\frac1y 이므로 φ=ln⁡∣x∣−xy+ψ1(y)\varphi = \ln|x|-\frac{x}{y}+\psi_1(y)
  • ∂φ∂y=xy2\frac{\partial \varphi}{\partial y}=\frac{x}{y^2} 이므로 φ=−xy+ψ2(x)\varphi = -\frac{x}{y}+\psi_2(x)

따라서 예를 들어 φ=ln⁡∣x∣−xy\varphi=\ln |x| - \frac{x}{y} 는 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이다.

원본 교재 풀이(영어)

If φ\varphi is a potential for F\mathbf{F}, then:

  • ∂φ∂x=1x−1y\frac{\partial \varphi}{\partial x}=\frac1x-\frac1y, so φ=ln⁡∣x∣−xy+ψ1(y)\varphi = \ln|x|-\frac{x}{y}+\psi_1(y)
  • ∂φ∂y=xy2\frac{\partial \varphi}{\partial y}=\frac{x}{y^2}, so φ=−xy+ψ2(x)\varphi = -\frac{x}{y}+\psi_2(x)

So, for instance, φ=ln⁡∣x∣−xy\varphi=\ln |x| - \frac{x}{y} is a potential for F\mathbf{F}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 9번
# 보존 벡터장증명·논술보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
13.CLP-4 · 2.3절 · 9번대학 수준우리말 번역

F(x,y,z)=(xx2+y2+z2)ı^+(yx2+y2+z2)ȷ^+(zx2+y2+z2)k^\mathbf{F}(x,y,z)=\left( \frac{x}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left( \frac{y}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\left( \frac{z}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\mathbf{k}} 의 퍼텐셜 φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) 를 구하거나, 존재하지 않음을 증명하세요.

영어 원문 보기

Find a potential φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) for F(x,y,z)=(xx2+y2+z2)ı^+(yx2+y2+z2)ȷ^+(zx2+y2+z2)k^,\mathbf{F}(x,y,z)=\left( \frac{x}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left( \frac{y}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\left( \frac{z}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\mathbf{k}}, or prove none exists.

정답·풀이 보기

φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) 가 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 의 퍼텐셜이면 다음이 성립한다.

  • ∂φ∂x(x,y,z)=xx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z)=\frac{x}{x^2+y^2+z^2} 이므로 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ1(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_1(y,z)
  • ∂φ∂y(x,y,z)=yx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z)=\frac{y}{x^2+y^2+z^2} 이므로 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ2(x,z)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_2(x,z)
  • ∂φ∂z(x,y,z)=zx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z)=\frac{z}{x^2+y^2+z^2} 이므로 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ2(x,y)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_2(x,y)

따라서 예를 들어 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)\varphi(x,y,z)= \frac{1}{2}\ln(x^2+y^2+z^2) 는 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 의 퍼텐셜이다.

원본 교재 풀이(영어)

If φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) is a potential for F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z), then:

  • ∂φ∂x(x,y,z)=xx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z)=\frac{x}{x^2+y^2+z^2}, so φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ1(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_1(y,z)
  • ∂φ∂y(x,y,z)=yx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z)=\frac{y}{x^2+y^2+z^2}, so φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ2(x,z)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_2(x,z)
  • ∂φ∂z(x,y,z)=zx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z)=\frac{z}{x^2+y^2+z^2}, so φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ2(x,y)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_2(x,y)

So, for instance, φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)\varphi(x,y,z)= \frac{1}{2}\ln(x^2+y^2+z^2) is a potential for F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 43번
# 보존 벡터장증명·논술보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
14.CLP-4 · 2.3절 · 10번대학 수준우리말 번역

다음 각 벡터장이 보존적인지 아닌지 판단하세요. 보존적이면 퍼텐셜을 구하세요.

(a) F(x,y,z)=xı^−2yȷ^+3zk^\mathbf{F}(x,y,z)=x\hat{\boldsymbol{\imath}}-2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3z\hat{\mathbf{k}} (b) F(x,y)=xı^−yȷ^x2+y2\mathbf{F}(x,y)=\frac{x\hat{\boldsymbol{\imath}}-y\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{x^2+y^2}

영어 원문 보기

Determine whether or not each of the following vector fields are conservative. Find the potential if it is.

(a) F(x,y,z)=xı^−2yȷ^+3zk^\mathbf{F}(x,y,z)=x\hat{\boldsymbol{\imath}}-2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3z\hat{\mathbf{k}} (b) F(x,y)=xı^−yȷ^x2+y2\mathbf{F}(x,y)=\frac{x\hat{\boldsymbol{\imath}}-y\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{x^2+y^2}

정답·풀이 보기

(a) F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 의 퍼텐셜을 구하여 이 벡터장이 보존적임을 보이겠다. φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) 가 이 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이 되기 위한 필요충분조건은

∂φ∂x(x,y,z)=x∂φ∂y(x,y,z)=−2y∂φ∂z(x,y,z)=3z\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z) &= x \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z) &= -2y \\ \frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z) &= 3z \end{aligned}

이다.

