문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

발산 정리

닫힌 곡면을 지나는 플럭스를 내부 발산의 삼중적분으로 바꾼다

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

6문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 3권 · 6.8절 · 40번대학 수준우리말 번역

속도 벡터가 F(x,y,z)=3z2i+6j+6xzk\text{F}(x,y,z)=3{z}^{2}\text{i}+6\text{j}+6xz\text{k} 일 때, 0≤x≤2,0≤z≤30\le x\le 2,0\le z\le 3 인 포물기둥면 S:y=x2S:y={x}^{2} 을 통과하는 물의 플럭스를 계산하세요.

영어 원문 보기

Compute the flux of water through parabolic cylinder S:y=x2,S:y={x}^{2}, from 0≤x≤2,0≤z≤3,0\le x\le 2,0\le z\le 3, if the velocity vector is F(x,y,z)=3z2i+6j+6xzk.\text{F}(x,y,z)=3{z}^{2}\text{i}+6\text{j}+6xz\text{k}.

정답·풀이 보기

∬SF⋅dS=72{\iint }_{S}\text{F}\cdot d\text{S}=72

원본 교재 풀이(영어)

∬SF⋅dS=72{\iint }_{S}\text{F}\cdot d\text{S}=72

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.8절 · 10번
# 발산 정리활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.OpenStax 3권 · 6.8절 · 49번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 푸리에의 열전달 법칙에 따르면, 한 점에서의 열류 벡터 F 는 온도의 기울기(그레이디언트)에 음의 부호를 붙인 것에 비례한다. 즉 F=−k∇T\text{F}=-k\nabla T 이며, 이는 열에너지가 뜨거운 영역에서 차가운 영역으로 흐른다는 뜻이다. 상수 k>0k>0 을 열전도율이라 하며, 미터법 단위는 미터·초·켈빈당 줄 또는 미터·켈빈당 와트이다. 영역 D 의 온도 함수가 주어져 있다. 발산 정리를 이용하여 k=1k=1 일 때 D 의 경계 S 를 지나 바깥쪽으로 흐르는 순열류 ∬SF⋅NdS=−k∬S∇T⋅NdS{\iint }_{S}\text{F}\cdot \text{N}dS=-k{\iint }_{S}\nabla T\cdot \text{N}dS 를 구하세요.

T(x,y,z)=100+x+2y+z;T(x,y,z)=100+x+2y+z; D={(x,y,z):0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1}D=\{(x,y,z):0\le x\le 1,0\le y\le 1,0\le z\le 1\}

영어 원문 보기

For the following exercises, Fourier’s law of heat transfer states that the heat flow vector F at a point is proportional to the negative gradient of the temperature; that is, F=−k∇T,\text{F}=-k\nabla T, which means that heat energy flows hot regions to cold regions. The constant k>0k>0 is called the conductivity, which has metric units of joules per meter per second-kelvin or watts per meter-kelvin. A temperature function for region D is given. Use the divergence theorem to find net outward heat flux ∬SF⋅NdS=−k∬S∇T⋅NdS{\iint }_{S}\text{F}\cdot \text{N}dS=-k{\iint }_{S}\nabla T\cdot \text{N}dS across the boundary S of D, where k=1.k=1.

T(x,y,z)=100+x+2y+z;T(x,y,z)=100+x+2y+z; D={(x,y,z):0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1}D=\{(x,y,z):0\le x\le 1,0\le y\le 1,0\le z\le 1\}

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.2절 · 30번
# 발산 정리활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.OpenStax 3권 · 6.8절 · 50번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 푸리에의 열전달 법칙에 따르면, 한 점에서의 열류 벡터 F 는 온도의 기울기(그레이디언트)에 음의 부호를 붙인 것에 비례한다. 즉 F=−k∇T\text{F}=-k\nabla T 이며, 이는 열에너지가 뜨거운 영역에서 차가운 영역으로 흐른다는 뜻이다. 상수 k>0k>0 을 열전도율이라 하며, 미터법 단위는 미터·초·켈빈당 줄 또는 미터·켈빈당 와트이다. 영역 D 의 온도 함수가 주어져 있다. 발산 정리를 이용하여 k=1k=1 일 때 D 의 경계 S 를 지나 바깥쪽으로 흐르는 순열류 ∬SF⋅NdS=−k∬S∇T⋅NdS{\iint }_{S}\text{F}\cdot \text{N}dS=-k{\iint }_{S}\nabla T\cdot \text{N}dS 를 구하세요.

