문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

벡터 미적분 전체 문제

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23문제 · 2 / 2쪽

21.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
# 발산 정리증명·논술도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
22.CLP-4 · 4.3절 · 1번대학 수준우리말 번역

RR 을 정사각형

R={ (x,y) ∣ 0≤x≤1, 0≤y≤1 }\begin{aligned} R=\big\{ \ (x,y)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ 0\le y\le 1\ \big\} \end{aligned}

이라 하고, f(x,y)f(x,y) 는 연속인 일계 편도함수를 가진다고 하자.

(a) 미적분의 기본정리를 이용하여 다음이 성립함을 보이세요.

∬R∂f∂y(x,y) dx dy=∫01f(x,1) dx−∫01f(x,0) dx\begin{aligned} \iint _R\frac{\partial f}{\partial y}(x,y)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\int_0^1 f(x,1)\ \mathrm{d}x - \int_0^1 f(x,0)\ \mathrm{d}x \end{aligned} (b) 그린 정리를 이용하여 다음이 성립함을 보이세요.

∬R∂f∂y(x,y) dx dy=∫01f(x,1) dx−∫01f(x,0) dx\begin{aligned} \iint _R\frac{\partial f}{\partial y}(x,y)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\int_0^1 f(x,1)\ \mathrm{d}x - \int_0^1 f(x,0)\ \mathrm{d}x \end{aligned}

영어 원문 보기

Let RR be the square

R={ (x,y) ∣ 0≤x≤1, 0≤y≤1 }\begin{aligned} R=\big\{ \ (x,y)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ 0\le y\le 1\ \big\} \end{aligned}

and let f(x,y)f(x,y) have continuous first partial derivatives.

(a) Use the fundamental theorem of calculus to show that

∬R∂f∂y(x,y) dx dy=∫01f(x,1) dx−∫01f(x,0) dx\begin{aligned} \iint _R\frac{\partial f}{\partial y}(x,y)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\int_0^1 f(x,1)\ \mathrm{d}x - \int_0^1 f(x,0)\ \mathrm{d}x \end{aligned} (b) Use Green's theorem to show that

∬R∂f∂y(x,y) dx dy=∫01f(x,1) dx−∫01f(x,0) dx\begin{aligned} \iint _R\frac{\partial f}{\partial y}(x,y)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\int_0^1 f(x,1)\ \mathrm{d}x - \int_0^1 f(x,0)\ \mathrm{d}x \end{aligned}

정답·풀이 보기

(a) 좌변을 yy 를 안쪽 적분변수로 하는 반복적분으로 나타내면

∬R∂f∂y(x,y) dx dy=∫01dx[∫01dy ∂f∂y(x,y)]=∫01dx [f(x,1)−f(x,0)]미적분의 기본정리에 의해=∫01f(x,1) dx−∫01f(x,0) dx\begin{aligned} \iint _R\frac{\partial f}{\partial y}(x,y)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y &=\int_0^1\mathrm{d}x\left[\int_0^1\mathrm{d}y\ \frac{\partial f}{\partial y}(x,y)\right] \\ &=\int_0^1\mathrm{d}x\ \big[f(x,1)-f(x,0)\big] \\ &\text{미적분의 기본정리에 의해} \\ &=\int_0^1 f(x,1)\ \mathrm{d}x - \int_0^1 f(x,0)\ \mathrm{d}x \end{aligned}

(b) F1(x,y)=f(x,y)F_1(x,y)=f(x,y), F2(x,y)=0F_2(x,y)=0 이라 하자. 그러면 그린 정리에 의해

∬R∂f∂y(x,y) dx dy=−∬R[∂F2∂x(x,y)−∂F1∂y(x,y)] dx dy=−∫∂R[F1(x,y) dx+F2(x,y) dy]=−∫∂Rf(x,y) dx\begin{aligned} \iint _R\frac{\partial f}{\partial y}(x,y)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y &=-\iint _R\Big[\frac{\partial F_2}{\partial x}(x,y) -\frac{\partial F_1}{\partial y}(x,y)\Big]\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \\ &=-\int_{\partial R}\big[F_1(x,y)\,\mathrm{d}x +F_2(x,y)\,\mathrm{d}y\big] \\ &=-\int_{\partial R}f(x,y)\,\mathrm{d}x \end{aligned}

반시계 방향으로 향을 정한 RR 의 경계는 네 선분의 합집합이다.

