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) 의 방향장을 그래프로 그리세요.
영어 원문 보기
Sketch the direction field of
v(x,y)=(x2+y2,(x−1)2+(y−1)2).
정답·풀이 보기
결국에는 단위 길이의 벡터만 그리게 되지만, v(x,y) 의 x성분과 y성분을 구하면 그 방향을 알 수 있다.
v(x,y)⋅^ 는 (x,y) 에서 원점까지의 거리이고, v(x,y)⋅^ 는 (x,y) 에서 점 (1,1) 까지의 거리이다. 이 두 수는 항상 음이 아니다. 따라서 다음과 같은 그림이 된다.
(x,y) 가 원점에서 멀리 떨어져 있으면, (0,0) 까지의 거리는 (1,0) 까지의 거리와 거의 같다. 그러므로 v(x,y) 는 (1,1) 의 스칼라 배수에 가까울 것으로 예상된다.
(0,0) 에서 v(0,0)⋅^=0 이므로 이 벡터는 수평이다. 마찬가지로 v(1,1)⋅^=0 이므로 이 벡터는 수평이다. (0,0) 에 아주 가까운 곳의 벡터는 거의 수평이고, (1,1) 에 가까운 곳의 벡터는 거의 수직이다.
방향장을 그리기 위해 벡터의 길이가 1이 되도록 정규화한다.
원본 교재 풀이(영어)
Although ultimately we'll sketch only unit-length vectors, we can still find the direction of v(x,y) by finding its x- and y components.
Note v(x,y)⋅^ is the distance from (x,y) to the origin, while v(x,y)⋅^ is the distance from (x,y) to the point (1,1). Both these numbers are always nonnegative. This leads to the following sketch:
When (x,y) is far from the origin, its distance from (0,0) is almost the same as its distance from (1,0). So, we expect v(x,y) to be approximately a scalar multiple of (1,1).
At (0,0), v(0,0)⋅^=0, so our vector is horizontal; similarly, v(1,1)⋅^=0 so this vector is horizontal. Vectors very near to (0,0) are nearly horizontal, while vectors near to (1,1) are nearly vertical.
For the direction field, we normalize our vectors to have unit length.
벡터장 v(x,y)=[x2+y21/3(x,y)+(x−1)2+y21/3(x−1,y)] 을 그리세요.
영어 원문 보기
Sketch the vector field v(x,y)=[x2+y21/3(x,y)+(x−1)2+y21/3(x−1,y)].
정답·풀이 보기
벡터장 v(x,y) 는 원점에서 멀어지는 방향의 단위벡터와 (1,0) 에서 멀어지는 방향의 단위벡터의 합에 1/3을 곱한 것이다. 이로부터 몇몇 영역에 대해 알 수 있다.
(0,0) 과 (1,0) 사이의 x축 위에서는 이 두 점에서 멀어지는 방향의 벡터가 서로 반대 방향이고 (길이가 같으므로) 서로 상쇄된다. 즉, 모든 x∈(0,1) 에 대해 v(x,0)=0 이다.
v(0,0) 과 v(1,0) 은 정의되지 않는다.
[0,1] 바깥의 x축 위에서는 점 (0,0) 에서 멀어지는 방향의 벡터가 점 (1,0) 에서 멀어지는 방향의 벡터와 같다. 따라서 x<0 일 때 v(x,0)=(−2/3,0) 이고, x>1 일 때 v(x,0)=(2/3,0) 이다.
(x,y) 에서 원점까지의 거리가 커질수록, (0,0) 에서 멀어지는 방향의 벡터는 (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.
원본 교재 풀이(영어)
The field 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). This tells us about a few regions:
Along the x axis between (0,0) and (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)=0 for all x∈(0,1).
v(0,0) and v(1,0) are not defined.
Along the x-axis outside of [0,1], the vector pointing away from the point (0,0) is the same as the vector pointing away from the point (1,0). So, v(x,0)=(−2/3,0) for x<0 and v(x,0)=(2/3,0) for x>1.
As the distance from (x,y) to the origin grows, the vector pointing away from (0,0) looks more and more like the vector pointing away from (1,0). So, our vectors far away from the origin look like vectors of length about 2/3, pointing away from the origin.
질량이 M 인 물체는 자신으로부터 거리 D 만큼 떨어진 단위 질량의 입자에 크기가 D2GM 인 힘을 작용한다. 여기서 G 는 물리 상수이다. 이 힘은 입자에서 물체를 향하는 방향으로 작용한다.
