문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

벡터 미적분 전체 문제

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4문제 · 1 / 1쪽

1.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)
2.CLP-4 · 3.3절 · 10번대학 수준우리말 번역

반구 z=a2−x2−y2z=\sqrt{a^2-x^2-y^2} 중에서 원기둥 (x−a2)2+y2=(a2)2\big(x-\frac{a}{2}\big)^2+y^2=\big(\frac{a}{2}\big)^2 의 내부에 놓인 부분의 겉넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the surface area of that part of the hemisphere z=a2−x2−y2z=\sqrt{a^2-x^2-y^2} which lies within the cylinder (x−a2)2+y2=(a2)2\big(x-\frac{a}{2}\big)^2+y^2=\big(\frac{a}{2}\big)^2.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

반구의 일부분의 겉넓이를 구하려고 한다. 반구 위에서

z=f(x,y)=a2−x2−y2fx(x,y)=−xa2−x2−y2fy(x,y)=−ya2−x2−y2\begin{aligned} z=f(x,y)=\sqrt{a^2-x^2-y^2}\qquad f_x(x,y)=-\frac{x}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}\qquad f_y(x,y)=-\frac{y}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}} \end{aligned}

이므로

dS=1+fx(x,y)2+fy(x,y)2 dx dy=1+x2a2−x2−y2+y2a2−x2−y2 dx dy=a2a2−x2−y2 dx dy\begin{aligned} \mathrm{d}S&=\sqrt{1+f_x(x,y)^2+f_y(x,y)^2}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\sqrt{1+\frac{x^2}{a^2-x^2-y^2}+\frac{y^2}{a^2-x^2-y^2}}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \\ &=\sqrt{\frac{a^2}{a^2-x^2-y^2}}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

이다. 극좌표로 나타내면 dS=aa2−r2 r dr dθ\mathrm{d}S=\frac{a}{\sqrt{a^2-r^2}}\,r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이다. 원기둥 x2−ax+y2=0x^2-ax+y^2=0 의 내부에 있는 반구 부분의 겉넓이를 구하려고 하는데, 이 원기둥의 방정식은 극좌표로 r2−arcos⁡θ=0r^2-ar\cos\theta=0 곧 r=acos⁡θr=a\cos\theta 가 된다. 적분 영역의 위쪽 절반을 아래에 그렸다.

그림

따라서

Surface Area=2∫0π/2dθ∫0acos⁡θdr raa2−r2=2a∫0π/2dθ [−a2−r2 ]0acos⁡θ=2a∫0π/2dθ [a−asin⁡θ]=2a2[θ+cos⁡θ]0π/2=a2[π−2]\begin{aligned} {\rm Surface\ Area} &= 2\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^{a\cos\theta}\mathrm{d}r\ r \frac{a}{\sqrt{a^2-r^2}} = 2a\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \Big[-\sqrt{a^2-r^2}\,\Big]_0^{a\cos\theta} \\ &= 2a\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \big[a-a\sin\theta\big] \\ &= 2a^2\Big[\theta+\cos\theta\Big]_0^{\pi/2} =a^2[\pi-2] \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We are to find the surface area of part of a hemisphere. On the hemisphere

z=f(x,y)=a2−x2−y2fx(x,y)=−xa2−x2−y2fy(x,y)=−ya2−x2−y2\begin{aligned} z=f(x,y)=\sqrt{a^2-x^2-y^2}\qquad f_x(x,y)=-\frac{x}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}\qquad f_y(x,y)=-\frac{y}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}} \end{aligned}

so that

dS=1+fx(x,y)2+fy(x,y)2 dx dy=1+x2a2−x2−y2+y2a2−x2−y2 dx dy=a2a2−x2−y2 dx dy\begin{aligned} \mathrm{d}S&=\sqrt{1+f_x(x,y)^2+f_y(x,y)^2}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\sqrt{1+\frac{x^2}{a^2-x^2-y^2}+\frac{y^2}{a^2-x^2-y^2}}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \\ &=\sqrt{\frac{a^2}{a^2-x^2-y^2}}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

In polar coordinates, this is dS=aa2−r2 r dr dθ\mathrm{d}S=\frac{a}{\sqrt{a^2-r^2}}\,r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta. We are to find the surface area of the part of the hemisphere that is inside the cylinder, x2−ax+y2=0x^2-ax+y^2=0, which in polar coordinates becomes r2−arcos⁡θ=0r^2-ar\cos\theta=0 or r=acos⁡θr=a\cos\theta. The top half of the domain of integration is sketched below.

