문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

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23문제 · 1 / 2쪽

1.OpenStax 3권 · 6.1절 · 29번대학 수준우리말 번역

xyxy 평면 위의 한 점에서 전기장은 원점에서 바깥쪽을 향하고 크기가 ∣∣E∣∣=cr||E||=\frac{c}{r} 임을 보이세요. 단, r=x2+y2r=\sqrt{{x}^{2}+{y}^{2}} 입니다.

영어 원문 보기

Show that the electric field at a point in the xy-plane is directed outward from the origin and has magnitude ∣∣E∣∣=cr||E||=\frac{c}{r}, where r=x2+y2r=\sqrt{{x}^{2}+{y}^{2}}.

정답·풀이 보기

∣∣E∣∣=cx2+y2x2+y2=cx2+y2=cr||E||=\frac{c}{{x}^{2}+{y}^{2}}\sqrt{{x}^{2}+{y}^{2}}=\frac{c}{\sqrt{{x}^{2}+{y}^{2}}}=\frac{c}{r}

원본 교재 풀이(영어)

∣∣E∣∣=cx2+y2x2+y2=cx2+y2=cr||E||=\frac{c}{{x}^{2}+{y}^{2}}\sqrt{{x}^{2}+{y}^{2}}=\frac{c}{\sqrt{{x}^{2}+{y}^{2}}}=\frac{c}{r}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.2절 · 1번
# 벡터장과 흐름선증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.OpenStax 3권 · 6.1절 · 30번대학 수준우리말 번역

벡터장 F\text{F} 의 흐름선(또는 유선)은 dr/dt=F(r(t))d\text{r}/dt=\text{F}(\text{r}(t)) 를 만족하는 곡선 r(t)\text{r}(t) 이다. F\text{F} 가 움직이는 입자의 속도장을 나타내면, 흐름선은 그 입자가 지나가는 경로이다. 따라서 흐름선은 벡터장에 접한다. 다음 문제에서 주어진 곡선 c(t)\text{c}(t) 가 주어진 속도 벡터장 F(x,y,z)\text{F}(x,y,z) 의 흐름선임을 보이세요.

c(t)=<e2t,ln⁡∣t∣,1t>,t≠0;F(x,y,z)=⟨2x,z,−z2⟩\text{c}(t)=\left< {e}^{2t},\ln |t|,\frac{1}{t} \right>,t\ne 0;\text{F}(x,y,z)=\langle 2x,z,-{z}^{2}\rangle

영어 원문 보기

A flow line (or streamline) of a vector field F\text{F} is a curve r(t)\text{r}(t) such that dr/dt=F(r(t)).d\text{r}/dt=\text{F}(\text{r}(t)). If F\text{F} 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 c(t)\text{c}(t) is a flow line of the given velocity vector field F(x,y,z).\text{F}(x,y,z).

c(t)=<e2t,ln⁡∣t∣,1t>,t≠0;F(x,y,z)=⟨2x,z,−z2⟩\text{c}(t)=\left< {e}^{2t},\ln |t|,\frac{1}{t} \right>,t\ne 0;\text{F}(x,y,z)=\langle 2x,z,-{z}^{2}\rangle

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.1절 · 13번
# 벡터장과 흐름선증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.OpenStax 3권 · 6.1절 · 31번대학 수준우리말 번역

벡터장 F\text{F} 의 흐름선(또는 유선)은 dr/dt=F(r(t))d\text{r}/dt=\text{F}(\text{r}(t)) 를 만족하는 곡선 r(t)\text{r}(t) 이다. F\text{F} 가 움직이는 입자의 속도장을 나타내면, 흐름선은 그 입자가 지나가는 경로이다. 따라서 흐름선은 벡터장에 접한다. 다음 문제에서 주어진 곡선 c(t)\text{c}(t) 가 주어진 속도 벡터장 F(x,y,z)\text{F}(x,y,z) 의 흐름선임을 보이세요.

c(t)=<sin⁡ t,cos⁡ t,et>;F(x,y,z)=⟨y,−x,z⟩\text{c}(t)=<\sin \,t,\cos \,t,{e}^{t}>;\text{F}(x,y,z)=\langle y,-x,z\rangle

영어 원문 보기

A flow line (or streamline) of a vector field F\text{F} is a curve r(t)\text{r}(t) such that dr/dt=F(r(t)).d\text{r}/dt=\text{F}(\text{r}(t)). If F\text{F} 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 c(t)\text{c}(t) is a flow line of the given velocity vector field F(x,y,z).\text{F}(x,y,z).

c(t)=<sin⁡ t,cos⁡ t,et>;F(x,y,z)=⟨y,−x,z⟩\text{c}(t)=<\sin \,t,\cos \,t,{e}^{t}>;\text{F}(x,y,z)=\langle y,-x,z\rangle

정답·풀이 보기

c′(t)=(cos⁡ t,−sin⁡ t,e−t)=F(c(t))\text{c}'(t)=(\cos \,t,-\sin \,t,{e}^{-t})=\text{F}(\text{c}(t))

원본 교재 풀이(영어)

c′(t)=(cos⁡ t,−sin⁡ t,e−t)=F(c(t))\text{c}'(t)=(\cos \,t,-\sin \,t,{e}^{-t})=\text{F}(\text{c}(t))

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.1절 · 33번
# 벡터장과 흐름선증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.OpenStax 3권 · 6.3절 · 39번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서, 컴퓨터를 이용하여 다음 벡터장이 보존적임을 보이세요. 주어진 곡선에 대해 ∫CF⋅dr{\int }_{C}\text{F}\cdot d\text{r} 의 값을 구하세요.

F=2xy2+1i−2y(x2+1)(y2+1)2j;\text{F}=\frac{2x}{{y}^{2}+1}\text{i}-\frac{2y({x}^{2}+1)}{{({y}^{2}+1)}^{2}}\text{j}; C 는 x=t3−1,y=t6−t,0≤t≤1x={t}^{3}-1,y={t}^{6}-t,0\le t\le 1 로 매개변수화된다.

영어 원문 보기

For the following exercises, show that the following vector fields are conservative by using a computer. Calculate ∫CF⋅dr{\int }_{C}\text{F}\cdot d\text{r} for the given curve.

F=2xy2+1i−2y(x2+1)(y2+1)2j;\text{F}=\frac{2x}{{y}^{2}+1}\text{i}-\frac{2y({x}^{2}+1)}{{({y}^{2}+1)}^{2}}\text{j}; C is parameterized by x=t3−1,y=t6−t,0≤t≤1.x={t}^{3}-1,y={t}^{6}-t,0\le t\le 1.

정답·풀이 보기

∫CF⋅dr=−1{\int }_{C}\text{F}\cdot d\text{r}=-1

원본 교재 풀이(영어)

∫CF⋅dr=−1{\int }_{C}\text{F}\cdot d\text{r}=-1

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 11번
# 보존 벡터장증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.OpenStax 3권 · 6.3절 · 40번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서, 컴퓨터를 이용하여 다음 벡터장이 보존적임을 보이세요. 주어진 곡선에 대해 ∫CF⋅dr{\int }_{C}\text{F}\cdot d\text{r} 의 값을 구하세요.

[계산기 사용] F=[cos⁡(xy2)−xy2sin⁡(xy2)]i−2x2y sin⁡(xy2)j;\text{F}=[\cos (x{y}^{2})-x{y}^{2}\sin (x{y}^{2})]\text{i}-2{x}^{2}y\,\sin (x{y}^{2})\text{j}; C 는 곡선 r(t)=<et,et+1>,−1≤t≤0r(t)=<{e}^{t},{e}^{t+1}>,-1\le t\le 0 이다.

영어 원문 보기

For the following exercises, show that the following vector fields are conservative by using a computer. Calculate ∫CF⋅dr{\int }_{C}\text{F}\cdot d\text{r} for the given curve.

[T] F=[cos⁡(xy2)−xy2sin⁡(xy2)]i−2x2y sin⁡(xy2)j;\text{F}=[\cos (x{y}^{2})-x{y}^{2}\sin (x{y}^{2})]\text{i}-2{x}^{2}y\,\sin (x{y}^{2})\text{j}; C is curve r(t)=<et,et+1>,−1≤t≤0.r(t)=<{e}^{t},{e}^{t+1}>,-1\le t\le 0.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 23번
# 보존 벡터장증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.OpenStax 3권 · 6.3절 · 46번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서, 컴퓨터를 이용하여 주어진 벡터장이 보존적임을 보이세요. 주어진 곡선에 대해 ∫CF⋅dr{\int }_{C}\text{F}\cdot d\text{r} 의 값을 구하세요.

∫Ccos⁡x cos⁡ydx−sin⁡x sin⁡ydy{\int }_{C}\cos x\,\cos ydx-\sin x\,\sin ydy 의 값을 구하세요. 단, c(t)=<t,t2>,0≤t≤1\text{c}(t)=<t,{t}^{2}>,0\le t\le 1 입니다.

영어 원문 보기

For the following exercises, show that the following vector fields are conservative by using a computer. Calculate ∫CF⋅dr{\int }_{C}\text{F}\cdot d\text{r} for the given curve.

Compute ∫Ccos⁡x cos⁡ydx−sin⁡x sin⁡ydy,{\int }_{C}\cos x\,\cos ydx-\sin x\,\sin ydy, where c(t)=<t,t2>,0≤t≤1.\text{c}(t)=<t,{t}^{2}>,0\le t\le 1.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 37번
# 보존 벡터장증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.OpenStax 3권 · 6.4절 · 21번대학 수준우리말 번역

그린 정리를 이용하여 반지름이 aa 인 원판의 넓이가 A=πa2A=\pi {a}^{2} 임을 증명하세요.