좌표평면 위에서 질량 5 kg 인 물체가 위치 (0,0) 에, 질량 3 kg 인 물체가 위치 (2,3) 에, 질량 7 kg 인 물체가 위치 (4,0) 에 놓여 있다고 하자. 위치 (x,y) 에 있는 단위 질량에 작용하는 전체 중력의 벡터장 f(x,y) 를 구하세요.
영어 원문 보기
A body of mass M exerts a force of magnitude D2GM on a particle of unit mass distance D away from itself, where G is a physical constant. The force acts in the direction from the particle to the body.
Suppose a mass of 5 kg sits at position (0,0), a mass of 3 kg sits at position (2,3), and a mass of 7 kg sits at position (4,0) on a coordinate plane. Give the vector field f(x,y) of the net gravitational force exerted on a unit mass at position (x,y).
정답·풀이 보기
위치 (x,y) 에 있는 단위 질량의 입자는 5kg 물체로부터 거리 D1=x2+y2 만큼 떨어져 있으므로, 그 물체는 입자에 크기가 x2+y2G(5) 인 힘을 작용한다. 이 힘의 방향은 (−x,−y) 이다. 따라서 5kg 물체가 작용하는 힘은 f1(x,y)=(x2+y2)3/2−5G(x,y) 이다.
마찬가지로, (2,3) 에 있는 3 kg 물체가 작용하는 힘은 f2(x,y)=((x−2)2+(y−3)2)3/23G(2−x,3−y) 이고, (4,0) 에 있는 7 kg 물체가 작용하는 힘은 f3(x,y)=((x−4)2+y2)3/27G(4−x,−y) 이다.
A particle of unit mass at position (x,y) has distance D1=x2+y2 from the 5kg mass, so that mass exerts a force of magnitude x2+y2G(5) on the particle. This force has direction (−x,−y). So, the force exerted by the 5kg mass is f1(x,y)=(x2+y2)3/2−5G(x,y).
Similarly, the 3 kg mass at (2,3) exerts a force of f2(x,y)=((x−2)2+(y−3)2)3/23G(2−x,3−y); and the 7 kg mass at (4,0) exerts a force of f3(x,y)=((x−4)2+y2)3/27G(4−x,−y).
a. 막대 하나가 수직인 벽에 기대어 있다. 막대의 길이는 2이고, 벽과 닿는 지점의 높이는 H=1이다. 막대는 벽에 계속 닿은 채로 미끄러져 내려가며, 높이는 dtdH=0.5의 비율로 감소한다.
위의 그림과 같은 좌표계를 사용하여, H=1일 때 막대의 아래쪽 끝에서 p만큼 떨어진 막대 위의 점의 속도를 나타내는 벡터함수 v:[0,2]→R2 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.
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)의 속도를 나타내는 벡터장 V(x,y,z)를 구하세요.
바닥의 높이를 z=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=1. The pole slides down, still touching the wall, with its height decreasing at a rate of dtdH=0.5.
Find a vector function v:[0,2]→R2 for the velocity, when H=1, of a point on the pole that is p 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.
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) of a point
(x,y,z) on the frame when its centre is 1 metre above the ground.
Let the ground have height z=0, and let the centre of the frame sit directly above the origin.
정답·풀이 보기
a. 막대 위에서 아래쪽 끝으로부터 거리 p만큼 떨어진 점 P를 생각하자. 이 점을 이용하여 아래 그림과 같이 더 작은 직각삼각형을 만든다.
이 모형에서는 이 함수의 정의역을 [0,2]로 정한다.
b. 먼저 a의 풀이에서 가져다 쓸 수 있는 것을 살펴보자.
a와 마찬가지로, 막대 중 하나 위에서 아래쪽 끝으로부터 p미터 떨어진 점 P를 생각하자.
P의 위치를 (x,y,z)라 하자. 이제 dtdH는 음수가 아니라 양수이므로, 이 2차원 단면에 한정하여 보면
V(p)=((1−2p)23−1,4p)
이고, 여기서 둘째 좌표는 z이며 첫째 좌표는 벡터 (x,y,0)의 방향을 가진 (수평) 직선을 따른 성분이다.
따라서 dtdzH=1=4p 임을 알고, 또 어떤 음의 상수 c에 대해 (dtdx,dtdy)H=1=(x,y)c 이고 ∣(x,y)c∣=(1−2p)231 임을 안다. 벡터의 방향과 크기를 알았으므로 벡터를 구할 수 있다:
(dtdx,dtdy)H=1=(x,y)c=−23x2+y2(1−2p)(x,y)
식을 x, y, z로 나타내고 싶으므로 p를 없애야 한다.
