따라서 h(x)=2z2+C 이고, 그러므로 임의의 상수 C 에 대해 f(x,y,z)=xsiny+yz+2z2+C 이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a)
Parametrize C by x. When the first component of a point on the
curve is x, then the second component, y, must be x2 and
the third component, z, must be x3. So
(a) ∫C(x2+y)dx+xdy, 여기서 C 는 포물선
y=9−x2 의 호로서 (−3,0) 에서 (3,0) 까지이다.
(b) ∫CF⋅n^ds, 여기서 F(x,y)=2x2^+yex^ 이고,
C 는 정사각형 0≤x≤1, 0≤y≤1 의 경계이다. 여기서
n^ 은 정사각형의 바깥쪽을 향하는 단위법선벡터이고, s 는 호의 길이이다.
영어 원문 보기
Evaluate the line integrals below. (Use any method you like.)
(a) ∫C(x2+y)dx+xdy, where C is the arc of the parabola
y=9−x2 from (−3,0) to (3,0).
(b) ∫CF⋅n^ds, where F(x,y)=2x2^+yex^,
C is the boundary of the square 0≤x≤1, 0≤y≤1. Here
n^ is the unit normal vector pointing outward from the square, and s is arc length.
질량 m=1 인 입자가 시각 t=0 에서 위치 r0=^ 와 속도 v0=^+k^ 를 가진다. 이 입자는 힘 F(t)=^−sintk^ 를 받아 움직인다. 여기서 t 는 시각을 나타낸다.
(a) 입자의 위치 r(t) 를 t 의 함수로 구하세요.
(b) 시각 t=0 이후 입자가 평면 x=π/2 를 처음으로 지날 때의 위치 r1 을 구하세요.
(c) 입자를 r0 에서 r1 까지 움직이는 동안 F 가 한 일을 구하세요.
영어 원문 보기
A particle of mass m=1 has position r0=^ and velocity
v0=^+k^ at time t=0. The particle moves under a force
F(t)=^−sintk^, where t denotes time.
(a) Find the position r(t) of the particle as a function of t.
(b) Find the position r1 of the particle when it crosses the plane
x=π/2 for the first time after time t=0.
(c) Determine the work done by F in moving the particle from r0 to
r1.
정답·풀이 보기
(a) m=1 이므로 뉴턴의 운동 법칙에 의해
a(t)=v′(t)=F(t)=^−sintk^
이다. 적분하면
v(t)=t^+costk^+c
이다. 여기서 c 는 어떤 상수 벡터이다. v(0)=^+k^ 이므로 c=^ 이고, 따라서
r′(t)=v(t)=^+t^+costk^
이다. 다시 적분하면
r(t)=t^+2t2^+sintk^+c
이다. 여기서 c 는 (새로운) 어떤 상수 벡터이다. r(0)=^ 이므로 c=^ 이고, 따라서
(a) 점 A 에서의 미분계수 Py 는
(a) 양수이다, (b) 음수이다, (c) 0이다,
(d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다.
(b) 점 A 에서의 미분계수 Qx 는
(a) 양수이다, (b) 음수이다, (c) 0이다,
(d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다.
(c) 점 A 에서 F 의 회전(curl)은
(a) +k^ 방향이다
(b) −k^ 방향이다
(c) 0이다 (d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다.
(d) 입자가 곡선 C1 을 따라 점 B 에서 점 C 까지 움직일 때 벡터장이 한 일은
(a) 양수이다 (b) 음수이다 (c) 0이다
(d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다.
(e) 입자가 곡선 C2 를 따라 점 B 에서 점 C 까지 움직일 때 벡터장이 한 일은
(a) 양수이다 (b) 음수이다 (c) 0이다
(d) 알 수 있는 정보가 충분하지 않다.
(f) 벡터장 F 는
(a) 어떤 함수 f 의 그래디언트이다
(b) 어떤 벡터장 G 의 회전이다
(c) 보존적이지 않다
(d) 발산이 0이다.
영어 원문 보기
The vector field
F=P(x,y)^+Q(x,y)^
is plotted below.
In the following questions, give the answer that
is best supported by the plot.
(a) The derivative Py at the point labelled A is
(a) positive, (b) negative, (c) zero,
(d) there is not enough information to tell.
(b) The derivative Qx at the point labelled A is
(a) positive, (b) negative, (c) zero,
(d) there is not enough information to tell.
(c) The curl of F at the point labelled A is
(a) in the direction of +k^
(b) in the direction of −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
B to point C along the curve C1 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
B to point C along the curve C2 is
(a) positive (b) negative (c) zero
(d) there is not enough information to tell.
(f) The vector field F is
(a) the gradient of some function f
(b) the curl of some vector field G
(c) not conservative
(d) divergence free.
