문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

벡터장과 흐름선

벡터장을 그리고 기울기 벡터장, 흐름선(유선)을 알아본다

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

19문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 3권 · 6.1절 · 32번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 F=xi+yj,\text{F}=x\text{i}+y\text{j}, G=−yi+xj,\text{G}=-y\text{i}+x\text{j}, H=xi−yj\text{H}=x\text{i}-y\text{j} 라 하자. F, G, H 를 각각의 그래프와 짝지으세요.

2차원 벡터장을 나타낸 그림이다. 화살표들이 원점을 중심으로 시계 반대 방향으로 돌고 있다. 원점에서 멀수록 화살표가 더 크다.

영어 원문 보기

For the following exercises, let F=xi+yj,\text{F}=x\text{i}+y\text{j}, G=−yi+xj,\text{G}=-y\text{i}+x\text{j}, and H=xi−yj.\text{H}=x\text{i}-y\text{j}. Match F, G, and H with their graphs.

A visual representation of a vector field in two dimensions. The arrows circle the origin in a counterclockwise manner. The arrows are larger the further they are from the origin.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.1절 · 17번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.OpenStax 3권 · 6.1절 · 33번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서 F=xi+yj,\text{F}=x\text{i}+y\text{j}, G=−yi+xj,\text{G}=-y\text{i}+x\text{j}, H=xi−yj\text{H}=x\text{i}-y\text{j} 라 하자. F, G, H 를 각각의 그래프와 짝지으세요.

2차원 벡터장을 시각적으로 나타낸 그림이다. 화살표는 원점에서 멀어질수록 더 크며, 특히 y축의 왼쪽과 오른쪽에서 그렇다. 화살표는 y축의 왼쪽에서는 왼쪽을, y축의 오른쪽에서는 오른쪽을 각각 향한다. x축 위쪽에서는 아래를 향하고 x축 아래쪽에서는 위를 향한다. x축에 가까울수록 화살표는 더 납작하고, y축에 가까울수록 더 수직에 가깝다.

영어 원문 보기

For the following exercises, let F=xi+yj,\text{F}=x\text{i}+y\text{j}, G=−yi+xj,\text{G}=-y\text{i}+x\text{j}, and H=xi−yj.\text{H}=x\text{i}-y\text{j}. Match F, G, and H with their graphs.

A visual representation of a vector field in two dimensions. The arrows are larger the further away from the origin they are, particularly to the left and right of the y axis. They point to the left and to the right on the left and right sides of the y axis, respectively. They point down above the x axis and up below the x axis. The closer to the x axis, the flatter they are. The closer to the y axis they are, the more vertical they are.

정답·풀이 보기
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.OpenStax 3권 · 6.1절 · 34번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서 F=xi+yj,\text{F}=x\text{i}+y\text{j}, G=−yi+xj,\text{G}=-y\text{i}+x\text{j}, H=xi−yj\text{H}=x\text{i}-y\text{j} 라 하자. F, G, H 를 각각의 그래프와 짝지으세요.

2차원 벡터장을 시각적으로 나타낸 그림이다. 화살표는 원점에서 멀어질수록 더 크다. 화살표는 원점에서 방사형으로 바깥쪽 멀리 뻗어 나간다.

영어 원문 보기

For the following exercises, let F=xi+yj,\text{F}=x\text{i}+y\text{j}, G=−yi+xj,\text{G}=-y\text{i}+x\text{j}, and H=xi−yj.\text{H}=x\text{i}-y\text{j}. Match F, G, and H with their graphs.

A visual representation of a vector field in two dimensions. The arrows are larger the further away from the origin they are. They stretch out and away from the origin in a radial pattern.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.1절 · 1번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.OpenStax 3권 · 6.1절 · 35번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서 F=xi+yj,\text{F}=x\text{i}+y\text{j}, G=−yi+xj,\text{G}=-y\text{i}+x\text{j}, H=xi−yj\text{H}=x\text{i}-y\text{j} 라 하자. a부터 d까지의 벡터장을 각각의 그래프와 짝지으세요.

a. F+G\text{F}+\text{G} b. F+H\text{F}+\text{H} c. G+H\text{G}+\text{H} d. −F+G-\text{F}+\text{G}

2차원 벡터장을 시각적으로 나타낸 그림이다. 화살표는 y축에서 멀어질수록 더 크다. 화살표는 나선 모양으로 원점을 향해 휘어 들어가는데, y축의 오른쪽에서는 오른쪽에서 휘어 들어오고 y축의 왼쪽에서는 왼쪽에서 휘어 들어온다. 제1사분면과 제3사분면의 화살표는 더 납작하고, 제2사분면과 제4사분면의 화살표는 더 수직에 가깝다.

영어 원문 보기

For the following exercises, let F=xi+yj,\text{F}=x\text{i}+y\text{j}, G=−yi+xj,\text{G}=-y\text{i}+x\text{j}, and H=xi−yj.\text{H}=x\text{i}-y\text{j}. Match the vector fields in a through d with their graphs.

a. F+G\text{F}+\text{G} b. F+H\text{F}+\text{H} c. G+H\text{G}+\text{H} d. −F+G-\text{F}+\text{G}

A visual representation of a vector field in two dimensions. The arrows are larger the further away they are from the y axis. They curve in towards the orgin in a spiral pattern, with the arrows curving in from the right to the right of the y axis and curving in from the left to the left of the y axis. The arrows in quadrants 1 and 3 are flatter, and the arrows in quadrants 2 and 4 are more vertical.

정답·풀이 보기

d. −F+G-\text{F}+\text{G}

원본 교재 풀이(영어)

d. −F+G-\text{F}+\text{G}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.1절 · 27번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.OpenStax 3권 · 6.1절 · 36번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서 F=xi+yj,\text{F}=x\text{i}+y\text{j}, G=−yi+xj,\text{G}=-y\text{i}+x\text{j}, H=xi−yj\text{H}=x\text{i}-y\text{j} 라 하자. a부터 d까지의 벡터장을 각각의 그래프와 짝지으세요.

a. F+G\text{F}+\text{G} b. F+H\text{F}+\text{H} c. G+H\text{G}+\text{H} d. −F+G-\text{F}+\text{G}

2차원 벡터장을 시각적으로 나타낸 그림이다. 화살표는 y축에서 멀어질수록 더 크다. 화살표는 완전히 납작하며, y축의 오른쪽에서는 오른쪽을 향하고 y축의 왼쪽에서는 왼쪽을 향한다.

