문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

벡터 미적분 전체 문제

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3문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-4 · 2.4절 · 35번대학 수준우리말 번역

질량 m=1m = 1 인 입자가 시각 t=0t = 0 에서 위치 r0=ȷ^\mathbf{r}_0 = \hat{\boldsymbol{\jmath}} 와 속도 v0=ı^+k^\mathbf{v}_0 = \hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\mathbf{k}} 를 가진다. 이 입자는 힘 F(t)=ȷ^−sin⁡t k^\mathbf{F}(t) = \hat{\boldsymbol{\jmath}} - \sin t\, \hat{\mathbf{k}} 를 받아 움직인다. 여기서 tt 는 시각을 나타낸다.

(a) 입자의 위치 r(t)\mathbf{r}(t) 를 tt 의 함수로 구하세요. (b) 시각 t=0t = 0 이후 입자가 평면 x=π/2x = \pi/2 를 처음으로 지날 때의 위치 r1\mathbf{r}_1 을 구하세요. (c) 입자를 r0\mathbf{r}_0 에서 r1\mathbf{r}_1 까지 움직이는 동안 F\mathbf{F} 가 한 일을 구하세요.

영어 원문 보기

A particle of mass m=1m = 1 has position r0=ȷ^\mathbf{r}_0 = \hat{\boldsymbol{\jmath}} and velocity v0=ı^+k^\mathbf{v}_0 = \hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\mathbf{k}} at time t=0t = 0. The particle moves under a force F(t)=ȷ^−sin⁡t k^\mathbf{F}(t) = \hat{\boldsymbol{\jmath}} - \sin t\, \hat{\mathbf{k}}, where tt denotes time.

(a) Find the position r(t)\mathbf{r}(t) of the particle as a function of tt. (b) Find the position r1\mathbf{r}_1 of the particle when it crosses the plane x=π/2x = \pi/2 for the first time after time t=0t = 0. (c) Determine the work done by F\mathbf{F} in moving the particle from r0\mathbf{r}_0 to r1\mathbf{r}_1.

정답·풀이 보기

(a) m=1m=1 이므로 뉴턴의 운동 법칙에 의해

a(t)=v′(t)=F(t)=ȷ^−sin⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{a}(t) = \mathbf{v}'(t) = \mathbf{F}(t) = \hat{\boldsymbol{\jmath}} - \sin t\, \hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다. 적분하면

v(t)=t ȷ^+cos⁡t k^+c\mathbf{v}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos t\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c}

이다. 여기서 c\mathbf{c} 는 어떤 상수 벡터이다. v(0)=ı^+k^\mathbf{v}(0)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\mathbf{k}} 이므로 c=ı^\mathbf{c} = \hat{\boldsymbol{\imath}} 이고, 따라서

r′(t)=v(t)=ı^+t ȷ^+cos⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = \mathbf{v}(t) = \hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다. 다시 적분하면

r(t)=t ı^+t22 ȷ^+sin⁡t k^+c\mathbf{r}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sin t\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c}

이다. 여기서 c\mathbf{c} 는 (새로운) 어떤 상수 벡터이다. r(0)=ȷ^\mathbf{r}(0)=\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이므로 c=ȷ^\mathbf{c} = \hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고, 따라서

r(t)=t ı^+(1+t22) ȷ^+sin⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left(1+\frac{t^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sin t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다.

(b) 입자는 t=π/2t=\pi/2 일 때 x=π/2x=\pi/2 이고, 이때

r1=r(π/2)=π2 ı^+(1+π28) ȷ^+k^\begin{aligned} \mathbf{r}_1=\mathbf{r}(\pi/2) = \frac{\pi}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left(1+\frac{\pi^2}{8}\right)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다.

(c) 시각 t=0t=0 부터 시각 t=π/2t=\pi/2 까지 한 일은

∫0π/2F(t)⋅dr=∫0π/2F(t)⋅drdt(t) dt=∫0π/2[ȷ^−sin⁡t k^]⋅[ı^+t ȷ^+cos⁡t k^] dt=∫0π/2[t−sin⁡tcos⁡t] dt=[t22+12cos⁡2t]0π/2=π28−12\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \mathbf{F}(t)\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^{\pi/2} \mathbf{F}(t)\cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t =\int_0^{\pi/2} [\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\sin t\,\hat{\mathbf{k}}]\cdot [\hat{\boldsymbol{\imath}}+t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\cos t\,\hat{\mathbf{k}}]\,\mathrm{d}t \\ &= \int_0^{\pi/2} [t -\sin t\cos t]\,\mathrm{d}t =\Big[\frac{t^2}{2}+\frac{1}{2}\cos^2 t\Big]_0^{\pi/2} =\frac{\pi^2}{8}-\frac{1}{2} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since m=1m=1, Newton's law of motion gives

a(t)=v′(t)=F(t)=ȷ^−sin⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{a}(t) = \mathbf{v}'(t) = \mathbf{F}(t) = \hat{\boldsymbol{\jmath}} - \sin t\, \hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

