예제·유제 · Examples & Exercises

예제 01 벡터장의 회전
한국어

벡터장 $\mathbf{F}=(x^2-z)\mathbf{i}+xe^z\mathbf{j}+xy\mathbf{k}$의 회전을 구하시오.

풀이. 회전의 정의는 다음과 같다.

$$\nabla\times\mathbf F=\left(\frac{\partial F_3}{\partial y}-\frac{\partial F_2}{\partial z}\right)\mathbf i+\left(\frac{\partial F_1}{\partial z}-\frac{\partial F_3}{\partial x}\right)\mathbf j+\left(\frac{\partial F_2}{\partial x}-\frac{\partial F_1}{\partial y}\right)\mathbf k$$

$F_1=x^2-z,\ F_2=xe^z,\ F_3=xy$이므로 각 성분을 계산하면

$$\frac{\partial F_3}{\partial y}-\frac{\partial F_2}{\partial z}=x-xe^z=x(1-e^z),\qquad \frac{\partial F_1}{\partial z}-\frac{\partial F_3}{\partial x}=-1-y=-(1+y),\qquad \frac{\partial F_2}{\partial x}-\frac{\partial F_1}{\partial y}=e^z-0=e^z$$

이다. 따라서 구하는 회전은

$$\nabla\times\mathbf F=x(1-e^z)\mathbf i-(1+y)\mathbf j+e^z\mathbf k$$

이다.

English

Find the curl of the vector field $\mathbf{F}=(x^2-z)\mathbf{i}+xe^z\mathbf{j}+xy\mathbf{k}$.

Solution. The curl is defined by

$$\nabla\times\mathbf F=\left(\frac{\partial F_3}{\partial y}-\frac{\partial F_2}{\partial z}\right)\mathbf i+\left(\frac{\partial F_1}{\partial z}-\frac{\partial F_3}{\partial x}\right)\mathbf j+\left(\frac{\partial F_2}{\partial x}-\frac{\partial F_1}{\partial y}\right)\mathbf k.$$

Since $F_1=x^2-z,\ F_2=xe^z,\ F_3=xy$, computing each component gives

$$\frac{\partial F_3}{\partial y}-\frac{\partial F_2}{\partial z}=x-xe^z=x(1-e^z),\qquad \frac{\partial F_1}{\partial z}-\frac{\partial F_3}{\partial x}=-1-y=-(1+y),\qquad \frac{\partial F_2}{\partial x}-\frac{\partial F_1}{\partial y}=e^z-0=e^z.$$

Therefore

$$\nabla\times\mathbf F=x(1-e^z)\mathbf i-(1+y)\mathbf j+e^z\mathbf k.$$
유제 01 회전이 0인 벡터장
한국어

주어진 벡터장의 회전이 0임을 보이시오.

  1. $\mathbf{F}=2x\mathbf{i}+2y\mathbf{j}+2z\mathbf{k}$
  2. $\nabla(xy^2z^3)$

증명. 임의의 이급함수(class $C^2$) $f(x,y,z)$에 대해 $\nabla\times(\nabla f)=\mathbf 0$임을 먼저 보인다. $\nabla f=(f_x,f_y,f_z)$이므로

$$\nabla\times(\nabla f)=(f_{zy}-f_{yz})\mathbf i+(f_{xz}-f_{zx})\mathbf j+(f_{yx}-f_{xy})\mathbf k$$

인데 $f$가 이급이므로 클레로 정리(혼합 편도함수의 순서 무관성)에 의해 $f_{zy}=f_{yz},\ f_{xz}=f_{zx},\ f_{yx}=f_{xy}$이다. 따라서 $\nabla\times(\nabla f)=\mathbf 0$이다.

(1) $\mathbf F=2x\mathbf i+2y\mathbf j+2z\mathbf k=\nabla(x^2+y^2+z^2)$이고 $x^2+y^2+z^2$은 다항함수이므로 이급이다. 따라서 위 결과에 의해 $\nabla\times\mathbf F=\mathbf 0$이다.

(2) $\mathbf F=\nabla(xy^2z^3)$이고 $xy^2z^3$은 다항함수이므로 이급이다. 따라서 위 결과에 의해 $\nabla\times\mathbf F=\mathbf 0$이다.

$\square$
English

Show that the curl of each given vector field is 0.

  1. $\mathbf{F}=2x\mathbf{i}+2y\mathbf{j}+2z\mathbf{k}$
  2. $\nabla(xy^2z^3)$

Proof. We first show that for any function $f(x,y,z)$ of class $C^2$, $\nabla\times(\nabla f)=\mathbf 0$. Since $\nabla f=(f_x,f_y,f_z)$,

$$\nabla\times(\nabla f)=(f_{zy}-f_{yz})\mathbf i+(f_{xz}-f_{zx})\mathbf j+(f_{yx}-f_{xy})\mathbf k.$$

Since $f$ is of class $C^2$, Clairaut's theorem (equality of mixed partial derivatives) gives $f_{zy}=f_{yz},\ f_{xz}=f_{zx},\ f_{yx}=f_{xy}$. Hence $\nabla\times(\nabla f)=\mathbf 0$.

(1) $\mathbf F=2x\mathbf i+2y\mathbf j+2z\mathbf k=\nabla(x^2+y^2+z^2)$, and $x^2+y^2+z^2$ is a polynomial, hence of class $C^2$. So by the identity above, $\nabla\times\mathbf F=\mathbf 0$.

(2) $\mathbf F=\nabla(xy^2z^3)$, and $xy^2z^3$ is a polynomial, hence of class $C^2$. So by the identity above, $\nabla\times\mathbf F=\mathbf 0$.

$\square$
예제 02 스토크스 정리의 확인
한국어
  1. 곡면 $S: x^2+y^2+z^2=9\ (z\geq 0)$와 그 경계 $C: x^2+y^2=9,\ z=0$이 있다. 벡터장 $\mathbf{F}=y\mathbf{i}-x\mathbf{j}$에 대하여 다음이 성립함을 보이시오. $$\oint_C\mathbf{F}\cdot d\mathbf{r}=\iint_S(\nabla\times\mathbf{F})\cdot\mathbf{n}\,d\sigma$$
  2. $xy$평면 위에 반지름이 3이고 중심이 원점인 원판을 $S$라 하고 $\mathbf{F}=y\mathbf{i}-x\mathbf{j}$라 할 때 $\iint_S(\nabla\times\mathbf{F})\cdot\mathbf{n}\,d\sigma$의 값을 구하시오. 이를 (1)과 비교하시오.

증명. $\mathbf F=y\mathbf i-x\mathbf j$의 회전을 계산하면

$$\nabla\times\mathbf F=(0-0)\mathbf i+(0-0)\mathbf j+(-1-1)\mathbf k=-2\mathbf k$$

이다.

(1) $S$의 향 $\mathbf n$을 원점에서 바깥쪽(위쪽 성분을 갖도록)으로 정하면, 오른손 법칙에 의해 경계 $C: x^2+y^2=9,\ z=0$는 위에서 바라볼 때 시계 반대 방향의 향이 유도된다.

먼저 우변을 계산한다. $\nabla\times\mathbf F$가 상수벡터이고 $S$와 같은 경계 $C$를 갖는 평면 원판 $S':x^2+y^2\leq 9,\ z=0$ (향 $\mathbf n=\mathbf k$)을 잡아도 스토크스 정리에 의해 곡면 위 회전의 면적분 값은 같으므로,

$$\iint_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf n\,d\sigma=\iint_{S'}(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf k\,dA=\iint_{S'}(-2)\,dA=-2\cdot 9\pi=-18\pi$$

이다.

다음으로 좌변을 계산한다. $C$를 $\mathbf r(t)=(3\cos t,3\sin t,0),\ 0\leq t\leq 2\pi$로 매개화하면 $d\mathbf r=(-3\sin t,3\cos t,0)\,dt$이고

$$\mathbf F\cdot d\mathbf r=y\,dx-x\,dy=(3\sin t)(-3\sin t)\,dt-(3\cos t)(3\cos t)\,dt=-9\,dt$$

이므로

$$\oint_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\int_0^{2\pi}(-9)\,dt=-18\pi$$

이다. 두 값이 $-18\pi$로 일치하므로 스토크스 정리가 성립함을 확인했다.

(2) $S$를 $xy$평면 위 반지름 3인 원판이라 하면 이는 (1)에서 잡은 $S'$과 같은 곡면이다. 따라서

$$\iint_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf n\,d\sigma=-18\pi$$

이고, 이는 (1)에서 구한 값과 정확히 일치한다. 즉 경계 $C$가 같으면 $S$를 반구면으로 잡든 평면 원판으로 잡든 회전의 면적분 값이 같음을 보여준다 — 이는 스토크스 정리가 곡면의 선택에 무관하게 경계에만 의존함을 보여주는 예이다.

$\square$
English
  1. Let $S: x^2+y^2+z^2=9\ (z\geq 0)$ be a surface with boundary $C: x^2+y^2=9,\ z=0$. For the vector field $\mathbf{F}=y\mathbf{i}-x\mathbf{j}$, show that the following holds. $$\oint_C\mathbf{F}\cdot d\mathbf{r}=\iint_S(\nabla\times\mathbf{F})\cdot\mathbf{n}\,d\sigma$$
  2. Let $S$ be the disk of radius $3$ centered at the origin in the $xy$-plane, and let $\mathbf{F}=y\mathbf{i}-x\mathbf{j}$. Find the value of $\iint_S(\nabla\times\mathbf{F})\cdot\mathbf{n}\,d\sigma$, and compare it with (1).