figure

So the

Surface Area=2∫0π/2dθ∫0acos⁡θdr raa2−r2=2a∫0π/2dθ [−a2−r2 ]0acos⁡θ=2a∫0π/2dθ [a−asin⁡θ]=2a2[θ+cos⁡θ]0π/2=a2[π−2]\begin{aligned} {\rm Surface\ Area} &= 2\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^{a\cos\theta}\mathrm{d}r\ r \frac{a}{\sqrt{a^2-r^2}} = 2a\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \Big[-\sqrt{a^2-r^2}\,\Big]_0^{a\cos\theta} \\ &= 2a\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \big[a-a\sin\theta\big] \\ &= 2a^2\Big[\theta+\cos\theta\Big]_0^{\pi/2} =a^2[\pi-2] \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.6절 · 3번
# 면적분과 플럭스활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-4 · 3.3절 · 14번대학 수준우리말 번역

원기둥 x2+y2=2ayx^2+y^2=2ay 에서 z2=x2+y2z^2=x^2+y^2 의 바깥쪽에 놓인 부분의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of that part of the cylinder x2+y2=2ayx^2+y^2=2ay lying outside z2=x2+y2z^2=x^2+y^2.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

원기둥좌표계에서

x=rcos⁡θy=rsin⁡θz=zx=r\cos\theta\qquad y=r\sin\theta\qquad z=z

이 좌표계에서 원기둥의 방정식 x2+y2=2ayx^2+y^2=2ay 는

r2=2arsin⁡θ또는r=2asin⁡θr^2=2ar\sin\theta\qquad\text{또는}\qquad r=2a\sin\theta

가 된다. 즉 r=f(θ)r=f(\theta) 이고 f(θ)=2asin⁡θf(\theta) =2a\sin\theta 이다. 원기둥을 r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta,z) = x(\theta,z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + y(\theta,z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + z(\theta,z)\,\hat{\mathbf{k}} 로 매개화하면 다음과 같다.

x(θ,z)=f(θ)cos⁡θ=2asin⁡θcos⁡θ=asin⁡2θy(θ,z)=f(θ)sin⁡θ=2asin⁡θsin⁡θ=a(1−cos⁡2θ)z(θ,z)=z\begin{aligned} x(\theta,z)&=f(\theta)\cos\theta=2a\sin\theta\cos\theta=a\sin2\theta\\ y(\theta,z)&=f(\theta)\sin\theta=2a\sin\theta\sin\theta=a(1-\cos2\theta)\\ z(\theta,z)&=z \end{aligned}

이 매개화에서

∂r∂θ=2acos⁡2θ ı^+2asin⁡2θ ȷ^∂r∂z=k^  ⟹  ∂r∂θ×∂r∂z=−2acos⁡2θ ȷ^+2asin⁡2θ ı^  ⟹  dS=∣∂r∂θ×∂r∂z∣ dθ dz=2a dθ dz\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}=2a\cos2\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+2a\sin2\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\qquad \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial z}=\hat{\mathbf{k}} &\implies \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial z} =-2a\cos2\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2a\sin2\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} \\ &\implies \mathrm{d}S=\left|\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial z}\right|\, \mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z =2a\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z \end{aligned}

이제 적분 구간을 정해야 한다. 아래 왼쪽 그림은 원기둥을 위에서 본 모습이다.

그림

그림

그림에서 0≤θ≤π0\le\theta\le\pi 임을 알 수 있다. 원뿔 z2=x2+y2=r2z^2=x^2+y^2=r^2 (즉 z=±rz=\pm r) 과 원기둥 r=2asin⁡θr=2a\sin\theta 는 z2=r2=4a2sin⁡2θz^2=r^2=4a^2\sin^2\theta 에서 만난다. 따라서 각각의 고정된 θ\theta 에 대해 zz 는 −2asin⁡θ-2a\sin\theta 에서 z=+2asin⁡θz=+2a\sin\theta 까지 변한다. (위 오른쪽 그림을 보라. θ\theta 가 상수인 단면을 나타낸 것이다.) 마지막으로,