닮은 삼각형을 이용하면 2p=4−H24−H2−x2+y2 이다. H=1일 때 1−2p=3x2+y2 이다. 그러므로
(dtdx,dtdy)H=1=−61(x,y)
마지막으로
V(x,y,z)=(dtdx,dtdy,dtdz)H=1=(−61x,−61y,21z)
(x,y,z)의 모든 값이 뼈대 위에 있는 것은 아니다. 그러나 뼈대 위에 있는(x,y,z)의 값에 대해서는 이 식이 성립한다.
원본 교재 풀이(영어)
a. Consider a point P on the pole that is a distance p away from the bottom end. Use this point to make a smaller right triangle, as in the picture below.
Using similar triangles:
hIf P is at position (x,y), then:ydtdyWhen H=1:dtdyH=1=2pH=h=2pH=2pdtdH=−4p=−4pbxdtdxdtdxH=1=2p4−H2=4−H2−b=(1−2p)4−H2=(1−2p)4−H2−HdtdH=(1−2p)24−H2H=(1−2p)231
For our model, we set the domain of this function to be [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 P on one of the poles, p metres from the bottom end.
Let P have position (x,y,z). Noting that dtdH is now positive, not negative, if we stick to this two-dimensional slice,
V(p)=((1−2p)23−1,4p)
where the second coordinate is z and the first coordinate refers to the (horizontal) line in the direction of the vector (x,y,0).
So, we know dtdzH=1=4p, and we know (dtdx,dtdy)H=1=(x,y)c for some negative constant c with ∣(x,y)c∣=(1−2p)231. Since we have the direction and the magnitude of the vector, we can find the vector:
(dtdx,dtdy)H=1=(x,y)c=−23x2+y2(1−2p)(x,y)
We want our equation to be in terms of x, y, and z, so we need to get rid of p.
Using similar triangles, 2p=4−H24−H2−x2+y2. When H=1, then 1−2p=3x2+y2. So:
아래에 그려진 벡터장 v(x,y) 가 xy평면의 제1사분면에 있는 점 (x,y) 에서 흐르는 물의 속도를 나타낸다고 하자.
다음 점에 떨어뜨린 고무 오리가 따라가는 경로를 그리세요.
(a) (0,2)
(b) (1,0)
(c) (1,2)
영어 원문 보기
Suppose that the vector field v(x,y) sketched below represents the velocity of
moving water at the point (x,y) in the first quadrant of the xy-plane.
Sketch the path followed by a rubber ducky dropped in at the point
(a) (0,2)
(b) (1,0)
(c) (1,2)
정답·풀이 보기
(a) 양의 y축 위의 모든 점에서 속도 벡터 v(0,y) 는 곧장 아래쪽을 향한다. 따라서 (0,2) 에서 물에 놓은 고무 오리는 양의 y축을 따라 원점을 향해 곧장 아래로 떠내려간다.
(b) 양의 x축 위의 모든 점에서 속도 벡터 v(x,0) 는 곧장 오른쪽을 향한다. 따라서 (1,0) 에서 물에 놓은 고무 오리는 양의 x축을 따라 오른쪽으로 떠내려간다.
(c) 축에서 떨어진 제1사분면의 모든 점에서 속도 벡터 v(x,y) 는 아래쪽 오른쪽을 향한다. 따라서 (1,2) 에서 물에 놓은 고무 오리는 언제나 아래쪽 오른쪽으로 떠내려간다. 오리가 x축에 가까워질수록 움직임은 더욱 오른쪽으로 향하게 된다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) At every point of the positive y-axis, the velocity vector v(0,y)
points straight down. So a rubber ducky placed in the water at (0,2)
just floats straight down the positive y-axis towards the origin.
(b) At every point of the positive x-axis, the velocity vector v(x,0)
points straight to the right. So a rubber ducky placed in the water at (1,0)
just floats rightward along the positive x-axis.
(c) At every point of the first quadrant away from the axes, the
velocity vector v(x,y) points downwards and towards the right. So a
rubber ducky placed in the water at (1,2) always floats down and to
the right. The closer the ducky gets to the x–axis the more rightward
its motion becomes.
F 가 보존장이고 a, b, c 가 상수라고 하자. F+(a,b,c) 의 퍼텐셜을 구하세요. 또는 F+(a,b,c) 가 보존장이 아니게 되는 보존장 F 와 상수 a, b, c 를 하나 제시하세요.