Proof. The curl of $\mathbf F=y\mathbf i-x\mathbf j$ is

$$\nabla\times\mathbf F=(0-0)\mathbf i+(0-0)\mathbf j+(-1-1)\mathbf k=-2\mathbf k.$$

(1) Orient $S$ with $\mathbf n$ pointing outward from the origin (with a positive $\mathbf k$-component); by the right-hand rule, this induces a counterclockwise orientation on $C: x^2+y^2=9,\ z=0$ as viewed from above.

First compute the right side. Since $\nabla\times\mathbf F$ is a constant vector, replacing $S$ by the flat disk $S':x^2+y^2\leq 9,\ z=0$ (with orientation $\mathbf n=\mathbf k$), which has the same boundary $C$, gives the same value of the surface integral by Stokes' Theorem, so

$$\iint_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf n\,d\sigma=\iint_{S'}(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf k\,dA=\iint_{S'}(-2)\,dA=-2\cdot 9\pi=-18\pi.$$

Next compute the left side. Parametrizing $C$ by $\mathbf r(t)=(3\cos t,3\sin t,0),\ 0\leq t\leq 2\pi$, we get $d\mathbf r=(-3\sin t,3\cos t,0)\,dt$ and

$$\mathbf F\cdot d\mathbf r=y\,dx-x\,dy=(3\sin t)(-3\sin t)\,dt-(3\cos t)(3\cos t)\,dt=-9\,dt,$$

so

$$\oint_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\int_0^{2\pi}(-9)\,dt=-18\pi.$$

Both sides equal $-18\pi$, confirming that Stokes' Theorem holds.

(2) Let $S$ be the disk of radius $3$ in the $xy$-plane; this is the same surface as $S'$ in (1). Hence

$$\iint_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf n\,d\sigma=-18\pi,$$

which agrees exactly with the value found in (1). That is, whether $S$ is taken to be the hemisphere or the flat disk, the surface integral of the curl over $S$ is the same as long as the boundary $C$ is the same — this illustrates that Stokes' Theorem depends only on the boundary, not on the choice of surface.

$\square$
유제 02-1 스토크스 정리 확인
한국어

$z$축을 중심으로 하는 반지름의 길이가 1인 원기둥 내부에 있는 곡면 $z=y^2-x^2$의 부분을 $S$라 하자. 양의 $\mathbf{k}$성분을 갖도록 $S$의 향을 정할 때 $\mathbf{F}=y\mathbf{i}-x\mathbf{j}+x^2\mathbf{k}$에 대하여 스토크스 정리가 성립함을 확인하시오.

증명. $\mathbf F=y\mathbf i-x\mathbf j+x^2\mathbf k$의 회전을 계산하면

$$\nabla\times\mathbf F=(0-0)\mathbf i+(0-2x)\mathbf j+(-1-1)\mathbf k=-2x\mathbf j-2\mathbf k$$

이다.

우변(면적분). $S$를 $z=g(x,y)=y^2-x^2\ (x^2+y^2\leq 1)$로 매개화하고, $\mathbf k$성분이 양수가 되도록 향을 정하면

$$\mathbf n\,d\sigma=(-g_x,-g_y,1)\,dA=(2x,-2y,1)\,dA$$

이다. 따라서

$$(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf n\,d\sigma=\big(0\cdot 2x+(-2x)(-2y)+(-2)\cdot 1\big)\,dA=(4xy-2)\,dA$$

이고, $D:x^2+y^2\leq 1$ 위에서 $4xy$는 기함수이므로 대칭성에 의해 $\iint_D 4xy\,dA=0$이다. 따라서

$$\iint_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf n\,d\sigma=\iint_D(4xy-2)\,dA=-2\cdot\pi(1)^2=-2\pi$$

이다.

좌변(선적분). 경계 $C$는 원기둥 $x^2+y^2=1$ 위에 있으며, $S$의 향에 대응하여 위에서 바라볼 때 시계 반대 방향으로 향한다. $\mathbf r(t)=(\cos t,\sin t,\sin^2t-\cos^2t)=(\cos t,\sin t,-\cos 2t),\ 0\leq t\leq 2\pi$로 매개화하면

$$d\mathbf r=(-\sin t,\cos t,2\sin 2t)\,dt,\qquad \mathbf F=(\sin t,-\cos t,\cos^2t)$$

이므로

$$\mathbf F\cdot d\mathbf r=-\sin^2t-\cos^2t+2\cos^2t\sin 2t\,dt=(-1+2\cos^2t\sin 2t)\,dt$$

이다. $2\cos^2t\sin 2t=4\sin t\cos^3t$의 부정적분은 $-\cos^4t$로 주기함수이므로 한 주기에 대한 정적분은 $0$이다. 따라서

$$\oint_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\int_0^{2\pi}(-1)\,dt+0=-2\pi$$

이다. 두 값이 $-2\pi$로 일치하므로 스토크스 정리가 성립함을 확인했다.

$\square$
English

Let $S$ be the part of the surface $z=y^2-x^2$ lying inside the cylinder of radius $1$ centered on the $z$-axis. Orient $S$ so that it has a positive $\mathbf{k}$-component. Verify that Stokes' Theorem holds for $\mathbf{F}=y\mathbf{i}-x\mathbf{j}+x^2\mathbf{k}$.

Proof. The curl of $\mathbf F=y\mathbf i-x\mathbf j+x^2\mathbf k$ is

$$\nabla\times\mathbf F=(0-0)\mathbf i+(0-2x)\mathbf j+(-1-1)\mathbf k=-2x\mathbf j-2\mathbf k.$$

Right side (surface integral). Parametrize $S$ by $z=g(x,y)=y^2-x^2\ (x^2+y^2\leq 1)$, oriented with a positive $\mathbf k$-component; then

$$\mathbf n\,d\sigma=(-g_x,-g_y,1)\,dA=(2x,-2y,1)\,dA,$$

so

$$(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf n\,d\sigma=\big(0\cdot 2x+(-2x)(-2y)+(-2)\cdot 1\big)\,dA=(4xy-2)\,dA,$$

and since $4xy$ is an odd function on $D:x^2+y^2\leq 1$, symmetry gives $\iint_D 4xy\,dA=0$. Hence

$$\iint_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf n\,d\sigma=\iint_D(4xy-2)\,dA=-2\cdot\pi(1)^2=-2\pi.$$

Left side (line integral). The boundary $C$ lies on the cylinder $x^2+y^2=1$, oriented counterclockwise as viewed from above, corresponding to the orientation of $S$. Parametrizing by $\mathbf r(t)=(\cos t,\sin t,\sin^2t-\cos^2t)=(\cos t,\sin t,-\cos 2t),\ 0\leq t\leq 2\pi$,

$$d\mathbf r=(-\sin t,\cos t,2\sin 2t)\,dt,\qquad \mathbf F=(\sin t,-\cos t,\cos^2t),$$

so

$$\mathbf F\cdot d\mathbf r=-\sin^2t-\cos^2t+2\cos^2t\sin 2t\,dt=(-1+2\cos^2t\sin 2t)\,dt.$$

Since $2\cos^2t\sin 2t=4\sin t\cos^3t$ has antiderivative $-\cos^4t$, which is periodic, its definite integral over one full period is $0$. Therefore

$$\oint_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\int_0^{2\pi}(-1)\,dt+0=-2\pi.$$

Both sides equal $-2\pi$, confirming that Stokes' Theorem holds.

$\square$
유제 02-2 교선을 따른 순환
한국어

$z=2$와 $z=\sqrt{x^2+y^2}$의 교선 $C$에 위에서 바라봤을 때 시계 반대 방향으로 향을 주자. 이때 $C$를 따른 벡터장 $\mathbf{F}=(x^2-y)\mathbf{i}+4z\mathbf{j}+x^2\mathbf{k}$의 순환을 구하시오.

풀이. $z=2$와 $z=\sqrt{x^2+y^2}$의 교선은 $\sqrt{x^2+y^2}=2$, 즉 $x^2+y^2=4,\ z=2$인 원이다. 이 원을 경계로 갖는 평면 원판 $S:x^2+y^2\leq 4,\ z=2$를 향 $\mathbf n=\mathbf k$(위쪽)로 잡으면, $C$가 위에서 바라볼 때 시계 반대 방향으로 향한 것과 일치한다.

스토크스 정리에 의해

$$\oint_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\iint_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf k\,dA$$

이다. $\mathbf F=(x^2-y,4z,x^2)$의 회전을 계산하면

$$\nabla\times\mathbf F=(0-4)\mathbf i+(0-2x)\mathbf j+(0-(-1))\mathbf k=-4\mathbf i-2x\mathbf j+\mathbf k$$

이므로 $(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf k=1$은 상수이다. 따라서

$$\oint_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\iint_S 1\,dA=\pi(2)^2=4\pi$$

이다.

English

Let $C$ be the curve of intersection of $z=2$ and $z=\sqrt{x^2+y^2}$, oriented counterclockwise as viewed from above. Find the circulation of the vector field $\mathbf{F}=(x^2-y)\mathbf{i}+4z\mathbf{j}+x^2\mathbf{k}$ along $C$.

Solution. The curve of intersection of $z=2$ and $z=\sqrt{x^2+y^2}$ is the circle $\sqrt{x^2+y^2}=2$, i.e. $x^2+y^2=4,\ z=2$. Taking the flat disk $S:x^2+y^2\leq 4,\ z=2$ bounded by this circle, oriented with $\mathbf n=\mathbf k$ (upward), matches the counterclockwise orientation of $C$ as viewed from above.