영어 원문 보기

Use Green’s theorem to prove the area of a disk with radius aa is A=πa2.A=\pi {a}^{2}.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.4절 · 54번
# 그린 정리증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.OpenStax 3권 · 6.6절 · 57번대학 수준우리말 번역

p=3p=3 일 때 S 를 지나는 선속이 a 와 b 에 관계없음을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that for p=3p=3 the flux across S is independent of a and b.

정답·풀이 보기

알짜 선속은 0이다.

원본 교재 풀이(영어)

The net flux is zero.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.6절 · 47번
# 면적분과 플럭스증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.CLP-4 · 1.6절 · 2번대학 수준우리말 번역

(a) 극좌표로 r=r(θ)r=r(\theta), θ1≤θ≤θ2\theta_1\le \theta\le\theta_2 와 같이 주어진 곡선 C\mathcal{C} 를 따라 적분한 ∫Cf(x,y) ds\int_\mathcal{C} f(x,y)\,ds 가

∫θ1θ2f(r(θ)cos⁡θ,r(θ)sin⁡θ)r(θ)2+(drdθ(θ))2 dθ\int_{\theta_1}^{\theta_2}f\big(r(\theta)\cos\theta, r(\theta)\sin\theta\big) \sqrt{r(\theta)^2+\left(\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}(\theta)\right)^2}\, \mathrm{d}\theta 임을 보이세요. (b) r=1+cos⁡θ, 0≤θ≤2πr=1+\cos\theta,\ 0\le \theta\le 2\pi 의 곡선의 길이를 구하세요. 계산을 간단히 하기 위해 다음 공식을 사용해도 됩니다.

1+cos⁡θ=2cos⁡2θ21+\cos\theta=2\cos^2\frac{\theta}{2}

영어 원문 보기

(a) Show that the integral ∫Cf(x,y) ds\int_\mathcal{C} f(x,y)\,ds along the curve C\mathcal{C} given in polar coordinates by r=r(θ)r=r(\theta), θ1≤θ≤θ2\theta_1\le \theta\le\theta_2, is

∫θ1θ2f(r(θ)cos⁡θ,r(θ)sin⁡θ)r(θ)2+(drdθ(θ))2 dθ\int_{\theta_1}^{\theta_2}f\big(r(\theta)\cos\theta, r(\theta)\sin\theta\big) \sqrt{r(\theta)^2+\left(\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}(\theta)\right)^2}\, \mathrm{d}\theta (b) Compute the arc length of r=1+cos⁡θ, 0≤θ≤2πr=1+\cos\theta,\ 0\le \theta\le 2\pi. You may use the formula

1+cos⁡θ=2cos⁡2θ21+\cos\theta=2\cos^2\frac{\theta}{2}

to simplify the computation.

정답·풀이 보기

(a) 곡선은 r(θ)=x(θ) ı^+y(θ) ȷ^\mathbf{r}(\theta) = x(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고 x(θ)=r(θ)cos⁡θx(\theta)=r(\theta)\cos\theta, y(θ)=r(θ)sin⁡θy(\theta)=r(\theta)\sin\theta, θ1≤θ≤θ2\theta_1\le \theta\le \theta_2 이다. 이 곡선 위에서

v(θ)=drdθ(θ)=x′(θ)ı^+y′(θ)ȷ^=[r′(θ)cos⁡θ−r(θ)sin⁡θ]ı^+[r′(θ)sin⁡θ+r(θ)cos⁡θ]ȷ^  ⟹  dsdθ(θ)=[r′(θ)cos⁡θ−r(θ)sin⁡θ]2+[r′(θ)sin⁡θ+r(θ)cos⁡θ]2=r′(θ)2+r(θ)2\begin{aligned} \mathbf{v}(\theta) =\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}\theta}(\theta)&= x'(\theta)\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y'(\theta)\hat{\boldsymbol{\jmath}} =\big[r'(\theta)\cos\theta-r(\theta)\sin\theta\big]\hat{\boldsymbol{\imath}}+ \big[r'(\theta)\sin\theta+r(\theta)\cos\theta\big]\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ \implies \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}(\theta) &=\sqrt{\big[r'(\theta)\cos\theta-r(\theta)\sin\theta\big]^2 + \big[r'(\theta)\sin\theta+r(\theta)\cos\theta\big]^2}\\ &=\sqrt{r'(\theta)^2+r(\theta)^2} \end{aligned}

따라서

∫Cf(x,y) ds=∫θ1θ2 ⁣ ⁣ ⁣f(x(θ),y(θ))dsdθ dθ=∫θ1θ2 ⁣ ⁣ ⁣f(r(θ)cos⁡θ,r(θ)sin⁡θ)r(θ)2+(drdθ(θ))2 dθ\begin{aligned} \int_\mathcal{C} f(x,y)\,ds &= \int_{\theta_1}^{\theta_2}\!\!\!f\big(x(\theta), y(\theta)\big) \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}\,\mathrm{d}\theta \\ &=\int_{\theta_1}^{\theta_2}\!\!\!f\big(r(\theta)\cos\theta, r(\theta)\sin\theta\big) \sqrt{r(\theta)^2 +\left(\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}(\theta)\right)^2}\, \mathrm{d}\theta \end{aligned}

이다.

(b) 이 경우 f(x,y)=1f(x,y)=1, r(θ)=1+cos⁡θr(\theta)=1+\cos\theta, θ1=0\theta_1=0, θ2=2π\theta_2=2\pi 이므로

∫C ds=∫02π[1+cos⁡θ]2+[−sin⁡θ]2 dθ=∫02π2(1+cos⁡θ) dθ=∫02π4cos⁡2θ2 dθ=2∫02π∣cos⁡θ2∣ dθ=4∫0πcos⁡θ2 dθ=8sin⁡θ2∣0π=8\begin{aligned} \int_C \,ds &=\int_0^{2\pi} \sqrt{[1+\cos\theta]^2+[-\sin\theta]^2}\,\mathrm{d}\theta =\int_0^{2\pi} \sqrt{2(1+\cos\theta)}\,\mathrm{d}\theta\\ &=\int_0^{2\pi} \sqrt{4\cos^2\frac{\theta}{2}}\,\mathrm{d}\theta =2\int_0^{2\pi} \left|\cos\frac{\theta}{2}\right|\,\mathrm{d}\theta =4\int_0^{\pi} \cos\frac{\theta}{2}\ \mathrm{d}\theta =8 \sin\frac{\theta}{2}\bigg|_0^{\pi} =8 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The curve is r(θ)=x(θ) ı^+y(θ) ȷ^\mathbf{r}(\theta) = x(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} with x(θ)=r(θ)cos⁡θx(\theta)=r(\theta)\cos\theta, y(θ)=r(θ)sin⁡θy(\theta)=r(\theta)\sin\theta and θ1≤θ≤θ2\theta_1\le \theta\le \theta_2. On this curve

v(θ)=drdθ(θ)=x′(θ)ı^+y′(θ)ȷ^=[r′(θ)cos⁡θ−r(θ)sin⁡θ]ı^+[r′(θ)sin⁡θ+r(θ)cos⁡θ]ȷ^  ⟹  dsdθ(θ)=[r′(θ)cos⁡θ−r(θ)sin⁡θ]2+[r′(θ)sin⁡θ+r(θ)cos⁡θ]2=r′(θ)2+r(θ)2\begin{aligned} \mathbf{v}(\theta) =\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}\theta}(\theta)&= x'(\theta)\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y'(\theta)\hat{\boldsymbol{\jmath}} =\big[r'(\theta)\cos\theta-r(\theta)\sin\theta\big]\hat{\boldsymbol{\imath}}+ \big[r'(\theta)\sin\theta+r(\theta)\cos\theta\big]\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ \implies \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}(\theta) &=\sqrt{\big[r'(\theta)\cos\theta-r(\theta)\sin\theta\big]^2 + \big[r'(\theta)\sin\theta+r(\theta)\cos\theta\big]^2}\\ &=\sqrt{r'(\theta)^2+r(\theta)^2} \end{aligned}

Hence

∫Cf(x,y) ds=∫θ1θ2 ⁣ ⁣ ⁣f(x(θ),y(θ))dsdθ dθ=∫θ1θ2 ⁣ ⁣ ⁣f(r(θ)cos⁡θ,r(θ)sin⁡θ)r(θ)2+(drdθ(θ))2 dθ\begin{aligned} \int_\mathcal{C} f(x,y)\,ds &= \int_{\theta_1}^{\theta_2}\!\!\!f\big(x(\theta), y(\theta)\big) \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}\,\mathrm{d}\theta \\ &=\int_{\theta_1}^{\theta_2}\!\!\!f\big(r(\theta)\cos\theta, r(\theta)\sin\theta\big) \sqrt{r(\theta)^2 +\left(\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}(\theta)\right)^2}\, \mathrm{d}\theta \end{aligned}

(b) In this case f(x,y)=1f(x,y)=1, r(θ)=1+cos⁡θr(\theta)=1+\cos\theta, θ1=0\theta_1=0 and θ2=2π\theta_2=2\pi,

∫C ds=∫02π[1+cos⁡θ]2+[−sin⁡θ]2 dθ=∫02π2(1+cos⁡θ) dθ=∫02π4cos⁡2θ2 dθ=2∫02π∣cos⁡θ2∣ dθ=4∫0πcos⁡θ2 dθ=8sin⁡θ2∣0π=8\begin{aligned} \int_C \,ds &=\int_0^{2\pi} \sqrt{[1+\cos\theta]^2+[-\sin\theta]^2}\,\mathrm{d}\theta =\int_0^{2\pi} \sqrt{2(1+\cos\theta)}\,\mathrm{d}\theta\\ &=\int_0^{2\pi} \sqrt{4\cos^2\frac{\theta}{2}}\,\mathrm{d}\theta =2\int_0^{2\pi} \left|\cos\frac{\theta}{2}\right|\,\mathrm{d}\theta =4\int_0^{\pi} \cos\frac{\theta}{2}\ \mathrm{d}\theta =8 \sin\frac{\theta}{2}\bigg|_0^{\pi} =8 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.6절 · 6번
# 선적분증명·논술기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.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.

