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벡터 미적분 전체 문제

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4문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-4 · 3.1절 · 7번대학 수준우리말 번역

축에 평행하지 않은 직선을 회전축으로 하는 회전체를 매개변수로 나타내세요. 먼저 회전시키는 평면이 그 축에 수직임을 보이는 것이 좋을 수 있습니다.

(a) 평면 x=yx=y 위에 있고 중심이 (2,2,4)(2,2,4) 이며 반지름이 1인 원의 매개변수 방정식을 구하세요. (b) (a)의 원을 직선 r(t)=4ı^+4ȷ^+tk^\mathbf{r}(t)=4\hat{\boldsymbol{\imath}}+4\hat{\boldsymbol{\jmath}}+t\hat{\mathbf{k}} 를 축으로 회전시켜 만들어지는 곡면의 매개변수 방정식을 구하세요.

그림

영어 원문 보기

Parametrize a solid of rotation about a line not parallel to an axis. Maybe first show that the plane you're rotating is normal to that axis.

(a) Give a parametric equation for the circle of radius 1, centred at (2,2,4)(2,2,4), lying in the plane x=yx=y. (b) Give a parametrized equation for the surface formed by rotating the circle from part (a) about the line r(t)=4ı^+4ȷ^+tk^\mathbf{r}(t)=4\hat{\boldsymbol{\imath}}+4\hat{\boldsymbol{\jmath}}+t\hat{\mathbf{k}}.

figure

정답·풀이 보기

(a) 아래 그림에서 점 (x,y,z)(x,y,z) 는 중심 (2,2,4)(2,2,4) 에서 k^\hat{\mathbf{k}} 방향으로 sin⁡θ\sin\theta 단위, 12(ı^+ȷ^)\sqrt \frac1{\sqrt 2}(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}) 방향으로 cos⁡θ\cos\theta 단위만큼 벗어나 있다. 따라서 (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta) 이다.

그림

따라서 이 원을 0≤θ≤2π0 \le \theta \le 2\pi 에서 (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta) 로 매개변수화할 수 있다.

참고: 이 방정식이 우리가 원하는 두 가지 성질을 만족함은 쉽게 확인할 수 있다. xx좌표와 yy좌표가 같으므로 평면 x=yx=y 위에 있다. 중심이 (2,2,4)(2,2,4) 인 원임을 확인하기 위해, (x,y,z)(x,y,z) 에서 (2,2,4)(2,2,4) 까지의 거리를 구하면 다음과 같다.

d=(x−2)2+(y−2)2+(z−4)2=(12cos⁡θ)2+(12cos⁡θ)2+(sin⁡θ)2=12cos⁡2θ+12cos⁡2θ+sin⁡2θ=cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\begin{aligned} d&=\sqrt{(x-2)^2+(y-2)^2+(z-4)^2}=\sqrt{\left(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta\right)^2+\left(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta\right)^2+\left(\sin\theta\right)^2}\\ &=\sqrt{\frac12\cos^2\theta+\frac12\cos^2\theta+\sin^2\theta}=\sqrt{\cos^2\theta+\sin^2\theta}=1 \end{aligned}

따라서 모든 점이 같은 한 점으로부터 거리가 1이다. 즉, 이 점들은 반지름이 1인 원 위에 있다.

(b) 점 (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta) 를 직선 x=y=4x=y=4 를 축으로 ϕ\phi 라디안만큼 회전시키는 경우를 생각한다.

그림

회전한 점의 높이는 z=4+sin⁡θz=4+\sin\theta 로 그대로이다. 직선 x=y=4x=y=4 까지의 거리도 변하지 않는다: R=(x−4)2+(y−4)2+(z−z)2=(12cos⁡θ−2)2+(12cos⁡θ−2)2+0)=cos⁡θ−22R=\sqrt{(x-4)^2+(y-4)^2+(z-z)^2}=\sqrt{(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta-2)^2+(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta-2)^2+0)}=\cos\theta-2\sqrt2.

