문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

벡터 미적분 전체 문제

이 단원의 모든 연습문제입니다. 소단원으로 좁혀 보려면 아래 꼬리표를 누르세요.

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

712문제 · 31 / 36쪽

601.CLP-4 · 2.1절 · 9번대학 수준우리말 번역

v(x,y)=(x2+y2 , (x−1)2+(y−1)2)\mathbf{v}(x,y) = \left( \sqrt{x^2+y^2}~,~\sqrt{(x-1)^2+(y-1)^2}\right) 의 방향장을 그래프로 그리세요.

영어 원문 보기

Sketch the direction field of v(x,y)=(x2+y2 , (x−1)2+(y−1)2)\mathbf{v}(x,y) = \left( \sqrt{x^2+y^2}~,~\sqrt{(x-1)^2+(y-1)^2}\right).

정답·풀이 보기

결국에는 단위 길이의 벡터만 그리게 되지만, v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 의 xx성분과 yy성분을 구하면 그 방향을 알 수 있다.

v(x,y)⋅ı^\mathbf{v}(x,y)\cdot \hat{\boldsymbol{\imath}} 는 (x,y)(x,y) 에서 원점까지의 거리이고, v(x,y)⋅ȷ^\mathbf{v}(x,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}} 는 (x,y)(x,y) 에서 점 (1,1)(1,1) 까지의 거리이다. 이 두 수는 항상 음이 아니다. 따라서 다음과 같은 그림이 된다.

그림

(x,y)(x,y) 가 원점에서 멀리 떨어져 있으면, (0,0)(0,0) 까지의 거리는 (1,0)(1,0) 까지의 거리와 거의 같다. 그러므로 v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 는 (1,1)(1,1) 의 스칼라 배수에 가까울 것으로 예상된다.

(0,0)(0,0) 에서 v(0,0)⋅ı^=0v(0,0)\cdot \hat{\boldsymbol{\imath}}=0 이므로 이 벡터는 수평이다. 마찬가지로 v(1,1)⋅ȷ^=0v(1,1)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}=0 이므로 이 벡터는 수평이다. (0,0)(0,0) 에 아주 가까운 곳의 벡터는 거의 수평이고, (1,1)(1,1) 에 가까운 곳의 벡터는 거의 수직이다.

그림

방향장을 그리기 위해 벡터의 길이가 1이 되도록 정규화한다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Although ultimately we'll sketch only unit-length vectors, we can still find the direction of v(x,y)\mathbf{v}(x,y) by finding its xx- and yy components.

Note v(x,y)⋅ı^\mathbf{v}(x,y)\cdot \hat{\boldsymbol{\imath}} is the distance from (x,y)(x,y) to the origin, while v(x,y)⋅ȷ^\mathbf{v}(x,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}} is the distance from (x,y)(x,y) to the point (1,1)(1,1). Both these numbers are always nonnegative. This leads to the following sketch:

figure

When (x,y)(x,y) is far from the origin, its distance from (0,0)(0,0) is almost the same as its distance from (1,0)(1,0). So, we expect v(x,y)\mathbf{v}(x,y) to be approximately a scalar multiple of (1,1)(1,1).

At (0,0)(0,0), v(0,0)⋅ı^=0v(0,0)\cdot \hat{\boldsymbol{\imath}}=0, so our vector is horizontal; similarly, v(1,1)⋅ȷ^=0v(1,1)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}=0 so this vector is horizontal. Vectors very near to (0,0)(0,0) are nearly horizontal, while vectors near to (1,1)(1,1) are nearly vertical.

figure

For the direction field, we normalize our vectors to have unit length.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.1절 · 6번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
602.CLP-4 · 2.1절 · 11번대학 수준우리말 번역

벡터장 v(x,y)=[1/3x2+y2(x,y)+1/3(x−1)2+y2(x−1,y)]\displaystyle \mathbf{v}(x,y)=\left[\frac{1/3}{\sqrt{x^2+y^2}}(x,y)+\frac{1/3}{\sqrt{(x-1)^2+y^2}}(x-1,y)\right] 을 그리세요.

영어 원문 보기

Sketch the vector field v(x,y)=[1/3x2+y2(x,y)+1/3(x−1)2+y2(x−1,y)]\displaystyle \mathbf{v}(x,y)=\left[\frac{1/3}{\sqrt{x^2+y^2}}(x,y)+\frac{1/3}{\sqrt{(x-1)^2+y^2}}(x-1,y)\right].

정답·풀이 보기

벡터장 v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 는 원점에서 멀어지는 방향의 단위벡터와 (1,0)(1,0) 에서 멀어지는 방향의 단위벡터의 합에 1/3을 곱한 것이다. 이로부터 몇몇 영역에 대해 알 수 있다.

  • (0,0)(0,0) 과 (1,0)(1,0) 사이의 xx축 위에서는 이 두 점에서 멀어지는 방향의 벡터가 서로 반대 방향이고 (길이가 같으므로) 서로 상쇄된다. 즉, 모든 x∈(0,1)x \in (0,1) 에 대해 v(x,0)=0v(x,0)=0 이다.
  • v(0,0)v(0,0) 과 v(1,0)v(1,0) 은 정의되지 않는다.
  • [0,1][0,1] 바깥의 xx축 위에서는 점 (0,0)(0,0) 에서 멀어지는 방향의 벡터가 점 (1,0)(1,0) 에서 멀어지는 방향의 벡터와 같다. 따라서 x<0x<0 일 때 v(x,0)=(−2/3,0)v(x,0)=(-2/3,0) 이고, x>1x>1 일 때 v(x,0)=(2/3,0)v(x,0)=(2/3,0) 이다.

그림

  • (x,y)(x,y) 에서 원점까지의 거리가 커질수록, (0,0)(0,0) 에서 멀어지는 방향의 벡터는 (1,0)(1,0) 에서 멀어지는 방향의 벡터와 점점 더 비슷해진다. 따라서 원점에서 멀리 떨어진 곳의 벡터는 원점에서 멀어지는 방향을 향하고 길이가 약 2/3인 벡터와 비슷하다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

The field v(x,y)\mathbf{v}(x,y) is the sum, scaled by 1/3, of the unit vector pointing away from the origin and the unit vector pointing away from (1,0)(1,0). This tells us about a few regions:

  • Along the xx axis between (0,0)(0,0) and (1,0)(1,0), the vectors away from these points are pointing in opposite directions (and have the same length), so they cancel each other out. That is, v(x,0)=0v(x,0)=0 for all x∈(0,1)x \in (0,1).
  • v(0,0)v(0,0) and v(1,0)v(1,0) are not defined.
  • Along the xx-axis outside of [0,1][0,1], the vector pointing away from the point (0,0)(0,0) is the same as the vector pointing away from the point (1,0)(1,0). So, v(x,0)=(−2/3,0)v(x,0)=(-2/3,0) for x<0x<0 and v(x,0)=(2/3,0)v(x,0)=(2/3,0) for x>1x>1.

figure

  • As the distance from (x,y)(x,y) to the origin grows, the vector pointing away from (0,0)(0,0) looks more and more like the vector pointing away from (1,0)(1,0). So, our vectors far away from the origin look like vectors of length about 2/3, pointing away from the origin.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.1절 · 13번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
603.CLP-4 · 2.1절 · 13번대학 수준우리말 번역

질량이 MM 인 물체는 자신으로부터 거리 DD 만큼 떨어진 단위 질량의 입자에 크기가 GMD2\frac{GM}{D^2} 인 힘을 작용한다. 여기서 GG 는 물리 상수이다. 이 힘은 입자에서 물체를 향하는 방향으로 작용한다.

그림

좌표평면 위에서 질량 5 kg 인 물체가 위치 (0,0)(0,0) 에, 질량 3 kg 인 물체가 위치 (2,3)(2,3) 에, 질량 7 kg 인 물체가 위치 (4,0)(4,0) 에 놓여 있다고 하자. 위치 (x,y)(x,y) 에 있는 단위 질량에 작용하는 전체 중력의 벡터장 f(x,y)\mathbf{f}(x,y) 를 구하세요.

영어 원문 보기

A body of mass MM exerts a force of magnitude GMD2\frac{GM}{D^2} on a particle of unit mass distance DD away from itself, where GG is a physical constant. The force acts in the direction from the particle to the body.

figure

Suppose a mass of 5 kg sits at position (0,0)(0,0), a mass of 3 kg sits at position (2,3)(2,3), and a mass of 7 kg sits at position (4,0)(4,0) on a coordinate plane. Give the vector field f(x,y)\mathbf{f}(x,y) of the net gravitational force exerted on a unit mass at position (x,y)(x,y).

정답·풀이 보기

위치 (x,y)(x,y) 에 있는 단위 질량의 입자는 5kg 물체로부터 거리 D1=x2+y2D_1=\sqrt{x^2+y^2} 만큼 떨어져 있으므로, 그 물체는 입자에 크기가 G(5)x2+y2\frac{G(5)}{x^2+y^2} 인 힘을 작용한다. 이 힘의 방향은 (−x,−y)(-x,-y) 이다. 따라서 5kg 물체가 작용하는 힘은 f1(x,y)=−5G(x2+y2)3/2(x,y)\mathbf{f}_1(x,y)=\frac{-5G}{(x^2+y^2)^{3/2}}(x,y) 이다.

