평면 위의 한 점에서 전기장은 원점에서 바깥쪽을 향하고 크기가 임을 보이세요. 단, 입니다.
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Show that the electric field at a point in the xy-plane is directed outward from the origin and has magnitude , where .
문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분
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23문제 · 1 / 2쪽
평면 위의 한 점에서 전기장은 원점에서 바깥쪽을 향하고 크기가 임을 보이세요. 단, 입니다.
Show that the electric field at a point in the xy-plane is directed outward from the origin and has magnitude , where .
벡터장 의 흐름선(또는 유선)은 를 만족하는 곡선 이다. 가 움직이는 입자의 속도장을 나타내면, 흐름선은 그 입자가 지나가는 경로이다. 따라서 흐름선은 벡터장에 접한다. 다음 문제에서 주어진 곡선 가 주어진 속도 벡터장 의 흐름선임을 보이세요.
A flow line (or streamline) of a vector field is a curve such that If represents the velocity field of a moving particle, then the flow lines are paths taken by the particle. Therefore, flow lines are tangent to the vector field. For the following exercises, show that the given curve is a flow line of the given velocity vector field
원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.1절 · 13번벡터장 의 흐름선(또는 유선)은 를 만족하는 곡선 이다. 가 움직이는 입자의 속도장을 나타내면, 흐름선은 그 입자가 지나가는 경로이다. 따라서 흐름선은 벡터장에 접한다. 다음 문제에서 주어진 곡선 가 주어진 속도 벡터장 의 흐름선임을 보이세요.
A flow line (or streamline) of a vector field is a curve such that If represents the velocity field of a moving particle, then the flow lines are paths taken by the particle. Therefore, flow lines are tangent to the vector field. For the following exercises, show that the given curve is a flow line of the given velocity vector field
다음 연습문제에서, 컴퓨터를 이용하여 다음 벡터장이 보존적임을 보이세요. 주어진 곡선에 대해 의 값을 구하세요.
C 는 로 매개변수화된다.
For the following exercises, show that the following vector fields are conservative by using a computer. Calculate for the given curve.
C is parameterized by
다음 연습문제에서, 컴퓨터를 이용하여 다음 벡터장이 보존적임을 보이세요. 주어진 곡선에 대해 의 값을 구하세요.
[계산기 사용] C 는 곡선 이다.
For the following exercises, show that the following vector fields are conservative by using a computer. Calculate for the given curve.
[T] C is curve
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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 23번다음 연습문제에서, 컴퓨터를 이용하여 주어진 벡터장이 보존적임을 보이세요. 주어진 곡선에 대해 의 값을 구하세요.
의 값을 구하세요. 단, 입니다.
For the following exercises, show that the following vector fields are conservative by using a computer. Calculate for the given curve.
Compute where
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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 37번그린 정리를 이용하여 반지름이 인 원판의 넓이가 임을 증명하세요.
Use Green’s theorem to prove the area of a disk with radius is
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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.4절 · 54번일 때 S 를 지나는 선속이 a 와 b 에 관계없음을 보이세요.
Show that for the flux across S is independent of a and b.
(a) 극좌표로 , 와 같이 주어진 곡선 를 따라 적분한 가
임을 보이세요. (b) 의 곡선의 길이를 구하세요. 계산을 간단히 하기 위해 다음 공식을 사용해도 됩니다.
(a) Show that the integral along the curve given in polar coordinates by , , is
(b) Compute the arc length of . You may use the formula