T(x,y,z)=100+e−z;T(x,y,z)=100+{e}^{-z}; D={(x,y,z):0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1}D=\{(x,y,z):0\le x\le 1,0\le y\le 1,0\le z\le 1\}

영어 원문 보기

For the following exercises, Fourier’s law of heat transfer states that the heat flow vector F at a point is proportional to the negative gradient of the temperature; that is, F=−k∇T,\text{F}=-k\nabla T, which means that heat energy flows hot regions to cold regions. The constant k>0k>0 is called the conductivity, which has metric units of joules per meter per second-kelvin or watts per meter-kelvin. A temperature function for region D is given. Use the divergence theorem to find net outward heat flux ∬SF⋅NdS=−k∬S∇T⋅NdS{\iint }_{S}\text{F}\cdot \text{N}dS=-k{\iint }_{S}\nabla T\cdot \text{N}dS across the boundary S of D, where k=1.k=1.

T(x,y,z)=100+e−z;T(x,y,z)=100+{e}^{-z}; D={(x,y,z):0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1}D=\{(x,y,z):0\le x\le 1,0\le y\le 1,0\le z\le 1\}

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

e−1−1{e}^{-1}-1

원본 교재 풀이(영어)

e−1−1{e}^{-1}-1

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.8절 · 46번
# 발산 정리활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.APEX · 14.7절 · 22번대학 수준우리말 번역

연습문제 21–24는 여러분의 이해를 시험하기 위한 것이며 계산이 필요하지 않습니다.

(a) 그린 정리는 적절한 벡터장 F⃗\vec F 를 선택하여 선적분을 계산함으로써 곡선으로 둘러싸인 영역의 넓이를 구하는 데 쓸 수 있습니다. 이것이 가능하려면 F⃗\vec F 가 어떤 조건을 만족해야 하는지 구하세요. (b) 마찬가지로, 스토크스 정리는 적절한 벡터장 F⃗\vec F 를 선택하여 선적분을 계산함으로써 공간의 곡선으로 둘러싸인 영역의 겉넓이를 구하는 데 쓸 수 있습니다. 이것이 가능하려면 F⃗\vec F 가 어떤 조건을 만족해야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Exercises 21–24 are designed to challenge your understanding and require no computation.

(a) Green's Theorem can be used to find the area of a region enclosed by a curve by evaluating a line integral with the appropriate choice of vector field F⃗\vec F. What condition on F⃗\vec F makes this possible? (b) Likewise, Stokes' Theorem can be used to find the surface area of a region enclosed by a curve in space by evaluating a line integral with the appropriate choice of vector field F⃗\vec F. What condition on F⃗\vec F makes this possible?

정답·풀이 보기

(a) curl⁡F⃗=1\operatorname{curl}\vec F = 1 이다. (b) curl⁡F⃗⋅n⃗=1\operatorname{curl}\vec F\cdot \vec n = 1 이다. 여기서 n⃗\vec n 은 S\mathcal{S} 에 수직인 단위벡터이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) curl⁡F⃗=1\operatorname{curl}\vec F = 1. (b) curl⁡F⃗⋅n⃗=1\operatorname{curl}\vec F\cdot \vec n = 1, where n⃗\vec n is a unit vector normal to S\mathcal{S}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.2절 · 50번
# 발산 정리활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-4 · 4.2절 · 4번대학 수준우리말 번역

두 가지 방법으로 적분 ∬SF⋅n^ dS\iint _S\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S 의 값을 구하세요. 여기서 F=z k^\mathbf{F}=z\,\hat{\mathbf{k}} 이고, SS 는 곡면 x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2 이며 n^\hat{\mathbf{n}} 은 SS 의 바깥쪽을 향하는 단위법선벡터이다.

(a) 먼저, 면적분을 직접 계산하세요. (b) 다음으로, 발산 정리를 이용하세요.

영어 원문 보기

Evaluate, by two methods, the integral ∬SF⋅n^ dS\iint _S\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S, where F=z k^\mathbf{F}=z\,\hat{\mathbf{k}}, SS is the surface x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2 and n^\hat{\mathbf{n}} is the outward pointing unit normal to SS.

(a) First, by direct computation of the surface integral. (b) Second, by using the divergence theorem.

