문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

스토크스 정리

곡면 경계의 선적분을 곡면 위 회전의 면적분으로 바꾼다

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

69문제 · 4 / 4쪽

61.CLP-4 · 4.4절 · 29번대학 수준우리말 번역

CC 를 x+2y−z=7x+2y-z=7 과 x2−2x+4y2=15x^2-2x+4y^2=15 의 교선이라 하자. 곡선 CC 는 zz축 위쪽 높은 곳에서 볼 때 반시계 방향으로 향하고 있다.

F=(ex2+yz) ı^+(cos⁡(y2)−x2) ȷ^+(sin⁡(z2)+xy) k^\mathbf{F}=\big(e^{x^2}+yz\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\big(\cos(y^2)-x^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\big(\sin(z^2)+xy\big)\,\hat{\mathbf{k}}

일 때, ∮CF⋅dr\oint_C\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let CC be the intersection of x+2y−z=7x+2y-z=7 and x2−2x+4y2=15x^2-2x+4y^2=15. The curve CC is oriented counterclockwise when viewed from high on the zz-axis. Let

F=(ex2+yz) ı^+(cos⁡(y2)−x2) ȷ^+(sin⁡(z2)+xy) k^\mathbf{F}=\big(e^{x^2}+yz\big)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\big(\cos(y^2)-x^2\big)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\big(\sin(z^2)+xy\big)\,\hat{\mathbf{k}}

Evaluate ∮CF⋅dr\oint_C\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

F\mathbf{F} 의 꼴을 보면 직접 계산하기는 어려워 보인다. 그래서 스토크스 정리를 이용하되, SS 를 평면 G(x,y,z)=x+2y−z=7G(x,y,z)=x+2y-z=7 중에서 x2−2x+4y2=15x^2-2x+4y^2=15 의 안쪽에 있는 부분으로 잡는다. 그러면

n^ dS=±∇G∇G⋅k^ dx dy=±(ı^+2ȷ^−k^) dx dy\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \pm \frac{{ \boldsymbol{\nabla} } G}{{ \boldsymbol{\nabla} } G\cdot\hat{\mathbf{k}}}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y = \pm\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}}\big)\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y

이다. CC 가 위에서 볼 때 반시계 방향이므로, 스토크스 정리에 따라 위쪽을 향하는 법선벡터를 택해야 하고, 따라서 n^ dS=−(ı^+2ȷ^−k^) dx dy\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = -\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}}\big)\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y 이다.

다음을 관찰하면

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zex2+yzcos⁡(y2)−x2sin⁡(z2)+xy]=x ı^−(z+2x) k^{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\[0.05in] \frac{\partial }{\partial x} & \frac{\partial }{\partial y} & \frac{\partial }{\partial z} \\[0.05in] e^{x^2}+yz & \cos(y^2)-x^2 & \sin(z^2)+xy \end{matrix} \right] =x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-(z+2x)\,\hat{\mathbf{k}}

이고 x2−2x+4y2=15x^2-2x+4y^2=15 를 (x−1)2+4y2=16(x-1)^2+4y^2=16 으로 다시 쓸 수 있으므로,

∮CF⋅dr=∬S∇×F⋅n^ dS=∬(x−1)2+4y2≤16 [xı^−(z+2x)k^]∣z=−7+x+2y⋅(−1,−2,1) dx dy=∬(x−1)2+4y2≤16[−x−(−7+x+2y+2x)] dx dy=∬(x−1)2+4y2≤16[7−4x−2y] dx dy\begin{aligned} \oint_C\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\iint _S { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S\\ &=\iint _{(x-1)^2+4y^2\le 16}\, [x\hat{\boldsymbol{\imath}}-(z+2x)\hat{\mathbf{k}}]\Big|_{z=-7+x+2y}\cdot(-1,-2,1)\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\\ &=\iint _{(x-1)^2+4y^2\le 16} [-x-(-7+x+2y+2x)]\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\\ &=\iint _{(x-1)^2+4y^2\le 16} [7-4x-2y]\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

이다.

xx 와 yy 의 적분을 계산하기 위해, xyxy평면 위의 임의의 영역 RR 에 대하여 다음이 성립함을 이용한다.

xˉ=∬Rx dx dy넓이(R)yˉ=∬Ry dx dy넓이(R)\bar x =\frac{\iint _R x\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y}{\text{넓이}(R)}\qquad \bar y =\frac{\iint _R y\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y}{\text{넓이}(R)}

이 타원은 (x−1)242+y222=1\frac{(x-1)^2}{4^2}+\frac{y^2}{2^2}=1 이므로 넓이가 πab=π×4×2=8π\pi ab = \pi\times4\times 2=8\pi 이고 무게중심은 (xˉ,yˉ)=(1,0)(\bar x,\bar y) = (1,0) 이다. 따라서 R={ (x,y) ∣ (x−1)242+y222≤1 }R=\big\{ \ (x,y)\ \big|\ \frac{(x-1)^2}{4^2}+\frac{y^2}{2^2}\le 1\ \big\} 로 놓으면

∮CF⋅dr=∬R[7−4x−2y] dx dy=넓이(R){7−4xˉ−2yˉ}=8π[7−4×1−2×0]=24π\begin{aligned} \oint_C\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\iint _R [7-4x-2y]\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\\ &=\text{넓이}(R) \big\{7-4\bar x-2\bar y\}\\ &=8\pi[7-4\times 1-2\times 0]=24\pi \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Given the form of F\mathbf{F}, direct evaluation looks hard. So let's try Stokes' theorem, using as SS the part of the plane G(x,y,z)=x+2y−z=7G(x,y,z)=x+2y-z=7 that is inside x2−2x+4y2=15x^2-2x+4y^2=15. Then

n^ dS=±∇G∇G⋅k^ dx dy=±(ı^+2ȷ^−k^) dx dy\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \pm \frac{{ \boldsymbol{\nabla} } G}{{ \boldsymbol{\nabla} } G\cdot\hat{\mathbf{k}}}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y = \pm\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}}\big)\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y

As CC is oriented counterclockwise when viewed from high, Stokes' theorem specifies the upward pointing normal so that n^ dS=−(ı^+2ȷ^−k^) dx dy\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = -\big(\hat{\boldsymbol{\imath}}+2\hat{\boldsymbol{\jmath}}-\hat{\mathbf{k}}\big)\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y.

From the observations that

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zex2+yzcos⁡(y2)−x2sin⁡(z2)+xy]=x ı^−(z+2x) k^{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\[0.05in] \frac{\partial }{\partial x} & \frac{\partial }{\partial y} & \frac{\partial }{\partial z} \\[0.05in] e^{x^2}+yz & \cos(y^2)-x^2 & \sin(z^2)+xy \end{matrix} \right] =x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-(z+2x)\,\hat{\mathbf{k}}

and that we can rewrite x2−2x+4y2=15x^2-2x+4y^2=15 as (x−1)2+4y2=16(x-1)^2+4y^2=16, we have

∮CF⋅dr=∬S∇×F⋅n^ dS=∬(x−1)2+4y2≤16 [xı^−(z+2x)k^]∣z=−7+x+2y⋅(−1,−2,1) dx dy=∬(x−1)2+4y2≤16[−x−(−7+x+2y+2x)] dx dy=∬(x−1)2+4y2≤16[7−4x−2y] dx dy\begin{aligned} \oint_C\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\iint _S { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S\\ &=\iint _{(x-1)^2+4y^2\le 16}\, [x\hat{\boldsymbol{\imath}}-(z+2x)\hat{\mathbf{k}}]\Big|_{z=-7+x+2y}\cdot(-1,-2,1)\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\\ &=\iint _{(x-1)^2+4y^2\le 16} [-x-(-7+x+2y+2x)]\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\\ &=\iint _{(x-1)^2+4y^2\le 16} [7-4x-2y]\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

To evaluate the integrals of xx and yy we use that, for any region RR in the xyxy–plane,

xˉ=∬Rx dx dyArea(R)yˉ=∬Ry dx dyArea(R)\bar x =\frac{\iint _R x\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y}{\text{Area}(R)}\qquad \bar y =\frac{\iint _R y\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y}{\text{Area}(R)}

Our ellipse is (x−1)242+y222=1\frac{(x-1)^2}{4^2}+\frac{y^2}{2^2}=1 and so has area πab=π×4×2=8π\pi ab = \pi\times4\times 2=8\pi and centroid (xˉ,yˉ)=(1,0)(\bar x,\bar y) = (1,0). So, using R={ (x,y) ∣ (x−1)242+y222≤1 }R=\big\{ \ (x,y)\ \big|\ \frac{(x-1)^2}{4^2}+\frac{y^2}{2^2}\le 1\ \big\},

∮CF⋅dr=∬R[7−4x−2y] dx dy=Area(R){7−4xˉ−2yˉ}=8π[7−4×1−2×0]=24π\begin{aligned} \oint_C\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\iint _R [7-4x-2y]\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\\ &=\text{Area}(R) \big\{7-4\bar x-2\bar y\}\\ &=8\pi[7-4\times 1-2\times 0]=24\pi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.4절 · 28번
# 스토크스 정리계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
62.CLP-4 · 4.4절 · 30번대학 수준우리말 번역

(a) 벡터장 F=(2+x2+z , 0 , 3+x2z)\mathbf{F} = \big(2 + x^2 + z\,,\, 0\,,\, 3 + x^2 z\big) 의 회전(curl)을 구하세요. (b) CC 를 R3\mathbb{R}^3 에서 점 (0,0,0)(0, 0, 0) 에서 점 (2,0,0)(2, 0, 0) 까지 가는 곡선이라 하자. 이 곡선은 점 (0,0,0)(0, 0, 0) 에서 (0,0,3)(0, 0, 3) 까지, (0,0,3)(0, 0, 3) 에서 (0,1,0)(0, 1, 0) 까지, 그리고 (0,1,0)(0, 1, 0) 에서 (2,0,0)(2, 0, 0) 까지 잇는 세 개의 선분이 차례로 이어진 것이다. 선적분

∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}

의 값을 구하세요. 여기서 F\mathbf{F} 는 (a)의 벡터장이다.

