(a) Expressing the left hand side as an iterated integral,
with z as the innermost integration variable, we have
∭V∂z∂f(x,y,z)dxdydz=∫01dx∫01dy[∫01dz∂z∂f(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)]dxdy=∬Rf(x,y,1)dxdy−∬Rf(x,y,0)dxdy
(b) Define the vector field F(x,y,z)=f(x,y,z)k^. Then the divergence
of F is ∇⋅F(x,y,z)=∂z∂f(x,y,z).
The boundary of the cube V is the union of six faces
S1S2S3S4S5S6={(x,y,z)0≤x≤1,0≤y≤1,z=1}with outward normal n^=k^={(x,y,z)0≤x≤1,0≤y≤1,z=0}with outward normal n^=−k^={(x,y,z)0≤x≤1,0≤z≤1,y=1}with outward normal n^=^={(x,y,z)0≤x≤1,0≤z≤1,y=0}with outward normal n^=−^={(x,y,z)0≤y≤1,0≤z≤1,x=1}with outward normal n^=^={(x,y,z)0≤y≤1,0≤z≤1,x=0}with outward normal n^=−^
기하학적 설명은 다음 관찰에서 시작한다. 꼭짓점이 (0,0,0) 이고 밑면이 곡면의 아주 작은 조각 dS 인 원뿔의 부피는 밑면의 넓이와 원뿔의 높이를 곱한 값의 31 배이다. 원뿔의 높이는 ∣n^⋅r∣ 이고, 여기서 r 은 dS 위의 한 점이다. 따라서 원뿔의 부피는 31∣n^⋅r∣dS 이다.
먼저 (0,0,0) 이 V 안에 있고 V 가 볼록하다고 가정하자.
그러면
n^⋅r>0 이고, 부피는 31n^⋅rdS 이다.
원뿔은 V 에 포함되고,
V 는 dS 가 ∂V 전체를 움직일 때 생기는 모든 아주 작은 원뿔 조각들의 합집합이다.
따라서
Volume(V)=31∬∂Vr⋅n^dS
V 가 볼록하지 않거나 (0,0,0) 이 V 안에 있지 않은 경우로 일반화하려면,
V 를 큰 볼록 입체 하나와 하나 이상의 더 작은 볼록 입체들의 차로 나타내면 된다.
Our gemetric explanation starts with the observation that
the volume of the cone with vertex (0,0,0) and base a tiny piece of
surface dS is 31 times the area of the base times
the height of the cone. The height of the cone is ∣n^⋅r∣,
where r is a point in dS. So the volume of the cone is 31∣n^⋅r∣dS.
First assume that (0,0,0) is in V and V is convex.
Then
n^⋅r>0, and the volume is 31n^⋅rdS.
the cone is contained in V and
V is the union of all the tiny conical pieces
with dS running over ∂V.
So
Volume(V)=31∬∂Vr⋅n^dS
To generalise to the case that V is not convex or (0,0,0) is not in V,
write V as the difference between a large convex solid and one or more
smaller convex solids.
S 가 바깥쪽 법선장 n^ 을 갖는 매끄러운 닫힌 곡면이면, R3 에서 정의된 임의의 매끄러운 함수 p(x,y,z) 에 대해 다음이 성립함을 기억하세요.
∬Spn^ds=∭E∇pdV
여기서 E 는 S 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 S is a smooth closed surface with outer
normal field n^, then for any smooth function p(x,y,z) on R3,
we have
∬Spn^ds=∭E∇pdV
where E is the solid bounded by S. 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^ 이다. S 에 작용하는 전체 힘은
−∬Spn^dS=−∭E∇pdV
이다. p 가 상수라고 가정하므로 ∇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^. The total force
acting on S is
−∬Spn^dS=−∭E∇pdV
We are assuming that p is a constant, so that ∇p=0 and the
total force is zero.