문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

보존 벡터장

보존장 판정, 퍼텐셜 함수 찾기, 선적분의 기본정리를 쓴다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

44문제 · 3 / 3쪽

41.OpenStax 3권 · 6.3절 · 44번대학 수준우리말 번역

[계산기 사용] 컴퓨터 대수 시스템을 이용하여 곡선 r(t)=(t2−1)j+2tk,0≤t≤1\text{r}(t)=({t}^{2}-1)\text{j}+2t\text{k},0\le t\le 1, 위에 놓인 철사의 질량을 구하세요. 단, 밀도는 32t\frac{3}{2}t 입니다.

영어 원문 보기

[T] Use a computer algebra system to find the mass of a wire that lies along curve r(t)=(t2−1)j+2tk,0≤t≤1,\text{r}(t)=({t}^{2}-1)\text{j}+2t\text{k},0\le t\le 1, if the density is 32t.\frac{3}{2}t.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.3절 · 11번
# 보존 벡터장계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
42.OpenStax 3권 · 6.3절 · 47번대학 수준우리말 번역

fy=Q(x,y){f}_{y}=Q(x,y) 임을 보여 (본문 참조)의 증명을 완성하세요.

영어 원문 보기

Complete the proof of (see text) by showing that fy=Q(x,y).{f}_{y}=Q(x,y).

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.3절 · 3번
# 보존 벡터장계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
43.CLP-4 · 2.3절 · 3번대학 수준우리말 번역

F\mathbf{F} 가 보존장이고 aa, bb, cc 가 상수라고 하자. F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) 의 퍼텐셜을 구하세요. 또는 F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) 가 보존장이 아니게 되는 보존장 F\mathbf{F} 와 상수 aa, bb, cc 를 하나 제시하세요.

영어 원문 보기

Suppose F\mathbf{F} is conservative and let aa, bb, and cc be constants. Find a potential for F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c), OR give a conservative field F\mathbf{F} and constants aa, bb, and cc for which F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) is not conservative.

정답·풀이 보기

φ\varphi 를 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이라 하자. ϕ=φ+ax+by+cz\phi=\varphi+ax+by+cz 로 정의하면 ∇ϕ=∇φ+(a,b,c)=F+(a,b,c){ \boldsymbol{\nabla} } \phi = { \boldsymbol{\nabla} }\varphi+(a,b,c)=\mathbf{F}+(a,b,c) 이다. 따라서 F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) 도 보존장이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let φ\varphi be a potential for F\mathbf{F}. Define ϕ=φ+ax+by+cz\phi=\varphi+ax+by+cz. Then ∇ϕ=∇φ+(a,b,c)=F+(a,b,c){ \boldsymbol{\nabla} } \phi = { \boldsymbol{\nabla} }\varphi+(a,b,c)=\mathbf{F}+(a,b,c). So, F+(a,b,c)\mathbf{F}+(a,b,c) is also conservative.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.3절 · 10번
# 보존 벡터장계산기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
44.CLP-4 · 2.3절 · 10번대학 수준우리말 번역

다음 각 벡터장이 보존적인지 아닌지 판단하세요. 보존적이면 퍼텐셜을 구하세요.

(a) F(x,y,z)=xı^−2yȷ^+3zk^\mathbf{F}(x,y,z)=x\hat{\boldsymbol{\imath}}-2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3z\hat{\mathbf{k}} (b) F(x,y)=xı^−yȷ^x2+y2\mathbf{F}(x,y)=\frac{x\hat{\boldsymbol{\imath}}-y\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{x^2+y^2}

영어 원문 보기

Determine whether or not each of the following vector fields are conservative. Find the potential if it is.

(a) F(x,y,z)=xı^−2yȷ^+3zk^\mathbf{F}(x,y,z)=x\hat{\boldsymbol{\imath}}-2y\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3z\hat{\mathbf{k}} (b) F(x,y)=xı^−yȷ^x2+y2\mathbf{F}(x,y)=\frac{x\hat{\boldsymbol{\imath}}-y\hat{\boldsymbol{\jmath}}}{x^2+y^2}

정답·풀이 보기

(a) F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 의 퍼텐셜을 구하여 이 벡터장이 보존적임을 보이겠다. φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) 가 이 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이 되기 위한 필요충분조건은

∂φ∂x(x,y,z)=x∂φ∂y(x,y,z)=−2y∂φ∂z(x,y,z)=3z\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z) &= x \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z) &= -2y \\ \frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z) &= 3z \end{aligned}

이다.