영어 원문 보기

(a) Find the curl of the vector field F=(2+x2+z , 0 , 3+x2z)\mathbf{F} = \big(2 + x^2 + z\,,\, 0\,,\, 3 + x^2 z\big). (b) Let CC be the curve in R3\mathbb{R}^3 from the point (0,0,0)(0, 0, 0) to the point (2,0,0)(2, 0, 0), consisting of three consecutive line segments connecting the points (0,0,0)(0, 0, 0) to (0,0,3)(0, 0, 3), (0,0,3)(0, 0, 3) to (0,1,0)(0, 1, 0), and (0,1,0)(0, 1, 0) to (2,0,0)(2, 0, 0). Evaluate the line integral

∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r}

where F\mathbf{F} is the vector field from (a).

정답·풀이 보기

(a) 회전은 다음과 같다.

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂z2+x2+z03+x2z]=(1−2xz) ȷ^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ \tfrac{\partial}{\partial x} & \tfrac{\partial}{\partial y} & \tfrac{\partial}{\partial z} \\ 2+x^2+z & 0 & 3+x^2z \end{matrix} \right] =(1-2xz)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

(b) 스토크스 정리를 이용한다. 주어진 곡선 CC 는 닫혀 있지 않으므로 어떤 곡면의 경계가 아니다. 그래서 CC 에 (2,0,0)(2,0,0) 에서 (0,0,0)(0,0,0) 까지의 선분 LL 을 이어 붙여 CC 를 닫힌 곡선 C~\tilde C 로 확장한다. 아래 그림에서 CC 는 빨간 곡선이고 C~\tilde C 는 CC 와 파란 선분을 합한 것이다.

그림

닫힌 곡선 C~\tilde C 는 다음 두 삼각형의 합집합인 곡면 SS 의 경계이다.

  • yzyz평면 위에 있고 꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0), (0,0,3)(0,0,3), (0,1,0)(0,1,0) 이며 법선 벡터가 −ı^-\hat{\boldsymbol{\imath}} 인 삼각형 T1T_1
  • xyxy평면 위에 있고 꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0), (0,1,0)(0,1,0), (2,0,0)(2,0,0) 이며 법선 벡터가 −k^-\hat{\mathbf{k}} 인 삼각형 T2T_2

따라서 스토크스 정리에 의해

∫CF⋅dr+∫LF⋅dr=∫∂SF⋅dr=∬S∇×F⋅n^ dS=∬T1∇×F⋅(−ı^) dS+∬T2∇×F⋅(−k^) dS=∬T1(1−2xz) ȷ^⋅(−ı^) dS+∬T2(1−2xz) ȷ^⋅(−k^) dS=0\begin{aligned} \int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} + \int_L \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &= \int_{\partial S} \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _S { \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S \\ &= \iint _{T_1} { \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F}\cdot(-\hat{\boldsymbol{\imath}})\,\mathrm{d}S + \iint _{T_2} { \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F}\cdot(-\hat{\mathbf{k}})\,\mathrm{d}S \\ &= \iint _{T_1} (1-2xz)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot(-\hat{\boldsymbol{\imath}})\,\mathrm{d}S + \iint _{T_2} (1-2xz)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot(-\hat{\mathbf{k}})\,\mathrm{d}S \\ &=0 \end{aligned}

그러므로 구하려는 적분은

∫CF⋅dr=−∫LF⋅dr=−∫20(2+x2) dxL 위에서 dy=dz=z=0 이므로=∫02(2+x2) dx=[2x+x33]02=203\begin{aligned} \int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=- \int_L \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =- \int_2^0 (2+x^2)\,\mathrm{d}x \qquad\text{$L$ 위에서 $\mathrm{d}y=\mathrm{d}z=z=0$ 이므로} \\ &=\int_0^2 (2+x^2)\,\mathrm{d}x ={\left[2x+\frac{x^3}{3}\right]}_0^2 =\frac{20}{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The curl is

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂z2+x2+z03+x2z]=(1−2xz) ȷ^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ \tfrac{\partial}{\partial x} & \tfrac{\partial}{\partial y} & \tfrac{\partial}{\partial z} \\ 2+x^2+z & 0 & 3+x^2z \end{matrix} \right] =(1-2xz)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

(b) We are going to use Stokes' theorem. The specified curve CC is not closed and so is not the boundary of a surface. So we extend CC to a closed curve C~\tilde C by appending to CC the line segment LL from (2,0,0)(2,0,0) to (0,0,0)(0,0,0). In the figure below, CC is the red curve and C~\tilde C is CC plus the blue line segment.

figure

The closed curve C~\tilde C is boundary of the surface SS that is the union of

  • the triangle T1T_1 in the yzyz-plane with vertices (0,0,0)(0,0,0), (0,0,3)(0,0,3) and (0,1,0)(0,1,0) and with normal vector −ı^-\hat{\boldsymbol{\imath}} and
  • the triangle T2T_2 in the xyxy-plane with vertices (0,0,0)(0,0,0), (0,1,0)(0,1,0) and (2,0,0)(2,0,0) and with normal vector −k^-\hat{\mathbf{k}}.

So, by Stokes' theorem

∫CF⋅dr+∫LF⋅dr=∫∂SF⋅dr=∬S∇×F⋅n^ dS=∬T1∇×F⋅(−ı^) dS+∬T2∇×F⋅(−k^) dS=∬T1(1−2xz) ȷ^⋅(−ı^) dS+∬T2(1−2xz) ȷ^⋅(−k^) dS=0\begin{aligned} \int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} + \int_L \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &= \int_{\partial S} \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _S { \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S \\ &= \iint _{T_1} { \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F}\cdot(-\hat{\boldsymbol{\imath}})\,\mathrm{d}S + \iint _{T_2} { \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F}\cdot(-\hat{\mathbf{k}})\,\mathrm{d}S \\ &= \iint _{T_1} (1-2xz)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot(-\hat{\boldsymbol{\imath}})\,\mathrm{d}S + \iint _{T_2} (1-2xz)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\cdot(-\hat{\mathbf{k}})\,\mathrm{d}S \\ &=0 \end{aligned}

Consequently the integral of interest

∫CF⋅dr=−∫LF⋅dr=−∫20(2+x2) dxsince dy=dz=z=0 on L=∫02(2+x2) dx=[2x+x33]02=203\begin{aligned} \int_C \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=- \int_L \mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =- \int_2^0 (2+x^2)\,\mathrm{d}x \qquad\text{since $\mathrm{d}y=\mathrm{d}z=z=0$ on $L$} \\ &=\int_0^2 (2+x^2)\,\mathrm{d}x ={\left[2x+\frac{x^3}{3}\right]}_0^2 =\frac{20}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.4절 · 31번
# 스토크스 정리계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
63.CLP-4 · 4.4절 · 31번대학 수준우리말 번역

(a) SS 를 원기둥면 y2+z2=9y^2 + z^2 = 9 (x=0x = 0 과 x=5x = 5 사이)와, yzyz평면 위에서 원점을 중심으로 하는 반지름 33 인 원판으로 이루어진 양동이 모양의 곡면이라 하자. (양동이 SS 는 바닥은 있지만 뚜껑은 없다.) SS 의 단위법선벡터가 바깥쪽을 향하도록 방향을 정한다. G=(x,−z,y)\mathbf{G} = (x, -z, y) 일 때, SS 를 지나는 벡터장 ∇×G{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{G} 의 플럭스를 구하세요. (b) SS 가 (a)와 같을 때, SS 를 지나는 벡터장 F=(2+z,xz2,xcos⁡y)\mathbf{F} = (2 + z, xz^2 , x \cos y) 의 플럭스를 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Let SS be the bucket shaped surface consisting of the cylindrical surface y2+z2=9y^2 + z^2 = 9 between x=0x = 0 and x=5x = 5, and the disc inside the yzyz-plane of radius 33 centered at the origin. (The bucket SS has a bottom, but no lid.) Orient SS in such a way that the unit normal points outward. Compute the flux of the vector field ∇×G{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{G} through SS, where G=(x,−z,y)\mathbf{G} = (x, -z, y). (b) Compute the flux of the vector field F=(2+z,xz2,xcos⁡y)\mathbf{F} = (2 + z, xz^2 , x \cos y) through SS, where SS is as in (a).

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) 직접 계산: G\mathbf{G} 의 회전(curl)은 다음과 같다.

∇×G=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zx−zy]=2ı^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{G} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ \tfrac{\partial}{\partial x} & \tfrac{\partial}{\partial y} & \tfrac{\partial}{\partial z} \\ x & -z & y \end{matrix} \right] =2\hat{\boldsymbol{\imath}} \end{aligned}

SS 중 제1팔분공간에 있는 부분은 아래 왼쪽 그림과 같다. SS 는 두 부분, 즉 원기둥면

S1={ (x,y,z) ∣ y2+z2=9, 0≤x≤5 }S_1 = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ y^2+z^2=9,\ 0\le x\le 5\ \big\}

과 원판

S2={ (x,y,z) ∣ x=0, y2+z2≤9 }S_2 = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x=0,\ y^2+z^2\le 9\ \big\}

으로 이루어진다.

S1S_1 의 법선벡터 n^\hat{\mathbf{n}} 은 항상 원기둥에서 반지름 방향 바깥쪽을 향하므로 ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} 성분이 항상 00 이다. S2S_2 의 법선벡터는 −ı^-\hat{\boldsymbol{\imath}} 이다. 따라서 플럭스는 다음과 같다.