마찬가지로, (2,3)(2,3) 에 있는 3 kg 물체가 작용하는 힘은 f2(x,y)=3G((x−2)2+(y−3)2)3/2(2−x,3−y)\mathbf{f}_2(x,y)=\frac{3G}{((x-2)^2+(y-3)^2)^{3/2}}(2-x,3-y) 이고, (4,0)(4,0) 에 있는 7 kg 물체가 작용하는 힘은 f3(x,y)=7G((x−4)2+y2)3/2(4−x,−y)\mathbf{f}_3(x,y)=\frac{7G}{((x-4)^2+y^2)^{3/2}}(4-x,-y) 이다.

따라서 단위 질량에 작용하는 전체 힘은 다음과 같다.

f(x,y)=f1(x,y)+f2(x,y)+f3(x,y)=−5G(x,y)(x2+y2)3/2+3G(2−x,3−y)((x−2)2+(y−3)2)3/2+7G(4−x,−y)((x−4)2+y2)3/2\begin{aligned} \mathbf{f}(x,y)&=\mathbf{f}_1(x,y)+\mathbf{f}_2(x,y)+\mathbf{f}_3(x,y)\\ &=\frac{-5G(x,y)}{(x^2+y^2)^{3/2}}+\frac{3G(2-x,3-y)}{((x-2)^2+(y-3)^2)^{3/2}}+\frac{7G(4-x,-y)}{((x-4)^2+y^2)^{3/2}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

A particle of unit mass at position (x,y)(x,y) has distance D1=x2+y2D_1=\sqrt{x^2+y^2} from the 5kg mass, so that mass exerts a force of magnitude G(5)x2+y2\frac{G(5)}{x^2+y^2} on the particle. This force has direction (−x,−y)(-x,-y). So, the force exerted by the 5kg mass is f1(x,y)=−5G(x2+y2)3/2(x,y)\mathbf{f}_1(x,y)=\frac{-5G}{(x^2+y^2)^{3/2}}(x,y).

Similarly, the 3 kg mass at (2,3)(2,3) exerts a force of f2(x,y)=3G((x−2)2+(y−3)2)3/2(2−x,3−y)\mathbf{f}_2(x,y)=\frac{3G}{((x-2)^2+(y-3)^2)^{3/2}}(2-x,3-y); and the 7 kg mass at (4,0)(4,0) exerts a force of f3(x,y)=7G((x−4)2+y2)3/2(4−x,−y)\mathbf{f}_3(x,y)=\frac{7G}{((x-4)^2+y^2)^{3/2}}(4-x,-y).

The net force on a unit mass is therefore

f(x,y)=f1(x,y)+f2(x,y)+f3(x,y)=−5G(x,y)(x2+y2)3/2+3G(2−x,3−y)((x−2)2+(y−3)2)3/2+7G(4−x,−y)((x−4)2+y2)3/2\begin{aligned} \mathbf{f}(x,y)&=\mathbf{f}_1(x,y)+\mathbf{f}_2(x,y)+\mathbf{f}_3(x,y)\\ &=\frac{-5G(x,y)}{(x^2+y^2)^{3/2}}+\frac{3G(2-x,3-y)}{((x-2)^2+(y-3)^2)^{3/2}}+\frac{7G(4-x,-y)}{((x-4)^2+y^2)^{3/2}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.1절 · 23번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
604.CLP-4 · 2.1절 · 14번대학 수준우리말 번역

a. 막대 하나가 수직인 벽에 기대어 있다. 막대의 길이는 2이고, 벽과 닿는 지점의 높이는 H=1H=1이다. 막대는 벽에 계속 닿은 채로 미끄러져 내려가며, 높이는 dHdt=0.5\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t}=0.5의 비율로 감소한다.

그림

위의 그림과 같은 좌표계를 사용하여, H=1H=1일 때 막대의 아래쪽 끝에서 pp만큼 떨어진 막대 위의 점의 속도를 나타내는 벡터함수 v:[0,2]→R2\mathbf{v}:\mathbb [0,2] \to \mathbb R^2 를 구하세요. b. 우산의 뼈대는 곧고 단단한 막대들을 한 공통의 중심에 붙여서 만든다. 막대들의 길이는 모두 같으므로, 막대들은 한 원의 반지름을 이룬다.

뼈대의 중심을 위로 들어 올린다. 뼈대의 가장자리는 바닥에 끌리면서, 뼈대는 점점 더 높고 가늘어지는 직원뿔 모양을 유지한다.

그림

그림

각 막대의 길이가 2미터이고, 뼈대의 중심이 50 cm/s의 비율로 들어 올려지고 있다고 하자. 뼈대의 중심이 바닥에서 1미터 위에 있을 때, 뼈대 위의 점 (x,y,z)(x,y,z)의 속도를 나타내는 벡터장 V(x,y,z)\mathbf{V}(x,y,z)를 구하세요.

바닥의 높이를 z=0z=0으로 하고, 뼈대의 중심은 원점 바로 위에 있다고 하자.

영어 원문 보기

a. A pole leans against a vertical wall. The pole has length 2, and it touches the wall at height H=1H=1. The pole slides down, still touching the wall, with its height decreasing at a rate of dHdt=0.5\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t}=0.5.

figure

Find a vector function v:[0,2]→R2\mathbf{v}:\mathbb [0,2] \to \mathbb R^2 for the velocity, when H=1H=1, of a point on the pole that is pp units from the lower end, using the coordinate system from the sketch above. b. The frame of an umbrella is constructed by attaching straight, rigid poles to a common centre. The poles are all the same length, so they form radii of a circle.

The frame is lifted from the centre of the circle. The edges of the frame drag on the ground, keeping the frame in the shape of a right circular cone that is becoming taller and thinner.

figure

figure

Suppose the length of each pole is 2 metres, and the centre of the frame is being lifted at a rate of 50 cm/s. Give a vector field for the velocity V(x,y,z)\mathbf{V}(x,y,z) of a point (x,y,z)(x,y,z) on the frame when its centre is 1 metre above the ground.

Let the ground have height z=0z=0, and let the centre of the frame sit directly above the origin.

정답·풀이 보기

a. 막대 위에서 아래쪽 끝으로부터 거리 pp만큼 떨어진 점 PP를 생각하자. 이 점을 이용하여 아래 그림과 같이 더 작은 직각삼각형을 만든다.

그림

닮은 삼각형을 이용하면:

h=p2Hb=p24−H2P가 위치 (x,y)에 있다면:y=h=p2Hx=4−H2−b=(1−p2)4−H2dydt=p2dHdt=−p4dxdt=(1−p2)−H4−H2dHdt=(1−p2)H24−H2H=1일 때:dydt∣H=1=−p4dxdt∣H=1=(1−p2)123\begin{aligned} h&=\frac{p}{2}H & b&=\frac{p}{2}\sqrt{4-H^2} \\ \text{$P$가 위치 $(x,y)$에 있다면:} \\ y&=h=\frac{p}{2}H & x&=\sqrt{4-H^2}-b=\left(1-\frac{p}{2}\right)\sqrt{4-H^2}\\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}&=\frac{p}{2}\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t}=-\frac{p}{4} &\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}&=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{-H}{\sqrt{4-H^2}}\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t}=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{H}{2\sqrt{4-H^2}} \\ \text{$H=1$일 때:} \\ \left.\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right|_{H=1}&=-\frac{p}{4} &\left.\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\right|_{H=1}&=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{1}{2\sqrt{3}} \end{aligned}

따라서

v(p)=(dxdt,dydt)∣H=1=((1−p2)123 , −p4)\mathbf{v}(p)=\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=\left( \left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{1}{2\sqrt{3}}~,~-\frac{p}{4} \right)

이 모형에서는 이 함수의 정의역을 [0,2][0,2]로 정한다. b. 먼저 a의 풀이에서 가져다 쓸 수 있는 것을 살펴보자. a와 마찬가지로, 막대 중 하나 위에서 아래쪽 끝으로부터 pp미터 떨어진 점 PP를 생각하자.

그림

PP의 위치를 (x,y,z)(x,y,z)라 하자. 이제 dHdt\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t}는 음수가 아니라 양수이므로, 이 2차원 단면에 한정하여 보면 V(p)=((1−p2)−123 , p4)\mathbf{V}(p)=\left( \left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{-1}{2\sqrt{3}}~,~\frac{p}{4} \right) 이고, 여기서 둘째 좌표는 zz이며 첫째 좌표는 벡터 (x,y,0)(x,y,0)의 방향을 가진 (수평) 직선을 따른 성분이다.

그림

따라서 dzdt∣H=1=p4\displaystyle\left.\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\right|_{H=1}=\frac{p}{4} 임을 알고, 또 어떤 음의 상수 cc에 대해 (dxdt,dydt)∣H=1=(x,y)c\displaystyle\left.\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=(x,y)c 이고 ∣(x,y)c∣=(1−p2)123|(x,y)c|=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{1}{2\sqrt{3}} 임을 안다. 벡터의 방향과 크기를 알았으므로 벡터를 구할 수 있다: (dxdt,dydt)∣H=1=(x,y)c=−(1−p2)23x2+y2(x,y)\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=(x,y)c=-\frac{\left(1-\frac{p}{2}\right)}{2\sqrt 3\sqrt{x^2+y^2}}(x,y)

식을 xx, yy, zz로 나타내고 싶으므로 pp를 없애야 한다. 닮은 삼각형을 이용하면 p2=4−H2−x2+y24−H2\frac{p}{2}=\frac{\sqrt{4-H^2}-\sqrt{x^2+y^2}}{\sqrt{4-H^2}} 이다. H=1H=1일 때 1−p2=x2+y231-\frac{p}{2}=\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{\sqrt3} 이다. 그러므로

(dxdt,dydt)∣H=1=−16(x,y)\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1} =-\frac{1}{6}(x,y)

마지막으로 V(x,y,z)=(dxdt,dydt,dzdt)∣H=1=(−16x , −16y , 12z)\mathbf{V}(x,y,z)=\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=\left( -\frac{1}{6}x~,~ -\frac{1}{6}y~,~ \frac{1}{2}z\right)

(x,y,z)(x,y,z)의 모든 값이 뼈대 위에 있는 것은 아니다. 그러나 뼈대 위에 있는 (x,y,z)(x,y,z)의 값에 대해서는 이 식이 성립한다.