C1: (0,0) 에서 (1,0) 까지![그림](clp/clp4−domainSquare.png)C2: (1,0) 에서 (1,1) 까지C3: (1,1) 에서 (0,1) 까지C4: (0,1) 에서 (0,0) 까지\begin{aligned} \\[-0.1in] &\text{$C_1$: $(0,0)$ 에서 $(1,0)$ 까지} \qquad\smash{ ![그림](clp/clp4-domainSquare.png) }\\ &\text{$C_2$: $(1,0)$ 에서 $(1,1)$ 까지} \\ &\text{$C_3$: $(1,1)$ 에서 $(0,1)$ 까지} \\ &\text{$C_4$: $(0,1)$ 에서 $(0,0)$ 까지} \\[-0.1in] \end{aligned}

이제 C2C_2 와 C4C_4 위에서 xx 는 상수이므로

∫C2f(x,y) dx=∫C4f(x,y) dx=0\int_{C_2}f(x,y)\,\mathrm{d}x = \int_{C_4}f(x,y)\,\mathrm{d}x =0

따라서 −C3-C_3 을 (0,1)(0,1) 에서 (1,1)(1,1) 까지의 선분이라 하면

∬R∂f∂y(x,y) dx dy=−[∫C1f(x,y) dx+∫C3f(x,y) dx]=∫−C3f(x,y) dx−∫C1f(x,y) dx=∫01f(x,1) dx−∫01f(x,0) dx\begin{aligned} \iint _R\frac{\partial f}{\partial y}(x,y)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y &=-\left[\int_{C_1}f(x,y)\,\mathrm{d}x+\int_{C_3}f(x,y)\,\mathrm{d}x\right]\\ &=\int_{-C_3}f(x,y)\,\mathrm{d}x-\int_{C_1}f(x,y)\,\mathrm{d}x \\ &=\int_0^1 f(x,1)\ \mathrm{d}x - \int_0^1 f(x,0)\ \mathrm{d}x \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Expressing the left hand side as an iterated integral, with yy as the inner integration variable, we have

∬R∂f∂y(x,y) dx dy=∫01dx[∫01dy ∂f∂y(x,y)]=∫01dx [f(x,1)−f(x,0)]by the fundamental theorem of calculus=∫01f(x,1) dx−∫01f(x,0) dx\begin{aligned} \iint _R\frac{\partial f}{\partial y}(x,y)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y &=\int_0^1\mathrm{d}x\left[\int_0^1\mathrm{d}y\ \frac{\partial f}{\partial y}(x,y)\right] \\ &=\int_0^1\mathrm{d}x\ \big[f(x,1)-f(x,0)\big] \\ &\text{by the fundamental theorem of calculus} \\ &=\int_0^1 f(x,1)\ \mathrm{d}x - \int_0^1 f(x,0)\ \mathrm{d}x \end{aligned}

(b) Define F1(x,y)=f(x,y)F_1(x,y)=f(x,y) and F2(x,y)=0F_2(x,y)=0. Then. by Green's theorem

∬R∂f∂y(x,y) dx dy=−∬R[∂F2∂x(x,y)−∂F1∂y(x,y)] dx dy=−∫∂R[F1(x,y) dx+F2(x,y) dy]=−∫∂Rf(x,y) dx\begin{aligned} \iint _R\frac{\partial f}{\partial y}(x,y)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y &=-\iint _R\Big[\frac{\partial F_2}{\partial x}(x,y) -\frac{\partial F_1}{\partial y}(x,y)\Big]\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \\ &=-\int_{\partial R}\big[F_1(x,y)\,\mathrm{d}x +F_2(x,y)\,\mathrm{d}y\big] \\ &=-\int_{\partial R}f(x,y)\,\mathrm{d}x \end{aligned}

The boundary of RR, oriented counterclockwise, is the union of four line segments.

