문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

선적분

곡선을 따라 스칼라 함수와 벡터장을 적분한다(일·순환·플럭스)

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

14문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-4 · 1.6절 · 5번대학 수준우리말 번역

CC 가 (1,2,3)(1,2,3) 에서 (2,4,5)(2,4,5) 까지의 선분일 때, ∫C(xy+z)ds\int_C (xy+z) \mathrm{d}s 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Compute ∫C(xy+z)ds\int_C (xy+z) \mathrm{d}s where CC is the line segment from (1,2,3)(1,2,3) to (2,4,5)(2,4,5).

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정답·풀이 보기

CC 를 매개변수로 나타내기 위해, 두 점 사이의 벡터가 (2−1,4−2,5−3)=(1,2,2)(2-1,4-2,5-3)=(1,2,2) 임에 주목한다. 따라서 이 직선은 0≤t≤10 \le t \le 1 에 대해 (1,2,3)+t(1,2,2)(1,2,3)+t(1,2,2) 이다. 즉, x(t)=1+tx(t)=1+t, y(t)=2+2ty(t)=2+2t, 그리고 z(t)=3+2tz(t)=3+2t 이다.

∫C(xy+z)ds=∫01((1+t)(2+2t)+(3+2t))11+22+22dt=∫013(5+6t+2t2) dt=26\begin{aligned} \int_C(xy+z)\mathrm{d}s&=\int_0^1 \left((1+t)(2+2t)+(3+2t)\right)\sqrt{1^1+2^2+2^2}\mathrm{d}t\\ &= \int_0^1 3\big(5 + 6t + 2t^2\big)\ \mathrm{d}t=26 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

To parametrize CC, we note the vector between the two points is (2−1,4−2,5−3)=(1,2,2)(2-1,4-2,5-3)=(1,2,2). So, the line is (1,2,3)+t(1,2,2)(1,2,3)+t(1,2,2) for 0≤t≤10 \le t \le 1. That is, x(t)=1+tx(t)=1+t, y(t)=2+2ty(t)=2+2t, and z(t)=3+2tz(t)=3+2t.

∫C(xy+z)ds=∫01((1+t)(2+2t)+(3+2t))11+22+22dt=∫013(5+6t+2t2) dt=26\begin{aligned} \int_C(xy+z)\mathrm{d}s&=\int_0^1 \left((1+t)(2+2t)+(3+2t)\right)\sqrt{1^1+2^2+2^2}\mathrm{d}t\\ &= \int_0^1 3\big(5 + 6t + 2t^2\big)\ \mathrm{d}t=26 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6장 복습 · 23번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-4 · 1.6절 · 6번대학 수준우리말 번역

다음에 대해 경로적분 ∫Cf(x,y,z) ds\int_\mathcal{C} f(x,y,z)\,\mathrm{d}s 의 값을 구하세요.

(a) f(x,y,z)=xcos⁡zf(x,y,z)=x\cos z, C:r(t)=tı^+t2ȷ^\mathcal{C}:\mathbf{r}(t)=t\hat{\boldsymbol{\imath}}+t^2\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤t≤10\le t\le 1. (b) f(x,y,z)=x+yy+zf(x,y,z)=\frac{x+y}{y+z}, C:r(t)=(t,23t3/2,t)\mathcal{C}:\mathbf{r}(t)= \big(t,\frac{2}{3}t^{3/2},t\big), 1≤t≤21\le t\le 2.

영어 원문 보기

Evaluate the path integral ∫Cf(x,y,z) ds\int_\mathcal{C} f(x,y,z)\,\mathrm{d}s for

(a) f(x,y,z)=xcos⁡zf(x,y,z)=x\cos z, C:r(t)=tı^+t2ȷ^\mathcal{C}:\mathbf{r}(t)=t\hat{\boldsymbol{\imath}}+t^2\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤t≤10\le t\le 1. (b) f(x,y,z)=x+yy+zf(x,y,z)=\frac{x+y}{y+z}, C:r(t)=(t,23t3/2,t)\mathcal{C}:\mathbf{r}(t)= \big(t,\frac{2}{3}t^{3/2},t\big), 1≤t≤21\le t\le 2.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 이 경우 r(t)=tı^+t2ȷ^\mathbf{r}(t)=t\hat{\boldsymbol{\imath}}+t^2\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이므로 v(t)=drdt(t)=ı^+2tȷ^\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고 dsdt=1+4t2\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\sqrt{1+4t^2} 이다. 따라서

∫Cf(x,y,z) ds=∫01x(t)cos⁡z(t)dsdt dt=∫01t(cos⁡0)1+4t2 dt=18(1+4t2)3/23/2∣01=53/2−112\begin{aligned} \int_\mathcal{C} f(x,y,z)\,\mathrm{d}s &=\int_0^1 x(t)\cos z(t) \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\,\mathrm{d}t =\int_0^1 t(\cos 0) \sqrt{1+4t^2}\,\mathrm{d}t =\frac{1}{8}\frac{ {(1+4t^2)}^{3/2}}{3/2}\bigg|_0^1\\ &=\frac{5^{3/2}-1}{12} \end{aligned}

(b) 이 경우 r(t)=(t,23t3/2,t)\mathbf{r}(t)=\big(t,\frac{2}{3}t^{3/2},t\big) 이므로 v(t)=drdt(t)=(1,t1/2,1)\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)=\big(1,t^{1/2},1\big) 이고 dsdt=2+t\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\sqrt{2+t} 이다. 따라서

∫Cf(x,y,z) ds=∫12x(t)+y(t)y(t)+z(t) dsdt dt=∫12t+23t3/223t3/2+t2+t dt=(2+t)3/23/2∣12=8−33/23/2\begin{aligned} \int_\mathcal{C} f(x,y,z)\,\mathrm{d}s &=\int_1^2 \frac{x(t)+y(t)}{y(t)+z(t)} \, \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\,\mathrm{d}t =\int_1^2 \frac{t+{2\over 3}t^{3/2}}{{2\over3}t^{3/2}+t} \sqrt{2+t}\,\mathrm{d}t =\frac{(2+t)^{3/2}}{3/2}\bigg|_1^2 \\ &=\frac{8-3^{3/2}}{3/2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) In this case r(t)=tı^+t2ȷ^\mathbf{r}(t)=t\hat{\boldsymbol{\imath}}+t^2\hat{\boldsymbol{\jmath}}, so that v(t)=drdt(t)=ı^+2tȷ^\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\hat{\boldsymbol{\jmath}} and dsdt=1+4t2\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\sqrt{1+4t^2} . Hence

∫Cf(x,y,z) ds=∫01x(t)cos⁡z(t)dsdt dt=∫01t(cos⁡0)1+4t2 dt=18(1+4t2)3/23/2∣01=53/2−112\begin{aligned} \int_\mathcal{C} f(x,y,z)\,\mathrm{d}s &=\int_0^1 x(t)\cos z(t) \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\,\mathrm{d}t =\int_0^1 t(\cos 0) \sqrt{1+4t^2}\,\mathrm{d}t =\frac{1}{8}\frac{ {(1+4t^2)}^{3/2}}{3/2}\bigg|_0^1\\ &=\frac{5^{3/2}-1}{12} \end{aligned}

(b) In this case r(t)=(t,23t3/2,t)\mathbf{r}(t)=\big(t,\frac{2}{3}t^{3/2},t\big), so that v(t)=drdt(t)=(1,t1/2,1)\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)=\big(1,t^{1/2},1\big) and dsdt=2+t\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}=\sqrt{2+t} . Hence

∫Cf(x,y,z) ds=∫12x(t)+y(t)y(t)+z(t) dsdt dt=∫12t+23t3/223t3/2+t2+t dt=(2+t)3/23/2∣12=8−33/23/2\begin{aligned} \int_\mathcal{C} f(x,y,z)\,\mathrm{d}s &=\int_1^2 \frac{x(t)+y(t)}{y(t)+z(t)} \, \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}\,\mathrm{d}t =\int_1^2 \frac{t+{2\over 3}t^{3/2}}{{2\over3}t^{3/2}+t} \sqrt{2+t}\,\mathrm{d}t =\frac{(2+t)^{3/2}}{3/2}\bigg|_1^2 \\ &=\frac{8-3^{3/2}}{3/2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.6절 · 7번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-4 · 1.6절 · 7번대학 수준우리말 번역

∫Csin⁡x ds\int_C \sin x\,\mathrm{d}s 의 값을 구하세요. 단, CC 는 곡선 (arcsec(t),ln⁡t)(\mathop{\mathrm{arcsec}}(t), \ln t), 1≤t≤21 \le t \le \sqrt{2} 입니다.

영어 원문 보기

Evaluate ∫Csin⁡x ds\int_C \sin x\,\mathrm{d}s, where CC is the curve (arcsec(t),ln⁡t)(\mathop{\mathrm{arcsec}}(t), \ln t), 1≤t≤21 \le t \le \sqrt{2}.

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정답·풀이 보기

아래 그림과 같이 θ=arcsect\theta=\mathop{\mathrm{arcsec}} t 인 삼각형을 그린다. 빗변의 길이는 tt 이고, θ\theta 에 이웃한 변의 길이는 1 이다. 피타고라스 정리에 의해 나머지 한 변의 길이는 t2−1\sqrt{t^2-1} 이므로 sin⁡θ=sin⁡(arcsect)=t2−1t\sin\theta=\sin(\mathop{\mathrm{arcsec}} t)=\frac{\sqrt{t^2-1}}{t} 이다.

그림

ddt{ln⁡t}=1t\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\{\ln t\} = \frac{1}{t} 이고 ddt{arcsect}=1∣t∣t2−1\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\{\mathop{\mathrm{arcsec}} t\} = \frac{1}{|t|\sqrt{t^2-1}} 임을 기억하자. 우리가 다루는 범위 1≤t≤21 \le t \le \sqrt 2 에서는 ∣t∣=t|t|=t 이다.

