To parametrize C, we note the vector between the two points is (2−1,4−2,5−3)=(1,2,2). So, the line is (1,2,3)+t(1,2,2) for 0≤t≤1. That is, x(t)=1+t, y(t)=2+2t, and z(t)=3+2t.
In the figure below, we construct a triangle with θ=arcsect; the hypotenuse has length t, while the side adjacent to θ has length 1. By the Pythagorean Theorem, the remaining side has length t2−1, so sinθ=sin(arcsect)=tt2−1.
Remember dtd{lnt}=t1 and dtd{arcsect}=∣t∣t2−11. In our range, 1≤t≤2, we have ∣t∣=t.
을 생각하세요. (0,0) 에서 (1,0) 을 거쳐 (1,π) 로, 마지막으로 (0,π) 로 직선 선분을 따라 움직여 얻은 방향이 있는 곡선 C 를 따라 선적분 ∫CV⋅dr 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Consider the vector field
V(x,y)=(excosy+x2,x2y+3)
Evaluate the line integral ∫CV⋅dr along the
oriented curve C obtained by moving from (0,0) to (1,0) to
(1,π) and finally to (0,π) along straight line segments.
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다음에 주목한다.
(0,0) 에서 (1,0) 까지의 선분을 따라 x 는 0 에서 1 까지 증가하고, y 는 y=0 으로 고정된다.
따라서 이 선분을 r(x)=x^, 0≤x≤1 로 매개화할 수 있다.
(1,0) 에서 (1,π) 까지의 선분을 따라 y 는 0 에서 π 까지 증가하고, x 는 x=1 로 고정된다.
따라서 이 선분을 r(x)=^+y^, 0≤y≤π 로 매개화할 수 있다.
(1,π) 에서 (0,π) 까지의 선분을 따라 x 는 1 에서 0 까지 감소하고, y 는 y=π 로 고정된다.
따라서 이 선분을 x 가 1 에서 0 까지 변하는 r(x)=x^+π^ 로 매개화할 수 있다.
Along the line segment from (0,0) to (1,0), x increases
from 0 to 1, while y is held fixed at y=0.
So we may parametrize this segment by r(x)=x^, 0≤x≤1.
Along the line segment from (1,0) to (1,π), y increases
from 0 to π, while x is held fixed at x=1.
So we may parametrize this segment by r(x)=^+y^, 0≤y≤π.
Along the line segment from (1,π) to (0,π), x decreases
from 1 to 0, while y is held fixed at y=π.
So we may parametrize this segment by r(x)=x^+π^
with x running from 1 to 0.
(a) F(x,y)=xy^−x2^ 이고, y=x2 을 따라 (0,0) 에서 (1,1) 까지.
(b) F(x,y,z)=(x−z)^+(y−z)^−(x+y)k^ 이고, (0,0,0) 에서 (1,0,0) 을 거쳐 (1,1,0) 을 지나 (1,1,1) 까지 가는 꺾은선 경로를 따라.
영어 원문 보기
Evaluate ∫CF⋅dr for
(a) F(x,y)=xy^−x2^ along y=x2 from (0,0) to (1,1).
(b) F(x,y,z)=(x−z)^+(y−z)^−(x+y)k^ along the polygonal path from
(0,0,0) to (1,0,0) to (1,1,0) to (1,1,1).
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(a)
(b)
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(a)
곡선을 r(t)=t^+t2^, 0≤t≤1 로 매개화할 수 있다.
그러면 v(t)=dtdr(t)=^+2t^ 이고
F(x(t),y(t))=t3^−t2^ 이므로
On the first segment of the path y=z=0 so F simplifies
to x^−xk^ and dr=^dx (i.e. we can parametrize
the first segment of the path by r(x)=x^ with 0≤x≤1),
so F⋅dr=xdx.
On the second segment of the path x=1, z=0 so F simplifies
to ^+y^−(1+y)k^ and dr=^dy
(parametrize the second segment of the path by r(y)=^+y^ with 0≤y≤1),
so F⋅dr=ydy.