∬S∇×G⋅n^ dS=∬S12ı^⋅n^ dS+∬S22ı^⋅(−ı^) dS=−2∬S2dS=−2(π32)=−18π\begin{aligned} \iint _S { \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{G} \cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= \iint _{S_1} 2\hat{\boldsymbol{\imath}} \cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S + \iint _{S_2} 2\hat{\boldsymbol{\imath}} \cdot (-\hat{\boldsymbol{\imath}})\,\mathrm{d}S \\ &= -2 \iint _{S_2} \mathrm{d}S \\ &= -2 \big(\pi 3^2\big) = -18\pi \end{aligned}

(a) 스토크스 정리 이용: 스토크스 정리를 이용하자. SS 의 경계 ∂S\partial S 는 원 y2+z2=9y^2+z^2=9, x=5x=5 이고, xx축의 먼 쪽에서 볼 때 시계 방향으로 방향이 주어진다. 이를 r(θ)=(5,3cos⁡θ,−3sin⁡θ)\mathbf{r}(\theta)=\big(5, 3\cos\theta, -3\sin\theta\big) 로 매개화한다. 그러면 스토크스 정리에 의해 다음을 얻는다.

∬S∇×G⋅n^ dS=∮∂SG⋅dr=∫02π(5 , 3sin⁡θ,3cos⁡θ)⋅(0 , −3sin⁡θ , −3cos⁡θ) dθ=∫02π(−9sin⁡2θ−9cos⁡2θ) dθ=−18π\begin{aligned} \iint _S { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{G}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\oint_{\partial S}\mathbf{G}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} \\ &=\int_0^{2\pi} \big(5\,,\,3\sin\theta,3\cos\theta\big)\cdot \big(0\,,\,-3\sin\theta\,,\,-3\cos\theta\big)\,\mathrm{d}\theta \\ &=\int_0^{2\pi} \big(-9\sin^2\theta-9\cos^2\theta\big)\,\mathrm{d}\theta \\ &=-18\pi \end{aligned}

그림

그림

(b) 이번에는 발산 정리를 이용하자. 곡면 SS 는 닫혀 있지 않다. 그래서 SS 위에 뚜껑 T={ (5,y,z) ∣ y2+z2≤9 }T=\big\{ \ (5,y,z)\ \big|\ y^2+z^2\le 9\ \big\} 를 “덮어서” 만든 보조 곡면을 이용한다. TT 의 법선벡터를 ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} 로 정하면, SS 와 TT 의 합집합인 이 보조 곡면은 V={ (x,y,z) ∣ y2+z2≤9, 0≤x≤5 }V=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ y^2+z^2\le 9,\ 0\le x\le 5\ \big\} 의 경계이다. 따라서 발산 정리에 의해 다음을 얻는다.

∬SF⋅n^ dS+∬TF⋅n^ dS=∬∂VF⋅n^ dS=∭V∇⋅F dV=0\begin{aligned} \iint _S \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S +\iint _T \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= \iint _{\partial V} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S \\ &=\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\cdot \mathbf{F}\ \mathrm{d}V \\ &=0 \end{aligned}

∇⋅F=0{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot \mathbf{F} = 0 이기 때문이다. 그러므로 구하는 플럭스는 다음과 같다.

∬SF⋅n^ dS=−∬TF⋅n^ dS=−∬TF⋅ı^ dS=−∬T(2+z) dS=−2∬T dSz 가 홀함수이므로 ∬Tz dS=0 이다=−18πT 의 넓이가 9π 이므로\begin{aligned} \iint _S \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=-\iint _T \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =-\iint _T \mathbf{F}\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}\,\mathrm{d}S =-\iint _T (2+z)\,\mathrm{d}S \\ &=-2\iint _T \,\mathrm{d}S \qquad\text{$z$ 가 홀함수이므로 $\iint _T z\,\mathrm{d}S=0$ 이다}\\ &= -18\pi \qquad\text{$T$ 의 넓이가 $9\pi$ 이므로} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) by direct evaluation: The curl of G\mathbf{G} is

∇×G=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zx−zy]=2ı^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{G} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ \tfrac{\partial}{\partial x} & \tfrac{\partial}{\partial y} & \tfrac{\partial}{\partial z} \\ x & -z & y \end{matrix} \right] =2\hat{\boldsymbol{\imath}} \end{aligned}

The part of SS in the first octant is sketched in the figure on the left below. SS consists of two parts — the cylindrical surface

S1={ (x,y,z) ∣ y2+z2=9, 0≤x≤5 }S_1 = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ y^2+z^2=9,\ 0\le x\le 5\ \big\}

and the disc

S2={ (x,y,z) ∣ x=0, y2+z2≤9 }S_2 = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x=0,\ y^2+z^2\le 9\ \big\}

The normal n^\hat{\mathbf{n}} to S1S_1 always points radially outward from the cylinder and so always has ı^\hat{\boldsymbol{\imath}} component zero. The normal of S2S_2 is −ı^-\hat{\boldsymbol{\imath}}. So the flux is

∬S∇×G⋅n^ dS=∬S12ı^⋅n^ dS+∬S22ı^⋅(−ı^) dS=−2∬S2dS=−2(π32)=−18π\begin{aligned} \iint _S { \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{G} \cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= \iint _{S_1} 2\hat{\boldsymbol{\imath}} \cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S + \iint _{S_2} 2\hat{\boldsymbol{\imath}} \cdot (-\hat{\boldsymbol{\imath}})\,\mathrm{d}S \\ &= -2 \iint _{S_2} \mathrm{d}S \\ &= -2 \big(\pi 3^2\big) = -18\pi \end{aligned}

(a) using Stokes' theorem: Let's use Stokes' theorem. The boundary ∂S\partial S of SS is the cirlce y2+z2=9y^2+z^2=9, x=5x=5, oriented clockwise when viewed from far down the xx-axis. We'll parametrize it by r(θ)=(5,3cos⁡θ,−3sin⁡θ)\mathbf{r}(\theta)=\big(5, 3\cos\theta, -3\sin\theta\big). Then Stokes' theorem gives

∬S∇×G⋅n^ dS=∮∂SG⋅dr=∫02π(5 , 3sin⁡θ,3cos⁡θ)⋅(0 , −3sin⁡θ , −3cos⁡θ) dθ=∫02π(−9sin⁡2θ−9cos⁡2θ) dθ=−18π\begin{aligned} \iint _S { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{G}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\oint_{\partial S}\mathbf{G}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} \\ &=\int_0^{2\pi} \big(5\,,\,3\sin\theta,3\cos\theta\big)\cdot \big(0\,,\,-3\sin\theta\,,\,-3\cos\theta\big)\,\mathrm{d}\theta \\ &=\int_0^{2\pi} \big(-9\sin^2\theta-9\cos^2\theta\big)\,\mathrm{d}\theta \\ &=-18\pi \end{aligned}

figure

figure

(b) This time we'll use the divergence theorem. The surface SS is not closed. So we'll use the auxilary surface formed by “topping SS off” with the cap T={ (5,y,z) ∣ y2+z2≤9 }T=\big\{ \ (5,y,z)\ \big|\ y^2+z^2\le 9\ \big\}. If we give TT the normal vector ı^\hat{\boldsymbol{\imath}}, this auxiliary surface, the union of SS and TT, is the boundary of V={ (x,y,z) ∣ y2+z2≤9, 0≤x≤5 }V=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ y^2+z^2\le 9,\ 0\le x\le 5\ \big\}. So the divergence theorem gives

∬SF⋅n^ dS+∬TF⋅n^ dS=∬∂VF⋅n^ dS=∭V∇⋅F dV=0\begin{aligned} \iint _S \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S +\iint _T \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &= \iint _{\partial V} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S \\ &=\iiint _V { \boldsymbol{\nabla} }\cdot \mathbf{F}\ \mathrm{d}V \\ &=0 \end{aligned}

since ∇⋅F=0{ \boldsymbol{\nabla} }\cdot \mathbf{F} = 0. Thus the flux of interest is

∬SF⋅n^ dS=−∬TF⋅n^ dS=−∬TF⋅ı^ dS=−∬T(2+z) dS=−2∬T dSsince ∬Tz dS=0, because z is odd=−18πsince T has area 9π\begin{aligned} \iint _S \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=-\iint _T \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =-\iint _T \mathbf{F}\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}\,\mathrm{d}S =-\iint _T (2+z)\,\mathrm{d}S \\ &=-2\iint _T \,\mathrm{d}S \qquad\text{since $\iint _T z\,\mathrm{d}S=0$, because $z$ is odd}\\ &= -18\pi \qquad\text{since $T$ has area $9\pi$} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.4절 · 32번
# 스토크스 정리계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
64.CLP-4 · 4.4절 · 32번대학 수준우리말 번역

다음과 같이 두자.

F(x,y,z)=(yx+x1+x2 , x2−y1+y2 , cos⁡5(ln⁡z))\mathbf{F}(x, y, z) = \Big(\frac{y}{x} +x^{1+x^2}\,,\, x^2-y^{1+y^2}\,,\, \cos^5(\ln z)\Big)

(a) F\mathbf{F} 의 정의역 DD 를 쓰세요. (b) 옳은 설명을 모두 고르세요.

(a) D는 연결되어 있다. (b) D는 단순연결이다. (c) D는 연결되어 있지 않다. (c) ∇×F{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} 를 구하세요. (d) CC 를 평면 z=2z = 2 위에서 꼭짓점이 (3±1,3±1)(3 \pm 1, 3 \pm 1) 인 정사각형이라 하고, 시계 방향(위에서 내려다본 방향, 즉 zz축 아래 방향으로 본 방향)으로 향을 주자. 다음을 구하세요.

∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} (e) F\mathbf{F} 는 보존적인지 판단하세요.

영어 원문 보기

Let

F(x,y,z)=(yx+x1+x2 , x2−y1+y2 , cos⁡5(ln⁡z))\mathbf{F}(x, y, z) = \Big(\frac{y}{x} +x^{1+x^2}\,,\, x^2-y^{1+y^2}\,,\, \cos^5(\ln z)\Big)

(a) Write down the domain DD of F\mathbf{F}. (b) Circle the correct statement(s):

(a) D is connected. (b) D is simply connected. (c) D is disconnected. (c) Compute ∇×F{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}. (d) Let CC be the square with corners (3±1,3±1)(3 \pm 1, 3 \pm 1) in the plane z=2z = 2, oriented clockwise (viewed from above, i.e. down zz-axis). Compute

∫CF⋅dr\int_C \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} (e) Is F\mathbf{F} conservative?