to simplify the computation.
(a) 곡선은 이고 , , 이다. 이 곡선 위에서
따라서
이다.
(b) 이 경우 , , , 이므로
이다.
(a) The curve is with , and . On this curve
Hence
(b) In this case , , and ,
다음 각 명제를 증명하거나, 반례를 찾으세요.
a. 가 보존장이고 가 비보존장이면, 는 비보존장이다. b. 와 가 모두 비보존장이면, 는 비보존장이다. c. 와 가 모두 보존장이면, 는 보존장이다.
Prove, or find a counterexample to, each of the following statements.
a. If is a conservative field and is a non-conservative field, then is non-conservative. b. If and are both non-conservative fields, then is non-conservative. c. If and are both conservative fields, then is conservative.
a. 어떤 , 에 대해 가 보존장이라고 하면, 정의에 따라 를 만족하는 퍼텐셜 가 존재한다.
가 보존장이므로, 를 만족하는 퍼텐셜 도 존재한다.
그러면 이다. 즉 함수 는 의 퍼텐셜이다. 그러나 이는 불가능하다. 가 비보존장이므로 이러한 성질을 갖는 함수는 존재하지 않기 때문이다.
따라서 가 보존장일 수는 없다. 즉 비보존장이다. b. 반례: 이면, 임의의 상수 에 대해 이다. c. 두 장이 모두 보존장이므로 둘 다 퍼텐셜을 갖는다. 이를 , 라 하자. 그러면 이다. 즉 는 의 퍼텐셜이므로 는 보존장이다.
a. If is conservative for any particular and , then by definition, there exists a potential with .
Since is conservative, there also exists a potential with .
But now . That means the function is a potential for . However, this is impossible: since is non-conservative, no function with this property exists.
So it is not possible that is conservative. It must be non-conservative. b. Counterexample: if , then for any constant . c. Since both fields are conservative, they both have potentials, say and . Then . That is, is a potential for , so is conservative.
의 퍼텐셜 를 구하거나, 퍼텐셜이 존재하지 않음을 증명하세요.
Find a potential for , or prove none exists.
가 의 퍼텐셜이면 다음이 성립한다.
따라서 예를 들어 은 의 퍼텐셜이다.
If is a potential for , then:
So, for instance, is a potential for .
의 퍼텐셜 를 구하거나, 존재하지 않음을 증명하세요.
Find a potential for , or prove none exists.
가 의 퍼텐셜이면 다음이 성립한다.
따라서 예를 들어 는 의 퍼텐셜이다.
If is a potential for , then:
So, for instance, is a potential for .
의 퍼텐셜 를 구하거나, 존재하지 않음을 증명하세요.
Find a potential for or prove none exists.
가 의 퍼텐셜이면 다음이 성립한다.
따라서 예를 들어 는 의 퍼텐셜이다.
If is a potential for , then:
So, for instance, is a potential for .
다음 선적분이 경로에 무관함을 보이고, 그 적분의 값을 구하세요.
여기서 는 에서 까지의 임의의 경로이다.
Show that the following line integral is independent of path and evaluate the integral.
where is any path from to .
이 선적분은 이고 이다. 이 적분이 경로에 무관함을 보여야 한다. 이는 가 보존장인 것과 필요충분조건이다. 그러므로 의 퍼텐셜 를 찾아보자. 즉, 다음을 만족하는 함수 를 찾아보자.
이 중 첫째 식을 적분하면 다음을 얻는다.
이것을 둘째 식에 대입하면 다음을 얻는다.
이를 적분하면 다음과 같다.
따라서 는 실제로 보존장이며, 퍼텐셜 중 하나는 이고 선적분은 다음과 같다.
The line integral is with . We are to show that it is independent of path. That is the case if and only if is conservative. So let's look for a potential for . That is, let's look for a function that obeys
Integrating the first of these equations gives
Substituting this into the second equation gives
which integrates to
So is indeed conservative with one potential being and the line integral is
축에 평행하지 않은 직선을 회전축으로 하는 회전체를 매개변수로 나타내세요. 먼저 회전시키는 평면이 그 축에 수직임을 보이는 것이 좋을 수 있습니다.
(a) 평면 위에 있고 중심이 이며 반지름이 1인 원의 매개변수 방정식을 구하세요. (b) (a)의 원을 직선 를 축으로 회전시켜 만들어지는 곡면의 매개변수 방정식을 구하세요.