By Stokes' Theorem,

$$\oint_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\iint_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf k\,dA.$$

The curl of $\mathbf F=(x^2-y,4z,x^2)$ is

$$\nabla\times\mathbf F=(0-4)\mathbf i+(0-2x)\mathbf j+(0-(-1))\mathbf k=-4\mathbf i-2x\mathbf j+\mathbf k,$$

so $(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf k=1$ is constant. Therefore

$$\oint_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\iint_S 1\,dA=\pi(2)^2=4\pi.$$
유제 02-3 교선을 따른 순환
한국어

$x^2+y^2+z^2=1$과 $z=\sqrt{x^2+y^2}$의 교선 $C$에 위에서 바라봤을 때 시계 반대 방향으로 향을 주자. 이때 $C$를 따른 벡터장 $\mathbf{F}=(x^2+z)\mathbf{i}+(y^2+2x)\mathbf{j}+(z^2-y)\mathbf{k}$의 순환을 구하시오

풀이. $x^2+y^2+z^2=1$과 $z=\sqrt{x^2+y^2}$의 교선을 구하기 위해 $x^2+y^2=z^2$을 구의 방정식에 대입하면 $z^2+z^2=1$, 즉 $z=\dfrac{1}{\sqrt2}$ (양의 근)이다. 이때 $x^2+y^2=z^2=\dfrac12$이므로 $C$는 높이 $z=\dfrac1{\sqrt2}$, 반지름 $\dfrac1{\sqrt2}$인 원이다. 이 원을 경계로 갖는 평면 원판 $S:x^2+y^2\leq \dfrac12,\ z=\dfrac1{\sqrt2}$를 향 $\mathbf n=\mathbf k$로 잡으면 $C$의 향과 일치한다.

$\mathbf F=(x^2+z,y^2+2x,z^2-y)$의 회전을 계산하면

$$\nabla\times\mathbf F=(-1-0)\mathbf i+(1-0)\mathbf j+(2-0)\mathbf k=-\mathbf i+\mathbf j+2\mathbf k$$

이므로 $(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf k=2$는 상수이다. 스토크스 정리에 의해

$$\oint_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\iint_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf k\,dA=2\cdot\pi\cdot\frac12=\pi$$

이다.

English

Let $C$ be the curve of intersection of $x^2+y^2+z^2=1$ and $z=\sqrt{x^2+y^2}$, oriented counterclockwise as viewed from above. Find the circulation of the vector field $\mathbf{F}=(x^2+z)\mathbf{i}+(y^2+2x)\mathbf{j}+(z^2-y)\mathbf{k}$ along $C$

Solution. To find the curve of intersection of $x^2+y^2+z^2=1$ and $z=\sqrt{x^2+y^2}$, substitute $x^2+y^2=z^2$ into the sphere's equation: $z^2+z^2=1$, so $z=\dfrac{1}{\sqrt2}$ (taking the positive root). Then $x^2+y^2=z^2=\dfrac12$, so $C$ is a circle of radius $\dfrac1{\sqrt2}$ at height $z=\dfrac1{\sqrt2}$. Taking the flat disk $S:x^2+y^2\leq \dfrac12,\ z=\dfrac1{\sqrt2}$ bounded by this circle, oriented with $\mathbf n=\mathbf k$, matches the orientation of $C$.

The curl of $\mathbf F=(x^2+z,y^2+2x,z^2-y)$ is

$$\nabla\times\mathbf F=(-1-0)\mathbf i+(1-0)\mathbf j+(2-0)\mathbf k=-\mathbf i+\mathbf j+2\mathbf k,$$

so $(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf k=2$ is constant. By Stokes' Theorem,

$$\oint_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\iint_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf k\,dA=2\cdot\pi\cdot\frac12=\pi.$$
유제 02-4 평면 경계의 선적분
한국어

곡면 $2x+y+z=2,\ x,y,z\geq 0$의 경계 $C$에 위에서 바라봤을 때 시계 반대 방향으로 향을 주자. 이때 벡터장 $\mathbf{F}=xz\mathbf{i}+xy\mathbf{j}+3xz\mathbf{k}$에 대해 $\int_C\mathbf{F}\cdot d\mathbf{r}$의 값을 구하시오.

풀이. $C$는 닫힌곡선이므로 스토크스 정리를 적용할 수 있다. 평면 $2x+y+z=2\ (x,y,z\geq 0)$을 $z=g(x,y)=2-2x-y$로 매개화하면, 정의역은 $xy$평면의 삼각형 $D:x\geq0,\ y\geq0,\ 2x+y\leq2$이다. $C$가 위에서 바라볼 때 시계 반대 방향이므로 $S$의 향은 위쪽이고

$$\mathbf n\,d\sigma=(-g_x,-g_y,1)\,dA=(2,1,1)\,dA$$

이다. $\mathbf F=(xz,xy,3xz)$의 회전을 계산하면

$$\nabla\times\mathbf F=(0-0)\mathbf i+(x-3z)\mathbf j+(y-0)\mathbf k=(x-3z)\mathbf j+y\mathbf k$$

이므로

$$(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf n\,d\sigma=\big(0\cdot 2+(x-3z)\cdot1+y\cdot1\big)\,dA=(x-3z+y)\,dA$$

이다. $z=2-2x-y$를 대입하면 $x-3(2-2x-y)+y=7x+4y-6$이므로

$$\int_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\iint_D(7x+4y-6)\,dA=\int_0^1\int_0^{2-2x}(7x+4y-6)\,dy\,dx$$

이다. 안쪽 적분을 계산하면

$$\int_0^{2-2x}(7x+4y-6)\,dy=\Big[7xy+2y^2-6y\Big]_0^{2-2x}=(2-2x)(3x-2)=-6x^2+10x-4$$

이고, 바깥쪽 적분은

$$\int_0^1(-6x^2+10x-4)\,dx=\Big[-2x^3+5x^2-4x\Big]_0^1=-2+5-4=-1$$

이다. 따라서 $\displaystyle\int_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=-1$이다.

English

Let $C$ be the boundary of the surface $2x+y+z=2,\ x,y,z\geq 0$, oriented counterclockwise as viewed from above. For the vector field $\mathbf{F}=xz\mathbf{i}+xy\mathbf{j}+3xz\mathbf{k}$, find the value of $\int_C\mathbf{F}\cdot d\mathbf{r}$.

Solution. Since $C$ is a closed curve, Stokes' Theorem applies. Parametrize the plane $2x+y+z=2\ (x,y,z\geq 0)$ by $z=g(x,y)=2-2x-y$, with domain the triangle $D:x\geq0,\ y\geq0,\ 2x+y\leq2$ in the $xy$-plane. Since $C$ runs counterclockwise as viewed from above, $S$ is oriented upward, and

$$\mathbf n\,d\sigma=(-g_x,-g_y,1)\,dA=(2,1,1)\,dA.$$

The curl of $\mathbf F=(xz,xy,3xz)$ is

$$\nabla\times\mathbf F=(0-0)\mathbf i+(x-3z)\mathbf j+(y-0)\mathbf k=(x-3z)\mathbf j+y\mathbf k,$$

so

$$(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf n\,d\sigma=\big(0\cdot 2+(x-3z)\cdot1+y\cdot1\big)\,dA=(x-3z+y)\,dA.$$

Substituting $z=2-2x-y$ gives $x-3(2-2x-y)+y=7x+4y-6$, so

$$\int_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\iint_D(7x+4y-6)\,dA=\int_0^1\int_0^{2-2x}(7x+4y-6)\,dy\,dx.$$

Evaluating the inner integral,

$$\int_0^{2-2x}(7x+4y-6)\,dy=\Big[7xy+2y^2-6y\Big]_0^{2-2x}=(2-2x)(3x-2)=-6x^2+10x-4,$$

and then the outer integral,

$$\int_0^1(-6x^2+10x-4)\,dx=\Big[-2x^3+5x^2-4x\Big]_0^1=-2+5-4=-1.$$

Therefore $\displaystyle\int_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=-1$.

유제 02-5 회전의 유출
한국어

$z=1$ 아래에 있는 $z=x^2+4y^2$의 부분을 $S$라 하자. $\mathbf{k}$성분이 양수가 되도록 $S$의 향을 정할 때, 벡터장 $\mathbf{F}=y\mathbf{i}-xz\mathbf{j}+xz^2\mathbf{k}$에 대해 $S$를 가로지르는 $\nabla\times\mathbf{F}$의 유출을 구하시오.

풀이. $S$의 경계 $C$는 평면 $z=1$ 위 타원 $x^2+4y^2=1$이며, $S$가 $\mathbf k$성분이 양수가 되도록 향해 있으므로 $C$는 위에서 바라볼 때 시계 반대 방향으로 향한다. $\mathbf F=(y,-xz,xz^2)$의 회전을 계산하면

$$\nabla\times\mathbf F=(0-(-x))\mathbf i+(0-z^2)\mathbf j+(-z-1)\mathbf k=x\mathbf i-z^2\mathbf j-(z+1)\mathbf k$$

이다. $\nabla\times\mathbf F$는 다항식으로 이루어져 있어 어디서나 매끄러우므로, 스토크스 정리에 의해 $S$ 대신 같은 경계 $C$를 갖는 평면 타원판 $S':x^2+4y^2\leq1,\ z=1$ (향 $\mathbf n=\mathbf k$)을 사용해도 유출 값이 같다. $S'$ 위에서는 $z=1$이므로

$$(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf k=-(z+1)\Big|_{z=1}=-2$$

는 상수이다. 타원 $x^2+4y^2\leq1$의 반축은 $1,\ \dfrac12$이므로 넓이는 $\pi\cdot1\cdot\dfrac12=\dfrac{\pi}2$이다. 따라서

$$\iint_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf n\,d\sigma=\iint_{S'}(-2)\,dA=-2\cdot\frac{\pi}2=-\pi$$

이다.

