To parametrize C, we note the vector between the two points is (2−1,4−2,5−3)=(1,2,2). So, the line is (1,2,3)+t(1,2,2) for 0≤t≤1. That is, x(t)=1+t, y(t)=2+2t, and z(t)=3+2t.
In the figure below, we construct a triangle with θ=arcsect; the hypotenuse has length t, while the side adjacent to θ has length 1. By the Pythagorean Theorem, the remaining side has length t2−1, so sinθ=sin(arcsect)=tt2−1.
Remember dtd{lnt}=t1 and dtd{arcsect}=∣t∣t2−11. In our range, 1≤t≤2, we have ∣t∣=t.
을 생각하세요. (0,0) 에서 (1,0) 을 거쳐 (1,π) 로, 마지막으로 (0,π) 로 직선 선분을 따라 움직여 얻은 방향이 있는 곡선 C 를 따라 선적분 ∫CV⋅dr 의 값을 구하세요.
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Consider the vector field
V(x,y)=(excosy+x2,x2y+3)
Evaluate the line integral ∫CV⋅dr along the
oriented curve C obtained by moving from (0,0) to (1,0) to
(1,π) and finally to (0,π) along straight line segments.
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다음에 주목한다.
(0,0) 에서 (1,0) 까지의 선분을 따라 x 는 0 에서 1 까지 증가하고, y 는 y=0 으로 고정된다.
따라서 이 선분을 r(x)=x^, 0≤x≤1 로 매개화할 수 있다.
(1,0) 에서 (1,π) 까지의 선분을 따라 y 는 0 에서 π 까지 증가하고, x 는 x=1 로 고정된다.
따라서 이 선분을 r(x)=^+y^, 0≤y≤π 로 매개화할 수 있다.
(1,π) 에서 (0,π) 까지의 선분을 따라 x 는 1 에서 0 까지 감소하고, y 는 y=π 로 고정된다.
따라서 이 선분을 x 가 1 에서 0 까지 변하는 r(x)=x^+π^ 로 매개화할 수 있다.
Along the line segment from (0,0) to (1,0), x increases
from 0 to 1, while y is held fixed at y=0.
So we may parametrize this segment by r(x)=x^, 0≤x≤1.
Along the line segment from (1,0) to (1,π), y increases
from 0 to π, while x is held fixed at x=1.
So we may parametrize this segment by r(x)=^+y^, 0≤y≤π.
Along the line segment from (1,π) to (0,π), x decreases
from 1 to 0, while y is held fixed at y=π.
So we may parametrize this segment by r(x)=x^+π^
with x running from 1 to 0.
(a) F(x,y)=xy^−x2^ 이고, y=x2 을 따라 (0,0) 에서 (1,1) 까지.
(b) F(x,y,z)=(x−z)^+(y−z)^−(x+y)k^ 이고, (0,0,0) 에서 (1,0,0) 을 거쳐 (1,1,0) 을 지나 (1,1,1) 까지 가는 꺾은선 경로를 따라.
영어 원문 보기
Evaluate ∫CF⋅dr for
(a) F(x,y)=xy^−x2^ along y=x2 from (0,0) to (1,1).
(b) F(x,y,z)=(x−z)^+(y−z)^−(x+y)k^ along the polygonal path from
(0,0,0) to (1,0,0) to (1,1,0) to (1,1,1).
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(a)
(b)
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(a)
곡선을 r(t)=t^+t2^, 0≤t≤1 로 매개화할 수 있다.
그러면 v(t)=dtdr(t)=^+2t^ 이고
F(x(t),y(t))=t3^−t2^ 이므로
On the first segment of the path y=z=0 so F simplifies
to x^−xk^ and dr=^dx (i.e. we can parametrize
the first segment of the path by r(x)=x^ with 0≤x≤1),
so F⋅dr=xdx.
On the second segment of the path x=1, z=0 so F simplifies
to ^+y^−(1+y)k^ and dr=^dy
(parametrize the second segment of the path by r(y)=^+y^ with 0≤y≤1),
so F⋅dr=ydy.
On the final segment of the path x=y=1 so F simplifies
to (1−z)^+(1−z)^−2k^ and dr=k^dz
(parametrize the third segment of the path by r(z)=^+^+zk^ with 0≤z≤1),
so F⋅dr=−2dz.
C 를 xyz=8 과 x=2y 의 교선 중에서 두 점 (2,1,4) 와 (4,2,1) 사이에 놓인 부분이라고 하자. 다음을 계산하세요.
∫CF⋅dr
여기서
F=x2^+(x−2y)^+x2yk^
영어 원문 보기
Let C be the part of the curve of intersection of xyz=8
and x=2y which lies between the points (2,1,4) and (4,2,1). Calculate
∫CF⋅dr
where
F=x2^+(x−2y)^+x2yk^
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y 를 매개변수로 하여 곡선을 매개변수로 나타낸다. 그러면 y=t, x=2y=2t, z=xy8=2t28 이므로:
Hmmm. F looks suspiciously complicated. Let's
guess that F is conservative and look for a potential for it.
ϕ(x,y,z) is a potential for this F if and only if
C 를 중심이 (1,0) 인 단위원의 위쪽 반원
(즉, 원에서 x축 위쪽에 놓인 부분)이라 하고,
시계 방향으로 향하게 하자. 선적분
∫Cxydy
의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Let C be the upper half of the unit circle centred on (1,0)
(i.e. that part of the circle which lies above the x-axis),
oriented clockwise. Compute the line integral
∫Cxydy.