∫Csin⁡x ds=∫12sin⁡(arcsect)(1tt2−1)2+(1t)2 dt=∫12t2−1t1t2(t2−1)+1t2 dt=∫121t dt=12ln⁡2\begin{aligned} \int_C \sin x \,\mathrm{d}s&=\int_{1}^{\sqrt 2}\sin\left(\mathop{\mathrm{arcsec}} t \right)\sqrt{\left(\frac{1}{t\sqrt{t^2-1}} \right)^2+\left(\frac1t \right)^2}\,\mathrm{d}t\\ &=\int_1^{\sqrt{2}} \frac{\sqrt{t^2-1}}{t}\sqrt{\frac{1}{t^2(t^2-1)}+\frac{1}{t^2}} \,\mathrm{d}t\\ &=\int_1^{\sqrt 2}\frac1t\,\mathrm{d}t=\frac{1}{2}\ln 2 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

In the figure below, we construct a triangle with θ=arcsect\theta=\mathop{\mathrm{arcsec}} t; the hypotenuse has length tt, while the side adjacent to θ\theta has length 1. By the Pythagorean Theorem, the remaining side has length t2−1\sqrt{t^2-1}, so sin⁡θ=sin⁡(arcsect)=t2−1t\sin\theta=\sin(\mathop{\mathrm{arcsec}} t)=\frac{\sqrt{t^2-1}}{t}.

figure

Remember ddt{ln⁡t}=1t\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\{\ln t\} = \frac{1}{t} and ddt{arcsect}=1∣t∣t2−1\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\{\mathop{\mathrm{arcsec}} t\} = \frac{1}{|t|\sqrt{t^2-1}}. In our range, 1≤t≤21 \le t \le \sqrt 2, we have ∣t∣=t|t|=t.

∫Csin⁡x ds=∫12sin⁡(arcsect)(1tt2−1)2+(1t)2 dt=∫12t2−1t1t2(t2−1)+1t2 dt=∫121t dt=12ln⁡2\begin{aligned} \int_C \sin x \,\mathrm{d}s&=\int_{1}^{\sqrt 2}\sin\left(\mathop{\mathrm{arcsec}} t \right)\sqrt{\left(\frac{1}{t\sqrt{t^2-1}} \right)^2+\left(\frac1t \right)^2}\,\mathrm{d}t\\ &=\int_1^{\sqrt{2}} \frac{\sqrt{t^2-1}}{t}\sqrt{\frac{1}{t^2(t^2-1)}+\frac{1}{t^2}} \,\mathrm{d}t\\ &=\int_1^{\sqrt 2}\frac1t\,\mathrm{d}t=\frac{1}{2}\ln 2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.6절 · 5번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-4 · 2.4절 · 9번대학 수준우리말 번역

벡터장

V(x,y)=(excos⁡y+x2,x2y+3)\mathbf{V}(x, y) = (e^x \cos y + x^2, x^2y + 3)

을 생각하세요. (0,0)(0, 0) 에서 (1,0)(1,0) 을 거쳐 (1,π)(1, \pi) 로, 마지막으로 (0,π)(0, \pi) 로 직선 선분을 따라 움직여 얻은 방향이 있는 곡선 CC 를 따라 선적분 ∫CV⋅dr\int_C\mathbf{V}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the vector field

V(x,y)=(excos⁡y+x2,x2y+3)\mathbf{V}(x, y) = (e^x \cos y + x^2, x^2y + 3)

Evaluate the line integral ∫CV⋅dr\int_C\mathbf{V}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} along the oriented curve CC obtained by moving from (0,0)(0, 0) to (1,0)(1,0) to (1,π)(1, \pi) and finally to (0,π)(0, \pi) along straight line segments.

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정답·풀이 보기

다음에 주목한다.

  • (0,0)(0, 0) 에서 (1,0)(1,0) 까지의 선분을 따라 xx 는 00 에서 11 까지 증가하고, yy 는 y=0y=0 으로 고정된다. 따라서 이 선분을 r(x)=x ı^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}, 0≤x≤10\le x\le 1 로 매개화할 수 있다.
  • (1,0)(1, 0) 에서 (1,π)(1,\pi) 까지의 선분을 따라 yy 는 00 에서 π\pi 까지 증가하고, xx 는 x=1x=1 로 고정된다. 따라서 이 선분을 r(x)=ı^+y ȷ^\mathbf{r}(x) = \hat{\boldsymbol{\imath}} + y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤y≤π0\le y\le\pi 로 매개화할 수 있다.
  • (1,π)(1, \pi) 에서 (0,π)(0,\pi) 까지의 선분을 따라 xx 는 11 에서 00 까지 감소하고, yy 는 y=πy=\pi 로 고정된다. 따라서 이 선분을 xx 가 11 에서 00 까지 변하는 r(x)=x ı^+π ȷ^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\pi\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 로 매개화할 수 있다.

그러므로

∫CV⋅dr=∫01V(x,0)⋅ı^ dx+∫0πV(1,y)⋅ȷ^ dy+∫10V(x,π)⋅ı^ dx=∫01(ex+x2) dx+∫0π(y+3) dy+∫10(−ex+x2) dx=2∫01ex dx+∫0π(y+3) dy=2(e−1)+π22+3π\begin{aligned} \int_C \mathbf{V}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{V}(x,0)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x+\int_0^\pi \mathbf{V}(1,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}\ \mathrm{d}y +\int_1^0 \mathbf{V}(x,\pi)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x\\ &=\int_0^1 (e^x+x^2)\ \mathrm{d}x +\int_0^\pi (y+3)\ \mathrm{d}y+\int_1^0 (-e^x+x^2)\ \mathrm{d}x\\ &=2\int_0^1 e^x\ \mathrm{d}x+\int_0^\pi (y+3)\ \mathrm{d}y\\ &=2(e-1)+\frac{\pi^2}{2}+3\pi \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Note that:

  • Along the line segment from (0,0)(0, 0) to (1,0)(1,0), xx increases from 00 to 11, while yy is held fixed at y=0y=0. So we may parametrize this segment by r(x)=x ı^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}, 0≤x≤10\le x\le 1.
  • Along the line segment from (1,0)(1, 0) to (1,π)(1,\pi), yy increases from 00 to π\pi, while xx is held fixed at x=1x=1. So we may parametrize this segment by r(x)=ı^+y ȷ^\mathbf{r}(x) = \hat{\boldsymbol{\imath}} + y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤y≤π0\le y\le\pi.
  • Along the line segment from (1,π)(1, \pi) to (0,π)(0,\pi), xx decreases from 11 to 00, while yy is held fixed at y=πy=\pi. So we may parametrize this segment by r(x)=x ı^+π ȷ^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\pi\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} with xx running from 11 to 00.

Hence

∫CV⋅dr=∫01V(x,0)⋅ı^ dx+∫0πV(1,y)⋅ȷ^ dy+∫10V(x,π)⋅ı^ dx=∫01(ex+x2) dx+∫0π(y+3) dy+∫10(−ex+x2) dx=2∫01ex dx+∫0π(y+3) dy=2(e−1)+π22+3π\begin{aligned} \int_C \mathbf{V}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{V}(x,0)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x+\int_0^\pi \mathbf{V}(1,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}\ \mathrm{d}y +\int_1^0 \mathbf{V}(x,\pi)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x\\ &=\int_0^1 (e^x+x^2)\ \mathrm{d}x +\int_0^\pi (y+3)\ \mathrm{d}y+\int_1^0 (-e^x+x^2)\ \mathrm{d}x\\ &=2\int_0^1 e^x\ \mathrm{d}x+\int_0^\pi (y+3)\ \mathrm{d}y\\ &=2(e-1)+\frac{\pi^2}{2}+3\pi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 8번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-4 · 2.4절 · 10번대학 수준우리말 번역

다음 각 경우에 대해 ∫CF⋅dr\int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

(a) F(x,y)=xy ı^−x2 ȷ^\mathbf{F}(x,y)=xy\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고, y=x2y=x^2 을 따라 (0,0)(0,0) 에서 (1,1)(1,1) 까지. (b) F(x,y,z)=(x−z) ı^+(y−z) ȷ^−(x+y) k^\mathbf{F}(x,y,z)=(x-z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(y-z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-(x+y)\,\hat{\mathbf{k}} 이고, (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,0,0)(1,0,0) 을 거쳐 (1,1,0)(1,1,0) 을 지나 (1,1,1)(1,1,1) 까지 가는 꺾은선 경로를 따라.

영어 원문 보기

Evaluate ∫CF⋅dr\int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} for

(a) F(x,y)=xy ı^−x2 ȷ^\mathbf{F}(x,y)=xy\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} along y=x2y=x^2 from (0,0)(0,0) to (1,1)(1,1). (b) F(x,y,z)=(x−z) ı^+(y−z) ȷ^−(x+y) k^\mathbf{F}(x,y,z)=(x-z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(y-z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-(x+y)\,\hat{\mathbf{k}} along the polygonal path from (0,0,0)(0,0,0) to (1,0,0)(1,0,0) to (1,1,0)(1,1,0) to (1,1,1)(1,1,1).

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 곡선을 r(t)=t ı^+t2 ȷ^\mathbf{r}(t)=t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤t≤10\le t\le 1 로 매개화할 수 있다. 그러면 v(t)=drdt(t)=ı^+2t ȷ^\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고 F(x(t),y(t))=t3 ı^−t2 ȷ^\mathbf{F}\big(x(t),y(t)\big)=t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이므로

∫CF⋅dr=∫01F(x(t),y(t))⋅drdt(t) dt=∫01[t3 ı^−t2 ȷ^]⋅[ı^+2t ȷ^] dt=∫01[−t3] dt=−14\begin{aligned} \int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{F}\big(x(t),y(t)\big)\cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)\ \mathrm{d}t =\int_0^1\big[t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big] \cdot\big[\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big]\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big[-t^3\big]\,\mathrm{d}t \\ &=-\frac{1}{4} \end{aligned}

(b) 경로는 세 선분의 합이다.

  • 경로의 첫 번째 선분에서는 y=z=0y=z=0 이므로 F\mathbf{F} 는 x ı^−x k^x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x\,\hat{\mathbf{k}} 로 간단해지고 dr=ı^ dx\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x 이다 (즉, 경로의 첫 번째 선분을 r(x)=x ı^\mathbf{r}(x)=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}, 0≤x≤10\le x\le 1 로 매개화할 수 있다). 따라서 F⋅dr=x dx\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=x\,\mathrm{d}x 이다.
  • 경로의 두 번째 선분에서는 x=1x=1, z=0z=0 이므로 F\mathbf{F} 는 ı^+yȷ^−(1+y)k^\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\hat{\boldsymbol{\jmath}}-(1+y)\hat{\mathbf{k}} 로 간단해지고 dr=ȷ^ dy\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\boldsymbol{\jmath}}\, \mathrm{d}y 이다 (경로의 두 번째 선분을 r(y)=ı^+y ȷ^ \mathbf{r}(y)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤y≤10\le y\le 1 로 매개화한다). 따라서 F⋅dr=y dy\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=y\,\mathrm{d}y 이다.
  • 경로의 마지막 선분에서는 x=y=1x=y=1 이므로 F\mathbf{F} 는 (1−z)ı^+(1−z)ȷ^−2k^(1-z)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(1-z)\hat{\boldsymbol{\jmath}}-2\hat{\mathbf{k}} 로 간단해지고 dr=k^ dz\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\mathbf{k}}\, \mathrm{d}z 이다 (경로의 세 번째 선분을 r(z)=ı^+ȷ^+z k^ \mathbf{r}(z)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}}, 0≤z≤10\le z\le 1 로 매개화한다). 따라서 F⋅dr=−2 dz\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=-2\,\mathrm{d}z 이다.