영어 원문 보기

For the following exercises, let F=xi+yj,\text{F}=x\text{i}+y\text{j}, G=−yi+xj,\text{G}=-y\text{i}+x\text{j}, and H=xi−yj.\text{H}=x\text{i}-y\text{j}. Match the vector fields in a through d with their graphs.

a. F+G\text{F}+\text{G} b. F+H\text{F}+\text{H} c. G+H\text{G}+\text{H} d. −F+G-\text{F}+\text{G}

A visual representation of a vector field in two dimensions. The arrows are larger the further away from the y axis they are. They are completely flat and point to the right on the right side of the y axis and point to the left on the left side of the y axis.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.1절 · 5번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.OpenStax 3권 · 6.1절 · 37번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 F=xi+yj,\text{F}=x\text{i}+y\text{j}, G=−yi+xj,\text{G}=-y\text{i}+x\text{j}, H=xi−yj\text{H}=x\text{i}-y\text{j} 라 하세요. a부터 d까지의 벡터장을 각각의 그래프와 짝지으세요.

a. F+G\text{F}+\text{G} b. F+H\text{F}+\text{H} c. G+H\text{G}+\text{H} d. −F+G-\text{F}+\text{G}

2차원 벡터장을 시각적으로 나타낸 그림이다. 화살표는 y축에서 멀어질수록 더 크다. 화살표는 원점에서 바깥쪽으로 나선 모양을 이루며 뻗어 나간다. 제1사분면에서는 화살표가 더 수직에 가깝고 위쪽으로 휘어진다. 제2사분면에서는 화살표가 더 수평에 가깝고 아래쪽으로 휘어진다. 제3사분면에서는 화살표가 더 수직에 가깝고 아래쪽으로 휘어진다. 제4사분면에서는 화살표가 더 수평에 가깝고 위쪽으로 휘어진다. 각 사분면의 화살표는 양옆에 있는 사분면의 화살표와 자연스럽게 이어진다.

영어 원문 보기

For the following exercises, let F=xi+yj,\text{F}=x\text{i}+y\text{j}, G=−yi+xj,\text{G}=-y\text{i}+x\text{j}, and H=xi−yj.\text{H}=x\text{i}-y\text{j}. Match the vector fields in a through d with their graphs.

a. F+G\text{F}+\text{G} b. F+H\text{F}+\text{H} c. G+H\text{G}+\text{H} d. −F+G-\text{F}+\text{G}

A visual representation of a vector field in two dimensions. The arrows are larger the further away from y axis they are. The arrows are pointing out from the origin in a spiral shape. In quadrant 1, the arrows are more vertical and curve up. In quadrant 2, the arrows are more horizontal and curve down. In quadrant 3, the arrows are more vertical and curve down. In quadrant 4, the arrows are more horizontal and curve up. Each quadrant’s arrows merge into the two on either side of it.

정답·풀이 보기

a. F+G\text{F}+\text{G}

원본 교재 풀이(영어)

a. F+G\text{F}+\text{G}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.1절 · 25번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.OpenStax 3권 · 6.1절 · 38번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 F=xi+yj,\text{F}=x\text{i}+y\text{j}, G=−yi+xj,\text{G}=-y\text{i}+x\text{j}, H=xi−yj\text{H}=x\text{i}-y\text{j} 라 하세요. a부터 d까지의 벡터장을 각각의 그래프와 짝지으세요.

a. F+G\text{F}+\text{G} b. F+H\text{F}+\text{H} c. G+H\text{G}+\text{H} d. −F+G-\text{F}+\text{G}

2차원 벡터장을 시각적으로 나타낸 그림이다. 제2사분면과 제4사분면에서 화살표는 x축과 y축에서 멀어질수록 더 크다. 화살표는 모두 대략 90도의 각을 이룬다. y축의 오른쪽에서는 위쪽을 향하고 y축의 왼쪽에서는 아래쪽을 향한다.

영어 원문 보기

For the following exercises, let F=xi+yj,\text{F}=x\text{i}+y\text{j}, G=−yi+xj,\text{G}=-y\text{i}+x\text{j}, and H=xi−yj.\text{H}=x\text{i}-y\text{j}. Match the vector fields in a through d with their graphs.

a. F+G\text{F}+\text{G} b. F+H\text{F}+\text{H} c. G+H\text{G}+\text{H} d. −F+G-\text{F}+\text{G}

A visual representation of a vector field in two dimensions. The arrows are larger the further away they are from the x axis and y axis in quadrants 2 and 4. The arrows are all at a roughly 90-degree angle. They point up on the right side of the y axis and down on the left side of the y axis.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.2절 · 4번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.APEX · 14.2절 · 5번대학 수준우리말 번역

연습문제 5–8에서, 마주 보는 두 꼭짓점이 (−2,−2)(-2,-2) 와 (2,2)(2,2) 인 직사각형 위에 주어진 벡터장의 그래프를 그리세요. 이때 좌표가 정수인 모든 점마다(즉, (0,0)(0,0), (1,2)(1,2) 등에서) 벡터를 하나씩 그리세요.

F⃗=⟨x,0⟩\vec F = \langle x,0\rangle

영어 원문 보기

In Exercises 5–8, sketch the given vector field over the rectangle with opposite corners (−2,−2)(-2,-2) and (2,2)(2,2), sketching one vector for every point with integer coordinates (i.e., at (0,0)(0,0), (1,2)(1,2), etc.).