정답·풀이 보기

(a)

  • yx\frac{y}{x} 는 x≠0x\ne 0 일 때 정의되고,
  • x1+x2=e(1+x2)ln⁡xx^{1+x^2}=e^{(1+x^2)\ln x} 는 ln⁡x\ln x 가 정의될 때 정의되는데, 이는 x>0x>0 일 때이다(복소수를 사용할 수 없다고 가정한다). 그리고
  • y1+y2=e(1+y2)ln⁡yy^{1+y^2}=e^{(1+y^2)\ln y} 는 ln⁡y\ln y 가 정의될 때 정의되는데, 이는 y>0y>0 일 때이다. 그리고
  • cos⁡5(ln⁡z)\cos^5(\ln z) 는 ln⁡z\ln z 가 정의될 때 정의되는데, 이는 z>0z>0 일 때이다.

따라서 F\mathbf{F} 의 정의역은 다음과 같다.

D={ (x,y,z) ∣ x>0, y>0, z>0 }D=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x>0,\ y>0,\ z>0\ \big\}

(b) 정의역 DD 는 연결되어 있고(D 안의 임의의 두 점을 D 안에 완전히 놓이는 곡선으로 이을 수 있다) 단순연결이다(D 안의 임의의 단순닫힌곡선을 D 안에서 연속적으로 한 점까지 줄일 수 있다).

(c) F\mathbf{F} 의 회전은 다음과 같다.

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zyx+x1+x2x2−y1+y2cos⁡5(ln⁡z)]=(2x−1/x)k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ \tfrac{\partial}{\partial x} & \tfrac{\partial}{\partial y} & \tfrac{\partial}{\partial z} \\ \frac{y}{x} +x^{1+x^2} & x^2-y^{1+y^2} & \cos^5(\ln z) \end{matrix} \right] =\big(2x-{1}/{x}\big)\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(d) 직접 계산하려면 피적분함수가 매우 복잡해 보인다. 반면 ∇×F{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} 는 상당히 간단하다. 그러므로 스토크스 정리를 써 보자. 다음과 같이 놓는다.

S={ (x,y,z) ∣ 2≤x≤4, 2≤y≤4, z=2 }S=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 2\le x\le 4,\ 2\le y\le 4,\ z=2\ \big\}

SS 의 경계는 CC 이다. CC 가 시계 방향이므로 SS 의 법선벡터를 −k^-\hat{\mathbf{k}} 로 정한다. 아래 그림을 보라.

그림

그러면 스토크스 정리에 의해

∮CF⋅dr=∬S∇×F⋅n^ dS=∬S∇×F⋅(−k^) dS=−∬S(2x−1x) dS=−∫24dx∫24dy (2x−1x)=−∫24dx 2(2x−1x)=−2[x2−ln⁡x]24=−2[12−ln⁡2]=2ln⁡2−24\begin{aligned} \oint_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=\iint _S { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \iint _S { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\cdot(-\hat{\mathbf{k}})\,\mathrm{d}S = -\iint _S \big(2x-\tfrac{1}{x}\big)\,\mathrm{d}S \\ &= -\int_2^4\mathrm{d}x\int_2^4\mathrm{d}y\ \big(2x-\tfrac{1}{x}\big) =-\int_2^4\mathrm{d}x\ 2\big(2x-\tfrac{1}{x}\big) = - 2\Big[x^2-\ln x\Big]_2^4 \\ &=-2\big[12-\ln 2\big] =2\ln 2-24 \end{aligned}

(e) ∇×F{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} 가 0\mathbf{0} 이 아니므로 F\mathbf{F} 는 보존적일 수 없다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since

  • yx\frac{y}{x} is defined when x≠0x\ne 0 and
  • x1+x2=e(1+x2)ln⁡xx^{1+x^2}=e^{(1+x^2)\ln x} is defined when ln⁡x\ln x is defined, which is when x>0x>0 (assuming that we are not allowed to use complex numbers) and
  • y1+y2=e(1+y2)ln⁡yy^{1+y^2}=e^{(1+y^2)\ln y} is defined when ln⁡y\ln y is defined, which is when y>0y>0 and
  • cos⁡5(ln⁡z)\cos^5(\ln z) is defined when ln⁡z\ln z is defined, which when z>0z>0

the domain of F\mathbf{F} is

D={ (x,y,z) ∣ x>0, y>0, z>0 }D=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x>0,\ y>0,\ z>0\ \big\}

(b) The domain DD is both connected (any two points in DD can be joined by a curve that lies completely in DD) and simply connected (any simple closed curve in DD can be shrunk to a point continuously in DD).

(c) The curl of F\mathbf{F} is

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zyx+x1+x2x2−y1+y2cos⁡5(ln⁡z)]=(2x−1/x)k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ \tfrac{\partial}{\partial x} & \tfrac{\partial}{\partial y} & \tfrac{\partial}{\partial z} \\ \frac{y}{x} +x^{1+x^2} & x^2-y^{1+y^2} & \cos^5(\ln z) \end{matrix} \right] =\big(2x-{1}/{x}\big)\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(d) The integrand for direct evaluation looks very complicated. On the other hand ∇×F{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} is quite simple. So let's try Stokes' thoerem. Denote

S={ (x,y,z) ∣ 2≤x≤4, 2≤y≤4, z=2 }S=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 2\le x\le 4,\ 2\le y\le 4,\ z=2\ \big\}

The boundary of SS is CC. Because of the clockwise orientation of CC, we assign the normal vector −k^-\hat{\mathbf{k}} to SS. See the sketch below

figure

Then, by Stokes' theorem,

∮CF⋅dr=∬S∇×F⋅n^ dS=∬S∇×F⋅(−k^) dS=−∬S(2x−1x) dS=−∫24dx∫24dy (2x−1x)=−∫24dx 2(2x−1x)=−2[x2−ln⁡x]24=−2[12−ln⁡2]=2ln⁡2−24\begin{aligned} \oint_C\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=\iint _S { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S = \iint _S { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\cdot(-\hat{\mathbf{k}})\,\mathrm{d}S = -\iint _S \big(2x-\tfrac{1}{x}\big)\,\mathrm{d}S \\ &= -\int_2^4\mathrm{d}x\int_2^4\mathrm{d}y\ \big(2x-\tfrac{1}{x}\big) =-\int_2^4\mathrm{d}x\ 2\big(2x-\tfrac{1}{x}\big) = - 2\Big[x^2-\ln x\Big]_2^4 \\ &=-2\big[12-\ln 2\big] =2\ln 2-24 \end{aligned}

(e) Since ∇×F{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} is not 0\mathbf{0}, F\mathbf{F} cannot be conservative.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.4절 · 34번
# 스토크스 정리계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
65.CLP-4 · 4.4절 · 34번대학 수준우리말 번역

CC 를 xyxy평면에서 점 (0,0)(0, 0) 에서 점 (5,5)(5, 5) 까지 가는 곡선이라 하자. 이 곡선은 점 (0,0)(0,0), (0,1)(0,1), (1,1)(1,1), (1,2)(1,2), (2,2)(2,2), (2,3)(2,3), (3,3)(3,3), (3,4)(3,4), (4,4)(4,4), (4,5)(4,5), (5,5)(5,5) 를 차례로 이은 열 개의 선분으로 이루어져 있다. 선적분

∫CF⋅dr\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} \end{aligned}

의 값을 구하세요. 단,

F=y ı^+(2x−10) ȷ^\begin{aligned} \mathbf{F} = y\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (2x - 10)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

이다.

영어 원문 보기

Let CC be the curve in the xyxy-plane from the point (0,0)(0, 0) to the point (5,5)(5, 5) consisting of the ten line segments consecutively connecting the points (0,0)(0,0), (0,1)(0,1), (1,1)(1,1), (1,2)(1,2), (2,2)(2,2), (2,3)(2,3), (3,3)(3,3), (3,4)(3,4), (4,4)(4,4), (4,5)(4,5), (5,5)(5,5). Evaluate the line integral

∫CF⋅dr\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} \end{aligned}

where

F=y ı^+(2x−10) ȷ^\begin{aligned} \mathbf{F} = y\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (2x - 10)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

CC 가 열 개의 선분으로 이루어져 있으므로 직접 계산하는 것은 아마도 그리 효율적이지 않을 것이다. 다른 방법으로 두 가지를 생각할 수 있다. F\mathbf{F} 가 보존적이면 F\mathbf{F} 의 퍼텐셜을 이용할 수 있다. F\mathbf{F} 가 보존적이지 않더라도 스토크스 정리(또는 그린 정리)를 효율적으로 이용할 수 있을지 모른다. 그래서 다음을 계산하자.

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zy2x−100]=k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ \tfrac{\partial}{\partial x} & \tfrac{\partial}{\partial y} & \tfrac{\partial}{\partial z} \\ y & 2x-10 & 0 \end{matrix} \right] =\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

∇×F≠0{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\ne\mathbf{0} 이므로 벡터장 F\mathbf{F} 는 보존적이 아니다. 또 ∇×F≠0{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\ne\mathbf{0} 이 매우 간단하므로, 스토크스 정리를 이용하면 적분을 효율적으로 계산할 수 있을 것 같다. 아래 왼쪽 그림에 CC 의 개형이 있다.

