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.

146문제 · 8 / 8쪽

141.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
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
142.CLP-4 · 2.4절 · 32번대학 수준우리말 번역

CC 를 곡면 y=x2y=x^2 과 z=x3z=x^3 의 교선을 따라 (0,0,0)(0,0,0) 에서 (1,1,1)(1,1,1) 까지 가는 곡선이라 하자.

(a) ss 가 CC 를 따른 호의 길이이고 ρ=8x+36z\rho=8x+36z 일 때, ∫Cρ ds\int_C \rho\, \mathrm{d}s 의 값을 구하세요. (b) F=sin⁡y ı^+(xcos⁡y+z) ȷ^+(y+z) k^\mathbf{F}=\sin y\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (x\cos y+z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ (y+z)\,\hat{\mathbf{k}} 일 때, ∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the curve from (0,0,0)(0,0,0) to (1,1,1)(1,1,1) along the intersection of the surfaces y=x2y=x^2 and z=x3z=x^3.

(a) Find ∫Cρ ds\int_C \rho\, \mathrm{d}s if ss is arc length along CC and ρ=8x+36z\rho=8x+36z. (b) Find ∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} if F=sin⁡y ı^+(xcos⁡y+z) ȷ^+(y+z) k^\mathbf{F}=\sin y\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (x\cos y+z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+ (y+z)\,\hat{\mathbf{k}}.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) CC 를 xx 로 매개변수화한다. 곡선 위의 점의 첫째 성분이 xx 이면 둘째 성분 yy 는 x2x^2 이어야 하고, 셋째 성분 zz 는 x3x^3 이어야 한다. 따라서

r(x)=x ı^+x2 ȷ^+x3 k^0≤x≤1r′(x)=ı^+2x ȷ^+3x2 k^dsdx(x)=1+4x2+9x4\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+x^3\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le x\le 1\\ \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3x^2\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(x)&=\sqrt{1+4x^2+9x^4} \end{aligned}

이고

ρ(x) dsdx(x)=(8x+36x3)1+4x2+9x4∫Cρ ds=∫01(8x+36x3)1+4x2+9x4 dx\begin{aligned} \rho(x)\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(x) &=\big(8x+36x^3\big)\sqrt{1+4x^2+9x^4}\\ \int_C\rho\ \mathrm{d}s &=\int_0^1 \big(8x+36x^3\big)\sqrt{1+4x^2+9x^4}\,\mathrm{d}x \end{aligned}

이다.

u=1+4x2+9x4u=1+4x^2+9x^4, du=(8x+36x3) dx\mathrm{d}u = \big(8x+36x^3\big)\,\mathrm{d}x, u(0)=1u(0)=1, u(1)=14u(1)=14 로 치환하면

∫Cρ ds=∫114u du=23u3/2∣114=23[143/2−1]≈34.26\begin{aligned} \int_C\rho\ \mathrm{d}s &=\int_1^{14} \sqrt{u}\ \mathrm{d}u =\frac{2}{3}u^{3/2}\bigg|_1^{14}\\ &=\frac{2}{3}\big[14^{3/2}-1\big]\approx 34.26 \end{aligned}

이다.

(b) f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+12z2f(x,y,z)=x\sin y+yz+\tfrac{1}{2} z^2 에 대해 F(x,y,z)=∇f(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z)=\nabla f(x,y,z) 이므로

∫CF⋅dr=f(1,1,1)−f(0,0,0)=sin⁡1+32≈2.3415\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=f(1,1,1)-f(0,0,0) =\sin 1+\frac{3}{2} \approx 2.3415

이다.

퍼텐셜 ff 는 추측으로 구한 것이다. 다른 방법으로, 다음을 풀어서 구할 수도 있다.

∂f∂x(x,y,z)=sin⁡y∂f∂y(x,y,z)=xcos⁡y+z∂f∂z(x,y,z)=y+z\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(x,y,z) &= \sin y \\ \frac{\partial f}{\partial y}(x,y,z) &= x\cos y+z \\ \frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z) &= y+z \end{aligned}

이 중 첫째 식을 적분하면

f(x,y,z)=xsin⁡y+g(y,z)f(x,y,z) = x\sin y +g(y,z)

를 얻는다.

이것을 둘째 식에 대입하면

xcos⁡y+∂g∂y(y,z)=xcos⁡y+z또는∂g∂y(x,z)=zx\cos y+\frac{\partial g}{\partial y}(y,z) = x\cos y+z\qquad\text{또는}\qquad \frac{\partial g}{\partial y}(x,z)=z

이고, 이로부터 반드시

g(y,z)=yz+h(z)g(y,z) = yz + h(z)

이다.

마지막으로 f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+h(z)f(x,y,z) = x\sin y +yz + h(z) 를 마지막 식에 대입하면

y+h′(z)=y+z또는h′(z)=zy + h'(z) =y+z \quad\text{또는}\quad h'(z) = z

이다.