Integating gives

v(t)=t ȷ^+cos⁡t k^+c\mathbf{v}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos t\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c}

for some constant vector c\mathbf{c}. Since v(0)=ı^+k^\mathbf{v}(0)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\mathbf{k}}, we have c=ı^\mathbf{c} = \hat{\boldsymbol{\imath}} so that

r′(t)=v(t)=ı^+t ȷ^+cos⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = \mathbf{v}(t) = \hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

Integating again gives

r(t)=t ı^+t22 ȷ^+sin⁡t k^+c\mathbf{r}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sin t\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c}

for some (new) constant vector c\mathbf{c}. Since r(0)=ȷ^\mathbf{r}(0)=\hat{\boldsymbol{\jmath}}, we have c=ȷ^\mathbf{c} = \hat{\boldsymbol{\jmath}} so that

r(t)=t ı^+(1+t22) ȷ^+sin⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left(1+\frac{t^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sin t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(b) The particle has x=π/2x=\pi/2 when t=π/2t=\pi/2 and then

r1=r(π/2)=π2 ı^+(1+π28) ȷ^+k^\begin{aligned} \mathbf{r}_1=\mathbf{r}(\pi/2) = \frac{\pi}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left(1+\frac{\pi^2}{8}\right)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(c) The work done between time t=0t=0 and time t=π/2t=\pi/2 is

∫0π/2F(t)⋅dr=∫0π/2F(t)⋅drdt(t) dt=∫0π/2[ȷ^−sin⁡t k^]⋅[ı^+t ȷ^+cos⁡t k^] dt=∫0π/2[t−sin⁡tcos⁡t] dt=[t22+12cos⁡2t]0π/2=π28−12\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \mathbf{F}(t)\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^{\pi/2} \mathbf{F}(t)\cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t =\int_0^{\pi/2} [\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\sin t\,\hat{\mathbf{k}}]\cdot [\hat{\boldsymbol{\imath}}+t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\cos t\,\hat{\mathbf{k}}]\,\mathrm{d}t \\ &= \int_0^{\pi/2} [t -\sin t\cos t]\,\mathrm{d}t =\Big[\frac{t^2}{2}+\frac{1}{2}\cos^2 t\Big]_0^{\pi/2} =\frac{\pi^2}{8}-\frac{1}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 4번
# 선적분활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-4 · 4.2절 · 50번대학 수준우리말 번역

매끄러운 곡면 S\mathcal{S} 가 평면 z=0z=0 위쪽에 놓여 있고, 평면 z=0z=0 위의 원 x2+y2=4yx^2+y^2=4y 를 경계로 가진다. 이 원은 또한 그 평면 위의 원판 DD 의 경계이기도 하다. S\mathcal{S} 와 DD 로 둘러싸인 3차원 영역 RR 의 부피는 10 세제곱단위이다. F(x,y,z)=(x+x2y)ı^+(y−xy2)ȷ^+(z+2x+3y)k^\mathbf{F}(x,y,z)=(x+x^2y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(y-xy^2)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(z+2x+3y)\hat{\mathbf{k}} 의 RR 에서 바깥쪽 방향으로 S\mathcal{S} 를 지나는 플럭스를 구하세요.

