유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
68문제 · 4 / 4쪽
61.CLP-4 · 4.4절 · 9번대학 수준우리말 번역
F=−yez^+x3cosz^+zsin(xy)k^ 라 하고, S 를 xy평면의 정사각형 영역 −1≤x≤1, −1≤y≤1 의 위쪽에 놓인 곡면 z=(1−x2)(1−y2) 의 부분이라 하자. S 를 통과하는 ∇×F 의 위쪽 방향 플럭스를 구하세요.
영어 원문 보기
Let F=−yez^+x3cosz^+zsin(xy)k^, and let
S be the part of the surface z=(1−x2)(1−y2) that lies above the
square −1≤x≤1, −1≤y≤1 in the xy-plane. Find
the flux of ∇×F upward through S.
Note that when x=1 or x=−1 or y=1 or y=−1,
we have z=(1−x2)(1−y2)=0. So the boundary of S, call it C,
is the boundary of the square −1≤x,y≤1, z=0, oriented
counterclockwise. Here is a sketch of C.
Apply Stokes' theorem. Observing that z=0 on C
so that F=−y^+x3^,
(a) R3 에서 벡터장 F(x,y,z)=(z2,x2,y2) 을 생각하세요. 선적분 ∮CF⋅dr 의 값을 구하세요. 여기서
C 는 세 선분으로 이루어진 곡선으로,
L1 은 (2,0,0) 에서 (0,2,0) 까지,
이어서 L2 는 (0,2,0) 에서 (0,0,2) 까지,
마지막으로 L3 은 (0,0,2) 에서 (2,0,0) 까지이다.
(b) 단순닫힌곡선 C 가 평면 x+y+z=2 위에 놓여 있다.
이 곡선 C 가 평면 x+y+z=2 안에서 둘러싸는 곡면의 넓이는 3 이다.
곡선 C 는 양의 x축 쪽에서 볼 때 시계 반대 방향으로 향하도록 정해져 있다.
F 가 (a)와 같을 때, 선적분 ∮CF⋅dr 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
(a) Consider the vector field F(x,y,z)=(z2,x2,y2) in
R3. Compute the line integral ∮CF⋅dr, where
C is the curve consisting of the three line segments,
L1 from (2,0,0) to (0,2,0), then
L2 from (0,2,0) to (0,0,2), and finally
L3 from (0,0,2) to (2,0,0).
(b) A simple closed curve C lies in the plane x+y+z=2.
The surface this curve C surrounds inside the plane x+y+z=2
has area 3. The curve C is oriented in a counterclockwise
direction as observed from the positive x-axis.
Compute the line integral ∮CF⋅dr , where F
is as in (a).
답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기
(a) 세 꼭짓점 (2,0,0), (0,2,0), 0,0,2) 이 모두 평면 x+y+z=2 위에 있다. 따라서 경로 전체도 그 평면 위에 있다.
(b)에서는 직접 계산할 수 없는 선적분을 구해야 하므로 스토크스 정리를 써야 한다. 그러므로 (a)에서도 스토크스 정리를 쓰자. 먼저
(a) Note that all three vertices, (2,0,0), (0,2,0) and 0,0,2), lie in the
plane x+y+z=2. So the entire path lies in that plane too.
In part (b)
we will need to evaluate a line integral that clearly cannot be computed
directly — we will need to use Stokes' theorem. So let's use
Stokes's theorem in part (a) too. First, we find
Let S be the triangular surface that is contained in the plane
x+y+z=2 and is bounded by L1, L2 and L3. Orient S by the normal vector n^=31(^+^+k^). Then,
C 를 방향이 주어진 곡선이라 하자. 이 곡선은 5개의 선분으로 이루어져 있으며, 각각 (0,0,0) 에서 (0,1,1) 로,
(0,1,1) 에서 (0,1,2) 로,
(0,1,2) 에서 (0,2,0) 로,
(0,2,0) 에서 (2,2,0) 로,
(2,2,0) 에서 (0,0,0) 으로 가는 경로이다.
또한
F=(−y+exsinx)^+y4^+ztanzk^
라 하자. 이때 적분 ∫CF⋅dr 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Let C be the oriented curve consisting of the 5 line segments which
form the paths from (0,0,0) to (0,1,1),
from (0,1,1) to (0,1,2),
from (0,1,2) to (0,2,0),
from (0,2,0) to (2,2,0),
and from (2,2,0) to (0,0,0).
Let
F=(−y+exsinx)^+y4^+ztanzk^
Evaluate the integral ∫CF⋅dr.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
복잡한 벡터장을 비교적 복잡한 닫힌곡선을 따라 선적분하는 문제이다.
따라서 적분을 직접 계산하려 해서는 안 됨을 알 수 있다. 스토크스 정리가 유용한지 알아보기 위해
회전을 계산해 보자.
We are to evaluate the line integral of a complicated vector field
around a relatively complicated closed curve.
That certainly suggests that
we should not try to evaluate the integral directly. To see if
Stokes' theorem looks promising, let's compute the curl
의 값을 구하세요. 경로는 점 P0=(0,0,0) 에서 P1=(π/2,0,0) 으로, P2=(π/2,0,1) 으로, P3=(0,0,1) 으로, P4=(0,π/2,1) 으로, P5=(0,π/2,0) 으로, 다시 (0,0,0) 으로 차례로 이어지는 선분들로 이루어져 있다.
영어 원문 보기
Let
F=xsiny^−ysinx^+(x−y)z2k^
Use Stokes' theorem to evaluate
∫CF⋅dr
along the path consisting of the straight line segments successively
joining the points P0=(0,0,0) to P1=(π/2,0,0) to
P2=(π/2,0,1) to P3=(0,0,1) to P4=(0,π/2,1)
to P5=(0,π/2,0), and back to (0,0,0).