On the final segment of the path x=y=1 so F simplifies
to (1−z)^+(1−z)^−2k^ and dr=k^dz
(parametrize the third segment of the path by r(z)=^+^+zk^ with 0≤z≤1),
so F⋅dr=−2dz.
C 를 xyz=8 과 x=2y 의 교선 중에서 두 점 (2,1,4) 와 (4,2,1) 사이에 놓인 부분이라고 하자. 다음을 계산하세요.
∫CF⋅dr
여기서
F=x2^+(x−2y)^+x2yk^
영어 원문 보기
Let C be the part of the curve of intersection of xyz=8
and x=2y which lies between the points (2,1,4) and (4,2,1). Calculate
∫CF⋅dr
where
F=x2^+(x−2y)^+x2yk^
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y 를 매개변수로 하여 곡선을 매개변수로 나타낸다. 그러면 y=t, x=2y=2t, z=xy8=2t28 이므로:
Hmmm. F looks suspiciously complicated. Let's
guess that F is conservative and look for a potential for it.
ϕ(x,y,z) is a potential for this F if and only if
C 를 중심이 (1,0) 인 단위원의 위쪽 반원
(즉, 원에서 x축 위쪽에 놓인 부분)이라 하고,
시계 방향으로 향하게 하자. 선적분
∫Cxydy
의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Let C be the upper half of the unit circle centred on (1,0)
(i.e. that part of the circle which lies above the x-axis),
oriented clockwise. Compute the line integral
∫Cxydy.
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풀이 1:
주어진 반원 C 와 F=xy^ 에 대하여 선적분
∫CF⋅dr 의 값을 구하는 문제이다. ∇×F=0 이므로 벡터장 F 는
보존적이지 않다. 따라서 직접 적분한다.
먼저 그림을 이용하여
We are being asked to evaluate the line integral
∫CF⋅dr with C being the specified semi-circle and
F=xy^. As ∇×F=0, the vector field F
is not conservative. So we'll evaluate the integral directly.
First, using the figure,
We can write x in terms of y over C in two pieces:
Let C1 be the quarter-circle x=1−1−y2 as y goes from 0 to 1, and
Let C2 be the quarter-circle x=1+1−y2 as y goes from 1 to 0.
Then:
∫CxydyUsing the substitution u=1−y2, du=−2ydy:=∫C1xydy+∫c2xydy=∫01(1−1−y2)ydy+∫10(1+1−y2)ydy=∫01ydy−∫01y1−y2dy+∫10ydy+∫10y1−y2dy=−2∫01y1−y2dy=∫10u1/2du=−32
Evaluate the line integral ∫CF⋅dr, where F
is the conservative vector field
F(x,y,z)=(y+zex,x+eysinz,z+ex+eycosz)
and C is the curve given by the parametrization
r(t)=(t,et,sint),t from 0 to π.
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정답·풀이 보기
F 가 보존적이라고 주어져 있다. ∇φ=F 를 만족하는 퍼텐셜 φ 를 찾자. 즉,
∂x∂φ∂y∂φ∂z∂φ=y+zex=x+eysinz=z+ex+eycosz
첫째 식으로부터 φ(x,y,z)=xy+zex+ψ(y,z) 이다.
이를 둘째 식에 대입하면
x+∂y∂ψ(y,z)=x+eysinz
즉 ∂y∂ψ(y,z)=eysinz
이므로 ψ(y,z)=eysinz+ζ(z) 이다. 따라서 지금까지
φ(x,y,z)=xy+zex+eysinz+ζ(z)
를 얻었다.
이를 셋째 식에 대입하면
ex+eycosz+ζ′(z)=z+ex+eycosz 즉
ζ′(z)=z 이므로 어떤 상수 C 에 대해 ζ(z)=2z2+C 이고, 여기서 C 는 0으로 택한다. 따라서 퍼텐셜은
φ(x,y,z)=xy+zex+eysinz+2z2
이다. 그러므로 선적분은
∫CF⋅dr=φ(r(π))−φ(r(0))=φ(π,eπ,0)−φ(0,1,0)=πeπ
이다.