영어 원문 보기

A smooth surface S\mathcal{S} lies above the plane z=0z=0 and has as its boundary the circle x2+y2=4yx^2+y^2=4y in the plane z=0z=0. This circle also bounds a disk DD in that plane. The volume of the 3-dimensional region RR bounded by S\mathcal{S} and DD is 10 cubic units. Find the flux of F(x,y,z)=(x+x2y)ı^+(y−xy2)ȷ^+(z+2x+3y)k^\mathbf{F}(x,y,z)=(x+x^2y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(y-xy^2)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(z+2x+3y)\hat{\mathbf{k}} through S\mathcal{S} in the direction outward from RR.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

원 x2+y2=4yx^2+y^2=4y, 즉 x2+(y−2)2=4x^2+(y-2)^2=4 는 반지름이 22 이고 중심이 (0,2)(0,2) 이다. 아랫면에서는 z=0z=0 이고 바깥쪽 법선벡터는 −k^-\hat{\mathbf{k}} 이므로 ∬DF⋅n^ dS=−∬DF⋅k^ dxdy=−∬D(2x+3y) dxdy\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =-\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{k}}\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =-\iint _D(2x+3y)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y 이다. 대칭성에 의해 원판의 무게중심 (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y) 는 (0,2)(0,2) 이다. 여기서 xˉ\bar x 와 yˉ\bar y 는 평균값

xˉ=∬Dx dxdy∬Ddxdyyˉ=∬Dy dxdy∬Ddxdy\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _D x\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y}{\iint _D \mathrm{d}x\mathrm{d}y}\qquad \bar y = \frac{\iint _D y\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y}{\iint _D \mathrm{d}x\mathrm{d}y} \end{aligned}

이며, 각각 DD 위에서 xx 와 yy 의 평균값이다. 원판 DD 의 넓이가 4π4\pi 이므로

∬Dx dxdy=4πxˉ=0∬Dy dxdy=4πyˉ=8π\iint _D x\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =4\pi\bar x =0\qquad \iint _D y\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =4\pi\bar y =8\pi

이고 ∬DF⋅n^ dS=−4π(2xˉ+3yˉ)=−4π(2×0+3×2)=−24π\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =-4\pi(2\bar x+3\bar y) =-4\pi(2\times 0+3\times 2) =-24\pi 이다. 또한

∇⋅F=∂∂x(x+x2y)+∂∂y(y−xy2)+∂∂z(z+2x+3y)=(1+2xy)+(1−2xy)+(1)=3\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} &=\frac{\partial }{\partial x}(x+x^2y) +\frac{\partial }{\partial y}(y-xy^2) +\frac{\partial }{\partial z}(z+2x+3y) =(1+2xy)+(1-2xy)+(1)\\ &=3 \end{aligned}

이므로 발산 정리에 의해

∬SF⋅n^ dS=∭R∇⋅F dV−∬DF⋅n^ dS=∭R3 dV−(−24π)=3Vol(R)+24π=3×10+24π=30+24π\begin{aligned} \iint _{\mathcal{S}}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _R{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}V -\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S\\ &=\iiint _R3\ \mathrm{d}V -(-24\pi) =3\text{Vol}(R)+24\pi =3\times10+24\pi \\ &=30+24\pi \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The circle x2+y2=4yx^2+y^2=4y, or equivalently, x2+(y−2)2=4x^2+(y-2)^2=4, has radius 22 and centre (0,2)(0,2). On the bottom surface, z=0z=0 and the outward normal is −k^-\hat{\mathbf{k}}, so that ∬DF⋅n^ dS=−∬DF⋅k^ dxdy=−∬D(2x+3y) dxdy\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =-\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{k}}\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =-\iint _D(2x+3y)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y By symmetry, the centre of mass, (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y), of the circle is (0,2)(0,2). Here xˉ\bar x and yˉ\bar y are the average values

xˉ=∬Dx dxdy∬Ddxdyyˉ=∬Dy dxdy∬Ddxdy\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _D x\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y}{\iint _D \mathrm{d}x\mathrm{d}y}\qquad \bar y = \frac{\iint _D y\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y}{\iint _D \mathrm{d}x\mathrm{d}y} \end{aligned}

of xx and yy over DD. As the disk DD has area 4π4\pi,

∬Dx dxdy=4πxˉ=0∬Dy dxdy=4πyˉ=8π\iint _D x\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =4\pi\bar x =0\qquad \iint _D y\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =4\pi\bar y =8\pi

and ∬DF⋅n^ dS=−4π(2xˉ+3yˉ)=−4π(2×0+3×2)=−24π\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =-4\pi(2\bar x+3\bar y) =-4\pi(2\times 0+3\times 2) =-24\pi As