English

Let $S$ be the part of $z=x^2+4y^2$ lying below $z=1$. Orient $S$ so that its $\mathbf{k}$-component is positive. For the vector field $\mathbf{F}=y\mathbf{i}-xz\mathbf{j}+xz^2\mathbf{k}$, find the flux of $\nabla\times\mathbf{F}$ across $S$.

Solution. The boundary $C$ of $S$ is the ellipse $x^2+4y^2=1$ on the plane $z=1$; since $S$ is oriented with a positive $\mathbf k$-component, $C$ runs counterclockwise as viewed from above. The curl of $\mathbf F=(y,-xz,xz^2)$ is

$$\nabla\times\mathbf F=(0-(-x))\mathbf i+(0-z^2)\mathbf j+(-z-1)\mathbf k=x\mathbf i-z^2\mathbf j-(z+1)\mathbf k.$$

Since $\nabla\times\mathbf F$ is polynomial and hence smooth everywhere, Stokes' Theorem lets us replace $S$ by the flat elliptical disk $S':x^2+4y^2\leq1,\ z=1$ (with orientation $\mathbf n=\mathbf k$), which has the same boundary $C$, without changing the value of the flux. On $S'$, $z=1$, so

$$(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf k=-(z+1)\Big|_{z=1}=-2$$

is constant. The ellipse $x^2+4y^2\leq1$ has semi-axes $1$ and $\dfrac12$, so its area is $\pi\cdot1\cdot\dfrac12=\dfrac{\pi}2$. Therefore

$$\iint_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot\mathbf n\,d\sigma=\iint_{S'}(-2)\,dA=-2\cdot\frac{\pi}2=-\pi.$$
유제 02-6 반구면 위 회전의 면적분
한국어

$x^2+y^2+z^2=1,\ z\geq 0$으로 정의된 반구면 $S$에 대해 다음을 구하시오.

$$\iint_S(\nabla\times(y\mathbf{i}))\cdot\mathbf{n}\,d\sigma$$

풀이. 향 $\mathbf n$을 반구면 $S$의 바깥쪽(원점에서 멀어지는 방향)으로 잡는다. $\mathbf F=y\mathbf i$의 회전을 계산하면

$$\nabla\times(y\mathbf i)=(0-0)\mathbf i+(0-0)\mathbf j+(0-1)\mathbf k=-\mathbf k$$

이다. $S$의 경계는 $C:x^2+y^2=1,\ z=0$이며, 위쪽으로 향한 반구면의 바깥 향은 오른손 법칙에 의해 $C$를 위에서 바라볼 때 시계 반대 방향으로 유도한다. $\nabla\times(y\mathbf i)$가 상수벡터이므로, 스토크스 정리에 의해 $S$ 대신 같은 경계를 갖는 평면 원판 $S':x^2+y^2\leq1,\ z=0$ (향 $\mathbf n=\mathbf k$)을 사용해도 값이 같다. 따라서

$$\iint_S(\nabla\times(y\mathbf i))\cdot\mathbf n\,d\sigma=\iint_{S'}(-1)\,dA=-\pi(1)^2=-\pi$$

이다. (검산: $\mathbf F\cdot d\mathbf r=y\,dx$이므로 $\mathbf r(t)=(\cos t,\sin t,0)$에 대해 $\displaystyle\oint_C y\,dx=\int_0^{2\pi}\sin t\cdot(-\sin t)\,dt=-\pi$로 동일하다.)

English

For the hemisphere $S$ defined by $x^2+y^2+z^2=1,\ z\geq 0$, find the following.

$$\iint_S(\nabla\times(y\mathbf{i}))\cdot\mathbf{n}\,d\sigma$$

Solution. Orient $S$ with $\mathbf n$ pointing outward from the origin. The curl of $\mathbf F=y\mathbf i$ is

$$\nabla\times(y\mathbf i)=(0-0)\mathbf i+(0-0)\mathbf j+(0-1)\mathbf k=-\mathbf k.$$

The boundary of $S$ is $C:x^2+y^2=1,\ z=0$, and by the right-hand rule the outward orientation of the upper hemisphere induces a counterclockwise orientation on $C$ as viewed from above. Since $\nabla\times(y\mathbf i)$ is a constant vector, Stokes' Theorem lets us replace $S$ by the flat disk $S':x^2+y^2\leq1,\ z=0$ (with orientation $\mathbf n=\mathbf k$), which has the same boundary, without changing the value. Hence

$$\iint_S(\nabla\times(y\mathbf i))\cdot\mathbf n\,d\sigma=\iint_{S'}(-1)\,dA=-\pi(1)^2=-\pi.$$

(Check: since $\mathbf F\cdot d\mathbf r=y\,dx$, parametrizing $\mathbf r(t)=(\cos t,\sin t,0)$ gives $\displaystyle\oint_C y\,dx=\int_0^{2\pi}\sin t\cdot(-\sin t)\,dt=-\pi$, in agreement.)

예제 03 벡터장의 발산
한국어

주어진 벡터장의 발산을 구하시오.

  1. $\mathbf{F}=x\mathbf{i}+y\mathbf{j}+z\mathbf{k}$
  2. $\mathbf{F}=-x\mathbf{i}-y\mathbf{j}-z\mathbf{k}$
  3. $\mathbf{F}=-y\mathbf{i}+x\mathbf{j}$
  4. $\mathbf{F}=z\mathbf{j}$

풀이. 발산의 정의 $\nabla\cdot\mathbf F=\dfrac{\partial F_1}{\partial x}+\dfrac{\partial F_2}{\partial y}+\dfrac{\partial F_3}{\partial z}$를 이용한다.

(1) $\mathbf F=x\mathbf i+y\mathbf j+z\mathbf k$: $\nabla\cdot\mathbf F=1+1+1=3$.

(2) $\mathbf F=-x\mathbf i-y\mathbf j-z\mathbf k$: $\nabla\cdot\mathbf F=-1-1-1=-3$.

(3) $\mathbf F=-y\mathbf i+x\mathbf j$: $\nabla\cdot\mathbf F=\dfrac{\partial(-y)}{\partial x}+\dfrac{\partial x}{\partial y}+0=0+0=0$.

(4) $\mathbf F=z\mathbf j$: $\nabla\cdot\mathbf F=0+\dfrac{\partial z}{\partial y}+0=0$.

English

Find the divergence of each given vector field.

  1. $\mathbf{F}=x\mathbf{i}+y\mathbf{j}+z\mathbf{k}$
  2. $\mathbf{F}=-x\mathbf{i}-y\mathbf{j}-z\mathbf{k}$
  3. $\mathbf{F}=-y\mathbf{i}+x\mathbf{j}$
  4. $\mathbf{F}=z\mathbf{j}$

Solution. We use the definition $\nabla\cdot\mathbf F=\dfrac{\partial F_1}{\partial x}+\dfrac{\partial F_2}{\partial y}+\dfrac{\partial F_3}{\partial z}$.

(1) $\mathbf F=x\mathbf i+y\mathbf j+z\mathbf k$: $\nabla\cdot\mathbf F=1+1+1=3$.

(2) $\mathbf F=-x\mathbf i-y\mathbf j-z\mathbf k$: $\nabla\cdot\mathbf F=-1-1-1=-3$.

(3) $\mathbf F=-y\mathbf i+x\mathbf j$: $\nabla\cdot\mathbf F=\dfrac{\partial(-y)}{\partial x}+\dfrac{\partial x}{\partial y}+0=0+0=0$.

(4) $\mathbf F=z\mathbf j$: $\nabla\cdot\mathbf F=0+\dfrac{\partial z}{\partial y}+0=0$.

유제 03 발산·회전의 연산 법칙
한국어

미분가능한 함수 $g(x,y,z)$, 미분가능한 벡터장 $\mathbf{F},\mathbf{F}_1,\mathbf{F}_2$, 실수 $a,b$에 대해 다음이 성립함을 보이시오.

  1. $\nabla\cdot(g\mathbf{F})=g\nabla\cdot\mathbf{F}+\nabla g\cdot\mathbf{F}$,   $\nabla\times(g\mathbf{F})=g\nabla\times\mathbf{F}+\nabla g\times\mathbf{F}$
  2. $\nabla\cdot(a\mathbf{F}_1+b\mathbf{F}_2)=a\nabla\cdot\mathbf{F}_1+b\nabla\cdot\mathbf{F}_2$,   $\nabla\times(a\mathbf{F}_1+b\mathbf{F}_2)=a\nabla\times\mathbf{F}_1+b\nabla\times\mathbf{F}_2$

증명. (1) $\mathbf F=P\mathbf i+Q\mathbf j+R\mathbf k$라 하자. 발산의 곱셈법칙을 보이면, $g\mathbf F=(gP)\mathbf i+(gQ)\mathbf j+(gR)\mathbf k$이므로

$$\nabla\cdot(g\mathbf F)=\frac{\partial(gP)}{\partial x}+\frac{\partial(gQ)}{\partial y}+\frac{\partial(gR)}{\partial z}$$

인데, 각 항에 곱미분법칙을 적용하면

$$=\left(g_xP+gP_x\right)+\left(g_yQ+gQ_y\right)+\left(g_zR+gR_z\right)=g\left(P_x+Q_y+R_z\right)+\left(g_xP+g_yQ+g_zR\right)=g\,\nabla\cdot\mathbf F+\nabla g\cdot\mathbf F$$

이다.