F⃗=⟨x,0⟩\vec F = \langle x,0\rangle

정답·풀이 보기

정답은 다음과 비슷해야 한다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Correct answers should look similar to

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.1절 · 27번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.APEX · 14.2절 · 6번대학 수준우리말 번역

연습문제 5–8번에서, 서로 마주 보는 꼭짓점이 (−2,−2)(-2,-2) 와 (2,2)(2,2) 인 직사각형 위에 주어진 벡터장의 그래프를 그리세요. 좌표가 정수인 모든 점(즉, (0,0)(0,0), (1,2)(1,2) 등)마다 벡터를 하나씩 그리세요.

F⃗=⟨0,x⟩\vec F = \langle 0,x\rangle

영어 원문 보기

In Exercises 5–8, sketch the given vector field over the rectangle with opposite corners (−2,−2)(-2,-2) and (2,2)(2,2), sketching one vector for every point with integer coordinates (i.e., at (0,0)(0,0), (1,2)(1,2), etc.).

F⃗=⟨0,x⟩\vec F = \langle 0,x\rangle

정답·풀이 보기

정답은 다음과 비슷한 모양이어야 한다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Correct answers should look similar to

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.1절 · 37번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.APEX · 14.2절 · 7번대학 수준우리말 번역

연습문제 5–8번에서, 서로 마주 보는 꼭짓점이 (−2,−2)(-2,-2) 와 (2,2)(2,2) 인 직사각형 위에 주어진 벡터장의 그래프를 그리세요. 좌표가 정수인 모든 점(즉, (0,0)(0,0), (1,2)(1,2) 등)마다 벡터를 하나씩 그리세요.

F⃗=⟨1,−1⟩\vec F = \langle 1,-1\rangle

영어 원문 보기

In Exercises 5–8, sketch the given vector field over the rectangle with opposite corners (−2,−2)(-2,-2) and (2,2)(2,2), sketching one vector for every point with integer coordinates (i.e., at (0,0)(0,0), (1,2)(1,2), etc.).

F⃗=⟨1,−1⟩\vec F = \langle 1,-1\rangle

정답·풀이 보기

정답은 다음과 비슷한 모양이어야 한다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Correct answers should look similar to

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.1절 · 25번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
11.APEX · 14.2절 · 8번대학 수준우리말 번역

연습문제 5–8번에서, 서로 마주 보는 꼭짓점이 (−2,−2)(-2,-2) 와 (2,2)(2,2) 인 직사각형 위에 주어진 벡터장의 그래프를 그리세요. 좌표가 정수인 모든 점(즉, (0,0)(0,0), (1,2)(1,2) 등)마다 벡터를 하나씩 그리세요.

F⃗=⟨y2,1⟩\vec F = \langle y^2,1\rangle

영어 원문 보기

In Exercises 5–8, sketch the given vector field over the rectangle with opposite corners (−2,−2)(-2,-2) and (2,2)(2,2), sketching one vector for every point with integer coordinates (i.e., at (0,0)(0,0), (1,2)(1,2), etc.).

F⃗=⟨y2,1⟩\vec F = \langle y^2,1\rangle

정답·풀이 보기

정답은 다음과 비슷한 모양이어야 한다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Correct answers should look similar to

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 14.2절 · 2번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
12.CLP-4 · 2.1절 · 4번대학 수준우리말 번역

F=P ı^+Q ȷ^\mathbf{F} = P\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + Q\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 를 아래에 그려진 이차원 벡터장이라 하자.

그림

점 AA 에서 PP, QQ, ∂Q∂x\frac{\partial Q}{\partial x}, ∂Q∂y\frac{\partial Q}{\partial y} 의 부호를 판단하세요.

영어 원문 보기

Let F=P ı^+Q ȷ^\mathbf{F} = P\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + Q\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} be the two-dimensional vector field sketched below.

figure

Determine the signs of PP, QQ, ∂Q∂x\frac{\partial Q}{\partial x} and ∂Q∂y\frac{\partial Q}{\partial y} at the point AA.

정답·풀이 보기

점 AA 근처의 화살표는 오른쪽을 향하므로 P>0P>0 이고, 위쪽을 향하므로 Q>0Q>0 이다. AA 근처에서 왼쪽에서 오른쪽으로 움직이면 화살표의 수직 성분이 감소하므로 ∂Q∂x<0\frac{\partial Q}{\partial x}<0 이다. AA 근처에서 수직으로 위쪽으로 움직이면 화살표의 수직 성분이 증가하므로 ∂Q∂y>0\frac{\partial Q}{\partial y}>0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The arrows near the point AA are pointing to the right, indicating that P>0P>0, and upward, indicating that Q>0Q>0. Moving from left to right near AA, the vertical component of the arrows is decreasing, indicating that ∂Q∂x<0\frac{\partial Q}{\partial x}<0. Moving vertically upwards near AA, the vertical component of the arrows is increasing, indicating that ∂Q∂y>0\frac{\partial Q}{\partial y}>0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.1절 · 5번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
13.CLP-4 · 2.1절 · 8번대학 수준우리말 번역

벡터장 v(x,y)=(x2,y)\mathbf{v}(x,y)=(x^2,y) 의 그래프를 그리세요.

영어 원문 보기

Sketch the vector field v(x,y)=(x2,y)\mathbf{v}(x,y)=(x^2,y).

정답·풀이 보기

본문에서처럼 시작하여 다음을 알 수 있다.

v(x,y)⋅ı^=x2{>0x≠0=0x=0\mathbf{v}(x,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}=x^2 \begin{cases} >0 & x \neq 0\\ =0 & x=0 \end{cases} 그리고 v(x,y)⋅ȷ^=y{>0y>0=0y=0<0y<0\mathbf{v}(x,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}=y \begin{cases} >0 & y > 0\\ =0 & y=0\\ <0 & y<0 \end{cases}.

이로부터 다음 그림을 얻는다.