따라서 h(x)=z22+Ch(x) = \frac{z^2}{2}+C 이고, 그러므로 임의의 상수 CC 에 대해 f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+z22+Cf(x,y,z) = x\sin y + yz + \frac{z^2}{2}+C 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Parametrize CC by xx. When the first component of a point on the curve is xx, then the second component, yy, must be x2x^2 and the third component, zz, must be x3x^3. So

r(x)=x ı^+x2 ȷ^+x3 k^0≤x≤1r′(x)=ı^+2x ȷ^+3x2 k^dsdx(x)=1+4x2+9x4\begin{aligned} \mathbf{r}(x)&=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x^2\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+x^3\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le x\le 1\\ \mathbf{r}'(x)&=\hat{\boldsymbol{\imath}}+2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+3x^2\,\hat{\mathbf{k}}\\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(x)&=\sqrt{1+4x^2+9x^4} \end{aligned}

and

ρ(x) dsdx(x)=(8x+36x3)1+4x2+9x4∫Cρ ds=∫01(8x+36x3)1+4x2+9x4 dx\begin{aligned} \rho(x)\ \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}(x) &=\big(8x+36x^3\big)\sqrt{1+4x^2+9x^4}\\ \int_C\rho\ \mathrm{d}s &=\int_0^1 \big(8x+36x^3\big)\sqrt{1+4x^2+9x^4}\,\mathrm{d}x \end{aligned}

Substituting u=1+4x2+9x4u=1+4x^2+9x^4, du=(8x+36x3) dx\mathrm{d}u = \big(8x+36x^3\big)\,\mathrm{d}x, u(0)=1u(0)=1, u(1)=14u(1)=14,

∫Cρ ds=∫114u du=23u3/2∣114=23[143/2−1]≈34.26\begin{aligned} \int_C\rho\ \mathrm{d}s &=\int_1^{14} \sqrt{u}\ \mathrm{d}u =\frac{2}{3}u^{3/2}\bigg|_1^{14}\\ &=\frac{2}{3}\big[14^{3/2}-1\big]\approx 34.26 \end{aligned}

(b) Since F(x,y,z)=∇f(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z)=\nabla f(x,y,z) with f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+12z2f(x,y,z)=x\sin y+yz+\tfrac{1}{2} z^2,

∫CF⋅dr=f(1,1,1)−f(0,0,0)=sin⁡1+32≈2.3415\int_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=f(1,1,1)-f(0,0,0) =\sin 1+\frac{3}{2} \approx 2.3415

The potential ff was just guessed. Alternatively, it can be found by solving

∂f∂x(x,y,z)=sin⁡y∂f∂y(x,y,z)=xcos⁡y+z∂f∂z(x,y,z)=y+z\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(x,y,z) &= \sin y \\ \frac{\partial f}{\partial y}(x,y,z) &= x\cos y+z \\ \frac{\partial f}{\partial z}(x,y,z) &= y+z \end{aligned}

Integrating the first of these equations gives

f(x,y,z)=xsin⁡y+g(y,z)f(x,y,z) = x\sin y +g(y,z)

Substituting this into the second equation gives

xcos⁡y+∂g∂y(y,z)=xcos⁡y+zor∂g∂y(x,z)=zx\cos y+\frac{\partial g}{\partial y}(y,z) = x\cos y+z\qquad\text{or}\qquad \frac{\partial g}{\partial y}(x,z)=z

which forces

g(y,z)=yz+h(z)g(y,z) = yz + h(z)

Finally, substituting f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+h(z)f(x,y,z) = x\sin y +yz + h(z) into the last equation gives

y+h′(z)=y+zorh′(z)=zy + h'(z) =y+z \quad\text{or}\quad h'(z) = z

So h(x)=z22+Ch(x) = \frac{z^2}{2}+C and hence f(x,y,z)=xsin⁡y+yz+z22+Cf(x,y,z) = x\sin y + yz + \frac{z^2}{2}+C for any constant CC.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.6절 · 2번
# 선적분계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
143.CLP-4 · 2.4절 · 34번대학 수준우리말 번역

아래 선적분의 값을 구하세요. (어떤 방법을 써도 좋습니다.)

(a) ∫C(x2+y) dx+x dy\int_C (x^2 + y)\,\mathrm{d}x + x\,\mathrm{d}y, 여기서 CC 는 포물선 y=9−x2y = 9 - x^2 의 호로서 (−3,0)(-3, 0) 에서 (3,0)(3, 0) 까지이다. (b) ∫CF⋅n^ ds\int_C \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s, 여기서 F(x,y)=2x2ı^+yexȷ^\mathbf{F}(x, y) = 2x^2\hat{\boldsymbol{\imath}} + ye^x\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고, CC 는 정사각형 0≤x≤10 \le x \le 1, 0≤y≤10 \le y \le 1 의 경계이다. 여기서 n^\hat{\mathbf{n}} 은 정사각형의 바깥쪽을 향하는 단위법선벡터이고, ss 는 호의 길이이다.