∇⋅F=∂∂x(x+x2y)+∂∂y(y−xy2)+∂∂z(z+2x+3y)=(1+2xy)+(1−2xy)+(1)=3\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} &=\frac{\partial }{\partial x}(x+x^2y) +\frac{\partial }{\partial y}(y-xy^2) +\frac{\partial }{\partial z}(z+2x+3y) =(1+2xy)+(1-2xy)+(1)\\ &=3 \end{aligned}

the divergence theorem gives

∬SF⋅n^ dS=∭R∇⋅F dV−∬DF⋅n^ dS=∭R3 dV−(−24π)=3Vol(R)+24π=3×10+24π=30+24π\begin{aligned} \iint _{\mathcal{S}}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _R{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}V -\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S\\ &=\iiint _R3\ \mathrm{d}V -(-24\pi) =3\text{Vol}(R)+24\pi =3\times10+24\pi \\ &=30+24\pi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.2절 · 45번
# 발산 정리활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-4 · 4.4절 · 39번대학 수준우리말 번역

SS 를 반원뿔

z=x2+y2,y≥0,z=\sqrt{x^2+y^2},\quad y\ge 0,

에서 평면 z=1z=1 아래에 있는 부분이라 하자.

(a) SS 의 매개화를 구하세요. (b) 속도장

v=x ı^+y ȷ^−2z k^\mathbf{v}=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + y\, \hat{\boldsymbol{\jmath}} -2 z\,\hat{\mathbf{k}}

이 SS 를 아래쪽으로 통과하는 선속을 구하세요. (c) 벡터장 F\mathbf{F} 의 회전이 ∇×F=x ı^+y ȷ^−2z k^{ \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F}= x\, \hat{\boldsymbol{\imath}} + y\, \hat{\boldsymbol{\jmath}} -2 z\,\hat{\mathbf{k}} 이다. xzxz평면 위에서 벡터장 F\mathbf{F} 는 상수이며 F(x,0,z)=ȷ^\mathbf{F}(x,0,z)=\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이다. 이 정보를 이용하여

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

의 값을 구하세요. 여기서 C\mathcal{C} 는 반원

x2+y2=1, z=1, y≥0x^2+y^2=1,\ z=1,\ y\ge 0

이며 (−1,0,1)(-1,0,1) 에서 (1,0,1)(1,0,1) 로 향하는 방향이다.

영어 원문 보기

Let SS be the part of the half cone

z=x2+y2,y≥0,z=\sqrt{x^2+y^2},\quad y\ge 0,

that lies below the plane z=1z=1.

(a) Find a parametrization for SS. (b) Calculate the flux of the velocity field

v=x ı^+y ȷ^−2z k^\mathbf{v}=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + y\, \hat{\boldsymbol{\jmath}} -2 z\,\hat{\mathbf{k}}

downward through SS. (c) A vector field F\mathbf{F} has curl ∇×F=x ı^+y ȷ^−2z k^{ \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F}= x\, \hat{\boldsymbol{\imath}} + y\, \hat{\boldsymbol{\jmath}} -2 z\,\hat{\mathbf{k}}. On the xzxz-plane, the vector field F\mathbf{F} is constant with F(x,0,z)=ȷ^\mathbf{F}(x,0,z)=\hat{\boldsymbol{\jmath}}. Given this information, calculate

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

where C\mathcal{C} is the half circle

x2+y2=1, z=1, y≥0x^2+y^2=1,\ z=1,\ y\ge 0

oriented from (−1,0,1)(-1,0,1) to (1,0,1)(1,0,1).

정답·풀이 보기

(a) 원기둥좌표를 이용하여 SS 를 매개화한다:

r(r,θ)=rcos⁡θ ı^+rsin⁡θ ȷ^+r k^단, 0≤r≤1, 0≤θ≤π\mathbf{r}(r, \theta) = r\cos \theta\, \hat{\boldsymbol{\imath}} +r\sin \theta\, \hat{\boldsymbol{\jmath}} + r\,\hat{\mathbf{k}} \qquad \text{단, $0\le r\le 1$, $0\le \theta \le \pi$}

(b) 다음을 계산한다.

