부록 G · 출처: J.-H. Kim, J. Nam, Thermodynamic Identities with Sunray Diagrams, Eur. J. Phys. 43(2), arXiv:1912.11485 · 관련 본문: L09 6절(Arfken 4.4절 야코비안, 기억 기반), L00b 2절, L29 10절
이 레슨이 끝나면 할 수 있는 계산
변수 셋(자유도 둘)의 미분 $dx,dy,dz$를 평면 화살표로 그리고, 평행사변형 분해로 편미분 두 개를 읽기
고정 변수 편미분 $(\partial x/\partial y)_z$를 "$dz$에 평행한 빛이 만든 그림자"로 읽기. 같은 기호 $\partial x/\partial r$가 $\cos\varphi$도 되고 $1/\cos\varphi$도 되는 이유를 그림 한 장으로 보이기
그림자 배율을 방향 넓이의 비 $(dx\wedge dz)/(dy\wedge dz)$로 계산하고, 야코비안과 같은 계산임을 확인하기
역수·순환($-1$)·연쇄 관계를 그림으로 설명하고, 음함수 미분의 마이너스를 "닫힌 삼각형"으로 이해하기
고정 변수 바꾸기 공식과 비 항등식을 두 줄로 유도하기
넓이 등식($dx\wedge dy=r\,dr\wedge d\varphi$, 열역학의 $dT\wedge dS=dP\wedge dV$)에서 맥스웰형 관계 얻기
0. 외워 둘 공식
변수 셋 $x,y,z$ 가운데 둘을 정하면 나머지가 정해진다(자유도 2)고 둡니다. 넷째 변수 $w$가 나오면 그것도 아무 두 변수의 함수입니다.
출처: J.-H. Kim, J. Nam, Thermodynamic Identities with Sunray Diagrams, Eur. J. Phys. 43(2), arXiv:1912.11485 (v4). Joon-Hwi Kim의 발표 "Re-presentation: Graphical Notations in Physics" 슬라이드 65–81. 원문은 sunray diagram이라 부르고, 이 레슨은 "선배 도식", 빛줄기는 "$z$-빛"처럼 부릅니다. 그림은 모두 이 레슨이 좌표를 정해 새로 그렸습니다(원문 그림을 베끼지 않음).
앞선 방법: Maxwell(1871, Theory of Heat)의 넓이 미끄럼과, 그것을 다시 소개한 Nash(1964, J. Chem. Educ. 41, 368–372)의 넓이 방법. 두 원문은 보지 못했고 Kim–Nam 3.2절의 소개로만 확인했습니다. 발표는 이 방법을 "넓이 조작이라 불편하다"고 평가합니다. Landau–Lifshitz Statistical Physics의 야코비안 기법(Kim–Nam의 참고문헌이 pp. 51–55를 가리킴)은 내용을 기억에 기대어 적었습니다(기억 기반, 미검증).
화살표: 계산할 때는 기준 좌표 $(a,b)$를 하나 정하고 변수 $A$의 화살표를 $dA=(\partial A/\partial a,\ \partial A/\partial b)$로 그립니다(기울기 성분). Kim–Nam은 이 화살표를 반시계로 $90^\circ$ 돌린 것, 곧 "$A$가 일정한 곡선을 따라가는 화살표"로 해석합니다. 회전은 그림자 배율과 넓이 비를 바꾸지 않으므로 답은 같습니다(검산).
방향 넓이: $p\wedge q=p_1q_2-p_2q_1$. $p$에서 $q$로 반시계로 돌면 양수입니다(그림은 위쪽이 $+$). Kim–Nam도 반시계를 양수로 정합니다. 비만 쓸 때는 방향 관례가 답을 바꾸지 않지만, 두 넓이를 같다고 놓을 때(7절)는 양변의 순서를 정확히 지킵니다. 열역학 문헌 일부는 심플렉틱 형식을 $dT\wedge dS-dP\wedge dV$ 꼴로 써서 부호 관례가 다를 수 있습니다(Kim–Nam 각주에 따름).
길이와 각도에는 뜻이 없습니다. 뜻이 있는 것은 같은 직선 위 두 화살표의 비(부호 포함)와 두 넓이의 비뿐입니다. 그래서 그림 전체를 아무 가역 선형변환으로 찌그러뜨려도 답은 같습니다.
1. 무대: 미분은 화살표, 편미분은 평행사변형
레시피 (화살표 그리기)
변수 셋 $x,y,z$에서 아무 둘을 정하면 나머지가 정해지는지(자유도 2) 확인합니다. 예: 극좌표의 $x,r,\varphi$, 이상기체의 $P,V,T$, 곡면 $F(x,y,z)=0$ 위의 $x,y,z$.
