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G2 · 미분 풍선 — 벡터 미적분

부록 G · 출처: Kim–Oh–Kim, Boosting Vector Calculus with the Graphical Notation, Am. J. Phys. 89(2) (2021), arXiv:1911.00892와 보충자료 "An Invitation to Graphical Tensor Methods" · J.-H. Kim 발표 "Re-presentation: Graphical Notations in Physics"

이 레슨이 끝나면 할 수 있는 계산
  1. grad, div, curl, $\nabla^2$, $(\mathbf B\cdot\nabla)\mathbf A$를 풍선 그림으로 쓰고 읽기
  2. 곱 규칙을 "풍선 나누기"로 써서 $\nabla\cdot(f\mathbf A)$, $\nabla\times(f\mathbf A)$, $\nabla^2(f\mathbf A)$를 바로 쓰기
  3. $\nabla(\mathbf A\cdot\mathbf B)$, $\nabla\times(\mathbf A\times\mathbf B)$, $\nabla\times\nabla\times\mathbf A$를 외우지 않고 H 규칙 한 번으로 얻기
  4. $\mathbf r$, $r$, $\mathbf n=\mathbf r/r$의 미분을 그림 규칙 몇 개로 끝내기
  5. 쌍극자장의 원점 δ항($-\tfrac13\mathbf p\,\delta^3$, $+\tfrac23\mathbf m\,\delta^3$)을 계수 하나로 얻기
  6. 스토크스·발산·기울기 정리를 "풍선 뒤집기" 하나로 기억하기

0. 외워 둘 그림

G1의 상자·선·점에 풍선 하나를 더합니다. 풍선은 감싼 상자를 미분하고, 풍선에 달린 꼬리가 $\partial$의 지표입니다(Kim–Oh–Kim; Penrose의 "미분 갈고리"에서 따왔다고 원문은 밝힙니다).

그림읽는 법
f i$\partial_if=(\nabla f)_i$. 선이 없는 상자(스칼라)를 풍선이 감싸고, 꼬리 $i$가 열린 끝입니다.
A j i$\partial_iA_j$. 꼬리 $i$와 A의 선 $j$가 둘 다 열린 끝입니다.
A$\partial_iA_i=\nabla\cdot\mathbf A$. 꼬리와 A의 선을 이은 것입니다.
A i$\varepsilon_{ijk}\partial_jA_k=(\nabla\times\mathbf A)_i$. 출력을 아래로 두면 A의 선이 왼쪽, 꼬리가 오른쪽입니다(Kim 방향). 점을 반시계로 읽으면 (출력, 꼬리, A).
f$\partial_i\partial_if=\nabla^2f$. 풍선 두 겹(2계 미분)의 두 꼬리를 이은 것입니다.
A i B$B_j\partial_jA_i=\big((\mathbf B\cdot\nabla)\mathbf A\big)_i$. 꼬리가 B의 선으로 갑니다.

계산 규칙 요약

1. 풍선 규칙 — grad, div, curl, ∇², (B·∇)A

레시피
  1. 미분할 상자를 풍선으로 감싸고, 꼬리 하나를 답니다. 꼬리 = $\partial_i$의 지표 $i$입니다.
  2. 꼬리를 어디에 잇는지가 연산을 정합니다. 열린 끝으로 두면 기울기, 상자 자기 선과 이으면 발산, 상자 선과 함께 ε 점에 넣으면 curl, 다른 벡터 B의 선에 이으면 $(\mathbf B\cdot\nabla)$입니다.
  3. curl은 좌우를 정해 둡니다. 출력이 아래일 때 A의 선이 왼쪽, 꼬리가 오른쪽입니다. 좌우를 바꿔 그리면 $-\nabla\times\mathbf A$입니다(점 하나의 순서가 바뀜). 그림을 통째로 돌리는 것은 괜찮습니다.
  4. 실제 성분 계산은 $\partial_iA_j$ 표(3×3) 하나로 합니다. 발산은 그 표의 대각합(꼬리와 선을 이음), curl은 반대칭 부분(ε 점)입니다.
A i = − A i
예제 1-1 (L07 예제 3-2를 표 하나로) $\mathbf A=(x^2y,\ -2yz,\ xz^2)$

$\partial_iA_j$ 표(행 $i$ = 꼬리, 열 $j$ = A의 선, 행·열 순서는 $x,y,z$)를 한 번만 만듭니다.

$$\partial_iA_j=\begin{pmatrix}2xy&0&z^2\\x^2&-2z&0\\0&-2y&2xz\end{pmatrix}$$

발산 = 꼬리와 선을 이음 = 대각합: $2xy-2z+2xz$.

curl = ε 점 = 반대칭 부분. $(\nabla\times\mathbf A)_x=\partial_yA_z-\partial_zA_y$는 표의 $(y,z)$칸 빼기 $(z,y)$칸입니다.

$$\begin{aligned}(\nabla\times\mathbf A)_x&=0-(-2y)=2y,\\(\nabla\times\mathbf A)_y&=0-z^2=-z^2,\\(\nabla\times\mathbf A)_z&=0-x^2=-x^2.\end{aligned}$$

L07의 행렬식 전개와 같은 $(2y,-z^2,-x^2)$입니다. 표를 만들어 두면 발산, curl, $(\mathbf B\cdot\nabla)\mathbf A$(표의 행에 B를 곱함)를 모두 같은 표에서 읽습니다.