그림

이것으로 대략적인 모양을 알 수 있다. 더 자세히 살펴보면, x2>∣y∣x^2>|y| 일 때 벡터 v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 는 수직보다 수평에 더 가깝다. yy축에서 수평선을 따라 멀어질수록 x2x^2 과 ∣y∣|y| 의 차가 커지므로 벡터는 점점 더 수평에 가까워진다. 그러나 xx 의 값을 고정하면, 축에서 더 먼 곳의 벡터가 축에 가까운 곳의 벡터보다 더 수직에 가깝다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Beginning as in the text, we note

v(x,y)⋅ı^=x2{>0x≠0=0x=0\mathbf{v}(x,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\imath}}=x^2 \begin{cases} >0 & x \neq 0\\ =0 & x=0 \end{cases} and v(x,y)⋅ȷ^=y{>0y>0=0y=0<0y<0\mathbf{v}(x,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}=y \begin{cases} >0 & y > 0\\ =0 & y=0\\ <0 & y<0 \end{cases} .

That leads to the following picture:

figure

This gives us a general idea to start with. Refining, we notice that when x2>∣y∣x^2>|y|, then the vector v(x,y)\mathbf{v}(x,y) will be more horizontal than vertical. As we move away from the yy-axis in a horizontal line, the difference between x2x^2 and ∣y∣|y| grows, so the vectors get more and more horizontal. However, for a fixed value of xx, vectors farther from the axis will be more vertical than vectors closer to it.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.1절 · 9번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
14.CLP-4 · 2.1절 · 9번대학 수준우리말 번역

v(x,y)=(x2+y2 , (x−1)2+(y−1)2)\mathbf{v}(x,y) = \left( \sqrt{x^2+y^2}~,~\sqrt{(x-1)^2+(y-1)^2}\right) 의 방향장을 그래프로 그리세요.

영어 원문 보기

Sketch the direction field of v(x,y)=(x2+y2 , (x−1)2+(y−1)2)\mathbf{v}(x,y) = \left( \sqrt{x^2+y^2}~,~\sqrt{(x-1)^2+(y-1)^2}\right).

정답·풀이 보기

결국에는 단위 길이의 벡터만 그리게 되지만, v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 의 xx성분과 yy성분을 구하면 그 방향을 알 수 있다.

v(x,y)⋅ı^\mathbf{v}(x,y)\cdot \hat{\boldsymbol{\imath}} 는 (x,y)(x,y) 에서 원점까지의 거리이고, v(x,y)⋅ȷ^\mathbf{v}(x,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}} 는 (x,y)(x,y) 에서 점 (1,1)(1,1) 까지의 거리이다. 이 두 수는 항상 음이 아니다. 따라서 다음과 같은 그림이 된다.

그림

(x,y)(x,y) 가 원점에서 멀리 떨어져 있으면, (0,0)(0,0) 까지의 거리는 (1,0)(1,0) 까지의 거리와 거의 같다. 그러므로 v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 는 (1,1)(1,1) 의 스칼라 배수에 가까울 것으로 예상된다.

(0,0)(0,0) 에서 v(0,0)⋅ı^=0v(0,0)\cdot \hat{\boldsymbol{\imath}}=0 이므로 이 벡터는 수평이다. 마찬가지로 v(1,1)⋅ȷ^=0v(1,1)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}=0 이므로 이 벡터는 수평이다. (0,0)(0,0) 에 아주 가까운 곳의 벡터는 거의 수평이고, (1,1)(1,1) 에 가까운 곳의 벡터는 거의 수직이다.

그림

방향장을 그리기 위해 벡터의 길이가 1이 되도록 정규화한다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Although ultimately we'll sketch only unit-length vectors, we can still find the direction of v(x,y)\mathbf{v}(x,y) by finding its xx- and yy components.

Note v(x,y)⋅ı^\mathbf{v}(x,y)\cdot \hat{\boldsymbol{\imath}} is the distance from (x,y)(x,y) to the origin, while v(x,y)⋅ȷ^\mathbf{v}(x,y)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}} is the distance from (x,y)(x,y) to the point (1,1)(1,1). Both these numbers are always nonnegative. This leads to the following sketch:

figure

When (x,y)(x,y) is far from the origin, its distance from (0,0)(0,0) is almost the same as its distance from (1,0)(1,0). So, we expect v(x,y)\mathbf{v}(x,y) to be approximately a scalar multiple of (1,1)(1,1).

At (0,0)(0,0), v(0,0)⋅ı^=0v(0,0)\cdot \hat{\boldsymbol{\imath}}=0, so our vector is horizontal; similarly, v(1,1)⋅ȷ^=0v(1,1)\cdot\hat{\boldsymbol{\jmath}}=0 so this vector is horizontal. Vectors very near to (0,0)(0,0) are nearly horizontal, while vectors near to (1,1)(1,1) are nearly vertical.

figure

For the direction field, we normalize our vectors to have unit length.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.1절 · 6번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
15.CLP-4 · 2.1절 · 11번대학 수준우리말 번역

벡터장 v(x,y)=[1/3x2+y2(x,y)+1/3(x−1)2+y2(x−1,y)]\displaystyle \mathbf{v}(x,y)=\left[\frac{1/3}{\sqrt{x^2+y^2}}(x,y)+\frac{1/3}{\sqrt{(x-1)^2+y^2}}(x-1,y)\right] 을 그리세요.

영어 원문 보기

Sketch the vector field v(x,y)=[1/3x2+y2(x,y)+1/3(x−1)2+y2(x−1,y)]\displaystyle \mathbf{v}(x,y)=\left[\frac{1/3}{\sqrt{x^2+y^2}}(x,y)+\frac{1/3}{\sqrt{(x-1)^2+y^2}}(x-1,y)\right].

정답·풀이 보기

벡터장 v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 는 원점에서 멀어지는 방향의 단위벡터와 (1,0)(1,0) 에서 멀어지는 방향의 단위벡터의 합에 1/3을 곱한 것이다. 이로부터 몇몇 영역에 대해 알 수 있다.

