문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

벡터 미적분 전체 문제

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86문제 · 5 / 5쪽

81.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)
82.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)
83.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)
84.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)
85.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
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86.CLP-4 · 7번대학 수준우리말 번역

벡터장 F=P(x,y) ı^+Q(x,y) ȷ^\mathbf{F} = P (x, y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + Q(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 를 아래에 그렸습니다.

그림

다음 물음에서 그래프로 가장 잘 뒷받침되는 답을 고르세요.

(a) 점 AA 에서의 미분계수 PyP_y 는 (a) 양수이다, (b) 음수이다, (c) 0이다, (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. (b) 점 AA 에서의 미분계수 QxQ_x 는 (a) 양수이다, (b) 음수이다, (c) 0이다, (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. (c) 점 AA 에서 F\mathbf{F} 의 회전(curl)은 (a) +k^+\hat{\mathbf{k}} 방향이다 (b) −k^-\hat{\mathbf{k}} 방향이다 (c) 0이다 (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. (d) 입자가 곡선 C1\mathcal{C}_1 을 따라 점 BB 에서 점 CC 까지 움직일 때 벡터장이 한 일은 (a) 양수이다 (b) 음수이다 (c) 0이다 (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. (e) 입자가 곡선 C2\mathcal{C}_2 를 따라 점 BB 에서 점 CC 까지 움직일 때 벡터장이 한 일은 (a) 양수이다 (b) 음수이다 (c) 0이다 (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. (f) 벡터장 F\mathbf{F} 는 (a) 어떤 함수 ff 의 그래디언트이다 (b) 어떤 벡터장 G\mathbf{G} 의 회전이다 (c) 보존적이지 않다 (d) 발산이 0이다.

영어 원문 보기

The vector field F=P(x,y) ı^+Q(x,y) ȷ^\mathbf{F} = P (x, y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + Q(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} is plotted below.

figure

In the following questions, give the answer that is best supported by the plot.

(a) The derivative PyP_y at the point labelled AA is (a) positive, (b) negative, (c) zero, (d) there is not enough information to tell. (b) The derivative QxQ_x at the point labelled AA is (a) positive, (b) negative, (c) zero, (d) there is not enough information to tell. (c) The curl of F\mathbf{F} at the point labelled AA is (a) in the direction of +k^+\hat{\mathbf{k}} (b) in the direction of −k^-\hat{\mathbf{k}} (c) zero (d) there is not enough information to tell. (d) The work done by the vector field on a particle travelling from point BB to point CC along the curve C1\mathcal{C}_1 is (a) positive (b) negative (c) zero (d) there is not enough information to tell. (e) The work done by the vector field on a particle travelling from point BB to point CC along the curve C2\mathcal{C}_2 is (a) positive (b) negative (c) zero (d) there is not enough information to tell. (f) The vector field F\mathbf{F} is (a) the gradient of some function ff (b) the curl of some vector field G\mathbf{G} (c) not conservative (d) divergence free.

정답·풀이 보기

(a) PP 는 F\mathbf{F} 의 xx성분이다. AA 를 지나 수직 위쪽으로 움직이면 그 xx성분은 감소한다. 따라서 AA 에서 Py<0P_y<0 이다.

(b) QQ 는 F\mathbf{F} 의 yy성분이다. AA 를 지나 수평 오른쪽으로 움직이면 그 yy성분은 증가한다. 따라서 AA 에서 Qx>0Q_x>0 이다.

(c) ∇×F=(Qx−Py)k^{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} = (Q_x-P_y)\hat{\mathbf{k}} 이고 AA 에서 Qx−Py>0Q_x-P_y>0 이므로, AA 에서 F\mathbf{F} 의 회전은 +k^+\hat{\mathbf{k}} 방향이다.

(d) 곡선 C1\mathcal{C}_1 을 따라 F\mathbf{F} 와 dr\mathrm{d}\mathbf{r} 가 이루는 각의 크기가 90∘90^\circ 보다 작으므로 F⋅dr>0\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}>0 이고 ∫C1F⋅dr>0\int_{\mathcal{C}_1}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}>0 이다.

(e) 곡선 C2\mathcal{C}_2 를 따라 F\mathbf{F} 와 dr\mathrm{d}\mathbf{r} 가 이루는 각의 크기가 90∘90^\circ 보다 크므로 F⋅dr<0\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}<0 이고 ∫C2F⋅dr<0\int_{\mathcal{C}_2}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}<0 이다.

(f) F\mathbf{F} 가 보존적이라면 ∫C1F⋅dr=∫C2F⋅dr\int_{\mathcal{C}_1}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =\int_{\mathcal{C}_2}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} 이어야 한다. 그런데 이 두 적분은 부호가 반대이므로 F\mathbf{F} 는 보존적이지 않다. (F\mathbf{F} 가 보존적이지 않으므로 어떤 함수의 그래디언트가 아니다. AA 에서 Px>0P_x>0 이고 Qy>0Q_y>0 이다. 따라서 F\mathbf{F} 는 발산이 0이 아니며 벡터 퍼텐셜의 회전도 아니다.)

원본 교재 풀이(영어)

(a) PP is the xx-component of F\mathbf{F}. As we travel vertically upward through AA, that xx-component decreases. Hence Py<0P_y<0 at AA.

(b) QQ is the yy-component of F\mathbf{F}. As we travel horizontally to the right through AA, that yy-component increases. Hence Qx>0Q_x>0 at AA.

(c) ∇×F=(Qx−Py)k^{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} = (Q_x-P_y)\hat{\mathbf{k}} and Qx−Py>0Q_x-P_y>0 at AA, so that the curl of F\mathbf{F} at AA is in the direction of +k^+\hat{\mathbf{k}}.

(d) Along the curve C1\mathcal{C}_1 the magnitude of the angle between F\mathbf{F} and dr\mathrm{d}\mathbf{r} is less than 90∘90^\circ, so that F⋅dr>0\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}>0 and ∫C1F⋅dr>0\int_{\mathcal{C}_1}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}>0.

(e) Along the curve C2\mathcal{C}_2 the magnitude of the angle between F\mathbf{F} and dr\mathrm{d}\mathbf{r} is greater than 90∘90^\circ, so that F⋅dr<0\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}<0 and ∫C2F⋅dr<0\int_{\mathcal{C}_2}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}<0.

(f) If F\mathbf{F} were conservative, we would have ∫C1F⋅dr=∫C2F⋅dr\int_{\mathcal{C}_1}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =\int_{\mathcal{C}_2}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}. As these two integrals have opposite signs F\mathbf{F} is not conservative. (Since F\mathbf{F} is not conservative, it is not the gradient of some function. At AA, Px>0P_x>0 and Qy>0Q_y>0. So F\mathbf{F} is not divergence free and is not the curl of a vector potential.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.2절 · 39번
# 선적분그래프·표 해석자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)