회전의 곱셈법칙을 보이면, $(g\mathbf F)$의 $\mathbf i$성분은

$$\big[\nabla\times(g\mathbf F)\big]_{\mathbf i}=\frac{\partial(gR)}{\partial y}-\frac{\partial(gQ)}{\partial z}=\left(g_yR+gR_y\right)-\left(g_zQ+gQ_z\right)=g\left(R_y-Q_z\right)+\left(g_yR-g_zQ\right)$$

이고, 이는 $g(\nabla\times\mathbf F)_{\mathbf i}+(\nabla g\times\mathbf F)_{\mathbf i}$와 같다. $\mathbf j,\mathbf k$성분도 $(x,P)\to(y,Q)\to(z,R)\to(x,P)$의 순환치환으로 동일하게 성립하므로

$$\nabla\times(g\mathbf F)=g\,\nabla\times\mathbf F+\nabla g\times\mathbf F$$

이다.

(2) $\mathbf F_1=P_1\mathbf i+Q_1\mathbf j+R_1\mathbf k,\ \mathbf F_2=P_2\mathbf i+Q_2\mathbf j+R_2\mathbf k$라 하면 편미분의 선형성에 의해

$$\nabla\cdot(a\mathbf F_1+b\mathbf F_2)=\frac{\partial(aP_1+bP_2)}{\partial x}+\frac{\partial(aQ_1+bQ_2)}{\partial y}+\frac{\partial(aR_1+bR_2)}{\partial z}=a\left(\frac{\partial P_1}{\partial x}+\frac{\partial Q_1}{\partial y}+\frac{\partial R_1}{\partial z}\right)+b\left(\frac{\partial P_2}{\partial x}+\frac{\partial Q_2}{\partial y}+\frac{\partial R_2}{\partial z}\right)=a\,\nabla\cdot\mathbf F_1+b\,\nabla\cdot\mathbf F_2$$

이다. 회전의 각 성분도 마찬가지로 편미분의 선형성에 의해 동일하게 분배되므로

$$\nabla\times(a\mathbf F_1+b\mathbf F_2)=a\,\nabla\times\mathbf F_1+b\,\nabla\times\mathbf F_2$$

이 성립한다.

$\square$
English

For a differentiable function $g(x,y,z)$, differentiable vector fields $\mathbf{F},\mathbf{F}_1,\mathbf{F}_2$, and real numbers $a,b$, show that the following hold.

  1. $\nabla\cdot(g\mathbf{F})=g\nabla\cdot\mathbf{F}+\nabla g\cdot\mathbf{F}$,   $\nabla\times(g\mathbf{F})=g\nabla\times\mathbf{F}+\nabla g\times\mathbf{F}$
  2. $\nabla\cdot(a\mathbf{F}_1+b\mathbf{F}_2)=a\nabla\cdot\mathbf{F}_1+b\nabla\cdot\mathbf{F}_2$,   $\nabla\times(a\mathbf{F}_1+b\mathbf{F}_2)=a\nabla\times\mathbf{F}_1+b\nabla\times\mathbf{F}_2$

Proof. (1) Let $\mathbf F=P\mathbf i+Q\mathbf j+R\mathbf k$. For the divergence product rule, since $g\mathbf F=(gP)\mathbf i+(gQ)\mathbf j+(gR)\mathbf k$,

$$\nabla\cdot(g\mathbf F)=\frac{\partial(gP)}{\partial x}+\frac{\partial(gQ)}{\partial y}+\frac{\partial(gR)}{\partial z}$$

and applying the product rule to each term,

$$=\left(g_xP+gP_x\right)+\left(g_yQ+gQ_y\right)+\left(g_zR+gR_z\right)=g\left(P_x+Q_y+R_z\right)+\left(g_xP+g_yQ+g_zR\right)=g\,\nabla\cdot\mathbf F+\nabla g\cdot\mathbf F.$$

For the curl product rule, the $\mathbf i$-component of $g\mathbf F$ is

$$\big[\nabla\times(g\mathbf F)\big]_{\mathbf i}=\frac{\partial(gR)}{\partial y}-\frac{\partial(gQ)}{\partial z}=\left(g_yR+gR_y\right)-\left(g_zQ+gQ_z\right)=g\left(R_y-Q_z\right)+\left(g_yR-g_zQ\right),$$

which equals $g(\nabla\times\mathbf F)_{\mathbf i}+(\nabla g\times\mathbf F)_{\mathbf i}$. The $\mathbf j$- and $\mathbf k$-components follow the same way under the cyclic substitution $(x,P)\to(y,Q)\to(z,R)\to(x,P)$, so

$$\nabla\times(g\mathbf F)=g\,\nabla\times\mathbf F+\nabla g\times\mathbf F.$$

(2) Let $\mathbf F_1=P_1\mathbf i+Q_1\mathbf j+R_1\mathbf k,\ \mathbf F_2=P_2\mathbf i+Q_2\mathbf j+R_2\mathbf k$. By linearity of partial differentiation,

$$\nabla\cdot(a\mathbf F_1+b\mathbf F_2)=\frac{\partial(aP_1+bP_2)}{\partial x}+\frac{\partial(aQ_1+bQ_2)}{\partial y}+\frac{\partial(aR_1+bR_2)}{\partial z}=a\left(\frac{\partial P_1}{\partial x}+\frac{\partial Q_1}{\partial y}+\frac{\partial R_1}{\partial z}\right)+b\left(\frac{\partial P_2}{\partial x}+\frac{\partial Q_2}{\partial y}+\frac{\partial R_2}{\partial z}\right)=a\,\nabla\cdot\mathbf F_1+b\,\nabla\cdot\mathbf F_2.$$

Each component of the curl distributes in the same way by linearity of partial differentiation, so

$$\nabla\times(a\mathbf F_1+b\mathbf F_2)=a\,\nabla\times\mathbf F_1+b\,\nabla\times\mathbf F_2.$$
$\square$
예제 04 발산 정리의 확인
한국어

곡면 $S: x^2+y^2+z^2=a^2\ (a>0)$와 그 내부 $D$가 있다. 벡터장 $\mathbf{F}=x\mathbf{i}+y\mathbf{j}+z\mathbf{k}$에 대하여 다음이 성립함을 보이시오.

$$\iint_S\mathbf{F}\cdot\mathbf{n}\,d\sigma=\iiint_D\nabla\cdot\mathbf{F}\,dV$$

증명. $\mathbf F=x\mathbf i+y\mathbf j+z\mathbf k$의 발산은 $\nabla\cdot\mathbf F=1+1+1=3$이다.

먼저 우변을 계산한다. $D$는 반지름 $a$인 공이므로 부피는 $\dfrac43\pi a^3$이고,

$$\iiint_D\nabla\cdot\mathbf F\,dV=\iiint_D 3\,dV=3\cdot\frac43\pi a^3=4\pi a^3$$

이다.

다음으로 좌변을 계산한다. 구 $S$ 위의 점 $(x,y,z)$에서 바깥쪽 향은 $\mathbf n=\dfrac{(x,y,z)}a$이므로

$$\mathbf F\cdot\mathbf n=\frac{x^2+y^2+z^2}a=\frac{a^2}a=a$$

는 $S$ 위에서 상수이다. $S$의 겉넓이는 $4\pi a^2$이므로

$$\iint_S\mathbf F\cdot\mathbf n\,d\sigma=a\cdot 4\pi a^2=4\pi a^3$$

이다. 두 값이 $4\pi a^3$으로 일치하므로 발산 정리가 성립함을 확인했다.

$\square$
English

Let $S: x^2+y^2+z^2=a^2\ (a>0)$ be a surface with interior $D$. For the vector field $\mathbf{F}=x\mathbf{i}+y\mathbf{j}+z\mathbf{k}$, show that the following holds.

$$\iint_S\mathbf{F}\cdot\mathbf{n}\,d\sigma=\iiint_D\nabla\cdot\mathbf{F}\,dV$$

Proof. The divergence of $\mathbf F=x\mathbf i+y\mathbf j+z\mathbf k$ is $\nabla\cdot\mathbf F=1+1+1=3$.

First compute the right side. Since $D$ is a ball of radius $a$, its volume is $\dfrac43\pi a^3$, so

$$\iiint_D\nabla\cdot\mathbf F\,dV=\iiint_D 3\,dV=3\cdot\frac43\pi a^3=4\pi a^3.$$

Next compute the left side. At a point $(x,y,z)$ on the sphere $S$, the outward orientation is $\mathbf n=\dfrac{(x,y,z)}a$, so

$$\mathbf F\cdot\mathbf n=\frac{x^2+y^2+z^2}a=\frac{a^2}a=a$$

is constant on $S$. Since the surface area of $S$ is $4\pi a^2$,

$$\iint_S\mathbf F\cdot\mathbf n\,d\sigma=a\cdot 4\pi a^2=4\pi a^3.$$

Both sides equal $4\pi a^3$, confirming that the Divergence Theorem holds.

$\square$
유제 04-1 발산 정리 확인
한국어

직육면체 $D: 0\leq x\leq 3,0\leq y\leq 2,0\leq z\leq 1$과 벡터장 $\mathbf{F}=x^2\mathbf{i}+4xyz\mathbf{j}+ze^x\mathbf{k}$에 대하여 발산 정리가 성립함을 확인하시오.