이 중 첫 번째 식을 적분하면

φ(x,y,z)=x22+f(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} + f(y,z)

이다. 이를 두 번째 식에 대입하면

∂f∂y(y,z)=−2y\frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = -2y

이고, 이를 적분하면

f(y,z)=−y2+g(z)f(y,z) = -y^2+ g(z)

이다. 마지막으로 φ(x,y,z)=x22−y2+g(z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} -y^2 + g(z) 를 마지막 식에 대입하면

g′(z)=3zg'(z) = 3z

이고, 이를 적분하면

g(z)=32z2+Cg(z) = \frac{3}{2} z^2 +C

이다. 여기서 CC 는 임의의 상수이다. 따라서 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 는 보존적이며, φ(x,y,z)=12x2−y2+32z2\varphi(x,y,z)=\tfrac{1}{2} x^2-y^2+\frac{3}{2}z^2 은 가능한 퍼텐셜 중 하나이다.

(b) 벡터장 F=F1 ı^+F2 ȷ^\mathbf{F}= F_1\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + F_2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 는 다음 검사를 통과해야만 보존적일 수 있다.

∂F1∂y=∂F2∂x\frac{\partial F_1}{\partial y}=\frac{\partial F_2}{\partial x}

이 경우

∂F1∂y=∂∂y(xx2+y2)=−2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_1}{\partial y} =\frac{\partial}{\partial y}\Big(\frac{x}{x^2+y^2}\Big) =-\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

는

∂F2∂x=∂∂x(−yx2+y2)=2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_2}{\partial x} =\frac{\partial}{\partial x}\Big(\frac{-y}{x^2+y^2}\Big) =\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

와 다르다. 이는 xx 와 yy 가 모두 0 이 아닌 모든 (x,y)(x,y) 에 대해 성립한다. 따라서 F\mathbf{F} 는 보존적이 아니다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We shall show that F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) is conservative by finding a potential for it. φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) is a potential for this F\mathbf{F} if and only if

∂φ∂x(x,y,z)=x∂φ∂y(x,y,z)=−2y∂φ∂z(x,y,z)=3z\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z) &= x \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z) &= -2y \\ \frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z) &= 3z \end{aligned}

Integrating the first of these equations gives

φ(x,y,z)=x22+f(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} + f(y,z)

Substituting this into the second equation gives

∂f∂y(y,z)=−2y\frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = -2y

which integrates to

f(y,z)=−y2+g(z)f(y,z) = -y^2+ g(z)

Finally, substituting φ(x,y,z)=x22−y2+g(z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} -y^2 + g(z) into the last equation gives

g′(z)=3zg'(z) = 3z

which integrates to

g(z)=32z2+Cg(z) = \frac{3}{2} z^2 +C

with CC being an arbitrary constant. So, F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) is conservative and φ(x,y,z)=12x2−y2+32z2\varphi(x,y,z)=\tfrac{1}{2} x^2-y^2+\frac{3}{2}z^2 is one allowed potential.

(b) The field F=F1 ı^+F2 ȷ^\mathbf{F}= F_1\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + F_2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} can be conservative only if it passes the screening test

∂F1∂y=∂F2∂x\frac{\partial F_1}{\partial y}=\frac{\partial F_2}{\partial x}

In this case

∂F1∂y=∂∂y(xx2+y2)=−2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_1}{\partial y} =\frac{\partial}{\partial y}\Big(\frac{x}{x^2+y^2}\Big) =-\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

is different from

∂F2∂x=∂∂x(−yx2+y2)=2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_2}{\partial x} =\frac{\partial}{\partial x}\Big(\frac{-y}{x^2+y^2}\Big) =\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

for all (x,y)(x,y) with xx and yy both nonzero. So F\mathbf{F} is not conservative.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.3절 · 9번
# 보존 벡터장계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
15.CLP-4 · 2.4절 · 9번대학 수준우리말 번역

벡터장

V(x,y)=(excos⁡y+x2,x2y+3)\mathbf{V}(x, y) = (e^x \cos y + x^2, x^2y + 3)

을 생각하세요. (0,0)(0, 0) 에서 (1,0)(1,0) 을 거쳐 (1,π)(1, \pi) 로, 마지막으로 (0,π)(0, \pi) 로 직선 선분을 따라 움직여 얻은 방향이 있는 곡선 CC 를 따라 선적분 ∫CV⋅dr\int_C\mathbf{V}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the vector field

V(x,y)=(excos⁡y+x2,x2y+3)\mathbf{V}(x, y) = (e^x \cos y + x^2, x^2y + 3)

Evaluate the line integral ∫CV⋅dr\int_C\mathbf{V}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} along the oriented curve CC obtained by moving from (0,0)(0, 0) to (1,0)(1,0) to (1,π)(1, \pi) and finally to (0,π)(0, \pi) along straight line segments.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

다음에 주목한다.