그러므로

∫CF⋅dr=∫01x dx+∫01y dy+∫01(−2) dz=12+12−2=−1\int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=\int_0^1 x\,\mathrm{d}x +\int_0^1 y\,\mathrm{d}y+\int_0^1(-2)\,\mathrm{d}z =\frac{1}{2}+\frac{1}{2}-2 =-1

원본 교재 풀이(영어)

(a) We may parametrize the curve by r(t)=t ı^+t2 ȷ^\mathbf{r}(t)=t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} with 0≤t≤10\le t\le 1. Then v(t)=drdt(t)=ı^+2t ȷ^\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} and F(x(t),y(t))=t3 ı^−t2 ȷ^\mathbf{F}\big(x(t),y(t)\big)=t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} so

∫CF⋅dr=∫01F(x(t),y(t))⋅drdt(t) dt=∫01[t3 ı^−t2 ȷ^]⋅[ı^+2t ȷ^] dt=∫01[−t3] dt=−14\begin{aligned} \int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{F}\big(x(t),y(t)\big)\cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)\ \mathrm{d}t =\int_0^1\big[t^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-t^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big] \cdot\big[\hat{\boldsymbol{\imath}}+2t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big]\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big[-t^3\big]\,\mathrm{d}t \\ &=-\frac{1}{4} \end{aligned}

(b) The path is the union of three line segments.

  • On the first segment of the path y=z=0y=z=0 so F\mathbf{F} simplifies to x ı^−x k^x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-x\,\hat{\mathbf{k}} and dr=ı^ dx\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\boldsymbol{\imath}}\ \mathrm{d}x (i.e. we can parametrize the first segment of the path by r(x)=x ı^\mathbf{r}(x)=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} with 0≤x≤10\le x\le 1), so F⋅dr=x dx\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=x\,\mathrm{d}x.
  • On the second segment of the path x=1x=1, z=0z=0 so F\mathbf{F} simplifies to ı^+yȷ^−(1+y)k^\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\hat{\boldsymbol{\jmath}}-(1+y)\hat{\mathbf{k}} and dr=ȷ^ dy\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\boldsymbol{\jmath}}\, \mathrm{d}y (parametrize the second segment of the path by r(y)=ı^+y ȷ^ \mathbf{r}(y)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} with 0≤y≤10\le y\le 1), so F⋅dr=y dy\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=y\,\mathrm{d}y.
  • On the final segment of the path x=y=1x=y=1 so F\mathbf{F} simplifies to (1−z)ı^+(1−z)ȷ^−2k^(1-z)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(1-z)\hat{\boldsymbol{\jmath}}-2\hat{\mathbf{k}} and dr=k^ dz\mathrm{d}\mathbf{r}=\hat{\mathbf{k}}\, \mathrm{d}z (parametrize the third segment of the path by r(z)=ı^+ȷ^+z k^ \mathbf{r}(z)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}} with 0≤z≤10\le z\le 1), so F⋅dr=−2 dz\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=-2\,\mathrm{d}z.

So

∫CF⋅dr=∫01x dx+∫01y dy+∫01(−2) dz=12+12−2=−1\int_\mathcal{C}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=\int_0^1 x\,\mathrm{d}x +\int_0^1 y\,\mathrm{d}y+\int_0^1(-2)\,\mathrm{d}z =\frac{1}{2}+\frac{1}{2}-2 =-1

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 11번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.CLP-4 · 2.4절 · 11번대학 수준우리말 번역

C\mathcal{C} 를 xyz=8xyz=8 과 x=2yx=2y 의 교선 중에서 두 점 (2,1,4)(2,1,4) 와 (4,2,1)(4,2,1) 사이에 놓인 부분이라고 하자. 다음을 계산하세요. ∫CF⋅dr\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 여기서 F=x2 ı^+(x−2y) ȷ^+x2y k^\mathbf{F} = x^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x-2y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+x^2 y\,\hat{\mathbf{k}}

영어 원문 보기

Let C\mathcal{C} be the part of the curve of intersection of xyz=8xyz=8 and x=2yx=2y which lies between the points (2,1,4)(2,1,4) and (4,2,1)(4,2,1). Calculate ∫CF⋅dr\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} where F=x2 ı^+(x−2y) ȷ^+x2y k^\mathbf{F} = x^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+(x-2y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+x^2 y\,\hat{\mathbf{k}}

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

yy 를 매개변수로 하여 곡선을 매개변수로 나타낸다. 그러면 y=ty=t, x=2y=2tx=2y=2t, z=8xy=82t2z=\frac{8}{xy}=\frac{8}{2t^2} 이므로:

r(t)=2t ı^+t ȷ^+4t2 k^,1≤t≤2r′(t)=2 ı^+ȷ^−8t3 k^F(r(t))=4t2 ı^+4t3 k^F(r(t))⋅r′(t)=8t2−32\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{4}{t^2}\,\hat{\mathbf{k}},\qquad 1\le t\le 2\\ \mathbf{r}'(t)&=2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\frac{8}{t^3}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}(\mathbf{r}(t))&= 4t^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+4t^3\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}(\mathbf{r}(t))\cdot \mathbf{r}'(t)&=8t^2-32 \end{aligned}

따라서 ∫CF⋅dr=∫12F(r(t))⋅r′(t) dt=∫12(8t2−32) dt=[83t3−32t]12=−403\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\int_1^2 \mathbf{F}(\mathbf{r}(t))\cdot \mathbf{r}'(t)\ \mathrm{d}t =\int_1^2 \big(8t^2-32\big)\ \mathrm{d}t = \left[\frac{8}{3}t^3-32t\right]_1^2 =-\frac{40}{3}

원본 교재 풀이(영어)

Parametrize the curve using yy as a parameter. Then y=ty=t, x=2y=2tx=2y=2t and z=8xy=82t2z=\frac{8}{xy}=\frac{8}{2t^2} so that:

r(t)=2t ı^+t ȷ^+4t2 k^,1≤t≤2r′(t)=2 ı^+ȷ^−8t3 k^F(r(t))=4t2 ı^+4t3 k^F(r(t))⋅r′(t)=8t2−32\begin{aligned} \mathbf{r}(t)&=2t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\frac{4}{t^2}\,\hat{\mathbf{k}},\qquad 1\le t\le 2\\ \mathbf{r}'(t)&=2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\frac{8}{t^3}\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}(\mathbf{r}(t))&= 4t^2\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+4t^3\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}(\mathbf{r}(t))\cdot \mathbf{r}'(t)&=8t^2-32 \end{aligned}

Then ∫CF⋅dr=∫12F(r(t))⋅r′(t) dt=∫12(8t2−32) dt=[83t3−32t]12=−403\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\int_1^2 \mathbf{F}(\mathbf{r}(t))\cdot \mathbf{r}'(t)\ \mathrm{d}t =\int_1^2 \big(8t^2-32\big)\ \mathrm{d}t = \left[\frac{8}{3}t^3-32t\right]_1^2 =-\frac{40}{3}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 13번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.CLP-4 · 2.4절 · 13번대학 수준우리말 번역

힘의 장 F(x,y,z)=(x−y2 , y−z2 , z−x2)\mathbf{F}(x,y,z) = (x - y^2\,,\, y - z^2\,,\, z - x^2) 이 점 (0,0,1)(0, 0, 1) 에서 (2,1,0)(2, 1, 0) 까지의 선분을 따라 움직이는 입자에 한 일을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the work done by the force field F(x,y,z)=(x−y2 , y−z2 , z−x2)\mathbf{F}(x,y,z) = (x - y^2\,,\, y - z^2\,,\, z - x^2) on a particle that moves along the line segment from (0,0,1)(0, 0, 1) to (2,1,0)(2, 1, 0).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

선분을 다음과 같이 매개변수로 나타낸다.

r(t)=(0,0,1)+t{(2,1,0)−(0,0,1)}=(2t,t,1−t)0≤t≤1\mathbf{r}(t) = (0,0,1) + t\big\{(2,1,0)-(0,0,1)\big\} = \big(2t,t,1-t\big)\qquad 0\le t\le 1

그러면 r(0)=(0,0,1)\mathbf{r}(0) = (0,0,1) 은 선분의 시작점이고 r(1)=(2,1,0)\mathbf{r}(1) = (2,1,0) 은 선분의 끝점이다. 이때

r′(t)=(2,1,−1)\mathbf{r}'(t) = (2,1,-1)\qquad

이고, 일은

∫F⋅dr=∫01F(r(t))⋅r′(t) dt=∫01(2t−t2 , t−(1−t)2 , (1−t)−4t2)⋅(2,1,−1) dt=∫01(4t−2t2 + t−1+2t−t2 − 1+t+4t2) dt=∫01(t2+8t−2) dt=13+4−2=73\begin{aligned} \int\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\cdot \mathbf{r}'(t)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big(2t-t^2\,,\, t-(1-t)^2 \,,\,(1-t)-4t^2\big)\cdot(2,1,-1)\,\mathrm{d}t \\ &=\int_0^1\big(4t-2t^2 \ +\ t-1+2t-t^2 \ -\ 1+t+4t^2\big)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big(t^2+8t-2\big)\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{3}+4-2 =\frac{7}{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Parametrize the line segment by

r(t)=(0,0,1)+t{(2,1,0)−(0,0,1)}=(2t,t,1−t)0≤t≤1\mathbf{r}(t) = (0,0,1) + t\big\{(2,1,0)-(0,0,1)\big\} = \big(2t,t,1-t\big)\qquad 0\le t\le 1

so that r(0)=(0,0,1)\mathbf{r}(0) = (0,0,1) is the initial point of the line segment and r(1)=(2,1,0)\mathbf{r}(1) = (2,1,0) is the final point of the segment. Then

r′(t)=(2,1,−1)\mathbf{r}'(t) = (2,1,-1)\qquad

and the work is

∫F⋅dr=∫01F(r(t))⋅r′(t) dt=∫01(2t−t2 , t−(1−t)2 , (1−t)−4t2)⋅(2,1,−1) dt=∫01(4t−2t2 + t−1+2t−t2 − 1+t+4t2) dt=∫01(t2+8t−2) dt=13+4−2=73\begin{aligned} \int\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(t)\big)\cdot \mathbf{r}'(t)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big(2t-t^2\,,\, t-(1-t)^2 \,,\,(1-t)-4t^2\big)\cdot(2,1,-1)\,\mathrm{d}t \\ &=\int_0^1\big(4t-2t^2 \ +\ t-1+2t-t^2 \ -\ 1+t+4t^2\big)\,\mathrm{d}t =\int_0^1\big(t^2+8t-2\big)\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{3}+4-2 =\frac{7}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 14번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.CLP-4 · 2.4절 · 14번대학 수준우리말 번역

 F=xx2+y2 ı^+yx2+y2 ȷ^+x3 k^\ \mathbf{F}= \frac{x}{x^2+y^2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{y}{x^2+y^2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+x^3\,\hat{\mathbf{k}} 라 하자. PP 는 (1,0,0)(1,0,0) 에서 출발하여 (12,12,12ln⁡2)\big(\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{2}\ln 2\big) 에서 끝나고 다음 곡선을 따르는 경로라 하자.

x2+y2=1xez=1x^2+y^2=1\qquad xe^z=1

장 F\mathbf{F} 안에서 입자를 PP 를 따라 움직일 때 한 일을 구하세요.