영어 원문 보기
Suppose F is conservative and let a, b, and c be constants. Find a potential for F+(a,b,c), OR give a conservative field F and constants a, b, and c for which F+(a,b,c) is not conservative.
정답·풀이 보기
φ 를 F 의 퍼텐셜이라 하자. ϕ=φ+ax+by+cz 로 정의하면 ∇ϕ=∇φ+(a,b,c)=F+(a,b,c) 이다. 따라서 F+(a,b,c) 도 보존장이다.
원본 교재 풀이(영어)
Let φ be a potential for F. Define ϕ=φ+ax+by+cz. Then ∇ϕ=∇φ+(a,b,c)=F+(a,b,c). So, F+(a,b,c) is also conservative.
a. F 가 보존장이고 G 가 비보존장이면, F+G 는 비보존장이다.
b. F 와 G 가 모두 비보존장이면, F+G 는 비보존장이다.
c. F 와 G 가 모두 보존장이면, F+G 는 보존장이다.
영어 원문 보기
Prove, or find a counterexample to, each of the following statements.
a. If F is a conservative field and G is a non-conservative field, then F+G is non-conservative.
b. If F and G are both non-conservative fields, then F+G is non-conservative.
c. If F and G are both conservative fields, then F+G is conservative.
정답·풀이 보기
a. 어떤 F, G 에 대해 F+G 가 보존장이라고 하면, 정의에 따라 F+G=∇φ 를 만족하는 퍼텐셜 φ 가 존재한다.
F 가 보존장이므로, F=∇ψ 를 만족하는 퍼텐셜 ψ 도 존재한다.
그러면 G=(F+G)−F=∇φ−∇ψ=∇(φ−ψ) 이다. 즉 함수 (φ−ψ) 는 G 의 퍼텐셜이다. 그러나 이는 불가능하다. G 가 비보존장이므로 이러한 성질을 갖는 함수는 존재하지 않기 때문이다.
따라서 F+G 가 보존장일 수는 없다. 즉 비보존장이다.
b. 반례: F=−G 이면, 임의의 상수 c 에 대해 F+G=0=∇c 이다.
c. 두 장이 모두 보존장이므로 둘 다 퍼텐셜을 갖는다. 이를 F=∇φ, G=∇ψ 라 하자. 그러면 F+G=∇φ+∇ψ=∇(φ+ψ) 이다. 즉 (φ+ψ) 는 F+G 의 퍼텐셜이므로 F+G 는 보존장이다.
원본 교재 풀이(영어)
a. If F+G is conservative for any particular F and G, then by definition, there exists a potential φ with F+G=∇φ.
Since F is conservative, there also exists a potential ψ with F=∇ψ.
But now G=(F+G)−F=∇φ−∇ψ=∇(φ−ψ). That means the function (φ−ψ) is a potential for G. However, this is impossible: since G is non-conservative, no function with this property exists.
So it is not possible that F+G is conservative. It must be non-conservative.
b. Counterexample: if F=−G, then F+G=0=∇c for any constant c.
c. Since both fields are conservative, they both have potentials, say F=∇φ and G=∇ψ. Then F+G=∇φ+∇ψ=∇(φ+ψ). That is, (φ+ψ) is a potential for F+G, so F+G is conservative.
φ(x,y,z)=ex2+y2+cos(z2) 이라 하고, F=∇φ 로 정의하자. 중심이 (1,2,3) 이고 점 (5−1,−2,5−3), ((5−2)/2,−1/2,(5−6)/2), (−2,3−2,3−3) 을 지나며 시계 방향으로 도는 타원인 닫힌 곡선 C 에 대하여 ∫CF⋅dr 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Let φ(x,y,z)=ex2+y2+cos(z2), and define F=∇φ. Evaluate ∫CF⋅dr over the closed curve C that is an ellipse traversed clockwise, centred at (1,2,3), passing through the points (5−1,−2,5−3), ((5−2)/2,−1/2,(5−6)/2), and (−2,3−2,3−3).
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정답·풀이 보기
F 는 보존적이므로 임의의 닫힌 곡선 C 에 대하여 ∫CF⋅dr=0 이다. 주어진 곡선은 닫힌 곡선이므로 적분값은 단순히 0이다.
원본 교재 풀이(영어)
Since F is conservative, ∫CF⋅dr=0 over any closed curve C. The given curve is closed, so the integral is simply zero.