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
복잡한 벡터장을 비교적 복잡한 닫힌 곡선을 따라 선적분하는 문제이다. 따라서 적분을 직접 계산하려 하지 않는 것이 좋다. 스토크스 정리를 사용해야 하므로 회전(curl)을 계산하자.
We are to evaluate the line integral of a complicated vector field
around a relatively complicated closed curve. That certainly suggests that
we should not try to evaluate the integral directly. As we are to use
Stokes' theorem, let's compute the curl
C 는 네 선분으로 이루어진 방향이 있는 곡선이라 하세요. 네 선분은 다음과 같습니다.
(0,0,0) 에서 (2,0,0) 까지,
(2,0,0) 에서 (0,0,2) 까지,
(0,0,2) 에서 (0,3,0) 까지,
(0,3,0) 에서 (0,0,0) 까지.
(a) C 의 그림을 그리세요. 각 선분의 방향을 분명하게 나타내세요.
(b) 일 적분 ∫CF⋅dr 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Let
F=(1+y2z+sin(x2),1+x3z+sin(y2),5(x+1)(y+2))
Let C be the oriented curve consisting of four line segments
from (0,0,0) to (2,0,0),
from (2,0,0) to (0,0,2),
from (0,0,2) to (0,3,0), and
from (0,3,0) to (0,0,0).
(a) Draw a picture of C. Clearly indicate the orientation
on each line segment.
(b) Compute the work integral ∫CF⋅dr.
정답·풀이 보기
(a) 그림은 다음과 같다.
(b) 복잡한 벡터장을 비교적 복잡한 닫힌곡선을 따라 선적분하는 문제이다. 따라서 적분을 직접 계산하려 해서는 안 된다는 것을 알 수 있다. 스토크스 정리를 이용해 보자. 먼저 회전(curl)을 계산한다.
(b) We are to evaluate the line integral of a complicated vector field
around a relatively complicated closed curve. That certainly suggests that
we should not try to evaluate the integral directly. Let's try
Stokes' theorem. First, we compute the curl
S 를 아래의 곡면이라 하고, 바깥쪽 법선으로 방향을 정하자.
x2+y2+2(z−1)2=6,z≥0.
(예를 들어, 곡면의 가장 높은 점에서 단위법선벡터는 k^ 이다.)
다음과 같이 정의한다.
G=∇×F,whereF=(xz−y3cosz)^+x3ez^+xyzex2+y2+z2k^.∬SG⋅n^dS 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Let S be the curved surface below, oriented by the outward normal:
x2+y2+2(z−1)2=6,z≥0.
(E.g., at the high point of the surface, the unit normal is k^.)
주어진 곡면은 (x,y,z)=(0,0,1) 을 중심으로 하는 타원면이다.
이 곡면은 평면 z=0 위의 곡선 C 를 덮고 있으며, 이 곡선은 x2+y2=4 로 주어진다.
이는 원점을 중심으로 하고 반지름이 2 인 원이며, z축의 양의 방향에서 볼 때 시계 반대 방향으로 방향이 정해져 있다.
방법 I — 스토크스 정리를 두 번 사용:D 를 평면 위의 원판 x2+y2≤4, z=0 이라 하자.
스토크스 정리를 두 번 사용하면 다음을 얻는다.
∬SG⋅n^dS=∬S∇×F⋅n^dS=∮CF⋅dr=∬D∇×F⋅n^dS=∬DG⋅n^dS
이제 D 위에서 n^=k^ 이고 z=0 이므로, 이 곡면 위에서
그러므로
∬SG⋅n^dS=16∫02π(43+41cos(4θ))dθ=16×43×(2π)=24π
원본 교재 풀이(영어)
The given surface is an ellipsoid centred at (x,y,z)=(0,0,1).
It caps a curve C in the plane z=0, given by x2+y2=4.
This is a circle of radius 2 centred at the origin, oriented
counterclockwise when viewed from the positive z-axis.
Method I — double Stokes':
Let D denote the plane disk x2+y2≤4, z=0.
Using Stokes' theorem twice gives
∬SG⋅n^dS=∬S∇×F⋅n^dS=∮CF⋅dr=∬D∇×F⋅n^dS=∬DG⋅n^dS
Now in D we have n^=k^ and z=0, so on this surface,
S 를 꼭짓점이 (±1,±1,±1) 인 정육면체의 윗면과 네 옆면으로 이루어진, 바깥쪽으로 향하도록 방향이 주어진 곡면이라 하자. F(x,y,z)=(xyz,xy2,x2yz) 일 때, S 를 통과하는 ∇×F 의 선속을 구하세요.
영어 원문 보기
Let S be the oriented surface consisting of the top and
four sides of the cube whose vertices are (±1,±1,±1), oriented
outward. If F(x,y,z)=(xyz,xy2,x2yz), find the flux of
∇×F through S.
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정답·풀이 보기
풀이 1:
S′ 을 정육면체의 아랫면이라 하고, 법선벡터 k^ 로 방향을 정하자. 그러면 ∂S=∂S′ 이므로 스토크스 정리에 의해
Parametrize C3 by x. That is, r(x)=x^+^−k^ with x running
from 1 to −1. (If you're nervous about this, parametrize
by t=−x. That is r(t)=−t^+^−k^, −1≤t≤1.)
Since r′(x)=^, and y=1, z=−1 on C3,
∫C3F⋅dr=∫1−1F(r(x))⋅^dx=∫1−1x(1)(−1)xyzdx=0(since x is odd)
Parametrize C4 by y. That is, r(y)=−^+y^−k^, with
y running from 1 to −1. Since r′(y)=^, and x=−1 on C4,