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CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
11.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
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CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
12.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
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CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
13.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)
14.CLP-4 · 2.4절 · 17번대학 수준우리말 번역

다음 선적분이 경로에 무관함을 보이고, 그 적분의 값을 구하세요.

∫C(yex+sin⁡y) dx+(ex+sin⁡y+xcos⁡y) dy\begin{aligned} \int_C (ye^x + \sin y)\,\mathrm{d}x + (e^x + \sin y + x \cos y)\,\mathrm{d}y \end{aligned}

여기서 CC 는 (1,0)(1, 0) 에서 (0,π/2)(0, \pi/2) 까지의 임의의 경로이다.

영어 원문 보기

Show that the following line integral is independent of path and evaluate the integral.

∫C(yex+sin⁡y) dx+(ex+sin⁡y+xcos⁡y) dy\begin{aligned} \int_C (ye^x + \sin y)\,\mathrm{d}x + (e^x + \sin y + x \cos y)\,\mathrm{d}y \end{aligned}

where CC is any path from (1,0)(1, 0) to (0,π/2)(0, \pi/2).

정답·풀이 보기

이 선적분은 ∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} 이고 F=(yex+sin⁡y) ı^+(ex+sin⁡y+xcos⁡y) ȷ^\mathbf{F} = (ye^x + \sin y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (e^x + \sin y + x \cos y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이다. 이 적분이 경로에 무관함을 보여야 한다. 이는 F\mathbf{F} 가 보존장인 것과 필요충분조건이다. 그러므로 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜 φ\varphi 를 찾아보자. 즉, 다음을 만족하는 함수 φ\varphi 를 찾아보자.

∂φ∂x(x,y)=yex+sin⁡y∂φ∂y(x,y)=ex+sin⁡y+xcos⁡y\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y) &= ye^x + \sin y \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y) &= e^x + \sin y + x \cos y \end{aligned}

이 중 첫째 식을 적분하면 다음을 얻는다.

φ(x,y)=yex+xsin⁡y+f(y)\varphi(x,y) = ye^x + x\sin y + f(y)

이것을 둘째 식에 대입하면 다음을 얻는다.

ex+xcos⁡y+f′(y)=ex+sin⁡y+xcos⁡y또는f′(y)=sin⁡ye^x + x\cos y + f'(y) = e^x + \sin y + x \cos y\qquad\text{또는}\quad f'(y) = \sin y

이를 적분하면 다음과 같다.

f(y)=−cos⁡y+Cf(y) = -\cos y + C

따라서 F\mathbf{F} 는 실제로 보존장이며, 퍼텐셜 중 하나는 φ(x,y)=yex+xsin⁡y−cos⁡y\varphi(x,y) = ye^x + x\sin y -\cos y 이고 선적분은 다음과 같다.

∫C(yex+sin⁡y) dx+(ex+sin⁡y+xcos⁡y) dy=∫CF⋅dr=φ(x,y)∣(1,0)(0,π/2)=[yex+xsin⁡y−cos⁡y](1,0)(0,π/2)=1+π2\begin{aligned} \int_C (ye^x + \sin y)\,\mathrm{d}x + (e^x + \sin y + x \cos y)\,\mathrm{d}y &=\int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =\varphi(x,y)\Big|^{(0,\pi/2)}_{(1,0)} \\ &=\Big[ye^x + x\sin y -\cos y\Big]^{(0,\pi/2)}_{(1,0)} \\ &=1+\frac{\pi}{2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The line integral is ∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} with F=(yex+sin⁡y) ı^+(ex+sin⁡y+xcos⁡y) ȷ^\mathbf{F} = (ye^x + \sin y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (e^x + \sin y + x \cos y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}. We are to show that it is independent of path. That is the case if and only if F\mathbf{F} is conservative. So let's look for a potential φ\varphi for F\mathbf{F}. That is, let's look for a function φ\varphi that obeys

∂φ∂x(x,y)=yex+sin⁡y∂φ∂y(x,y)=ex+sin⁡y+xcos⁡y\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y) &= ye^x + \sin y \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y) &= e^x + \sin y + x \cos y \end{aligned}

Integrating the first of these equations gives

φ(x,y)=yex+xsin⁡y+f(y)\varphi(x,y) = ye^x + x\sin y + f(y)

Substituting this into the second equation gives

ex+xcos⁡y+f′(y)=ex+sin⁡y+xcos⁡yorf′(y)=sin⁡ye^x + x\cos y + f'(y) = e^x + \sin y + x \cos y\qquad\text{or}\quad f'(y) = \sin y

which integrates to

f(y)=−cos⁡y+Cf(y) = -\cos y + C

So F\mathbf{F} is indeed conservative with one potential being φ(x,y)=yex+xsin⁡y−cos⁡y\varphi(x,y) = ye^x + x\sin y -\cos y and the line integral is

∫C(yex+sin⁡y) dx+(ex+sin⁡y+xcos⁡y) dy=∫CF⋅dr=φ(x,y)∣(1,0)(0,π/2)=[yex+xsin⁡y−cos⁡y](1,0)(0,π/2)=1+π2\begin{aligned} \int_C (ye^x + \sin y)\,\mathrm{d}x + (e^x + \sin y + x \cos y)\,\mathrm{d}y &=\int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =\varphi(x,y)\Big|^{(0,\pi/2)}_{(1,0)} \\ &=\Big[ye^x + x\sin y -\cos y\Big]^{(0,\pi/2)}_{(1,0)} \\ &=1+\frac{\pi}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6장 복습 · 17번
# 선적분증명·논술보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
15.CLP-4 · 3.1절 · 7번대학 수준우리말 번역

축에 평행하지 않은 직선을 회전축으로 하는 회전체를 매개변수로 나타내세요. 먼저 회전시키는 평면이 그 축에 수직임을 보이는 것이 좋을 수 있습니다.

(a) 평면 x=yx=y 위에 있고 중심이 (2,2,4)(2,2,4) 이며 반지름이 1인 원의 매개변수 방정식을 구하세요. (b) (a)의 원을 직선 r(t)=4ı^+4ȷ^+tk^\mathbf{r}(t)=4\hat{\boldsymbol{\imath}}+4\hat{\boldsymbol{\jmath}}+t\hat{\mathbf{k}} 를 축으로 회전시켜 만들어지는 곡면의 매개변수 방정식을 구하세요.

그림

영어 원문 보기

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 (2,2,4)(2,2,4), lying in the plane x=yx=y. (b) Give a parametrized equation for the surface formed by rotating the circle from part (a) about the line r(t)=4ı^+4ȷ^+tk^\mathbf{r}(t)=4\hat{\boldsymbol{\imath}}+4\hat{\boldsymbol{\jmath}}+t\hat{\mathbf{k}}.

figure

정답·풀이 보기

(a) 아래 그림에서 점 (x,y,z)(x,y,z) 는 중심 (2,2,4)(2,2,4) 에서 k^\hat{\mathbf{k}} 방향으로 sin⁡θ\sin\theta 단위, 12(ı^+ȷ^)\sqrt \frac1{\sqrt 2}(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}) 방향으로 cos⁡θ\cos\theta 단위만큼 벗어나 있다. 따라서 (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta) 이다.

그림

따라서 이 원을 0≤θ≤2π0 \le \theta \le 2\pi 에서 (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta) 로 매개변수화할 수 있다.

참고: 이 방정식이 우리가 원하는 두 가지 성질을 만족함은 쉽게 확인할 수 있다. xx좌표와 yy좌표가 같으므로 평면 x=yx=y 위에 있다. 중심이 (2,2,4)(2,2,4) 인 원임을 확인하기 위해, (x,y,z)(x,y,z) 에서 (2,2,4)(2,2,4) 까지의 거리를 구하면 다음과 같다.

d=(x−2)2+(y−2)2+(z−4)2=(12cos⁡θ)2+(12cos⁡θ)2+(sin⁡θ)2=12cos⁡2θ+12cos⁡2θ+sin⁡2θ=cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\begin{aligned} d&=\sqrt{(x-2)^2+(y-2)^2+(z-4)^2}=\sqrt{\left(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta\right)^2+\left(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta\right)^2+\left(\sin\theta\right)^2}\\ &=\sqrt{\frac12\cos^2\theta+\frac12\cos^2\theta+\sin^2\theta}=\sqrt{\cos^2\theta+\sin^2\theta}=1 \end{aligned}

따라서 모든 점이 같은 한 점으로부터 거리가 1이다. 즉, 이 점들은 반지름이 1인 원 위에 있다.

(b) 점 (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta) 를 직선 x=y=4x=y=4 를 축으로 ϕ\phi 라디안만큼 회전시키는 경우를 생각한다.

그림

회전한 점의 높이는 z=4+sin⁡θz=4+\sin\theta 로 그대로이다. 직선 x=y=4x=y=4 까지의 거리도 변하지 않는다: R=(x−4)2+(y−4)2+(z−z)2=(12cos⁡θ−2)2+(12cos⁡θ−2)2+0)=cos⁡θ−22R=\sqrt{(x-4)^2+(y-4)^2+(z-z)^2}=\sqrt{(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta-2)^2+(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta-2)^2+0)}=\cos\theta-2\sqrt2.