원 위의 점 (x,y,z)=(2+12cos⁡θ,2+12cos⁡θ,4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt2}\cos\theta,2+\frac{1}{\sqrt 2} \cos \theta,4+\sin\theta) 가 그리는 원은 중심이 (4,4,z)(4,4,z) 이고 반지름이 2(4−x)\sqrt2(4-x) 이므로, 그 방정식은 x=4+2(2−2cos⁡θ)cos⁡ϕx=4+\sqrt2(2-\sqrt2\cos\theta)\cos\phi, y=4+2(2−2cos⁡θ)sin⁡ϕy=4+\sqrt2(2-\sqrt2\cos\theta)\sin\phi, z=4sin⁡θz=4\sin\theta 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) In the sketch below, the point (x,y,z)(x,y,z) deviates from the centre (2,2,4)(2,2,4) by sin⁡θ\sin\theta units in the k^\hat{\mathbf{k}} direction, and by cos⁡θ\cos\theta units in the 12(ı^+ȷ^)\sqrt \frac1{\sqrt 2}(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}) direction. So, (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta).

figure

So, we can parametrize the circle as (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta), with 0≤θ≤2π0 \le \theta \le 2\pi.

Remark: it's easy to check that this equation satisfies the two properties we desire. Since the xx- and yy coordinates match, it's in the plane x=yx=y. To check that it's a circle centred at (2,2,4)(2,2,4), we note the distance from (x,y,z)(x,y,z) to (2,2,4)(2,2,4) is:

d=(x−2)2+(y−2)2+(z−4)2=(12cos⁡θ)2+(12cos⁡θ)2+(sin⁡θ)2=12cos⁡2θ+12cos⁡2θ+sin⁡2θ=cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\begin{aligned} d&=\sqrt{(x-2)^2+(y-2)^2+(z-4)^2}=\sqrt{\left(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta\right)^2+\left(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta\right)^2+\left(\sin\theta\right)^2}\\ &=\sqrt{\frac12\cos^2\theta+\frac12\cos^2\theta+\sin^2\theta}=\sqrt{\cos^2\theta+\sin^2\theta}=1 \end{aligned}

So, our points all have distance one from the same point — that is, they lie on a circle of radius 1.

(b) Consider a point (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta), rotating ϕ\phi radians about the line x=y=4x=y=4.

figure

The new position of the point has the same height, z=4+sin⁡θz=4+\sin\theta. Its distance from the line x=y=4x=y=4 is also preserved: R=(x−4)2+(y−4)2+(z−z)2=(12cos⁡θ−2)2+(12cos⁡θ−2)2+0)=cos⁡θ−22R=\sqrt{(x-4)^2+(y-4)^2+(z-z)^2}=\sqrt{(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta-2)^2+(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta-2)^2+0)}=\cos\theta-2\sqrt2.

The circle traced out by a point (x,y,z)=(2+12cos⁡θ,2+12cos⁡θ,4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt2}\cos\theta,2+\frac{1}{\sqrt 2} \cos \theta,4+\sin\theta) on the circle is centred at (4,4,z)(4,4,z) with radius 2(4−x)\sqrt2(4-x), so it has equation x=4+2(2−2cos⁡θ)cos⁡ϕx=4+\sqrt2(2-\sqrt2\cos\theta)\cos\phi, y=4+2(2−2cos⁡θ)sin⁡ϕy=4+\sqrt2(2-\sqrt2\cos\theta)\sin\phi, z=4sin⁡θz=4\sin\theta.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.1절 · 6번
# 매개변수 곡면증명·논술도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-4 · 4.1절 · 13번대학 수준우리말 번역

벡터장 F\mathbf{F} 가 R3\mathbb{R}^3 전체에서 ∇⋅F=0{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot \mathbf{F}=0 을 만족한다고 가정하세요.

r(t)=tx ı^+ty ȷ^+tz k^,0≤t≤1\mathbf{r}(t)=tx\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ty\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+tz\,\hat{\mathbf{k}},\qquad 0\le t\le 1

을 원점에서 (x,y,z)(x,y,z) 까지의 선분의 매개변수 표현이라고 하고,

G(x,y,z)=∫01t F(r(t))×drdt(t) dt\mathbf{G}(x,y,z)=\int_0^1 t\,\mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\times\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t)\,dt

로 정의합니다. R3\mathbb{R}^3 전체에서 ∇×G=F{ \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{G}=\mathbf{F} 임을 보이세요.