2. 곱 규칙 = 풍선 나누기

레시피
  1. 풍선이 상자 여러 개를 감싸면, "상자 하나만 감싼 풍선"들의 합으로 나눕니다. 꼬리와 나머지 선은 그대로 둡니다.
  2. 나눈 각 그림을 0절 표로 읽습니다. 순서나 부호(예: $\nabla f\times\mathbf A$의 순서)는 그림이 알아서 정합니다.
  3. 풍선이 두 겹이면 나누기를 두 번 합니다. 같은 그림이 두 번 나오면 계수 2가 됩니다.
왜 되나? (증명 스케치)

풍선은 $\partial_i$ 하나이고, 성분마다 보통의 곱 미분 $\partial_i(fA_j)=(\partial_if)A_j+f\,\partial_iA_j$가 성립합니다. 상자 둘을 감싼 풍선은 "두 상자의 곱(지표를 이은 것 포함)"을 미분하는 것이고, 지표를 잇는 것(더하기)과 미분은 순서를 바꿔도 되므로 풍선을 상자마다 나누면 됩니다. δ와 ε은 상수라 미분하면 0이므로 풍선이 감쌀 필요가 없습니다.

예제 2-1 $\nabla\cdot(f\mathbf A)$, $\nabla\times(f\mathbf A)$, $\nabla\cdot(\mathbf A\times\mathbf B)$ f A = f A + f A

발산: 첫째 그림은 꼬리가 A의 선으로 가고 f만 미분됨 → $\mathbf A\cdot\nabla f$. 둘째는 f가 그냥 곱해지고 A의 발산 → $f\,\nabla\cdot\mathbf A$.

f A i = f A i + f A i

curl: 첫째 그림의 점은 (출력, f의 꼬리, A) 순서로 읽히므로 $\nabla f\times\mathbf A$입니다. L07에서 "둘째 항은 $\nabla f\times\mathbf A$ 순서"라고 따로 외웠던 것이 그림에서는 자동입니다. 둘째 그림은 $f\,\nabla\times\mathbf A$.

B A = B A + B A

외적의 발산: 두 그림 모두 점의 반시계 순서는 (꼬리, A, B)입니다. A만 미분하면 $\varepsilon_{tab}(\partial_tA_a)B_b=\mathbf B\cdot(\nabla\times\mathbf A)$. B만 미분하면 $\varepsilon_{tab}A_a(\partial_tB_b)$인데, B의 curl로 읽으려면 순서가 (꼬리, B)여야 하므로 맞바꿈 한 번(clank): $-\mathbf A\cdot(\nabla\times\mathbf B)$.

$$\begin{aligned}\nabla\cdot(\mathbf A\times\mathbf B)&=\mathbf B\cdot(\nabla\times\mathbf A)\\&\quad-\mathbf A\cdot(\nabla\times\mathbf B).\end{aligned}$$
예제 2-2 $\nabla^2(f\mathbf A)$ — 풍선 두 겹 나누기 f A i = f A i + 2 f A i + f A i

바깥 풍선과 안 풍선을 각각 f 또는 A에 나눠 주면 네 가지인데, (안 f, 바깥 A)와 (안 A, 바깥 f)는 안팎을 바꾼 같은 그림이라 합쳐서 2배입니다. 가운데 그림은 f의 꼬리와 A의 꼬리를 이은 것, 즉 $\partial_if\,\partial_iA_j$입니다.

$$\begin{aligned}\nabla^2(f\mathbf A)&=(\nabla^2f)\,\mathbf A\\&\quad+2(\nabla f\cdot\nabla)\mathbf A\\&\quad+f\,\nabla^2\mathbf A.\end{aligned}$$

같은 방법으로 스칼라끼리는 $\nabla^2(fg)=g\nabla^2f+2\nabla f\cdot\nabla g+f\nabla^2g$입니다.

3. ∂∂ε = 0, 그리고 ∇×∇×A

레시피
  1. 풍선 두 겹의 두 꼬리가 같은 ε 점에 붙으면 0입니다. 그래서 $\nabla\times\nabla f=0$, $\nabla\cdot(\nabla\times\mathbf A)=0$은 계산하지 않고 0으로 씁니다.
  2. curl이 두 번 겹친 것은 두 점이 선 하나로 이어진 H입니다. G1의 H 규칙을 그대로 씁니다.
f i = 0 A = 0
왜 되나? (증명 스케치)

두 겹 풍선은 안팎을 바꿔도 같습니다(혼합편미분의 순서 무관). 안팎을 바꾼 뒤 그림을 펴서(등위변형) 원래 모양으로 돌려 놓으면, 두 꼬리가 점에 붙는 순서만 바뀌어 있습니다. clank로 부호가 바뀌므로 "자기 자신 = −자기 자신", 즉 0입니다. 지표로는 대칭인 $\partial_j\partial_k$와 반대칭인 $\varepsilon_{ijk}$의 축약이 0이라는 L07 7절의 말과 같습니다.