원 위의 점 (x,y,z)=(2+12cos⁡θ,2+12cos⁡θ,4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt2}\cos\theta,2+\frac{1}{\sqrt 2} \cos \theta,4+\sin\theta) 가 그리는 원은 중심이 (4,4,z)(4,4,z) 이고 반지름이 2(4−x)\sqrt2(4-x) 이므로, 그 방정식은 x=4+2(2−2cos⁡θ)cos⁡ϕx=4+\sqrt2(2-\sqrt2\cos\theta)\cos\phi, y=4+2(2−2cos⁡θ)sin⁡ϕy=4+\sqrt2(2-\sqrt2\cos\theta)\sin\phi, z=4sin⁡θz=4\sin\theta 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) In the sketch below, the point (x,y,z)(x,y,z) deviates from the centre (2,2,4)(2,2,4) by sin⁡θ\sin\theta units in the k^\hat{\mathbf{k}} direction, and by cos⁡θ\cos\theta units in the 12(ı^+ȷ^)\sqrt \frac1{\sqrt 2}(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}) direction. So, (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta).

figure

So, we can parametrize the circle as (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta), with 0≤θ≤2π0 \le \theta \le 2\pi.

Remark: it's easy to check that this equation satisfies the two properties we desire. Since the xx- and yy coordinates match, it's in the plane x=yx=y. To check that it's a circle centred at (2,2,4)(2,2,4), we note the distance from (x,y,z)(x,y,z) to (2,2,4)(2,2,4) is:

d=(x−2)2+(y−2)2+(z−4)2=(12cos⁡θ)2+(12cos⁡θ)2+(sin⁡θ)2=12cos⁡2θ+12cos⁡2θ+sin⁡2θ=cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\begin{aligned} d&=\sqrt{(x-2)^2+(y-2)^2+(z-4)^2}=\sqrt{\left(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta\right)^2+\left(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta\right)^2+\left(\sin\theta\right)^2}\\ &=\sqrt{\frac12\cos^2\theta+\frac12\cos^2\theta+\sin^2\theta}=\sqrt{\cos^2\theta+\sin^2\theta}=1 \end{aligned}

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 (x,y,z)=(2+12cos⁡θ , 2+12cos⁡θ , 4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~2+\frac1{\sqrt 2}\cos\theta~,~4+\sin\theta), rotating ϕ\phi radians about the line x=y=4x=y=4.

figure

The new position of the point has the same height, z=4+sin⁡θz=4+\sin\theta. Its distance from the line x=y=4x=y=4 is also preserved: R=(x−4)2+(y−4)2+(z−z)2=(12cos⁡θ−2)2+(12cos⁡θ−2)2+0)=cos⁡θ−22R=\sqrt{(x-4)^2+(y-4)^2+(z-z)^2}=\sqrt{(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta-2)^2+(\frac1{\sqrt 2}\cos\theta-2)^2+0)}=\cos\theta-2\sqrt2.

The circle traced out by a point (x,y,z)=(2+12cos⁡θ,2+12cos⁡θ,4+sin⁡θ)(x,y,z)=(2+\frac1{\sqrt2}\cos\theta,2+\frac{1}{\sqrt 2} \cos \theta,4+\sin\theta) on the circle is centred at (4,4,z)(4,4,z) with radius 2(4−x)\sqrt2(4-x), so it has equation x=4+2(2−2cos⁡θ)cos⁡ϕx=4+\sqrt2(2-\sqrt2\cos\theta)\cos\phi, y=4+2(2−2cos⁡θ)sin⁡ϕy=4+\sqrt2(2-\sqrt2\cos\theta)\sin\phi, z=4sin⁡θz=4\sin\theta.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.1절 · 6번
# 매개변수 곡면증명·논술도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
16.CLP-4 · 3.2절 · 2번대학 수준우리말 번역

점 r0=(x0,y0,z0)\mathbf{r}_0= (x_0,y_0,z_0) 가 곡면 G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 위에 있다고 하자. ∇G(x0,y0,z0)≠0{ \boldsymbol{\nabla} } G(x_0,y_0,z_0)\ne\mathbf{0} 이라 가정한다. 매개변수로 나타낸 곡선 r(t)=(x(t),y(t),z(t))\mathbf{r}(t)=\big(x(t),y(t),z(t)\big) 가 이 곡면에 포함되고 r(t0)=r0\mathbf{r}(t_0)=\mathbf{r}_0 이라 하자. 점 r0\mathbf{r}_0 에서 이 곡선의 접선이 점 r0\mathbf{r}_0 에서 G=0G=0 의 접평면 위에 있음을 보이세요.

영어 원문 보기

Let the point r0=(x0,y0,z0)\mathbf{r}_0= (x_0,y_0,z_0) lie on the surface G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0. Assume that ∇G(x0,y0,z0)≠0{ \boldsymbol{\nabla} } G(x_0,y_0,z_0)\ne\mathbf{0}. Suppose that the parametrized curve r(t)=(x(t),y(t),z(t))\mathbf{r}(t)=\big(x(t),y(t),z(t)\big) is contained in the surface and that r(t0)=r0\mathbf{r}(t_0)=\mathbf{r}_0. Show that the tangent line to the curve at r0\mathbf{r}_0 lies in the tangent plane to G=0G=0 at r0\mathbf{r}_0.

정답·풀이 보기

곡면 G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 을 SS, 매개변수로 나타낸 곡선 r(t)=(x(t),y(t),z(t))\mathbf{r}(t)=\big(x(t),y(t),z(t)\big) 를 CC 라 하자. 먼저 r0\mathbf{r}_0 에서 SS 의 접평면과 r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선을 구한다.

  • r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선벡터는 (x′(t0) , y′(t0) , z′(t0))\left( x'(t_0)\,,\,y'(t_0)\,,\,z'(t_0) \right) 이므로, r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선의 매개변수방정식은

x−x0=tx′(t0)y−y0=tx′(t0)z−z0=tx′(t0)(E1)x-x_0 = t x'(t_0)\qquad y-y_0 = t x'(t_0)\qquad z-z_0 = t x'(t_0) \tag{$E_1$}

  • 그레이디언트 (∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0))\left(\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right) 는 (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 에서 곡면 SS 의 법선벡터이다. 따라서 (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 에서 곡면 SS 의 접평면은

(∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0))⋅(x−x0 , y−y0 , z−z0)=0\left(\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right) \cdot \left( x-x_0\,,\, y-y_0\,,\,z-z_0\right) = 0

즉

∂G∂x(x0 , y0 , z0) (x−x0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) (y−y0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) (z−z0)=0(E2)\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (x-x_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (y-y_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (z-z_0) = 0 \tag{$E_2$}

이다.

다음으로, r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선벡터 (x′(t0) , y′(t0) , z′(t0))\left( x'(t_0)\,,\,y'(t_0)\,,\,z'(t_0) \right) 와 r0\mathbf{r}_0 에서 SS 의 법선벡터 (∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0))\left(\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right) 가 서로 수직임을 보인다. 이를 위해, 모든 tt 에 대해 점 (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) 가 곡면 G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 위에 있으므로 다음이 성립함을 이용한다.

G(x(t),y(t),z(t))=0\begin{aligned} G\big(x(t),y(t),z(t)\big) =0 \end{aligned}

이 등식의 양변을 tt 에 대해 미분하면 연쇄 법칙에 의해

0=ddtG(x(t),y(t),z(t))=∂G∂x(x(t) , y(t) , z(t)) x′(t)+∂G∂y(x(t) , y(t) , z(t)) y′(t)+∂G∂z(x(t) , y(t) , z(t)) z′(t)\begin{aligned} 0&= \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}G\big(x(t),y(t),z(t)\big) \\ &=\frac{\partial G}{\partial x}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ x'(t) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ y'(t) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ z'(t) \end{aligned}

을 얻는다. 여기에 t=t0t=t_0 을 대입하면

∂G∂x(x0 , y0 , z0) x′(t0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) y′(t0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) z′(t0)=0(E3)\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ x'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ y'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ z'(t_0) = 0 \tag{$E_3$}

이다.

마지막으로, (x,y,z)(x,y,z) 가 r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선 위의 임의의 점이면 (x,y,z)(x,y,z) 는 r0\mathbf{r}_0 에서 SS 의 접평면 위에도 있음을 보인다. (x,y,z)(x,y,z) 가 r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선 위에 있으므로, (E1)(E_1) 에 의해 다음을 만족하는 tt 가 존재한다.

∂G∂x(x0 , y0 , z0) {x−x0}+∂G∂y(x0 , y0 , z0) {y−y0}+∂G∂z(x0 , y0 , z0) {z−z0}=∂G∂x(x0 , y0 , z0) {t x′(t0)}+∂G∂y(x0 , y0 , z0) {t y′(t0)}+∂G∂z(x0 , y0 , z0) {t z′(t0)}=t[∂G∂x(x0 , y0 , z0) x′(t0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) y′(t0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) z′(t0)]=0\begin{aligned} &\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{x-x_0\} +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{y-y_0\} +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{z-z_0\} \\ &=\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,x'(t_0)\big\} +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,y'(t_0)\big\} +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,z'(t_0)\big\}\\ &= t\left[\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ x'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ y'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ z'(t_0) \right] =0 \end{aligned}

이며, 마지막 등호는 (E3)(E_3) 에 의한 것이다. 즉 (x,y,z)(x,y,z) 는 r0\mathbf{r}_0 에서 SS 의 접평면의 방정식 (E2)(E_2) 를 만족하므로 그 접평면 위에 있다. 따라서 r0\mathbf{r}_0 에서 CC 의 접선은 r0\mathbf{r}_0 에서 SS 의 접평면에 포함된다.

원본 교재 풀이(영어)

Denote by SS the surface G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 and by CC the parametrized curve r(t)=(x(t),y(t),z(t))\mathbf{r}(t)=\big(x(t),y(t),z(t)\big). To start, we'll find the tangent plane to SS at r0\mathbf{r}_0 and the tangent line to CC at r0\mathbf{r}_0.