Parametrize a solid of rotation about a line not parallel to an axis. Maybe first show that the plane you're rotating is normal to that axis.
(a) Give a parametric equation for the circle of radius 1, centred at , lying in the plane . (b) Give a parametrized equation for the surface formed by rotating the circle from part (a) about the line .

(a) 아래 그림에서 점 는 중심 에서 방향으로 단위, 방향으로 단위만큼 벗어나 있다. 따라서 이다.

따라서 이 원을 에서 로 매개변수화할 수 있다.
참고: 이 방정식이 우리가 원하는 두 가지 성질을 만족함은 쉽게 확인할 수 있다. 좌표와 좌표가 같으므로 평면 위에 있다. 중심이 인 원임을 확인하기 위해, 에서 까지의 거리를 구하면 다음과 같다.
따라서 모든 점이 같은 한 점으로부터 거리가 1이다. 즉, 이 점들은 반지름이 1인 원 위에 있다.
(b) 점 를 직선 를 축으로 라디안만큼 회전시키는 경우를 생각한다.

회전한 점의 높이는 로 그대로이다. 직선 까지의 거리도 변하지 않는다: .
원 위의 점 가 그리는 원은 중심이 이고 반지름이 이므로, 그 방정식은 , , 이다.
(a) In the sketch below, the point deviates from the centre by units in the direction, and by units in the direction. So, .

So, we can parametrize the circle as , with .
Remark: it's easy to check that this equation satisfies the two properties we desire. Since the - and coordinates match, it's in the plane . To check that it's a circle centred at , we note the distance from to is:
So, our points all have distance one from the same point — that is, they lie on a circle of radius 1.
(b) Consider a point , rotating radians about the line .

The new position of the point has the same height, . Its distance from the line is also preserved: .
The circle traced out by a point on the circle is centred at with radius , so it has equation , , .
점 가 곡면 위에 있다고 하자. 이라 가정한다. 매개변수로 나타낸 곡선 가 이 곡면에 포함되고 이라 하자. 점 에서 이 곡선의 접선이 점 에서 의 접평면 위에 있음을 보이세요.
Let the point lie on the surface . Assume that . Suppose that the parametrized curve is contained in the surface and that . Show that the tangent line to the curve at lies in the tangent plane to at .
곡면 을 , 매개변수로 나타낸 곡선 를 라 하자. 먼저 에서 의 접평면과 에서 의 접선을 구한다.
즉
이다.
다음으로, 에서 의 접선벡터 와 에서 의 법선벡터 가 서로 수직임을 보인다. 이를 위해, 모든 에 대해 점 가 곡면 위에 있으므로 다음이 성립함을 이용한다.
이 등식의 양변을 에 대해 미분하면 연쇄 법칙에 의해
을 얻는다. 여기에 을 대입하면
이다.
마지막으로, 가 에서 의 접선 위의 임의의 점이면 는 에서 의 접평면 위에도 있음을 보인다. 가 에서 의 접선 위에 있으므로, 에 의해 다음을 만족하는 가 존재한다.
이며, 마지막 등호는 에 의한 것이다. 즉 는 에서 의 접평면의 방정식 를 만족하므로 그 접평면 위에 있다. 따라서 에서 의 접선은 에서 의 접평면에 포함된다.
Denote by the surface and by the parametrized curve . To start, we'll find the tangent plane to at and the tangent line to at .
or
Next, we'll show that the tangent vector to at and the normal vector to at are perpendicular to each other. To do so, we observe that, for every , the point lies on the surface and so obeys
Differentiating this equation with respect to gives, by the chain rule,
Then setting gives
Finally, we are in a position to show that if is any point on the tangent line to at , then is also on the tangent plane to at . As is on the tangent line to at then there is a such that, by ,
by . That is, obeys the equation, , of the tangent plane to at and so is on that tangent plane. So the tangent line to at is contained in the tangent plane to at .
벡터장 가 전체에서 을 만족한다고 가정하세요.
을 원점에서 까지의 선분의 매개변수 표현이라고 하고,
로 정의합니다. 전체에서 임을 보이세요.
Suppose that the vector field obeys in all of . Let
be a parametrization of the line segment from the origin to . Define
Show that throughout .
임을 보이겠다. 나머지 성분도 이와 비슷하다. 먼저
이다. 행렬식의 성분과 성분을 읽으면
이다. 따라서
이다. 가정에 의해 이므로 마지막 두 항은
이고, 따라서
이다.
We shall show that . The other components are similar. First we have
Reading off the and components of the determinant gives
So
Since, by hypothesis, , the last two terms
so that
를 정육면체
라 하고, 를 정사각형
라 하자. 또 는 연속인 일계 편도함수를 가진다고 하자.
(a) 미적분의 기본정리를 이용하여
임을 보이세요. (b) 발산정리를 이용하여
임을 보이세요.
Let be the cube
and be the square
and let have continuous first partial derivatives.
(a) Use the fundamental theorem of calculus to show that
(b) Use the divergence theorem to show that
(a) 좌변을 를 가장 안쪽 적분변수로 하는 반복적분으로 나타내면 다음과 같다.
(b) 벡터장 를 정의하자. 그러면 의 발산은 이다. 정육면체 의 경계는 다음 여섯 면의 합집합이다.