예제 3-1 (L07 예제 7-2를 그림으로) $\nabla\times(\nabla\times\mathbf A)$ A i = A i − A i

안쪽 curl의 점과 바깥 curl의 점을 잇는 선에 H 규칙을 씁니다. 안쪽 점은 (출력, 안 꼬리, A) 순서, 바깥 점은 (안쪽 출력, 바깥 출력 $i$, 바깥 꼬리) 순서입니다. X는 A의 선이 바깥 꼬리와 이어지고 안 꼬리가 $i$로 나가므로 $\partial_i(\partial_jA_j)$, ‖는 두 꼬리끼리 이어지고 A의 선이 $i$로 나가므로 $\partial_j\partial_jA_i$입니다.

$$\begin{aligned}\nabla\times(\nabla\times\mathbf A)&=\nabla(\nabla\cdot\mathbf A)\\&\quad-\nabla^2\mathbf A.\end{aligned}$$

L07에서는 순환 → 축약 공식 → δ 두 번의 다섯 줄이었습니다. L07 연습 E3의 (나) 경로가 바로 이 그림 등식입니다.

4. 선 교환으로 ∇(A·B), H로 ∇×(A×B)

레시피
  1. $\nabla(\mathbf A\cdot\mathbf B)$: 풍선을 나누면 "풍선(A)·B"와 "A·풍선(B)" 두 그림입니다. 각 그림에서 꼬리와 A의 선은 나란한 두 선(‖)입니다.
  2. G1의 선 교환 ‖ = X − H를 씁니다. X는 꼬리가 B로, A의 선이 출력으로 가는 $(\mathbf B\cdot\nabla)\mathbf A$이고, −H는 $\mathbf B\times(\nabla\times\mathbf A)$입니다.
  3. $\nabla\times(\mathbf A\times\mathbf B)$: 바깥 curl 점과 외적 점을 잇는 선에 H 규칙을 쓴 뒤, 풍선을 나눕니다.
예제 4-1 (L07 6절의 증명 스케치를 그림으로) $\nabla(\mathbf A\cdot\mathbf B)$ A B i = A B i + B A i

첫째 그림(풍선이 A만 감쌈)을 선 교환으로 바꿉니다.

A B i = A B i − A B i

X: 꼬리가 B로, A의 선이 $i$로 → $B_j\partial_jA_i=\big((\mathbf B\cdot\nabla)\mathbf A\big)_i$. H: 위 점은 (가운데, A, 꼬리) 순서로 읽혀서 Kim 방향 curl과 좌우가 반대입니다. 그래서 위 점 = $-(\nabla\times\mathbf A)$, 아래 점까지 읽으면 H $=-\mathbf B\times(\nabla\times\mathbf A)$입니다. 따라서 첫째 그림 $=(\mathbf B\cdot\nabla)\mathbf A+\mathbf B\times(\nabla\times\mathbf A)$. 둘째 그림은 A와 B를 바꾼 것입니다.

$$\begin{aligned}\nabla(\mathbf A\cdot\mathbf B)&=(\mathbf B\cdot\nabla)\mathbf A\\&\quad+\mathbf B\times(\nabla\times\mathbf A)\\&\quad+(\mathbf A\cdot\nabla)\mathbf B\\&\quad+\mathbf A\times(\nabla\times\mathbf B).\end{aligned}$$

외우는 법: "풍선 하나당 두 항, 꼬리가 상대에게 가는 항($(\mathbf B\cdot\nabla)\mathbf A$)과 상대가 curl에 곱해지는 항($\mathbf B\times\nabla\times\mathbf A$)". L07의 증명 스케치는 $\varepsilon_{kij}\varepsilon_{kmn}$을 풀어 $A_j\partial_iB_j$를 두 항으로 나눴는데, 그것이 바로 선 교환입니다.

예제 4-2 (L07 예제 6-2를 그림으로) $(\mathbf v\cdot\nabla)\mathbf v=\nabla\big(\tfrac12v^2\big)-\mathbf v\times(\nabla\times\mathbf v)$

예제 4-1에서 $\mathbf A=\mathbf B=\mathbf v$로 두면 두 풍선 그림이 같아지므로 $\nabla(v^2)=2(\mathbf v\cdot\nabla)\mathbf v+2\mathbf v\times(\nabla\times\mathbf v)$. 2로 나누고 옮기면 위 식입니다. 외울 것이 없습니다.

L07의 강체 회전 $\mathbf v=(-y,x,0)$로 확인: $\nabla(\tfrac12v^2)=(x,y,0)$, $\nabla\times\mathbf v=(0,0,2)$, $\mathbf v\times(\nabla\times\mathbf v)=(2x,2y,0)$이므로 $(\mathbf v\cdot\nabla)\mathbf v=(-x,-y,0)$.