  • The tangent vector to CC at r0\mathbf{r}_0 is (x′(t0) , y′(t0) , z′(t0))\left( x'(t_0)\,,\,y'(t_0)\,,\,z'(t_0) \right), so the parametric equations for the tangent line to CC at r0\mathbf{r}_0 are

x−x0=tx′(t0)y−y0=tx′(t0)z−z0=tx′(t0)(E1)x-x_0 = t x'(t_0)\qquad y-y_0 = t x'(t_0)\qquad z-z_0 = t x'(t_0) \tag{$E_1$}

  • The gradient (∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0))\left(\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right) is a normal vector to the surface SS at (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0). So the tangent plane to the surface SS at (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) is

(∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0))⋅(x−x0 , y−y0 , z−z0)=0\left(\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right) \cdot \left( x-x_0\,,\, y-y_0\,,\,z-z_0\right) = 0

or

∂G∂x(x0 , y0 , z0) (x−x0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) (y−y0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) (z−z0)=0(E2)\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (x-x_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (y-y_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ (z-z_0) = 0 \tag{$E_2$}

Next, we'll show that the tangent vector (x′(t0) , y′(t0) , z′(t0))\left( x'(t_0)\,,\,y'(t_0)\,,\,z'(t_0) \right) to CC at r0\mathbf{r}_0 and the normal vector (∂G∂x(x0 , y0 , z0) , ∂G∂y(x0 , y0 , z0) , ∂G∂z(x0 , y0 , z0))\left(\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\,,\, \frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\right) to SS at r0\mathbf{r}_0 are perpendicular to each other. To do so, we observe that, for every tt, the point (x(t),y(t),z(t))\big(x(t),y(t),z(t)\big) lies on the surface G(x,y,z)=0G(x,y,z)=0 and so obeys

G(x(t),y(t),z(t))=0\begin{aligned} G\big(x(t),y(t),z(t)\big) =0 \end{aligned}

Differentiating this equation with respect to tt gives, by the chain rule,

0=ddtG(x(t),y(t),z(t))=∂G∂x(x(t) , y(t) , z(t)) x′(t)+∂G∂y(x(t) , y(t) , z(t)) y′(t)+∂G∂z(x(t) , y(t) , z(t)) z′(t)\begin{aligned} 0&= \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}G\big(x(t),y(t),z(t)\big) \\ &=\frac{\partial G}{\partial x}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ x'(t) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ y'(t) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x(t)\,,\,y(t)\,,\,z(t)\big)\ z'(t) \end{aligned}

Then setting t=t0t=t_0 gives

∂G∂x(x0 , y0 , z0) x′(t0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) y′(t0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) z′(t0)=0(E3)\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ x'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ y'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ z'(t_0) = 0 \tag{$E_3$}

Finally, we are in a position to show that if (x,y,z)(x,y,z) is any point on the tangent line to CC at r0\mathbf{r}_0, then (x,y,z)(x,y,z) is also on the tangent plane to SS at r0\mathbf{r}_0. As (x,y,z)(x,y,z) is on the tangent line to CC at r0\mathbf{r}_0 then there is a tt such that, by (E1)(E_1),

∂G∂x(x0 , y0 , z0) {x−x0}+∂G∂y(x0 , y0 , z0) {y−y0}+∂G∂z(x0 , y0 , z0) {z−z0}=∂G∂x(x0 , y0 , z0) {t x′(t0)}+∂G∂y(x0 , y0 , z0) {t y′(t0)}+∂G∂z(x0 , y0 , z0) {t z′(t0)}=t[∂G∂x(x0 , y0 , z0) x′(t0)+∂G∂y(x0 , y0 , z0) y′(t0)+∂G∂z(x0 , y0 , z0) z′(t0)]=0\begin{aligned} &\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{x-x_0\} +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{y-y_0\} +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \{z-z_0\} \\ &=\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,x'(t_0)\big\} +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,y'(t_0)\big\} +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ \big\{ t\,z'(t_0)\big\}\\ &= t\left[\frac{\partial G}{\partial x}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ x'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial y}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ y'(t_0) +\frac{\partial G}{\partial z}\big( x_0\,,\,y_0\,,\,z_0\big)\ z'(t_0) \right] =0 \end{aligned}

by (E3)(E_3). That is, (x,y,z)(x,y,z) obeys the equation, (E2)(E_2), of the tangent plane to SS at r0\mathbf{r}_0 and so is on that tangent plane. So the tangent line to CC at r0\mathbf{r}_0 is contained in the tangent plane to SS at r0\mathbf{r}_0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.2절 · 13번
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17.CLP-4 · 4.1절 · 13번대학 수준우리말 번역

벡터장 F\mathbf{F} 가 R3\mathbb{R}^3 전체에서 ∇⋅F=0{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot \mathbf{F}=0 을 만족한다고 가정하세요.

r(t)=tx ı^+ty ȷ^+tz k^,0≤t≤1\mathbf{r}(t)=tx\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ty\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+tz\,\hat{\mathbf{k}},\qquad 0\le t\le 1

을 원점에서 (x,y,z)(x,y,z) 까지의 선분의 매개변수 표현이라고 하고,

G(x,y,z)=∫01t F(r(t))×drdt(t) dt\mathbf{G}(x,y,z)=\int_0^1 t\,\mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\times\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t)\,dt

로 정의합니다. R3\mathbb{R}^3 전체에서 ∇×G=F{ \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{G}=\mathbf{F} 임을 보이세요.

영어 원문 보기

Suppose that the vector field F\mathbf{F} obeys ∇⋅F=0{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot \mathbf{F}=0 in all of R3\mathbb{R}^3. Let

r(t)=tx ı^+ty ȷ^+tz k^,0≤t≤1\mathbf{r}(t)=tx\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ty\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+tz\,\hat{\mathbf{k}},\qquad 0\le t\le 1

be a parametrization of the line segment from the origin to (x,y,z)(x,y,z). Define

G(x,y,z)=∫01t F(r(t))×drdt(t) dt\mathbf{G}(x,y,z)=\int_0^1 t\,\mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\times\frac{d\mathbf{r}}{dt}(t)\,dt

Show that ∇×G=F{ \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{G}=\mathbf{F} throughout R3\mathbb{R}^3.

정답·풀이 보기

∂G3∂y−∂G2∂z=F1\frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z}=F_1 임을 보이겠다. 나머지 성분도 이와 비슷하다. 먼저

t F(r(t))×drdt(t)=t F(tx,ty,tz)×(x ı^+y ȷ^+z k^)=tdet⁡[ı^ȷ^k^F1F2F3xyz]\begin{aligned} t\,\mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\times\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t) &=t\,\mathbf{F}\big(tx,ty,tz\big)\times\big(x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}}\big) =t\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ F_1 & F_2 & F_3\\ x & y & z\end{matrix}\right] \end{aligned}

이다. 행렬식의 k^\hat{\mathbf{k}} 성분과 ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} 성분을 읽으면

G3(x,y,z)=∫01t[F1(tx,ty,tz) y−F2(tx,ty,tz) x] dtG2(x,y,z)=∫01t[F3(tx,ty,tz) x−F1(tx,ty,tz) z] dt\begin{aligned} G_3(x,y,z)&=\int_0^1 t\big[F_1\big(tx,ty,tz\big)\,y-F_2\big(tx,ty,tz\big)\,x\big]\,dt\\ G_2(x,y,z)&=\int_0^1 t\big[F_3\big(tx,ty,tz\big)\,x-F_1\big(tx,ty,tz\big)\,z\big]\,dt \end{aligned}

이다. 따라서

∂G3∂y=∫01t[F1(tx,ty,tz)+∂F1∂y(tx,ty,tz) ty−∂F2∂y(tx,ty,tz) tx] dt∂G2∂z=∫01t[∂F3∂z(tx,ty,tz) tx−∂F1∂z(tx,ty,tz) tz−F1(tx,ty,tz)] dt⇒∂G3∂y−∂G2∂z=∫01[2t F1(tx,ty,tz)+t2y ∂F1∂y(tx,ty,tz)+t2z∂F1∂z(tx,ty,tz)−t2x ∂F2∂y(tx,ty,tz)−t2x ∂F3∂z(tx,ty,tz)] dt\begin{aligned} \frac{\partial G_3}{\partial y} &=\int_0^1 t\Big[F_1\big(tx,ty,tz\big)+ \frac{\partial F_1}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big)\,ty -\frac{\partial F_2}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big)\,tx\Big]\,dt\\ \frac{\partial G_2}{\partial z}&=\int_0^1 t\Big[ \frac{\partial F_3}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\,tx -\frac{\partial F_1}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\,tz -F_1\big(tx,ty,tz\big)\Big]\,dt\\ \Rightarrow \frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z} &=\int_0^1 \Big[2t\,F_1\big(tx,ty,tz\big)+ t^2y\,\frac{\partial F_1}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) +t^2z\frac{\partial F_1}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\\ & -t^2x\,\frac{\partial F_2}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) -t^2x\,\frac{\partial F_3}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\Big]\,dt \end{aligned}

이다. 가정에 의해 ∇⋅F=∂F1∂x+∂F2∂y+∂F3∂z=0{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}=\frac{\partial F_1}{\partial x} +\frac{\partial F_2}{\partial y} +\frac{\partial F_3}{\partial z}=0 이므로 마지막 두 항은

−t2x{∂F2∂y(tx,ty,tz)+∂F3∂z(tx,ty,tz)}=−t2x{−∂F1∂x(tx,ty,tz)}\begin{aligned} -t^2x\Big\{\frac{\partial F_2}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) +\frac{\partial F_3}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\Big\} =-t^2x\Big\{-\frac{\partial F_1}{\partial x}\big(tx,ty,tz\big)\Big\} \end{aligned}