영어 원문 보기

Suppose that the vector field F\mathbf{F} obeys ∇⋅F=0{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot \mathbf{F}=0 in all of R3\mathbb{R}^3. Let

r(t)=tx ı^+ty ȷ^+tz k^,0≤t≤1\mathbf{r}(t)=tx\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ty\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+tz\,\hat{\mathbf{k}},\qquad 0\le t\le 1

be a parametrization of the line segment from the origin to (x,y,z)(x,y,z). Define

G(x,y,z)=∫01t F(r(t))×drdt(t) dt\mathbf{G}(x,y,z)=\int_0^1 t\,\mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\times\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t)\,dt

Show that ∇×G=F{ \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{G}=\mathbf{F} throughout R3\mathbb{R}^3.

정답·풀이 보기

∂G3∂y−∂G2∂z=F1\frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z}=F_1 임을 보이겠다. 나머지 성분도 이와 비슷하다. 먼저

t F(r(t))×drdt(t)=t F(tx,ty,tz)×(x ı^+y ȷ^+z k^)=tdet⁡[ı^ȷ^k^F1F2F3xyz]\begin{aligned} t\,\mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\times\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t) &=t\,\mathbf{F}\big(tx,ty,tz\big)\times\big(x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}}\big) =t\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ F_1 & F_2 & F_3\\ x & y & z\end{matrix}\right] \end{aligned}

이다. 행렬식의 k^\hat{\mathbf{k}} 성분과 ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} 성분을 읽으면

G3(x,y,z)=∫01t[F1(tx,ty,tz) y−F2(tx,ty,tz) x] dtG2(x,y,z)=∫01t[F3(tx,ty,tz) x−F1(tx,ty,tz) z] dt\begin{aligned} G_3(x,y,z)&=\int_0^1 t\big[F_1\big(tx,ty,tz\big)\,y-F_2\big(tx,ty,tz\big)\,x\big]\,dt\\ G_2(x,y,z)&=\int_0^1 t\big[F_3\big(tx,ty,tz\big)\,x-F_1\big(tx,ty,tz\big)\,z\big]\,dt \end{aligned}

이다. 따라서

∂G3∂y=∫01t[F1(tx,ty,tz)+∂F1∂y(tx,ty,tz) ty−∂F2∂y(tx,ty,tz) tx] dt∂G2∂z=∫01t[∂F3∂z(tx,ty,tz) tx−∂F1∂z(tx,ty,tz) tz−F1(tx,ty,tz)] dt⇒∂G3∂y−∂G2∂z=∫01[2t F1(tx,ty,tz)+t2y ∂F1∂y(tx,ty,tz)+t2z∂F1∂z(tx,ty,tz)−t2x ∂F2∂y(tx,ty,tz)−t2x ∂F3∂z(tx,ty,tz)] dt\begin{aligned} \frac{\partial G_3}{\partial y} &=\int_0^1 t\Big[F_1\big(tx,ty,tz\big)+ \frac{\partial F_1}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big)\,ty -\frac{\partial F_2}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big)\,tx\Big]\,dt\\ \frac{\partial G_2}{\partial z}&=\int_0^1 t\Big[ \frac{\partial F_3}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\,tx -\frac{\partial F_1}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\,tz -F_1\big(tx,ty,tz\big)\Big]\,dt\\ \Rightarrow \frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z} &=\int_0^1 \Big[2t\,F_1\big(tx,ty,tz\big)+ t^2y\,\frac{\partial F_1}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) +t^2z\frac{\partial F_1}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\\ & -t^2x\,\frac{\partial F_2}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) -t^2x\,\frac{\partial F_3}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\Big]\,dt \end{aligned}

이다. 가정에 의해 ∇⋅F=∂F1∂x+∂F2∂y+∂F3∂z=0{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}=\frac{\partial F_1}{\partial x} +\frac{\partial F_2}{\partial y} +\frac{\partial F_3}{\partial z}=0 이므로 마지막 두 항은

−t2x{∂F2∂y(tx,ty,tz)+∂F3∂z(tx,ty,tz)}=−t2x{−∂F1∂x(tx,ty,tz)}\begin{aligned} -t^2x\Big\{\frac{\partial F_2}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) +\frac{\partial F_3}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\Big\} =-t^2x\Big\{-\frac{\partial F_1}{\partial x}\big(tx,ty,tz\big)\Big\} \end{aligned}