예제 4-3 $\nabla\times(\mathbf A\times\mathbf B)$ B A i = B A i − B A i

H 규칙: X는 꼬리가 B의 선과, A의 선이 출력과 이어져 $\partial_j(A_iB_j)$, ‖는 꼬리가 A의 선과, B의 선이 출력과 이어져 $\partial_j(A_jB_i)$입니다. 이것이 L07 증명 스케치의 첫 줄 $\partial_j(A_iB_j)-\partial_j(A_jB_i)$입니다. 이제 풍선을 나눕니다.

B A i = B A i + B A i

X $=(\mathbf B\cdot\nabla)\mathbf A+\mathbf A(\nabla\cdot\mathbf B)$, ‖ $=(\mathbf A\cdot\nabla)\mathbf B+\mathbf B(\nabla\cdot\mathbf A)$. 따라서

$$\begin{aligned}\nabla\times(\mathbf A\times\mathbf B)&=(\mathbf B\cdot\nabla)\mathbf A\\&\quad-(\mathbf A\cdot\nabla)\mathbf B\\&\quad+\mathbf A(\nabla\cdot\mathbf B)\\&\quad-\mathbf B(\nabla\cdot\mathbf A).\end{aligned}$$

BAC−CAB를 "미분이 A에 걸린 몫"과 "B에 걸린 몫"으로 두 번 쓴 모양이라는 L07의 설명이 그림에서는 "H 한 번 + 풍선 나누기"입니다.

5. r 규칙 — 위치벡터의 미분

레시피 ($r\ne0$)
  1. 세 가지를 구별해서 그립니다: 벡터 $\mathbf r$(선 하나 달린 r 상자), 스칼라 $r=|\mathbf r|$(선 없는 r 상자), 단위벡터 $\mathbf n=\mathbf r/r$(n 상자).
  2. 풍선(벡터 r) = 맨 선 ($\partial_ix_j=\delta_{ij}$). 그래서 $\nabla\cdot\mathbf r=$ 고리 $=3$, $\nabla\times\mathbf r=$ 올챙이 $=0$, $(\mathbf a\cdot\nabla)\mathbf r=\mathbf a$.
  3. 풍선(스칼라 r) = n ($\nabla r=\mathbf n$). 일반적으로 $\nabla g(r)=g'(r)\,\mathbf n$.
  4. 풍선(n) $=\frac1r(\delta-\mathbf n\mathbf n)$: 맨 선에서 n 방향을 뺀 사영자(G1 예제 5-3)를 $r$로 나눈 것입니다. 끝을 이으면 $\nabla\cdot\mathbf n=\frac{3-1}r=\frac2r$.
r j i = j i r = 3 r i = 0 r​ i = n i n j i = 1/r ( j i − n n j i )
왜 되나? (증명 스케치)

$\partial_ix_j=\delta_{ij}$는 정의 그대로입니다. $r^2=x_kx_k$를 미분하면 $2r\,\partial_ir=2x_i$이므로 $\partial_ir=x_i/r=n_i$. $\mathbf n=\mathbf r\cdot r^{-1}$에 곱 규칙(풍선 나누기)을 쓰면

$$\begin{aligned}\partial_in_j&=\frac{\delta_{ij}}r+x_j\Big(-\frac{n_i}{r^2}\Big)\\&=\frac{\delta_{ij}-n_in_j}r.\end{aligned}$$

$\mathbf n$의 길이는 늘 1이므로 미분은 $\mathbf n$에 수직인 방향으로만 생깁니다. 그것이 사영자 $\delta-\mathbf n\mathbf n$이 나오는 이유입니다.

예제 5-1 r 규칙 모음 (L07 예제 5-1, 연습 D2를 그림으로)
예제 5-2 (L07 연습 E5·F3을 그림으로) $\nabla\times(\mathbf a\times\mathbf r)=2\mathbf a$ ($\mathbf a$는 상수) r a i = a i = 2 a i

풍선(r)을 맨 선으로 바꾸면 외적 점과 curl 점 사이에 선이 둘 생깁니다. 거품인데, 꼬리 쪽 선이 출력선을 넘어 반대편으로 들어가므로 꼰 거품이고 값은 $+2$입니다(G1 예제 6-2). 평면 거품 $-2$를 그대로 쓰면 $-2\mathbf a$라는 틀린 답이 나옵니다. 그림에서 꼬였는지 꼭 봅니다.

6. 원점의 δ항 — 쌍극자장

레시피
  1. $r\ne0$ 부분은 그림 규칙(5절)으로 구합니다.
  2. 원점의 δ항 계수는 작은 공에서 적분해서 구합니다. 기울기 정리 $\int_{\text{공}}\partial_iT\,dV=\oint n_iT\,dS$로 바꾸면 각도 적분 하나입니다. 여기서 $\oint n_in_j\,d\Omega=\frac{4\pi}3\delta_{ij}$ 하나만 씁니다.
  3. 핵심 공식(이 하나에서 전기·자기 쌍극자의 δ항이 모두 나옴): $$\begin{aligned}\partial_i\Big(\frac{n_j}{r^2}\Big)&=\frac{4\pi}3\delta_{ij}\,\delta^3(\mathbf r)\\&\quad-\frac{3n_in_j-\delta_{ij}}{r^3}.\end{aligned}$$
  4. 대각합을 잡으면 $\nabla\cdot(\mathbf n/r^2)=4\pi\delta^3$ (L08 5절)이 나옵니다. $r\ne0$ 부분은 대각합이 $3-3=0$입니다.
예제 6-1 $\partial_i(n_j/r^2)$ 유도

$\mathbf E=\mathbf n/r^2$ (점전하 장에서 $4\pi$를 뺀 것)라 두고 $r\ne0$ 부분부터 구합니다. $\mathbf E=\mathbf n\cdot r^{-2}$이므로 풍선을 나눕니다.