힘의 장 F=(x+y)^+(x−z)^+(z−y)k^ 가 물체를 (1,0,−1) 에서 (0,−2,3) 까지 움직일 때 한 일 ∫CF⋅dr 을 구하세요. 한 일은 (1,0,−1) 에서 (0,−2,3) 까지 가는 데 사용한 경로에 따라 달라지나요?
영어 원문 보기
Find the work, ∫CF⋅dr, done by the force field
F=(x+y)^+(x−z)^+(z−y)k^ in moving an object
from (1,0,−1) to (0,−2,3). Does the work done depend on the path used
to get from (1,0,−1) to (0,−2,3)?
정답·풀이 보기
여기서 핵심은 F 가 보존장이라는 것이다.
F=∇ϕ 이고
ϕ=2x2+yx−yz+2z2
이다. 따라서 r(t0)=(1,0,−1) 에서 r(t1)=(0,−2,3) 까지의 모든 경로에 대해
을 생각하세요. (0,0) 에서 (1,0) 을 거쳐 (1,π) 로, 마지막으로 (0,π) 로 직선 선분을 따라 움직여 얻은 방향이 있는 곡선 C 를 따라 선적분 ∫CV⋅dr 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Consider the vector field
V(x,y)=(excosy+x2,x2y+3)
Evaluate the line integral ∫CV⋅dr along the
oriented curve C obtained by moving from (0,0) to (1,0) to
(1,π) and finally to (0,π) along straight line segments.
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정답·풀이 보기
다음에 주목한다.
(0,0) 에서 (1,0) 까지의 선분을 따라 x 는 0 에서 1 까지 증가하고, y 는 y=0 으로 고정된다.
따라서 이 선분을 r(x)=x^, 0≤x≤1 로 매개화할 수 있다.
(1,0) 에서 (1,π) 까지의 선분을 따라 y 는 0 에서 π 까지 증가하고, x 는 x=1 로 고정된다.
따라서 이 선분을 r(x)=^+y^, 0≤y≤π 로 매개화할 수 있다.
(1,π) 에서 (0,π) 까지의 선분을 따라 x 는 1 에서 0 까지 감소하고, y 는 y=π 로 고정된다.
따라서 이 선분을 x 가 1 에서 0 까지 변하는 r(x)=x^+π^ 로 매개화할 수 있다.
Along the line segment from (0,0) to (1,0), x increases
from 0 to 1, while y is held fixed at y=0.
So we may parametrize this segment by r(x)=x^, 0≤x≤1.
Along the line segment from (1,0) to (1,π), y increases
from 0 to π, while x is held fixed at x=1.
So we may parametrize this segment by r(x)=^+y^, 0≤y≤π.
Along the line segment from (1,π) to (0,π), x decreases
from 1 to 0, while y is held fixed at y=π.
So we may parametrize this segment by r(x)=x^+π^
with x running from 1 to 0.
(a) F(x,y)=xy^−x2^ 이고, y=x2 을 따라 (0,0) 에서 (1,1) 까지.
(b) F(x,y,z)=(x−z)^+(y−z)^−(x+y)k^ 이고, (0,0,0) 에서 (1,0,0) 을 거쳐 (1,1,0) 을 지나 (1,1,1) 까지 가는 꺾은선 경로를 따라.
영어 원문 보기
Evaluate ∫CF⋅dr for
(a) F(x,y)=xy^−x2^ along y=x2 from (0,0) to (1,1).
(b) F(x,y,z)=(x−z)^+(y−z)^−(x+y)k^ along the polygonal path from
(0,0,0) to (1,0,0) to (1,1,0) to (1,1,1).
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(a)
(b)
정답·풀이 보기
(a)
곡선을 r(t)=t^+t2^, 0≤t≤1 로 매개화할 수 있다.
그러면 v(t)=dtdr(t)=^+2t^ 이고
F(x(t),y(t))=t3^−t2^ 이므로
On the first segment of the path y=z=0 so F simplifies
to x^−xk^ and dr=^dx (i.e. we can parametrize
the first segment of the path by r(x)=x^ with 0≤x≤1),
so F⋅dr=xdx.
On the second segment of the path x=1, z=0 so F simplifies
to ^+y^−(1+y)k^ and dr=^dy
(parametrize the second segment of the path by r(y)=^+y^ with 0≤y≤1),
so F⋅dr=ydy.
On the final segment of the path x=y=1 so F simplifies
to (1−z)^+(1−z)^−2k^ and dr=k^dz
(parametrize the third segment of the path by r(z)=^+^+zk^ with 0≤z≤1),
so F⋅dr=−2dz.