영어 원문 보기

Evaluate the line integrals below. (Use any method you like.)

(a) ∫C(x2+y) dx+x dy\int_C (x^2 + y)\,\mathrm{d}x + x\,\mathrm{d}y, where CC is the arc of the parabola y=9−x2y = 9 - x^2 from (−3,0)(-3, 0) to (3,0)(3, 0). (b) ∫CF⋅n^ ds\int_C \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s, where F(x,y)=2x2ı^+yexȷ^\mathbf{F}(x, y) = 2x^2\hat{\boldsymbol{\imath}} + ye^x\hat{\boldsymbol{\jmath}}, CC is the boundary of the square 0≤x≤10 \le x \le 1, 0≤y≤10 \le y \le 1. Here n^\hat{\mathbf{n}} is the unit normal vector pointing outward from the square, and ss is arc length.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 매개변수화

r(x)=x ı^+(9−x2) ȷ^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(9-x^2)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

를 이용하여 적분을 직접 계산하자. 단, −3≤x≤3-3\le x \le 3 이다.

r′(x)=ı^−2x ȷ^\mathbf{r}'(x) = \hat{\boldsymbol{\imath}} -2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이므로

∫C(x2+y) dx+x dy=∫−33(x2 + 9−x2⏞y +x(−2x)⏞dydx) dx=∫−33(9−2x2) dx=2∫03(9−2x2) dx=2(27−2333)=18\begin{aligned} \int_C (x^2 + y)\,\mathrm{d}x + x\,\mathrm{d}y &=\int_{-3}^3 \big(x^2\ +\ \overbrace{9-x^2}^{y}\ +x\overbrace{(-2x)}^{\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}\big)\,\mathrm{d}x =\int_{-3}^3 \big(9-2x^2\big)\,\mathrm{d}x \\ &=2\int_0^3 \big(9-2x^2\big)\,\mathrm{d}x =2\left(27-2\frac{3^3}{3}\right) =18 \end{aligned}

(b) 이 풀이에서는 적분을 직접 계산한다. 그림과 같이 정사각형의 네 변을 L1L_1, L2L_2, L3L_3, L4L_4 라 하자.

그림

L1L_1 을 호의 길이로 매개변수화하면 r(s)=s ı^\mathbf{r}(s) = s\,\hat{\boldsymbol{\imath}}, 0≤s≤10\le s\le 1 이다. L1L_1 에서 바깥쪽을 향하는 법선벡터는 −ȷ^-\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이므로

∫L1F⋅n^ ds=∫01F(s,0)⋅(−ȷ^) ds=∫01(−0) ds=0\begin{aligned} \int_{L_1} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(s,0) \cdot(-\hat{\boldsymbol{\jmath}})\, \mathrm{d}s =\int_0^1 (-0)\, \mathrm{d}s =0 \end{aligned}

L2L_2 를 호의 길이로 매개변수화하면 r(s)=ı^+s ȷ^\mathbf{r}(s) = \hat{\boldsymbol{\imath}}+s\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤s≤10\le s\le 1 이다. L2L_2 에서 바깥쪽을 향하는 법선벡터는 ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} 이므로

∫L2F⋅n^ ds=∫01F(1,s)⋅ı^ ds=∫012 ds=2\begin{aligned} \int_{L_2} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(1,s) \cdot \hat{\boldsymbol{\imath}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 2\, \mathrm{d}s =2 \end{aligned}

L3L_3 을 ((1,1)(1,1) 에서 시작하여) 호의 길이로 매개변수화하면 r(s)=(1−s) ı^+ȷ^\mathbf{r}(s) = (1-s)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤s≤10\le s\le 1 이다. L3L_3 에서 바깥쪽을 향하는 법선벡터는 ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이므로

∫L3F⋅n^ ds=∫01F(1−s,1)⋅ȷ^ ds=∫01e1−s ds=[−e1−s]01=e−1\begin{aligned} \int_{L_3} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(1-s,1) \cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 e^{1-s}\, \mathrm{d}s =\Big[-e^{1-s}\Big]_0^1 =e-1 \end{aligned}

L4L_4 를 ((0,1)(0,1) 에서 시작하여) 호의 길이로 매개변수화하면 r(s)=(1−s) ȷ^\mathbf{r}(s) = (1-s)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤s≤10\le s\le 1 이다. L4L_4 에서 바깥쪽을 향하는 법선벡터는 −ı^-\hat{\boldsymbol{\imath}} 이므로

∫L2F⋅n^ ds=∫01F(0,1−s)⋅(−ı^) ds=∫01(−0) ds=0\begin{aligned} \int_{L_2} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(0,1-s) \cdot(- \hat{\boldsymbol{\imath}})\, \mathrm{d}s =\int_0^1 (-0)\, \mathrm{d}s =0 \end{aligned}

모두 합하면

∫CF⋅n^ ds=∫L1F⋅n^ ds+∫L2F⋅n^ ds+∫L3F⋅n^ ds+∫L4F⋅n^ ds=0+2+(e−1)+0=e+1\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s &= \int_{L_1} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s +\int_{L_2} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s +\int_{L_3} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s +\int_{L_4} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s \\ &= 0+2+(e-1) +0 =e+1 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Let's evaluate the integral directly using the parametrization

r(x)=x ı^+(9−x2) ȷ^\mathbf{r}(x) = x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +(9-x^2)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}

with −3≤x≤3-3\le x \le 3.