이고, 따라서

∂G3∂y−∂G2∂z=∫01[2tF1(tx,ty,tz)+t2x∂F1∂x(tx,ty,tz)+t2y∂F1∂y(tx,ty,tz)+t2z∂F1∂z(tx,ty,tz)] dt=∫01ddt[t2F1(tx,ty,tz)] dt=[t2F1(tx,ty,tz)]t=0t=1=F1(x,y,z)\begin{aligned} &\frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z} \\ &=\int_0^1 \Big[2tF_1\big(tx,ty,tz\big)+ t^2x\frac{\partial F_1}{\partial x}\big(tx,ty,tz\big) +t^2y\frac{\partial F_1}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) +t^2z\frac{\partial F_1}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\Big]\,dt\\ &=\int_0^1 \frac{d}{dt}\Big[ t^2 F_1(tx,ty,tz)\Big]\,dt =\Big[ t^2 F_1(tx,ty,tz)\Big]^{t=1}_{t=0} = F_1(x,y,z) \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

We shall show that ∂G3∂y−∂G2∂z=F1\frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z}=F_1. The other components are similar. First we have

t F(r(t))×drdt(t)=t F(tx,ty,tz)×(x ı^+y ȷ^+z k^)=tdet⁡[ı^ȷ^k^F1F2F3xyz]\begin{aligned} t\,\mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\times\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t) &=t\,\mathbf{F}\big(tx,ty,tz\big)\times\big(x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}}\big) =t\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ F_1 & F_2 & F_3\\ x & y & z\end{matrix}\right] \end{aligned}

Reading off the k^\hat{\mathbf{k}} and ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} components of the determinant gives

G3(x,y,z)=∫01t[F1(tx,ty,tz) y−F2(tx,ty,tz) x] dtG2(x,y,z)=∫01t[F3(tx,ty,tz) x−F1(tx,ty,tz) z] dt\begin{aligned} G_3(x,y,z)&=\int_0^1 t\big[F_1\big(tx,ty,tz\big)\,y-F_2\big(tx,ty,tz\big)\,x\big]\,dt\\ G_2(x,y,z)&=\int_0^1 t\big[F_3\big(tx,ty,tz\big)\,x-F_1\big(tx,ty,tz\big)\,z\big]\,dt \end{aligned}

So

∂G3∂y=∫01t[F1(tx,ty,tz)+∂F1∂y(tx,ty,tz) ty−∂F2∂y(tx,ty,tz) tx] dt∂G2∂z=∫01t[∂F3∂z(tx,ty,tz) tx−∂F1∂z(tx,ty,tz) tz−F1(tx,ty,tz)] dt⇒∂G3∂y−∂G2∂z=∫01[2t F1(tx,ty,tz)+t2y ∂F1∂y(tx,ty,tz)+t2z∂F1∂z(tx,ty,tz)−t2x ∂F2∂y(tx,ty,tz)−t2x ∂F3∂z(tx,ty,tz)] dt\begin{aligned} \frac{\partial G_3}{\partial y} &=\int_0^1 t\Big[F_1\big(tx,ty,tz\big)+ \frac{\partial F_1}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big)\,ty -\frac{\partial F_2}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big)\,tx\Big]\,dt\\ \frac{\partial G_2}{\partial z}&=\int_0^1 t\Big[ \frac{\partial F_3}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\,tx -\frac{\partial F_1}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\,tz -F_1\big(tx,ty,tz\big)\Big]\,dt\\ \Rightarrow \frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z} &=\int_0^1 \Big[2t\,F_1\big(tx,ty,tz\big)+ t^2y\,\frac{\partial F_1}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) +t^2z\frac{\partial F_1}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\\ & -t^2x\,\frac{\partial F_2}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) -t^2x\,\frac{\partial F_3}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\Big]\,dt \end{aligned}

Since, by hypothesis, ∇⋅F=∂F1∂x+∂F2∂y+∂F3∂z=0{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}=\frac{\partial F_1}{\partial x} +\frac{\partial F_2}{\partial y} +\frac{\partial F_3}{\partial z}=0, the last two terms

−t2x{∂F2∂y(tx,ty,tz)+∂F3∂z(tx,ty,tz)}=−t2x{−∂F1∂x(tx,ty,tz)}\begin{aligned} -t^2x\Big\{\frac{\partial F_2}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) +\frac{\partial F_3}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\Big\} =-t^2x\Big\{-\frac{\partial F_1}{\partial x}\big(tx,ty,tz\big)\Big\} \end{aligned}

so that

∂G3∂y−∂G2∂z=∫01[2tF1(tx,ty,tz)+t2x∂F1∂x(tx,ty,tz)+t2y∂F1∂y(tx,ty,tz)+t2z∂F1∂z(tx,ty,tz)] dt=∫01ddt[t2F1(tx,ty,tz)] dt=[t2F1(tx,ty,tz)]t=0t=1=F1(x,y,z)\begin{aligned} &\frac{\partial G_3}{\partial y}-\frac{\partial G_2}{\partial z} \\ &=\int_0^1 \Big[2tF_1\big(tx,ty,tz\big)+ t^2x\frac{\partial F_1}{\partial x}\big(tx,ty,tz\big) +t^2y\frac{\partial F_1}{\partial y}\big(tx,ty,tz\big) +t^2z\frac{\partial F_1}{\partial z}\big(tx,ty,tz\big)\Big]\,dt\\ &=\int_0^1 \frac{d}{dt}\Big[ t^2 F_1(tx,ty,tz)\Big]\,dt =\Big[ t^2 F_1(tx,ty,tz)\Big]^{t=1}_{t=0} = F_1(x,y,z) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.1절 · 4번
# 발산과 회전증명·논술도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
18.CLP-4 · 4.2절 · 1번대학 수준우리말 번역

VV 를 정육면체

V={ (x,y,z) ∣ 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1 }\begin{aligned} V=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ 0\le y\le 1,\ 0\le z\le 1\ \big\} \end{aligned}

라 하고, RR 를 정사각형

R={ (x,y) ∣ 0≤x≤1, 0≤y≤1 }\begin{aligned} R=\big\{ \ (x,y)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ 0\le y\le 1\ \big\} \end{aligned}

라 하자. 또 f(x,y,z)f(x,y,z) 는 연속인 일계 편도함수를 가진다고 하자.

(a) 미적분의 기본정리를 이용하여

∭V∂f∂z(x,y,z) dx dy dz=∬Rf(x,y,1) dx dy−∬Rf(x,y,0) dx dy\begin{aligned} \iiint _V\frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z =\iint _R f(x,y,1)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y - \iint _R f(x,y,0)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

임을 보이세요. (b) 발산정리를 이용하여

∭V∂f∂z(x,y,z) dx dy dz=∬Rf(x,y,1) dx dy−∬Rf(x,y,0) dx dy\begin{aligned} \iiint _V\frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z =\iint _R f(x,y,1)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y - \iint _R f(x,y,0)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

임을 보이세요.

영어 원문 보기

Let VV be the cube

V={ (x,y,z) ∣ 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1 }\begin{aligned} V=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ 0\le y\le 1,\ 0\le z\le 1\ \big\} \end{aligned}

and RR be the square

R={ (x,y) ∣ 0≤x≤1, 0≤y≤1 }\begin{aligned} R=\big\{ \ (x,y)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ 0\le y\le 1\ \big\} \end{aligned}

and let f(x,y,z)f(x,y,z) have continuous first partial derivatives.

(a) Use the fundamental theorem of calculus to show that

∭V∂f∂z(x,y,z) dx dy dz=∬Rf(x,y,1) dx dy−∬Rf(x,y,0) dx dy\begin{aligned} \iiint _V\frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z =\iint _R f(x,y,1)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y - \iint _R f(x,y,0)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned} (b) Use the divergence theorem to show that

∭V∂f∂z(x,y,z) dx dy dz=∬Rf(x,y,1) dx dy−∬Rf(x,y,0) dx dy\begin{aligned} \iiint _V\frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z =\iint _R f(x,y,1)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y - \iint _R f(x,y,0)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

정답·풀이 보기

(a) 좌변을 zz 를 가장 안쪽 적분변수로 하는 반복적분으로 나타내면 다음과 같다.

∭V∂f∂z(x,y,z) dx dy dz=∫01dx∫01dy[∫01dz ∂f∂z(x,y,z)]=∫01dx∫01dy [f(x,y,1)−f(x,y,0)]미적분의 기본정리에 의해=∬R[f(x,y,1)−f(x,y,0)] dx dy=∬Rf(x,y,1) dx dy−∬Rf(x,y,0) dx dy\begin{aligned} \iiint _V\frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z &=\int_0^1\mathrm{d}x\int_0^1\mathrm{d}y\left[\int_0^1\mathrm{d}z\ \frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z)\right] \\ &=\int_0^1\mathrm{d}x\int_0^1\mathrm{d}y\ \big[f(x,y,1)-f(x,y,0)\big] \\ &\text{미적분의 기본정리에 의해} \\ &=\iint _R\big[f(x,y,1)-f(x,y,0)\big]\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \\ &=\iint _R f(x,y,1)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y - \iint _R f(x,y,0)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

(b) 벡터장 F(x,y,z)=f(x,y,z) k^\mathbf{F}(x,y,z) = f(x,y,z)\,\hat{\mathbf{k}} 를 정의하자. 그러면 F\mathbf{F} 의 발산은 ∇⋅F(x,y,z)=∂f∂z(x,y,z){ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}(x,y,z) = \frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z) 이다. 정육면체 VV 의 경계는 다음 여섯 면의 합집합이다.