그림

그림

곡선 CC 는 닫혀 있지 않으므로 어떤 곡면의 경계가 아니며, 따라서 스토크스 정리를 바로 적용할 수 없다. 그러나 경계가 CC 를 포함하는 곡면은 쉽게 떠올릴 수 있다. 위 오른쪽 그림에서 색칠한 영역을 RR 이라 하자. RR 의 경계 ∂R\partial R 은 CC 와 선분 LL 의 두 부분으로 이루어져 있다. RR 의 법선은 −k^-\hat{\mathbf{k}} 방향이다(∂R\partial R 가 시계 방향으로 향하므로). 따라서 스토크스 정리에 의해

∫CF⋅dr+∫LF⋅dr=∬R∇×F⋅(−k^) dS=∬R(k^)⋅(−k^) dS=−Area(R)\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} + \int_L \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _R { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} \cdot(-\hat{\mathbf{k}})\ \mathrm{d}S = \iint _R (\hat{\mathbf{k}}) \cdot(-\hat{\mathbf{k}})\ \mathrm{d}S = -\text{Area}(R) \end{aligned}

이다.

RR 은 높이가 11 이고 밑변이 11 인 삼각형 55 개의 합집합이다. 따라서

Area(R)=5×12×1×1=52\text{Area}(R) = 5\times \frac{1}{2}\times 1\times 1 =\frac{5}{2}

이다.

(0,0)(0,0) 에서 (5,5)(5,5) 까지의 선분을 −L-L 이라 하면, −L-L 은 r(t)=t(5,5)\mathbf{r}(t) = t(5,5), 0≤t≤10\le t\le 1 로 매개화할 수 있고

∫−LF⋅dr=∫01(5t ı^+(10t−10) ȷ^)⏞F(r(t))⋅(5 ı^+5 ȷ^)⏞r′(t) dt=∫015(15t−10)dt=25(32−2)=−252\begin{aligned} \int_{-L} \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \overbrace{\big(5t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (10t-10)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big)}^{\mathbf{F}(\mathbf{r}(t))} \cdot\overbrace{(5\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+5\,\hat{\boldsymbol{\jmath}})}^{\mathbf{r}'(t)}\ \mathrm{d}t =\int_0^1 5\big(15t-10\big) \mathrm{d}t =25\left(\frac{3}{2}-2\right) \\ &=-\frac{25}{2} \end{aligned}

이다.

종합하면

∫CF⋅dr=−Area(R)−∫LF⋅dr=−Area(R)+∫−LF⋅dr=−52−252=−15\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = -\text{Area}(R) - \int_L \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = -\text{Area}(R) + \int_{-L} \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =-\frac{5}{2}-\frac{25}{2} =-15 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Considering that there are ten line segments in CC, it is probably not very efficient to use direct evaluation. Two other possible methods come to mind. If F\mathbf{F} is conservative, we can use F\mathbf{F}'s potential. Even if F\mathbf{F} is not conservative, it may be possible to efficiently use Stokes' (or Green's) theorem. So let's compute

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zy2x−100]=k^\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} &\hat{\boldsymbol{\jmath}} &\hat{\mathbf{k}} \\ \tfrac{\partial}{\partial x} & \tfrac{\partial}{\partial y} & \tfrac{\partial}{\partial z} \\ y & 2x-10 & 0 \end{matrix} \right] =\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

As ∇×F≠0{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\ne\mathbf{0}, the vector field F\mathbf{F} is not conservative. As ∇×F≠0{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}\ne\mathbf{0} is very simple, it looks like Stokes' theorem could provide an efficient way to compute the integral. The left figure below contains a sketch of CC.

figure

figure

The curve CC is not closed, and so is not the boundary of a surface, so we cannot apply Stokes' theorem directly. But we can easily come up with a surface whose boundary contains CC. Let RR be the shaded region in the figure on the right above. The boundary ∂R\partial R of RR consists of two parts — CC and the line segment LL. The normal of RR for −k^-\hat{\mathbf{k}} (since ∂R\partial R is oriented clockwise). So Stokes' theorem gives

∫CF⋅dr+∫LF⋅dr=∬R∇×F⋅(−k^) dS=∬R(k^)⋅(−k^) dS=−Area(R)\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} + \int_L \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _R { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F} \cdot(-\hat{\mathbf{k}})\ \mathrm{d}S = \iint _R (\hat{\mathbf{k}}) \cdot(-\hat{\mathbf{k}})\ \mathrm{d}S = -\text{Area}(R) \end{aligned}

RR is the union of 55 triangles, each of height 11 and base 11. So

Area(R)=5×12×1×1=52\text{Area}(R) = 5\times \frac{1}{2}\times 1\times 1 =\frac{5}{2}

If we denote by −L-L the line segment from (0,0)(0,0) to (5,5)(5,5), we can parametrize −L-L by r(t)=t(5,5)\mathbf{r}(t) = t(5,5), 0≤t≤10\le t\le 1 and

∫−LF⋅dr=∫01(5t ı^+(10t−10) ȷ^)⏞F(r(t))⋅(5 ı^+5 ȷ^)⏞r′(t) dt=∫015(15t−10)dt=25(32−2)=−252\begin{aligned} \int_{-L} \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} &=\int_0^1 \overbrace{\big(5t\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + (10t-10)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\big)}^{\mathbf{F}(\mathbf{r}(t))} \cdot\overbrace{(5\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+5\,\hat{\boldsymbol{\jmath}})}^{\mathbf{r}'(t)}\ \mathrm{d}t =\int_0^1 5\big(15t-10\big) \mathrm{d}t =25\left(\frac{3}{2}-2\right) \\ &=-\frac{25}{2} \end{aligned}

All together

∫CF⋅dr=−Area(R)−∫LF⋅dr=−Area(R)+∫−LF⋅dr=−52−252=−15\begin{aligned} \int_C \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = -\text{Area}(R) - \int_L \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = -\text{Area}(R) + \int_{-L} \mathbf{F} \cdot\mathrm{d}\mathbf{r} =-\frac{5}{2}-\frac{25}{2} =-15 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.4절 · 36번
# 스토크스 정리계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
66.CLP-4 · 4.4절 · 36번대학 수준우리말 번역

패러데이 법칙의 적분형

∮CE⋅dr=−1c ddt∬SH⋅n^ dS\oint_C\mathbf{E}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = -\frac{1}{c}\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\iint _S\mathbf{H}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S

로부터 미분형

∇×E=−1c∂H∂t{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E} = -\frac{1}{c}\frac{\partial\mathbf{H}}{\partial t}

를 어떻게 이끌어 내는지 설명하세요.

영어 원문 보기

Explain how one deduces the differential form

∇×E=−1c∂H∂t{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E} = -\frac{1}{c}\frac{\partial\mathbf{H}}{\partial t}

of Faraday's law from its integral form

∮CE⋅dr=−1c ddt∬SH⋅n^ dS\oint_C\mathbf{E}\cdot\mathrm{d}\mathbf{r} = -\frac{1}{c}\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\iint _S\mathbf{H}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S

정답·풀이 보기

스토크스 정리에 의해

∮CE⋅dr=∬S(∇×E)⋅n^ dS\oint_C\mathbf{E}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=\iint _S({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E})\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S

이므로 패러데이 법칙은 다음과 같이 된다.

∬S(∇×E+1c∂H∂t)⋅n^ dS=0\iint _S\Big({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E} +\frac{1}{c}\frac{\partial\mathbf{H}}{\partial t}\Big)\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S=0

이것은 모든 곡면 SS 에 대해 성립한다. 따라서 피적분함수가 연속이라고 가정하면 피적분함수는 0이어야 한다.

이를 확인하기 위해 G=(∇×E+1c∂H∂t)\mathbf{G}=\Big({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E}+\frac{1}{c}\frac{\partial\mathbf{H}}{\partial t}\Big) 라 하자. G(x0)≠0\mathbf{G}(\mathbf{x}_0)\ne 0 이라고 가정한다. G(x0)\mathbf{G}(\mathbf{x}_0) 의 방향으로 단위 벡터 n^\hat{\mathbf{n}} 을 잡는다. SS 를 x0\mathbf{x}_0 를 중심으로 하고 법선 벡터가 n^\hat{\mathbf{n}} (우리가 잡은 벡터)인 아주 작은 평평한 원판이라 하자. 그러면 G(x0)⋅n^>0\mathbf{G}(\mathbf{x}_0)\cdot\hat{\mathbf{n}}>0 이고, SS 를 충분히 작게 잡았다면 연속성에 의해 SS 위의 모든 x\mathbf{x} 에 대해 G(x)⋅n^>0\mathbf{G}(\mathbf{x})\cdot\hat{\mathbf{n}}>0 이다. 그러면 ∬S(∇×E+1c∂H∂t)⋅n^ dS>0\iint _S\Big({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E} +\frac{1}{c}\frac{\partial\mathbf{H}}{\partial t}\Big)\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S>0 이 되어 모순이다. 따라서 모든 곳에서 G=0\mathbf{G}=\mathbf{0} 이고, 다음을 얻는다.

∇×E+1c∂H∂t=0{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E}+\frac{1}{c}\frac{\partial\mathbf{H}}{\partial t}=0

원본 교재 풀이(영어)

By Stokes' Theorem,

∮CE⋅dr=∬S(∇×E)⋅n^ dS\oint_C\mathbf{E}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=\iint _S({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E})\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S

so Faraday's law becomes

∬S(∇×E+1c∂H∂t)⋅n^ dS=0\iint _S\Big({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E} +\frac{1}{c}\frac{\partial\mathbf{H}}{\partial t}\Big)\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S=0

This is true for all surfaces SS. So the integrand, assuming that it is continuous, must be zero.