영어 원문 보기

Let  F=xx2+y2 ı^+yx2+y2 ȷ^+x3 k^\ \mathbf{F}= \frac{x}{x^2+y^2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{y}{x^2+y^2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+x^3\,\hat{\mathbf{k}}. Let PP be the path which starts at (1,0,0)(1,0,0), ends at (12,12,12ln⁡2)\big(\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{2}\ln 2\big) and follows

x2+y2=1xez=1x^2+y^2=1\qquad xe^z=1

Find the work done in moving a particle along PP in the field F\mathbf{F}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

PP 위에서 z=ln⁡1x=−ln⁡(x)z=\ln\frac{1}{x}=-\ln(x) 이다. 따라서 곡선 PP 를 다음과 같이 매개변수로 나타낸다.

r(θ)=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^−ln⁡(cos⁡θ) k^0≤θ≤π4\mathbf{r}(\theta)=\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\ln(\cos\theta)\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le\theta\le\frac{\pi}{4}

그러면

r ′(θ)=−sin⁡θ ı^+cos⁡θ ȷ^+tan⁡θ k^F(r(θ))=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^+cos⁡3θ k^F(r(θ))⋅r ′(θ)=sin⁡θcos⁡2θ\begin{aligned} \mathbf{r}\,'(\theta)&=-\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\tan\theta\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)&=\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\cos^3\theta\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)\cdot\mathbf{r}\,'(\theta)&=\sin\theta\cos^2\theta\\ \end{aligned}

이므로

일=∫PF⋅dr=∫0π/4F(r(θ))⋅r ′(θ) dθ=∫0π/4sin⁡θcos⁡2θ dθ=−13cos⁡3θ∣0π/4=13[1−123/2]≈0.2155\begin{aligned} \text{일} &=\int_P\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\int_0^{\pi/4}\mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)\cdot\mathbf{r}\,'(\theta)\ \mathrm{d}\theta =\int_0^{\pi/4}\sin\theta\cos^2\theta\ \mathrm{d}\theta =-\frac{1}{3}\cos^3\theta\Big|_0^{\pi/4} \\ &=\frac{1}{3}\big[1-\frac{1}{2^{3/2}}\big]\approx 0.2155 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

On PP, z=ln⁡1x=−ln⁡(x)z=\ln\frac{1}{x}=-\ln(x). So parametrize the curve PP by

r(θ)=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^−ln⁡(cos⁡θ) k^0≤θ≤π4\mathbf{r}(\theta)=\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\ln(\cos\theta)\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le\theta\le\frac{\pi}{4}

Then

r ′(θ)=−sin⁡θ ı^+cos⁡θ ȷ^+tan⁡θ k^F(r(θ))=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^+cos⁡3θ k^F(r(θ))⋅r ′(θ)=sin⁡θcos⁡2θ\begin{aligned} \mathbf{r}\,'(\theta)&=-\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\tan\theta\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)&=\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\cos^3\theta\,\hat{\mathbf{k}}\\ \mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)\cdot\mathbf{r}\,'(\theta)&=\sin\theta\cos^2\theta\\ \end{aligned}

so that

Work=∫PF⋅dr=∫0π/4F(r(θ))⋅r ′(θ) dθ=∫0π/4sin⁡θcos⁡2θ dθ=−13cos⁡3θ∣0π/4=13[1−123/2]≈0.2155\begin{aligned} \text{Work} &=\int_P\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\int_0^{\pi/4}\mathbf{F}\big(\mathbf{r}(\theta)\big)\cdot\mathbf{r}\,'(\theta)\ \mathrm{d}\theta =\int_0^{\pi/4}\sin\theta\cos^2\theta\ \mathrm{d}\theta =-\frac{1}{3}\cos^3\theta\Big|_0^{\pi/4} \\ &=\frac{1}{3}\big[1-\frac{1}{2^{3/2}}\big]\approx 0.2155 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 15번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.CLP-4 · 2.4절 · 15번대학 수준우리말 번역

F=(yzcos⁡x , zsin⁡x+2yz , ysin⁡x+y2−sin⁡z)\mathbf{F} = \big(yz\cos x\,,\,z\sin x+2yz\,,\,y\sin x+y^2-\sin z\big) 라 하고, CC 를 0≤t≤π/20\le t\le\pi/2 에서 선분 r(t)=(t,t,t)\mathbf{r}(t) = (t,t,t) 라 하자. ∫CF⋅dr\displaystyle\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let F=(yzcos⁡x , zsin⁡x+2yz , ysin⁡x+y2−sin⁡z)\mathbf{F} = \big(yz\cos x\,,\,z\sin x+2yz\,,\,y\sin x+y^2-\sin z\big) and let CC be the line segment r(t)=(t,t,t)\mathbf{r}(t) = (t,t,t), for 0≤t≤π/20\le t\le\pi/2. Evaluate ∫CF⋅dr\displaystyle\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

흠. F\mathbf{F} 가 수상할 만큼 복잡해 보인다. F\mathbf{F} 가 보존적이라고 추측하고 그 퍼텐셜 함수를 찾아보자. ϕ(x,y,z)\phi(x,y,z) 가 이 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜 함수일 필요충분조건은 다음과 같다.

∂φ∂x(x,y,z)=yzcos⁡x∂φ∂y(x,y,z)=zsin⁡x+2yz∂φ∂z(x,y,z)=ysin⁡x+y2−sin⁡z\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z) &= yz\cos x \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z) &= z\sin x+2yz \\ \frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z) &= y\sin x+y^2-\sin z \end{aligned}

이 식들 중 첫 번째 식을 적분하면

φ(x,y,z)=yzsin⁡x+f(y,z)\varphi(x,y,z) = yz\sin x + f(y,z)

이다. 이를 두 번째 식에 대입하면

zsin⁡x+∂f∂y(y,z)=zsin⁡x+2yz또는∂f∂y(y,z)=2yzz\sin x + \frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = z\sin x+2yz\qquad\text{또는}\quad \frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = 2yz

이고, 이를 적분하면

f(y,z)=y2z+g(z)f(y,z) = y^2z + g(z)

이다. 마지막으로 φ(x,y,z)=yzsin⁡x+y2z+g(z)\varphi(x,y,z) = yz\sin x+y^2z + g(z) 를 마지막 식에 대입하면

ysin⁡x+y2+g′(z)=ysin⁡x+y2−sin⁡z또는g′(z)=−sin⁡zy\sin x+y^2 + g'(z) = y\sin x+y^2-\sin z\qquad\text{또는}\quad g'(z) = -\sin z

이고, 이를 적분하면

g(z)=cos⁡z+Cg(z) = \cos z + C

이다. 여기서 CC 는 임의의 상수이다. 따라서 ϕ(x,y,z)=yzsin⁡x+y2z+cos⁡z\phi(x,y,z)=yz\sin x+y^2z+\cos z 는 가능한 스칼라 퍼텐셜 중 하나이고, 구하는 적분은

∫CF⋅dr=φ(r)∣r(0)r(π/2)=φ(π/2 , π/2 , π/2)−φ(0,0,0)=π38+π24−1\begin{aligned} \int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = \varphi(\mathbf{r})\Big|_{\mathbf{r}(0)}^{\mathbf{r}(\pi/2)} = \varphi(\pi/2\,,\,\pi/2\,,\,\pi/2) -\varphi (0,0,0) = \frac{\pi^3}{8}+\frac{\pi^2}{4}-1 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Hmmm. F\mathbf{F} looks suspiciously complicated. Let's guess that F\mathbf{F} is conservative and look for a potential for it. ϕ(x,y,z)\phi(x,y,z) is a potential for this F\mathbf{F} if and only if

∂φ∂x(x,y,z)=yzcos⁡x∂φ∂y(x,y,z)=zsin⁡x+2yz∂φ∂z(x,y,z)=ysin⁡x+y2−sin⁡z\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y,z) &= yz\cos x \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y,z) &= z\sin x+2yz \\ \frac{\partial \varphi}{\partial z}(x,y,z) &= y\sin x+y^2-\sin z \end{aligned}

Integrating the first of these equations gives

φ(x,y,z)=yzsin⁡x+f(y,z)\varphi(x,y,z) = yz\sin x + f(y,z)

Substituting this into the second equation gives

zsin⁡x+∂f∂y(y,z)=zsin⁡x+2yzor∂f∂y(y,z)=2yzz\sin x + \frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = z\sin x+2yz\qquad\text{or}\quad \frac{\partial f}{\partial y}(y,z) = 2yz

which integrates to

f(y,z)=y2z+g(z)f(y,z) = y^2z + g(z)

Finally, substituting φ(x,y,z)=yzsin⁡x+y2z+g(z)\varphi(x,y,z) = yz\sin x+y^2z + g(z) into the last equation gives

ysin⁡x+y2+g′(z)=ysin⁡x+y2−sin⁡zorg′(z)=−sin⁡zy\sin x+y^2 + g'(z) = y\sin x+y^2-\sin z\qquad\text{or}\quad g'(z) = -\sin z

which integrates to

g(z)=cos⁡z+Cg(z) = \cos z + C

with CC being an arbitrary constant. So ϕ(x,y,z)=yzsin⁡x+y2z+cos⁡z\phi(x,y,z)=yz\sin x+y^2z+\cos z is one allowed scalar potential and the specified integral is

∫CF⋅dr=φ(r)∣r(0)r(π/2)=φ(π/2 , π/2 , π/2)−φ(0,0,0)=π38+π24−1\begin{aligned} \int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = \varphi(\mathbf{r})\Big|_{\mathbf{r}(0)}^{\mathbf{r}(\pi/2)} = \varphi(\pi/2\,,\,\pi/2\,,\,\pi/2) -\varphi (0,0,0) = \frac{\pi^3}{8}+\frac{\pi^2}{4}-1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 16번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.CLP-4 · 2.4절 · 16번대학 수준우리말 번역

CC 를 중심이 (1,0)(1, 0) 인 단위원의 위쪽 반원 (즉, 원에서 xx축 위쪽에 놓인 부분)이라 하고, 시계 방향으로 향하게 하자. 선적분 ∫Cxy dy\int_C xy\,\mathrm{d}y 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the upper half of the unit circle centred on (1,0)(1, 0) (i.e. that part of the circle which lies above the xx-axis), oriented clockwise. Compute the line integral ∫Cxy dy\int_C xy\,\mathrm{d}y.