  • (0,0)(0, 0) 에서 (1,0)(1,0) 까지의 선분을 따라 xx 는 00 에서 11 까지 증가하고, yy 는 y=0y=0 으로 고정된다. 따라서 이 선분을 r(x)=x ı^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}, 0≤x≤10\le x\le 1 로 매개화할 수 있다.
  • (1,0)(1, 0) 에서 (1,π)(1,\pi) 까지의 선분을 따라 yy 는 00 에서 π\pi 까지 증가하고, xx 는 x=1x=1 로 고정된다. 따라서 이 선분을 r(x)=ı^+y ȷ^\mathbf{r}(x) = \hat{\boldsymbol{\imath}} + y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤y≤π0\le y\le\pi 로 매개화할 수 있다.
  • (1,π)(1, \pi) 에서 (0,π)(0,\pi) 까지의 선분을 따라 xx 는 11 에서 00 까지 감소하고, yy 는 y=πy=\pi 로 고정된다. 따라서 이 선분을 xx 가 11 에서 00 까지 변하는 r(x)=x ı^+π ȷ^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\pi\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 로 매개화할 수 있다.

그러므로

∫CV⋅dr=∫01V(x,0)⋅ı^ dx+∫0πV(1,y)⋅ȷ^ dy+∫10V(x,π)⋅ı^ dx=∫01(ex+x2) dx+∫0π(y+3) dy+∫10(−ex+x2) dx=2∫01ex dx+∫0π(y+3) dy=2(e−1)+π22+3π\begin{aligned} \int_C \mathbf{V}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{V}(x,0)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x+\int_0^\pi \mathbf{V}(1,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}\ \mathrm{d}y +\int_1^0 \mathbf{V}(x,\pi)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x\\ &=\int_0^1 (e^x+x^2)\ \mathrm{d}x +\int_0^\pi (y+3)\ \mathrm{d}y+\int_1^0 (-e^x+x^2)\ \mathrm{d}x\\ &=2\int_0^1 e^x\ \mathrm{d}x+\int_0^\pi (y+3)\ \mathrm{d}y\\ &=2(e-1)+\frac{\pi^2}{2}+3\pi \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Note that:

  • Along the line segment from (0,0)(0, 0) to (1,0)(1,0), xx increases from 00 to 11, while yy is held fixed at y=0y=0. So we may parametrize this segment by r(x)=x ı^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}, 0≤x≤10\le x\le 1.
  • Along the line segment from (1,0)(1, 0) to (1,π)(1,\pi), yy increases from 00 to π\pi, while xx is held fixed at x=1x=1. So we may parametrize this segment by r(x)=ı^+y ȷ^\mathbf{r}(x) = \hat{\boldsymbol{\imath}} + y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤y≤π0\le y\le\pi.
  • Along the line segment from (1,π)(1, \pi) to (0,π)(0,\pi), xx decreases from 11 to 00, while yy is held fixed at y=πy=\pi. So we may parametrize this segment by r(x)=x ı^+π ȷ^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\pi\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} with xx running from 11 to 00.

Hence

∫CV⋅dr=∫01V(x,0)⋅ı^ dx+∫0πV(1,y)⋅ȷ^ dy+∫10V(x,π)⋅ı^ dx=∫01(ex+x2) dx+∫0π(y+3) dy+∫10(−ex+x2) dx=2∫01ex dx+∫0π(y+3) dy=2(e−1)+π22+3π\begin{aligned} \int_C \mathbf{V}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{V}(x,0)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x+\int_0^\pi \mathbf{V}(1,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}\ \mathrm{d}y +\int_1^0 \mathbf{V}(x,\pi)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x\\ &=\int_0^1 (e^x+x^2)\ \mathrm{d}x +\int_0^\pi (y+3)\ \mathrm{d}y+\int_1^0 (-e^x+x^2)\ \mathrm{d}x\\ &=2\int_0^1 e^x\ \mathrm{d}x+\int_0^\pi (y+3)\ \mathrm{d}y\\ &=2(e-1)+\frac{\pi^2}{2}+3\pi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 8번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
16.CLP-4 · 2.4절 · 10번대학 수준우리말 번역

다음 각 경우에 대해 ∫CF⋅dr\int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

(a) F(x,y)=xy ı^−x2 ȷ^\mathbf{F}(x,y)=xy\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고, y=x2y=x^2 을 따라 (0,0)(0,0) 에서 (1,1)(1,1) 까지. (b) F(x,y,z)=(x−z) ı^+(y−z) ȷ^−(x+y) k^\mathbf{F}(x,y,z)=(x-z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(y-z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-(x+y)\,\hat{\mathbf{k}} 이고, (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,0,0)(1,0,0) 을 거쳐 (1,1,0)(1,1,0) 을 지나 (1,1,1)(1,1,1) 까지 가는 꺾은선 경로를 따라.