증명. $\mathbf F=x^2\mathbf i+4xyz\mathbf j+ze^x\mathbf k$의 발산을 계산하면

$$\nabla\cdot\mathbf F=2x+4xz+e^x$$

이다.

먼저 우변을 계산한다.

$$\iiint_D\nabla\cdot\mathbf F\,dV=\int_0^1\int_0^2\int_0^3\big[2x+4xz+e^x\big]\,dx\,dy\,dz$$

$x$에 대해 적분하면 $\displaystyle\int_0^3 2x\,dx=9,\ \int_0^3 4xz\,dx=18z,\ \int_0^3 e^x\,dx=e^3-1$이다. $y$에 대한 적분은 피적분함수가 $y$와 무관하므로 $2$를 곱하는 것과 같다. 즉

$$\iiint_D\nabla\cdot\mathbf F\,dV=\int_0^1\Big[2(9+18z)+2(e^3-1)\Big]\,dz=\int_0^1\Big[18+36z+2e^3-2\Big]\,dz$$

이고, $\displaystyle\int_0^1 18\,dz=18,\ \int_0^1 36z\,dz=18,\ \int_0^1(2e^3-2)\,dz=2e^3-2$이므로

$$\iiint_D\nabla\cdot\mathbf F\,dV=18+18+2e^3-2=34+2e^3$$

이다.

다음으로 좌변을 여섯 면에 대한 유출의 합으로 계산한다. $x=0,\ y=0,\ z=0$ 면에서는 각각 $\mathbf F\cdot\mathbf n=-F_1=-x^2=0,\ -F_2=-4xyz=0,\ -F_3=-ze^x=0$이므로 기여가 없다. 나머지 세 면에서:

  • $x=3$ ($\mathbf n=\mathbf i$): $\mathbf F\cdot\mathbf n=x^2=9$ (상수), 넓이 $2\times1=2$이므로 유출 $=9\cdot2=18$.
  • $y=2$ ($\mathbf n=\mathbf j$): $\mathbf F\cdot\mathbf n=4xyz=8xz$, 유출 $=\displaystyle\int_0^1\int_0^3 8xz\,dx\,dz=8\cdot\frac92\cdot\frac12=18$.
  • $z=1$ ($\mathbf n=\mathbf k$): $\mathbf F\cdot\mathbf n=ze^x\big|_{z=1}=e^x$, 유출 $=\displaystyle\int_0^2\int_0^3 e^x\,dx\,dy=2(e^3-1)=2e^3-2$.

따라서

$$\iint_S\mathbf F\cdot\mathbf n\,d\sigma=18+18+2e^3-2=34+2e^3$$

이다. 두 값이 $34+2e^3$으로 일치하므로 발산 정리가 성립함을 확인했다.

$\square$
English

Verify that the Divergence Theorem holds for the rectangular box $D: 0\leq x\leq 3,0\leq y\leq 2,0\leq z\leq 1$ and the vector field $\mathbf{F}=x^2\mathbf{i}+4xyz\mathbf{j}+ze^x\mathbf{k}$.

Proof. The divergence of $\mathbf F=x^2\mathbf i+4xyz\mathbf j+ze^x\mathbf k$ is

$$\nabla\cdot\mathbf F=2x+4xz+e^x.$$

First compute the right side.

$$\iiint_D\nabla\cdot\mathbf F\,dV=\int_0^1\int_0^2\int_0^3\big[2x+4xz+e^x\big]\,dx\,dy\,dz.$$

Integrating over $x$ gives $\displaystyle\int_0^3 2x\,dx=9,\ \int_0^3 4xz\,dx=18z,\ \int_0^3 e^x\,dx=e^3-1$. Integrating over $y$ multiplies by $2$, since the integrand does not depend on $y$. Thus

$$\iiint_D\nabla\cdot\mathbf F\,dV=\int_0^1\Big[2(9+18z)+2(e^3-1)\Big]\,dz=\int_0^1\Big[18+36z+2e^3-2\Big]\,dz,$$

and since $\displaystyle\int_0^1 18\,dz=18,\ \int_0^1 36z\,dz=18,\ \int_0^1(2e^3-2)\,dz=2e^3-2$,

$$\iiint_D\nabla\cdot\mathbf F\,dV=18+18+2e^3-2=34+2e^3.$$

Next compute the left side as the sum of the outward flux through the six faces. On the faces $x=0,\ y=0,\ z=0$ we get $\mathbf F\cdot\mathbf n=-F_1=-x^2=0,\ -F_2=-4xyz=0,\ -F_3=-ze^x=0$, respectively, so these contribute nothing. On the remaining three faces:

  • $x=3$ ($\mathbf n=\mathbf i$): $\mathbf F\cdot\mathbf n=x^2=9$ (constant), area $2\times1=2$, so the flux is $9\cdot2=18$.
  • $y=2$ ($\mathbf n=\mathbf j$): $\mathbf F\cdot\mathbf n=4xyz=8xz$, so the flux is $\displaystyle\int_0^1\int_0^3 8xz\,dx\,dz=8\cdot\frac92\cdot\frac12=18$.
  • $z=1$ ($\mathbf n=\mathbf k$): $\mathbf F\cdot\mathbf n=ze^x\big|_{z=1}=e^x$, so the flux is $\displaystyle\int_0^2\int_0^3 e^x\,dx\,dy=2(e^3-1)=2e^3-2$.

Therefore

$$\iint_S\mathbf F\cdot\mathbf n\,d\sigma=18+18+2e^3-2=34+2e^3.$$

Both sides equal $34+2e^3$, confirming that the Divergence Theorem holds.

$\square$
유제 04-2 정육면체의 유출
한국어

$x=1,\ y=1,\ z=1$과 좌표평면으로 둘러싸인 정육면체를 빠져나오는 벡터장 $\mathbf{F}=xy\mathbf{i}+yz\mathbf{j}+zx\mathbf{k}$의 유출을 구하시오.

풀이. $\mathbf F=xy\mathbf i+yz\mathbf j+zx\mathbf k$의 발산은

$$\nabla\cdot\mathbf F=y+z+x$$

이다. 정육면체 $D=[0,1]^3$에 대해 발산 정리를 적용하면

$$\iint_{\partial D}\mathbf F\cdot\mathbf n\,d\sigma=\iiint_D(x+y+z)\,dV$$

이고, 대칭성에 의해 $\iiint_Dx\,dV=\iiint_Dy\,dV=\iiint_Dz\,dV$이므로

$$\iiint_D(x+y+z)\,dV=3\iiint_Dx\,dV=3\left(\int_0^1x\,dx\right)\left(\int_0^1dy\right)\left(\int_0^1dz\right)=3\cdot\frac12\cdot1\cdot1=\frac32$$

이다. 따라서 유출은 $\dfrac32$이다.

English

Find the flux of the vector field $\mathbf{F}=xy\mathbf{i}+yz\mathbf{j}+zx\mathbf{k}$ outward through the cube bounded by $x=1,\ y=1,\ z=1$ and the coordinate planes.

Solution. The divergence of $\mathbf F=xy\mathbf i+yz\mathbf j+zx\mathbf k$ is

$$\nabla\cdot\mathbf F=y+z+x.$$

Applying the Divergence Theorem to the cube $D=[0,1]^3$,

$$\iint_{\partial D}\mathbf F\cdot\mathbf n\,d\sigma=\iiint_D(x+y+z)\,dV,$$

and by symmetry $\iiint_Dx\,dV=\iiint_Dy\,dV=\iiint_Dz\,dV$, so

$$\iiint_D(x+y+z)\,dV=3\iiint_Dx\,dV=3\left(\int_0^1x\,dx\right)\left(\int_0^1dy\right)\left(\int_0^1dz\right)=3\cdot\frac12\cdot1\cdot1=\frac32.$$

Therefore the flux is $\dfrac32$.

유제 04-3 구껍질의 유출
한국어
  1. 영역 $D: b^2\leq x^2+y^2+z^2\leq a^2$가 있다. $(a>b>0)$ 이때 $D$를 빠져나오는 벡터장 $\mathbf{F}=(x\mathbf{i}+y\mathbf{j}+z\mathbf{k})/\rho^3,\ \rho=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$의 유출을 구하시오.
  2. 구면 $S: x^2+y^2+z^2=a^2\ (a>0)$를 가로지르는 벡터장 $\mathbf{F}$의 유출을 구하시오.

풀이. (1) $\rho=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$라 하면 $\mathbf F=\dfrac{x\mathbf i+y\mathbf j+z\mathbf k}{\rho^3}$이다. $x$성분을 미분하면

$$\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac x{\rho^3}\right)=\frac1{\rho^3}+x\cdot(-3)\rho^{-4}\cdot\frac x\rho=\frac1{\rho^3}-\frac{3x^2}{\rho^5}$$

이고 $y,z$성분도 같은 방식으로 계산되므로

$$\nabla\cdot\mathbf F=\frac3{\rho^3}-\frac{3(x^2+y^2+z^2)}{\rho^5}=\frac3{\rho^3}-\frac{3\rho^2}{\rho^5}=\frac3{\rho^3}-\frac3{\rho^3}=0$$

이다. $D$에서는 $\rho\geq b\gt0$이므로 $\mathbf F$는 $D$ 전체에서 매끄럽고, 발산 정리에 의해

$$(D\text{를 빠져나오는 유출})=\iiint_D\nabla\cdot\mathbf F\,dV=\iiint_D0\,dV=0$$

이다.