원본 교재 풀이(영어)

a. Consider a point PP on the pole that is a distance pp away from the bottom end. Use this point to make a smaller right triangle, as in the picture below.

figure

Using similar triangles:

h=p2Hb=p24−H2If P is at position (x,y), then:y=h=p2Hx=4−H2−b=(1−p2)4−H2dydt=p2dHdt=−p4dxdt=(1−p2)−H4−H2dHdt=(1−p2)H24−H2When H=1:dydt∣H=1=−p4dxdt∣H=1=(1−p2)123\begin{aligned} h&=\frac{p}{2}H & b&=\frac{p}{2}\sqrt{4-H^2} \\ \text{If $P$ is at position $(x,y)$, then:} \\ y&=h=\frac{p}{2}H & x&=\sqrt{4-H^2}-b=\left(1-\frac{p}{2}\right)\sqrt{4-H^2}\\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}&=\frac{p}{2}\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t}=-\frac{p}{4} &\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}&=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{-H}{\sqrt{4-H^2}}\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t}=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{H}{2\sqrt{4-H^2}} \\ \text{When $H=1$:} \\ \left.\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right|_{H=1}&=-\frac{p}{4} &\left.\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\right|_{H=1}&=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{1}{2\sqrt{3}} \end{aligned}

Therefore, v(p)=(dxdt,dydt)∣H=1=((1−p2)123 , −p4)\mathbf{v}(p)=\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=\left( \left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{1}{2\sqrt{3}}~,~-\frac{p}{4} \right)

For our model, we set the domain of this function to be [0,2][0,2]. b. Let's start by seeing what we can salvage from our work on part a. As in part a., consider a point PP on one of the poles, pp metres from the bottom end.

figure

Let PP have position (x,y,z)(x,y,z). Noting that dHdt\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t} is now positive, not negative, if we stick to this two-dimensional slice, V(p)=((1−p2)−123 , p4)\mathbf{V}(p)=\left( \left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{-1}{2\sqrt{3}}~,~\frac{p}{4} \right) where the second coordinate is zz and the first coordinate refers to the (horizontal) line in the direction of the vector (x,y,0)(x,y,0).

figure

So, we know dzdt∣H=1=p4\displaystyle\left.\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\right|_{H=1}=\frac{p}{4}, and we know (dxdt,dydt)∣H=1=(x,y)c\displaystyle\left.\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=(x,y)c for some negative constant cc with ∣(x,y)c∣=(1−p2)123|(x,y)c|=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{1}{2\sqrt{3}}. Since we have the direction and the magnitude of the vector, we can find the vector: (dxdt,dydt)∣H=1=(x,y)c=−(1−p2)23x2+y2(x,y)\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=(x,y)c=-\frac{\left(1-\frac{p}{2}\right)}{2\sqrt 3\sqrt{x^2+y^2}}(x,y)

We want our equation to be in terms of xx, yy, and zz, so we need to get rid of pp. Using similar triangles, p2=4−H2−x2+y24−H2\frac{p}{2}=\frac{\sqrt{4-H^2}-\sqrt{x^2+y^2}}{\sqrt{4-H^2}}. When H=1H=1, then 1−p2=x2+y231-\frac{p}{2}=\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{\sqrt3}. So:

(dxdt,dydt)∣H=1=−16(x,y)\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1} =-\frac{1}{6}(x,y)

Finally: V(x,y,z)=(dxdt,dydt,dzdt)∣H=1=(−16x , −16y , 12z)\mathbf{V}(x,y,z)=\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=\left( -\frac{1}{6}x~,~ -\frac{1}{6}y~,~ \frac{1}{2}z\right)

Not all values of (x,y,z)(x,y,z) are on the frame. But, for those values of (x,y,z)(x,y,z) that are on the frame, this equation holds.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.1절 · 7번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
605.CLP-4 · 2.2절 · 1번대학 수준우리말 번역

아래에 그려진 벡터장 v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 가 xyxy평면의 제1사분면에 있는 점 (x,y)(x,y) 에서 흐르는 물의 속도를 나타낸다고 하자.

그림

다음 점에 떨어뜨린 고무 오리가 따라가는 경로를 그리세요.

(a) (0,2)(0,2) (b) (1,0)(1,0) (c) (1,2)(1,2)

영어 원문 보기

Suppose that the vector field v(x,y)\mathbf{v}(x,y) sketched below represents the velocity of moving water at the point (x,y)(x,y) in the first quadrant of the xyxy-plane.

figure

Sketch the path followed by a rubber ducky dropped in at the point

(a) (0,2)(0,2) (b) (1,0)(1,0) (c) (1,2)(1,2)

정답·풀이 보기

(a) 양의 yy축 위의 모든 점에서 속도 벡터 v(0,y)\mathbf{v}(0,y) 는 곧장 아래쪽을 향한다. 따라서 (0,2)(0,2) 에서 물에 놓은 고무 오리는 양의 yy축을 따라 원점을 향해 곧장 아래로 떠내려간다.

그림

(b) 양의 xx축 위의 모든 점에서 속도 벡터 v(x,0)\mathbf{v}(x,0) 는 곧장 오른쪽을 향한다. 따라서 (1,0)(1,0) 에서 물에 놓은 고무 오리는 양의 xx축을 따라 오른쪽으로 떠내려간다.

(c) 축에서 떨어진 제1사분면의 모든 점에서 속도 벡터 v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 는 아래쪽 오른쪽을 향한다. 따라서 (1,2)(1,2) 에서 물에 놓은 고무 오리는 언제나 아래쪽 오른쪽으로 떠내려간다. 오리가 xx축에 가까워질수록 움직임은 더욱 오른쪽으로 향하게 된다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) At every point of the positive yy-axis, the velocity vector v(0,y)\mathbf{v}(0,y) points straight down. So a rubber ducky placed in the water at (0,2)(0,2) just floats straight down the positive yy-axis towards the origin.

figure

(b) At every point of the positive xx-axis, the velocity vector v(x,0)\mathbf{v}(x,0) points straight to the right. So a rubber ducky placed in the water at (1,0)(1,0) just floats rightward along the positive xx-axis.

(c) At every point of the first quadrant away from the axes, the velocity vector v(x,y)\mathbf{v}(x,y) points downwards and towards the right. So a rubber ducky placed in the water at (1,2)(1,2) always floats down and to the right. The closer the ducky gets to the xx–axis the more rightward its motion becomes.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.2절 · 2번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
606.CLP-4 · 2.2절 · 2번대학 수준우리말 번역

x(t)=e−tcos⁡ty(t)=e−tsin⁡t\begin{aligned} x(t) &= e^{-t}\cos t \\ y(t) &= e^{-t}\sin t \\ \end{aligned}

가 장선이 되는 벡터장 v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 를 구하세요.

영어 원문 보기

Find a vector field v(x,y)\mathbf{v}(x,y) for which

x(t)=e−tcos⁡ty(t)=e−tsin⁡t\begin{aligned} x(t) &= e^{-t}\cos t \\ y(t) &= e^{-t}\sin t \\ \end{aligned}

is a field line.

정답·풀이 보기

도함수는 다음과 같다.

x′(t)=−e−tcos⁡t−e−tsin⁡t=−x(t)−y(t)y′(t)=−e−tsin⁡t+e−tcos⁡t=−y(t)+x(t)\begin{aligned} x'(t) &= -e^{-t}\cos t - e^{-t}\sin t &&= -x(t)-y(t) \\ y'(t) &= -e^{-t}\sin t + e^{-t}\cos t &&= -y(t)+x(t) \end{aligned}

따라서 (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) 는 연립미분방정식

dxdt=v1(x,y)=−x−ydydt=v2(x,y)=−x−y\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} &= v_1(x,y) = -x-y \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} &= v_2(x,y) = \phantom{-}x-y \end{aligned}

의 해이다.