영어 원문 보기

Evaluate ∫CF⋅dr\int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} for

(a) F(x,y)=xy ı^−x2 ȷ^\mathbf{F}(x,y)=xy\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} along y=x2y=x^2 from (0,0)(0,0) to (1,1)(1,1). (b) F(x,y,z)=(x−z) ı^+(y−z) ȷ^−(x+y) k^\mathbf{F}(x,y,z)=(x-z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(y-z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-(x+y)\,\hat{\mathbf{k}} along the polygonal path from (0,0,0)(0,0,0) to (1,0,0)(1,0,0) to (1,1,0)(1,1,0) to (1,1,1)(1,1,1).

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 곡선을 r(t)=t ı^+t2 ȷ^\mathbf{r}(t)=t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤t≤10\le t\le 1 로 매개화할 수 있다. 그러면 v(t)=drdt(t)=ı^+2t ȷ^\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고 F(x(t),y(t))=t3 ı^−t2 ȷ^\mathbf{F}\big(x(t),y(t)\big)=t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이므로

∫CF⋅dr=∫01F(x(t),y(t))⋅drdt(t) dt=∫01[t3 ı^−t2 ȷ^]⋅[ı^+2t ȷ^] dt=∫01[−t3] dt=−14\begin{aligned} \int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{F}\big(x(t),y(t)\big)\cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)\ \mathrm{d}t =\int_0^1\big[t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big] \cdot\big[\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big]\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big[-t^3\big]\,\mathrm{d}t \\ &=-\frac{1}{4} \end{aligned}

(b) 경로는 세 선분의 합이다.

  • 경로의 첫 번째 선분에서는 y=z=0y=z=0 이므로 F\mathbf{F} 는 x ı^−x k^x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x\,\hat{\mathbf{k}} 로 간단해지고 dr=ı^ dx\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x 이다 (즉, 경로의 첫 번째 선분을 r(x)=x ı^\mathbf{r}(x)=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}, 0≤x≤10\le x\le 1 로 매개화할 수 있다). 따라서 F⋅dr=x dx\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=x\,\mathrm{d}x 이다.
  • 경로의 두 번째 선분에서는 x=1x=1, z=0z=0 이므로 F\mathbf{F} 는 ı^+yȷ^−(1+y)k^\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\hat{\boldsymbol{\jmath}}-(1+y)\hat{\mathbf{k}} 로 간단해지고 dr=ȷ^ dy\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\boldsymbol{\jmath}}\, \mathrm{d}y 이다 (경로의 두 번째 선분을 r(y)=ı^+y ȷ^ \mathbf{r}(y)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤y≤10\le y\le 1 로 매개화한다). 따라서 F⋅dr=y dy\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=y\,\mathrm{d}y 이다.
  • 경로의 마지막 선분에서는 x=y=1x=y=1 이므로 F\mathbf{F} 는 (1−z)ı^+(1−z)ȷ^−2k^(1-z)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(1-z)\hat{\boldsymbol{\jmath}}-2\hat{\mathbf{k}} 로 간단해지고 dr=k^ dz\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\mathbf{k}}\, \mathrm{d}z 이다 (경로의 세 번째 선분을 r(z)=ı^+ȷ^+z k^ \mathbf{r}(z)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}}, 0≤z≤10\le z\le 1 로 매개화한다). 따라서 F⋅dr=−2 dz\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=-2\,\mathrm{d}z 이다.

그러므로

∫CF⋅dr=∫01x dx+∫01y dy+∫01(−2) dz=12+12−2=−1\int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=\int_0^1 x\,\mathrm{d}x +\int_0^1 y\,\mathrm{d}y+\int_0^1(-2)\,\mathrm{d}z =\frac{1}{2}+\frac{1}{2}-2 =-1

원본 교재 풀이(영어)

(a) We may parametrize the curve by r(t)=t ı^+t2 ȷ^\mathbf{r}(t)=t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} with 0≤t≤10\le t\le 1. Then v(t)=drdt(t)=ı^+2t ȷ^\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} and F(x(t),y(t))=t3 ı^−t2 ȷ^\mathbf{F}\big(x(t),y(t)\big)=t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} so

∫CF⋅dr=∫01F(x(t),y(t))⋅drdt(t) dt=∫01[t3 ı^−t2 ȷ^]⋅[ı^+2t ȷ^] dt=∫01[−t3] dt=−14\begin{aligned} \int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{F}\big(x(t),y(t)\big)\cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)\ \mathrm{d}t =\int_0^1\big[t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big] \cdot\big[\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big]\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big[-t^3\big]\,\mathrm{d}t \\ &=-\frac{1}{4} \end{aligned}

(b) The path is the union of three line segments.