∂r∂r=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^+ k^∂r∂θ=−rsin⁡θ ı^+rcos⁡θ ȷ^n^ dS=±∂r∂r×∂r∂θ drdθ=±(−rcos⁡θ ı^−rsin⁡θ ȷ^+r k^) drdθ\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial r} &= \cos \theta \,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin \theta \,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} &= -r \sin \theta \,\hat{\boldsymbol{\imath}} + r\cos \theta \,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S &= \pm \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial r}\times \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} \ \mathrm{d}r \mathrm{d}\theta = \pm \big(-r\cos \theta \,\hat{\boldsymbol{\imath}} - r \sin \theta \,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + r \,\hat{\mathbf{k}}\big)\, \mathrm{d}r \mathrm{d}\theta \end{aligned}

아래쪽 선속을 구하려면 음의 부호를 택한다. 따라서

∬Sv⋅n^ dS=∫0πdθ∫01dr (rcos⁡θ,rsin⁡θ,−2r)⋅(rcos⁡θ,rsin⁡θ,−r)=∫0πdθ∫01dr 3r2=πr3∣r=01=π\begin{aligned} \iint _S \mathbf{v} \cdot \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S & = \int_0^\pi \mathrm{d}\theta \int_0^1 \mathrm{d}r\ (r \cos \theta, r\sin \theta, -2r)\cdot (r\cos \theta, r\sin \theta, -r) \\ &= \int_0^\pi \mathrm{d}\theta \int_0^1 \mathrm{d}r\ 3 r^2 = \pi r^3\Big|_{r=0}^1 = \pi \end{aligned}

이다.

(c) 풀이 1: P\mathcal{P} 를 (1,0,1)(1,0,1) 에서 (0,0,0)(0,0,0) 까지, 그리고 (0,0,0)(0,0,0) 에서 (−1,0,1)(-1,0,1) 까지 선분을 따라가는 경로라 하자. 그림은 다음과 같다. P\mathcal{P} 는 파란색이다.

그림

그러면

∫CF⋅dr+∫PF⋅dr=∬S∇×F⋅n^ dS\int_\mathcal{C} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} + \int_\mathcal{P} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _S { \boldsymbol{\nabla} } \times \mathbf{F} \cdot \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S

이다. 이는 스토크스 정리에 의한 것이다. P\mathcal{P} 를 따라 벡터장 F\mathbf{F} 는 곡선에 수직이므로 ∫PF⋅dr=0\int_\mathcal{P} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=0 이다. ∇×F\nabla\times \mathbf{F} 는 (b)의 벡터장 v\mathbf{v} 와 같다는 점에 주목한다. 따라서

∫CF⋅dr=∬Sv⋅n^ dS=π\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _S \mathbf{v} \cdot \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S = \pi

이다.

(c) 풀이 2: L\mathcal{L} 을 (1,0,1)(1,0,1) 에서 (−1,0,1)(-1,0,1) 까지의 선분이라 하고,

R={(x,y,z)}x2+y2≤1,y≥0,z=1\begin{aligned} \mathcal{R}=\left\{(x,y,z)\right\}{x^2+y^2\le1, y\ge 0, z=1} \end{aligned}

이라 하자. 그림은 다음과 같다. L\mathcal{L} 은 파란색이고 R\mathcal{R} 은 색칠한 부분이다.

그림

그러면

∫CF⋅dr+∫LF⋅dr=∬R∇×F⋅(−k^) dS\int_\mathcal{C} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} + \int_\mathcal{L} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _{\mathcal{R}} { \boldsymbol{\nabla} } \times \mathbf{F} \cdot (-\hat{\mathbf{k}})\, \mathrm{d}S

이다. 이는 스토크스 정리에 의한 것이다. L\mathcal{L} 을 따라 벡터장 F=ȷ^\mathbf{F}=\hat{\boldsymbol{\jmath}} 는 곡선(방향이 −ı^-\hat{\boldsymbol{\imath}} 이므로)에 수직이어서 ∫LF⋅dr=0\int_\mathcal{L} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=0 이다. ∇×F\nabla\times \mathbf{F} 는 (b)의 벡터장 v\mathbf{v} 와 같다는 점에 주목한다. 따라서

∫CF⋅dr=−∬Rv⋅k^ dS=∬R2z dS=2∬R dS=2 넓이(R)=π\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = -\iint _\mathcal{R} \mathbf{v} \cdot \hat{\mathbf{k}}\, \mathrm{d}S = \iint _\mathcal{R} 2z \, \mathrm{d}S = 2\iint _\mathcal{R} \, \mathrm{d}S =2\,\text{넓이}(\mathcal{R}) = \pi

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We parametrize SS in cylindrical coordinates:

r(r,θ)=rcos⁡θ ı^+rsin⁡θ ȷ^+r k^with 0≤r≤1, 0≤θ≤π\mathbf{r}(r, \theta) = r\cos \theta\, \hat{\boldsymbol{\imath}} +r\sin \theta\, \hat{\boldsymbol{\jmath}} + r\,\hat{\mathbf{k}} \qquad \text{with $0\le r\le 1$, $0\le \theta \le \pi$}

