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.

4문제 · 1 / 1쪽

1.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)
2.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)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.2절 · 15번
# 발산 정리증명·논술기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.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.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.2절 · 17번
# 발산 정리증명·논술도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-4 · 4.2절 · 45번대학 수준우리말 번역

SS 가 바깥쪽 법선장 n^\hat{\mathbf{n}} 을 갖는 매끄러운 닫힌 곡면이면, R3\mathbb{R}^3 에서 정의된 임의의 매끄러운 함수 p(x,y,z)p(x,y,z) 에 대해 다음이 성립함을 기억하세요.

∬Spn^ ds=∭E∇p dV\iint _S p\hat{\mathbf{n}}\ \mathrm{d}s=\iiint _E \nabla p\ \mathrm{d}V

여기서 EE 는 SS 로 둘러싸인 입체입니다. 이 결과로부터, 상수 압력의 기체 속에 놓인 입체의 겉면에 작용하는 전체 힘이 0임을 보이세요. (압력은 곡면에 수직인 방향으로 작용함을 기억하세요.)

영어 원문 보기

Recall that if SS is a smooth closed surface with outer normal field n^\hat{\mathbf{n}}, then for any smooth function p(x,y,z)p(x,y,z) on R3\mathbb{R}^3, we have

∬Spn^ ds=∭E∇p dV\iint _S p\hat{\mathbf{n}}\ \mathrm{d}s=\iiint _E \nabla p\ \mathrm{d}V

where EE is the solid bounded by SS. Show that as a consequence, the total force exerted on the surface of a solid body contained in a gas of constant pressure is zero. (Recall that the pressure acts in the direction normal to the surface.)

정답·풀이 보기

압력은 곡면 안쪽으로 수직하게 작용하는, 단위 겉넓이당 힘이다. 따라서 단위 겉넓이당 힘은 −pn^-p\hat{\mathbf{n}} 이다. SS 에 작용하는 전체 힘은

−∬Spn^ dS=−∭E∇p dV-\iint _S p\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S=-\iiint _E \nabla p\ \mathrm{d}V

이다. pp 가 상수라고 가정하므로 ∇p=0\nabla p=0 이고, 따라서 전체 힘은 0이다.

원본 교재 풀이(영어)

Pressure is force per unit surface area acting normally into a surface. So the force per unit surface area is −pn^-p\hat{\mathbf{n}}. The total force acting on SS is

−∬Spn^ dS=−∭E∇p dV-\iint _S p\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S=-\iiint _E \nabla p\ \mathrm{d}V

We are assuming that pp is a constant, so that ∇p=0\nabla p=0 and the total force is zero.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.2절 · 43번
# 발산 정리증명·논술도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)