Area=∫∣z∣≤2asin⁡θ2a dθ dz=2a∫0π ⁣ ⁣dθ∫−2asin⁡θ2asin⁡θ ⁣ ⁣ ⁣dz=8a2∫0π ⁣ ⁣dθ sin⁡θ=8a2[−cos⁡θ]0π=16a2\begin{aligned} {\rm Area} &= \int_{|z|\le 2a\sin\theta}2a\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z =2a\int_0^\pi \!\!\mathrm{d}\theta\int_{-2a\sin\theta}^{2a\sin\theta} \!\!\!\mathrm{d}z =8a^2\int_0^\pi \!\!\mathrm{d}\theta\ \sin\theta =8a^2\Big[-\cos\theta\Big]_0^\pi \\ &=16a^2 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

In cylindrical coordinates

x=rcos⁡θy=rsin⁡θz=zx=r\cos\theta\qquad y=r\sin\theta\qquad z=z

In these coordinates the equation, x2+y2=2ayx^2+y^2=2ay, of the cylinder becomes

r2=2arsin⁡θorr=2asin⁡θr^2=2ar\sin\theta\qquad\text{or}\qquad r=2a\sin\theta

That is, r=f(θ)r=f(\theta) with f(θ)=2asin⁡θf(\theta) =2a\sin\theta. Parametrize the cylinder by r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta,z) = x(\theta,z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + y(\theta,z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + z(\theta,z)\,\hat{\mathbf{k}} with

x(θ,z)=f(θ)cos⁡θ=2asin⁡θcos⁡θ=asin⁡2θy(θ,z)=f(θ)sin⁡θ=2asin⁡θsin⁡θ=a(1−cos⁡2θ)z(θ,z)=z\begin{aligned} x(\theta,z)&=f(\theta)\cos\theta=2a\sin\theta\cos\theta=a\sin2\theta\\ y(\theta,z)&=f(\theta)\sin\theta=2a\sin\theta\sin\theta=a(1-\cos2\theta)\\ z(\theta,z)&=z \end{aligned}

Under this parametrization,

∂r∂θ=2acos⁡2θ ı^+2asin⁡2θ ȷ^∂r∂z=k^  ⟹  ∂r∂θ×∂r∂z=−2acos⁡2θ ȷ^+2asin⁡2θ ı^  ⟹  dS=∣∂r∂θ×∂r∂z∣ dθ dz=2a dθ dz\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}=2a\cos2\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+2a\sin2\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\qquad \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial z}=\hat{\mathbf{k}} &\implies \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial z} =-2a\cos2\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2a\sin2\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} \\ &\implies \mathrm{d}S=\left|\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial z}\right|\, \mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z =2a\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z \end{aligned}

We still have to determine the limits of integration. The figure on the left below provides a top view of the cylinder.

figure

figure

From it we see that 0≤θ≤π0\le\theta\le\pi. The cone z2=x2+y2=r2z^2=x^2+y^2=r^2 (i.e. z=±rz=\pm r) and the cylinder r=2asin⁡θr=2a\sin\theta intersect at z2=r2=4a2sin⁡2θz^2=r^2=4a^2\sin^2\theta. So, for each fixed θ\theta, zz runs from −2asin⁡θ-2a\sin\theta to z=+2asin⁡θz=+2a\sin\theta. (See the figure on the right above. It shows a constant θ\theta cross-section.) Finally,

Area=∫∣z∣≤2asin⁡θ2a dθ dz=2a∫0π ⁣ ⁣dθ∫−2asin⁡θ2asin⁡θ ⁣ ⁣ ⁣dz=8a2∫0π ⁣ ⁣dθ sin⁡θ=8a2[−cos⁡θ]0π=16a2\begin{aligned} {\rm Area} &= \int_{|z|\le 2a\sin\theta}2a\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z =2a\int_0^\pi \!\!\mathrm{d}\theta\int_{-2a\sin\theta}^{2a\sin\theta} \!\!\!\mathrm{d}z =8a^2\int_0^\pi \!\!\mathrm{d}\theta\ \sin\theta =8a^2\Big[-\cos\theta\Big]_0^\pi \\ &=16a^2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.6절 · 7번
# 면적분과 플럭스활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-4 · 4.2절 · 4번대학 수준우리말 번역

두 가지 방법으로 적분 ∬SF⋅n^ dS\iint _S\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S 의 값을 구하세요. 여기서 F=z k^\mathbf{F}=z\,\hat{\mathbf{k}} 이고, SS 는 곡면 x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2 이며 n^\hat{\mathbf{n}} 은 SS 의 바깥쪽을 향하는 단위법선벡터이다.