  • On the first segment of the path y=z=0y=z=0 so F\mathbf{F} simplifies to x ı^−x k^x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x\,\hat{\mathbf{k}} and dr=ı^ dx\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x (i.e. we can parametrize the first segment of the path by r(x)=x ı^\mathbf{r}(x)=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} with 0≤x≤10\le x\le 1), so F⋅dr=x dx\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=x\,\mathrm{d}x.
  • On the second segment of the path x=1x=1, z=0z=0 so F\mathbf{F} simplifies to ı^+yȷ^−(1+y)k^\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\hat{\boldsymbol{\jmath}}-(1+y)\hat{\mathbf{k}} and dr=ȷ^ dy\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\boldsymbol{\jmath}}\, \mathrm{d}y (parametrize the second segment of the path by r(y)=ı^+y ȷ^ \mathbf{r}(y)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} with 0≤y≤10\le y\le 1), so F⋅dr=y dy\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=y\,\mathrm{d}y.
  • On the final segment of the path x=y=1x=y=1 so F\mathbf{F} simplifies to (1−z)ı^+(1−z)ȷ^−2k^(1-z)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(1-z)\hat{\boldsymbol{\jmath}}-2\hat{\mathbf{k}} and dr=k^ dz\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\mathbf{k}}\, \mathrm{d}z (parametrize the third segment of the path by r(z)=ı^+ȷ^+z k^ \mathbf{r}(z)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}} with 0≤z≤10\le z\le 1), so F⋅dr=−2 dz\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=-2\,\mathrm{d}z.

So

∫CF⋅dr=∫01x dx+∫01y dy+∫01(−2) dz=12+12−2=−1\int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=\int_0^1 x\,\mathrm{d}x +\int_0^1 y\,\mathrm{d}y+\int_0^1(-2)\,\mathrm{d}z =\frac{1}{2}+\frac{1}{2}-2 =-1

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 11번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
17.CLP-4 · 2.4절 · 11번대학 수준우리말 번역

C\mathcal{C} 를 xyz=8xyz=8 과 x=2yx=2y 의 교선 중에서 두 점 (2,1,4)(2,1,4) 와 (4,2,1)(4,2,1) 사이에 놓인 부분이라고 하자. 다음을 계산하세요. ∫CF⋅dr\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 여기서 F=x2 ı^+(x−2y) ȷ^+x2y k^\mathbf{F} = x^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x-2y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+x^2 y\,\hat{\mathbf{k}}

영어 원문 보기

Let C\mathcal{C} be the part of the curve of intersection of xyz=8xyz=8 and x=2yx=2y which lies between the points (2,1,4)(2,1,4) and (4,2,1)(4,2,1). Calculate ∫CF⋅dr\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} where F=x2 ı^+(x−2y) ȷ^+x2y k^\mathbf{F} = x^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x-2y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+x^2 y\,\hat{\mathbf{k}}

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

yy 를 매개변수로 하여 곡선을 매개변수로 나타낸다. 그러면 y=ty=t, x=2y=2tx=2y=2t, z=8xy=82t2z=\frac{8}{xy}=\frac{8}{2t^2} 이므로:

r(t)=2t ı^+t ȷ^+4t2 k^,1≤t≤2r′(t)=2 ı^+ȷ^−8t3 k^F(r(t))=4t2 ı^+4t3 k^F(r(t))⋅r′(t)=8t2−32\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{4}{t^2}\,\hat{\mathbf{k}},\qquad 1\le t\le 2\\ \mathbf{r}'(t)&=2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\frac{8}{t^3}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}(\mathbf{r}(t))&= 4t^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+4t^3\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}(\mathbf{r}(t))\cdot \mathbf{r}'(t)&=8t^2-32 \end{aligned}

따라서 ∫CF⋅dr=∫12F(r(t))⋅r′(t) dt=∫12(8t2−32) dt=[83t3−32t]12=−403\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\int_1^2 \mathbf{F}(\mathbf{r}(t))\cdot \mathbf{r}'(t)\ \mathrm{d}t =\int_1^2 \big(8t^2-32\big)\ \mathrm{d}t = \left[\frac{8}{3}t^3-32t\right]_1^2 =-\frac{40}{3}

원본 교재 풀이(영어)

Parametrize the curve using yy as a parameter. Then y=ty=t, x=2y=2tx=2y=2t and z=8xy=82t2z=\frac{8}{xy}=\frac{8}{2t^2} so that:

r(t)=2t ı^+t ȷ^+4t2 k^,1≤t≤2r′(t)=2 ı^+ȷ^−8t3 k^F(r(t))=4t2 ı^+4t3 k^F(r(t))⋅r′(t)=8t2−32\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{4}{t^2}\,\hat{\mathbf{k}},\qquad 1\le t\le 2\\ \mathbf{r}'(t)&=2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\frac{8}{t^3}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}(\mathbf{r}(t))&= 4t^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+4t^3\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}(\mathbf{r}(t))\cdot \mathbf{r}'(t)&=8t^2-32 \end{aligned}