E j i = n 1/r² j i + n 1/r² j i

풍선(n) $=\frac1r(\delta-\mathbf n\mathbf n)$, 풍선($r^{-2}$) $=-2r^{-3}\mathbf n$이므로 ($r\ne0$)

$$\begin{aligned}\partial_iE_j&=\frac{\delta_{ij}-n_in_j}{r^3}-\frac{2n_in_j}{r^3}\\&=-\frac{3n_in_j-\delta_{ij}}{r^3}.\end{aligned}$$

δ 계수: 반지름 $\epsilon$인 작은 공에서 적분합니다. $r\ne0$ 부분은 각도 평균 $\langle3n_in_j-\delta_{ij}\rangle=3\cdot\frac13\delta_{ij}-\delta_{ij}=0$이라 기여하지 않습니다(각도부터 적분). 경계에서는

$$\begin{aligned}\oint n_iE_j\,dS&=\oint n_i\frac{n_j}{\epsilon^2}\,\epsilon^2d\Omega\\&=\frac{4\pi}3\delta_{ij}.\end{aligned}$$

그래서 원점에 $\frac{4\pi}3\delta_{ij}\delta^3$이 숨어 있습니다.

왜 되나? (증명 스케치)

그림 규칙은 성분을 점마다 미분하는 규칙이라 $r=0$처럼 장이 정의되지 않는 점은 보지 못합니다. 분포(δ)로서의 미분은 "작은 영역에서 적분한 값"으로 정의되므로, 원점을 감싼 작은 공에서 적분해 $r\ne0$ 부분이 주는 몫을 빼면 원점의 몫이 남습니다. $r\ne0$ 부분 $\propto(3n_in_j-\delta_{ij})/r^3$은 각도 평균이 0이라(대칭 논증: $\langle n_in_j\rangle$는 $c\,\delta_{ij}$이고 대각합을 잡으면 $c=\frac13$) 원점 근처의 공 적분이 0으로 갑니다. (엄밀하게는 이 적분이 조건수렴이라 "각도부터 적분"하는 약속이 필요하지만 생략합니다.)

예제 6-2 전기·자기 쌍극자의 δ항, 그리고 L09 연습 C6

단위: 퍼텐셜 $\phi=\dfrac{\mathbf p\cdot\mathbf n}{4\pi r^2}$, $\mathbf E=-\nabla\phi$, 벡터 퍼텐셜 $\mathbf A=\dfrac{\mathbf m\times\mathbf n}{4\pi r^2}$, $\mathbf B=\nabla\times\mathbf A$ (SI에서 $\varepsilon_0=\mu_0=1$로 둔 것).

(가) 전기: $\phi=\frac1{4\pi}p_jE_j$이므로 $-\partial_i\phi=-\frac1{4\pi}p_j\,\partial_iE_j$. 예제 6-1을 넣으면

$$\begin{aligned}-\nabla\Big(\frac{\mathbf p\cdot\mathbf n}{4\pi r^2}\Big)&=\frac{3\mathbf n(\mathbf n\cdot\mathbf p)-\mathbf p}{4\pi r^3}\\&\quad-\frac13\mathbf p\,\delta^3(\mathbf r).\end{aligned}$$

(나) 자기: $\mathbf m\times\mathbf E$의 curl에 H 규칙을 씁니다.

E m i = E m i − E m i

X = $\mathbf m(\nabla\cdot\mathbf E)$, ‖ = $(\mathbf m\cdot\nabla)\mathbf E$. 그림에서 X는 $r\ne0$에서 0이지만 원점에서 $4\pi\mathbf m\delta^3$입니다. ‖는 예제 6-1에서 $\frac{4\pi}3\mathbf m\delta^3-\frac{3\mathbf n(\mathbf n\cdot\mathbf m)-\mathbf m}{r^3}$. 빼면 δ 계수가 $4\pi-\frac{4\pi}3=\frac{8\pi}3$이고, $4\pi$로 나누면

$$\begin{aligned}&\nabla\times\Big(\frac{\mathbf m\times\mathbf n}{4\pi r^2}\Big)\\&=\frac{3\mathbf n(\mathbf n\cdot\mathbf m)-\mathbf m}{4\pi r^3}+\frac23\mathbf m\,\delta^3(\mathbf r).\end{aligned}$$

바깥($r\ne0$)의 모양은 전기와 같은데 δ항은 $-\frac13$과 $+\frac23$으로 다릅니다. 계수 하나($\frac{4\pi}3$)에서 둘 다 나왔습니다.

