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.

2문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-4 · 1.6절 · 2번대학 수준우리말 번역

(a) 극좌표로 r=r(θ)r=r(\theta), θ1≤θ≤θ2\theta_1\le \theta\le\theta_2 와 같이 주어진 곡선 C\mathcal{C} 를 따라 적분한 ∫Cf(x,y) ds\int_\mathcal{C} f(x,y)\,ds 가

∫θ1θ2f(r(θ)cos⁡θ,r(θ)sin⁡θ)r(θ)2+(drdθ(θ))2 dθ\int_{\theta_1}^{\theta_2}f\big(r(\theta)\cos\theta, r(\theta)\sin\theta\big) \sqrt{r(\theta)^2+\left(\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}(\theta)\right)^2}\, \mathrm{d}\theta 임을 보이세요. (b) r=1+cos⁡θ, 0≤θ≤2πr=1+\cos\theta,\ 0\le \theta\le 2\pi 의 곡선의 길이를 구하세요. 계산을 간단히 하기 위해 다음 공식을 사용해도 됩니다.

1+cos⁡θ=2cos⁡2θ21+\cos\theta=2\cos^2\frac{\theta}{2}

영어 원문 보기

(a) Show that the integral ∫Cf(x,y) ds\int_\mathcal{C} f(x,y)\,ds along the curve C\mathcal{C} given in polar coordinates by r=r(θ)r=r(\theta), θ1≤θ≤θ2\theta_1\le \theta\le\theta_2, is

∫θ1θ2f(r(θ)cos⁡θ,r(θ)sin⁡θ)r(θ)2+(drdθ(θ))2 dθ\int_{\theta_1}^{\theta_2}f\big(r(\theta)\cos\theta, r(\theta)\sin\theta\big) \sqrt{r(\theta)^2+\left(\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}(\theta)\right)^2}\, \mathrm{d}\theta (b) Compute the arc length of r=1+cos⁡θ, 0≤θ≤2πr=1+\cos\theta,\ 0\le \theta\le 2\pi. You may use the formula

1+cos⁡θ=2cos⁡2θ21+\cos\theta=2\cos^2\frac{\theta}{2}

to simplify the computation.

정답·풀이 보기

(a) 곡선은 r(θ)=x(θ) ı^+y(θ) ȷ^\mathbf{r}(\theta) = x(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고 x(θ)=r(θ)cos⁡θx(\theta)=r(\theta)\cos\theta, y(θ)=r(θ)sin⁡θy(\theta)=r(\theta)\sin\theta, θ1≤θ≤θ2\theta_1\le \theta\le \theta_2 이다. 이 곡선 위에서

v(θ)=drdθ(θ)=x′(θ)ı^+y′(θ)ȷ^=[r′(θ)cos⁡θ−r(θ)sin⁡θ]ı^+[r′(θ)sin⁡θ+r(θ)cos⁡θ]ȷ^  ⟹  dsdθ(θ)=[r′(θ)cos⁡θ−r(θ)sin⁡θ]2+[r′(θ)sin⁡θ+r(θ)cos⁡θ]2=r′(θ)2+r(θ)2\begin{aligned} \mathbf{v}(\theta) =\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}\theta}(\theta)&= x'(\theta)\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y'(\theta)\hat{\boldsymbol{\jmath}} =\big[r'(\theta)\cos\theta-r(\theta)\sin\theta\big]\hat{\boldsymbol{\imath}}+ \big[r'(\theta)\sin\theta+r(\theta)\cos\theta\big]\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ \implies \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}(\theta) &=\sqrt{\big[r'(\theta)\cos\theta-r(\theta)\sin\theta\big]^2 + \big[r'(\theta)\sin\theta+r(\theta)\cos\theta\big]^2}\\ &=\sqrt{r'(\theta)^2+r(\theta)^2} \end{aligned}

따라서

∫Cf(x,y) ds=∫θ1θ2 ⁣ ⁣ ⁣f(x(θ),y(θ))dsdθ dθ=∫θ1θ2 ⁣ ⁣ ⁣f(r(θ)cos⁡θ,r(θ)sin⁡θ)r(θ)2+(drdθ(θ))2 dθ\begin{aligned} \int_\mathcal{C} f(x,y)\,ds &= \int_{\theta_1}^{\theta_2}\!\!\!f\big(x(\theta), y(\theta)\big) \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}\,\mathrm{d}\theta \\ &=\int_{\theta_1}^{\theta_2}\!\!\!f\big(r(\theta)\cos\theta, r(\theta)\sin\theta\big) \sqrt{r(\theta)^2 +\left(\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}(\theta)\right)^2}\, \mathrm{d}\theta \end{aligned}

이다.