C1 from (0,0) to (1,0)![figure](clp/clp4−domainSquare.png)C2 from (1,0) to (1,1)C3 from (1,1) to (0,1)C4 from (0,1) to (0,0)\begin{aligned} \\[-0.1in] &\text{$C_1$ from $(0,0)$ to $(1,0)$} \qquad\smash{ ![figure](clp/clp4-domainSquare.png) }\\ &\text{$C_2$ from $(1,0)$ to $(1,1)$} \\ &\text{$C_3$ from $(1,1)$ to $(0,1)$} \\ &\text{$C_4$ from $(0,1)$ to $(0,0)$} \\[-0.1in] \end{aligned}

Now xx is constant on C2C_2 and C4C_4 so that

∫C2f(x,y) dx=∫C4f(x,y) dx=0\int_{C_2}f(x,y)\,\mathrm{d}x = \int_{C_4}f(x,y)\,\mathrm{d}x =0

So, using −C3-C_3 to denote the line segment from (0,1)(0,1) to (1,1)(1,1)

∬R∂f∂y(x,y) dx dy=−[∫C1f(x,y) dx+∫C3f(x,y) dx]=∫−C3f(x,y) dx−∫C1f(x,y) dx=∫01f(x,1) dx−∫01f(x,0) dx\begin{aligned} \iint _R\frac{\partial f}{\partial y}(x,y)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y &=-\left[\int_{C_1}f(x,y)\,\mathrm{d}x+\int_{C_3}f(x,y)\,\mathrm{d}x\right]\\ &=\int_{-C_3}f(x,y)\,\mathrm{d}x-\int_{C_1}f(x,y)\,\mathrm{d}x \\ &=\int_0^1 f(x,1)\ \mathrm{d}x - \int_0^1 f(x,0)\ \mathrm{d}x \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.4절 · 14번
# 그린 정리증명·논술기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
23.CLP-4 · 4.3절 · 2번대학 수준우리말 번역

RR 을 xyxy 평면 위의 유한한 영역이라 하고, 그 경계 CC 는 반시계 방향으로 향하는, 구간별로 매끄러운 하나의 단순 닫힌곡선이라 하자. “단순”은 곡선이 자기 자신과 만나지 않는다는 뜻이다. 그린 정리를 이용하여 다음을 보이세요.

∬R∇⋅F dx dy=∮CF⋅n^ ds\iint _R{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y=\oint_C\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}s

여기서 F=F1 ı^+F2 ȷ^\mathbf{F}=F_1\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+F_2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고, n^\hat{\mathbf{n}} 은 CC 의 바깥쪽 단위법선벡터, ss 는 CC 를 따라 잰 호의 길이이다.

그림

영어 원문 보기

Let RR be a finite region in the xyxy-plane, whose boundary, CC, consists of a single, piecewise smooth, simple closed curve that is oriented counterclockwise. “Simple” means that the curve does not intersect itself. Use Green's theorem to show that

∬R∇⋅F dx dy=∮CF⋅n^ ds\iint _R{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y=\oint_C\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}s

where F=F1 ı^+F2 ȷ^\mathbf{F}=F_1\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+F_2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, n^\hat{\mathbf{n}} is the outward unit normal to CC and ss is the arclength along CC.

figure

정답·풀이 보기

r(s)=x(s) ı^+y(s) ȷ^\mathbf{r}(s)=x(s)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y(s)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 를 CC 의 호의 길이에 의한 반시계 방향 매개변수 표현이라 하자. 그러면 T^(s)=r′(s)=x′(s) ı^+y′(s) ȷ^\hat{\mathbf{T}}(s) = \mathbf{r}'(s) = x'(s)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y'(s)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 는 r(s)\mathbf{r}(s) 에서 CC 의 진행 방향 단위접선벡터이고 n^(s)=r′(s)×k^=y′(s) ı^−x′(s) ȷ^\hat{\mathbf{n}}(s) = \mathbf{r}'(s)\times\hat{\mathbf{k}}=y'(s)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x'(s)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이다. r′(s)×k^\mathbf{r}'(s)\times\hat{\mathbf{k}} 가 정말로 n^(s)\hat{\mathbf{n}}(s) 임을 확인하기 위해, y′(s) ı^−x′(s) ȷ^y'(s)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x'(s)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 가 다음을 만족함에 주목하자.