Then ∫CF⋅dr=∫12F(r(t))⋅r′(t) dt=∫12(8t2−32) dt=[83t3−32t]12=−403\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\int_1^2 \mathbf{F}(\mathbf{r}(t))\cdot \mathbf{r}'(t)\ \mathrm{d}t =\int_1^2 \big(8t^2-32\big)\ \mathrm{d}t = \left[\frac{8}{3}t^3-32t\right]_1^2 =-\frac{40}{3}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 13번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
18.CLP-4 · 2.4절 · 13번대학 수준우리말 번역

힘의 장 F(x,y,z)=(x−y2 , y−z2 , z−x2)\mathbf{F}(x,y,z) = (x - y^2\,,\, y - z^2\,,\, z - x^2) 이 점 (0,0,1)(0, 0, 1) 에서 (2,1,0)(2, 1, 0) 까지의 선분을 따라 움직이는 입자에 한 일을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the work done by the force field F(x,y,z)=(x−y2 , y−z2 , z−x2)\mathbf{F}(x,y,z) = (x - y^2\,,\, y - z^2\,,\, z - x^2) on a particle that moves along the line segment from (0,0,1)(0, 0, 1) to (2,1,0)(2, 1, 0).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

선분을 다음과 같이 매개변수로 나타낸다.

r(t)=(0,0,1)+t{(2,1,0)−(0,0,1)}=(2t,t,1−t)0≤t≤1\mathbf{r}(t) = (0,0,1) + t\big\{(2,1,0)-(0,0,1)\big\} = \big(2t,t,1-t\big)\qquad 0\le t\le 1

그러면 r(0)=(0,0,1)\mathbf{r}(0) = (0,0,1) 은 선분의 시작점이고 r(1)=(2,1,0)\mathbf{r}(1) = (2,1,0) 은 선분의 끝점이다. 이때

r′(t)=(2,1,−1)\mathbf{r}'(t) = (2,1,-1)\qquad

이고, 일은

∫F⋅dr=∫01F(r(t))⋅r′(t) dt=∫01(2t−t2 , t−(1−t)2 , (1−t)−4t2)⋅(2,1,−1) dt=∫01(4t−2t2 + t−1+2t−t2 − 1+t+4t2) dt=∫01(t2+8t−2) dt=13+4−2=73\begin{aligned} \int\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\cdot \mathbf{r}'(t)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big(2t-t^2\,,\, t-(1-t)^2 \,,\,(1-t)-4t^2\big)\cdot(2,1,-1)\,\mathrm{d}t \\ &=\int_0^1\big(4t-2t^2 \ +\ t-1+2t-t^2 \ -\ 1+t+4t^2\big)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big(t^2+8t-2\big)\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{3}+4-2 =\frac{7}{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Parametrize the line segment by

r(t)=(0,0,1)+t{(2,1,0)−(0,0,1)}=(2t,t,1−t)0≤t≤1\mathbf{r}(t) = (0,0,1) + t\big\{(2,1,0)-(0,0,1)\big\} = \big(2t,t,1-t\big)\qquad 0\le t\le 1

so that r(0)=(0,0,1)\mathbf{r}(0) = (0,0,1) is the initial point of the line segment and r(1)=(2,1,0)\mathbf{r}(1) = (2,1,0) is the final point of the segment. Then

r′(t)=(2,1,−1)\mathbf{r}'(t) = (2,1,-1)\qquad

and the work is

∫F⋅dr=∫01F(r(t))⋅r′(t) dt=∫01(2t−t2 , t−(1−t)2 , (1−t)−4t2)⋅(2,1,−1) dt=∫01(4t−2t2 + t−1+2t−t2 − 1+t+4t2) dt=∫01(t2+8t−2) dt=13+4−2=73\begin{aligned} \int\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\cdot \mathbf{r}'(t)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big(2t-t^2\,,\, t-(1-t)^2 \,,\,(1-t)-4t^2\big)\cdot(2,1,-1)\,\mathrm{d}t \\ &=\int_0^1\big(4t-2t^2 \ +\ t-1+2t-t^2 \ -\ 1+t+4t^2\big)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big(t^2+8t-2\big)\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{3}+4-2 =\frac{7}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 14번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
19.CLP-4 · 2.4절 · 14번대학 수준우리말 번역

 F=xx2+y2 ı^+yx2+y2 ȷ^+x3 k^\ \mathbf{F}= \frac{x}{x^2+y^2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{y}{x^2+y^2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+x^3\,\hat{\mathbf{k}} 라 하자. PP 는 (1,0,0)(1,0,0) 에서 출발하여 (12,12,12ln⁡2)\big(\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{2}\ln 2\big) 에서 끝나고 다음 곡선을 따르는 경로라 하자.

x2+y2=1xez=1x^2+y^2=1\qquad xe^z=1

장 F\mathbf{F} 안에서 입자를 PP 를 따라 움직일 때 한 일을 구하세요.