그러므로 벡터장은 v(x,y)=(v1(x,y) , v2(x,y))=(−x−y , x−y)\mathbf{v}(x,y) = \big(v_1(x,y)\,,\,v_2(x,y)\big) = (-x-y\,,\,x-y) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The derivatives

x′(t)=−e−tcos⁡t−e−tsin⁡t=−x(t)−y(t)y′(t)=−e−tsin⁡t+e−tcos⁡t=−y(t)+x(t)\begin{aligned} x'(t) &= -e^{-t}\cos t - e^{-t}\sin t &&= -x(t)-y(t) \\ y'(t) &= -e^{-t}\sin t + e^{-t}\cos t &&= -y(t)+x(t) \end{aligned}

So (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) is a solution of the system of differential equations

dxdt=v1(x,y)=−x−ydydt=v2(x,y)=−x−y\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} &= v_1(x,y) = -x-y \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} &= v_2(x,y) = \phantom{-}x-y \end{aligned}

So the vector field is v(x,y)=(v1(x,y) , v2(x,y))=(−x−y , x−y)\mathbf{v}(x,y) = \big(v_1(x,y)\,,\,v_2(x,y)\big) = (-x-y\,,\,x-y).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.2절 · 5번
# 벡터장과 흐름선계산자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
607.CLP-4 · 2.2절 · 4번대학 수준우리말 번역

벡터장 F=2y ı^+xy2 ȷ^+eyk^\mathbf{F}= 2y\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ \frac{x}{y^2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+e^y\hat{\mathbf{k}} 의 장선 중에서 (1,1,e)(1,1,e) 를 지나는 것을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the field line of the vector field F=2y ı^+xy2 ȷ^+eyk^\mathbf{F}= 2y\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ \frac{x}{y^2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+e^y\hat{\mathbf{k}} that passes through (1,1,e)(1,1,e).

정답·풀이 보기

장선은 다음을 만족한다.

dx2y=dyx/y2=dzey x,y≠0 일 때\frac{\mathrm{d}x}{2y}=\frac{\mathrm{d}y}{x/y^2}=\frac{\mathrm{d}z}{e^y} \qquad\text{ $x,y\ne 0$ 일 때}

특히

dx2y=y2 dyx  ⟹  x dx=2y3 dy  ⟹  12x2=12y4+C\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}x}{2y}=\frac{y^2\,\mathrm{d}y}{x} \implies x\,\mathrm{d}x=2y^3\,\mathrm{d}y \implies \frac{1}{2}x^2=\frac{1}{2}y^4+C \end{aligned}

x=1x=1 일 때 y=1y=1 이므로 C=0C=0 이다. 따라서 x=y2x=y^2 이고

dyx/y2=dzey  ⟹  eydy=dz  ⟹  z=ey+D\frac{\mathrm{d}y}{x/y^2}=\frac{\mathrm{d}z}{e^y} \implies e^ydy=dz \implies z=e^y+D

y=1y=1 일 때 z=ez=e 이므로 D=0D=0 이다. 따라서 장선은 다음과 같다.

x=y2z=eyx=y^2 \qquad z=e^y

원본 교재 풀이(영어)

The field lines obey

dx2y=dyx/y2=dzey if x,y≠0\frac{\mathrm{d}x}{2y}=\frac{\mathrm{d}y}{x/y^2}=\frac{\mathrm{d}z}{e^y} \qquad\text{ if $x,y\ne 0$}

In particular

dx2y=y2 dyx  ⟹  x dx=2y3 dy  ⟹  12x2=12y4+C\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}x}{2y}=\frac{y^2\,\mathrm{d}y}{x} \implies x\,\mathrm{d}x=2y^3\,\mathrm{d}y \implies \frac{1}{2}x^2=\frac{1}{2}y^4+C \end{aligned}

Since y=1y=1 when x=1x=1, C=0C=0. So x=y2x=y^2 and

dyx/y2=dzey  ⟹  eydy=dz  ⟹  z=ey+D\frac{\mathrm{d}y}{x/y^2}=\frac{\mathrm{d}z}{e^y} \implies e^ydy=dz \implies z=e^y+D

Since z=ez=e when y=1y=1, D=0D=0. So the field line is

x=y2z=eyx=y^2 \qquad z=e^y

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 14.2절 · 3번
# 벡터장과 흐름선계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
608.CLP-4 · 2.2절 · 5번대학 수준우리말 번역

벡터장 F=x ı^+3y ȷ^\mathbf{F}= x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ 3y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 의 역선을 구하고 그래프를 그리세요.

영어 원문 보기

Find and sketch the field lines of the vector field F=x ı^+3y ȷ^\mathbf{F}= x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ 3y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}.

정답·풀이 보기

역선은 다음을 만족한다.

dxx=dy3y x,y≠0 일 때  ⟹  3ln⁡∣x∣=ln⁡∣y∣+C  ⟹  ∣x∣3=eC∣y∣  ⟹  y=±e−Cx3  ⟹  y=C′x3\begin{aligned} &\frac{\mathrm{d}x}{x}=\frac{\mathrm{d}y}{3y}\qquad\text{ $x,y\ne 0$ 일 때}\\ &\implies 3\ln |x|=\ln |y|+C\\ &\implies |x|^3=e^C|y| \\ &\implies y=\pm e^{-C}x^3 \\ &\implies y=C'x^3 \end{aligned}

여기서 C′C' 은 0이 아닌 상수이다. yy축 위에서는 F∥ȷ^\mathbf{F}\parallel\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고 xx축 위에서는 F∥ı^\mathbf{F}\parallel\hat{\boldsymbol{\imath}} 이므로 x=0x=0 과 y=0y=0 도 역선이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

The field lines obey

dxx=dy3y if x,y≠0  ⟹  3ln⁡∣x∣=ln⁡∣y∣+C  ⟹  ∣x∣3=eC∣y∣  ⟹  y=±e−Cx3  ⟹  y=C′x3\begin{aligned} &\frac{\mathrm{d}x}{x}=\frac{\mathrm{d}y}{3y}\qquad\text{ if $x,y\ne 0$}\\ &\implies 3\ln |x|=\ln |y|+C\\ &\implies |x|^3=e^C|y| \\ &\implies y=\pm e^{-C}x^3 \\ &\implies y=C'x^3 \end{aligned}

with C′C' a nonzero constant. x=0x=0 and y=0y=0 are also field lines, since on the yy-axis F∥ȷ^\mathbf{F}\parallel\hat{\boldsymbol{\jmath}} and on the xx-axis F∥ı^\mathbf{F}\parallel\hat{\boldsymbol{\imath}}.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.2절 · 4번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
609.CLP-4 · 2.3절 · 3번대학 수준우리말 번역

F\mathbf{F} 가 보존장이고 aa, bb, cc 가 상수라고 하자. F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) 의 퍼텐셜을 구하세요. 또는 F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) 가 보존장이 아니게 되는 보존장 F\mathbf{F} 와 상수 aa, bb, cc 를 하나 제시하세요.

영어 원문 보기

Suppose F\mathbf{F} is conservative and let aa, bb, and cc be constants. Find a potential for F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c), OR give a conservative field F\mathbf{F} and constants aa, bb, and cc for which F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) is not conservative.

정답·풀이 보기

φ\varphi 를 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이라 하자. ϕ=φ+ax+by+cz\phi=\varphi+ax+by+cz 로 정의하면 ∇ϕ=∇φ+(a,b,c)=F+(a,b,c){ \boldsymbol{\nabla} } \phi = { \boldsymbol{\nabla} }\varphi+(a,b,c)=\mathbf{F}+(a,b,c) 이다. 따라서 F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) 도 보존장이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let φ\varphi be a potential for F\mathbf{F}. Define ϕ=φ+ax+by+cz\phi=\varphi+ax+by+cz. Then ∇ϕ=∇φ+(a,b,c)=F+(a,b,c){ \boldsymbol{\nabla} } \phi = { \boldsymbol{\nabla} }\varphi+(a,b,c)=\mathbf{F}+(a,b,c). So, F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) is also conservative.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.3절 · 10번
# 보존 벡터장계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
610.CLP-4 · 2.3절 · 4번대학 수준우리말 번역

다음 각 명제를 증명하거나, 반례를 찾으세요.

a. F\mathbf{F} 가 보존장이고 G\mathbf{G} 가 비보존장이면, F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} 는 비보존장이다. b. F\mathbf{F} 와 G\mathbf{G} 가 모두 비보존장이면, F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} 는 비보존장이다. c. F\mathbf{F} 와 G\mathbf{G} 가 모두 보존장이면, F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} 는 보존장이다.

영어 원문 보기

Prove, or find a counterexample to, each of the following statements.

a. If F\mathbf{F} is a conservative field and G\mathbf{G} is a non-conservative field, then F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} is non-conservative. b. If F\mathbf{F} and G\mathbf{G} are both non-conservative fields, then F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} is non-conservative. c. If F\mathbf{F} and G\mathbf{G} are both conservative fields, then F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} is conservative.

정답·풀이 보기

a. 어떤 F\mathbf{F}, G\mathbf{G} 에 대해 F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} 가 보존장이라고 하면, 정의에 따라 F+G=∇φ\mathbf{F}+\mathbf{G} = { \boldsymbol{\nabla} } \varphi 를 만족하는 퍼텐셜 φ\varphi 가 존재한다.

F\mathbf{F} 가 보존장이므로, F=∇ψ\mathbf{F} = { \boldsymbol{\nabla} } \psi 를 만족하는 퍼텐셜 ψ\psi 도 존재한다.

그러면 G=(F+G)−F=∇φ−∇ψ=∇(φ−ψ)\mathbf{G} = (\mathbf{F}+\mathbf{G})-\mathbf{F}={ \boldsymbol{\nabla} } \varphi - { \boldsymbol{\nabla} } \psi = { \boldsymbol{\nabla} }(\varphi-\psi) 이다. 즉 함수 (φ−ψ)(\varphi-\psi) 는 GG 의 퍼텐셜이다. 그러나 이는 불가능하다. G\mathbf{G} 가 비보존장이므로 이러한 성질을 갖는 함수는 존재하지 않기 때문이다.