To see this, let G=(∇×E+1c∂H∂t)\mathbf{G}=\Big({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E}+\frac{1}{c}\frac{\partial\mathbf{H}}{\partial t}\Big). Suppose that G(x0)≠0\mathbf{G}(\mathbf{x}_0)\ne 0. Pick a unit vector n^\hat{\mathbf{n}} in the direction of G(x0)\mathbf{G}(\mathbf{x}_0). Let SS be a very small flat disk centered on x0\mathbf{x}_0 with normal n^\hat{\mathbf{n}} (the vector we picked). Then G(x0)⋅n^>0\mathbf{G}(\mathbf{x}_0)\cdot\hat{\mathbf{n}}>0 and, by continuity, G(x)⋅n^>0\mathbf{G}(\mathbf{x})\cdot\hat{\mathbf{n}}>0 for all x\mathbf{x} on SS, if we have picked SS small enough. Then ∬S(∇×E+1c∂H∂t)⋅n^ dS>0\iint _S\Big({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E} +\frac{1}{c}\frac{\partial\mathbf{H}}{\partial t}\Big)\cdot \hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S>0, which is a contradiction. So G=0\mathbf{G}=\mathbf{0} everywhere and we conclude that

∇×E+1c∂H∂t=0{ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{E}+\frac{1}{c}\frac{\partial\mathbf{H}}{\partial t}=0

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.4절 · 37번
# 스토크스 정리계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
67.CLP-4 · 4.4절 · 37번대학 수준우리말 번역

CC 를 다음 매개변수 방정식으로 주어진 곡선이라 하자.

x=cos⁡t, y=2sin⁡t, z=cos⁡t, 0≤t≤2πx=\cos t,\ y=\sqrt{2}\sin t,\ z=\cos t,\ 0\le t\le 2\pi

그리고

F=z ı^+x ȷ^+y3z3 k^\mathbf{F}=z\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+y^3z^3\,\hat{\mathbf{k}}

라 하자. 스토크스 정리를 이용하여 다음 값을 구하세요.

∮CF⋅dr\oint_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}

영어 원문 보기

Let CC be the curve given by the parametric equations:

x=cos⁡t, y=2sin⁡t, z=cos⁡t, 0≤t≤2πx=\cos t,\ y=\sqrt{2}\sin t,\ z=\cos t,\ 0\le t\le 2\pi

and let

F=z ı^+x ȷ^+y3z3 k^\mathbf{F}=z\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+y^3z^3\,\hat{\mathbf{k}}

Use Stokes' theorem to evaluate

∮CF⋅dr\oint_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

주어진 벡터장의 회전(curl)은

∇×F=∇×(z ı^+x ȷ^+y3z3 k^)=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zzxy3z3]=3y2z3 ı^+ȷ^+k^\begin{aligned} \nabla\times\mathbf{F} &=\nabla\times\big(z\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+y^3z^3\,\hat{\mathbf{k}}\big) \\ &= \det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ \tfrac{\partial}{\partial x} & \tfrac{\partial}{\partial y} & \tfrac{\partial}{\partial z} \\ z & x & y^3z^3 \end{matrix}\right] \\ &=3y^2z^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이다. 모든 tt 에 대해 x(t)=z(t)x(t)=z(t) 이고 x(t)2+y(t)2+z(t)2=2x(t)^2+y(t)^2+z(t)^2=2 이다. 따라서 주어진 곡선은 평면 x=zx=z 와 구 x2+y2+z2=2x^2+y^2+z^2=2 의 교선이다. 이 곡선은 다음 원판의 경계이다.

D={ (x,y,z) ∣ x=z, x2+y2+z2≤2 }D = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x=z,\ x^2+y^2+z^2\le 2\ \big\}

곡선의 방향은 (x(t),y(t))=(cos⁡t,2sin⁡t)\big(x(t),y(t)\big)=\big(\cos t,\sqrt{2}\sin t\big) 가 표준 방향(반시계 방향)으로 움직이도록 정해져 있다. 그러므로 스토크스 정리에서 쓰는 DD 의 단위법선벡터는 k^\hat{\mathbf{k}} 성분이 양수이다. 평면 x−z=0x-z=0 의 단위법선벡터는 ±12(1,0,−1)\pm\frac{1}{\sqrt{2}}(1,0,-1) 이므로, 스토크스 정리에서 쓰는 단위법선벡터는 n^=12(−1,0,1)\hat{\mathbf{n}}=\frac{1}{\sqrt{2}}(-1,0,1) 이다. 스토크스 정리에 의해

∮CF⋅dr=∬D∇×F⋅n^ dS=12∬D(3y2z3,1,1)⋅(−1,0,1) dS=12∬D(1−3y2z3) dS\begin{aligned} \oint_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\iint _D\nabla\times\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\ \mathrm{d}S =\frac{1}{\sqrt{2}}\iint _D(3y^2z^3,1,1)\cdot(-1,0,1)\ \mathrm{d}S \\ &=\frac{1}{\sqrt{2}}\iint _D(1-3y^2z^3)\ \mathrm{d}S \end{aligned}

이다.

원판 DD 는 반사 (x,y,z)→(−x,y,−z)(x,y,z)\rightarrow(-x,y,-z) 에 대해 불변이다. y2z3y^2z^3 은 이 반사에 대해 홀함수이므로 ∬Dy2z3 ds=0\iint _D y^2z^3\ \mathrm{d}s=0 이고,

∮F⋅dr=12∬D dS=12Area(D)\oint \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\frac{1}{\sqrt{2}}\iint _D \ \mathrm{d}S =\frac{1}{\sqrt{2}}{\rm Area}(D)

이다.

공 x2+y2+z2≤2x^2+y^2+z^2\le 2 의 중심 (0,0,0)(0,0,0) 이 평면 x=zx=z 위에 있으므로, 원판 DD 의 반지름은 구 x2+y2+z2=2x^2+y^2+z^2=2 의 반지름과 같다. 따라서 DD 의 반지름은 2\sqrt{2} 이고

∮F⋅dr=12Area(D)=12π( 2 )2=2π\oint \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\frac{1}{\sqrt{2}}{\rm Area}(D) =\frac{1}{\sqrt{2}}\pi{\big(\,\sqrt{2}\,\big)}^2 =\sqrt{2}\pi

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The curl of the specified vector field is

∇×F=∇×(z ı^+x ȷ^+y3z3 k^)=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zzxy3z3]=3y2z3 ı^+ȷ^+k^\begin{aligned} \nabla\times\mathbf{F} &=\nabla\times\big(z\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+x\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+y^3z^3\,\hat{\mathbf{k}}\big) \\ &= \det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ \tfrac{\partial}{\partial x} & \tfrac{\partial}{\partial y} & \tfrac{\partial}{\partial z} \\ z & x & y^3z^3 \end{matrix}\right] \\ &=3y^2z^3\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

For every tt, we have x(t)=z(t)x(t)=z(t) and x(t)2+y(t)2+z(t)2=2x(t)^2+y(t)^2+z(t)^2=2. So the specified curve is the intersection of the plane x=zx=z and the sphere x2+y2+z2=2x^2+y^2+z^2=2. This curve is the boundary of the circular disk

D={ (x,y,z) ∣ x=z, x2+y2+z2≤2 }D = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x=z,\ x^2+y^2+z^2\le 2\ \big\}

The curve is oriented so that (x(t),y(t))=(cos⁡t,2sin⁡t)\big(x(t),y(t)\big)=\big(\cos t,\sqrt{2}\sin t\big) runs in the standard (counterclockwise) direction. So the unit normal to DD used in Stokes' theorem has positive k^\hat{\mathbf{k}} component. Since the plane x−z=0x-z=0 has unit normal ±12(1,0,−1)\pm\frac{1}{\sqrt{2}}(1,0,-1), the unit normal used in Stokes' theorem is n^=12(−1,0,1)\hat{\mathbf{n}}=\frac{1}{\sqrt{2}}(-1,0,1). By Stokes' theorem

∮CF⋅dr=∬D∇×F⋅n^ dS=12∬D(3y2z3,1,1)⋅(−1,0,1) dS=12∬D(1−3y2z3) dS\begin{aligned} \oint_C \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} &=\iint _D\nabla\times\mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\ \mathrm{d}S =\frac{1}{\sqrt{2}}\iint _D(3y^2z^3,1,1)\cdot(-1,0,1)\ \mathrm{d}S \\ &=\frac{1}{\sqrt{2}}\iint _D(1-3y^2z^3)\ \mathrm{d}S \end{aligned}

The disk DD is invariant under the reflection (x,y,z)→(−x,y,−z)(x,y,z)\rightarrow(-x,y,-z). Since y2z3y^2z^3 is odd under this reflection, ∬Dy2z3 ds=0\iint _D y^2z^3\ \mathrm{d}s=0 and

∮F⋅dr=12∬D dS=12Area(D)\oint \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\frac{1}{\sqrt{2}}\iint _D \ \mathrm{d}S =\frac{1}{\sqrt{2}}{\rm Area}(D)

Because the centre of the ball x2+y2+z2≤2x^2+y^2+z^2\le 2 (namely (0,0,0)(0,0,0)) is contained in the plane x=zx=z, the radius of the disk DD is the same as the radius of the sphere x2+y2+z2=2x^2+y^2+z^2=2. So DD has radius 2\sqrt{2} and

∮F⋅dr=12Area(D)=12π( 2 )2=2π\oint \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\frac{1}{\sqrt{2}}{\rm Area}(D) =\frac{1}{\sqrt{2}}\pi{\big(\,\sqrt{2}\,\big)}^2 =\sqrt{2}\pi

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.4절 · 39번
# 스토크스 정리계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
68.CLP-4 · 4.4절 · 39번대학 수준우리말 번역

SS 를 반원뿔

z=x2+y2,y≥0,z=\sqrt{x^2+y^2},\quad y\ge 0,

에서 평면 z=1z=1 아래에 있는 부분이라 하자.