원본 교재 풀이(영어)
We are told that F is conservative. Let's find a potential
φ obeying ∇φ=F. That is,
∂x∂φ∂y∂φ∂z∂φ=y+zex=x+eysinz=z+ex+eycosz
The first equation forces φ(x,y,z)=xy+zex+ψ(y,z).
Substituting this into the second equation gives
x+∂y∂ψ(y,z)=x+eysinz
or ∂y∂ψ(y,z)=eysinz
which forces ψ(y,z)=eysinz+ζ(z). So far, we have
φ(x,y,z)=xy+zex+eysinz+ζ(z).
Substituting this into the third equation gives
ex+eycosz+ζ′(z)=z+ex+eycosz or
ζ′(z)=z which forces ζ(z)=2z2+C, for some constant
C, which we take to be zero. So our potential is
Suppose the surface S is the part of the sphere x2+y2+z2=2
that lies inside the cylinder
x2+y2=1 and for which z≥0.
Which of the following are parameterizations of S?
(b) 예. x2+(−y)2+(2−x2−y2)2=2 이고, x2+y2≤1 일 때 x2+(−y)2≤1 과 2−x2−y2≥0 이 모두 성립함에 주목한다.
(c) 아니요. 1<u≤2 일 때 (usinθ)2+(ucosθ)2=u2>1 이다.
또한 2<u≤2 일 때 2−u2 는 정의되지 않는다.
(d) 예. 다음에 주목한다.
(2sinϕcosθ)2+(2sinϕsinθ)2+(2cosϕ)2=2
0≤ϕ≤4π 일 때 z=2cosϕ>0 이다.
ϕ 가 0 에서 4π 까지 변할 때 r(ϕ)=2sinϕ 는 0 에서 1 까지 변하므로, ϕ 가 0 에서 4π 까지, θ 가 0 에서 2π 까지 변할 때
(x=r(ϕ)cosθ,y=r(ϕ)sinθ) 는 x2+y2≤1 전체를 덮는다.
(e)
예. 다음에 주목한다.
(−2−z2sinϕ)2+(2−z2cosϕ)2+(z)2=2
1≤z≤2 일 때 당연히 z>0 이다.
z 가 1 에서 2 까지 변할 때 r(z)=2−z2 는 1 에서 0 까지 변하므로, z 가 1 에서 2 까지, ϕ 가 0 에서 2π 까지 변할 때 (x=−r(z)sinϕ,y=r(z)cosϕ) 는 x2+y2≤1 전체를 덮는다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) No. z=sinϕsinθ is negative when
0<ϕ≤4π, π<θ<2π.
(b) Yes. Note that x2+(−y)2+(2−x2−y2)2=2
and that, for x2+y2≤1, we have both x2+(−y)2≤1 and
2−x2−y2≥0.
(c) No. (usinθ)2+(ucosθ)2=u2>1 for 1<u≤2.
Also 2−u2 is not defined for 2<u≤2.
(d) Yes. Note that
(2sinϕcosθ)2+(2sinϕsinθ)2+(2cosϕ)2=2
For 0≤ϕ≤4π, we have z=2cosϕ>0.
As ϕ runs from 0 to 4π, r(ϕ)=2sinϕ
runs from 0 to 1, so that
(x=r(ϕ)cosθ,y=r(ϕ)sinθ)
covers all of x2+y2≤1 as ϕ runs from 0 to 4π
and θ runs from 0 to 2π.
(e)
Yes. Note that
(−2−z2sinϕ)2+(2−z2cosϕ)2+(z)2=2
For 1≤z≤2, we have obviously have z>0.