(2) 구 $S:\rho=a$만을 가로지르는 유출을 구한다. $S$의 내부(원점 포함)에서는 $\mathbf F$가 원점에서 정의되지 않으므로 발산 정리를 바로 적용할 수 없고, 직접 계산해야 한다. $S$ 위에서 바깥쪽 향은 $\mathbf n=\dfrac{(x,y,z)}a$이므로

$$\mathbf F\cdot\mathbf n=\frac{x^2+y^2+z^2}{a^3\cdot a}=\frac{a^2}{a^4}=\frac1{a^2}$$

은 $S$ 위에서 상수이다. $S$의 겉넓이는 $4\pi a^2$이므로

$$\iint_S\mathbf F\cdot\mathbf n\,d\sigma=\frac1{a^2}\cdot4\pi a^2=4\pi$$

이다. (참고: 이 값은 $a$에 무관하게 $4\pi$이므로, 반지름 $a,b$인 두 구의 바깥 유출은 각각 $4\pi$로 같고, $D$의 향(바깥 구는 바깥쪽, 안쪽 구는 원점 방향)에 대한 (1)의 결과 $4\pi-4\pi=0$과 정확히 일치한다.)

English
  1. Let $D: b^2\leq x^2+y^2+z^2\leq a^2$ be a region. $(a>b>0)$ Find the flux of the vector field $\mathbf{F}=(x\mathbf{i}+y\mathbf{j}+z\mathbf{k})/\rho^3,\ \rho=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$ outward through $D$.
  2. Find the flux of the vector field $\mathbf{F}$ across the sphere $S: x^2+y^2+z^2=a^2\ (a>0)$.

Solution. (1) Let $\rho=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$, so $\mathbf F=\dfrac{x\mathbf i+y\mathbf j+z\mathbf k}{\rho^3}$. Differentiating the $x$-component,

$$\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac x{\rho^3}\right)=\frac1{\rho^3}+x\cdot(-3)\rho^{-4}\cdot\frac x\rho=\frac1{\rho^3}-\frac{3x^2}{\rho^5},$$

and the $y$- and $z$-components are computed the same way, so

$$\nabla\cdot\mathbf F=\frac3{\rho^3}-\frac{3(x^2+y^2+z^2)}{\rho^5}=\frac3{\rho^3}-\frac{3\rho^2}{\rho^5}=\frac3{\rho^3}-\frac3{\rho^3}=0.$$

On $D$ we have $\rho\geq b\gt0$, so $\mathbf F$ is smooth throughout $D$, and by the Divergence Theorem,

$$(\text{flux outward through }D)=\iiint_D\nabla\cdot\mathbf F\,dV=\iiint_D0\,dV=0.$$

(2) Now find the flux across the sphere $S:\rho=a$ alone. Since the interior of $S$ contains the origin, where $\mathbf F$ is undefined, the Divergence Theorem cannot be applied directly, and the flux must be computed directly. On $S$, the outward orientation is $\mathbf n=\dfrac{(x,y,z)}a$, so

$$\mathbf F\cdot\mathbf n=\frac{x^2+y^2+z^2}{a^3\cdot a}=\frac{a^2}{a^4}=\frac1{a^2}$$

is constant on $S$. Since the surface area of $S$ is $4\pi a^2$,

$$\iint_S\mathbf F\cdot\mathbf n\,d\sigma=\frac1{a^2}\cdot4\pi a^2=4\pi.$$

(Remark: this value is $4\pi$ regardless of $a$, so the outward flux through the spheres of radii $a$ and $b$ are each $4\pi$; with the orientation induced by $D$ — outward on the outer sphere, toward the origin on the inner sphere — this is exactly consistent with the result $4\pi-4\pi=0$ from part (1).)

유제 04-4 기울기의 면적분
한국어

$b^2\leq x^2+y^2+z^2\leq a^2,\ x,y,z\geq 0$로 정의된 영역 $D$의 경계 $S$와 함수 $f(x,y,z)=\ln(x^2+y^2+z^2)$에 대해 $\iint_S\nabla f\cdot\mathbf{n}\,d\sigma$를 구하시오. (단, $a>b>0$, $\mathbf{n}$은 $D$를 빠져나오는 방향)

풀이. $\nabla f$는 $D$ 전체에서 매끄러우므로($\rho\geq b\gt0$) 발산 정리에 의해

$$\iint_S\nabla f\cdot\mathbf n\,d\sigma=\iiint_D\nabla\cdot(\nabla f)\,dV=\iiint_D\nabla^2f\,dV$$

이다. $f=\ln(x^2+y^2+z^2)$이므로 $\dfrac{\partial f}{\partial x}=\dfrac{2x}{\rho^2}$이고 (단, $\rho^2=x^2+y^2+z^2$),

$$\frac{\partial^2f}{\partial x^2}=\frac2{\rho^2}-\frac{4x^2}{\rho^4}$$

이며 $y,z$에 대해서도 같은 형태이므로

$$\nabla^2f=\frac6{\rho^2}-\frac{4(x^2+y^2+z^2)}{\rho^4}=\frac6{\rho^2}-\frac{4\rho^2}{\rho^4}=\frac2{\rho^2}$$

이다. 구면좌표 $(\rho,\phi,\theta)$로 바꾸면 $dV=\rho^2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta$이므로 $\nabla^2f\,dV=2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta$이다. $D$는 $\rho:b\to a$, $z\geq0$이므로 $\phi:0\to\dfrac{\pi}2$, $x,y\geq0$(제1팔분공간)이므로 $\theta:0\to\dfrac{\pi}2$에 대응한다. 따라서

$$\iiint_D\nabla^2f\,dV=2\int_b^ad\rho\int_0^{\pi/2}\sin\phi\,d\phi\int_0^{\pi/2}d\theta=2(a-b)\cdot1\cdot\frac{\pi}2=\pi(a-b)$$

이다.

English

For the boundary $S$ of the region $D$ defined by $b^2\leq x^2+y^2+z^2\leq a^2,\ x,y,z\geq 0$ and the function $f(x,y,z)=\ln(x^2+y^2+z^2)$, find $\iint_S\nabla f\cdot\mathbf{n}\,d\sigma$. (Here $a>b>0$, and $\mathbf{n}$ points outward from $D$)

Solution. Since $\nabla f$ is smooth throughout $D$ (as $\rho\geq b\gt0$), the Divergence Theorem gives

$$\iint_S\nabla f\cdot\mathbf n\,d\sigma=\iiint_D\nabla\cdot(\nabla f)\,dV=\iiint_D\nabla^2f\,dV.$$

Since $f=\ln(x^2+y^2+z^2)$, $\dfrac{\partial f}{\partial x}=\dfrac{2x}{\rho^2}$ (where $\rho^2=x^2+y^2+z^2$), so

$$\frac{\partial^2f}{\partial x^2}=\frac2{\rho^2}-\frac{4x^2}{\rho^4},$$

and the $y$- and $z$-terms have the same form, so

$$\nabla^2f=\frac6{\rho^2}-\frac{4(x^2+y^2+z^2)}{\rho^4}=\frac6{\rho^2}-\frac{4\rho^2}{\rho^4}=\frac2{\rho^2}.$$

In spherical coordinates $(\rho,\phi,\theta)$, $dV=\rho^2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta$, so $\nabla^2f\,dV=2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta$. Since $D$ has $\rho:b\to a$, and $z\geq0$ corresponds to $\phi:0\to\dfrac{\pi}2$ while $x,y\geq0$ (the first octant) corresponds to $\theta:0\to\dfrac{\pi}2$,

$$\iiint_D\nabla^2f\,dV=2\int_b^ad\rho\int_0^{\pi/2}\sin\phi\,d\phi\int_0^{\pi/2}d\theta=2(a-b)\cdot1\cdot\frac{\pi}2=\pi(a-b).$$

문제 · Problems

문제 01 회전으로 나타낼 수 없는 장
한국어

$\nabla\times\mathbf{F}=x\mathbf{i}+y\mathbf{j}+z\mathbf{k}$를 만족하는 2급 벡터장 $\mathbf{F}$는 존재하지 않음을 보이시오.

English

Show that there is no vector field $\mathbf{F}$ of class $C^2$ satisfying $\nabla\times\mathbf{F}=x\mathbf{i}+y\mathbf{j}+z\mathbf{k}$.

문제 02 발산·회전이 0인 장
한국어

$\nabla\cdot\mathbf{F}=0$이고 $\nabla\times\mathbf{F}=0$이지만 $\mathbf{F}\neq 0$인 예시를 하나 찾으시오.

English

Find an example of a vector field $\mathbf{F}$ such that $\nabla\cdot\mathbf{F}=0$ and $\nabla\times\mathbf{F}=0$, but $\mathbf{F}\neq 0$.

문제 03 매개곡면 위 회전의 유출
한국어

곡면 $S: \mathbf{r}(r,\theta)=(r\cos\theta)\mathbf{i}+(r\sin\theta)\mathbf{j}+(4-r^2)\mathbf{k}\ (0\leq r\leq 2,\ 0\leq\theta\leq 2\pi)$와 벡터장 $\mathbf{F}=2z\mathbf{i}+3x\mathbf{j}+5y\mathbf{k}$에 대해 $S$를 가로지르는 $\nabla\times\mathbf{F}$의 유출을 구하시오. (단, $S$의 향 $\mathbf{n}$은 $\mathbf{n}\cdot\mathbf{k}\geq 0$을 만족하도록 정한다.)