(a) SS 의 매개화를 구하세요. (b) 속도장

v=x ı^+y ȷ^−2z k^\mathbf{v}=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + y\, \hat{\boldsymbol{\jmath}} -2 z\,\hat{\mathbf{k}}

이 SS 를 아래쪽으로 통과하는 선속을 구하세요. (c) 벡터장 F\mathbf{F} 의 회전이 ∇×F=x ı^+y ȷ^−2z k^{ \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F}= x\, \hat{\boldsymbol{\imath}} + y\, \hat{\boldsymbol{\jmath}} -2 z\,\hat{\mathbf{k}} 이다. xzxz평면 위에서 벡터장 F\mathbf{F} 는 상수이며 F(x,0,z)=ȷ^\mathbf{F}(x,0,z)=\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이다. 이 정보를 이용하여

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

의 값을 구하세요. 여기서 C\mathcal{C} 는 반원

x2+y2=1, z=1, y≥0x^2+y^2=1,\ z=1,\ y\ge 0

이며 (−1,0,1)(-1,0,1) 에서 (1,0,1)(1,0,1) 로 향하는 방향이다.

영어 원문 보기

Let SS be the part of the half cone

z=x2+y2,y≥0,z=\sqrt{x^2+y^2},\quad y\ge 0,

that lies below the plane z=1z=1.

(a) Find a parametrization for SS. (b) Calculate the flux of the velocity field

v=x ı^+y ȷ^−2z k^\mathbf{v}=x\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + y\, \hat{\boldsymbol{\jmath}} -2 z\,\hat{\mathbf{k}}

downward through SS. (c) A vector field F\mathbf{F} has curl ∇×F=x ı^+y ȷ^−2z k^{ \boldsymbol{\nabla} }\times \mathbf{F}= x\, \hat{\boldsymbol{\imath}} + y\, \hat{\boldsymbol{\jmath}} -2 z\,\hat{\mathbf{k}}. On the xzxz-plane, the vector field F\mathbf{F} is constant with F(x,0,z)=ȷ^\mathbf{F}(x,0,z)=\hat{\boldsymbol{\jmath}}. Given this information, calculate

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

where C\mathcal{C} is the half circle

x2+y2=1, z=1, y≥0x^2+y^2=1,\ z=1,\ y\ge 0

oriented from (−1,0,1)(-1,0,1) to (1,0,1)(1,0,1).

정답·풀이 보기

(a) 원기둥좌표를 이용하여 SS 를 매개화한다:

r(r,θ)=rcos⁡θ ı^+rsin⁡θ ȷ^+r k^단, 0≤r≤1, 0≤θ≤π\mathbf{r}(r, \theta) = r\cos \theta\, \hat{\boldsymbol{\imath}} +r\sin \theta\, \hat{\boldsymbol{\jmath}} + r\,\hat{\mathbf{k}} \qquad \text{단, $0\le r\le 1$, $0\le \theta \le \pi$}

(b) 다음을 계산한다.

∂r∂r=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^+ k^∂r∂θ=−rsin⁡θ ı^+rcos⁡θ ȷ^n^ dS=±∂r∂r×∂r∂θ drdθ=±(−rcos⁡θ ı^−rsin⁡θ ȷ^+r k^) drdθ\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial r} &= \cos \theta \,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin \theta \,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} &= -r \sin \theta \,\hat{\boldsymbol{\imath}} + r\cos \theta \,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S &= \pm \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial r}\times \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} \ \mathrm{d}r \mathrm{d}\theta = \pm \big(-r\cos \theta \,\hat{\boldsymbol{\imath}} - r \sin \theta \,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + r \,\hat{\mathbf{k}}\big)\, \mathrm{d}r \mathrm{d}\theta \end{aligned}

아래쪽 선속을 구하려면 음의 부호를 택한다. 따라서

∬Sv⋅n^ dS=∫0πdθ∫01dr (rcos⁡θ,rsin⁡θ,−2r)⋅(rcos⁡θ,rsin⁡θ,−r)=∫0πdθ∫01dr 3r2=πr3∣r=01=π\begin{aligned} \iint _S \mathbf{v} \cdot \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S & = \int_0^\pi \mathrm{d}\theta \int_0^1 \mathrm{d}r\ (r \cos \theta, r\sin \theta, -2r)\cdot (r\cos \theta, r\sin \theta, -r) \\ &= \int_0^\pi \mathrm{d}\theta \int_0^1 \mathrm{d}r\ 3 r^2 = \pi r^3\Big|_{r=0}^1 = \pi \end{aligned}

이다.

(c) 풀이 1: P\mathcal{P} 를 (1,0,1)(1,0,1) 에서 (0,0,0)(0,0,0) 까지, 그리고 (0,0,0)(0,0,0) 에서 (−1,0,1)(-1,0,1) 까지 선분을 따라가는 경로라 하자. 그림은 다음과 같다. P\mathcal{P} 는 파란색이다.

그림

그러면

∫CF⋅dr+∫PF⋅dr=∬S∇×F⋅n^ dS\int_\mathcal{C} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} + \int_\mathcal{P} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _S { \boldsymbol{\nabla} } \times \mathbf{F} \cdot \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S

이다. 이는 스토크스 정리에 의한 것이다. P\mathcal{P} 를 따라 벡터장 F\mathbf{F} 는 곡선에 수직이므로 ∫PF⋅dr=0\int_\mathcal{P} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=0 이다. ∇×F\nabla\times \mathbf{F} 는 (b)의 벡터장 v\mathbf{v} 와 같다는 점에 주목한다. 따라서

∫CF⋅dr=∬Sv⋅n^ dS=π\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _S \mathbf{v} \cdot \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S = \pi

이다.

(c) 풀이 2: L\mathcal{L} 을 (1,0,1)(1,0,1) 에서 (−1,0,1)(-1,0,1) 까지의 선분이라 하고,

R={(x,y,z)}x2+y2≤1,y≥0,z=1\begin{aligned} \mathcal{R}=\left\{(x,y,z)\right\}{x^2+y^2\le1, y\ge 0, z=1} \end{aligned}

이라 하자. 그림은 다음과 같다. L\mathcal{L} 은 파란색이고 R\mathcal{R} 은 색칠한 부분이다.

그림

그러면

∫CF⋅dr+∫LF⋅dr=∬R∇×F⋅(−k^) dS\int_\mathcal{C} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} + \int_\mathcal{L} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _{\mathcal{R}} { \boldsymbol{\nabla} } \times \mathbf{F} \cdot (-\hat{\mathbf{k}})\, \mathrm{d}S

이다. 이는 스토크스 정리에 의한 것이다. L\mathcal{L} 을 따라 벡터장 F=ȷ^\mathbf{F}=\hat{\boldsymbol{\jmath}} 는 곡선(방향이 −ı^-\hat{\boldsymbol{\imath}} 이므로)에 수직이어서 ∫LF⋅dr=0\int_\mathcal{L} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=0 이다. ∇×F\nabla\times \mathbf{F} 는 (b)의 벡터장 v\mathbf{v} 와 같다는 점에 주목한다. 따라서

∫CF⋅dr=−∬Rv⋅k^ dS=∬R2z dS=2∬R dS=2 넓이(R)=π\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = -\iint _\mathcal{R} \mathbf{v} \cdot \hat{\mathbf{k}}\, \mathrm{d}S = \iint _\mathcal{R} 2z \, \mathrm{d}S = 2\iint _\mathcal{R} \, \mathrm{d}S =2\,\text{넓이}(\mathcal{R}) = \pi

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We parametrize SS in cylindrical coordinates:

r(r,θ)=rcos⁡θ ı^+rsin⁡θ ȷ^+r k^with 0≤r≤1, 0≤θ≤π\mathbf{r}(r, \theta) = r\cos \theta\, \hat{\boldsymbol{\imath}} +r\sin \theta\, \hat{\boldsymbol{\jmath}} + r\,\hat{\mathbf{k}} \qquad \text{with $0\le r\le 1$, $0\le \theta \le \pi$}

(b) We compute

∂r∂r=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^+ k^∂r∂θ=−rsin⁡θ ı^+rcos⁡θ ȷ^n^ dS=±∂r∂r×∂r∂θ drdθ=±(−rcos⁡θ ı^−rsin⁡θ ȷ^+r k^) drdθ\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial r} &= \cos \theta \,\hat{\boldsymbol{\imath}} +\sin \theta \,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +\,\hat{\mathbf{k}} \\ \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} &= -r \sin \theta \,\hat{\boldsymbol{\imath}} + r\cos \theta \,\hat{\boldsymbol{\jmath}} \\ \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S &= \pm \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial r}\times \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} \ \mathrm{d}r \mathrm{d}\theta = \pm \big(-r\cos \theta \,\hat{\boldsymbol{\imath}} - r \sin \theta \,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + r \,\hat{\mathbf{k}}\big)\, \mathrm{d}r \mathrm{d}\theta \end{aligned}

To calculate the downward flux, we use the minus sign. We find

∬Sv⋅n^ dS=∫0πdθ∫01dr (rcos⁡θ,rsin⁡θ,−2r)⋅(rcos⁡θ,rsin⁡θ,−r)=∫0πdθ∫01dr 3r2=πr3∣r=01=π\begin{aligned} \iint _S \mathbf{v} \cdot \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S & = \int_0^\pi \mathrm{d}\theta \int_0^1 \mathrm{d}r\ (r \cos \theta, r\sin \theta, -2r)\cdot (r\cos \theta, r\sin \theta, -r) \\ &= \int_0^\pi \mathrm{d}\theta \int_0^1 \mathrm{d}r\ 3 r^2 = \pi r^3\Big|_{r=0}^1 = \pi \end{aligned}

(c) Solution 1: Let P\mathcal{P} be the path along line segments from (1,0,1)(1,0,1) to (0,0,0)(0,0,0) and from (0,0,0)(0,0,0) to (−1,0,1)(-1,0,1). Here is a sketch. P\mathcal{P} is in blue.

figure

Then

∫CF⋅dr+∫PF⋅dr=∬S∇×F⋅n^ dS\int_\mathcal{C} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} + \int_\mathcal{P} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _S { \boldsymbol{\nabla} } \times \mathbf{F} \cdot \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S

by Stokes' Theorem. Along P\mathcal{P}, the vector field F\mathbf{F} is orthogonal to the curve so that ∫PF⋅dr=0\int_\mathcal{P} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=0. Note that ∇×F\nabla\times \mathbf{F} is the vector field v\mathbf{v} from part (b). Thus