Since r′(x)=ı^−2x ȷ^\mathbf{r}'(x) = \hat{\boldsymbol{\imath}} -2x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}},

∫C(x2+y) dx+x dy=∫−33(x2 + 9−x2⏞y +x(−2x)⏞dydx) dx=∫−33(9−2x2) dx=2∫03(9−2x2) dx=2(27−2333)=18\begin{aligned} \int_C (x^2 + y)\,\mathrm{d}x + x\,\mathrm{d}y &=\int_{-3}^3 \big(x^2\ +\ \overbrace{9-x^2}^{y}\ +x\overbrace{(-2x)}^{\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}\big)\,\mathrm{d}x =\int_{-3}^3 \big(9-2x^2\big)\,\mathrm{d}x \\ &=2\int_0^3 \big(9-2x^2\big)\,\mathrm{d}x =2\left(27-2\frac{3^3}{3}\right) =18 \end{aligned}

(b) In this solution, we'll evaluate the integral directly. Label the four sides of the square L1L_1, L2L_2, L3L_3 and L4L_4 as in the figure

figure

The parametrization of L1L_1 by arc length is r(s)=s ı^\mathbf{r}(s) = s\,\hat{\boldsymbol{\imath}}, 0≤s≤10\le s\le 1. As the outward pointing normal to L1L_1 is −ȷ^-\hat{\boldsymbol{\jmath}},

∫L1F⋅n^ ds=∫01F(s,0)⋅(−ȷ^) ds=∫01(−0) ds=0\begin{aligned} \int_{L_1} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(s,0) \cdot(-\hat{\boldsymbol{\jmath}})\, \mathrm{d}s =\int_0^1 (-0)\, \mathrm{d}s =0 \end{aligned}

The parametrization of L2L_2 by arc length is r(s)=ı^+s ȷ^\mathbf{r}(s) = \hat{\boldsymbol{\imath}}+s\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤s≤10\le s\le 1. As the outward pointing normal to L2L_2 is ı^\hat{\boldsymbol{\imath}},

∫L2F⋅n^ ds=∫01F(1,s)⋅ı^ ds=∫012 ds=2\begin{aligned} \int_{L_2} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(1,s) \cdot \hat{\boldsymbol{\imath}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 2\, \mathrm{d}s =2 \end{aligned}

The parametrization of L3L_3 by arc length (starting at (1,1)(1,1)) is r(s)=(1−s) ı^+ȷ^\mathbf{r}(s) = (1-s)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤s≤10\le s\le 1. As the outward pointing normal to L3L_3 is ȷ^\hat{\boldsymbol{\jmath}},

∫L3F⋅n^ ds=∫01F(1−s,1)⋅ȷ^ ds=∫01e1−s ds=[−e1−s]01=e−1\begin{aligned} \int_{L_3} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(1-s,1) \cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 e^{1-s}\, \mathrm{d}s =\Big[-e^{1-s}\Big]_0^1 =e-1 \end{aligned}

The parametrization of L4L_4 by arc length (starting at (0,1)(0,1)) is r(s)=(1−s) ȷ^\mathbf{r}(s) = (1-s)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}, 0≤s≤10\le s\le 1. As the outward pointing normal to L4L_4 is −ı^-\hat{\boldsymbol{\imath}},

∫L2F⋅n^ ds=∫01F(0,1−s)⋅(−ı^) ds=∫01(−0) ds=0\begin{aligned} \int_{L_2} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s =\int_0^1 \mathbf{F}(0,1-s) \cdot(- \hat{\boldsymbol{\imath}})\, \mathrm{d}s =\int_0^1 (-0)\, \mathrm{d}s =0 \end{aligned}

All together

∫CF⋅n^ ds=∫L1F⋅n^ ds+∫L2F⋅n^ ds+∫L3F⋅n^ ds+∫L4F⋅n^ ds=0+2+(e−1)+0=e+1\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s &= \int_{L_1} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s +\int_{L_2} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s +\int_{L_3} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s +\int_{L_4} \mathbf{F} \cdot\hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}s \\ &= 0+2+(e-1) +0 =e+1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.4절 · 35번
# 선적분계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
144.CLP-4 · 2.4절 · 35번대학 수준우리말 번역

질량 m=1m = 1 인 입자가 시각 t=0t = 0 에서 위치 r0=ȷ^\mathbf{r}_0 = \hat{\boldsymbol{\jmath}} 와 속도 v0=ı^+k^\mathbf{v}_0 = \hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\mathbf{k}} 를 가진다. 이 입자는 힘 F(t)=ȷ^−sin⁡t k^\mathbf{F}(t) = \hat{\boldsymbol{\jmath}} - \sin t\, \hat{\mathbf{k}} 를 받아 움직인다. 여기서 tt 는 시각을 나타낸다.