(a) 먼저, 면적분을 직접 계산하세요. (b) 다음으로, 발산 정리를 이용하세요.

영어 원문 보기

Evaluate, by two methods, the integral ∬SF⋅n^ dS\iint _S\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S, where F=z k^\mathbf{F}=z\,\hat{\mathbf{k}}, SS is the surface x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2 and n^\hat{\mathbf{n}} is the outward pointing unit normal to SS.

(a) First, by direct computation of the surface integral. (b) Second, by using the divergence theorem.

정답·풀이 보기

(a) 구면좌표를 사용하자. SS 는 원점을 중심으로 하는 반지름 aa 인 구면이므로 다음과 같이 매개화할 수 있다.

r(θ,φ)=asin⁡φcos⁡θ ı^+asin⁡φsin⁡θ ȷ^+acos⁡φ k^∂r∂θ=−asin⁡φsin⁡θ ı^+asin⁡φcos⁡θ ȷ^∂r∂φ=−acos⁡φcos⁡θ ı^+acos⁡φsin⁡θ ȷ^−asin⁡φ k^n^ dS=±∂r∂θ×∂r∂φ dθ dφ=det⁡[ı^ȷ^k^−asin⁡φsin⁡θasin⁡φcos⁡θ0acos⁡φcos⁡θacos⁡φsin⁡θ−asin⁡φ]dθ dφ=±(−a2sin⁡2φcos⁡θ ı^−a2sin⁡2φsin⁡θ ȷ^−a2sin⁡φcos⁡φ k^) dθ dφ=∓a2sin⁡φ(sin⁡φcos⁡θ ı^+sin⁡φsin⁡θ ȷ^+cos⁡φ k^) dθ dφ\begin{aligned} \mathbf{r}(\theta,\varphi) &=a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + a\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} &=-a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} &= \phantom{-}a\cos\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\cos\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a\sin\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \\ \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\pm\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} \times \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} \ \mathrm{d}\theta\, d\varphi\\ &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ -a\sin\varphi\sin\theta & a\sin\varphi\cos\theta & 0 \\ a\cos\varphi\cos\theta & a\cos\varphi\sin\theta & -a\sin\varphi \end{matrix}\right] \mathrm{d}\theta\, d\varphi\\ &=\pm\Big(-a^2\sin^2\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -a^2\sin^2\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a^2\sin\varphi\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \\ &=\mp a^2\sin\varphi \big(\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \end{aligned}

바깥쪽 법선이 되려면 ++ 부호를 택해야 하므로

n^ dS=a2sin⁡φ(sin⁡φcos⁡θ ı^+sin⁡φsin⁡θ ȷ^+cos⁡φ k^) dθ dφF⋅n^ dS=z(θ,φ) k^⋅n^ dS=a3sin⁡φcos⁡2φ dθ dφ\begin{aligned} \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= a^2\sin\varphi \big(\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \\ \mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= z(\theta,\varphi)\,\hat{\mathbf{k}}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = a^3 \sin\varphi\cos^2\varphi\ \mathrm{d}\theta\,d\varphi \end{aligned}

이고,

∬SF⋅n^ dS=a3∫0πdφ∫02πdθ sin⁡φ cos⁡2φ=2πa3∫0πdφ sin⁡φ cos⁡2φ=2πa3[−13cos⁡3φ]0π=43πa3\begin{aligned} \iint _S\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= a^3\int_0^\pi d\varphi\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \sin\varphi\,\cos^2\varphi\\ &=2\pi a^3 \int_0^\pi d\varphi \ \sin\varphi\,\cos^2\varphi =2\pi a^3\left[-\frac{1}{3}\cos^3\varphi\right]_0^\pi \\ &=\frac{4}{3}\pi a^3 \end{aligned}

이다.

(b) 입체 x2+y2+z2≤a2x^2+y^2+z^2\le a^2 을 VV 라 하자.