따라서 F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} 가 보존장일 수는 없다. 즉 비보존장이다. b. 반례: F=−G\mathbf{F} = -\mathbf{G} 이면, 임의의 상수 cc 에 대해 F+G=0=∇c\mathbf{F}+\mathbf{G} = \mathbf 0 = { \boldsymbol{\nabla} } c 이다. c. 두 장이 모두 보존장이므로 둘 다 퍼텐셜을 갖는다. 이를 F=∇φ\mathbf{F}={ \boldsymbol{\nabla} } \varphi, G=∇ψ\mathbf{G} = { \boldsymbol{\nabla} } \psi 라 하자. 그러면 F+G=∇φ+∇ψ=∇(φ+ψ)\mathbf{F}+\mathbf{G} = { \boldsymbol{\nabla} }\varphi+{ \boldsymbol{\nabla} }\psi={ \boldsymbol{\nabla} }(\varphi+\psi) 이다. 즉 (φ+ψ)(\varphi+\psi) 는 F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} 의 퍼텐셜이므로 F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} 는 보존장이다.

원본 교재 풀이(영어)

a. If F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} is conservative for any particular F\mathbf{F} and G\mathbf{G}, then by definition, there exists a potential φ\varphi with F+G=∇φ\mathbf{F}+\mathbf{G} = { \boldsymbol{\nabla} } \varphi.

Since F\mathbf{F} is conservative, there also exists a potential ψ\psi with F=∇ψ\mathbf{F} = { \boldsymbol{\nabla} } \psi.

But now G=(F+G)−F=∇φ−∇ψ=∇(φ−ψ)\mathbf{G} = (\mathbf{F}+\mathbf{G})-\mathbf{F}={ \boldsymbol{\nabla} } \varphi - { \boldsymbol{\nabla} } \psi = { \boldsymbol{\nabla} }(\varphi-\psi). That means the function (φ−ψ)(\varphi-\psi) is a potential for GG. However, this is impossible: since G\mathbf{G} is non-conservative, no function with this property exists.

So it is not possible that F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} is conservative. It must be non-conservative. b. Counterexample: if F=−G\mathbf{F} = -\mathbf{G}, then F+G=0=∇c\mathbf{F}+\mathbf{G} = \mathbf 0 = { \boldsymbol{\nabla} } c for any constant cc. c. Since both fields are conservative, they both have potentials, say F=∇φ\mathbf{F}={ \boldsymbol{\nabla} } \varphi and G=∇ψ\mathbf{G} = { \boldsymbol{\nabla} } \psi. Then F+G=∇φ+∇ψ=∇(φ+ψ)\mathbf{F}+\mathbf{G} = { \boldsymbol{\nabla} }\varphi+{ \boldsymbol{\nabla} }\psi={ \boldsymbol{\nabla} }(\varphi+\psi). That is, (φ+ψ)(\varphi+\psi) is a potential for F+G\mathbf{F}+\mathbf{G}, so F+G\mathbf{F}+\mathbf{G} is conservative.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 7번
# 보존 벡터장증명·논술기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
611.CLP-4 · 2.3절 · 6번대학 수준우리말 번역

F(x,y)=(x+y)ı^+(x−y)ȷ^\mathbf{F}(x,y)=(x+y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x-y)\hat{\boldsymbol{\jmath}} 의 퍼텐셜 φ\varphi 를 구하거나, 퍼텐셜이 존재하지 않음을 증명하세요.

영어 원문 보기

Find a potential φ\varphi for F(x,y)=(x+y)ı^+(x−y)ȷ^\mathbf{F}(x,y)=(x+y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x-y)\hat{\boldsymbol{\jmath}}, or prove none exists.

정답·풀이 보기

φ\varphi 가 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이면 다음이 성립한다.

  • ∂φ∂x=x+y\frac{\partial \varphi}{\partial x}=x+y 이므로 φ=12x2+xy+ψ1(y)\varphi = \frac{1}{2}x^2+xy+\psi_1(y)
  • ∂φ∂y=x−y\frac{\partial \varphi}{\partial y}=x-y 이므로 φ=xy−12y2+ψ2(x)\varphi = xy-\frac{1}{2}y^2+\psi_2(x)

따라서 예를 들어 φ=12x2+xy−12y2\varphi = \frac{1}{2}x^2+xy-\frac{1}{2}y^2 은 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이다.

원본 교재 풀이(영어)

If φ\varphi is a potential for F\mathbf{F}, then:

  • ∂φ∂x=x+y\frac{\partial \varphi}{\partial x}=x+y, so φ=12x2+xy+ψ1(y)\varphi = \frac{1}{2}x^2+xy+\psi_1(y)
  • ∂φ∂y=x−y\frac{\partial \varphi}{\partial y}=x-y, so φ=xy−12y2+ψ2(x)\varphi = xy-\frac{1}{2}y^2+\psi_2(x)

So, for instance, φ=12x2+xy−12y2\varphi = \frac{1}{2}x^2+xy-\frac{1}{2}y^2 is a potential for F\mathbf{F}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 5번
# 보존 벡터장증명·논술보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
612.CLP-4 · 2.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

F(x,y)=(1x−1y)ı^+(xy2)ȷ^\mathbf{F}(x,y)=\left( \frac{1}{x}-\frac{1}{y}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left(\frac{x}{y^2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}} 의 퍼텐셜 φ\varphi 를 구하거나, 존재하지 않음을 증명하세요.

영어 원문 보기

Find a potential φ\varphi for F(x,y)=(1x−1y)ı^+(xy2)ȷ^\mathbf{F}(x,y)=\left( \frac{1}{x}-\frac{1}{y}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left(\frac{x}{y^2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}}, or prove none exists.

정답·풀이 보기

φ\varphi 가 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이면 다음이 성립한다.

  • ∂φ∂x=1x−1y\frac{\partial \varphi}{\partial x}=\frac1x-\frac1y 이므로 φ=ln⁡∣x∣−xy+ψ1(y)\varphi = \ln|x|-\frac{x}{y}+\psi_1(y)
  • ∂φ∂y=xy2\frac{\partial \varphi}{\partial y}=\frac{x}{y^2} 이므로 φ=−xy+ψ2(x)\varphi = -\frac{x}{y}+\psi_2(x)

따라서 예를 들어 φ=ln⁡∣x∣−xy\varphi=\ln |x| - \frac{x}{y} 는 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이다.

원본 교재 풀이(영어)

If φ\varphi is a potential for F\mathbf{F}, then:

  • ∂φ∂x=1x−1y\frac{\partial \varphi}{\partial x}=\frac1x-\frac1y, so φ=ln⁡∣x∣−xy+ψ1(y)\varphi = \ln|x|-\frac{x}{y}+\psi_1(y)
  • ∂φ∂y=xy2\frac{\partial \varphi}{\partial y}=\frac{x}{y^2}, so φ=−xy+ψ2(x)\varphi = -\frac{x}{y}+\psi_2(x)

So, for instance, φ=ln⁡∣x∣−xy\varphi=\ln |x| - \frac{x}{y} is a potential for F\mathbf{F}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 9번
# 보존 벡터장증명·논술보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
613.CLP-4 · 2.3절 · 9번대학 수준우리말 번역

F(x,y,z)=(xx2+y2+z2)ı^+(yx2+y2+z2)ȷ^+(zx2+y2+z2)k^\mathbf{F}(x,y,z)=\left( \frac{x}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left( \frac{y}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\left( \frac{z}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\mathbf{k}} 의 퍼텐셜 φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) 를 구하거나, 존재하지 않음을 증명하세요.

영어 원문 보기

Find a potential φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) for F(x,y,z)=(xx2+y2+z2)ı^+(yx2+y2+z2)ȷ^+(zx2+y2+z2)k^,\mathbf{F}(x,y,z)=\left( \frac{x}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left( \frac{y}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\left( \frac{z}{x^2+y^2+z^2}\right)\hat{\mathbf{k}}, or prove none exists.

정답·풀이 보기

φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) 가 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 의 퍼텐셜이면 다음이 성립한다.

  • ∂φ∂x(x,y,z)=xx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z)=\frac{x}{x^2+y^2+z^2} 이므로 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ1(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_1(y,z)
  • ∂φ∂y(x,y,z)=yx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z)=\frac{y}{x^2+y^2+z^2} 이므로 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ2(x,z)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_2(x,z)
  • ∂φ∂z(x,y,z)=zx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z)=\frac{z}{x^2+y^2+z^2} 이므로 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ2(x,y)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_2(x,y)

따라서 예를 들어 φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)\varphi(x,y,z)= \frac{1}{2}\ln(x^2+y^2+z^2) 는 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 의 퍼텐셜이다.

원본 교재 풀이(영어)

If φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) is a potential for F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z), then:

  • ∂φ∂x(x,y,z)=xx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z)=\frac{x}{x^2+y^2+z^2}, so φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ1(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_1(y,z)
  • ∂φ∂y(x,y,z)=yx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z)=\frac{y}{x^2+y^2+z^2}, so φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ2(x,z)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_2(x,z)
  • ∂φ∂z(x,y,z)=zx2+y2+z2\frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z)=\frac{z}{x^2+y^2+z^2}, so φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)+ψ2(x,y)\varphi(x,y,z) = \frac12\ln(x^2+y^2+z^2)+\psi_2(x,y)

So, for instance, φ(x,y,z)=12ln⁡(x2+y2+z2)\varphi(x,y,z)= \frac{1}{2}\ln(x^2+y^2+z^2) is a potential for F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 43번
# 보존 벡터장증명·논술보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
614.CLP-4 · 2.3절 · 10번대학 수준우리말 번역

다음 각 벡터장이 보존적인지 아닌지 판단하세요. 보존적이면 퍼텐셜을 구하세요.

