유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
526문제 · 27 / 27쪽
521.CLP-4 · 4.4절 · 31번대학 수준우리말 번역
(a) S 를 원기둥면
y2+z2=9 (x=0 과 x=5 사이)와, yz평면 위에서 원점을 중심으로 하는 반지름 3 인 원판으로 이루어진 양동이 모양의 곡면이라 하자. (양동이 S 는 바닥은 있지만 뚜껑은 없다.) S 의 단위법선벡터가 바깥쪽을 향하도록 방향을 정한다. G=(x,−z,y) 일 때, S 를 지나는 벡터장 ∇×G 의 플럭스를 구하세요.
(b) S 가 (a)와 같을 때, S 를 지나는 벡터장 F=(2+z,xz2,xcosy) 의 플럭스를 구하세요.
영어 원문 보기
(a) Let S be the bucket shaped surface consisting of the cylindrical surface
y2+z2=9 between x=0 and x=5, and the disc inside the
yz-plane of radius 3 centered at the origin. (The bucket S
has a bottom, but no lid.) Orient S in such a way that the unit normal
points outward. Compute the flux of the vector field ∇×G
through S, where G=(x,−z,y).
(b) Compute the flux of the vector field F=(2+z,xz2,xcosy)
through S, where S is as in (a).
답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기
(a) 직접 계산:G 의 회전(curl)은 다음과 같다.
∇×G=det^∂x∂x^∂y∂−zk^∂z∂y=2^
S 중 제1팔분공간에 있는 부분은 아래 왼쪽 그림과 같다.
S 는 두 부분, 즉 원기둥면
S1={(x,y,z)y2+z2=9,0≤x≤5}
과 원판
S2={(x,y,z)x=0,y2+z2≤9}
으로 이루어진다.
S1 의 법선벡터 n^ 은 항상 원기둥에서 반지름 방향 바깥쪽을 향하므로 ^ 성분이 항상 0 이다. S2 의 법선벡터는 −^ 이다.
따라서 플럭스는 다음과 같다.
(a) 스토크스 정리 이용:
스토크스 정리를 이용하자. S 의 경계 ∂S 는 원
y2+z2=9, x=5 이고, x축의 먼 쪽에서 볼 때 시계 방향으로 방향이 주어진다.
이를 r(θ)=(5,3cosθ,−3sinθ) 로 매개화한다.
그러면 스토크스 정리에 의해 다음을 얻는다.
(b)
이번에는 발산 정리를 이용하자. 곡면 S 는 닫혀 있지 않다.
그래서 S 위에 뚜껑 T={(5,y,z)y2+z2≤9} 를 “덮어서” 만든 보조 곡면을 이용한다. T 의 법선벡터를 ^ 로 정하면, S 와 T 의 합집합인 이 보조 곡면은
V={(x,y,z)y2+z2≤9,0≤x≤5} 의 경계이다. 따라서 발산 정리에 의해 다음을 얻는다.
(a) using Stokes' theorem:
Let's use Stokes' theorem. The boundary ∂S of S is the cirlce
y2+z2=9, x=5, oriented clockwise when viewed from far down the x-axis.
We'll parametrize it by r(θ)=(5,3cosθ,−3sinθ).
Then Stokes' theorem gives
(b)
This time we'll use the divergence theorem. The surface S is not closed.
So we'll use the auxilary surface formed by “topping S off”
with the cap T={(5,y,z)y2+z2≤9}. If we give T the normal vector ^, this auxiliary surface, the union of S and T, is the boundary of
V={(x,y,z)y2+z2≤9,0≤x≤5}. So the divergence theorem gives
∬SF⋅n^dS+∬TF⋅n^dS=∬∂VF⋅n^dS=∭V∇⋅FdV=0
since ∇⋅F=0. Thus the flux of interest is
∬SF⋅n^dS=−∬TF⋅n^dS=−∬TF⋅^dS=−∬T(2+z)dS=−2∬TdSsince ∬TzdS=0, because z is odd=−18πsince T has area 9π
(a) D는 연결되어 있다.