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풀이 1:

주어진 반원 CC 와 F=xy ȷ^\mathbf{F}=xy\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 에 대하여 선적분 ∫CF⋅dr\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하는 문제이다. ∇×F≠0{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\ne\mathbf{0} 이므로 벡터장 F\mathbf{F} 는 보존적이지 않다. 따라서 직접 적분한다. 먼저 그림을 이용하여

그림

CC 를 다음과 같이 매개화한다.

r(θ)=(x(θ) , y(θ))=(1−cos⁡θ) ı^+sin⁡θ ȷ^0≤θ≤π\mathbf{r}(\theta) = \big(x(\theta)\,,\,y(\theta)\big) =(1-\cos\theta)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\qquad 0\le\theta\le\pi

그러면 적분은 다음과 같다.

∫Cxy dy=∫0πx(θ) y(θ) y′(θ) dθ=∫0π(1−cos⁡θ) sin⁡θ cos⁡θ dθ\begin{aligned} \int_C xy\,\mathrm{d}y =\int_0^\pi x(\theta)\,y(\theta)\, y'(\theta)\ \mathrm{d}\theta =\int_0^\pi (1-\cos\theta)\,\sin\theta\,\cos\theta \ \mathrm{d}\theta \end{aligned}

u=cos⁡θu=\cos\theta, du=−sin⁡θ dθ\mathrm{d}u =-\sin\theta\,\mathrm{d}\theta, u(0)=1u(0)=1, u(π)=−1u(\pi)=-1 로 치환하면

∫Cxy dy=∫1−1(1−u) u (−du)=∫−11(u−u2) du=−2∫01u2 du=−2133=−23\begin{aligned} \int_C xy\,\mathrm{d}y =\int_1^{-1} (1-u)\, u\, (-\mathrm{d}u) =\int_{-1}^1 (u-u^2)\,\mathrm{d}u =-2 \int_0^1 u^2\,\mathrm{d}u =-2 \frac{1^3}{3}=-\frac{2}{3} \end{aligned}

풀이 2:

CC 위에서 xx 를 yy 에 대한 식으로 두 부분으로 나누어 나타낼 수 있다.

  • C1C_1 을 yy 가 0에서 1까지 변할 때의 사분원 x=1−1−y2x=1-\sqrt{1-y^2} 이라 하고,
  • C2C_2 를 yy 가 1에서 0까지 변할 때의 사분원 x=1+1−y2x=1+\sqrt{1-y^2} 이라 하자.

그러면 다음과 같다.

∫Cxydy=∫C1xydy+∫c2xydy=∫01(1−1−y2)y dy+∫10(1+1−y2)y dy=∫01y dy−∫01y1−y2 dy+∫10y dy+∫10y1−y2 dy=−2∫01y1−y2 dy치환 u=1−y2, du=−2y dy 를 이용하면:=∫10u1/2du=−23\begin{aligned} \int_C xy\mathrm{d}y &=\int_{C_1} xy\mathrm{d}y+\int_{c_2}xy\mathrm{d}y\\ &=\int_0^1\left(1-\sqrt{1-y^2}\right)y\,\mathrm{d}y+\int_1^0\left(1+\sqrt{1-y^2}\right)y\,\mathrm{d}y\\ &=\int_0^1 y\,\mathrm{d}y-\int_0^1y\sqrt{1-y^2}\,\mathrm{d}y+\int_1^0y\,\mathrm{d}y+\int_1^0 y\sqrt{1-y^2}\,\mathrm{d}y\\ &=-2\int_0^1 y\sqrt{1-y^2}\,\mathrm{d}y \\ \text{치환 $u=1-y^2$, $\mathrm{d}u=-2y\,\mathrm{d}y$ 를 이용하면:} \\ &=\int_1^0u^{1/2}\mathrm{d}u=-\frac23 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Solution 1:

We are being asked to evaluate the line integral ∫CF⋅dr\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} with CC being the specified semi-circle and F=xy ȷ^\mathbf{F}=xy\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}. As ∇×F≠0{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\ne\mathbf{0}, the vector field F\mathbf{F} is not conservative. So we'll evaluate the integral directly. First, using the figure,

figure

we parametrize CC by

r(θ)=(x(θ) , y(θ))=(1−cos⁡θ) ı^+sin⁡θ ȷ^0≤θ≤π\mathbf{r}(\theta) = \big(x(\theta)\,,\,y(\theta)\big) =(1-\cos\theta)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\qquad 0\le\theta\le\pi

So the integral is

∫Cxy dy=∫0πx(θ) y(θ) y′(θ) dθ=∫0π(1−cos⁡θ) sin⁡θ cos⁡θ dθ\begin{aligned} \int_C xy\,\mathrm{d}y =\int_0^\pi x(\theta)\,y(\theta)\, y'(\theta)\ \mathrm{d}\theta =\int_0^\pi (1-\cos\theta)\,\sin\theta\,\cos\theta \ \mathrm{d}\theta \end{aligned}

Making the substitution u=cos⁡θu=\cos\theta, du=−sin⁡θ dθ\mathrm{d}u =-\sin\theta\,\mathrm{d}\theta, u(0)=1u(0)=1, u(π)=−1u(\pi)=-1,

∫Cxy dy=∫1−1(1−u) u (−du)=∫−11(u−u2) du=−2∫01u2 du=−2133=−23\begin{aligned} \int_C xy\,\mathrm{d}y =\int_1^{-1} (1-u)\, u\, (-\mathrm{d}u) =\int_{-1}^1 (u-u^2)\,\mathrm{d}u =-2 \int_0^1 u^2\,\mathrm{d}u =-2 \frac{1^3}{3}=-\frac{2}{3} \end{aligned}

Solution 2:

We can write xx in terms of yy over CC in two pieces:

  • Let C1C_1 be the quarter-circle x=1−1−y2x=1-\sqrt{1-y^2} as yy goes from 0 to 1, and
  • Let C2C_2 be the quarter-circle x=1+1−y2x=1+\sqrt{1-y^2} as yy goes from 1 to 0.

Then:

∫Cxydy=∫C1xydy+∫c2xydy=∫01(1−1−y2)y dy+∫10(1+1−y2)y dy=∫01y dy−∫01y1−y2 dy+∫10y dy+∫10y1−y2 dy=−2∫01y1−y2 dyUsing the substitution u=1−y2, du=−2y dy:=∫10u1/2du=−23\begin{aligned} \int_C xy\mathrm{d}y &=\int_{C_1} xy\mathrm{d}y+\int_{c_2}xy\mathrm{d}y\\ &=\int_0^1\left(1-\sqrt{1-y^2}\right)y\,\mathrm{d}y+\int_1^0\left(1+\sqrt{1-y^2}\right)y\,\mathrm{d}y\\ &=\int_0^1 y\,\mathrm{d}y-\int_0^1y\sqrt{1-y^2}\,\mathrm{d}y+\int_1^0y\,\mathrm{d}y+\int_1^0 y\sqrt{1-y^2}\,\mathrm{d}y\\ &=-2\int_0^1 y\sqrt{1-y^2}\,\mathrm{d}y \\ \text{Using the substitution $u=1-y^2$, $\mathrm{d}u=-2y\,\mathrm{d}y$:} \\ &=\int_1^0u^{1/2}\mathrm{d}u=-\frac23 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 17번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
11.CLP-4 · 2.4절 · 17번대학 수준우리말 번역

다음 선적분이 경로에 무관함을 보이고, 그 적분의 값을 구하세요.

∫C(yex+sin⁡y) dx+(ex+sin⁡y+xcos⁡y) dy\begin{aligned} \int_C (ye^x + \sin y)\,\mathrm{d}x + (e^x + \sin y + x \cos y)\,\mathrm{d}y \end{aligned}

여기서 CC 는 (1,0)(1, 0) 에서 (0,π/2)(0, \pi/2) 까지의 임의의 경로이다.

영어 원문 보기

Show that the following line integral is independent of path and evaluate the integral.

∫C(yex+sin⁡y) dx+(ex+sin⁡y+xcos⁡y) dy\begin{aligned} \int_C (ye^x + \sin y)\,\mathrm{d}x + (e^x + \sin y + x \cos y)\,\mathrm{d}y \end{aligned}

where CC is any path from (1,0)(1, 0) to (0,π/2)(0, \pi/2).

정답·풀이 보기

이 선적분은 ∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} 이고 F=(yex+sin⁡y) ı^+(ex+sin⁡y+xcos⁡y) ȷ^\mathbf{F} = (ye^x + \sin y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (e^x + \sin y + x \cos y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이다. 이 적분이 경로에 무관함을 보여야 한다. 이는 F\mathbf{F} 가 보존장인 것과 필요충분조건이다. 그러므로 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜 φ\varphi 를 찾아보자. 즉, 다음을 만족하는 함수 φ\varphi 를 찾아보자.

∂φ∂x(x,y)=yex+sin⁡y∂φ∂y(x,y)=ex+sin⁡y+xcos⁡y\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y) &= ye^x + \sin y \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y) &= e^x + \sin y + x \cos y \end{aligned}

이 중 첫째 식을 적분하면 다음을 얻는다.

φ(x,y)=yex+xsin⁡y+f(y)\varphi(x,y) = ye^x + x\sin y + f(y)

이것을 둘째 식에 대입하면 다음을 얻는다.

ex+xcos⁡y+f′(y)=ex+sin⁡y+xcos⁡y또는f′(y)=sin⁡ye^x + x\cos y + f'(y) = e^x + \sin y + x \cos y\qquad\text{또는}\quad f'(y) = \sin y

이를 적분하면 다음과 같다.

f(y)=−cos⁡y+Cf(y) = -\cos y + C

따라서 F\mathbf{F} 는 실제로 보존장이며, 퍼텐셜 중 하나는 φ(x,y)=yex+xsin⁡y−cos⁡y\varphi(x,y) = ye^x + x\sin y -\cos y 이고 선적분은 다음과 같다.