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풀이 1:
주어진 반원 C 와 F=xy^ 에 대하여 선적분
∫CF⋅dr 의 값을 구하는 문제이다. ∇×F=0 이므로 벡터장 F 는
보존적이지 않다. 따라서 직접 적분한다.
먼저 그림을 이용하여
We are being asked to evaluate the line integral
∫CF⋅dr with C being the specified semi-circle and
F=xy^. As ∇×F=0, the vector field F
is not conservative. So we'll evaluate the integral directly.
First, using the figure,
We can write x in terms of y over C in two pieces:
Let C1 be the quarter-circle x=1−1−y2 as y goes from 0 to 1, and
Let C2 be the quarter-circle x=1+1−y2 as y goes from 1 to 0.
Then:
∫CxydyUsing the substitution u=1−y2, du=−2ydy:=∫C1xydy+∫c2xydy=∫01(1−1−y2)ydy+∫10(1+1−y2)ydy=∫01ydy−∫01y1−y2dy+∫10ydy+∫10y1−y2dy=−2∫01y1−y2dy=∫10u1/2du=−32
Show that the following line integral is independent of path and
evaluate the integral.
∫C(yex+siny)dx+(ex+siny+xcosy)dy
where C is any path from (1,0) to (0,π/2).
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이 선적분은 ∫CF⋅dr 이고
F=(yex+siny)^+(ex+siny+xcosy)^ 이다.
이 적분이 경로에 무관함을 보여야 한다. 이는 F 가 보존장인 것과 필요충분조건이다. 그러므로 F 의 퍼텐셜 φ 를 찾아보자. 즉, 다음을 만족하는 함수 φ 를 찾아보자.
∂x∂φ(x,y)∂y∂φ(x,y)=yex+siny=ex+siny+xcosy
이 중 첫째 식을 적분하면 다음을 얻는다.
φ(x,y)=yex+xsiny+f(y)
이것을 둘째 식에 대입하면 다음을 얻는다.
ex+xcosy+f′(y)=ex+siny+xcosy또는f′(y)=siny
이를 적분하면 다음과 같다.
f(y)=−cosy+C
따라서 F 는 실제로 보존장이며, 퍼텐셜 중 하나는
φ(x,y)=yex+xsiny−cosy 이고 선적분은 다음과 같다.
The line integral is ∫CF⋅dr with
F=(yex+siny)^+(ex+siny+xcosy)^.
We are to show that it is independent of path. That is the case if and
only if F is conservative. So let's look for a potential φ
for F. That is, let's look for a function φ that obeys
∂x∂φ(x,y)∂y∂φ(x,y)=yex+siny=ex+siny+xcosy
Integrating the first of these equations gives
φ(x,y)=yex+xsiny+f(y)
Substituting this into the second equation gives
ex+xcosy+f′(y)=ex+siny+xcosyorf′(y)=siny
which integrates to
f(y)=−cosy+C
So F is indeed conservative with one potential being
φ(x,y)=yex+xsiny−cosy and the line integral is
Evaluate the line integral ∫CF⋅dr, where F
is the conservative vector field
F(x,y,z)=(y+zex,x+eysinz,z+ex+eycosz)
and C is the curve given by the parametrization
r(t)=(t,et,sint),t from 0 to π.
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정답·풀이 보기
F 가 보존적이라고 주어져 있다. ∇φ=F 를 만족하는 퍼텐셜 φ 를 찾자. 즉,
∂x∂φ∂y∂φ∂z∂φ=y+zex=x+eysinz=z+ex+eycosz
첫째 식으로부터 φ(x,y,z)=xy+zex+ψ(y,z) 이다.
이를 둘째 식에 대입하면
x+∂y∂ψ(y,z)=x+eysinz
즉 ∂y∂ψ(y,z)=eysinz
이므로 ψ(y,z)=eysinz+ζ(z) 이다. 따라서 지금까지
φ(x,y,z)=xy+zex+eysinz+ζ(z)
를 얻었다.
이를 셋째 식에 대입하면
ex+eycosz+ζ′(z)=z+ex+eycosz 즉
ζ′(z)=z 이므로 어떤 상수 C 에 대해 ζ(z)=2z2+C 이고, 여기서 C 는 0으로 택한다. 따라서 퍼텐셜은
φ(x,y,z)=xy+zex+eysinz+2z2
이다. 그러므로 선적분은
∫CF⋅dr=φ(r(π))−φ(r(0))=φ(π,eπ,0)−φ(0,1,0)=πeπ
이다.
원본 교재 풀이(영어)
We are told that F is conservative. Let's find a potential
φ obeying ∇φ=F. That is,
∂x∂φ∂y∂φ∂z∂φ=y+zex=x+eysinz=z+ex+eycosz
The first equation forces φ(x,y,z)=xy+zex+ψ(y,z).
Substituting this into the second equation gives
x+∂y∂ψ(y,z)=x+eysinz
or ∂y∂ψ(y,z)=eysinz
which forces ψ(y,z)=eysinz+ζ(z). So far, we have
φ(x,y,z)=xy+zex+eysinz+ζ(z).
Substituting this into the third equation gives
ex+eycosz+ζ′(z)=z+ex+eycosz or
ζ′(z)=z which forces ζ(z)=2z2+C, for some constant
C, which we take to be zero. So our potential is