정답·풀이 보기
(a) P 는 F 의 x성분이다. A 를 지나 수직 위쪽으로 움직이면 그 x성분은 감소한다. 따라서 A 에서 Py<0 이다.
(b) Q 는 F 의 y성분이다. A 를 지나 수평 오른쪽으로 움직이면 그 y성분은 증가한다. 따라서 A 에서 Qx>0 이다.
(c) ∇×F=(Qx−Py)k^ 이고 A 에서 Qx−Py>0 이므로, A 에서 F 의 회전은 +k^ 방향이다.
(d) 곡선 C1 을 따라 F 와 dr 가 이루는 각의 크기가 90∘ 보다 작으므로 F⋅dr>0 이고 ∫C1F⋅dr>0 이다.
(e) 곡선 C2 를 따라 F 와 dr 가 이루는 각의 크기가 90∘ 보다 크므로 F⋅dr<0 이고 ∫C2F⋅dr<0 이다.
(f) F 가 보존적이라면 ∫C1F⋅dr=∫C2F⋅dr 이어야 한다. 그런데 이 두 적분은 부호가 반대이므로 F 는 보존적이지 않다. (F 가 보존적이지 않으므로 어떤 함수의 그래디언트가 아니다. A 에서 Px>0 이고 Qy>0 이다. 따라서 F 는 발산이 0이 아니며 벡터 퍼텐셜의 회전도 아니다.)
원본 교재 풀이(영어)
(a) P is the x-component of F. As we travel vertically upward
through A, that x-component decreases. Hence Py<0 at A.
(b) Q is the y-component of F. As we travel horizontally to the
right through A, that y-component increases. Hence Qx>0 at A.
(c) ∇×F=(Qx−Py)k^ and Qx−Py>0 at A, so that
the curl of F at A is in the direction of +k^.
(d) Along the curve C1 the magnitude of the angle between F
and dr is less than 90∘, so that F⋅dr>0
and ∫C1F⋅dr>0.
(e) Along the curve C2 the magnitude of the angle between F
and dr is greater than 90∘, so that F⋅dr<0
and ∫C2F⋅dr<0.
(f) If F were conservative, we would have ∫C1F⋅dr=∫C2F⋅dr. As these two integrals have opposite signs
F is not conservative. (Since F is not conservative, it is not the gradient of some function. At A, Px>0 and Qy>0. So F is not divergence free and is not the curl of a vector potential.)
(a) R3 위의 매끄러운 벡터장이 컬이 0이고 발산이 0이면, 그 퍼텐셜은 조화함수이다. 정의에 따라 ϕ(x,y,z) 가 조화함수라는 것은 (∂x2∂2+∂y2∂2+∂z2∂2)ϕ(x,y,z)=0 이라는 뜻이다.
(b) F 가 R3 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 is curl free and divergence
free, then its potential is harmonic. By definition, ϕ(x,y,z)
is harmonic if (∂x2∂2+∂y2∂2+∂z2∂2)ϕ(x,y,z)=0.
(b) If F is a smooth conservative vector field on R3,
then its flux through any smooth closed surface is zero.
답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기
(a) 참이다.
F 를 주어진 벡터장이라 하자. R3 전체에서 ∇×F=0 이라고 가정하였다. 따라서 어떤 퍼텐셜 함수 ϕ 에 대해 F=∇ϕ 이다. 또한 0=∇⋅F=∇⋅∇ϕ=(∂x2∂2+∂y2∂2+∂z2∂2)ϕ 라고 가정하였다. 이것이 “ϕ 는 조화함수이다”의 정의이다.
(b) 거짓이다.
F 를 주어진 벡터장이라 하자. 어떤 퍼텐셜 함수 ϕ 에 대해 F=∇ϕ 라고 가정하였다. S 가 매끄러운 임의의 닫힌 곡면이고 S 가 입체 V 의 경계이면, 발산 정리에 의해 S 를 지나는 F 의 바깥쪽 플럭스는 다음과 같다.
예를 들어 ϕ=x2 이면 (∂x2∂2+∂y2∂2+∂z2∂2)ϕ=2 이고, S 를 지나는 F 의 플럭스는 V 의 부피의 2배이므로 0이 아니다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) True.
Let F be the vector field. We are assuming
that ∇×F=0 on all of R3. As a result, F=∇ϕ
for some potential function ϕ. We are also assuming that 0=∇⋅F=∇⋅∇ϕ=(∂x2∂2+∂y2∂2+∂z2∂2)ϕ. This is the definition
of “ϕ is harmonic”.
(b) False.
Let F be the vector field. We are assuming
that F=∇ϕ for some potential function ϕ. If S is any
smooth closed surface, with S being the boundary of the solid V, then,
by the divergence theorem, the outward flux of F through S is