(b) We compute

∂r∂r=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^+ k^∂r∂θ=−rsin⁡θ ı^+rcos⁡θ ȷ^n^ dS=±∂r∂r×∂r∂θ drdθ=±(−rcos⁡θ ı^−rsin⁡θ ȷ^+r k^) drdθ\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial r} &= \cos \theta \,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin \theta \,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} &= -r \sin \theta \,\hat{\boldsymbol{\imath}} + r\cos \theta \,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S &= \pm \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial r}\times \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} \ \mathrm{d}r \mathrm{d}\theta = \pm \big(-r\cos \theta \,\hat{\boldsymbol{\imath}} - r \sin \theta \,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + r \,\hat{\mathbf{k}}\big)\, \mathrm{d}r \mathrm{d}\theta \end{aligned}

To calculate the downward flux, we use the minus sign. We find

∬Sv⋅n^ dS=∫0πdθ∫01dr (rcos⁡θ,rsin⁡θ,−2r)⋅(rcos⁡θ,rsin⁡θ,−r)=∫0πdθ∫01dr 3r2=πr3∣r=01=π\begin{aligned} \iint _S \mathbf{v} \cdot \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S & = \int_0^\pi \mathrm{d}\theta \int_0^1 \mathrm{d}r\ (r \cos \theta, r\sin \theta, -2r)\cdot (r\cos \theta, r\sin \theta, -r) \\ &= \int_0^\pi \mathrm{d}\theta \int_0^1 \mathrm{d}r\ 3 r^2 = \pi r^3\Big|_{r=0}^1 = \pi \end{aligned}

(c) Solution 1: Let P\mathcal{P} be the path along line segments from (1,0,1)(1,0,1) to (0,0,0)(0,0,0) and from (0,0,0)(0,0,0) to (−1,0,1)(-1,0,1). Here is a sketch. P\mathcal{P} is in blue.

figure

Then

∫CF⋅dr+∫PF⋅dr=∬S∇×F⋅n^ dS\int_\mathcal{C} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} + \int_\mathcal{P} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _S { \boldsymbol{\nabla} } \times \mathbf{F} \cdot \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S

by Stokes' Theorem. Along P\mathcal{P}, the vector field F\mathbf{F} is orthogonal to the curve so that ∫PF⋅dr=0\int_\mathcal{P} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=0. Note that ∇×F\nabla\times \mathbf{F} is the vector field v\mathbf{v} from part (b). Thus

∫CF⋅dr=∬Sv⋅n^ dS=π\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _S \mathbf{v} \cdot \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S = \pi

(c) Solution 2: Let L\mathcal{L} be the line segment from (1,0,1)(1,0,1) to (−1,0,1)(-1,0,1) and let

R={(x,y,z)}x2+y2≤1,y≥0,z=1\begin{aligned} \mathcal{R}=\left\{(x,y,z)\right\}{x^2+y^2\le1, y\ge 0, z=1} \end{aligned}

Here is a sketch. L\mathcal{L} is in blue and R\mathcal{R} is shaded.

figure

Then

∫CF⋅dr+∫LF⋅dr=∬R∇×F⋅(−k^) dS\int_\mathcal{C} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} + \int_\mathcal{L} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _{\mathcal{R}} { \boldsymbol{\nabla} } \times \mathbf{F} \cdot (-\hat{\mathbf{k}})\, \mathrm{d}S

by Stokes' Theorem. Along L\mathcal{L}, the vector field F=ȷ^\mathbf{F}=\hat{\boldsymbol{\jmath}} is orthogonal to the curve (which has direction −ı^-\hat{\boldsymbol{\imath}} so that ∫LF⋅dr=0\int_\mathcal{L} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=0. Note that ∇×F\nabla\times \mathbf{F} is the vector field v\mathbf{v} from part (b). Thus

∫CF⋅dr=−∬Rv⋅k^ dS=∬R2z dS=2∬R dS=2 Area(R)=π\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = -\iint _\mathcal{R} \mathbf{v} \cdot \hat{\mathbf{k}}\, \mathrm{d}S = \iint _\mathcal{R} 2z \, \mathrm{d}S = 2\iint _\mathcal{R} \, \mathrm{d}S =2\,\text{Area}(\mathcal{R}) = \pi

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