As z runs from 1 to 2, r(z)=2−z2
runs from 1 to 0, so that (x=−r(z)sinϕ,y=r(z)cosϕ)
covers all of x2+y2≤1 as z runs from 1 to 2
and ϕ runs from 0 to 2π.
Let S be the part of the paraboloid z+x2+y2=4 lying between
the planes z=0 and z=1. For each of the following, indicate
whether or not it correctly parameterizes the surface S.
곡면 x2+9y2+4z2=17 위의 점 중에서
접평면이 평면 x−8z=0 과 평행인 점을 모두 구하세요.
영어 원문 보기
Find all the points on the surface x2+9y2+4z2=17
where the tangent plane is parallel to the plane x−8z=0.
정답·풀이 보기
곡면 x2+9y2+4z2=17 의
점 (x,y,z) 에서의 법선벡터는 (2x,18y,8z) 이다.
평면 x−8z=0 의 법선벡터는 (1,0,−8) 이다.
따라서 (2x,18y,8z) 가
(1,0,−8) 과 평행, 즉 (1,0,−8) 의 0이 아닌 상수배가 되어야 한다. 이는 x=0 이면서 y=0 이고 z=−2x 일 때 성립한다. 또한 (x,y,z) 는 곡면
x2+9y2+4z2=17 위에 있어야 한다. 따라서 y=0, z=−2x 이고
17=x2+9y2+4z2=x2+4(−2x)2=17x2⟹x=±1
이다.
그러므로 구하는 점은 ±(1,0,−2) 이다.
원본 교재 풀이(영어)
A normal vector to the surface x2+9y2+4z2=17
at the point (x,y,z) is (2x,18y,8z).
A normal vector to the plane x−8z=0 is (1,0,−8).
So we want (2x,18y,8z) to be parallel to
(1,0,−8), i.e. to be a nonzero constant times
(1,0,−8). This is the case whenever y=0 and z=−2x
with x=0. In addition, we want (x,y,z) to lie on the surface
x2+9y2+4z2=17. So we want y=0, z=−2x and
쌍곡면 z2=4x2+y2−1 위의 점 중에서
접평면이 평면 2x−y+z=0 과 평행인 점을 모두 구하세요.
영어 원문 보기
Find all points on the hyperboloid z2=4x2+y2−1
where the tangent plane is parallel to the plane 2x−y+z=0.
정답·풀이 보기
(x0,y0,z0) 을 쌍곡면 z2=4x2+y2−1 위의 점 중에서
접평면이 평면 2x−y+z=0 과 평행인 점이라 하자. 평면 2x−y+z=0 의 법선벡터는 (2,−1,1) 이다. 쌍곡면은
G(x,y,z)=4x2+y2−z2−1 이고 ∇G(x,y,z)=(8x,2y,−2z) 이므로,
(x0,y0,z0) 에서 쌍곡면의 법선벡터는
∇G(x0,y0,z0)=(8x0,2y0,−2z0) 이다.
따라서 (x0,y0,z0) 이 주어진 조건을 만족시키는 것은 다음을 만족시키는 0이 아닌 t 가 존재하는 것과 같다.
Let (x0,y0,z0) be a point on the hyperboloid z2=4x2+y2−1
where the tangent plane is parallel to the plane 2x−y+z=0. A normal vector
to the plane 2x−y+z=0 is (2,−1,1). Because the hyperboloid is
G(x,y,z)=4x2+y2−z2−1 and ∇G(x,y,z)=(8x,2y,−2z),
a normal vector to the hyperboloid at (x0,y0,z0) is
∇G(x0,y0,z0)=(8x0,2y0,−2z0).
So (x0,y0,z0) satisfies the required conditions if and only if there is a nonzero t obeying
(8x0,2y0,−2z0)=t(2,−1,1) and z02=4x02+y02−1⟺x0=4t,y0=z0=−2t and z02=4x02+y02−1⟺4t2=4t2+4t2−1 and x0=4t,y0=z0=−2t⟺t=±2(x0,y0,z0)=±(21,−1,−1)