이고, 따라서

∂G3∂y−∂G2∂z=∫01[2tF1(tx,ty,tz)+t2x∂F1∂x(tx,ty,tz)+t2y∂F1∂y(tx,ty,tz)+t2z∂F1∂z(tx,ty,tz)] dt=∫01ddt[t2F1(tx,ty,tz)] dt=[t2F1(tx,ty,tz)]t=0t=1=F1(x,y,z)\begin{aligned} &\frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z} \\ &=\int_0^1 \Big[2tF_1\big(tx,ty,tz\big)+ t^2x\frac{\partial F_1}{\partial x}\big(tx,ty,tz\big) +t^2y\frac{\partial F_1}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) +t^2z\frac{\partial F_1}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\Big]\,dt\\ &=\int_0^1 \frac{d}{dt}\Big[ t^2 F_1(tx,ty,tz)\Big]\,dt =\Big[ t^2 F_1(tx,ty,tz)\Big]^{t=1}_{t=0} = F_1(x,y,z) \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

We shall show that ∂G3∂y−∂G2∂z=F1\frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z}=F_1. The other components are similar. First we have

t F(r(t))×drdt(t)=t F(tx,ty,tz)×(x ı^+y ȷ^+z k^)=tdet⁡[ı^ȷ^k^F1F2F3xyz]\begin{aligned} t\,\mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\times\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t) &=t\,\mathbf{F}\big(tx,ty,tz\big)\times\big(x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}}\big) =t\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ F_1 & F_2 & F_3\\ x & y & z\end{matrix}\right] \end{aligned}

Reading off the k^\hat{\mathbf{k}} and ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} components of the determinant gives

G3(x,y,z)=∫01t[F1(tx,ty,tz) y−F2(tx,ty,tz) x] dtG2(x,y,z)=∫01t[F3(tx,ty,tz) x−F1(tx,ty,tz) z] dt\begin{aligned} G_3(x,y,z)&=\int_0^1 t\big[F_1\big(tx,ty,tz\big)\,y-F_2\big(tx,ty,tz\big)\,x\big]\,dt\\ G_2(x,y,z)&=\int_0^1 t\big[F_3\big(tx,ty,tz\big)\,x-F_1\big(tx,ty,tz\big)\,z\big]\,dt \end{aligned}

So

∂G3∂y=∫01t[F1(tx,ty,tz)+∂F1∂y(tx,ty,tz) ty−∂F2∂y(tx,ty,tz) tx] dt∂G2∂z=∫01t[∂F3∂z(tx,ty,tz) tx−∂F1∂z(tx,ty,tz) tz−F1(tx,ty,tz)] dt⇒∂G3∂y−∂G2∂z=∫01[2t F1(tx,ty,tz)+t2y ∂F1∂y(tx,ty,tz)+t2z∂F1∂z(tx,ty,tz)−t2x ∂F2∂y(tx,ty,tz)−t2x ∂F3∂z(tx,ty,tz)] dt\begin{aligned} \frac{\partial G_3}{\partial y} &=\int_0^1 t\Big[F_1\big(tx,ty,tz\big)+ \frac{\partial F_1}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big)\,ty -\frac{\partial F_2}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big)\,tx\Big]\,dt\\ \frac{\partial G_2}{\partial z}&=\int_0^1 t\Big[ \frac{\partial F_3}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\,tx -\frac{\partial F_1}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\,tz -F_1\big(tx,ty,tz\big)\Big]\,dt\\ \Rightarrow \frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z} &=\int_0^1 \Big[2t\,F_1\big(tx,ty,tz\big)+ t^2y\,\frac{\partial F_1}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) +t^2z\frac{\partial F_1}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\\ & -t^2x\,\frac{\partial F_2}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) -t^2x\,\frac{\partial F_3}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\Big]\,dt \end{aligned}

Since, by hypothesis, ∇⋅F=∂F1∂x+∂F2∂y+∂F3∂z=0{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}=\frac{\partial F_1}{\partial x} +\frac{\partial F_2}{\partial y} +\frac{\partial F_3}{\partial z}=0, the last two terms