S1={ (x,y,z) ∣ 0≤x≤1, 0≤y≤1, z=1 }바깥쪽 법선벡터는 n^=k^S2={ (x,y,z) ∣ 0≤x≤1, 0≤y≤1, z=0 }바깥쪽 법선벡터는 n^=−k^S3={ (x,y,z) ∣ 0≤x≤1, 0≤z≤1, y=1 }바깥쪽 법선벡터는 n^=ȷ^S4={ (x,y,z) ∣ 0≤x≤1, 0≤z≤1, y=0 }바깥쪽 법선벡터는 n^=−ȷ^S5={ (x,y,z) ∣ 0≤y≤1, 0≤z≤1, x=1 }바깥쪽 법선벡터는 n^=ı^S6={ (x,y,z) ∣ 0≤y≤1, 0≤z≤1, x=0 }바깥쪽 법선벡터는 n^=−ı^\begin{aligned} S_1&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ 0\le y\le 1,\ z=1\ \big\}\quad \text{바깥쪽 법선벡터는 $\hat{\mathbf{n}}=\hat{\mathbf{k}}$} \\ S_2&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ 0\le y\le 1,\ z=0\ \big\}\quad \text{바깥쪽 법선벡터는 $\hat{\mathbf{n}}=-\hat{\mathbf{k}}$} \\ S_3&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ 0\le z\le 1,\ y=1\ \big\}\quad \text{바깥쪽 법선벡터는 $\hat{\mathbf{n}}=\hat{\boldsymbol{\jmath}}$} \\ S_4&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ 0\le z\le 1,\ y=0\ \big\}\quad \text{바깥쪽 법선벡터는 $\hat{\mathbf{n}}=-\hat{\boldsymbol{\jmath}}$} \\ S_5&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 0\le y\le 1,\ 0\le z\le 1,\ x=1\ \big\}\quad \text{바깥쪽 법선벡터는 $\hat{\mathbf{n}}=\hat{\boldsymbol{\imath}}$} \\ S_6&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 0\le y\le 1,\ 0\le z\le 1,\ x=0\ \big\}\quad \text{바깥쪽 법선벡터는 $\hat{\mathbf{n}}=-\hat{\boldsymbol{\imath}}$} \end{aligned}

그림

다음에 주목하자.

F⋅n^=f k^⋅n^={+fS1 위에서−fS2 위에서0S3, S4, S5, S6 위에서\begin{aligned} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}} = f\,\hat{\mathbf{k}}\cdot\hat{\mathbf{n}} = \begin{cases} +f &\text{$S_1$ 위에서} \\ -f &\text{$S_2$ 위에서} \\ 0 &\text{$S_3$, $S_4$, $S_5$, $S_6$ 위에서} \end{cases} \end{aligned}

따라서 발산정리에 의해 다음을 얻는다.

∭V∂f∂z(x,y,z) dx dy dz=∭V∇⋅F(x,y,z) dx dy dz=∬∂VF⋅n^ dS=∑j=16∬SjF⋅n^ dS=∬S1f dS−∬S2f dS=∬Rf(x,y,1) dx dy−∬Rf(x,y,0) dx dy\begin{aligned} \iiint _V\frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z &=\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}(x,y,z)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z \\ &= \iint _{\partial V} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\ \mathrm{d}S =\sum_{j=1}^6 \iint _{S_j} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\ \mathrm{d}S\\ &=\iint _{S_1} f\ \mathrm{d}S -\iint _{S_2} f\ \mathrm{d}S \\ &=\iint _R f(x,y,1)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y - \iint _R f(x,y,0)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Expressing the left hand side as an iterated integral, with zz as the innermost integration variable, we have

∭V∂f∂z(x,y,z) dx dy dz=∫01dx∫01dy[∫01dz ∂f∂z(x,y,z)]=∫01dx∫01dy [f(x,y,1)−f(x,y,0)]by the fundamental theorem of calculus=∬R[f(x,y,1)−f(x,y,0)] dx dy=∬Rf(x,y,1) dx dy−∬Rf(x,y,0) dx dy\begin{aligned} \iiint _V\frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z &=\int_0^1\mathrm{d}x\int_0^1\mathrm{d}y\left[\int_0^1\mathrm{d}z\ \frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z)\right] \\ &=\int_0^1\mathrm{d}x\int_0^1\mathrm{d}y\ \big[f(x,y,1)-f(x,y,0)\big] \\ &\text{by the fundamental theorem of calculus} \\ &=\iint _R\big[f(x,y,1)-f(x,y,0)\big]\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \\ &=\iint _R f(x,y,1)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y - \iint _R f(x,y,0)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

(b) Define the vector field F(x,y,z)=f(x,y,z) k^\mathbf{F}(x,y,z) = f(x,y,z)\,\hat{\mathbf{k}}. Then the divergence of F\mathbf{F} is ∇⋅F(x,y,z)=∂f∂z(x,y,z){ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}(x,y,z) = \frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z). The boundary of the cube VV is the union of six faces

S1={ (x,y,z) ∣ 0≤x≤1, 0≤y≤1, z=1 }with outward normal n^=k^S2={ (x,y,z) ∣ 0≤x≤1, 0≤y≤1, z=0 }with outward normal n^=−k^S3={ (x,y,z) ∣ 0≤x≤1, 0≤z≤1, y=1 }with outward normal n^=ȷ^S4={ (x,y,z) ∣ 0≤x≤1, 0≤z≤1, y=0 }with outward normal n^=−ȷ^S5={ (x,y,z) ∣ 0≤y≤1, 0≤z≤1, x=1 }with outward normal n^=ı^S6={ (x,y,z) ∣ 0≤y≤1, 0≤z≤1, x=0 }with outward normal n^=−ı^\begin{aligned} S_1&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ 0\le y\le 1,\ z=1\ \big\}\quad \text{with outward normal $\hat{\mathbf{n}}=\hat{\mathbf{k}}$} \\ S_2&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ 0\le y\le 1,\ z=0\ \big\}\quad \text{with outward normal $\hat{\mathbf{n}}=-\hat{\mathbf{k}}$} \\ S_3&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ 0\le z\le 1,\ y=1\ \big\}\quad \text{with outward normal $\hat{\mathbf{n}}=\hat{\boldsymbol{\jmath}}$} \\ S_4&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ 0\le z\le 1,\ y=0\ \big\}\quad \text{with outward normal $\hat{\mathbf{n}}=-\hat{\boldsymbol{\jmath}}$} \\ S_5&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 0\le y\le 1,\ 0\le z\le 1,\ x=1\ \big\}\quad \text{with outward normal $\hat{\mathbf{n}}=\hat{\boldsymbol{\imath}}$} \\ S_6&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 0\le y\le 1,\ 0\le z\le 1,\ x=0\ \big\}\quad \text{with outward normal $\hat{\mathbf{n}}=-\hat{\boldsymbol{\imath}}$} \end{aligned}

figure

Observe that

F⋅n^=f k^⋅n^={+fon S1−fon S20on S3, S4, S5, S6\begin{aligned} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}} = f\,\hat{\mathbf{k}}\cdot\hat{\mathbf{n}} = \begin{cases} +f &\text{on $S_1$} \\ -f &\text{on $S_2$} \\ 0 &\text{on $S_3$, $S_4$, $S_5$, $S_6$} \end{cases} \end{aligned}

So the divergence theorem gives

∭V∂f∂z(x,y,z) dx dy dz=∭V∇⋅F(x,y,z) dx dy dz=∬∂VF⋅n^ dS=∑j=16∬SjF⋅n^ dS=∬S1f dS−∬S2f dS=∬Rf(x,y,1) dx dy−∬Rf(x,y,0) dx dy\begin{aligned} \iiint _V\frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z &=\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}(x,y,z)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z \\ &= \iint _{\partial V} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\ \mathrm{d}S =\sum_{j=1}^6 \iint _{S_j} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\ \mathrm{d}S\\ &=\iint _{S_1} f\ \mathrm{d}S -\iint _{S_2} f\ \mathrm{d}S \\ &=\iint _R f(x,y,1)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y - \iint _R f(x,y,0)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.2절 · 36번
# 발산 정리증명·논술기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
19.CLP-4 · 4.2절 · 2번대학 수준우리말 번역

(a) a\mathbf{a} 가 임의의 상수 벡터일 때, F=ϕ a\mathbf{F}=\phi\,\mathbf{a} 에 발산 정리를 적용하여 다음을 보이세요.

∭V∇ϕ dV=∬∂Vϕ n^ dS\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\phi\,\mathrm{d}V=\iint _{\partial V}\phi\,\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S (b) 부피가 ∣V∣|V| 인 입체 VV 의 무게중심 (xˉ,yˉ,zˉ)(\bar x,\bar y,\bar z) 가 다음과 같이 주어짐을 보이세요.