(a) 입자의 위치 r(t)\mathbf{r}(t) 를 tt 의 함수로 구하세요. (b) 시각 t=0t = 0 이후 입자가 평면 x=π/2x = \pi/2 를 처음으로 지날 때의 위치 r1\mathbf{r}_1 을 구하세요. (c) 입자를 r0\mathbf{r}_0 에서 r1\mathbf{r}_1 까지 움직이는 동안 F\mathbf{F} 가 한 일을 구하세요.

영어 원문 보기

A particle of mass m=1m = 1 has position r0=ȷ^\mathbf{r}_0 = \hat{\boldsymbol{\jmath}} and velocity v0=ı^+k^\mathbf{v}_0 = \hat{\boldsymbol{\imath}} + \hat{\mathbf{k}} at time t=0t = 0. The particle moves under a force F(t)=ȷ^−sin⁡t k^\mathbf{F}(t) = \hat{\boldsymbol{\jmath}} - \sin t\, \hat{\mathbf{k}}, where tt denotes time.

(a) Find the position r(t)\mathbf{r}(t) of the particle as a function of tt. (b) Find the position r1\mathbf{r}_1 of the particle when it crosses the plane x=π/2x = \pi/2 for the first time after time t=0t = 0. (c) Determine the work done by F\mathbf{F} in moving the particle from r0\mathbf{r}_0 to r1\mathbf{r}_1.

정답·풀이 보기

(a) m=1m=1 이므로 뉴턴의 운동 법칙에 의해

a(t)=v′(t)=F(t)=ȷ^−sin⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{a}(t) = \mathbf{v}'(t) = \mathbf{F}(t) = \hat{\boldsymbol{\jmath}} - \sin t\, \hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다. 적분하면

v(t)=t ȷ^+cos⁡t k^+c\mathbf{v}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos t\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c}

이다. 여기서 c\mathbf{c} 는 어떤 상수 벡터이다. v(0)=ı^+k^\mathbf{v}(0)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\mathbf{k}} 이므로 c=ı^\mathbf{c} = \hat{\boldsymbol{\imath}} 이고, 따라서

r′(t)=v(t)=ı^+t ȷ^+cos⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = \mathbf{v}(t) = \hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다. 다시 적분하면

r(t)=t ı^+t22 ȷ^+sin⁡t k^+c\mathbf{r}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sin t\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c}

이다. 여기서 c\mathbf{c} 는 (새로운) 어떤 상수 벡터이다. r(0)=ȷ^\mathbf{r}(0)=\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이므로 c=ȷ^\mathbf{c} = \hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고, 따라서

r(t)=t ı^+(1+t22) ȷ^+sin⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left(1+\frac{t^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sin t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다.

(b) 입자는 t=π/2t=\pi/2 일 때 x=π/2x=\pi/2 이고, 이때

r1=r(π/2)=π2 ı^+(1+π28) ȷ^+k^\begin{aligned} \mathbf{r}_1=\mathbf{r}(\pi/2) = \frac{\pi}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left(1+\frac{\pi^2}{8}\right)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다.

(c) 시각 t=0t=0 부터 시각 t=π/2t=\pi/2 까지 한 일은

∫0π/2F(t)⋅dr=∫0π/2F(t)⋅drdt(t) dt=∫0π/2[ȷ^−sin⁡t k^]⋅[ı^+t ȷ^+cos⁡t k^] dt=∫0π/2[t−sin⁡tcos⁡t] dt=[t22+12cos⁡2t]0π/2=π28−12\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \mathbf{F}(t)\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^{\pi/2} \mathbf{F}(t)\cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t =\int_0^{\pi/2} [\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\sin t\,\hat{\mathbf{k}}]\cdot [\hat{\boldsymbol{\imath}}+t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\cos t\,\hat{\mathbf{k}}]\,\mathrm{d}t \\ &= \int_0^{\pi/2} [t -\sin t\cos t]\,\mathrm{d}t =\Big[\frac{t^2}{2}+\frac{1}{2}\cos^2 t\Big]_0^{\pi/2} =\frac{\pi^2}{8}-\frac{1}{2} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since m=1m=1, Newton's law of motion gives

a(t)=v′(t)=F(t)=ȷ^−sin⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{a}(t) = \mathbf{v}'(t) = \mathbf{F}(t) = \hat{\boldsymbol{\jmath}} - \sin t\, \hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