이 중 첫 번째 식을 적분하면

φ(x,y,z)=x22+f(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} + f(y,z)

이다. 이를 두 번째 식에 대입하면

∂f∂y(y,z)=−2y\frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = -2y

이고, 이를 적분하면

f(y,z)=−y2+g(z)f(y,z) = -y^2+ g(z)

이다. 마지막으로 φ(x,y,z)=x22−y2+g(z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} -y^2 + g(z) 를 마지막 식에 대입하면

g′(z)=3zg'(z) = 3z

이고, 이를 적분하면

g(z)=32z2+Cg(z) = \frac{3}{2} z^2 +C

이다. 여기서 CC 는 임의의 상수이다. 따라서 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) 는 보존적이며, φ(x,y,z)=12x2−y2+32z2\varphi(x,y,z)=\tfrac{1}{2} x^2-y^2+\frac{3}{2}z^2 은 가능한 퍼텐셜 중 하나이다.

(b) 벡터장 F=F1 ı^+F2 ȷ^\mathbf{F}= F_1\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + F_2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 는 다음 검사를 통과해야만 보존적일 수 있다.

∂F1∂y=∂F2∂x\frac{\partial F_1}{\partial y}=\frac{\partial F_2}{\partial x}

이 경우

∂F1∂y=∂∂y(xx2+y2)=−2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_1}{\partial y} =\frac{\partial}{\partial y}\Big(\frac{x}{x^2+y^2}\Big) =-\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

는

∂F2∂x=∂∂x(−yx2+y2)=2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_2}{\partial x} =\frac{\partial}{\partial x}\Big(\frac{-y}{x^2+y^2}\Big) =\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

와 다르다. 이는 xx 와 yy 가 모두 0 이 아닌 모든 (x,y)(x,y) 에 대해 성립한다. 따라서 F\mathbf{F} 는 보존적이 아니다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We shall show that F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) is conservative by finding a potential for it. φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) is a potential for this F\mathbf{F} if and only if

∂φ∂x(x,y,z)=x∂φ∂y(x,y,z)=−2y∂φ∂z(x,y,z)=3z\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z) &= x \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z) &= -2y \\ \frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z) &= 3z \end{aligned}

Integrating the first of these equations gives

φ(x,y,z)=x22+f(y,z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} + f(y,z)

Substituting this into the second equation gives

∂f∂y(y,z)=−2y\frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = -2y

which integrates to

f(y,z)=−y2+g(z)f(y,z) = -y^2+ g(z)

Finally, substituting φ(x,y,z)=x22−y2+g(z)\varphi(x,y,z) = \frac{x^2}{2} -y^2 + g(z) into the last equation gives

g′(z)=3zg'(z) = 3z

which integrates to

g(z)=32z2+Cg(z) = \frac{3}{2} z^2 +C

with CC being an arbitrary constant. So, F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) is conservative and φ(x,y,z)=12x2−y2+32z2\varphi(x,y,z)=\tfrac{1}{2} x^2-y^2+\frac{3}{2}z^2 is one allowed potential.

(b) The field F=F1 ı^+F2 ȷ^\mathbf{F}= F_1\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + F_2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} can be conservative only if it passes the screening test

∂F1∂y=∂F2∂x\frac{\partial F_1}{\partial y}=\frac{\partial F_2}{\partial x}

In this case

∂F1∂y=∂∂y(xx2+y2)=−2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_1}{\partial y} =\frac{\partial}{\partial y}\Big(\frac{x}{x^2+y^2}\Big) =-\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

is different from

∂F2∂x=∂∂x(−yx2+y2)=2xy(x2+y2)2\frac{\partial F_2}{\partial x} =\frac{\partial}{\partial x}\Big(\frac{-y}{x^2+y^2}\Big) =\frac{2xy}{{(x^2+y^2)}^2}

for all (x,y)(x,y) with xx and yy both nonzero. So F\mathbf{F} is not conservative.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.3절 · 9번
# 보존 벡터장계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)