(a) F(x,y,z)=xı^−2yȷ^+3zk^\mathbf{F}(x,y,z)=x\hat{\boldsymbol{\imath}}-2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3z\hat{\mathbf{k}} (b) F(x,y)=xı^−yȷ^x2+y2\mathbf{F}(x,y)=\frac{x\hat{\boldsymbol{\imath}}-y\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{x^2+y^2}

영어 원문 보기

Determine whether or not each of the following vector fields are conservative. Find the potential if it is.

(a) F(x,y,z)=xı^−2yȷ^+3zk^\mathbf{F}(x,y,z)=x\hat{\boldsymbol{\imath}}-2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3z\hat{\mathbf{k}} (b) F(x,y)=xı^−yȷ^x2+y2\mathbf{F}(x,y)=\frac{x\hat{\boldsymbol{\imath}}-y\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{x^2+y^2}

정답·풀이 보기

(a) F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 의 퍼텐셜을 구하여 이 벡터장이 보존적임을 보이겠다. φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) 가 이 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이 되기 위한 필요충분조건은

∂φ∂x(x,y,z)=x∂φ∂y(x,y,z)=−2y∂φ∂z(x,y,z)=3z\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z) &= x \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z) &= -2y \\ \frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z) &= 3z \end{aligned}

이다.

이 중 첫 번째 식을 적분하면

φ(x,y,z)=x22+f(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} + f(y,z)

이다. 이를 두 번째 식에 대입하면

∂f∂y(y,z)=−2y\frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = -2y

이고, 이를 적분하면

f(y,z)=−y2+g(z)f(y,z) = -y^2+ g(z)

이다. 마지막으로 φ(x,y,z)=x22−y2+g(z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} -y^2 + g(z) 를 마지막 식에 대입하면

g′(z)=3zg'(z) = 3z

이고, 이를 적분하면

g(z)=32z2+Cg(z) = \frac{3}{2} z^2 +C

이다. 여기서 CC 는 임의의 상수이다. 따라서 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 는 보존적이며, φ(x,y,z)=12x2−y2+32z2\varphi(x,y,z)=\tfrac{1}{2} x^2-y^2+\frac{3}{2}z^2 은 가능한 퍼텐셜 중 하나이다.

(b) 벡터장 F=F1 ı^+F2 ȷ^\mathbf{F}= F_1\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + F_2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 는 다음 검사를 통과해야만 보존적일 수 있다.

∂F1∂y=∂F2∂x\frac{\partial F_1}{\partial y}=\frac{\partial F_2}{\partial x}

이 경우

∂F1∂y=∂∂y(xx2+y2)=−2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_1}{\partial y} =\frac{\partial}{\partial y}\Big(\frac{x}{x^2+y^2}\Big) =-\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

는

∂F2∂x=∂∂x(−yx2+y2)=2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_2}{\partial x} =\frac{\partial}{\partial x}\Big(\frac{-y}{x^2+y^2}\Big) =\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

와 다르다. 이는 xx 와 yy 가 모두 0 이 아닌 모든 (x,y)(x,y) 에 대해 성립한다. 따라서 F\mathbf{F} 는 보존적이 아니다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We shall show that F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) is conservative by finding a potential for it. φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) is a potential for this F\mathbf{F} if and only if

∂φ∂x(x,y,z)=x∂φ∂y(x,y,z)=−2y∂φ∂z(x,y,z)=3z\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z) &= x \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z) &= -2y \\ \frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z) &= 3z \end{aligned}

Integrating the first of these equations gives

φ(x,y,z)=x22+f(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} + f(y,z)

Substituting this into the second equation gives

∂f∂y(y,z)=−2y\frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = -2y

which integrates to

f(y,z)=−y2+g(z)f(y,z) = -y^2+ g(z)

Finally, substituting φ(x,y,z)=x22−y2+g(z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} -y^2 + g(z) into the last equation gives

g′(z)=3zg'(z) = 3z

which integrates to

g(z)=32z2+Cg(z) = \frac{3}{2} z^2 +C

with CC being an arbitrary constant. So, F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) is conservative and φ(x,y,z)=12x2−y2+32z2\varphi(x,y,z)=\tfrac{1}{2} x^2-y^2+\frac{3}{2}z^2 is one allowed potential.

(b) The field F=F1 ı^+F2 ȷ^\mathbf{F}= F_1\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + F_2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} can be conservative only if it passes the screening test

∂F1∂y=∂F2∂x\frac{\partial F_1}{\partial y}=\frac{\partial F_2}{\partial x}

In this case

∂F1∂y=∂∂y(xx2+y2)=−2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_1}{\partial y} =\frac{\partial}{\partial y}\Big(\frac{x}{x^2+y^2}\Big) =-\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

is different from

∂F2∂x=∂∂x(−yx2+y2)=2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_2}{\partial x} =\frac{\partial}{\partial x}\Big(\frac{-y}{x^2+y^2}\Big) =\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

for all (x,y)(x,y) with xx and yy both nonzero. So F\mathbf{F} is not conservative.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.3절 · 9번
# 보존 벡터장계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
615.CLP-4 · 2.4절 · 1번대학 수준우리말 번역

반시계 방향으로 꼭짓점이 (0,0)(0,0), (1,0)(1,0), (1,1)(1,1), (0,1)(0,1) 인 정사각형을 따라 ∫Cx2y2 dx+x3y dy\int_\mathcal{C} x^2y^2\,\mathrm{d}x+x^3y\,\mathrm{d}y 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫Cx2y2 dx+x3y dy\int_\mathcal{C} x^2y^2\,\mathrm{d}x+x^3y\,\mathrm{d}y counterclockwise around the square with vertices (0,0)(0,0), (1,0)(1,0), (1,1)(1,1) and (0,1)(0,1).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

정사각형은 네 변을 가지며, 각 변은 선분이다.

  • 첫 번째 변에서는 y=0y=0 이고 dy=0\mathrm{d}y=0 이다. 즉, 첫 번째 변은 0≤x≤10\le x\le 1 에서 r(x)=x ı^\mathbf{r}(x)=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} 로 매개화할 수 있다.
  • 두 번째 변에서는 x=1x=1 이고 dx=0\mathrm{d}x=0 이다. 두 번째 변은 0≤y≤10\le y\le 1 에서 r(y)=ı^+y ȷ^\mathbf{r}(y)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 로 매개화할 수 있다.
  • 세 번째 변에서는 y=1y=1 이고 dy=0\mathrm{d}y=0 이다. 세 번째 변은 xx 가 11 에서 00 까지 변하는 r(x)=x ı^+ȷ^\mathbf{r}(x)=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}} 로 매개화할 수 있다.
  • 마지막 변에서는 x=0x=0 이고 dx=0\mathrm{d}x=0 이다. 네 번째 변은 yy 가 11 에서 00 까지 변하는 r(y)=y ȷ^\mathbf{r}(y)=y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 로 매개화할 수 있다.

그림

따라서

∫Cx2y2 dx+x3y dy=∫01x2×02 dx+∫0113×y dy+∫10x2×12 dx+∫1003×y dy=12−13=16\begin{aligned} \int_\mathcal{C} x^2y^2\,\mathrm{d}x+x^3y\,\mathrm{d}y &=\int_0^1 x^2\times 0^2\,\mathrm{d}x +\int_0^1 1^3\times y\,\mathrm{d}y +\int_1^0 x^2\times 1^2\,\mathrm{d}x +\int_1^0 0^3\times y\,\mathrm{d}y \\ &=\frac{1}{2}-\frac{1}{3} =\frac{1}{6} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The square has four sides, each of which is a line segment.

  • On the first side, y=0y=0 and dy=0\mathrm{d}y=0. That is, we may parametrize the first side by r(x)=x ı^\mathbf{r}(x)=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} with 0≤x≤10\le x\le 1.
  • On the second side, x=1x=1 and dx=0\mathrm{d}x=0. We may parametrize the second side by r(y)=ı^+y ȷ^\mathbf{r}(y)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} with 0≤y≤10\le y\le 1.
  • On the third side, y=1y=1 and dy=0\mathrm{d}y=0. We may parametrize the third side by r(x)=x ı^+ȷ^\mathbf{r}(x)=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}} with xx running from 11 to 00.
  • On the final side, x=0x=0 and dx=0\mathrm{d}x=0. We may parametrize the fourth side by r(y)=y ȷ^\mathbf{r}(y)=y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} with yy running from 11 to 00.

figure

So

∫Cx2y2 dx+x3y dy=∫01x2×02 dx+∫0113×y dy+∫10x2×12 dx+∫1003×y dy=12−13=16\begin{aligned} \int_\mathcal{C} x^2y^2\,\mathrm{d}x+x^3y\,\mathrm{d}y &=\int_0^1 x^2\times 0^2\,\mathrm{d}x +\int_0^1 1^3\times y\,\mathrm{d}y +\int_1^0 x^2\times 1^2\,\mathrm{d}x +\int_1^0 0^3\times y\,\mathrm{d}y \\ &=\frac{1}{2}-\frac{1}{3} =\frac{1}{6} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 34번
# 선적분계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
616.CLP-4 · 2.4절 · 3번대학 수준우리말 번역