영어 원문 보기

Let  F=xx2+y2 ı^+yx2+y2 ȷ^+x3 k^\ \mathbf{F}= \frac{x}{x^2+y^2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{y}{x^2+y^2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+x^3\,\hat{\mathbf{k}}. Let PP be the path which starts at (1,0,0)(1,0,0), ends at (12,12,12ln⁡2)\big(\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{2}\ln 2\big) and follows

x2+y2=1xez=1x^2+y^2=1\qquad xe^z=1

Find the work done in moving a particle along PP in the field F\mathbf{F}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

PP 위에서 z=ln⁡1x=−ln⁡(x)z=\ln\frac{1}{x}=-\ln(x) 이다. 따라서 곡선 PP 를 다음과 같이 매개변수로 나타낸다.

r(θ)=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^−ln⁡(cos⁡θ) k^0≤θ≤π4\mathbf{r}(\theta)=\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\ln(\cos\theta)\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le\theta\le\frac{\pi}{4}

그러면

r ′(θ)=−sin⁡θ ı^+cos⁡θ ȷ^+tan⁡θ k^F(r(θ))=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^+cos⁡3θ k^F(r(θ))⋅r ′(θ)=sin⁡θcos⁡2θ\begin{aligned} \mathbf{r}\,'(\theta)&=-\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\tan\theta\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)&=\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\cos^3\theta\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)\cdot\mathbf{r}\,'(\theta)&=\sin\theta\cos^2\theta\\ \end{aligned}

이므로

일=∫PF⋅dr=∫0π/4F(r(θ))⋅r ′(θ) dθ=∫0π/4sin⁡θcos⁡2θ dθ=−13cos⁡3θ∣0π/4=13[1−123/2]≈0.2155\begin{aligned} \text{일} &=\int_P\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\int_0^{\pi/4}\mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)\cdot\mathbf{r}\,'(\theta)\ \mathrm{d}\theta =\int_0^{\pi/4}\sin\theta\cos^2\theta\ \mathrm{d}\theta =-\frac{1}{3}\cos^3\theta\Big|_0^{\pi/4} \\ &=\frac{1}{3}\big[1-\frac{1}{2^{3/2}}\big]\approx 0.2155 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

On PP, z=ln⁡1x=−ln⁡(x)z=\ln\frac{1}{x}=-\ln(x). So parametrize the curve PP by

r(θ)=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^−ln⁡(cos⁡θ) k^0≤θ≤π4\mathbf{r}(\theta)=\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\ln(\cos\theta)\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le\theta\le\frac{\pi}{4}

Then

r ′(θ)=−sin⁡θ ı^+cos⁡θ ȷ^+tan⁡θ k^F(r(θ))=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^+cos⁡3θ k^F(r(θ))⋅r ′(θ)=sin⁡θcos⁡2θ\begin{aligned} \mathbf{r}\,'(\theta)&=-\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\tan\theta\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)&=\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\cos^3\theta\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)\cdot\mathbf{r}\,'(\theta)&=\sin\theta\cos^2\theta\\ \end{aligned}

so that

Work=∫PF⋅dr=∫0π/4F(r(θ))⋅r ′(θ) dθ=∫0π/4sin⁡θcos⁡2θ dθ=−13cos⁡3θ∣0π/4=13[1−123/2]≈0.2155\begin{aligned} \text{Work} &=\int_P\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\int_0^{\pi/4}\mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)\cdot\mathbf{r}\,'(\theta)\ \mathrm{d}\theta =\int_0^{\pi/4}\sin\theta\cos^2\theta\ \mathrm{d}\theta =-\frac{1}{3}\cos^3\theta\Big|_0^{\pi/4} \\ &=\frac{1}{3}\big[1-\frac{1}{2^{3/2}}\big]\approx 0.2155 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 15번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
20.CLP-4 · 2.4절 · 15번대학 수준우리말 번역

F=(yzcos⁡x , zsin⁡x+2yz , ysin⁡x+y2−sin⁡z)\mathbf{F} = \big(yz\cos x\,,\,z\sin x+2yz\,,\,y\sin x+y^2-\sin z\big) 라 하고, CC 를 0≤t≤π/20\le t\le\pi/2 에서 선분 r(t)=(t,t,t)\mathbf{r}(t) = (t,t,t) 라 하자. ∫CF⋅dr\displaystyle\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let F=(yzcos⁡x , zsin⁡x+2yz , ysin⁡x+y2−sin⁡z)\mathbf{F} = \big(yz\cos x\,,\,z\sin x+2yz\,,\,y\sin x+y^2-\sin z\big) and let CC be the line segment r(t)=(t,t,t)\mathbf{r}(t) = (t,t,t), for 0≤t≤π/20\le t\le\pi/2. Evaluate ∫CF⋅dr\displaystyle\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

흠. F\mathbf{F} 가 수상할 만큼 복잡해 보인다. F\mathbf{F} 가 보존적이라고 추측하고 그 퍼텐셜 함수를 찾아보자. ϕ(x,y,z)\phi(x,y,z) 가 이 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜 함수일 필요충분조건은 다음과 같다.