  • (0,0)(0,0) 과 (1,0)(1,0) 사이의 xx축 위에서는 이 두 점에서 멀어지는 방향의 벡터가 서로 반대 방향이고 (길이가 같으므로) 서로 상쇄된다. 즉, 모든 x∈(0,1)x \in (0,1) 에 대해 v(x,0)=0v(x,0)=0 이다.
  • v(0,0)v(0,0) 과 v(1,0)v(1,0) 은 정의되지 않는다.
  • [0,1][0,1] 바깥의 xx축 위에서는 점 (0,0)(0,0) 에서 멀어지는 방향의 벡터가 점 (1,0)(1,0) 에서 멀어지는 방향의 벡터와 같다. 따라서 x<0x<0 일 때 v(x,0)=(−2/3,0)v(x,0)=(-2/3,0) 이고, x>1x>1 일 때 v(x,0)=(2/3,0)v(x,0)=(2/3,0) 이다.

그림

  • (x,y)(x,y) 에서 원점까지의 거리가 커질수록, (0,0)(0,0) 에서 멀어지는 방향의 벡터는 (1,0)(1,0) 에서 멀어지는 방향의 벡터와 점점 더 비슷해진다. 따라서 원점에서 멀리 떨어진 곳의 벡터는 원점에서 멀어지는 방향을 향하고 길이가 약 2/3인 벡터와 비슷하다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

The field v(x,y)\mathbf{v}(x,y) is the sum, scaled by 1/3, of the unit vector pointing away from the origin and the unit vector pointing away from (1,0)(1,0). This tells us about a few regions:

  • Along the xx axis between (0,0)(0,0) and (1,0)(1,0), the vectors away from these points are pointing in opposite directions (and have the same length), so they cancel each other out. That is, v(x,0)=0v(x,0)=0 for all x∈(0,1)x \in (0,1).
  • v(0,0)v(0,0) and v(1,0)v(1,0) are not defined.
  • Along the xx-axis outside of [0,1][0,1], the vector pointing away from the point (0,0)(0,0) is the same as the vector pointing away from the point (1,0)(1,0). So, v(x,0)=(−2/3,0)v(x,0)=(-2/3,0) for x<0x<0 and v(x,0)=(2/3,0)v(x,0)=(2/3,0) for x>1x>1.

figure

  • As the distance from (x,y)(x,y) to the origin grows, the vector pointing away from (0,0)(0,0) looks more and more like the vector pointing away from (1,0)(1,0). So, our vectors far away from the origin look like vectors of length about 2/3, pointing away from the origin.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.1절 · 13번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
16.CLP-4 · 2.1절 · 13번대학 수준우리말 번역

질량이 MM 인 물체는 자신으로부터 거리 DD 만큼 떨어진 단위 질량의 입자에 크기가 GMD2\frac{GM}{D^2} 인 힘을 작용한다. 여기서 GG 는 물리 상수이다. 이 힘은 입자에서 물체를 향하는 방향으로 작용한다.

그림

좌표평면 위에서 질량 5 kg 인 물체가 위치 (0,0)(0,0) 에, 질량 3 kg 인 물체가 위치 (2,3)(2,3) 에, 질량 7 kg 인 물체가 위치 (4,0)(4,0) 에 놓여 있다고 하자. 위치 (x,y)(x,y) 에 있는 단위 질량에 작용하는 전체 중력의 벡터장 f(x,y)\mathbf{f}(x,y) 를 구하세요.

영어 원문 보기

A body of mass MM exerts a force of magnitude GMD2\frac{GM}{D^2} on a particle of unit mass distance DD away from itself, where GG is a physical constant. The force acts in the direction from the particle to the body.

figure

Suppose a mass of 5 kg sits at position (0,0)(0,0), a mass of 3 kg sits at position (2,3)(2,3), and a mass of 7 kg sits at position (4,0)(4,0) on a coordinate plane. Give the vector field f(x,y)\mathbf{f}(x,y) of the net gravitational force exerted on a unit mass at position (x,y)(x,y).

정답·풀이 보기

위치 (x,y)(x,y) 에 있는 단위 질량의 입자는 5kg 물체로부터 거리 D1=x2+y2D_1=\sqrt{x^2+y^2} 만큼 떨어져 있으므로, 그 물체는 입자에 크기가 G(5)x2+y2\frac{G(5)}{x^2+y^2} 인 힘을 작용한다. 이 힘의 방향은 (−x,−y)(-x,-y) 이다. 따라서 5kg 물체가 작용하는 힘은 f1(x,y)=−5G(x2+y2)3/2(x,y)\mathbf{f}_1(x,y)=\frac{-5G}{(x^2+y^2)^{3/2}}(x,y) 이다.

마찬가지로, (2,3)(2,3) 에 있는 3 kg 물체가 작용하는 힘은 f2(x,y)=3G((x−2)2+(y−3)2)3/2(2−x,3−y)\mathbf{f}_2(x,y)=\frac{3G}{((x-2)^2+(y-3)^2)^{3/2}}(2-x,3-y) 이고, (4,0)(4,0) 에 있는 7 kg 물체가 작용하는 힘은 f3(x,y)=7G((x−4)2+y2)3/2(4−x,−y)\mathbf{f}_3(x,y)=\frac{7G}{((x-4)^2+y^2)^{3/2}}(4-x,-y) 이다.

따라서 단위 질량에 작용하는 전체 힘은 다음과 같다.

f(x,y)=f1(x,y)+f2(x,y)+f3(x,y)=−5G(x,y)(x2+y2)3/2+3G(2−x,3−y)((x−2)2+(y−3)2)3/2+7G(4−x,−y)((x−4)2+y2)3/2\begin{aligned} \mathbf{f}(x,y)&=\mathbf{f}_1(x,y)+\mathbf{f}_2(x,y)+\mathbf{f}_3(x,y)\\ &=\frac{-5G(x,y)}{(x^2+y^2)^{3/2}}+\frac{3G(2-x,3-y)}{((x-2)^2+(y-3)^2)^{3/2}}+\frac{7G(4-x,-y)}{((x-4)^2+y^2)^{3/2}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

A particle of unit mass at position (x,y)(x,y) has distance D1=x2+y2D_1=\sqrt{x^2+y^2} from the 5kg mass, so that mass exerts a force of magnitude G(5)x2+y2\frac{G(5)}{x^2+y^2} on the particle. This force has direction (−x,−y)(-x,-y). So, the force exerted by the 5kg mass is f1(x,y)=−5G(x2+y2)3/2(x,y)\mathbf{f}_1(x,y)=\frac{-5G}{(x^2+y^2)^{3/2}}(x,y).