Integating gives

v(t)=t ȷ^+cos⁡t k^+c\mathbf{v}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos t\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c}

for some constant vector c\mathbf{c}. Since v(0)=ı^+k^\mathbf{v}(0)=\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\mathbf{k}}, we have c=ı^\mathbf{c} = \hat{\boldsymbol{\imath}} so that

r′(t)=v(t)=ı^+t ȷ^+cos⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{r}'(t) = \mathbf{v}(t) = \hat{\boldsymbol{\imath}} + t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\cos t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

Integating again gives

r(t)=t ı^+t22 ȷ^+sin⁡t k^+c\mathbf{r}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\frac{t^2}{2}\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sin t\,\hat{\mathbf{k}} +\mathbf{c}

for some (new) constant vector c\mathbf{c}. Since r(0)=ȷ^\mathbf{r}(0)=\hat{\boldsymbol{\jmath}}, we have c=ȷ^\mathbf{c} = \hat{\boldsymbol{\jmath}} so that

r(t)=t ı^+(1+t22) ȷ^+sin⁡t k^\begin{aligned} \mathbf{r}(t) = t\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left(1+\frac{t^2}{2}\right)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\sin t\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(b) The particle has x=π/2x=\pi/2 when t=π/2t=\pi/2 and then

r1=r(π/2)=π2 ı^+(1+π28) ȷ^+k^\begin{aligned} \mathbf{r}_1=\mathbf{r}(\pi/2) = \frac{\pi}{2}\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\left(1+\frac{\pi^2}{8}\right)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + \hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(c) The work done between time t=0t=0 and time t=π/2t=\pi/2 is

∫0π/2F(t)⋅dr=∫0π/2F(t)⋅drdt(t) dt=∫0π/2[ȷ^−sin⁡t k^]⋅[ı^+t ȷ^+cos⁡t k^] dt=∫0π/2[t−sin⁡tcos⁡t] dt=[t22+12cos⁡2t]0π/2=π28−12\begin{aligned} \int_0^{\pi/2} \mathbf{F}(t)\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^{\pi/2} \mathbf{F}(t)\cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}t}(t)\,\mathrm{d}t =\int_0^{\pi/2} [\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\sin t\,\hat{\mathbf{k}}]\cdot [\hat{\boldsymbol{\imath}}+t\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\cos t\,\hat{\mathbf{k}}]\,\mathrm{d}t \\ &= \int_0^{\pi/2} [t -\sin t\cos t]\,\mathrm{d}t =\Big[\frac{t^2}{2}+\frac{1}{2}\cos^2 t\Big]_0^{\pi/2} =\frac{\pi^2}{8}-\frac{1}{2} \end{aligned}

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

벡터장 F=P(x,y) ı^+Q(x,y) ȷ^\mathbf{F} = P (x, y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + Q(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 를 아래에 그렸습니다.

그림

다음 물음에서 그래프로 가장 잘 뒷받침되는 답을 고르세요.

(a) 점 AA 에서의 미분계수 PyP_y 는 (a) 양수이다, (b) 음수이다, (c) 0이다, (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. (b) 점 AA 에서의 미분계수 QxQ_x 는 (a) 양수이다, (b) 음수이다, (c) 0이다, (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. (c) 점 AA 에서 F\mathbf{F} 의 회전(curl)은 (a) +k^+\hat{\mathbf{k}} 방향이다 (b) −k^-\hat{\mathbf{k}} 방향이다 (c) 0이다 (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. (d) 입자가 곡선 C1\mathcal{C}_1 을 따라 점 BB 에서 점 CC 까지 움직일 때 벡터장이 한 일은 (a) 양수이다 (b) 음수이다 (c) 0이다 (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. (e) 입자가 곡선 C2\mathcal{C}_2 를 따라 점 BB 에서 점 CC 까지 움직일 때 벡터장이 한 일은 (a) 양수이다 (b) 음수이다 (c) 0이다 (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다. (f) 벡터장 F\mathbf{F} 는 (a) 어떤 함수 ff 의 그래디언트이다 (b) 어떤 벡터장 G\mathbf{G} 의 회전이다 (c) 보존적이지 않다 (d) 발산이 0이다.

영어 원문 보기

The vector field F=P(x,y) ı^+Q(x,y) ȷ^\mathbf{F} = P (x, y)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + Q(x, y)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} is plotted below.

figure

In the following questions, give the answer that is best supported by the plot.

(a) The derivative PyP_y at the point labelled AA is (a) positive, (b) negative, (c) zero, (d) there is not enough information to tell. (b) The derivative QxQ_x at the point labelled AA is (a) positive, (b) negative, (c) zero, (d) there is not enough information to tell. (c) The curl of F\mathbf{F} at the point labelled AA is (a) in the direction of +k^+\hat{\mathbf{k}} (b) in the direction of −k^-\hat{\mathbf{k}} (c) zero (d) there is not enough information to tell. (d) The work done by the vector field on a particle travelling from point BB to point CC along the curve C1\mathcal{C}_1 is (a) positive (b) negative (c) zero (d) there is not enough information to tell. (e) The work done by the vector field on a particle travelling from point BB to point CC along the curve C2\mathcal{C}_2 is (a) positive (b) negative (c) zero (d) there is not enough information to tell. (f) The vector field F\mathbf{F} is (a) the gradient of some function ff (b) the curl of some vector field G\mathbf{G} (c) not conservative (d) divergence free.