(다) L09 연습 C6을 그림으로: $\hat{\mathbf z}\times\mathbf n=\sin\theta\,\hat{\boldsymbol\varphi}$이므로 $\dfrac{\sin\theta}{r^2}\hat{\boldsymbol\varphi}=\hat{\mathbf z}\times\mathbf E$. (나)에서 $\mathbf m=\hat{\mathbf z}$로 두면 $r\ne0$에서

$$\begin{aligned}&\nabla\times\Big(\frac{\sin\theta}{r^2}\hat{\boldsymbol\varphi}\Big)\\&=\frac{3\cos\theta\,\mathbf n-\hat{\mathbf z}}{r^3}\\&=\frac{2\cos\theta\,\hat{\mathbf r}+\sin\theta\,\hat{\boldsymbol\theta}}{r^3}.\end{aligned}$$

마지막 등호는 $\hat{\mathbf z}=\cos\theta\,\hat{\mathbf r}-\sin\theta\,\hat{\boldsymbol\theta}$. 곡선좌표 curl 공식 없이 L09의 답이 나왔고, 덤으로 원점에 $\frac{8\pi}3\hat{\mathbf z}\,\delta^3$이 숨어 있다는 것도 알 수 있습니다.

7. 맛보기 — 적분 정리는 "풍선 뒤집기" 하나

레시피 (보충자료의 적분 표기)
  1. $n$차원 영역(곡선 $P$, 곡면 $S$, 부피 $V$)을 다리 $n$개 달린 검은 상자로 그립니다. 다리끼리는 반대칭이고, 장과 이으면 적분값입니다. 곡면의 두 다리는 $d^2\mathbf a$ 상자를 ε 점으로 펼친 것입니다. 점을 반시계로 읽으면 ($d^2\mathbf a$, 오른쪽 다리, 왼쪽 다리)이므로 $dS_{jk}=\varepsilon_{ajk}\,da_a$ ($j$ = 오른쪽 다리).
  2. 경계 $\partial M$은 다리가 하나 적은 검은 상자입니다.
  3. 풍선 뒤집기: $M$의 오른쪽 끝 다리에 풍선의 꼬리를 붙인 것 = 풍선이 $M$을 감싼 것 = $\partial M$. 즉 "미분을 영역 쪽으로 넘기면 경계가 된다"입니다. 곡면이면 장의 선이 왼쪽, 꼬리가 오른쪽이라 0절의 curl 그림과 같은 배치이고, 값은 $\int d^2\mathbf a\cdot(\nabla\times\mathbf F)$입니다.
  4. $n=1$: $\int_P\nabla f\cdot d\mathbf l=f(\text{끝})-f(\text{시작})$. $n=2$: $\int_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot d\mathbf a=\oint\mathbf F\cdot d\mathbf l$. $n=3$: $\int_V\nabla\cdot\mathbf F\,dV=\oint\mathbf F\cdot d\mathbf a$. 셋이 같은 그림입니다.
S k j = da k j F S = F ∂S

이 그림 등식은 적분 정리라서 다른 그림들처럼 텐서 네트워크로 계산해 확인할 수 없습니다. 대신 구체적인 면과 장(단위원판과 $\mathbf F=(-y,x,0)$, 기울어진 타원)으로 양변을 SymPy로 검산했습니다.

왜 되나? (증명 스케치)

L08의 증명과 같습니다. 영역을 작은 칸으로 나누면 칸 하나에서는 "미분 × 칸의 크기 = 칸 경계에서의 차이"(미분의 정의)이고, 이웃한 칸이 공유하는 경계는 서로 반대 방향이라 지워져 바깥 경계만 남습니다. 그림의 "다리 하나에 꼬리를 붙이면 풍선이 영역을 감싼다"는 이 두 단계(칸 하나에서 미분 = 경계 차이, 안쪽 경계 상쇄)를 한 모양으로 적은 것입니다.

예제 7-1 $\displaystyle\int_Sd^2\mathbf a=\frac12\oint_{\partial S}\mathbf r\times d\mathbf l$ (L08 6절의 넓이 공식의 3차원판)

스토크스 정리를 장 대신 "$i$를 열린 끝으로 남긴 $\varepsilon_{imk}x_m$"에 씁니다. 경계 쪽은 $\oint\varepsilon_{imk}x_m\,dl_k=\big(\oint\mathbf r\times d\mathbf l\big)_i$입니다. 면 쪽의 피적분 함수는

$$\begin{aligned}&da_a\,\varepsilon_{ajk}\,\partial_j(\varepsilon_{imk}x_m)\\&=da_a\,\varepsilon_{ajk}\varepsilon_{ijk}=2\,da_i.\end{aligned}$$

그림으로는 풍선(r)이 맨 선이 되어 두 점 사이에 선 둘이 남는 거품이고, 지표 순서가 같은(꼰) 거품이라 $+2$입니다. 따라서 $\oint\mathbf r\times d\mathbf l=2\int d^2\mathbf a$.