정답·풀이 보기

(a) 구면좌표를 사용하자. SS 는 원점을 중심으로 하는 반지름 aa 인 구면이므로 다음과 같이 매개화할 수 있다.

r(θ,φ)=asin⁡φcos⁡θ ı^+asin⁡φsin⁡θ ȷ^+acos⁡φ k^∂r∂θ=−asin⁡φsin⁡θ ı^+asin⁡φcos⁡θ ȷ^∂r∂φ=−acos⁡φcos⁡θ ı^+acos⁡φsin⁡θ ȷ^−asin⁡φ k^n^ dS=±∂r∂θ×∂r∂φ dθ dφ=det⁡[ı^ȷ^k^−asin⁡φsin⁡θasin⁡φcos⁡θ0acos⁡φcos⁡θacos⁡φsin⁡θ−asin⁡φ]dθ dφ=±(−a2sin⁡2φcos⁡θ ı^−a2sin⁡2φsin⁡θ ȷ^−a2sin⁡φcos⁡φ k^) dθ dφ=∓a2sin⁡φ(sin⁡φcos⁡θ ı^+sin⁡φsin⁡θ ȷ^+cos⁡φ k^) dθ dφ\begin{aligned} \mathbf{r}(\theta,\varphi) &=a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + a\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} &=-a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} &= \phantom{-}a\cos\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\cos\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a\sin\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \\ \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\pm\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} \times \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} \ \mathrm{d}\theta\, d\varphi\\ &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ -a\sin\varphi\sin\theta & a\sin\varphi\cos\theta & 0 \\ a\cos\varphi\cos\theta & a\cos\varphi\sin\theta & -a\sin\varphi \end{matrix}\right] \mathrm{d}\theta\, d\varphi\\ &=\pm\Big(-a^2\sin^2\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -a^2\sin^2\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a^2\sin\varphi\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \\ &=\mp a^2\sin\varphi \big(\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \end{aligned}

바깥쪽 법선이 되려면 ++ 부호를 택해야 하므로

n^ dS=a2sin⁡φ(sin⁡φcos⁡θ ı^+sin⁡φsin⁡θ ȷ^+cos⁡φ k^) dθ dφF⋅n^ dS=z(θ,φ) k^⋅n^ dS=a3sin⁡φcos⁡2φ dθ dφ\begin{aligned} \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= a^2\sin\varphi \big(\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \\ \mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= z(\theta,\varphi)\,\hat{\mathbf{k}}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = a^3 \sin\varphi\cos^2\varphi\ \mathrm{d}\theta\,d\varphi \end{aligned}

이고,

∬SF⋅n^ dS=a3∫0πdφ∫02πdθ sin⁡φ cos⁡2φ=2πa3∫0πdφ sin⁡φ cos⁡2φ=2πa3[−13cos⁡3φ]0π=43πa3\begin{aligned} \iint _S\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= a^3\int_0^\pi d\varphi\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \sin\varphi\,\cos^2\varphi\\ &=2\pi a^3 \int_0^\pi d\varphi \ \sin\varphi\,\cos^2\varphi =2\pi a^3\left[-\frac{1}{3}\cos^3\varphi\right]_0^\pi \\ &=\frac{4}{3}\pi a^3 \end{aligned}

이다.

(b) 입체 x2+y2+z2≤a2x^2+y^2+z^2\le a^2 을 VV 라 하자.

∇⋅F=∂∂x(0)+∂∂y(0)+∂∂z(z)=1{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} =\frac{\partial }{\partial x}(0) +\frac{\partial }{\partial y}(0) +\frac{\partial }{\partial z}(z) =1

이므로 발산 정리에 의해

∬SF⋅n^ dS=∭V∇⋅F dV=∭V dV=부피(V)=43πa3\begin{aligned} \iint _{\mathcal{S}}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}V =\iiint _V \ \mathrm{d}V =\text{부피}(V) =\frac{4}{3}\pi a^3 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Let's use spherical coordinates. As SS is the sphere of radius aa centred on the origin, we can parametrize it by

r(θ,φ)=asin⁡φcos⁡θ ı^+asin⁡φsin⁡θ ȷ^+acos⁡φ k^∂r∂θ=−asin⁡φsin⁡θ ı^+asin⁡φcos⁡θ ȷ^∂r∂φ=−acos⁡φcos⁡θ ı^+acos⁡φsin⁡θ ȷ^−asin⁡φ k^n^ dS=±∂r∂θ×∂r∂φ dθ dφ=det⁡[ı^ȷ^k^−asin⁡φsin⁡θasin⁡φcos⁡θ0acos⁡φcos⁡θacos⁡φsin⁡θ−asin⁡φ]dθ dφ=±(−a2sin⁡2φcos⁡θ ı^−a2sin⁡2φsin⁡θ ȷ^−a2sin⁡φcos⁡φ k^) dθ dφ=∓a2sin⁡φ(sin⁡φcos⁡θ ı^+sin⁡φsin⁡θ ȷ^+cos⁡φ k^) dθ dφ\begin{aligned} \mathbf{r}(\theta,\varphi) &=a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + a\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} &=-a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} &= \phantom{-}a\cos\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\cos\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a\sin\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \\ \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\pm\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} \times \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} \ \mathrm{d}\theta\, d\varphi\\ &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ -a\sin\varphi\sin\theta & a\sin\varphi\cos\theta & 0 \\ a\cos\varphi\cos\theta & a\cos\varphi\sin\theta & -a\sin\varphi \end{matrix}\right] \mathrm{d}\theta\, d\varphi\\ &=\pm\Big(-a^2\sin^2\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -a^2\sin^2\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a^2\sin\varphi\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \\ &=\mp a^2\sin\varphi \big(\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \end{aligned}