Similarly, the 3 kg mass at (2,3)(2,3) exerts a force of f2(x,y)=3G((x−2)2+(y−3)2)3/2(2−x,3−y)\mathbf{f}_2(x,y)=\frac{3G}{((x-2)^2+(y-3)^2)^{3/2}}(2-x,3-y); and the 7 kg mass at (4,0)(4,0) exerts a force of f3(x,y)=7G((x−4)2+y2)3/2(4−x,−y)\mathbf{f}_3(x,y)=\frac{7G}{((x-4)^2+y^2)^{3/2}}(4-x,-y).

The net force on a unit mass is therefore

f(x,y)=f1(x,y)+f2(x,y)+f3(x,y)=−5G(x,y)(x2+y2)3/2+3G(2−x,3−y)((x−2)2+(y−3)2)3/2+7G(4−x,−y)((x−4)2+y2)3/2\begin{aligned} \mathbf{f}(x,y)&=\mathbf{f}_1(x,y)+\mathbf{f}_2(x,y)+\mathbf{f}_3(x,y)\\ &=\frac{-5G(x,y)}{(x^2+y^2)^{3/2}}+\frac{3G(2-x,3-y)}{((x-2)^2+(y-3)^2)^{3/2}}+\frac{7G(4-x,-y)}{((x-4)^2+y^2)^{3/2}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.1절 · 23번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
17.CLP-4 · 2.1절 · 14번대학 수준우리말 번역

a. 막대 하나가 수직인 벽에 기대어 있다. 막대의 길이는 2이고, 벽과 닿는 지점의 높이는 H=1H=1이다. 막대는 벽에 계속 닿은 채로 미끄러져 내려가며, 높이는 dHdt=0.5\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t}=0.5의 비율로 감소한다.

그림

위의 그림과 같은 좌표계를 사용하여, H=1H=1일 때 막대의 아래쪽 끝에서 pp만큼 떨어진 막대 위의 점의 속도를 나타내는 벡터함수 v:[0,2]→R2\mathbf{v}:\mathbb [0,2] \to \mathbb R^2 를 구하세요. b. 우산의 뼈대는 곧고 단단한 막대들을 한 공통의 중심에 붙여서 만든다. 막대들의 길이는 모두 같으므로, 막대들은 한 원의 반지름을 이룬다.

뼈대의 중심을 위로 들어 올린다. 뼈대의 가장자리는 바닥에 끌리면서, 뼈대는 점점 더 높고 가늘어지는 직원뿔 모양을 유지한다.

그림

그림

각 막대의 길이가 2미터이고, 뼈대의 중심이 50 cm/s의 비율로 들어 올려지고 있다고 하자. 뼈대의 중심이 바닥에서 1미터 위에 있을 때, 뼈대 위의 점 (x,y,z)(x,y,z)의 속도를 나타내는 벡터장 V(x,y,z)\mathbf{V}(x,y,z)를 구하세요.

바닥의 높이를 z=0z=0으로 하고, 뼈대의 중심은 원점 바로 위에 있다고 하자.

영어 원문 보기

a. A pole leans against a vertical wall. The pole has length 2, and it touches the wall at height H=1H=1. The pole slides down, still touching the wall, with its height decreasing at a rate of dHdt=0.5\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t}=0.5.

figure

Find a vector function v:[0,2]→R2\mathbf{v}:\mathbb [0,2] \to \mathbb R^2 for the velocity, when H=1H=1, of a point on the pole that is pp units from the lower end, using the coordinate system from the sketch above. b. The frame of an umbrella is constructed by attaching straight, rigid poles to a common centre. The poles are all the same length, so they form radii of a circle.

The frame is lifted from the centre of the circle. The edges of the frame drag on the ground, keeping the frame in the shape of a right circular cone that is becoming taller and thinner.

figure

figure

Suppose the length of each pole is 2 metres, and the centre of the frame is being lifted at a rate of 50 cm/s. Give a vector field for the velocity V(x,y,z)\mathbf{V}(x,y,z) of a point (x,y,z)(x,y,z) on the frame when its centre is 1 metre above the ground.

Let the ground have height z=0z=0, and let the centre of the frame sit directly above the origin.

정답·풀이 보기

a. 막대 위에서 아래쪽 끝으로부터 거리 pp만큼 떨어진 점 PP를 생각하자. 이 점을 이용하여 아래 그림과 같이 더 작은 직각삼각형을 만든다.

그림

닮은 삼각형을 이용하면:

h=p2Hb=p24−H2P가 위치 (x,y)에 있다면:y=h=p2Hx=4−H2−b=(1−p2)4−H2dydt=p2dHdt=−p4dxdt=(1−p2)−H4−H2dHdt=(1−p2)H24−H2H=1일 때:dydt∣H=1=−p4dxdt∣H=1=(1−p2)123\begin{aligned} h&=\frac{p}{2}H & b&=\frac{p}{2}\sqrt{4-H^2} \\ \text{$P$가 위치 $(x,y)$에 있다면:} \\ y&=h=\frac{p}{2}H & x&=\sqrt{4-H^2}-b=\left(1-\frac{p}{2}\right)\sqrt{4-H^2}\\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}&=\frac{p}{2}\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t}=-\frac{p}{4} &\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}&=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{-H}{\sqrt{4-H^2}}\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t}=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{H}{2\sqrt{4-H^2}} \\ \text{$H=1$일 때:} \\ \left.\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right|_{H=1}&=-\frac{p}{4} &\left.\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\right|_{H=1}&=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{1}{2\sqrt{3}} \end{aligned}

따라서

v(p)=(dxdt,dydt)∣H=1=((1−p2)123 , −p4)\mathbf{v}(p)=\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=\left( \left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{1}{2\sqrt{3}}~,~-\frac{p}{4} \right)

이 모형에서는 이 함수의 정의역을 [0,2][0,2]로 정한다. b. 먼저 a의 풀이에서 가져다 쓸 수 있는 것을 살펴보자. a와 마찬가지로, 막대 중 하나 위에서 아래쪽 끝으로부터 pp미터 떨어진 점 PP를 생각하자.