정답·풀이 보기

(a) PP 는 F\mathbf{F} 의 xx성분이다. AA 를 지나 수직 위쪽으로 움직이면 그 xx성분은 감소한다. 따라서 AA 에서 Py<0P_y<0 이다.

(b) QQ 는 F\mathbf{F} 의 yy성분이다. AA 를 지나 수평 오른쪽으로 움직이면 그 yy성분은 증가한다. 따라서 AA 에서 Qx>0Q_x>0 이다.

(c) ∇×F=(Qx−Py)k^{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} = (Q_x-P_y)\hat{\mathbf{k}} 이고 AA 에서 Qx−Py>0Q_x-P_y>0 이므로, AA 에서 F\mathbf{F} 의 회전은 +k^+\hat{\mathbf{k}} 방향이다.

(d) 곡선 C1\mathcal{C}_1 을 따라 F\mathbf{F} 와 dr\mathrm{d}\mathbf{r} 가 이루는 각의 크기가 90∘90^\circ 보다 작으므로 F⋅dr>0\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}>0 이고 ∫C1F⋅dr>0\int_{\mathcal{C}_1}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}>0 이다.

(e) 곡선 C2\mathcal{C}_2 를 따라 F\mathbf{F} 와 dr\mathrm{d}\mathbf{r} 가 이루는 각의 크기가 90∘90^\circ 보다 크므로 F⋅dr<0\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}<0 이고 ∫C2F⋅dr<0\int_{\mathcal{C}_2}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}<0 이다.

(f) F\mathbf{F} 가 보존적이라면 ∫C1F⋅dr=∫C2F⋅dr\int_{\mathcal{C}_1}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =\int_{\mathcal{C}_2}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} 이어야 한다. 그런데 이 두 적분은 부호가 반대이므로 F\mathbf{F} 는 보존적이지 않다. (F\mathbf{F} 가 보존적이지 않으므로 어떤 함수의 그래디언트가 아니다. AA 에서 Px>0P_x>0 이고 Qy>0Q_y>0 이다. 따라서 F\mathbf{F} 는 발산이 0이 아니며 벡터 퍼텐셜의 회전도 아니다.)

원본 교재 풀이(영어)

(a) PP is the xx-component of F\mathbf{F}. As we travel vertically upward through AA, that xx-component decreases. Hence Py<0P_y<0 at AA.

(b) QQ is the yy-component of F\mathbf{F}. As we travel horizontally to the right through AA, that yy-component increases. Hence Qx>0Q_x>0 at AA.

(c) ∇×F=(Qx−Py)k^{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} = (Q_x-P_y)\hat{\mathbf{k}} and Qx−Py>0Q_x-P_y>0 at AA, so that the curl of F\mathbf{F} at AA is in the direction of +k^+\hat{\mathbf{k}}.

(d) Along the curve C1\mathcal{C}_1 the magnitude of the angle between F\mathbf{F} and dr\mathrm{d}\mathbf{r} is less than 90∘90^\circ, so that F⋅dr>0\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}>0 and ∫C1F⋅dr>0\int_{\mathcal{C}_1}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}>0.

(e) Along the curve C2\mathcal{C}_2 the magnitude of the angle between F\mathbf{F} and dr\mathrm{d}\mathbf{r} is greater than 90∘90^\circ, so that F⋅dr<0\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}<0 and ∫C2F⋅dr<0\int_{\mathcal{C}_2}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}<0.

(f) If F\mathbf{F} were conservative, we would have ∫C1F⋅dr=∫C2F⋅dr\int_{\mathcal{C}_1}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =\int_{\mathcal{C}_2}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}. As these two integrals have opposite signs F\mathbf{F} is not conservative. (Since F\mathbf{F} is not conservative, it is not the gradient of some function. At AA, Px>0P_x>0 and Qy>0Q_y>0. So F\mathbf{F} is not divergence free and is not the curl of a vector potential.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.2절 · 39번
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146.CLP-4 · 17번대학 수준우리말 번역

참 또는 거짓을 판단하세요(이유를 반드시 쓰세요):

(a) R3\mathbb{R}^3 위의 매끄러운 벡터장이 컬이 0이고 발산이 0이면, 그 퍼텐셜은 조화함수이다. 정의에 따라 ϕ(x,y,z)\phi(x,y,z) 가 조화함수라는 것은 (∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2)ϕ(x,y,z)=0\big(\frac{\partial^2}{\partial x^2} +\frac{\partial^2}{\partial y^2} +\frac{\partial^2}{\partial z^2}\big) \phi(x,y,z)=0 이라는 뜻이다. (b) F\mathbf{F} 가 R3\mathbb{R}^3 위의 매끄러운 보존 벡터장이면, 매끄러운 임의의 닫힌 곡면을 지나는 플럭스는 0이다.

