유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
86문제 · 5 / 5쪽
81.CLP-4 · 2.1절 · 13번대학 수준우리말 번역
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.
(a) 점 A 에서의 미분계수 Py 는
(a) 양수이다, (b) 음수이다, (c) 0이다,
(d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다.
(b) 점 A 에서의 미분계수 Qx 는
(a) 양수이다, (b) 음수이다, (c) 0이다,
(d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다.
(c) 점 A 에서 F 의 회전(curl)은
(a) +k^ 방향이다
(b) −k^ 방향이다
(c) 0이다 (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다.
(d) 입자가 곡선 C1 을 따라 점 B 에서 점 C 까지 움직일 때 벡터장이 한 일은
(a) 양수이다 (b) 음수이다 (c) 0이다
(d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다.
(e) 입자가 곡선 C2 를 따라 점 B 에서 점 C 까지 움직일 때 벡터장이 한 일은
(a) 양수이다 (b) 음수이다 (c) 0이다
(d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다.
(f) 벡터장 F 는
(a) 어떤 함수 f 의 그래디언트이다
(b) 어떤 벡터장 G 의 회전이다
(c) 보존적이지 않다
(d) 발산이 0이다.
영어 원문 보기
The vector field
F=P(x,y)^+Q(x,y)^
is plotted below.
In the following questions, give the answer that
is best supported by the plot.
(a) The derivative Py at the point labelled A is
(a) positive, (b) negative, (c) zero,
(d) there is not enough information to tell.
(b) The derivative Qx at the point labelled A is
(a) positive, (b) negative, (c) zero,
(d) there is not enough information to tell.
(c) The curl of F at the point labelled A is
(a) in the direction of +k^
(b) in the direction of −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
B to point C along the curve C1 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
B to point C along the curve C2 is
(a) positive (b) negative (c) zero
(d) there is not enough information to tell.
(f) The vector field F is
(a) the gradient of some function f
(b) the curl of some vector field G
(c) not conservative
(d) divergence free.
정답·풀이 보기
(a) P 는 F 의 x성분이다. A 를 지나 수직 위쪽으로 움직이면 그 x성분은 감소한다. 따라서 A 에서 Py<0 이다.
(b) Q 는 F 의 y성분이다. A 를 지나 수평 오른쪽으로 움직이면 그 y성분은 증가한다. 따라서 A 에서 Qx>0 이다.
(c) ∇×F=(Qx−Py)k^ 이고 A 에서 Qx−Py>0 이므로, A 에서 F 의 회전은 +k^ 방향이다.
(d) 곡선 C1 을 따라 F 와 dr 가 이루는 각의 크기가 90∘ 보다 작으므로 F⋅dr>0 이고 ∫C1F⋅dr>0 이다.
(e) 곡선 C2 를 따라 F 와 dr 가 이루는 각의 크기가 90∘ 보다 크므로 F⋅dr<0 이고 ∫C2F⋅dr<0 이다.
(f) F 가 보존적이라면 ∫C1F⋅dr=∫C2F⋅dr 이어야 한다. 그런데 이 두 적분은 부호가 반대이므로 F 는 보존적이지 않다. (F 가 보존적이지 않으므로 어떤 함수의 그래디언트가 아니다. A 에서 Px>0 이고 Qy>0 이다. 따라서 F 는 발산이 0이 아니며 벡터 퍼텐셜의 회전도 아니다.)
원본 교재 풀이(영어)
(a) P is the x-component of F. As we travel vertically upward
through A, that x-component decreases. Hence Py<0 at A.
(b) Q is the y-component of F. As we travel horizontally to the
right through A, that y-component increases. Hence Qx>0 at A.
(c) ∇×F=(Qx−Py)k^ and Qx−Py>0 at A, so that
the curl of F at A is in the direction of +k^.
(d) Along the curve C1 the magnitude of the angle between F
and dr is less than 90∘, so that F⋅dr>0
and ∫C1F⋅dr>0.
(e) Along the curve C2 the magnitude of the angle between F
and dr is greater than 90∘, so that F⋅dr<0
and ∫C2F⋅dr<0.
(f) If F were conservative, we would have ∫C1F⋅dr=∫C2F⋅dr. As these two integrals have opposite signs
F is not conservative. (Since F is not conservative, it is not the gradient of some function. At A, Px>0 and Qy>0. So F is not divergence free and is not the curl of a vector potential.)