φ(x,y,z)=ex2+y2+cos⁡(z2)\varphi(x,y,z)=e^{x^2+y^2}+\cos(z^2) 이라 하고, F=∇φ\mathbf{F} = { \boldsymbol{\nabla} } \varphi 로 정의하자. 중심이 (1,2,3)(1,2,3) 이고 점 (5−1,−2,5−3)(\sqrt5-1,-2,\sqrt5-3), ((5−2)/2,−1/2,(5−6)/2)((\sqrt5-2)/2,-1/2,(\sqrt5-6)/2), (−2,3−2,3−3)(-2,\sqrt 3-2,\sqrt3-3) 을 지나며 시계 방향으로 도는 타원인 닫힌 곡선 CC 에 대하여 ∫CF⋅dr\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let φ(x,y,z)=ex2+y2+cos⁡(z2)\varphi(x,y,z)=e^{x^2+y^2}+\cos(z^2), and define F=∇φ\mathbf{F} = { \boldsymbol{\nabla} } \varphi. Evaluate ∫CF⋅dr\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} over the closed curve CC that is an ellipse traversed clockwise, centred at (1,2,3)(1,2,3), passing through the points (5−1,−2,5−3)(\sqrt5-1,-2,\sqrt5-3), ((5−2)/2,−1/2,(5−6)/2)((\sqrt5-2)/2,-1/2,(\sqrt5-6)/2), and (−2,3−2,3−3)(-2,\sqrt 3-2,\sqrt3-3).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

F\mathbf{F} 는 보존적이므로 임의의 닫힌 곡선 CC 에 대하여 ∫CF⋅dr=0\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}=0 이다. 주어진 곡선은 닫힌 곡선이므로 적분값은 단순히 0이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since F\mathbf{F} is conservative, ∫CF⋅dr=0\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}=0 over any closed curve CC. The given curve is closed, so the integral is simply zero.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 1번
# 선적분계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
617.CLP-4 · 2.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

P1P_1 과 P2P_2 를 R2\mathbb R^2 의 점이라 하자. 아래 그림과 같이 AA 와 BB 는 P1P_1 에서 P2P_2 로 가는 경로이다.

그림

F\mathbf{F} 가 R2\mathbb R^2 에서 보존적 벡터장이고 ∫AF⋅dr=5\int_A \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}=5 라 하자. ∫BF⋅dr\int_B \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} 의 값은 얼마인가요?

영어 원문 보기

Let P1P_1 and P2P_2 be points in R2\mathbb R^2. Let AA and BB be paths from P1P_1 to P2P_2, as shown below.

figure

Suppose F\mathbf{F} is a conservative vector field in R2\mathbb R^2 with ∫AF⋅dr=5\int_A \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}=5. What is ∫BF⋅dr?\int_B \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

F\mathbf{F} 는 보존적이고 AA 와 BB 는 시작점과 끝점이 같으므로, 경로 독립성에 의해 ∫BF⋅dr=∫AF⋅dr=5.\int_B \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}=\int_A \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}=5.

원본 교재 풀이(영어)

Since F\mathbf{F} is conservative, and AA and BB start and end at the same points, by path-independence ∫BF⋅dr=∫AF⋅dr=5.\int_B \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}=\int_A \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}=5.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 32번
# 선적분그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
618.CLP-4 · 2.4절 · 8번대학 수준우리말 번역

힘의 장 F=(x+y)ı^+(x−z)ȷ^+(z−y)k^\mathbf{F}=(x+y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x-z)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(z-y)\hat{\mathbf{k}} 가 물체를 (1,0,−1)(1,0,-1) 에서 (0,−2,3)(0,-2,3) 까지 움직일 때 한 일 ∫CF⋅dr\int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 을 구하세요. 한 일은 (1,0,−1)(1,0,-1) 에서 (0,−2,3)(0,-2,3) 까지 가는 데 사용한 경로에 따라 달라지나요?

영어 원문 보기

Find the work, ∫CF⋅dr\int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}, done by the force field F=(x+y)ı^+(x−z)ȷ^+(z−y)k^\mathbf{F}=(x+y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x-z)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(z-y)\hat{\mathbf{k}} in moving an object from (1,0,−1)(1,0,-1) to (0,−2,3)(0,-2,3). Does the work done depend on the path used to get from (1,0,−1)(1,0,-1) to (0,−2,3)(0,-2,3)?

정답·풀이 보기

여기서 핵심은 F\mathbf{F} 가 보존장이라는 것이다.

F=∇ϕ\mathbf{F}=\nabla\phi 이고

ϕ=x22+yx−yz+z22\phi=\frac{x^2}{2}+yx-yz+\frac{z^2}{2}

이다. 따라서 r(t0)=(1,0,−1)\mathbf{r}(t_0)=(1,0,-1) 에서 r(t1)=(0,−2,3)\mathbf{r}(t_1)=(0,-2,3) 까지의 모든 경로에 대해

∫CF⋅dr=ϕ(r(t1))−ϕ(r(t0))=ϕ(0,−2,3)−ϕ(1,0,−1)=[0+0+6+92]−[12+0−0+12]=912\begin{aligned} \int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\phi\big(\mathbf{r}(t_1)\big)-\phi\big(\mathbf{r}(t_0)\big) &=\phi(0, -2, 3)-\phi(1,0,-1) \\ &=\left[0+0+6+\frac{9}{2}\right]-\left[\frac{1}{2}+0-0+\frac{1}{2}\right] \\ &=9\frac{1}{2} \end{aligned}

.

원본 교재 풀이(영어)

The point here is that F\mathbf{F} is conservative, as F=∇ϕ\mathbf{F}=\nabla\phi with

ϕ=x22+yx−yz+z22\phi=\frac{x^2}{2}+yx-yz+\frac{z^2}{2}

So, for all paths from r(t0)=(1,0,−1)\mathbf{r}(t_0)=(1,0,-1) to r(t1)=(0,−2,3)\mathbf{r}(t_1)=(0,-2,3),

∫CF⋅dr=ϕ(r(t1))−ϕ(r(t0))=ϕ(0,−2,3)−ϕ(1,0,−1)=[0+0+6+92]−[12+0−0+12]=912\begin{aligned} \int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\phi\big(\mathbf{r}(t_1)\big)-\phi\big(\mathbf{r}(t_0)\big) &=\phi(0, -2, 3)-\phi(1,0,-1) \\ &=\left[0+0+6+\frac{9}{2}\right]-\left[\frac{1}{2}+0-0+\frac{1}{2}\right] \\ &=9\frac{1}{2} \end{aligned}

.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 3번
# 선적분계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
619.CLP-4 · 2.4절 · 9번대학 수준우리말 번역

벡터장

V(x,y)=(excos⁡y+x2,x2y+3)\mathbf{V}(x, y) = (e^x \cos y + x^2, x^2y + 3)

을 생각하세요. (0,0)(0, 0) 에서 (1,0)(1,0) 을 거쳐 (1,π)(1, \pi) 로, 마지막으로 (0,π)(0, \pi) 로 직선 선분을 따라 움직여 얻은 방향이 있는 곡선 CC 를 따라 선적분 ∫CV⋅dr\int_C\mathbf{V}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the vector field

V(x,y)=(excos⁡y+x2,x2y+3)\mathbf{V}(x, y) = (e^x \cos y + x^2, x^2y + 3)

Evaluate the line integral ∫CV⋅dr\int_C\mathbf{V}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} along the oriented curve CC obtained by moving from (0,0)(0, 0) to (1,0)(1,0) to (1,π)(1, \pi) and finally to (0,π)(0, \pi) along straight line segments.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

다음에 주목한다.

  • (0,0)(0, 0) 에서 (1,0)(1,0) 까지의 선분을 따라 xx 는 00 에서 11 까지 증가하고, yy 는 y=0y=0 으로 고정된다. 따라서 이 선분을 r(x)=x ı^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}, 0≤x≤10\le x\le 1 로 매개화할 수 있다.
  • (1,0)(1, 0) 에서 (1,π)(1,\pi) 까지의 선분을 따라 yy 는 00 에서 π\pi 까지 증가하고, xx 는 x=1x=1 로 고정된다. 따라서 이 선분을 r(x)=ı^+y ȷ^\mathbf{r}(x) = \hat{\boldsymbol{\imath}} + y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤y≤π0\le y\le\pi 로 매개화할 수 있다.
  • (1,π)(1, \pi) 에서 (0,π)(0,\pi) 까지의 선분을 따라 xx 는 11 에서 00 까지 감소하고, yy 는 y=πy=\pi 로 고정된다. 따라서 이 선분을 xx 가 11 에서 00 까지 변하는 r(x)=x ı^+π ȷ^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\pi\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 로 매개화할 수 있다.