평면($xy$평면)에서 $z$성분만 보면 $\frac12\oint(x\,dy-y\,dx)$, L08 6절의 넓이 공식입니다. L08 연습 E3의 삼각형 $(0,0),(2,0),(0,3)$에 쓰면 원점을 지나는 두 변에서는 $x\,dy-y\,dx=0$이고, 남은 변 $(2,0)\to(0,3)$에서 $\frac12\int_0^1\big[(2-2t)\cdot3-3t\cdot(-2)\big]dt=\frac12\cdot6=3$.

8. 이 표기로 빨라지는 Arfken 계산

레슨·위치계산그림으로 하면
L07 0절·6절 항등식 표$\nabla(\mathbf A\cdot\mathbf B)$, $\nabla\times(\mathbf A\times\mathbf B)$ 외우기선 교환 한 번(예제 4-1), H 한 번 + 풍선 나누기(예제 4-3). 외울 필요 없음
L07 6절 예제 6-1, 레시피 2곱 법칙, $\nabla f\times\mathbf A$의 순서풍선 나누기(예제 2-1, 연습 B4). 순서가 그림에서 자동
L07 6절 예제 6-2, 연습 E6$(\mathbf v\cdot\nabla)\mathbf v$ 항등식예제 4-1에서 A = B(예제 4-2)
L07 7절 예제 7-2, 연습 E3$\nabla\times\nabla\times\mathbf A$H 한 번(예제 3-1)
L07 3절 레시피 5, 6절 레시피 4curl grad = 0, div curl = 0두 겹 풍선 + 점 = 0(3절)
L07 5절 예제 5-1, 연습 D2, E1, E2, E4, E5, F3$\mathbf r$, $r$, $\hat{\mathbf r}$의 미분풍선(r) = 맨 선, 풍선(r) = n(5절, 연습 D1–D2)
L09 연습 C4, C6곡선좌표 발산·curl직교좌표 그림 규칙으로 바로(연습 D3, 예제 6-2(다)). 곡선좌표 공식이 필요 없음
L08 5절, L27 4절$\nabla\cdot(\hat{\mathbf r}/r^2)=4\pi\delta^3$, $\nabla^2\frac1r=-4\pi\delta^3$계수 $\frac{4\pi}3$ 하나에서(6절, 연습 E1–E2). 쌍극자 δ항(본문 레슨에는 없음)도 같은 계수
L08 6절 예제 6-1, 연습 E3넓이 $\frac12\oint(x\,dy-y\,dx)$$\int d^2\mathbf a=\frac12\oint\mathbf r\times d\mathbf l$의 $z$성분(예제 7-1). 계산량은 같음
L08 4·7절 발산·스토크스 정리정리 적용"풍선 뒤집기" 하나로 기억(7절). 실제 매개화 계산은 그대로

9. 출처와 관례

출처와 관례

10. 자주 하는 실수

11. 연습문제

종이에 먼저 풀고 답을 여세요. 그림 등식은 구체적인 장으로 텐서 네트워크 계산을 해서, 답은 SymPy로 검산했습니다.

A. 그림 읽기

A1. 다음 그림을 지표식과 벡터식으로 쓰세요.

A C B
답$C_iB_j\partial_jA_i=\mathbf C\cdot\big((\mathbf B\cdot\nabla)\mathbf A\big)$ — A의 선은 C로, 꼬리는 B로 갑니다.

A2. 다음 그림은 $+\nabla\times\mathbf A$인가요, $-\nabla\times\mathbf A$인가요?

A i
답$+\nabla\times\mathbf A$ — 0절의 curl 그림을 180° 돌린 것입니다(출력 위, A의 선 오른쪽, 꼬리 왼쪽). 돌리는 것은 괜찮고, 좌우를 뒤집는 것만 −입니다.

A3. $\mathbf v=(-y,x,0)$의 $\partial_iv_j$ 표를 만들고, 발산과 curl을 표에서 읽으세요.

답$\partial_iv_j=\begin{pmatrix}0&1&0\\-1&0&0\\0&0&0\end{pmatrix}$, 발산(대각합) $0$, curl $(0,0,1-(-1))=(0,0,2)$ — L07 연습 C2의 답과 같습니다.

B. 곱 규칙

B1. $\nabla\cdot(f\nabla g)$

답$\nabla f\cdot\nabla g+f\,\nabla^2g$ — 바깥 풍선을 f와 (안 풍선 + g)로 나눕니다. 둘째 그림은 두 겹 풍선의 꼬리를 이은 것.

B2. $\nabla\times(f\nabla g)$

답$\nabla f\times\nabla g$ — 풍선을 나누면 g 쪽 그림은 두 겹 풍선의 꼬리가 한 점에 붙어 0(3절).

B3. (L07 예제 6-1(가)를 그림으로) $\nabla\cdot(e^{-r}\mathbf r)$

답$(3-r)e^{-r}$ — 풍선(r)과 선을 이은 고리 3에 $e^{-r}$, 풍선($e^{-r}$) $=-e^{-r}\mathbf n$과 $\mathbf r$의 내적 $-re^{-r}$.

C. 항등식

C1. $\mathbf a$가 상수일 때 $\nabla(\mathbf a\cdot\mathbf B)$

답$(\mathbf a\cdot\nabla)\mathbf B+\mathbf a\times(\nabla\times\mathbf B)$ — 예제 4-1에서 풍선(a) = 0. 자기 쌍극자의 힘 $\nabla(\mathbf m\cdot\mathbf B)$가 이 꼴입니다.