  • r′(s)\mathbf{r}'(s) 와 길이가 같으며, 그 길이는 11 이다(r(s)\mathbf{r}(s) 는 호의 길이에 의한 매개변수 표현임을 상기하자).
  • xyxy 평면 위에 있다.
  • r′(s)\mathbf{r}'(s) 에 수직이다. (r′(s)⋅[y′(s) ı^−x′(s) ȷ^]=0\mathbf{r}'(s)\cdot\big[y'(s)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x'(s)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big]=0 임을 확인하자.)
  • 오른손 법칙을 이용하여 r′(s)×k^\mathbf{r}'(s)\times\hat{\mathbf{k}} 가 −n^-\hat{\mathbf{n}} 이 아니라 n^\hat{\mathbf{n}} 임을 확인한다.

그림

따라서 그린 정리에 의해

∮CF⋅n^ ds=∮C[F1 dyds−F2 dxds] ds=∮C[−F2 dx+F1 dy]=∬R[∂∂xF1−∂∂y(−F2)] dx dy=∬R∇⋅F dx dy\begin{aligned} \oint_C\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}s &=\oint_C\left[F_1\,\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}s}-F_2\,\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}s}\right]\,\mathrm{d}s =\oint_C\left[-F_2\,\mathrm{d}x+F_1\,\mathrm{d}y\right] =\iint _R\left[\frac{\partial }{\partial x}F_1-\frac{\partial }{\partial y}(-F_2)\right]\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \\ &=\iint _R{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Let r(s)=x(s) ı^+y(s) ȷ^\mathbf{r}(s)=x(s)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y(s)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} be a counterclockwise parametrization of CC by arc length. Then T^(s)=r′(s)=x′(s) ı^+y′(s) ȷ^\hat{\mathbf{T}}(s) = \mathbf{r}'(s) = x'(s)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y'(s)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} is the forward pointing unit tangent vector to CC at r(s)\mathbf{r}(s) and n^(s)=r′(s)×k^=y′(s) ı^−x′(s) ȷ^\hat{\mathbf{n}}(s) = \mathbf{r}'(s)\times\hat{\mathbf{k}}=y'(s)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x'(s)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}. To see that r′(s)×k^\mathbf{r}'(s)\times\hat{\mathbf{k}} really is n^(s)\hat{\mathbf{n}}(s), note that y′(s) ı^−x′(s) ȷ^y'(s)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x'(s)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

  • has the same length, namely 11, as r′(s)\mathbf{r}'(s) (recall that r(s)\mathbf{r}(s) is a parametrization by arc length),
  • lies in the xyxy-plane and
  • is perpendicular to r′(s)\mathbf{r}'(s). (Check that r′(s)⋅[y′(s) ı^−x′(s) ȷ^]=0\mathbf{r}'(s)\cdot\big[y'(s)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x'(s)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big]=0.)
  • Use the right hand rule to check that r′(s)×k^\mathbf{r}'(s)\times\hat{\mathbf{k}} is n^\hat{\mathbf{n}} rather than −n^-\hat{\mathbf{n}}.

figure

So, by Green's theorem,

∮CF⋅n^ ds=∮C[F1 dyds−F2 dxds] ds=∮C[−F2 dx+F1 dy]=∬R[∂∂xF1−∂∂y(−F2)] dx dy=∬R∇⋅F dx dy\begin{aligned} \oint_C\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}s &=\oint_C\left[F_1\,\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}s}-F_2\,\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}s}\right]\,\mathrm{d}s =\oint_C\left[-F_2\,\mathrm{d}x+F_1\,\mathrm{d}y\right] =\iint _R\left[\frac{\partial }{\partial x}F_1-\frac{\partial }{\partial y}(-F_2)\right]\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \\ &=\iint _R{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.3절 · 3번
# 그린 정리증명·논술기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)