∫C(yex+sin⁡y) dx+(ex+sin⁡y+xcos⁡y) dy=∫CF⋅dr=φ(x,y)∣(1,0)(0,π/2)=[yex+xsin⁡y−cos⁡y](1,0)(0,π/2)=1+π2\begin{aligned} \int_C (ye^x + \sin y)\,\mathrm{d}x + (e^x + \sin y + x \cos y)\,\mathrm{d}y &=\int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =\varphi(x,y)\Big|^{(0,\pi/2)}_{(1,0)} \\ &=\Big[ye^x + x\sin y -\cos y\Big]^{(0,\pi/2)}_{(1,0)} \\ &=1+\frac{\pi}{2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The line integral is ∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} with F=(yex+sin⁡y) ı^+(ex+sin⁡y+xcos⁡y) ȷ^\mathbf{F} = (ye^x + \sin y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (e^x + \sin y + x \cos y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}. We are to show that it is independent of path. That is the case if and only if F\mathbf{F} is conservative. So let's look for a potential φ\varphi for F\mathbf{F}. That is, let's look for a function φ\varphi that obeys

∂φ∂x(x,y)=yex+sin⁡y∂φ∂y(x,y)=ex+sin⁡y+xcos⁡y\begin{aligned} \frac{\partial \varphi}{\partial x}(x,y) &= ye^x + \sin y \\ \frac{\partial \varphi}{\partial y}(x,y) &= e^x + \sin y + x \cos y \end{aligned}

Integrating the first of these equations gives

φ(x,y)=yex+xsin⁡y+f(y)\varphi(x,y) = ye^x + x\sin y + f(y)

Substituting this into the second equation gives

ex+xcos⁡y+f′(y)=ex+sin⁡y+xcos⁡yorf′(y)=sin⁡ye^x + x\cos y + f'(y) = e^x + \sin y + x \cos y\qquad\text{or}\quad f'(y) = \sin y

which integrates to

f(y)=−cos⁡y+Cf(y) = -\cos y + C

So F\mathbf{F} is indeed conservative with one potential being φ(x,y)=yex+xsin⁡y−cos⁡y\varphi(x,y) = ye^x + x\sin y -\cos y and the line integral is

∫C(yex+sin⁡y) dx+(ex+sin⁡y+xcos⁡y) dy=∫CF⋅dr=φ(x,y)∣(1,0)(0,π/2)=[yex+xsin⁡y−cos⁡y](1,0)(0,π/2)=1+π2\begin{aligned} \int_C (ye^x + \sin y)\,\mathrm{d}x + (e^x + \sin y + x \cos y)\,\mathrm{d}y &=\int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =\varphi(x,y)\Big|^{(0,\pi/2)}_{(1,0)} \\ &=\Big[ye^x + x\sin y -\cos y\Big]^{(0,\pi/2)}_{(1,0)} \\ &=1+\frac{\pi}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6장 복습 · 17번
# 선적분증명·논술보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
12.CLP-4 · 2.4절 · 18번대학 수준우리말 번역

적분

∫Cxy dx+yz dy+zx dz\begin{aligned} \int_C xy \,\mathrm{d}x + yz \,\mathrm{d}y + zx \,\mathrm{d}z \end{aligned}

의 값을 구하세요. 단, CC 는 꼭짓점이 (1,0,0)(1, 0, 0), (0,1,0)(0, 1, 0), (0,0,1)(0, 0, 1) 인 삼각형의 둘레이고, 점 (1,1,1)(1, 1, 1) 에서 볼 때 시계 방향으로 향하는 곡선이다.

영어 원문 보기

Evaluate the integral

∫Cxy dx+yz dy+zx dz\begin{aligned} \int_C xy \,\mathrm{d}x + yz \,\mathrm{d}y + zx \,\mathrm{d}z \end{aligned}

around the triangle with vertices (1,0,0)(1, 0, 0), (0,1,0)(0, 1, 0), and (0,0,1)(0, 0, 1), oriented clockwise as seen from the point (1,1,1)(1, 1, 1).

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정답·풀이 보기

다음은 CC 의 개략적인 그림이다.

그림

다음에 주목한다.

  • (1,0,0)(1, 0, 0) 에서 (0,0,1)(0,0,1) 까지의 선분 위에서 y=0y=0 이므로 적분은 그 선분 위에서 ∫zx dz\int zx \,\mathrm{d}z 로 간단해진다.
  • (0,0,1)(0,0,1) 에서 (0,1,0)(0, 1, 0) 까지의 선분 위에서 x=0x=0 이므로 적분은 그 선분 위에서 ∫yz dy\int yz \,\mathrm{d}y 로 간단해진다.
  • (0,1,0)(0, 1, 0) 에서 (1,0,0)(1, 0, 0) 까지의 선분 위에서 z=0z=0 이므로 적분은 그 선분 위에서 ∫xy dx\int xy \,\mathrm{d}x 로 간단해진다.

따라서 적분을 직접 계산할 수 있어 보인다. 위의 그림과 같이 삼각형의 변을 C1C_1, C2C_2, C3C_3 이라 하자.

  • C1C_1 을 r(t)=(1,0,0)+t[(0,0,1)−(1,0,0)]=(1−t , 0 , t)\mathbf{r}(t) = (1,0,0) + t[(0,0,1)-(1,0,0)] = (1-t\,,\,0\,,\,t), 0≤t≤10\le t\le 1 로 매개화한다. 그러므로

∫C1xy dx+yz dy+zx dz=∫C1zx dz=∫01(1−t)⏞x(t)⏞z(1)⏞z′(t) dt=∫01(t−t2) dt=12−13=16\begin{aligned} \int_{C_1} xy \,\mathrm{d}x + yz \,\mathrm{d}y + zx \,\mathrm{d}z &= \int_{C_1} zx \,\mathrm{d}z =\int_0^1 \overbrace{(1-t)}^{x} \overbrace{(t)}^{z} \overbrace{(1)}^{z'(t)}\,\mathrm{d}t =\int_0^1 (t-t^2)\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{2}-\frac{1}{3} =\frac{1}{6} \end{aligned}

  • C2C_2 를 r(t)=(0,0,1)+t[(0,1,0)−(0,0,1)]=(0 , t , 1−t)\mathbf{r}(t) = (0,0,1) + t[(0,1,0)-(0,0,1)] = (0\,,\,t\,,\,1-t), 0≤t≤10\le t\le 1 로 매개화한다. 그러므로

∫C2xy dx+yz dy+zx dz=∫C2yz dy=∫01(t)⏞y(1−t)⏞z(1)⏞y′(t) dt=∫01(t−t2) dt=12−13=16\begin{aligned} \int_{C_2} xy \,\mathrm{d}x + yz \,\mathrm{d}y + zx \,\mathrm{d}z &= \int_{C_2} yz \,\mathrm{d}y =\int_0^1 \overbrace{(t)}^{y} \overbrace{(1-t)}^{z} \overbrace{(1)}^{y'(t)}\,\mathrm{d}t =\int_0^1 (t-t^2)\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{2}-\frac{1}{3} =\frac{1}{6} \end{aligned}

  • C3C_3 을 r(t)=(0,1,0)+t[(1,0,0)−(0,1,0)]=(t , 1−t , 0)\mathbf{r}(t) = (0,1,0) + t[(1,0,0)-(0,1,0)] = (t\,,\,1-t\,,\,0), 0≤t≤10\le t\le 1 로 매개화한다. 그러므로

∫C3xy dx+yz dy+zx dz=∫C3xy dx=∫01(t)⏞x(1−t)⏞y(1)⏞x′(t) dt=∫01(t−t2) dt=12−13=16\begin{aligned} \int_{C_3} xy \,\mathrm{d}x + yz \,\mathrm{d}y + zx \,\mathrm{d}z &= \int_{C_3} xy \,\mathrm{d}x =\int_0^1 \overbrace{(t)}^{x} \overbrace{(1-t)}^{y} \overbrace{(1)}^{x'(t)}\,\mathrm{d}t =\int_0^1 (t-t^2)\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{2}-\frac{1}{3} =\frac{1}{6} \end{aligned}

모두 합하면

∫Cxy dx+yz dy+zx dz=∑ℓ=13∫Cℓxy dx+yz dy+zx dz=3×16=12\begin{aligned} \int_{C} xy \,\mathrm{d}x + yz \,\mathrm{d}y + zx \,\mathrm{d}z &=\sum_{\ell=1}^3\int_{C_\ell} xy \,\mathrm{d}x + yz \,\mathrm{d}y + zx \,\mathrm{d}z =3\times\frac{1}{6}=\frac{1}{2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Here is a sketch of CC.

figure

Note that

  • y=0y=0 on the line segment from (1,0,0)(1, 0, 0) to (0,0,1)(0,0,1) so that the integral reduces to ∫zx dz\int zx \,\mathrm{d}z on that line segment and
  • x=0x=0 on the line segment from (0,0,1)(0,0,1) to (0,1,0)(0, 1, 0) so that the integral reduces to ∫yz dy\int yz \,\mathrm{d}y on that line segment and
  • z=0z=0 on the line segment from (0,1,0)(0, 1, 0) to (1,0,0)(1, 0, 0) so that the integral reduces to ∫xy dx\int xy \,\mathrm{d}x on that line segment.

So it looks feasible to evaluate the integral directly. Label the sides of the triangle C1C_1, C2C_2 and C3C_3 as in the sketch above.