(xˉ,yˉ,zˉ)=12∣V∣∬∂V(x2+y2+z2) n^ dS(\bar x,\bar y,\bar z)=\frac{1}{2|V|}\iint _{\partial V} (x^2+y^2+z^2)\,\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S

영어 원문 보기

(a) By applying the divergence theorem to F=ϕ a\mathbf{F}=\phi\,\mathbf{a}, where a\mathbf{a} is an arbitrary constant vector, show that

∭V∇ϕ dV=∬∂Vϕ n^ dS\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\phi\,\mathrm{d}V=\iint _{\partial V}\phi\,\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S (b) Show that the centroid (xˉ,yˉ,zˉ)(\bar x,\bar y,\bar z) of a solid VV with volume ∣V∣|V| is given by

(xˉ,yˉ,zˉ)=12∣V∣∬∂V(x2+y2+z2) n^ dS(\bar x,\bar y,\bar z)=\frac{1}{2|V|}\iint _{\partial V} (x^2+y^2+z^2)\,\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S

정답·풀이 보기

(a) ϕ a\phi\,\mathbf{a} 의 발산은 ∇⋅(ϕ a)=∇ϕ⋅a+ϕ∇⋅a=∇ϕ⋅a{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(\phi\,\mathbf{a}) ={ \boldsymbol{\nabla} }\phi\cdot\mathbf{a}+\phi{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{a}={ \boldsymbol{\nabla} }\phi\cdot\mathbf{a} 이다. a\mathbf{a} 가 상수이기 때문이다. 따라서 발산 정리에 의해

∬∂Vϕ a⋅n^ dS=∭V∇⋅(ϕ a) dV=∭V∇ϕ⋅a dV  ⟹  [∬∂Vϕn^ dS−∭V∇ϕ dV]⋅a=0\iint _{\partial V}\phi\,\mathbf{a}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(\phi\,\mathbf{a})\ \mathrm{d}V =\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\phi\cdot\mathbf{a}\ \mathrm{d}V \implies \left[\iint _{\partial V}\phi\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S -\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\phi\,\mathrm{d}V\right]\cdot\mathbf{a}=0

이는 모든 벡터 a\mathbf{a} 에 대해 성립한다. 특히 a=ı^,ȷ^,k^\mathbf{a}=\hat{\boldsymbol{\imath}},\hat{\boldsymbol{\jmath}},\hat{\mathbf{k}} 로 놓으면 [∬∂Vϕn^ dS−∭V∇ϕ dV]\left[\iint _{\partial V}\phi\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S -\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\phi\,\mathrm{d}V\right] 의 세 성분이 모두 0이다. 따라서

∬∂Vϕ n^ dS−∭V∇ϕ dV=0\iint _{\partial V}\phi\,\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S-\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\phi\,\mathrm{d}V=0

(b) (a)에서 ϕ=x2+y2+z2\phi=x^2+y^2+z^2 이고 ∇ϕ=2x ı^+2y ȷ^+2z k^{ \boldsymbol{\nabla} }\phi = 2x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+2y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2z\,\hat{\mathbf{k}} 이므로

12∣V∣∬∂V(x2+y2+z2) n^ dS=12∣V∣∭V(2x ı^+2y ȷ^+2z k^) dV=(xˉ,yˉ,zˉ)\frac{1}{2|V|}\iint _{\partial V} (x^2+y^2+z^2)\,\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =\frac{1}{2|V|} \iiint _V (2x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+2y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2z\,\hat{\mathbf{k}})\,\mathrm{d}V =(\bar x,\bar y,\bar z)

원본 교재 풀이(영어)

(a) The divergence of ϕ a\phi\,\mathbf{a} is ∇⋅(ϕ a)=∇ϕ⋅a+ϕ∇⋅a=∇ϕ⋅a{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(\phi\,\mathbf{a}) ={ \boldsymbol{\nabla} }\phi\cdot\mathbf{a}+\phi{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{a}={ \boldsymbol{\nabla} }\phi\cdot\mathbf{a}, since a\mathbf{a} is constant. So, by the divergence theorem,

∬∂Vϕ a⋅n^ dS=∭V∇⋅(ϕ a) dV=∭V∇ϕ⋅a dV  ⟹  [∬∂Vϕn^ dS−∭V∇ϕ dV]⋅a=0\iint _{\partial V}\phi\,\mathbf{a}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(\phi\,\mathbf{a})\ \mathrm{d}V =\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\phi\cdot\mathbf{a}\ \mathrm{d}V \implies \left[\iint _{\partial V}\phi\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S -\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\phi\,\mathrm{d}V\right]\cdot\mathbf{a}=0

This is true for all vectors a\mathbf{a}. In particular, applying this with a=ı^,ȷ^,k^\mathbf{a}=\hat{\boldsymbol{\imath}},\hat{\boldsymbol{\jmath}},\hat{\mathbf{k}}, we have that all three components of [∬∂Vϕn^ dS−∭V∇ϕ dV]\left[\iint _{\partial V}\phi\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S -\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\phi\,\mathrm{d}V\right] are zero. So

∬∂Vϕ n^ dS−∭V∇ϕ dV=0\iint _{\partial V}\phi\,\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S-\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\phi\,\mathrm{d}V=0

(b) By part (a), with ϕ=x2+y2+z2\phi=x^2+y^2+z^2 and ∇ϕ=2x ı^+2y ȷ^+2z k^{ \boldsymbol{\nabla} }\phi = 2x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+2y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2z\,\hat{\mathbf{k}},

12∣V∣∬∂V(x2+y2+z2) n^ dS=12∣V∣∭V(2x ı^+2y ȷ^+2z k^) dV=(xˉ,yˉ,zˉ)\frac{1}{2|V|}\iint _{\partial V} (x^2+y^2+z^2)\,\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =\frac{1}{2|V|} \iiint _V (2x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+2y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2z\,\hat{\mathbf{k}})\,\mathrm{d}V =(\bar x,\bar y,\bar z)

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# 발산 정리증명·논술기본자동 분류
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20.CLP-4 · 4.2절 · 36번대학 수준우리말 번역

VV 를 곡면 ∂V\partial V 로 둘러싸인 R3\mathbb{R}^3 의 입체라 하자. 다음을 보이세요.

∬∂Vr⋅n^ dS=3 Volume(V)\iint _{\partial V}\mathbf{r}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S=3\,\text{Volume}(V)

여기서 r=x ı^+y ȷ^+z k^\mathbf{r}=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}} 이고, 평소처럼 n^\hat{\mathbf{n}} 은 ∂V\partial V 의 바깥쪽 법선이다. 이 결과를 기하학적으로 설명할 수 있는지 확인해 보세요.

영어 원문 보기

Let VV be a solid in R3\mathbb{R}^3 with surface ∂V\partial V. Show that

∬∂Vr⋅n^ dS=3 Volume(V)\iint _{\partial V}\mathbf{r}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S=3\,\text{Volume}(V)

where r=x ı^+y ȷ^+z k^\mathbf{r}=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}} and, as usual, n^\hat{\mathbf{n}} is the outer normal to ∂V\partial V. See if you can explain this result geometrically.

정답·풀이 보기

발산 정리에 의해

∬∂Vr⋅n^ dS=∭V∇⋅r dV=∭V∇⋅(x ı^+y ȷ^+z k^) dV=∭V3 dV=3 Volume(V)\iint _{\partial V}\mathbf{r}\cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S =\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{r}\,\mathrm{d}V =\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}})\,\mathrm{d}V =\iiint _V 3\,\mathrm{d}V =3\,\text{Volume}(V)

기하학적 설명은 다음 관찰에서 시작한다. 꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0) 이고 밑면이 곡면의 아주 작은 조각 dS\mathrm{d}S 인 원뿔의 부피는 밑면의 넓이와 원뿔의 높이를 곱한 값의 13\frac{1}{3} 배이다. 원뿔의 높이는 ∣n^⋅r∣|\hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r}| 이고, 여기서 r\mathbf{r} 은 dS\mathrm{d}S 위의 한 점이다. 따라서 원뿔의 부피는 13∣n^⋅r∣ dS\frac{1}{3}|\hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r}|\,\mathrm{d}S 이다.

그림

먼저 (0,0,0)(0,0,0) 이 VV 안에 있고 VV 가 볼록하다고 가정하자. 그러면

  • n^⋅r>0\hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r}>0 이고, 부피는 13n^⋅r dS\frac{1}{3} \hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r} \,\mathrm{d}S 이다.
  • 원뿔은 VV 에 포함되고,
  • VV 는 dS\mathrm{d}S 가 ∂V\partial V 전체를 움직일 때 생기는 모든 아주 작은 원뿔 조각들의 합집합이다.

따라서

Volume(V)=13∬∂Vr⋅n^ dS\text{Volume}(V)=\frac{1}{3}\iint _{\partial V}\mathbf{r}\cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S

VV 가 볼록하지 않거나 (0,0,0)(0,0,0) 이 VV 안에 있지 않은 경우로 일반화하려면, VV 를 큰 볼록 입체 하나와 하나 이상의 더 작은 볼록 입체들의 차로 나타내면 된다.

원본 교재 풀이(영어)

By the divergence theorem

∬∂Vr⋅n^ dS=∭V∇⋅r dV=∭V∇⋅(x ı^+y ȷ^+z k^) dV=∭V3 dV=3 Volume(V)\iint _{\partial V}\mathbf{r}\cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S =\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{r}\,\mathrm{d}V =\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot(x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}})\,\mathrm{d}V =\iiint _V 3\,\mathrm{d}V =3\,\text{Volume}(V)

Our gemetric explanation starts with the observation that the volume of the cone with vertex (0,0,0)(0,0,0) and base a tiny piece of surface dS\mathrm{d}S is 13\frac{1}{3} times the area of the base times the height of the cone. The height of the cone is ∣n^⋅r∣|\hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r}|, where r\mathbf{r} is a point in dS\mathrm{d}S. So the volume of the cone is 13∣n^⋅r∣ dS\frac{1}{3}|\hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r}|\,\mathrm{d}S.

figure

First assume that (0,0,0)(0,0,0) is in VV and VV is convex. Then

  • n^⋅r>0\hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r}>0, and the volume is 13n^⋅r dS\frac{1}{3} \hat{\mathbf{n}}\cdot\mathbf{r} \,\mathrm{d}S.
  • the cone is contained in VV and
  • VV is the union of all the tiny conical pieces with dS\mathrm{d}S running over ∂V\partial V.

So

Volume(V)=13∬∂Vr⋅n^ dS\text{Volume}(V)=\frac{1}{3}\iint _{\partial V}\mathbf{r}\cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S

To generalise to the case that VV is not convex or (0,0,0)(0,0,0) is not in VV, write VV as the difference between a large convex solid and one or more smaller convex solids.

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