∂φ∂x(x,y,z)=yzcos⁡x∂φ∂y(x,y,z)=zsin⁡x+2yz∂φ∂z(x,y,z)=ysin⁡x+y2−sin⁡z\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z) &= yz\cos x \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z) &= z\sin x+2yz \\ \frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z) &= y\sin x+y^2-\sin z \end{aligned}

이 식들 중 첫 번째 식을 적분하면

φ(x,y,z)=yzsin⁡x+f(y,z)\varphi(x,y,z) = yz\sin x + f(y,z)

이다. 이를 두 번째 식에 대입하면

zsin⁡x+∂f∂y(y,z)=zsin⁡x+2yz또는∂f∂y(y,z)=2yzz\sin x + \frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = z\sin x+2yz\qquad\text{또는}\quad \frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = 2yz

이고, 이를 적분하면

f(y,z)=y2z+g(z)f(y,z) = y^2z + g(z)

이다. 마지막으로 φ(x,y,z)=yzsin⁡x+y2z+g(z)\varphi(x,y,z) = yz\sin x+y^2z + g(z) 를 마지막 식에 대입하면

ysin⁡x+y2+g′(z)=ysin⁡x+y2−sin⁡z또는g′(z)=−sin⁡zy\sin x+y^2 + g'(z) = y\sin x+y^2-\sin z\qquad\text{또는}\quad g'(z) = -\sin z

이고, 이를 적분하면

g(z)=cos⁡z+Cg(z) = \cos z + C

이다. 여기서 CC 는 임의의 상수이다. 따라서 ϕ(x,y,z)=yzsin⁡x+y2z+cos⁡z\phi(x,y,z)=yz\sin x+y^2z+\cos z 는 가능한 스칼라 퍼텐셜 중 하나이고, 구하는 적분은

∫CF⋅dr=φ(r)∣r(0)r(π/2)=φ(π/2 , π/2 , π/2)−φ(0,0,0)=π38+π24−1\begin{aligned} \int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = \varphi(\mathbf{r})\Big|_{\mathbf{r}(0)}^{\mathbf{r}(\pi/2)} = \varphi(\pi/2\,,\,\pi/2\,,\,\pi/2) -\varphi (0,0,0) = \frac{\pi^3}{8}+\frac{\pi^2}{4}-1 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Hmmm. F\mathbf{F} looks suspiciously complicated. Let's guess that F\mathbf{F} is conservative and look for a potential for it. ϕ(x,y,z)\phi(x,y,z) is a potential for this F\mathbf{F} if and only if

∂φ∂x(x,y,z)=yzcos⁡x∂φ∂y(x,y,z)=zsin⁡x+2yz∂φ∂z(x,y,z)=ysin⁡x+y2−sin⁡z\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z) &= yz\cos x \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z) &= z\sin x+2yz \\ \frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z) &= y\sin x+y^2-\sin z \end{aligned}

Integrating the first of these equations gives

φ(x,y,z)=yzsin⁡x+f(y,z)\varphi(x,y,z) = yz\sin x + f(y,z)

Substituting this into the second equation gives

zsin⁡x+∂f∂y(y,z)=zsin⁡x+2yzor∂f∂y(y,z)=2yzz\sin x + \frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = z\sin x+2yz\qquad\text{or}\quad \frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = 2yz

which integrates to

f(y,z)=y2z+g(z)f(y,z) = y^2z + g(z)

Finally, substituting φ(x,y,z)=yzsin⁡x+y2z+g(z)\varphi(x,y,z) = yz\sin x+y^2z + g(z) into the last equation gives

ysin⁡x+y2+g′(z)=ysin⁡x+y2−sin⁡zorg′(z)=−sin⁡zy\sin x+y^2 + g'(z) = y\sin x+y^2-\sin z\qquad\text{or}\quad g'(z) = -\sin z

which integrates to

g(z)=cos⁡z+Cg(z) = \cos z + C

with CC being an arbitrary constant. So ϕ(x,y,z)=yzsin⁡x+y2z+cos⁡z\phi(x,y,z)=yz\sin x+y^2z+\cos z is one allowed scalar potential and the specified integral is

∫CF⋅dr=φ(r)∣r(0)r(π/2)=φ(π/2 , π/2 , π/2)−φ(0,0,0)=π38+π24−1\begin{aligned} \int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = \varphi(\mathbf{r})\Big|_{\mathbf{r}(0)}^{\mathbf{r}(\pi/2)} = \varphi(\pi/2\,,\,\pi/2\,,\,\pi/2) -\varphi (0,0,0) = \frac{\pi^3}{8}+\frac{\pi^2}{4}-1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 16번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)