  • We parametrize C1C_1 by r(t)=(1,0,0)+t[(0,0,1)−(1,0,0)]=(1−t , 0 , t)\mathbf{r}(t) = (1,0,0) + t[(0,0,1)-(1,0,0)] = (1-t\,,\,0\,,\,t), 0≤t≤10\le t\le 1. So

∫C1xy dx+yz dy+zx dz=∫C1zx dz=∫01(1−t)⏞x(t)⏞z(1)⏞z′(t) dt=∫01(t−t2) dt=12−13=16\begin{aligned} \int_{C_1} xy \,\mathrm{d}x + yz \,\mathrm{d}y + zx \,\mathrm{d}z &= \int_{C_1} zx \,\mathrm{d}z =\int_0^1 \overbrace{(1-t)}^{x} \overbrace{(t)}^{z} \overbrace{(1)}^{z'(t)}\,\mathrm{d}t =\int_0^1 (t-t^2)\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{2}-\frac{1}{3} =\frac{1}{6} \end{aligned}

  • We parametrize C2C_2 by r(t)=(0,0,1)+t[(0,1,0)−(0,0,1)]=(0 , t , 1−t)\mathbf{r}(t) = (0,0,1) + t[(0,1,0)-(0,0,1)] = (0\,,\,t\,,\,1-t), 0≤t≤10\le t\le 1. So

∫C2xy dx+yz dy+zx dz=∫C2yz dy=∫01(t)⏞y(1−t)⏞z(1)⏞y′(t) dt=∫01(t−t2) dt=12−13=16\begin{aligned} \int_{C_2} xy \,\mathrm{d}x + yz \,\mathrm{d}y + zx \,\mathrm{d}z &= \int_{C_2} yz \,\mathrm{d}y =\int_0^1 \overbrace{(t)}^{y} \overbrace{(1-t)}^{z} \overbrace{(1)}^{y'(t)}\,\mathrm{d}t =\int_0^1 (t-t^2)\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{2}-\frac{1}{3} =\frac{1}{6} \end{aligned}

  • We parametrize C3C_3 by r(t)=(0,1,0)+t[(1,0,0)−(0,1,0)]=(t , 1−t , 0)\mathbf{r}(t) = (0,1,0) + t[(1,0,0)-(0,1,0)] = (t\,,\,1-t\,,\,0), 0≤t≤10\le t\le 1. So

∫C3xy dx+yz dy+zx dz=∫C3xy dx=∫01(t)⏞x(1−t)⏞y(1)⏞x′(t) dt=∫01(t−t2) dt=12−13=16\begin{aligned} \int_{C_3} xy \,\mathrm{d}x + yz \,\mathrm{d}y + zx \,\mathrm{d}z &= \int_{C_3} xy \,\mathrm{d}x =\int_0^1 \overbrace{(t)}^{x} \overbrace{(1-t)}^{y} \overbrace{(1)}^{x'(t)}\,\mathrm{d}t =\int_0^1 (t-t^2)\,\mathrm{d}t \\ &=\frac{1}{2}-\frac{1}{3} =\frac{1}{6} \end{aligned}

All together

∫Cxy dx+yz dy+zx dz=∑ℓ=13∫Cℓxy dx+yz dy+zx dz=3×16=12\begin{aligned} \int_{C} xy \,\mathrm{d}x + yz \,\mathrm{d}y + zx \,\mathrm{d}z &=\sum_{\ell=1}^3\int_{C_\ell} xy \,\mathrm{d}x + yz \,\mathrm{d}y + zx \,\mathrm{d}z =3\times\frac{1}{6}=\frac{1}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 19번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
13.CLP-4 · 2.4절 · 19번대학 수준우리말 번역

선적분 ∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요. 여기서 F\mathbf{F} 는 보존 벡터장

F(x,y,z)=(y+zex,x+eysin⁡z,z+ex+eycos⁡z)\mathbf{F} (x, y, z) = \big(y + ze^x , x + e^y \sin z, z + e^x + e^y \cos z\big)

이고 CC 는 다음 매개변수 표현으로 주어진 곡선이다.

r(t)=(t,et,sin⁡t),t 는 0 에서 π 까지.\mathbf{r}(t) = (t, e^t , \sin t),\qquad \text{$t$ 는 $0$ 에서 $\pi$ 까지} .

영어 원문 보기

Evaluate the line integral ∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}, where F\mathbf{F} is the conservative vector field

F(x,y,z)=(y+zex,x+eysin⁡z,z+ex+eycos⁡z)\mathbf{F} (x, y, z) = \big(y + ze^x , x + e^y \sin z, z + e^x + e^y \cos z\big)

and CC is the curve given by the parametrization

r(t)=(t,et,sin⁡t),t from 0 to π.\mathbf{r}(t) = (t, e^t , \sin t),\qquad \text{$t$ from $0$ to $\pi$} .

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

F\mathbf{F} 가 보존적이라고 주어져 있다. ∇φ=F{ \boldsymbol{\nabla} }\varphi = \mathbf{F} 를 만족하는 퍼텐셜 φ\varphi 를 찾자. 즉,

∂φ∂x=y+zex∂φ∂y=x+eysin⁡z∂φ∂z=z+ex+eycos⁡z\begin{aligned} \frac{\partial\varphi}{\partial x} &= y + ze^x \\ \frac{\partial\varphi}{\partial y} &= x + e^y \sin z \\ \frac{\partial\varphi}{\partial z} &= z + e^x + e^y \cos z \end{aligned}

첫째 식으로부터 φ(x,y,z)=xy+zex+ψ(y,z)\varphi(x,y,z) = xy +ze^x +\psi(y,z) 이다. 이를 둘째 식에 대입하면 x+∂ψ∂y(y,z)=x+eysin⁡zx+\frac{\partial\psi}{\partial y}(y,z) = x + e^y \sin z 즉 ∂ψ∂y(y,z)=eysin⁡z\frac{\partial\psi}{\partial y}(y,z) = e^y \sin z 이므로 ψ(y,z)=eysin⁡z+ζ(z)\psi(y,z) = e^y\sin z +\zeta(z) 이다. 따라서 지금까지 φ(x,y,z)=xy+zex+eysin⁡z+ζ(z)\varphi(x,y,z) = xy +ze^x +e^y\sin z +\zeta(z) 를 얻었다. 이를 셋째 식에 대입하면 ex+eycos⁡z+ζ′(z)=z+ex+eycos⁡ze^x +e^y\cos z +\zeta'(z) = z + e^x + e^y \cos z 즉 ζ′(z)=z\zeta'(z) = z 이므로 어떤 상수 CC 에 대해 ζ(z)=z22+C\zeta(z) = \frac{z^2}{2}+C 이고, 여기서 CC 는 0으로 택한다. 따라서 퍼텐셜은

φ(x,y,z)=xy+zex+eysin⁡z+z22\varphi(x,y,z) = xy +ze^x +e^y\sin z +\frac{z^2}{2}

이다. 그러므로 선적분은

∫CF⋅dr=φ(r(π))−φ(r(0))=φ(π,eπ,0)−φ(0,1,0)=πeπ\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\varphi\big(\mathbf{r}(\pi)\big) -\varphi\big(\mathbf{r}(0)\big) =\varphi\big(\pi,e^\pi,0\big) -\varphi\big(0,1,0\big) =\pi e^\pi

이다.

원본 교재 풀이(영어)

We are told that F\mathbf{F} is conservative. Let's find a potential φ\varphi obeying ∇φ=F{ \boldsymbol{\nabla} }\varphi = \mathbf{F}. That is,

∂φ∂x=y+zex∂φ∂y=x+eysin⁡z∂φ∂z=z+ex+eycos⁡z\begin{aligned} \frac{\partial\varphi}{\partial x} &= y + ze^x \\ \frac{\partial\varphi}{\partial y} &= x + e^y \sin z \\ \frac{\partial\varphi}{\partial z} &= z + e^x + e^y \cos z \end{aligned}

The first equation forces φ(x,y,z)=xy+zex+ψ(y,z)\varphi(x,y,z) = xy +ze^x +\psi(y,z). Substituting this into the second equation gives x+∂ψ∂y(y,z)=x+eysin⁡zx+\frac{\partial\psi}{\partial y}(y,z) = x + e^y \sin z or ∂ψ∂y(y,z)=eysin⁡z\frac{\partial\psi}{\partial y}(y,z) = e^y \sin z which forces ψ(y,z)=eysin⁡z+ζ(z)\psi(y,z) = e^y\sin z +\zeta(z). So far, we have φ(x,y,z)=xy+zex+eysin⁡z+ζ(z)\varphi(x,y,z) = xy +ze^x +e^y\sin z +\zeta(z). Substituting this into the third equation gives ex+eycos⁡z+ζ′(z)=z+ex+eycos⁡ze^x +e^y\cos z +\zeta'(z) = z + e^x + e^y \cos z or ζ′(z)=z\zeta'(z) = z which forces ζ(z)=z22+C\zeta(z) = \frac{z^2}{2}+C, for some constant CC, which we take to be zero. So our potential is

φ(x,y,z)=xy+zex+eysin⁡z+z22\varphi(x,y,z) = xy +ze^x +e^y\sin z +\frac{z^2}{2}

So the line integral

∫CF⋅dr=φ(r(π))−φ(r(0))=φ(π,eπ,0)−φ(0,1,0)=πeπ\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\varphi\big(\mathbf{r}(\pi)\big) -\varphi\big(\mathbf{r}(0)\big) =\varphi\big(\pi,e^\pi,0\big) -\varphi\big(0,1,0\big) =\pi e^\pi

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 10번
# 선적분계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
14.CLP-4 · 2.4절 · 23번대학 수준우리말 번역

한 물리학자가 벡터장 F\mathbf{F} 를 연구하고 있다. 실험으로부터 F\mathbf{F} 는 다음 꼴임이 알려져 있다.

F=(x−a)yex ı^+(xex+z3) ȷ^+byz2 k^\mathbf{F} = (x - a)ye^x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (xe^x + z^3 )\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + byz^2\,\hat{\mathbf{k}}

여기서 aa 와 bb 는 어떤 실수이다. 이론적 고찰로부터 F\mathbf{F} 가 보존적임이 알려져 있다.

(a) aa 와 bb 를 구하세요. (b) ∇f=F{ \boldsymbol{\nabla} } f = \mathbf{F} 를 만족시키는 퍼텐셜 f(x,y,z)f(x,y,z) 를 구하세요. (c) CC 가 다음과 같이 정의된 곡선일 때, 선적분 ∫CF⋅dr\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

r(t)=(t , cos⁡2t , cos⁡t),0≤t≤π\mathbf{r}(t) = \big(t\,,\, \cos 2t\,,\, \cos t\big), \qquad 0 \le t \le \pi (d) 다음 선적분의 값을 구하세요.

I=∫C(x+1)yex dx+(xex+z3) dy+4yz2 dz,I = \int_C (x + 1)ye^x \,\mathrm{d}x + (xe^x + z^3 ) \,\mathrm{d}y + 4yz^2 \,\mathrm{d}z,

여기서 CC 는 (c)와 같은 곡선이다. [참고: 마지막 항의 "4"는 오타가 아니다!]

영어 원문 보기

A physicist studies a vector field F\mathbf{F}. From experiments, it is known that F\mathbf{F} is of the form

F=(x−a)yex ı^+(xex+z3) ȷ^+byz2 k^\mathbf{F} = (x - a)ye^x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (xe^x + z^3 )\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + byz^2\,\hat{\mathbf{k}}

where aa and bb are some real numbers. From theoretical considerations, it is known that F\mathbf{F} is conservative.