−t2x{∂F2∂y(tx,ty,tz)+∂F3∂z(tx,ty,tz)}=−t2x{−∂F1∂x(tx,ty,tz)}\begin{aligned} -t^2x\Big\{\frac{\partial F_2}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) +\frac{\partial F_3}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\Big\} =-t^2x\Big\{-\frac{\partial F_1}{\partial x}\big(tx,ty,tz\big)\Big\} \end{aligned}

so that

∂G3∂y−∂G2∂z=∫01[2tF1(tx,ty,tz)+t2x∂F1∂x(tx,ty,tz)+t2y∂F1∂y(tx,ty,tz)+t2z∂F1∂z(tx,ty,tz)] dt=∫01ddt[t2F1(tx,ty,tz)] dt=[t2F1(tx,ty,tz)]t=0t=1=F1(x,y,z)\begin{aligned} &\frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z} \\ &=\int_0^1 \Big[2tF_1\big(tx,ty,tz\big)+ t^2x\frac{\partial F_1}{\partial x}\big(tx,ty,tz\big) +t^2y\frac{\partial F_1}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) +t^2z\frac{\partial F_1}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\Big]\,dt\\ &=\int_0^1 \frac{d}{dt}\Big[ t^2 F_1(tx,ty,tz)\Big]\,dt =\Big[ t^2 F_1(tx,ty,tz)\Big]^{t=1}_{t=0} = F_1(x,y,z) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.1절 · 4번
# 발산과 회전증명·논술도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-4 · 4.2절 · 36번대학 수준우리말 번역

VV 를 곡면 ∂V\partial V 로 둘러싸인 R3\mathbb{R}^3 의 입체라 하자. 다음을 보이세요.

∬∂Vr⋅n^ dS=3 Volume(V)\iint _{\partial V}\mathbf{r}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S=3\,\text{Volume}(V)

여기서 r=x ı^+y ȷ^+z k^\mathbf{r}=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}} 이고, 평소처럼 n^\hat{\mathbf{n}} 은 ∂V\partial V 의 바깥쪽 법선이다. 이 결과를 기하학적으로 설명할 수 있는지 확인해 보세요.

영어 원문 보기

Let VV be a solid in R3\mathbb{R}^3 with surface ∂V\partial V. Show that

∬∂Vr⋅n^ dS=3 Volume(V)\iint _{\partial V}\mathbf{r}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S=3\,\text{Volume}(V)

where r=x ı^+y ȷ^+z k^\mathbf{r}=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}} and, as usual, n^\hat{\mathbf{n}} is the outer normal to ∂V\partial V. See if you can explain this result geometrically.

정답·풀이 보기

발산 정리에 의해

∬∂Vr⋅n^ dS=∭V∇⋅r dV=∭V∇⋅(x ı^+y ȷ^+z k^) dV=∭V3 dV=3 Volume(V)\iint _{\partial V}\mathbf{r}\cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S =\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{r}\,\mathrm{d}V =\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}})\,\mathrm{d}V =\iiint _V 3\,\mathrm{d}V =3\,\text{Volume}(V)

기하학적 설명은 다음 관찰에서 시작한다. 꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0) 이고 밑면이 곡면의 아주 작은 조각 dS\mathrm{d}S 인 원뿔의 부피는 밑면의 넓이와 원뿔의 높이를 곱한 값의 13\frac{1}{3} 배이다. 원뿔의 높이는 ∣n^⋅r∣|\hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r}| 이고, 여기서 r\mathbf{r} 은 dS\mathrm{d}S 위의 한 점이다. 따라서 원뿔의 부피는 13∣n^⋅r∣ dS\frac{1}{3}|\hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r}|\,\mathrm{d}S 이다.

그림

먼저 (0,0,0)(0,0,0) 이 VV 안에 있고 VV 가 볼록하다고 가정하자. 그러면

  • n^⋅r>0\hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r}>0 이고, 부피는 13n^⋅r dS\frac{1}{3} \hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r} \,\mathrm{d}S 이다.
  • 원뿔은 VV 에 포함되고,
  • VV 는 dS\mathrm{d}S 가 ∂V\partial V 전체를 움직일 때 생기는 모든 아주 작은 원뿔 조각들의 합집합이다.

따라서

Volume(V)=13∬∂Vr⋅n^ dS\text{Volume}(V)=\frac{1}{3}\iint _{\partial V}\mathbf{r}\cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S

VV 가 볼록하지 않거나 (0,0,0)(0,0,0) 이 VV 안에 있지 않은 경우로 일반화하려면, VV 를 큰 볼록 입체 하나와 하나 이상의 더 작은 볼록 입체들의 차로 나타내면 된다.