∫CF⋅dr=∬Sv⋅n^ dS=π\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _S \mathbf{v} \cdot \hat{\mathbf{n}}\, \mathrm{d}S = \pi

(c) Solution 2: Let L\mathcal{L} be the line segment from (1,0,1)(1,0,1) to (−1,0,1)(-1,0,1) and let

R={(x,y,z)}x2+y2≤1,y≥0,z=1\begin{aligned} \mathcal{R}=\left\{(x,y,z)\right\}{x^2+y^2\le1, y\ge 0, z=1} \end{aligned}

Here is a sketch. L\mathcal{L} is in blue and R\mathcal{R} is shaded.

figure

Then

∫CF⋅dr+∫LF⋅dr=∬R∇×F⋅(−k^) dS\int_\mathcal{C} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} + \int_\mathcal{L} \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = \iint _{\mathcal{R}} { \boldsymbol{\nabla} } \times \mathbf{F} \cdot (-\hat{\mathbf{k}})\, \mathrm{d}S

by Stokes' Theorem. Along L\mathcal{L}, the vector field F=ȷ^\mathbf{F}=\hat{\boldsymbol{\jmath}} is orthogonal to the curve (which has direction −ı^-\hat{\boldsymbol{\imath}} so that ∫LF⋅dr=0\int_\mathcal{L} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r}=0. Note that ∇×F\nabla\times \mathbf{F} is the vector field v\mathbf{v} from part (b). Thus

∫CF⋅dr=−∬Rv⋅k^ dS=∬R2z dS=2∬R dS=2 Area(R)=π\int_\mathcal{C} \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} = -\iint _\mathcal{R} \mathbf{v} \cdot \hat{\mathbf{k}}\, \mathrm{d}S = \iint _\mathcal{R} 2z \, \mathrm{d}S = 2\iint _\mathcal{R} \, \mathrm{d}S =2\,\text{Area}(\mathcal{R}) = \pi

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 4.4절 · 40번
# 스토크스 정리활용도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
69.CLP-4 · 4.4절 · 40번대학 수준우리말 번역

∬S(∇×F)⋅n^ dS\iint _S({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,dS 를 생각하세요. 여기서 SS 는 구 x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1 의 일부분으로 x+y+z≥1x+y+z\ge 1 을 만족하고, n^\hat{\mathbf{n}} 은 구의 위쪽을 향하는 법선벡터이며 F=(y−z)ı^+(z−x)ȷ^+(x−y)k^\mathbf{F}=(y-z)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(z-x)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(x-y)\hat{\mathbf{k}} 입니다. ∬S(∇×F)⋅n^ dS=∬S′(∇×F)⋅n^ dS\iint _S({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =\iint _{S'}({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S 를 만족하는 다른 곡면 S′S' 을 구하고, ∬S′(∇×F)⋅n^ dS\iint _{S'}({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider ∬S(∇×F)⋅n^ dS\iint _S({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,dS where SS is the portion of the sphere x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1 that obeys x+y+z≥1x+y+z\ge 1, n^\hat{\mathbf{n}} is the upward pointing normal to the sphere and F=(y−z)ı^+(z−x)ȷ^+(x−y)k^\mathbf{F}=(y-z)\hat{\boldsymbol{\imath}}+(z-x)\hat{\boldsymbol{\jmath}}+(x-y)\hat{\mathbf{k}}. Find another surface S′S' with the property that ∬S(∇×F)⋅n^ dS=∬S′(∇×F)⋅n^ dS\iint _S({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =\iint _{S'}({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S and evaluate ∬S′(∇×F)⋅n^ dS\iint _{S'}({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

S′S' 을 평면 x+y+z=1x+y+z=1 중에서 구 x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1 의 내부에 있는 부분이라 하자. 그러면 ∂S=∂S′\partial S=\partial S' 이므로 스토크스 정리에 의해 (n^\hat{\mathbf{n}} 은 항상 위쪽을 향하는 법선벡터)

∬S′(∇×F)⋅n^ dS=∮∂S′F⋅dr=∮∂SF⋅dr=∬S(∇×F)⋅n^ dS\iint _{S'}({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =\oint_{\partial S'}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\oint_{\partial S}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\iint _{S}({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S

이다. 한편

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zy−zz−xx−y]=−2(ı^+ȷ^+k^)\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\[0.05in] \frac{\partial }{\partial x} & \frac{\partial }{\partial y} & \frac{\partial }{\partial z} \\[0.05in] y-z & z-x & x-y \end{matrix}\right] =-2(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}) \end{aligned}

이고, S′S' 위에서 n^=13(ı^+ȷ^+k^)\hat{\mathbf{n}}=\frac{1}{\sqrt{3}}(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}) 이므로

∬S′(∇×F)⋅n^ dS=∬S′(−23) dS=−23×Area(S′)\iint _{S'}({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =\iint _{S'}\big(-2\sqrt{3}\big)\,\mathrm{d}S =-2\sqrt{3}\times{\rm Area}(S')

이다.

S′S' 은 평면과 구의 교선으로 둘러싸인 부분이므로 원판이다. 그 중심 (xc,yc,zc)(x_c,y_c,z_c) 는 xc+yc+zc=1x_c+y_c+z_c=1 을 만족해야 한다. 대칭성에 의해 xc=yc=zcx_c=y_c=z_c 이므로 xc=yc=zc=13x_c=y_c=z_c=\frac{1}{3} 이다. x+y+z=1x+y+z=1 과 x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1 을 모두 만족하는 임의의 점 (x,y,z)(x,y,z) 는

(x−13)2+(y−13)2+(z−13)2=x2+y2+z2−23(x+y+z)+319=1−23+13=23\begin{aligned} \left(x-\frac{1}{3}\right)^2+\left(y-\frac{1}{3}\right)^2 +\left(z-\frac{1}{3}\right)^2 =x^2+y^2+z^2-\frac{2}{3}(x+y+z)+3\frac{1}{9} =1-\frac{2}{3} +\frac{1}{3}=\frac{2}{3} \end{aligned}

을 만족한다.

즉 S′S' 의 경계 위의 모든 점은 (13 , 13 , 13)\big(\frac{1}{3}\,,\,\frac{1}{3}\,,\,\frac{1}{3}\big) 로부터 거리 23\sqrt{\frac{2}{3}} 에 있다. 따라서 S′S' 의 반지름은 23\sqrt{\frac{2}{3}} 이고, S′S' 의 넓이는 23π\frac{2}{3}\pi 이며

∬S′(∇×F)⋅n^ dS=−23×Area(S′)=−43π\iint _{S'}({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =-2\sqrt{3}\times{\rm Area}(S') =-\frac{4}{\sqrt{3}}\pi

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let S′S' be the portion of x+y+z=1x+y+z=1 that is inside the sphere x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1. Then ∂S=∂S′\partial S=\partial S', so, by Stokes' theorem, (with n^\hat{\mathbf{n}} always the upward pointing normal)

∬S′(∇×F)⋅n^ dS=∮∂S′F⋅dr=∮∂SF⋅dr=∬S(∇×F)⋅n^ dS\iint _{S'}({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =\oint_{\partial S'}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\oint_{\partial S}\mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{r} =\iint _{S}({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S

As

∇×F=det⁡[ı^ȷ^k^∂∂x∂∂y∂∂zy−zz−xx−y]=−2(ı^+ȷ^+k^)\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F}=\det\left[\begin{matrix}\hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\[0.05in] \frac{\partial }{\partial x} & \frac{\partial }{\partial y} & \frac{\partial }{\partial z} \\[0.05in] y-z & z-x & x-y \end{matrix}\right] =-2(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}}) \end{aligned}

and, on S′S', n^=13(ı^+ȷ^+k^)\hat{\mathbf{n}}=\frac{1}{\sqrt{3}}(\hat{\boldsymbol{\imath}}+\hat{\boldsymbol{\jmath}}+\hat{\mathbf{k}})

∬S′(∇×F)⋅n^ dS=∬S′(−23) dS=−23×Area(S′)\iint _{S'}({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =\iint _{S'}\big(-2\sqrt{3}\big)\,\mathrm{d}S =-2\sqrt{3}\times{\rm Area}(S')

S′S' is the intersection of a plane with a sphere and so is a circular disk. It's center (xc,yc,zc)(x_c,y_c,z_c) has to obey xc+yc+zc=1x_c+y_c+z_c=1. By symmetry, xc=yc=zcx_c=y_c=z_c, so xc=yc=zc=13x_c=y_c=z_c=\frac{1}{3}. Any point, (x,y,z)(x,y,z), which satisfies both x+y+z=1x+y+z=1 and x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1, obeys

(x−13)2+(y−13)2+(z−13)2=x2+y2+z2−23(x+y+z)+319=1−23+13=23\begin{aligned} \left(x-\frac{1}{3}\right)^2+\left(y-\frac{1}{3}\right)^2 +\left(z-\frac{1}{3}\right)^2 =x^2+y^2+z^2-\frac{2}{3}(x+y+z)+3\frac{1}{9} =1-\frac{2}{3} +\frac{1}{3}=\frac{2}{3} \end{aligned}

That is, any point on the boundary of S′S' is a distance 23\sqrt{\frac{2}{3}} from (13 , 13 , 13)\big(\frac{1}{3}\,,\,\frac{1}{3}\,,\,\frac{1}{3}\big). So the radius of S′S' is 23\sqrt{\frac{2}{3}}, the area of S′S' is 23π\frac{2}{3}\pi and

∬S′(∇×F)⋅n^ dS=−23×Area(S′)=−43π\iint _{S'}({ \boldsymbol{\nabla} }\times\mathbf{F})\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S =-2\sqrt{3}\times{\rm Area}(S') =-\frac{4}{\sqrt{3}}\pi

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.7절 · 28번
# 스토크스 정리계산도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)