For the outward normal, we want the ++ sign, so

n^ dS=a2sin⁡φ(sin⁡φcos⁡θ ı^+sin⁡φsin⁡θ ȷ^+cos⁡φ k^) dθ dφF⋅n^ dS=z(θ,φ) k^⋅n^ dS=a3sin⁡φcos⁡2φ dθ dφ\begin{aligned} \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= a^2\sin\varphi \big(\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\Big)\ \mathrm{d}\theta\, d\varphi \\ \mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= z(\theta,\varphi)\,\hat{\mathbf{k}}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = a^3 \sin\varphi\cos^2\varphi\ \mathrm{d}\theta\,d\varphi \end{aligned}

and

∬SF⋅n^ dS=a3∫0πdφ∫02πdθ sin⁡φ cos⁡2φ=2πa3∫0πdφ sin⁡φ cos⁡2φ=2πa3[−13cos⁡3φ]0π=43πa3\begin{aligned} \iint _S\mathbf{F}\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= a^3\int_0^\pi d\varphi\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \sin\varphi\,\cos^2\varphi\\ &=2\pi a^3 \int_0^\pi d\varphi \ \sin\varphi\,\cos^2\varphi =2\pi a^3\left[-\frac{1}{3}\cos^3\varphi\right]_0^\pi \\ &=\frac{4}{3}\pi a^3 \end{aligned}

(b) Call the solid x2+y2+z2≤a2x^2+y^2+z^2\le a^2, VV. As

∇⋅F=∂∂x(0)+∂∂y(0)+∂∂z(z)=1{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} =\frac{\partial }{\partial x}(0) +\frac{\partial }{\partial y}(0) +\frac{\partial }{\partial z}(z) =1

the divergence theorem gives

∬SF⋅n^ dS=∭V∇⋅F dV=∭V dV=Volume(V)=43πa3\begin{aligned} \iint _{\mathcal{S}}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _V{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}V =\iiint _V \ \mathrm{d}V =\text{Volume}(V) =\frac{4}{3}\pi a^3 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.2절 · 32번
# 발산 정리활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.CLP-4 · 4.2절 · 50번대학 수준우리말 번역

매끄러운 곡면 S\mathcal{S} 가 평면 z=0z=0 위쪽에 놓여 있고, 평면 z=0z=0 위의 원 x2+y2=4yx^2+y^2=4y 를 경계로 가진다. 이 원은 또한 그 평면 위의 원판 DD 의 경계이기도 하다. S\mathcal{S} 와 DD 로 둘러싸인 3차원 영역 RR 의 부피는 10 세제곱단위이다. F(x,y,z)=(x+x2y)ı^+(y−xy2)ȷ^+(z+2x+3y)k^\mathbf{F}(x,y,z)=(x+x^2y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(y-xy^2)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(z+2x+3y)\hat{\mathbf{k}} 의 RR 에서 바깥쪽 방향으로 S\mathcal{S} 를 지나는 플럭스를 구하세요.

영어 원문 보기

A smooth surface S\mathcal{S} lies above the plane z=0z=0 and has as its boundary the circle x2+y2=4yx^2+y^2=4y in the plane z=0z=0. This circle also bounds a disk DD in that plane. The volume of the 3-dimensional region RR bounded by S\mathcal{S} and DD is 10 cubic units. Find the flux of F(x,y,z)=(x+x2y)ı^+(y−xy2)ȷ^+(z+2x+3y)k^\mathbf{F}(x,y,z)=(x+x^2y)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(y-xy^2)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(z+2x+3y)\hat{\mathbf{k}} through S\mathcal{S} in the direction outward from RR.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