그림

PP의 위치를 (x,y,z)(x,y,z)라 하자. 이제 dHdt\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t}는 음수가 아니라 양수이므로, 이 2차원 단면에 한정하여 보면 V(p)=((1−p2)−123 , p4)\mathbf{V}(p)=\left( \left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{-1}{2\sqrt{3}}~,~\frac{p}{4} \right) 이고, 여기서 둘째 좌표는 zz이며 첫째 좌표는 벡터 (x,y,0)(x,y,0)의 방향을 가진 (수평) 직선을 따른 성분이다.

그림

따라서 dzdt∣H=1=p4\displaystyle\left.\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\right|_{H=1}=\frac{p}{4} 임을 알고, 또 어떤 음의 상수 cc에 대해 (dxdt,dydt)∣H=1=(x,y)c\displaystyle\left.\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=(x,y)c 이고 ∣(x,y)c∣=(1−p2)123|(x,y)c|=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{1}{2\sqrt{3}} 임을 안다. 벡터의 방향과 크기를 알았으므로 벡터를 구할 수 있다: (dxdt,dydt)∣H=1=(x,y)c=−(1−p2)23x2+y2(x,y)\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=(x,y)c=-\frac{\left(1-\frac{p}{2}\right)}{2\sqrt 3\sqrt{x^2+y^2}}(x,y)

식을 xx, yy, zz로 나타내고 싶으므로 pp를 없애야 한다. 닮은 삼각형을 이용하면 p2=4−H2−x2+y24−H2\frac{p}{2}=\frac{\sqrt{4-H^2}-\sqrt{x^2+y^2}}{\sqrt{4-H^2}} 이다. H=1H=1일 때 1−p2=x2+y231-\frac{p}{2}=\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{\sqrt3} 이다. 그러므로

(dxdt,dydt)∣H=1=−16(x,y)\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1} =-\frac{1}{6}(x,y)

마지막으로 V(x,y,z)=(dxdt,dydt,dzdt)∣H=1=(−16x , −16y , 12z)\mathbf{V}(x,y,z)=\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=\left( -\frac{1}{6}x~,~ -\frac{1}{6}y~,~ \frac{1}{2}z\right)

(x,y,z)(x,y,z)의 모든 값이 뼈대 위에 있는 것은 아니다. 그러나 뼈대 위에 있는 (x,y,z)(x,y,z)의 값에 대해서는 이 식이 성립한다.

원본 교재 풀이(영어)

a. Consider a point PP on the pole that is a distance pp away from the bottom end. Use this point to make a smaller right triangle, as in the picture below.

figure

Using similar triangles:

h=p2Hb=p24−H2If P is at position (x,y), then:y=h=p2Hx=4−H2−b=(1−p2)4−H2dydt=p2dHdt=−p4dxdt=(1−p2)−H4−H2dHdt=(1−p2)H24−H2When H=1:dydt∣H=1=−p4dxdt∣H=1=(1−p2)123\begin{aligned} h&=\frac{p}{2}H & b&=\frac{p}{2}\sqrt{4-H^2} \\ \text{If $P$ is at position $(x,y)$, then:} \\ y&=h=\frac{p}{2}H & x&=\sqrt{4-H^2}-b=\left(1-\frac{p}{2}\right)\sqrt{4-H^2}\\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}&=\frac{p}{2}\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t}=-\frac{p}{4} &\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}&=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{-H}{\sqrt{4-H^2}}\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t}=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{H}{2\sqrt{4-H^2}} \\ \text{When $H=1$:} \\ \left.\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right|_{H=1}&=-\frac{p}{4} &\left.\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\right|_{H=1}&=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{1}{2\sqrt{3}} \end{aligned}

Therefore, v(p)=(dxdt,dydt)∣H=1=((1−p2)123 , −p4)\mathbf{v}(p)=\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=\left( \left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{1}{2\sqrt{3}}~,~-\frac{p}{4} \right)

For our model, we set the domain of this function to be [0,2][0,2]. b. Let's start by seeing what we can salvage from our work on part a. As in part a., consider a point PP on one of the poles, pp metres from the bottom end.

figure

Let PP have position (x,y,z)(x,y,z). Noting that dHdt\frac{\mathrm{d}H}{\mathrm{d}t} is now positive, not negative, if we stick to this two-dimensional slice, V(p)=((1−p2)−123 , p4)\mathbf{V}(p)=\left( \left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{-1}{2\sqrt{3}}~,~\frac{p}{4} \right) where the second coordinate is zz and the first coordinate refers to the (horizontal) line in the direction of the vector (x,y,0)(x,y,0).

figure

So, we know dzdt∣H=1=p4\displaystyle\left.\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\right|_{H=1}=\frac{p}{4}, and we know (dxdt,dydt)∣H=1=(x,y)c\displaystyle\left.\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=(x,y)c for some negative constant cc with ∣(x,y)c∣=(1−p2)123|(x,y)c|=\left(1-\frac{p}{2}\right)\frac{1}{2\sqrt{3}}. Since we have the direction and the magnitude of the vector, we can find the vector: (dxdt,dydt)∣H=1=(x,y)c=−(1−p2)23x2+y2(x,y)\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=(x,y)c=-\frac{\left(1-\frac{p}{2}\right)}{2\sqrt 3\sqrt{x^2+y^2}}(x,y)