그러므로

∫CV⋅dr=∫01V(x,0)⋅ı^ dx+∫0πV(1,y)⋅ȷ^ dy+∫10V(x,π)⋅ı^ dx=∫01(ex+x2) dx+∫0π(y+3) dy+∫10(−ex+x2) dx=2∫01ex dx+∫0π(y+3) dy=2(e−1)+π22+3π\begin{aligned} \int_C \mathbf{V}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{V}(x,0)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x+\int_0^\pi \mathbf{V}(1,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}\ \mathrm{d}y +\int_1^0 \mathbf{V}(x,\pi)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x\\ &=\int_0^1 (e^x+x^2)\ \mathrm{d}x +\int_0^\pi (y+3)\ \mathrm{d}y+\int_1^0 (-e^x+x^2)\ \mathrm{d}x\\ &=2\int_0^1 e^x\ \mathrm{d}x+\int_0^\pi (y+3)\ \mathrm{d}y\\ &=2(e-1)+\frac{\pi^2}{2}+3\pi \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Note that:

  • Along the line segment from (0,0)(0, 0) to (1,0)(1,0), xx increases from 00 to 11, while yy is held fixed at y=0y=0. So we may parametrize this segment by r(x)=x ı^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}, 0≤x≤10\le x\le 1.
  • Along the line segment from (1,0)(1, 0) to (1,π)(1,\pi), yy increases from 00 to π\pi, while xx is held fixed at x=1x=1. So we may parametrize this segment by r(x)=ı^+y ȷ^\mathbf{r}(x) = \hat{\boldsymbol{\imath}} + y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤y≤π0\le y\le\pi.
  • Along the line segment from (1,π)(1, \pi) to (0,π)(0,\pi), xx decreases from 11 to 00, while yy is held fixed at y=πy=\pi. So we may parametrize this segment by r(x)=x ı^+π ȷ^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\pi\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} with xx running from 11 to 00.

Hence

∫CV⋅dr=∫01V(x,0)⋅ı^ dx+∫0πV(1,y)⋅ȷ^ dy+∫10V(x,π)⋅ı^ dx=∫01(ex+x2) dx+∫0π(y+3) dy+∫10(−ex+x2) dx=2∫01ex dx+∫0π(y+3) dy=2(e−1)+π22+3π\begin{aligned} \int_C \mathbf{V}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{V}(x,0)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x+\int_0^\pi \mathbf{V}(1,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}\ \mathrm{d}y +\int_1^0 \mathbf{V}(x,\pi)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x\\ &=\int_0^1 (e^x+x^2)\ \mathrm{d}x +\int_0^\pi (y+3)\ \mathrm{d}y+\int_1^0 (-e^x+x^2)\ \mathrm{d}x\\ &=2\int_0^1 e^x\ \mathrm{d}x+\int_0^\pi (y+3)\ \mathrm{d}y\\ &=2(e-1)+\frac{\pi^2}{2}+3\pi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 8번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
620.CLP-4 · 2.4절 · 10번대학 수준우리말 번역

다음 각 경우에 대해 ∫CF⋅dr\int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

(a) F(x,y)=xy ı^−x2 ȷ^\mathbf{F}(x,y)=xy\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고, y=x2y=x^2 을 따라 (0,0)(0,0) 에서 (1,1)(1,1) 까지. (b) F(x,y,z)=(x−z) ı^+(y−z) ȷ^−(x+y) k^\mathbf{F}(x,y,z)=(x-z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(y-z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-(x+y)\,\hat{\mathbf{k}} 이고, (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,0,0)(1,0,0) 을 거쳐 (1,1,0)(1,1,0) 을 지나 (1,1,1)(1,1,1) 까지 가는 꺾은선 경로를 따라.

영어 원문 보기

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

(a) F(x,y)=xy ı^−x2 ȷ^\mathbf{F}(x,y)=xy\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} along y=x2y=x^2 from (0,0)(0,0) to (1,1)(1,1). (b) F(x,y,z)=(x−z) ı^+(y−z) ȷ^−(x+y) k^\mathbf{F}(x,y,z)=(x-z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(y-z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-(x+y)\,\hat{\mathbf{k}} along the polygonal path from (0,0,0)(0,0,0) to (1,0,0)(1,0,0) to (1,1,0)(1,1,0) to (1,1,1)(1,1,1).

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 곡선을 r(t)=t ı^+t2 ȷ^\mathbf{r}(t)=t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤t≤10\le t\le 1 로 매개화할 수 있다. 그러면 v(t)=drdt(t)=ı^+2t ȷ^\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고 F(x(t),y(t))=t3 ı^−t2 ȷ^\mathbf{F}\big(x(t),y(t)\big)=t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이므로

∫CF⋅dr=∫01F(x(t),y(t))⋅drdt(t) dt=∫01[t3 ı^−t2 ȷ^]⋅[ı^+2t ȷ^] dt=∫01[−t3] dt=−14\begin{aligned} \int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{F}\big(x(t),y(t)\big)\cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)\ \mathrm{d}t =\int_0^1\big[t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big] \cdot\big[\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big]\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big[-t^3\big]\,\mathrm{d}t \\ &=-\frac{1}{4} \end{aligned}

(b) 경로는 세 선분의 합이다.

  • 경로의 첫 번째 선분에서는 y=z=0y=z=0 이므로 F\mathbf{F} 는 x ı^−x k^x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x\,\hat{\mathbf{k}} 로 간단해지고 dr=ı^ dx\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x 이다 (즉, 경로의 첫 번째 선분을 r(x)=x ı^\mathbf{r}(x)=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}, 0≤x≤10\le x\le 1 로 매개화할 수 있다). 따라서 F⋅dr=x dx\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=x\,\mathrm{d}x 이다.
  • 경로의 두 번째 선분에서는 x=1x=1, z=0z=0 이므로 F\mathbf{F} 는 ı^+yȷ^−(1+y)k^\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\hat{\boldsymbol{\jmath}}-(1+y)\hat{\mathbf{k}} 로 간단해지고 dr=ȷ^ dy\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\boldsymbol{\jmath}}\, \mathrm{d}y 이다 (경로의 두 번째 선분을 r(y)=ı^+y ȷ^ \mathbf{r}(y)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤y≤10\le y\le 1 로 매개화한다). 따라서 F⋅dr=y dy\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=y\,\mathrm{d}y 이다.
  • 경로의 마지막 선분에서는 x=y=1x=y=1 이므로 F\mathbf{F} 는 (1−z)ı^+(1−z)ȷ^−2k^(1-z)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(1-z)\hat{\boldsymbol{\jmath}}-2\hat{\mathbf{k}} 로 간단해지고 dr=k^ dz\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\mathbf{k}}\, \mathrm{d}z 이다 (경로의 세 번째 선분을 r(z)=ı^+ȷ^+z k^ \mathbf{r}(z)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}}, 0≤z≤10\le z\le 1 로 매개화한다). 따라서 F⋅dr=−2 dz\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=-2\,\mathrm{d}z 이다.

그러므로

∫CF⋅dr=∫01x dx+∫01y dy+∫01(−2) dz=12+12−2=−1\int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=\int_0^1 x\,\mathrm{d}x +\int_0^1 y\,\mathrm{d}y+\int_0^1(-2)\,\mathrm{d}z =\frac{1}{2}+\frac{1}{2}-2 =-1

원본 교재 풀이(영어)

(a) We may parametrize the curve by r(t)=t ı^+t2 ȷ^\mathbf{r}(t)=t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} with 0≤t≤10\le t\le 1. Then v(t)=drdt(t)=ı^+2t ȷ^\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} and F(x(t),y(t))=t3 ı^−t2 ȷ^\mathbf{F}\big(x(t),y(t)\big)=t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} so

∫CF⋅dr=∫01F(x(t),y(t))⋅drdt(t) dt=∫01[t3 ı^−t2 ȷ^]⋅[ı^+2t ȷ^] dt=∫01[−t3] dt=−14\begin{aligned} \int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{F}\big(x(t),y(t)\big)\cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)\ \mathrm{d}t =\int_0^1\big[t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big] \cdot\big[\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big]\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big[-t^3\big]\,\mathrm{d}t \\ &=-\frac{1}{4} \end{aligned}

(b) The path is the union of three line segments.

  • On the first segment of the path y=z=0y=z=0 so F\mathbf{F} simplifies to x ı^−x k^x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x\,\hat{\mathbf{k}} and dr=ı^ dx\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x (i.e. we can parametrize the first segment of the path by r(x)=x ı^\mathbf{r}(x)=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} with 0≤x≤10\le x\le 1), so F⋅dr=x dx\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=x\,\mathrm{d}x.
  • On the second segment of the path x=1x=1, z=0z=0 so F\mathbf{F} simplifies to ı^+yȷ^−(1+y)k^\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\hat{\boldsymbol{\jmath}}-(1+y)\hat{\mathbf{k}} and dr=ȷ^ dy\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\boldsymbol{\jmath}}\, \mathrm{d}y (parametrize the second segment of the path by r(y)=ı^+y ȷ^ \mathbf{r}(y)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} with 0≤y≤10\le y\le 1), so F⋅dr=y dy\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=y\,\mathrm{d}y.
  • On the final segment of the path x=y=1x=y=1 so F\mathbf{F} simplifies to (1−z)ı^+(1−z)ȷ^−2k^(1-z)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(1-z)\hat{\boldsymbol{\jmath}}-2\hat{\mathbf{k}} and dr=k^ dz\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\mathbf{k}}\, \mathrm{d}z (parametrize the third segment of the path by r(z)=ı^+ȷ^+z k^ \mathbf{r}(z)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}} with 0≤z≤10\le z\le 1), so F⋅dr=−2 dz\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=-2\,\mathrm{d}z.

So

∫CF⋅dr=∫01x dx+∫01y dy+∫01(−2) dz=12+12−2=−1\int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=\int_0^1 x\,\mathrm{d}x +\int_0^1 y\,\mathrm{d}y+\int_0^1(-2)\,\mathrm{d}z =\frac{1}{2}+\frac{1}{2}-2 =-1

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 11번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)