English

For the surface $S: \mathbf{r}(r,\theta)=(r\cos\theta)\mathbf{i}+(r\sin\theta)\mathbf{j}+(4-r^2)\mathbf{k}\ (0\leq r\leq 2,\ 0\leq\theta\leq 2\pi)$ and the vector field $\mathbf{F}=2z\mathbf{i}+3x\mathbf{j}+5y\mathbf{k}$, find the flux of $\nabla\times\mathbf{F}$ across $S$. (Here the orientation $\mathbf{n}$ of $S$ is chosen so that $\mathbf{n}\cdot\mathbf{k}\geq 0$.)

문제 04 선적분과 넓이
한국어

평면 $2x+2y+z=2$ 위에 있는 단순닫힌곡선 $C$에 대하여 $\oint_C 2y\,dx+3z\,dy-x\,dz$의 값은 $C$의 넓이에만 의존함을 보이시오. (단, $C$는 위에서 바라봤을 때 시계반대방향으로 회전하도록 향을 정한다.)

English

For a simple closed curve $C$ lying on the plane $2x+2y+z=2$, show that the value of $\oint_C 2y\,dx+3z\,dy-x\,dz$ depends only on the area enclosed by $C$. (Here $C$ is oriented so that it runs counterclockwise as viewed from above.)

문제 05 회전 0이나 순환은 0이 아님
한국어

벡터장 $\mathbf{F}=\dfrac{-y}{x^2+y^2}\mathbf{i}+\dfrac{x}{x^2+y^2}\mathbf{j}+z\mathbf{k}$에 대해 다음을 보이시오.

  1. $\nabla\times\mathbf{F}=0$
  2. 원 $C: x^2+y^2=1$에 대해 $\oint_C\mathbf{F}\cdot d\mathbf{r}\neq 0$
English

For the vector field $\mathbf{F}=\dfrac{-y}{x^2+y^2}\mathbf{i}+\dfrac{x}{x^2+y^2}\mathbf{j}+z\mathbf{k}$, show the following.

  1. $\nabla\times\mathbf{F}=0$
  2. For the circle $C: x^2+y^2=1$, $\oint_C\mathbf{F}\cdot d\mathbf{r}\neq 0$
문제 06 수직 벡터장의 부재
한국어

부드러운 닫힌 곡면 $S$의 향을 $\mathbf{n}$이라 하자. $\mathbf{F}=x\mathbf{i}+y\mathbf{j}+z\mathbf{k}$가 $\mathbf{n}$과 항상 수직이 되도록 하는 곡면 $S$는 존재하지 않음을 보이시오.

English

Let $\mathbf{n}$ be the orientation of a smooth closed surface $S$. Show that there is no surface $S$ for which $\mathbf{F}=x\mathbf{i}+y\mathbf{j}+z\mathbf{k}$ is always perpendicular to $\mathbf{n}$.

문제 07 발산 적분의 상계
한국어

부드러운 닫힌 곡면 $S$를 경계로 하는 영역 $D$에서 정의된 일급벡터장 $\mathbf{F}$가 있다. $|\mathbf{F}|\leq 1$일 때 $\iiint_D\nabla\cdot\mathbf{F}\,dV$의 상계를 하나 구하시오.

English

Let $\mathbf{F}$ be a vector field of class $C^1$ defined on a region $D$ whose boundary is a smooth closed surface $S$. When $|\mathbf{F}|\leq 1$, find an upper bound for $\iiint_D\nabla\cdot\mathbf{F}\,dV$.

문제 08 유출의 최대화
한국어

직육면체 $0\leq x\leq a,\ 0\leq y\leq b,\ 0\leq z\leq 1$을 빠져나오는 벡터장

$$\mathbf{F}=(-x^2-4xy)\mathbf{i}-6yz\mathbf{j}+12z\mathbf{k}$$

의 유출이 최대가 되도록 하는 $a,b$의 값을 구하시오.

English

Find the values of $a,b$ for which the flux, outward through the rectangular box $0\leq x\leq a,\ 0\leq y\leq b,\ 0\leq z\leq 1$, of the vector field

$$\mathbf{F}=(-x^2-4xy)\mathbf{i}-6yz\mathbf{j}+12z\mathbf{k}$$

is maximized.

문제 09 조화함수의 성질
한국어

영역 $D$에서 정의된 함수 $f(x,y,z)$가 다음 조건을 만족시키면 $f$를 조화함수(harmonic function)라 한다.

$$\frac{\partial^2 f}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 f}{\partial y^2}+\frac{\partial^2 f}{\partial z^2}=0$$

$D$의 경계가 조각적으로 부드러운 곡면 $S$일 때 다음이 성립함을 보이시오.

  1. $\iint_S\nabla f\cdot\mathbf{n}\,d\sigma=0$
  2. $\iint_S f\nabla f\cdot\mathbf{n}\,d\sigma=\iiint_D|\nabla f|^2\,dV$
English

If a function $f(x,y,z)$ defined on a region $D$ satisfies the following condition, $f$ is called a harmonic function.

$$\frac{\partial^2 f}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 f}{\partial y^2}+\frac{\partial^2 f}{\partial z^2}=0$$

When the boundary of $D$ is a piecewise smooth surface $S$, show that the following hold.

  1. $\iint_S\nabla f\cdot\mathbf{n}\,d\sigma=0$
  2. $\iint_S f\nabla f\cdot\mathbf{n}\,d\sigma=\iiint_D|\nabla f|^2\,dV$
문제 10 벡터장의 유일성
한국어

단순닫힌곡면 $S$를 경계로 하는 단순연결영역 $D$가 있다. 일급벡터장 $\mathbf{F}_1,\mathbf{F}_2$에 대해 $D$에서 $\nabla\cdot\mathbf{F}_1=\nabla\cdot\mathbf{F}_2,\ \nabla\times\mathbf{F}_1=\nabla\times\mathbf{F}_2$가 성립하고 $S$의 향 $\mathbf{n}$에 대해 $S$에서 $\mathbf{F}_1\cdot\mathbf{n}=\mathbf{F}_2\cdot\mathbf{n}$이 성립할 때 $D$에서 $\mathbf{F}_1=\mathbf{F}_2$가 성립함을 보이시오.

English

Let $D$ be a simply connected region whose boundary is a simple closed surface $S$. For vector fields $\mathbf{F}_1,\mathbf{F}_2$ of class $C^1$, suppose $\nabla\cdot\mathbf{F}_1=\nabla\cdot\mathbf{F}_2,\ \nabla\times\mathbf{F}_1=\nabla\times\mathbf{F}_2$ hold on $D$ and $\mathbf{F}_1\cdot\mathbf{n}=\mathbf{F}_2\cdot\mathbf{n}$ holds on $S$ for the orientation $\mathbf{n}$ of $S$. Show that $\mathbf{F}_1=\mathbf{F}_2$ holds on $D$.

문제 11 그린 항등식
한국어

조각적으로 부드러운 곡면 $S$를 경계로 갖는 영역 $D$에서 정의된 이급함수 $f(x,y,z)$, $g(x,y,z)$가 있다. 다음이 성립함을 보이시오.

  1. $\iint_S f\nabla g\cdot\mathbf{n}\,d\sigma=\iiint_D(f\nabla^2 g+\nabla f\cdot\nabla g)\,dV$  (그린 제1정리)
  2. $\iint_S(f\nabla g-g\nabla f)\cdot\mathbf{n}\,d\sigma=\iiint_D(f\nabla^2 g-g\nabla^2 f)\,dV$  (그린 제2정리)
English

Let $f(x,y,z)$, $g(x,y,z)$ be functions of class $C^2$ defined on a region $D$ whose boundary is a piecewise smooth surface $S$. Show that the following hold.

  1. $\iint_S f\nabla g\cdot\mathbf{n}\,d\sigma=\iiint_D(f\nabla^2 g+\nabla f\cdot\nabla g)\,dV$  (Green's first identity)
  2. $\iint_S(f\nabla g-g\nabla f)\cdot\mathbf{n}\,d\sigma=\iiint_D(f\nabla^2 g-g\nabla^2 f)\,dV$  (Green's second identity)
문제 12 패러데이 법칙
한국어

시각 $t$에서 점 $(x,y,z)$에서의 전기장과 자기장을 각각 $\mathbf{E}(t,x,y,z)$, $\mathbf{B}(t,x,y,z)$라 하자. 이때 $\nabla\times\mathbf{E}=-\partial\mathbf{B}/\partial t$가 성립함이 알려져 있다. (단, $\nabla\times\mathbf{E}$를 계산할 때에는 $t$를 상수 취급하여 계산한다.) 이때 다음이 성립함을 보이시오.

$$\oint_C\mathbf{E}\cdot d\mathbf{r}=-\frac{\partial}{\partial t}\iint_S\mathbf{B}\cdot\mathbf{n}\,d\sigma$$

(패러데이 법칙)

(단, $S$는 조각적으로 부드러운 곡선 $C$를 경계로 갖는 조각적으로 부드러운 유향곡면)

English

Let $\mathbf{E}(t,x,y,z)$ and $\mathbf{B}(t,x,y,z)$ denote the electric and magnetic fields, respectively, at the point $(x,y,z)$ at time $t$. It is known that $\nabla\times\mathbf{E}=-\partial\mathbf{B}/\partial t$ holds. (Here, when computing $\nabla\times\mathbf{E}$, $t$ is treated as a constant.) Show that the following holds.

$$\oint_C\mathbf{E}\cdot d\mathbf{r}=-\frac{\partial}{\partial t}\iint_S\mathbf{B}\cdot\mathbf{n}\,d\sigma$$

(Faraday's law)

(Here $S$ is a piecewise smooth oriented surface whose boundary is a piecewise smooth curve $C$)