(b) D는 단순연결이다.
(c) D는 연결되어 있지 않다.
(c) ∇×F 를 구하세요.
(d) C 를 평면 z=2 위에서 꼭짓점이 (3±1,3±1) 인 정사각형이라 하고, 시계 방향(위에서 내려다본 방향, 즉 z축 아래 방향으로 본 방향)으로 향을 주자. 다음을 구하세요.
∫CF⋅dr
(e) F 는 보존적인지 판단하세요.
영어 원문 보기
Let
F(x,y,z)=(xy+x1+x2,x2−y1+y2,cos5(lnz))
(a) Write down the domain D of F.
(b) Circle the correct statement(s):
(a) D is connected.
(b) D is simply connected.
(c) D is disconnected.
(c) Compute ∇×F.
(d) Let C be the square with corners (3±1,3±1) in the plane
z=2, oriented clockwise (viewed from above, i.e. down z-axis).
Compute
∫CF⋅dr
(e) Is F conservative?
정답·풀이 보기
(a)
xy 는 x=0 일 때 정의되고,
x1+x2=e(1+x2)lnx 는 lnx 가 정의될 때 정의되는데,
이는 x>0 일 때이다(복소수를 사용할 수 없다고 가정한다).
그리고
y1+y2=e(1+y2)lny 는 lny 가 정의될 때 정의되는데,
이는 y>0 일 때이다.
그리고
cos5(lnz) 는 lnz 가 정의될 때 정의되는데,
이는 z>0 일 때이다.
따라서 F 의 정의역은 다음과 같다.
D={(x,y,z)x>0,y>0,z>0}
(b) 정의역 D 는 연결되어 있고(D 안의 임의의 두 점을 D 안에 완전히 놓이는 곡선으로 이을 수 있다) 단순연결이다(D 안의 임의의 단순닫힌곡선을 D 안에서 연속적으로 한 점까지 줄일 수 있다).
x1+x2=e(1+x2)lnx is defined when lnx is defined,
which is when x>0 (assuming that we are not allowed to use complex numbers)
and
y1+y2=e(1+y2)lny is defined when lny is defined,
which is when y>0 and
cos5(lnz) is defined when lnz is defined,
which when z>0
the domain of F is
D={(x,y,z)x>0,y>0,z>0}
(b) The domain D is both connected (any two points in D
can be joined by a curve that lies completely in D) and
simply connected (any simple closed curve in D can be shrunk to a
point continuously in D).
C 를 xy평면에서 점 (0,0) 에서 점 (5,5) 까지 가는 곡선이라 하자. 이 곡선은 점 (0,0), (0,1), (1,1), (1,2), (2,2), (2,3), (3,3), (3,4), (4,4), (4,5), (5,5) 를 차례로 이은 열 개의 선분으로 이루어져 있다. 선적분
∫CF⋅dr
의 값을 구하세요. 단,
F=y^+(2x−10)^
이다.
영어 원문 보기
Let C be the curve in the xy-plane from the point (0,0) to
the point (5,5) consisting of the ten line segments consecutively
connecting the points (0,0), (0,1), (1,1), (1,2), (2,2), (2,3),
(3,3), (3,4), (4,4), (4,5), (5,5). Evaluate the line integral
∫CF⋅dr
where
F=y^+(2x−10)^
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
C 가 열 개의 선분으로 이루어져 있으므로 직접 계산하는 것은 아마도 그리 효율적이지 않을 것이다. 다른 방법으로 두 가지를 생각할 수 있다. F 가 보존적이면 F 의 퍼텐셜을 이용할 수 있다. F 가 보존적이지 않더라도 스토크스 정리(또는 그린 정리)를 효율적으로 이용할 수 있을지 모른다. 그래서 다음을 계산하자.