(a) Determine aa and bb. (b) Find a potential f(x,y,z)f(x,y,z) such that ∇f=F{ \boldsymbol{\nabla} } f = \mathbf{F}. (c) Evaluate the line intgeral ∫CF⋅dr\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} where CC is the curve defined by

r(t)=(t , cos⁡2t , cos⁡t),0≤t≤π\mathbf{r}(t) = \big(t\,,\, \cos 2t\,,\, \cos t\big), \qquad 0 \le t \le \pi (d) Evaluate the line integral

I=∫C(x+1)yex dx+(xex+z3) dy+4yz2 dz,I = \int_C (x + 1)ye^x \,\mathrm{d}x + (xe^x + z^3 ) \,\mathrm{d}y + 4yz^2 \,\mathrm{d}z,

where CC is the same curve as in part (c). [Note: the “4” in the last term is not a misprint!].

정답·풀이 보기

(a) F\mathbf{F} 가 보존적이려면 다음 판정 조건을 만족해야 한다.

0=∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂z(x−a)yexxex+z3byz2]=(bz2−3z2) ı^−(0−0) ȷ^+(ex+xex−(x−a)ex) k^\begin{aligned} \mathbf{0} = { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial }{\partial x} & \frac{\partial }{\partial y} & \frac{\partial }{\partial z} \\ (x - a)ye^x & xe^x + z^3 & byz^2 \end{matrix} \right] \\ &= \big(bz^2-3z^2)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -\big(0-0\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\big(e^x+xe^x-(x-a)e^x\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이것이 성립하기 위한 필요충분조건은 b=3b=3 이고 a=−1a=-1 인 것이다.

(b) a=−1a=-1, b=3b=3 으로 놓는다. ff 가 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜이려면 다음을 만족해야 한다.

∂f∂x(x,y,z)=(x+1)yex∂f∂y(x,y,z)=xex+z3∂f∂z(x,y,z)=3yz2\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(x,y,z) &= (x + 1)ye^x \\ \frac{\partial f}{\partial y}(x,y,z) &= xe^x + z^3 \\ \frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z) &= 3yz^2 \end{aligned}

이 중 두 번째 식을 적분하면 다음을 얻는다.

f(x,y,z)=xyex+yz3+g(x,z)f(x,y,z) = xye^x + yz^3 +g(x,z)

이것을 마지막 식에 대입하면 다음과 같다.

3yz2+∂g∂z(x,z)=3yz2또는∂g∂z(x,z)=03yz^2+\frac{\partial g}{\partial z}(x,z) = 3yz^2\qquad\text{또는}\qquad \frac{\partial g}{\partial z}(x,z)=0

따라서 다음이 성립한다.

g(x,z)=h(x)g(x,z) = h(x)

마지막으로 f(x,y,z)=xyex+yz3+h(x)f(x,y,z) = xye^x + yz^3 + h(x) 를 첫 번째 식에 대입하면 다음과 같다.

xyex+yex+h′(x)=(x+1)yex또는h′(x)=0xye^x + ye^x + h'(x) =(x + 1)ye^x \quad\text{또는}\quad h'(x) = 0

따라서 h(x)=Ch(x) = C 이고, f(x,y,z)=xyex+yz3+Cf(x,y,z) = xye^x + yz^3 + C 는 임의의 상수 CC 에 대해 퍼텐셜이 된다.

(c) F=∇f\mathbf{F}={ \boldsymbol{\nabla} } f 이므로

∫CF⋅dr=∫C∇f⋅dr=f(r(π))−f((r(0))=f(π,1,−1)−f(0,1,1)=[πeπ−1]−[1]=πeπ−2\begin{aligned} \int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_C{ \boldsymbol{\nabla} } f\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =f\big(\mathbf{r}(\pi)) - f(\big(\mathbf{r}(0)\big) =f(\pi,1,-1)-f(0,1,1) \\ &=\big[\pi e^\pi -1 \big]-\big[ 1\big] =\pi e^\pi-2 \end{aligned}

이다.

(d) 다음이 성립하므로

∫CF⋅dr=∫C(x+1)yex dx+(xex+z3) dy+3yz2 dz\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =\int_C (x + 1)ye^x \,\mathrm{d}x + (xe^x + z^3 ) \,\mathrm{d}y + 3yz^2 \,\mathrm{d}z

다음을 얻는다.

I=∫CF⋅dr+∫Cyz2dz=πeπ−2+∫0π(cos⁡2t)⏞ycos⁡2t⏞z2(−sin⁡t) dt⏞dz=πeπ−2+∫0π(2cos⁡2t−1)cos⁡2t(−sin⁡t) dt=πeπ−2+∫1−1(2u2−1)u2 du여기서 u=cos⁡t, du=−sin⁡t dt=πeπ−2+[2u55−u33]1−1=πeπ−2+[−45+23]=πeπ−3215\begin{aligned} I &= \int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} + \int_C yz^2\mathrm{d}z \\ &= \pi e^\pi-2 +\int_0^\pi \overbrace{(\cos 2t)}^{y} \overbrace{\cos^2 t}^{z^2} \overbrace{(-\sin t)\,\mathrm{d}t}^{\mathrm{d}z} \\ &= \pi e^\pi-2 +\int_0^\pi (2\cos^2t-1) \cos^2 t (-\sin t)\,\mathrm{d}t \\ &= \pi e^\pi-2 +\int_1^{-1} (2u^2-1)u^2\,\mathrm{d}u \qquad\text{여기서 } u=\cos t,\ \mathrm{d}u=-\sin t\,\mathrm{d}t \\ &= \pi e^\pi-2 +\Big[\frac{2u^5}{5} -\frac{u^3}{3}\Big]_{1}^{-1}\\ &= \pi e^\pi-2 +\Big[-\frac{4}{5} +\frac{2}{3}\Big] \\ &= \pi e^\pi -\frac{32}{15} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) For F\mathbf{F} to be conservative, it must pass the screening test

0=∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂z(x−a)yexxex+z3byz2]=(bz2−3z2) ı^−(0−0) ȷ^+(ex+xex−(x−a)ex) k^\begin{aligned} \mathbf{0} = { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial }{\partial x} & \frac{\partial }{\partial y} & \frac{\partial }{\partial z} \\ (x - a)ye^x & xe^x + z^3 & byz^2 \end{matrix} \right] \\ &= \big(bz^2-3z^2)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} -\big(0-0\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\big(e^x+xe^x-(x-a)e^x\big)\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

This is the case if and only if b=3b=3 and a=−1a=-1

(b) Set a=−1a=-1 and b=3b=3. For ff to be a potential for F\mathbf{F}, it must obey

∂f∂x(x,y,z)=(x+1)yex∂f∂y(x,y,z)=xex+z3∂f∂z(x,y,z)=3yz2\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(x,y,z) &= (x + 1)ye^x \\ \frac{\partial f}{\partial y}(x,y,z) &= xe^x + z^3 \\ \frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z) &= 3yz^2 \end{aligned}

Integrating the second of these equations gives

f(x,y,z)=xyex+yz3+g(x,z)f(x,y,z) = xye^x + yz^3 +g(x,z)

Substituting this into the last equation gives

3yz2+∂g∂z(x,z)=3yz2or∂g∂z(x,z)=03yz^2+\frac{\partial g}{\partial z}(x,z) = 3yz^2\qquad\text{or}\qquad \frac{\partial g}{\partial z}(x,z)=0

which forces

g(x,z)=h(x)g(x,z) = h(x)

Finally, substituting f(x,y,z)=xyex+yz3+h(x)f(x,y,z) = xye^x + yz^3 + h(x) into the first equation gives

xyex+yex+h′(x)=(x+1)yexorh′(x)=0xye^x + ye^x + h'(x) =(x + 1)ye^x \quad\text{or}\quad h'(x) = 0

So h(x)=Ch(x) = C and hence f(x,y,z)=xyex+yz3+Cf(x,y,z) = xye^x + yz^3 + C works for any constant CC.

(c) Since F=∇f\mathbf{F}={ \boldsymbol{\nabla} } f,

∫CF⋅dr=∫C∇f⋅dr=f(r(π))−f((r(0))=f(π,1,−1)−f(0,1,1)=[πeπ−1]−[1]=πeπ−2\begin{aligned} \int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_C{ \boldsymbol{\nabla} } f\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =f\big(\mathbf{r}(\pi)) - f(\big(\mathbf{r}(0)\big) =f(\pi,1,-1)-f(0,1,1) \\ &=\big[\pi e^\pi -1 \big]-\big[ 1\big] =\pi e^\pi-2 \end{aligned}

(d) Since

∫CF⋅dr=∫C(x+1)yex dx+(xex+z3) dy+3yz2 dz\int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =\int_C (x + 1)ye^x \,\mathrm{d}x + (xe^x + z^3 ) \,\mathrm{d}y + 3yz^2 \,\mathrm{d}z

we have

I=∫CF⋅dr+∫Cyz2dz=πeπ−2+∫0π(cos⁡2t)⏞ycos⁡2t⏞z2(−sin⁡t) dt⏞dz=πeπ−2+∫0π(2cos⁡2t−1)cos⁡2t(−sin⁡t) dt=πeπ−2+∫1−1(2u2−1)u2 duwith u=cos⁡t, du=−sin⁡t dt=πeπ−2+[2u55−u33]1−1=πeπ−2+[−45+23]=πeπ−3215\begin{aligned} I &= \int_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} + \int_C yz^2\mathrm{d}z \\ &= \pi e^\pi-2 +\int_0^\pi \overbrace{(\cos 2t)}^{y} \overbrace{\cos^2 t}^{z^2} \overbrace{(-\sin t)\,\mathrm{d}t}^{\mathrm{d}z} \\ &= \pi e^\pi-2 +\int_0^\pi (2\cos^2t-1) \cos^2 t (-\sin t)\,\mathrm{d}t \\ &= \pi e^\pi-2 +\int_1^{-1} (2u^2-1)u^2\,\mathrm{d}u \qquad\text{with } u=\cos t,\ \mathrm{d}u=-\sin t\,\mathrm{d}t \\ &= \pi e^\pi-2 +\Big[\frac{2u^5}{5} -\frac{u^3}{3}\Big]_{1}^{-1}\\ &= \pi e^\pi-2 +\Big[-\frac{4}{5} +\frac{2}{3}\Big] \\ &= \pi e^\pi -\frac{32}{15} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 9번
# 선적분계산보통자동 분류
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