영어 원문 보기

True or false (reasons must be given):

(a) If a smooth vector field on R3\mathbb{R}^3 is curl free and divergence free, then its potential is harmonic. By definition, ϕ(x,y,z)\phi(x,y,z) is harmonic if (∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2)ϕ(x,y,z)=0\big(\frac{\partial^2}{\partial x^2} +\frac{\partial^2}{\partial y^2} +\frac{\partial^2}{\partial z^2}\big) \phi(x,y,z)=0. (b) If F\mathbf{F} is a smooth conservative vector field on R3\mathbb{R}^3, then its flux through any smooth closed surface is zero.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 참이다. F\mathbf{F} 를 주어진 벡터장이라 하자. R3\mathbb{R}^3 전체에서 ∇×F=0\nabla\times\mathbf{F}=0 이라고 가정하였다. 따라서 어떤 퍼텐셜 함수 ϕ\phi 에 대해 F=∇ϕ\mathbf{F}=\nabla\phi 이다. 또한 0=∇⋅F=∇⋅∇ϕ=(∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2)ϕ0=\nabla\cdot\mathbf{F} =\nabla\cdot\nabla\phi =\big(\frac{\partial^2}{\partial x^2} +\frac{\partial^2}{\partial y^2} +\frac{\partial^2}{\partial z^2}\big)\phi 라고 가정하였다. 이것이 “ϕ\phi 는 조화함수이다”의 정의이다.

(b) 거짓이다. F\mathbf{F} 를 주어진 벡터장이라 하자. 어떤 퍼텐셜 함수 ϕ\phi 에 대해 F=∇ϕ\mathbf{F}=\nabla\phi 라고 가정하였다. SS 가 매끄러운 임의의 닫힌 곡면이고 SS 가 입체 VV 의 경계이면, 발산 정리에 의해 SS 를 지나는 F\mathbf{F} 의 바깥쪽 플럭스는 다음과 같다.

∬SF⋅n^ dS=∭V∇⋅F dV=∭V∇⋅∇ϕ dV=∭V(∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2)ϕ dV\iint _S \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\ \mathrm{d}S =\iiint _V \nabla\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}V =\iiint _V \nabla\cdot\nabla \phi\ \mathrm{d}V =\iiint _V \big(\tfrac{\partial^2}{\partial x^2} +\tfrac{\partial^2}{\partial y^2} +\tfrac{\partial^2}{\partial z^2}\big)\phi\ \mathrm{d}V

예를 들어 ϕ=x2\phi=x^2 이면 (∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2)ϕ=2\big(\frac{\partial^2}{\partial x^2} +\frac{\partial^2}{\partial y^2} +\frac{\partial^2}{\partial z^2}\big)\phi=2 이고, SS 를 지나는 F\mathbf{F} 의 플럭스는 VV 의 부피의 2배이므로 0이 아니다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) True. Let F\mathbf{F} be the vector field. We are assuming that ∇×F=0\nabla\times\mathbf{F}=0 on all of R3\mathbb{R}^3. As a result, F=∇ϕ\mathbf{F}=\nabla\phi for some potential function ϕ\phi. We are also assuming that 0=∇⋅F=∇⋅∇ϕ=(∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2)ϕ0=\nabla\cdot\mathbf{F} =\nabla\cdot\nabla\phi =\big(\frac{\partial^2}{\partial x^2} +\frac{\partial^2}{\partial y^2} +\frac{\partial^2}{\partial z^2}\big)\phi. This is the definition of “ϕ\phi is harmonic”.

(b) False. Let F\mathbf{F} be the vector field. We are assuming that F=∇ϕ\mathbf{F}=\nabla\phi for some potential function ϕ\phi. If SS is any smooth closed surface, with SS being the boundary of the solid VV, then, by the divergence theorem, the outward flux of F\mathbf{F} through SS is

∬SF⋅n^ dS=∭V∇⋅F dV=∭V∇⋅∇ϕ dV=∭V(∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2)ϕ dV\iint _S \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\ \mathrm{d}S =\iiint _V \nabla\cdot\mathbf{F}\ \mathrm{d}V =\iiint _V \nabla\cdot\nabla \phi\ \mathrm{d}V =\iiint _V \big(\tfrac{\partial^2}{\partial x^2} +\tfrac{\partial^2}{\partial y^2} +\tfrac{\partial^2}{\partial z^2}\big)\phi\ \mathrm{d}V

If, for example, ϕ=x2\phi=x^2, then (∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2)ϕ=2\big(\frac{\partial^2}{\partial x^2} +\frac{\partial^2}{\partial y^2} +\frac{\partial^2}{\partial z^2}\big)\phi=2 and the flux of F\mathbf{F} through SS is twice the volume of VV, which is not zero.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 7번
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