원본 교재 풀이(영어)

By the divergence theorem

∬∂Vr⋅n^ dS=∭V∇⋅r dV=∭V∇⋅(x ı^+y ȷ^+z k^) dV=∭V3 dV=3 Volume(V)\iint _{\partial V}\mathbf{r}\cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S =\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{r}\,\mathrm{d}V =\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}})\,\mathrm{d}V =\iiint _V 3\,\mathrm{d}V =3\,\text{Volume}(V)

Our gemetric explanation starts with the observation that the volume of the cone with vertex (0,0,0)(0,0,0) and base a tiny piece of surface dS\mathrm{d}S is 13\frac{1}{3} times the area of the base times the height of the cone. The height of the cone is ∣n^⋅r∣|\hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r}|, where r\mathbf{r} is a point in dS\mathrm{d}S. So the volume of the cone is 13∣n^⋅r∣ dS\frac{1}{3}|\hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r}|\,\mathrm{d}S.

figure

First assume that (0,0,0)(0,0,0) is in VV and VV is convex. Then

  • n^⋅r>0\hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r}>0, and the volume is 13n^⋅r dS\frac{1}{3} \hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r} \,\mathrm{d}S.
  • the cone is contained in VV and
  • VV is the union of all the tiny conical pieces with dS\mathrm{d}S running over ∂V\partial V.

So

Volume(V)=13∬∂Vr⋅n^ dS\text{Volume}(V)=\frac{1}{3}\iint _{\partial V}\mathbf{r}\cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S

To generalise to the case that VV is not convex or (0,0,0)(0,0,0) is not in VV, write VV as the difference between a large convex solid and one or more smaller convex solids.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.2절 · 17번
# 발산 정리증명·논술도전자동 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 · 45번대학 수준우리말 번역

SS 가 바깥쪽 법선장 n^\hat{\mathbf{n}} 을 갖는 매끄러운 닫힌 곡면이면, R3\mathbb{R}^3 에서 정의된 임의의 매끄러운 함수 p(x,y,z)p(x,y,z) 에 대해 다음이 성립함을 기억하세요.

∬Spn^ ds=∭E∇p dV\iint _S p\hat{\mathbf{n}}\ \mathrm{d}s=\iiint _E \nabla p\ \mathrm{d}V

여기서 EE 는 SS 로 둘러싸인 입체입니다. 이 결과로부터, 상수 압력의 기체 속에 놓인 입체의 겉면에 작용하는 전체 힘이 0임을 보이세요. (압력은 곡면에 수직인 방향으로 작용함을 기억하세요.)

영어 원문 보기

Recall that if SS is a smooth closed surface with outer normal field n^\hat{\mathbf{n}}, then for any smooth function p(x,y,z)p(x,y,z) on R3\mathbb{R}^3, we have

∬Spn^ ds=∭E∇p dV\iint _S p\hat{\mathbf{n}}\ \mathrm{d}s=\iiint _E \nabla p\ \mathrm{d}V

where EE is the solid bounded by SS. Show that as a consequence, the total force exerted on the surface of a solid body contained in a gas of constant pressure is zero. (Recall that the pressure acts in the direction normal to the surface.)

정답·풀이 보기

압력은 곡면 안쪽으로 수직하게 작용하는, 단위 겉넓이당 힘이다. 따라서 단위 겉넓이당 힘은 −pn^-p\hat{\mathbf{n}} 이다. SS 에 작용하는 전체 힘은

−∬Spn^ dS=−∭E∇p dV-\iint _S p\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S=-\iiint _E \nabla p\ \mathrm{d}V

이다. pp 가 상수라고 가정하므로 ∇p=0\nabla p=0 이고, 따라서 전체 힘은 0이다.

원본 교재 풀이(영어)

Pressure is force per unit surface area acting normally into a surface. So the force per unit surface area is −pn^-p\hat{\mathbf{n}}. The total force acting on SS is

−∬Spn^ dS=−∭E∇p dV-\iint _S p\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S=-\iiint _E \nabla p\ \mathrm{d}V

We are assuming that pp is a constant, so that ∇p=0\nabla p=0 and the total force is zero.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.2절 · 43번
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CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)