(b) 이 경우 f(x,y)=1f(x,y)=1, r(θ)=1+cos⁡θr(\theta)=1+\cos\theta, θ1=0\theta_1=0, θ2=2π\theta_2=2\pi 이므로

∫C ds=∫02π[1+cos⁡θ]2+[−sin⁡θ]2 dθ=∫02π2(1+cos⁡θ) dθ=∫02π4cos⁡2θ2 dθ=2∫02π∣cos⁡θ2∣ dθ=4∫0πcos⁡θ2 dθ=8sin⁡θ2∣0π=8\begin{aligned} \int_C \,ds &=\int_0^{2\pi} \sqrt{[1+\cos\theta]^2+[-\sin\theta]^2}\,\mathrm{d}\theta =\int_0^{2\pi} \sqrt{2(1+\cos\theta)}\,\mathrm{d}\theta\\ &=\int_0^{2\pi} \sqrt{4\cos^2\frac{\theta}{2}}\,\mathrm{d}\theta =2\int_0^{2\pi} \left|\cos\frac{\theta}{2}\right|\,\mathrm{d}\theta =4\int_0^{\pi} \cos\frac{\theta}{2}\ \mathrm{d}\theta =8 \sin\frac{\theta}{2}\bigg|_0^{\pi} =8 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The curve is r(θ)=x(θ) ı^+y(θ) ȷ^\mathbf{r}(\theta) = x(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y(\theta)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} with x(θ)=r(θ)cos⁡θx(\theta)=r(\theta)\cos\theta, y(θ)=r(θ)sin⁡θy(\theta)=r(\theta)\sin\theta and θ1≤θ≤θ2\theta_1\le \theta\le \theta_2. On this curve

v(θ)=drdθ(θ)=x′(θ)ı^+y′(θ)ȷ^=[r′(θ)cos⁡θ−r(θ)sin⁡θ]ı^+[r′(θ)sin⁡θ+r(θ)cos⁡θ]ȷ^  ⟹  dsdθ(θ)=[r′(θ)cos⁡θ−r(θ)sin⁡θ]2+[r′(θ)sin⁡θ+r(θ)cos⁡θ]2=r′(θ)2+r(θ)2\begin{aligned} \mathbf{v}(\theta) =\frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}\theta}(\theta)&= x'(\theta)\hat{\boldsymbol{\imath}}+ y'(\theta)\hat{\boldsymbol{\jmath}} =\big[r'(\theta)\cos\theta-r(\theta)\sin\theta\big]\hat{\boldsymbol{\imath}}+ \big[r'(\theta)\sin\theta+r(\theta)\cos\theta\big]\hat{\boldsymbol{\jmath}}\\ \implies \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}(\theta) &=\sqrt{\big[r'(\theta)\cos\theta-r(\theta)\sin\theta\big]^2 + \big[r'(\theta)\sin\theta+r(\theta)\cos\theta\big]^2}\\ &=\sqrt{r'(\theta)^2+r(\theta)^2} \end{aligned}

Hence

∫Cf(x,y) ds=∫θ1θ2 ⁣ ⁣ ⁣f(x(θ),y(θ))dsdθ dθ=∫θ1θ2 ⁣ ⁣ ⁣f(r(θ)cos⁡θ,r(θ)sin⁡θ)r(θ)2+(drdθ(θ))2 dθ\begin{aligned} \int_\mathcal{C} f(x,y)\,ds &= \int_{\theta_1}^{\theta_2}\!\!\!f\big(x(\theta), y(\theta)\big) \frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}\theta}\,\mathrm{d}\theta \\ &=\int_{\theta_1}^{\theta_2}\!\!\!f\big(r(\theta)\cos\theta, r(\theta)\sin\theta\big) \sqrt{r(\theta)^2 +\left(\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}(\theta)\right)^2}\, \mathrm{d}\theta \end{aligned}

(b) In this case f(x,y)=1f(x,y)=1, r(θ)=1+cos⁡θr(\theta)=1+\cos\theta, θ1=0\theta_1=0 and θ2=2π\theta_2=2\pi,

∫C ds=∫02π[1+cos⁡θ]2+[−sin⁡θ]2 dθ=∫02π2(1+cos⁡θ) dθ=∫02π4cos⁡2θ2 dθ=2∫02π∣cos⁡θ2∣ dθ=4∫0πcos⁡θ2 dθ=8sin⁡θ2∣0π=8\begin{aligned} \int_C \,ds &=\int_0^{2\pi} \sqrt{[1+\cos\theta]^2+[-\sin\theta]^2}\,\mathrm{d}\theta =\int_0^{2\pi} \sqrt{2(1+\cos\theta)}\,\mathrm{d}\theta\\ &=\int_0^{2\pi} \sqrt{4\cos^2\frac{\theta}{2}}\,\mathrm{d}\theta =2\int_0^{2\pi} \left|\cos\frac{\theta}{2}\right|\,\mathrm{d}\theta =4\int_0^{\pi} \cos\frac{\theta}{2}\ \mathrm{d}\theta =8 \sin\frac{\theta}{2}\bigg|_0^{\pi} =8 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 1.6절 · 6번
# 선적분증명·논술기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.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)