원 x2+y2=4yx^2+y^2=4y, 즉 x2+(y−2)2=4x^2+(y-2)^2=4 는 반지름이 22 이고 중심이 (0,2)(0,2) 이다. 아랫면에서는 z=0z=0 이고 바깥쪽 법선벡터는 −k^-\hat{\mathbf{k}} 이므로 ∬DF⋅n^ dS=−∬DF⋅k^ dxdy=−∬D(2x+3y) dxdy\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =-\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{k}}\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =-\iint _D(2x+3y)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y 이다. 대칭성에 의해 원판의 무게중심 (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y) 는 (0,2)(0,2) 이다. 여기서 xˉ\bar x 와 yˉ\bar y 는 평균값

xˉ=∬Dx dxdy∬Ddxdyyˉ=∬Dy dxdy∬Ddxdy\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _D x\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y}{\iint _D \mathrm{d}x\mathrm{d}y}\qquad \bar y = \frac{\iint _D y\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y}{\iint _D \mathrm{d}x\mathrm{d}y} \end{aligned}

이며, 각각 DD 위에서 xx 와 yy 의 평균값이다. 원판 DD 의 넓이가 4π4\pi 이므로

∬Dx dxdy=4πxˉ=0∬Dy dxdy=4πyˉ=8π\iint _D x\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =4\pi\bar x =0\qquad \iint _D y\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =4\pi\bar y =8\pi

이고 ∬DF⋅n^ dS=−4π(2xˉ+3yˉ)=−4π(2×0+3×2)=−24π\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =-4\pi(2\bar x+3\bar y) =-4\pi(2\times 0+3\times 2) =-24\pi 이다. 또한

∇⋅F=∂∂x(x+x2y)+∂∂y(y−xy2)+∂∂z(z+2x+3y)=(1+2xy)+(1−2xy)+(1)=3\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} &=\frac{\partial }{\partial x}(x+x^2y) +\frac{\partial }{\partial y}(y-xy^2) +\frac{\partial }{\partial z}(z+2x+3y) =(1+2xy)+(1-2xy)+(1)\\ &=3 \end{aligned}

이므로 발산 정리에 의해

∬SF⋅n^ dS=∭R∇⋅F dV−∬DF⋅n^ dS=∭R3 dV−(−24π)=3Vol(R)+24π=3×10+24π=30+24π\begin{aligned} \iint _{\mathcal{S}}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _R{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}V -\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S\\ &=\iiint _R3\ \mathrm{d}V -(-24\pi) =3\text{Vol}(R)+24\pi =3\times10+24\pi \\ &=30+24\pi \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The circle x2+y2=4yx^2+y^2=4y, or equivalently, x2+(y−2)2=4x^2+(y-2)^2=4, has radius 22 and centre (0,2)(0,2). On the bottom surface, z=0z=0 and the outward normal is −k^-\hat{\mathbf{k}}, so that ∬DF⋅n^ dS=−∬DF⋅k^ dxdy=−∬D(2x+3y) dxdy\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =-\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{k}}\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =-\iint _D(2x+3y)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y By symmetry, the centre of mass, (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y), of the circle is (0,2)(0,2). Here xˉ\bar x and yˉ\bar y are the average values

xˉ=∬Dx dxdy∬Ddxdyyˉ=∬Dy dxdy∬Ddxdy\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _D x\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y}{\iint _D \mathrm{d}x\mathrm{d}y}\qquad \bar y = \frac{\iint _D y\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y}{\iint _D \mathrm{d}x\mathrm{d}y} \end{aligned}

of xx and yy over DD. As the disk DD has area 4π4\pi,

∬Dx dxdy=4πxˉ=0∬Dy dxdy=4πyˉ=8π\iint _D x\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =4\pi\bar x =0\qquad \iint _D y\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =4\pi\bar y =8\pi

and ∬DF⋅n^ dS=−4π(2xˉ+3yˉ)=−4π(2×0+3×2)=−24π\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =-4\pi(2\bar x+3\bar y) =-4\pi(2\times 0+3\times 2) =-24\pi As

∇⋅F=∂∂x(x+x2y)+∂∂y(y−xy2)+∂∂z(z+2x+3y)=(1+2xy)+(1−2xy)+(1)=3\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F} &=\frac{\partial }{\partial x}(x+x^2y) +\frac{\partial }{\partial y}(y-xy^2) +\frac{\partial }{\partial z}(z+2x+3y) =(1+2xy)+(1-2xy)+(1)\\ &=3 \end{aligned}

the divergence theorem gives

∬SF⋅n^ dS=∭R∇⋅F dV−∬DF⋅n^ dS=∭R3 dV−(−24π)=3Vol(R)+24π=3×10+24π=30+24π\begin{aligned} \iint _{\mathcal{S}}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iiint _R{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}V -\iint _{D}\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S\\ &=\iiint _R3\ \mathrm{d}V -(-24\pi) =3\text{Vol}(R)+24\pi =3\times10+24\pi \\ &=30+24\pi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.2절 · 45번
# 발산 정리활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)