∇⋅F=∂∂x(0)+∂∂y(0)+∂∂z(z)=1{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} =\frac{\partial }{\partial x}(0) +\frac{\partial }{\partial y}(0) +\frac{\partial }{\partial z}(z) =1

이므로 발산 정리에 의해

∬SF⋅n^ dS=∭V∇⋅F dV=∭V dV=부피(V)=43πa3\begin{aligned} \iint _{\mathcal{S}}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}V =\iiint _V \ \mathrm{d}V =\text{부피}(V) =\frac{4}{3}\pi a^3 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Let's use spherical coordinates. As SS is the sphere of radius aa centred on the origin, we can parametrize it by

r(θ,φ)=asin⁡φcos⁡θ ı^+asin⁡φsin⁡θ ȷ^+acos⁡φ k^∂r∂θ=−asin⁡φsin⁡θ ı^+asin⁡φcos⁡θ ȷ^∂r∂φ=−acos⁡φcos⁡θ ı^+acos⁡φsin⁡θ ȷ^−asin⁡φ k^n^ dS=±∂r∂θ×∂r∂φ dθ dφ=det⁡[ı^ȷ^k^−asin⁡φsin⁡θasin⁡φcos⁡θ0acos⁡φcos⁡θacos⁡φsin⁡θ−asin⁡φ]dθ dφ=±(−a2sin⁡2φcos⁡θ ı^−a2sin⁡2φsin⁡θ ȷ^−a2sin⁡φcos⁡φ k^) dθ dφ=∓a2sin⁡φ(sin⁡φcos⁡θ ı^+sin⁡φsin⁡θ ȷ^+cos⁡φ k^) dθ dφ\begin{aligned} \mathbf{r}(\theta,\varphi) &=a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + a\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} &=-a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} &= \phantom{-}a\cos\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\cos\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a\sin\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \\ \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\pm\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} \times \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} \ \mathrm{d}\theta\, d\varphi\\ &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ -a\sin\varphi\sin\theta & a\sin\varphi\cos\theta & 0 \\ a\cos\varphi\cos\theta & a\cos\varphi\sin\theta & -a\sin\varphi \end{matrix}\right] \mathrm{d}\theta\, d\varphi\\ &=\pm\Big(-a^2\sin^2\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -a^2\sin^2\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a^2\sin\varphi\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \\ &=\mp a^2\sin\varphi \big(\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \end{aligned}

For the outward normal, we want the ++ sign, so

n^ dS=a2sin⁡φ(sin⁡φcos⁡θ ı^+sin⁡φsin⁡θ ȷ^+cos⁡φ k^) dθ dφF⋅n^ dS=z(θ,φ) k^⋅n^ dS=a3sin⁡φcos⁡2φ dθ dφ\begin{aligned} \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= a^2\sin\varphi \big(\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \\ \mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= z(\theta,\varphi)\,\hat{\mathbf{k}}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = a^3 \sin\varphi\cos^2\varphi\ \mathrm{d}\theta\,d\varphi \end{aligned}

and

∬SF⋅n^ dS=a3∫0πdφ∫02πdθ sin⁡φ cos⁡2φ=2πa3∫0πdφ sin⁡φ cos⁡2φ=2πa3[−13cos⁡3φ]0π=43πa3\begin{aligned} \iint _S\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= a^3\int_0^\pi d\varphi\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \sin\varphi\,\cos^2\varphi\\ &=2\pi a^3 \int_0^\pi d\varphi \ \sin\varphi\,\cos^2\varphi =2\pi a^3\left[-\frac{1}{3}\cos^3\varphi\right]_0^\pi \\ &=\frac{4}{3}\pi a^3 \end{aligned}

(b) Call the solid x2+y2+z2≤a2x^2+y^2+z^2\le a^2, VV. As

∇⋅F=∂∂x(0)+∂∂y(0)+∂∂z(z)=1{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} =\frac{\partial }{\partial x}(0) +\frac{\partial }{\partial y}(0) +\frac{\partial }{\partial z}(z) =1

the divergence theorem gives

∬SF⋅n^ dS=∭V∇⋅F dV=∭V dV=Volume(V)=43πa3\begin{aligned} \iint _{\mathcal{S}}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}V =\iiint _V \ \mathrm{d}V =\text{Volume}(V) =\frac{4}{3}\pi a^3 \end{aligned}

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