We want our equation to be in terms of xx, yy, and zz, so we need to get rid of pp. Using similar triangles, p2=4−H2−x2+y24−H2\frac{p}{2}=\frac{\sqrt{4-H^2}-\sqrt{x^2+y^2}}{\sqrt{4-H^2}}. When H=1H=1, then 1−p2=x2+y231-\frac{p}{2}=\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{\sqrt3}. So:

(dxdt,dydt)∣H=1=−16(x,y)\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1} =-\frac{1}{6}(x,y)

Finally: V(x,y,z)=(dxdt,dydt,dzdt)∣H=1=(−16x , −16y , 12z)\mathbf{V}(x,y,z)=\left.\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t},\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\right)\right|_{H=1}=\left( -\frac{1}{6}x~,~ -\frac{1}{6}y~,~ \frac{1}{2}z\right)

Not all values of (x,y,z)(x,y,z) are on the frame. But, for those values of (x,y,z)(x,y,z) that are on the frame, this equation holds.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 2.1절 · 7번
# 벡터장과 흐름선그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
18.CLP-4 · 2.2절 · 1번대학 수준우리말 번역

아래에 그려진 벡터장 v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 가 xyxy평면의 제1사분면에 있는 점 (x,y)(x,y) 에서 흐르는 물의 속도를 나타낸다고 하자.

그림

다음 점에 떨어뜨린 고무 오리가 따라가는 경로를 그리세요.

(a) (0,2)(0,2) (b) (1,0)(1,0) (c) (1,2)(1,2)

영어 원문 보기

Suppose that the vector field v(x,y)\mathbf{v}(x,y) sketched below represents the velocity of moving water at the point (x,y)(x,y) in the first quadrant of the xyxy-plane.

figure

Sketch the path followed by a rubber ducky dropped in at the point

(a) (0,2)(0,2) (b) (1,0)(1,0) (c) (1,2)(1,2)

정답·풀이 보기

(a) 양의 yy축 위의 모든 점에서 속도 벡터 v(0,y)\mathbf{v}(0,y) 는 곧장 아래쪽을 향한다. 따라서 (0,2)(0,2) 에서 물에 놓은 고무 오리는 양의 yy축을 따라 원점을 향해 곧장 아래로 떠내려간다.

그림

(b) 양의 xx축 위의 모든 점에서 속도 벡터 v(x,0)\mathbf{v}(x,0) 는 곧장 오른쪽을 향한다. 따라서 (1,0)(1,0) 에서 물에 놓은 고무 오리는 양의 xx축을 따라 오른쪽으로 떠내려간다.

(c) 축에서 떨어진 제1사분면의 모든 점에서 속도 벡터 v(x,y)\mathbf{v}(x,y) 는 아래쪽 오른쪽을 향한다. 따라서 (1,2)(1,2) 에서 물에 놓은 고무 오리는 언제나 아래쪽 오른쪽으로 떠내려간다. 오리가 xx축에 가까워질수록 움직임은 더욱 오른쪽으로 향하게 된다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) At every point of the positive yy-axis, the velocity vector v(0,y)\mathbf{v}(0,y) points straight down. So a rubber ducky placed in the water at (0,2)(0,2) just floats straight down the positive yy-axis towards the origin.

figure

(b) At every point of the positive xx-axis, the velocity vector v(x,0)\mathbf{v}(x,0) points straight to the right. So a rubber ducky placed in the water at (1,0)(1,0) just floats rightward along the positive xx-axis.

(c) At every point of the first quadrant away from the axes, the velocity vector v(x,y)\mathbf{v}(x,y) points downwards and towards the right. So a rubber ducky placed in the water at (1,2)(1,2) always floats down and to the right. The closer the ducky gets to the xx–axis the more rightward its motion becomes.

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벡터장 F=x ı^+3y ȷ^\mathbf{F}= x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ 3y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} 의 역선을 구하고 그래프를 그리세요.

영어 원문 보기

Find and sketch the field lines of the vector field F=x ı^+3y ȷ^\mathbf{F}= x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+ 3y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}.

정답·풀이 보기

역선은 다음을 만족한다.

dxx=dy3y x,y≠0 일 때  ⟹  3ln⁡∣x∣=ln⁡∣y∣+C  ⟹  ∣x∣3=eC∣y∣  ⟹  y=±e−Cx3  ⟹  y=C′x3\begin{aligned} &\frac{\mathrm{d}x}{x}=\frac{\mathrm{d}y}{3y}\qquad\text{ $x,y\ne 0$ 일 때}\\ &\implies 3\ln |x|=\ln |y|+C\\ &\implies |x|^3=e^C|y| \\ &\implies y=\pm e^{-C}x^3 \\ &\implies y=C'x^3 \end{aligned}

여기서 C′C' 은 0이 아닌 상수이다. yy축 위에서는 F∥ȷ^\mathbf{F}\parallel\hat{\boldsymbol{\jmath}} 이고 xx축 위에서는 F∥ı^\mathbf{F}\parallel\hat{\boldsymbol{\imath}} 이므로 x=0x=0 과 y=0y=0 도 역선이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

The field lines obey

dxx=dy3y if x,y≠0  ⟹  3ln⁡∣x∣=ln⁡∣y∣+C  ⟹  ∣x∣3=eC∣y∣  ⟹  y=±e−Cx3  ⟹  y=C′x3\begin{aligned} &\frac{\mathrm{d}x}{x}=\frac{\mathrm{d}y}{3y}\qquad\text{ if $x,y\ne 0$}\\ &\implies 3\ln |x|=\ln |y|+C\\ &\implies |x|^3=e^C|y| \\ &\implies y=\pm e^{-C}x^3 \\ &\implies y=C'x^3 \end{aligned}

with C′C' a nonzero constant. x=0x=0 and y=0y=0 are also field lines, since on the yy-axis F∥ȷ^\mathbf{F}\parallel\hat{\boldsymbol{\jmath}} and on the xx-axis F∥ı^\mathbf{F}\parallel\hat{\boldsymbol{\imath}}.

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