다음에 주목하자.
따라서 발산정리에 의해 다음을 얻는다.
(a) Expressing the left hand side as an iterated integral, with as the innermost integration variable, we have
(b) Define the vector field . Then the divergence of is . The boundary of the cube is the union of six faces

Observe that
So the divergence theorem gives
(a) 가 임의의 상수 벡터일 때, 에 발산 정리를 적용하여 다음을 보이세요.
(b) 부피가 인 입체 의 무게중심 가 다음과 같이 주어짐을 보이세요.
(a) By applying the divergence theorem to , where is an arbitrary constant vector, show that
(b) Show that the centroid of a solid with volume is given by
(a) 의 발산은 이다. 가 상수이기 때문이다. 따라서 발산 정리에 의해
이는 모든 벡터 에 대해 성립한다. 특히 로 놓으면 의 세 성분이 모두 0이다. 따라서
(b) (a)에서 이고 이므로
(a) The divergence of is , since is constant. So, by the divergence theorem,
This is true for all vectors . In particular, applying this with , we have that all three components of are zero. So
(b) By part (a), with and ,
를 곡면 로 둘러싸인 의 입체라 하자. 다음을 보이세요.
여기서 이고, 평소처럼 은 의 바깥쪽 법선이다. 이 결과를 기하학적으로 설명할 수 있는지 확인해 보세요.
Let be a solid in with surface . Show that
where and, as usual, is the outer normal to . See if you can explain this result geometrically.
발산 정리에 의해
기하학적 설명은 다음 관찰에서 시작한다. 꼭짓점이 이고 밑면이 곡면의 아주 작은 조각 인 원뿔의 부피는 밑면의 넓이와 원뿔의 높이를 곱한 값의 배이다. 원뿔의 높이는 이고, 여기서 은 위의 한 점이다. 따라서 원뿔의 부피는 이다.

먼저 이 안에 있고 가 볼록하다고 가정하자. 그러면
따라서
가 볼록하지 않거나 이 안에 있지 않은 경우로 일반화하려면, 를 큰 볼록 입체 하나와 하나 이상의 더 작은 볼록 입체들의 차로 나타내면 된다.
By the divergence theorem
Our gemetric explanation starts with the observation that the volume of the cone with vertex and base a tiny piece of surface is times the area of the base times the height of the cone. The height of the cone is , where is a point in . So the volume of the cone is .

First assume that is in and is convex. Then
So
To generalise to the case that is not convex or is not in , write as the difference between a large convex solid and one or more smaller convex solids.