C2. $\mathbf a$가 상수일 때 $\nabla\times(\mathbf a\times\mathbf B)$

답$\mathbf a(\nabla\cdot\mathbf B)-(\mathbf a\cdot\nabla)\mathbf B$ — 예제 4-3에서 a를 감싼 풍선 그림이 모두 0.

C3. $\mathbf u=\nabla\Phi$일 때 $(\mathbf u\cdot\nabla)\mathbf u=\frac12\nabla(u^2)$임을 보이세요.

답예제 4-2의 식에서 $\nabla\times\mathbf u=\nabla\times\nabla\Phi=0$(두 겹 풍선 + 점).

C4. $(\nabla\times\mathbf A)\cdot(\nabla\times\mathbf B)$를 $\partial_iA_j$, $\partial_iB_j$로 쓰세요.

답$\partial_iA_j\,\partial_iB_j-\partial_iA_j\,\partial_jB_i$ — 두 curl 점을 잇는 선에 H 규칙. X는 꼬리끼리·선끼리, ‖는 꼬리–선을 엇갈려 잇습니다(G1 예제 6-3과 같은 모양).

D. r 규칙 ($r\ne0$, $\mathbf a$는 상수)

D1. (L07 연습 E1) $\nabla\cdot\big((\mathbf a\cdot\mathbf r)\mathbf r\big)$

답$4(\mathbf a\cdot\mathbf r)$ — 풍선을 나누면 고리 3$\times(\mathbf a\cdot\mathbf r)$과, 풍선(r)이 맨 선이 되어 a와 r이 이어진 $\mathbf a\cdot\mathbf r$.

D2. (L07 연습 E2) $\nabla\times\big((\mathbf a\cdot\mathbf r)\mathbf r\big)$

답$\mathbf a\times\mathbf r$ — r의 선 쪽 풍선은 올챙이라 0, $(\mathbf a\cdot\mathbf r)$ 쪽 풍선은 맨 선이 되어 a가 꼬리 자리에 들어간 $\mathbf a\times\mathbf r$.

D3. (L09 연습 C4를 그림으로) $\nabla\cdot(r^n\hat{\mathbf r})$

답$(n+2)r^{n-1}$ — 풍선($r^n$) $=nr^{n-1}\mathbf n$과 n의 내적 $nr^{n-1}$, 그리고 $r^n\nabla\cdot\mathbf n=r^n\cdot\frac2r$.

D4. $\nabla(\mathbf a\cdot\mathbf n)$

답$\dfrac{\mathbf a-\mathbf n(\mathbf n\cdot\mathbf a)}{r}$ — 풍선(n) $=\frac1r(\delta-\mathbf n\mathbf n)$에 a를 붙입니다.

D5. $\nabla^2\mathbf n$

답$-\dfrac{2\mathbf n}{r^2}$ — 풍선(n)을 한 번 더 감싸고 꼬리를 잇습니다. $\partial_i\big[\frac1r(\delta_{ij}-n_in_j)\big]=-\frac{n_i}{r^2}(\delta_{ij}-n_in_j)+\frac1r\big(-\frac2rn_j-0\big)$이고 첫 항은 사영자에 n을 붙인 것이라 0.

E. 원점의 δ항

E1. 예제 6-1에서 대각합을 잡아 $\nabla\cdot(\mathbf n/r^2)$를 구하세요.

답$4\pi\delta^3(\mathbf r)$ — $\frac{4\pi}3\cdot3=4\pi$, $r\ne0$ 부분의 대각합은 $3-3=0$. L08 5절의 결과입니다.

E2. (L27 4절) $\nabla^2\frac1r$

답$-4\pi\delta^3(\mathbf r)$ — 풍선(스칼라 $r^{-1}$) $=-\mathbf n/r^2$이고, 한 번 더 감싸 꼬리를 이으면 E1의 $-1$배.

E3. 반지름 $R$인 공 안에서 전기 쌍극자장(예제 6-2(가))을 부피적분하면?

답$-\frac13\mathbf p$ — $r\ne0$ 부분 $3\mathbf n(\mathbf n\cdot\mathbf p)-\mathbf p$는 각도 평균이 0이라 δ항만 남습니다. (경계 적분 $-\oint\phi\,\mathbf n\,dS$로 직접 계산해도 같습니다.)

F. 적분

F1. (L08 연습 E3) 꼭짓점 $(0,0)$, $(2,0)$, $(0,3)$인 삼각형의 넓이를 $\frac12\oint\mathbf r\times d\mathbf l$로 구하세요.

답$3$ — 예제 7-1의 계산. 원점을 지나는 두 변은 기여가 0입니다.

F2. (L08 예제 6-1) 타원 $x=a\cos t$, $y=b\sin t$의 넓이

답$\pi ab$ — $(\mathbf r\times\mathbf r')_z=ab\cos^2t+ab\sin^2t=ab$, $\frac12\int_0^{2\pi}ab\,dt$.

12. 다음

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