∇×F=det^∂x∂y^∂y∂2x−10k^∂z∂0=k^
∇×F=0 이므로 벡터장 F 는 보존적이 아니다. 또 ∇×F=0 이 매우 간단하므로, 스토크스 정리를 이용하면 적분을 효율적으로 계산할 수 있을 것 같다. 아래 왼쪽 그림에 C 의 개형이 있다.
곡선 C 는 닫혀 있지 않으므로 어떤 곡면의 경계가 아니며, 따라서 스토크스 정리를 바로 적용할 수 없다. 그러나 경계가 C 를 포함하는 곡면은 쉽게 떠올릴 수 있다. 위 오른쪽 그림에서 색칠한 영역을 R 이라 하자. R 의 경계 ∂R 은 C 와 선분 L 의 두 부분으로 이루어져 있다. R 의 법선은 −k^ 방향이다(∂R 가 시계 방향으로 향하므로). 따라서 스토크스 정리에 의해
Considering that there are ten line segments in C,
it is probably not very efficient to use direct evaluation.
Two other possible methods come to mind. If F is conservative,
we can use F's potential. Even if F is not conservative,
it may be possible to efficiently use Stokes' (or Green's) theorem.
So let's compute
∇×F=det^∂x∂y^∂y∂2x−10k^∂z∂0=k^
As ∇×F=0, the vector field F is not conservative.
As ∇×F=0 is very simple, it looks like Stokes'
theorem could provide an efficient way to compute the integral.
The left figure below contains a sketch of C.
The curve C is not closed, and so is not the boundary of a surface,
so we cannot apply Stokes' theorem directly. But we can easily
come up with a surface whose boundary contains C. Let R be the shaded
region in the figure on the right above. The boundary ∂R
of R consists of two parts — C and the line segment L.
The normal of R for −k^ (since ∂R is oriented clockwise).
So Stokes' theorem gives
이것은 모든 곡면 S 에 대해 성립한다. 따라서 피적분함수가 연속이라고 가정하면 피적분함수는 0이어야 한다.
이를 확인하기 위해
G=(∇×E+c1∂t∂H)
라 하자. G(x0)=0 이라고 가정한다. G(x0) 의 방향으로 단위 벡터 n^ 을 잡는다. S 를 x0 를 중심으로 하고 법선 벡터가 n^ (우리가 잡은 벡터)인 아주 작은 평평한 원판이라 하자. 그러면 G(x0)⋅n^>0 이고, S 를 충분히 작게 잡았다면 연속성에 의해 S 위의 모든 x 에 대해 G(x)⋅n^>0 이다.
그러면 ∬S(∇×E+c1∂t∂H)⋅n^dS>0 이 되어 모순이다.
따라서 모든 곳에서 G=0 이고, 다음을 얻는다.
∇×E+c1∂t∂H=0
원본 교재 풀이(영어)
By Stokes' Theorem,
∮CE⋅dr=∬S(∇×E)⋅n^dS
so Faraday's law becomes
∬S(∇×E+c1∂t∂H)⋅n^dS=0
This is true for all surfaces S. So the integrand, assuming that it is
continuous, must be zero.
To see this, let
G=(∇×E+c1∂t∂H).
Suppose that G(x0)=0. Pick a unit vector n^ in the direction
of G(x0). Let S be a very small flat disk centered on x0
with normal n^ (the vector we picked). Then G(x0)⋅n^>0
and, by continuity, G(x)⋅n^>0 for all x on S, if we have
picked S small enough.
Then ∬S(∇×E+c1∂t∂H)⋅n^dS>0, which is a contradiction.
So G=0 everywhere and we conclude that
이다. 모든 t 에 대해 x(t)=z(t) 이고 x(t)2+y(t)2+z(t)2=2 이다.
따라서 주어진 곡선은 평면 x=z 와 구 x2+y2+z2=2 의 교선이다. 이 곡선은 다음 원판의 경계이다.
D={(x,y,z)x=z,x2+y2+z2≤2}
곡선의 방향은
(x(t),y(t))=(cost,2sint)
가 표준 방향(반시계 방향)으로 움직이도록 정해져 있다. 그러므로 스토크스 정리에서 쓰는 D 의 단위법선벡터는 k^ 성분이 양수이다. 평면 x−z=0 의 단위법선벡터는 ±21(1,0,−1) 이므로, 스토크스 정리에서 쓰는 단위법선벡터는 n^=21(−1,0,1) 이다. 스토크스 정리에 의해
For every t, we have x(t)=z(t) and x(t)2+y(t)2+z(t)2=2.
So the specified curve is the intersection of the plane x=z and the sphere
x2+y2+z2=2. This curve is the boundary of the circular disk
D={(x,y,z)x=z,x2+y2+z2≤2}
The curve is oriented so that
(x(t),y(t))=(cost,2sint)
runs in the standard (counterclockwise) direction. So the unit normal
to D used in Stokes' theorem has positive k^ component. Since the
plane x−z=0 has unit normal ±21(1,0,−1), the unit
normal used in Stokes' theorem is n^=21(−1,0,1). By Stokes'
theorem
The disk D is invariant under the reflection (x,y,z)→(−x,y,−z).
Since y2z3 is odd under this reflection, ∬Dy2z3ds=0
and
∮F⋅dr=21∬DdS=21Area(D)
Because the centre of the ball x2+y2+z2≤2 (namely (0,0,0))
is contained in the plane x=z, the radius of the disk D is the same
as the radius of the sphere x2+y2+z2=2. So D has radius 2 and
∬S(∇×F)⋅n^dS 를 생각하세요. 여기서 S 는
구 x2+y2+z2=1 의 일부분으로 x+y+z≥1 을 만족하고, n^ 은
구의 위쪽을 향하는 법선벡터이며
F=(y−z)^+(z−x)^+(x−y)k^ 입니다.
∬S(∇×F)⋅n^dS=∬S′(∇×F)⋅n^dS 를 만족하는 다른
곡면 S′ 을 구하고, ∬S′(∇×F)⋅n^dS 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Consider ∬S(∇×F)⋅n^dS where S
is the portion of the sphere x2+y2+z2=1 that obeys x+y+z≥1, n^
is the upward pointing normal to the sphere and
F=(y−z)^+(z−x)^+(x−y)k^. Find another
surface S′ with the property that ∬S(∇×F)⋅n^dS=∬S′(∇×F)⋅n^dS and evaluate
∬S′(∇×F)⋅n^dS.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
S′ 을 평면 x+y+z=1 중에서 구 x2+y2+z2=1 의 내부에 있는 부분이라 하자. 그러면 ∂S=∂S′ 이므로 스토크스 정리에 의해
(n^ 은 항상 위쪽을 향하는 법선벡터)
S′ 은 평면과 구의 교선으로 둘러싸인 부분이므로 원판이다. 그 중심 (xc,yc,zc) 는
xc+yc+zc=1 을 만족해야 한다. 대칭성에 의해 xc=yc=zc 이므로 xc=yc=zc=31 이다.
x+y+z=1 과 x2+y2+z2=1 을 모두 만족하는 임의의 점 (x,y,z) 는
즉 S′ 의 경계 위의 모든 점은 (31,31,31) 로부터 거리 32 에 있다.
따라서 S′ 의 반지름은 32 이고,
S′ 의 넓이는 32π 이며
∬S′(∇×F)⋅n^dS=−23×Area(S′)=−34π
이다.
원본 교재 풀이(영어)
Let S′ be the portion of x+y+z=1 that is inside the sphere
x2+y2+z2=1. Then ∂S=∂S′, so, by Stokes' theorem,
(with n^ always the upward pointing normal)
S′ is the intersection of a plane with a sphere and so is a circular disk. It's center (xc,yc,zc) has to obey
xc+yc+zc=1. By symmetry, xc=yc=zc, so xc=yc=zc=31.
Any point, (x,y,z), which satisfies both x+y+z=1 and x2+y2+z2=1,
obeys