기준 좌표 $(a,b)$를 고릅니다. 보통 문제에 이미 있는 독립변수입니다. 변수 $A$의 화살표는 $dA=(\partial A/\partial a,\ \partial A/\partial b)$이고, 기준 좌표 자신은 $da=(1,0)$, $db=(0,1)$입니다.
평면의 화살표 셋은 늘 일차종속이므로 $dx=\alpha\,dy+\beta\,dz$로 쓸 수 있습니다. 이때 $\alpha=(\partial x/\partial y)_z$, $\beta=(\partial x/\partial z)_y$입니다.
그림으로는 $dx$를 $dy$ 방향과 $dz$ 방향으로 나누는 평행사변형 분해입니다. $dy$와 $dz$가 직교할 필요는 없습니다.
화살표는 평행이동해도 됩니다. 값은 같은 직선 위의 길이 비로만 읽습니다.
왜 되나? (증명 스케치)
$x$를 $y,z$의 함수로 보면 전미분은 $dx=(\partial x/\partial y)_z\,dy+(\partial x/\partial z)_y\,dz$입니다(L00b 2절). 이 식을 기준 좌표 $a$로 미분한 식과 $b$로 미분한 식(연쇄법칙)으로 나누어 쓰면 다음과 같습니다.
첫째 성분: $1=\alpha+0.4\beta=\alpha+0.2$, 따라서 $\alpha=0.8$.
답: $(\partial x/\partial y)_z=0.8$, $(\partial x/\partial z)_y=0.5$. 그림 1의 굵은 선 두 개가 이 두 성분입니다.
검산: 이 화살표는 기준 좌표 $(a,b)$에서 $y=a$, $z=0.4a+b$, $x=a+0.5b$인 경우입니다. $b=z-0.4y$를 넣으면 $x=y+0.5(z-0.4y)=0.8y+0.5z$. 같습니다.
2. 그림자 규칙: $z$ 고정 = $dz$에 평행한 빛
레시피 ($(\partial x/\partial y)_z$ 읽기)
물체·스크린·빛을 정합니다. 분자 $dx$가 물체, 분모 $dy$의 직선이 스크린, 아래 첨자 $z$의 화살표 $dz$가 빛의 방향입니다.
점 O에서 $dx$(O→A)를 그리고, O를 지나는 $dy$ 직선을 긋습니다.
A에서 $dz$에 평행한 직선($z$-빛)을 그어 $dy$ 직선과 만나는 점 B를 찾습니다. 수선의 발(직교 투영)이 아닙니다.
그림자 OB가 $(\partial x/\partial y)_z\,dy$입니다. 배율은 OB와 $dy$의 길이 비이고, $dy$와 같은 쪽이면 $+$, 반대쪽이면 $-$입니다.
$dz\parallel dy$이면 빛이 스크린과 평행해서 그림자가 생기지 않습니다. 그 점에서 $(\partial x/\partial y)_z$는 정의되지 않습니다(발산).
왜 되나? (증명 스케치)
1절의 분해 $dx=\alpha\,dy+\beta\,dz$에서 "$z$ 고정"은 $dz=0$, 곧 $dz$ 성분을 버리는 것입니다. 화살표에서 $dz$ 성분만 버리는 방법이 $dz$ 방향으로 미끄러뜨리는 것입니다: $A-\beta\,dz=\alpha\,dy=B$. 그래서 빛은 고정 변수의 화살표에 평행합니다.
Kim–Nam의 해석으로는 더 글자 그대로입니다. 화살표를 $90^\circ$ 돌린 그림에서는 $dz$ 방향이 "$z$가 일정한 곡선의 방향"이라, $dz$에 평행하게 움직이는 것이 곧 $z$를 고정하고 움직이는 것입니다.
직교 투영은 길이와 각도를 쓰므로 뜻이 없습니다. 그림 전체를 선형변환으로 찌그러뜨리면 직교 투영 값은 바뀌지만, 평행한 직선과 같은 직선 위의 비는 그대로라 그림자 배율은 바뀌지 않습니다(연습 A3).
그림 2. 그림 1의 화살표입니다. $z$-빛(점선)이 A를 $dy$ 직선 위의 B로 보냅니다. 그림자 OB $=0.8\,dy$ (아래의 $dy$는 눈금용으로 옮겨 그린 것). 수선을 내리면 배율 1인 점에 떨어지지만 이 값에는 뜻이 없습니다.
(다) 물체와 스크린은 그대로 두고 빛만 $\parallel dy$(세로)로 바꿉니다. $\mathbf e_x=\alpha\,\hat{\mathbf r}+\beta\,\mathbf e_y$의 첫째 성분이 $1=\alpha\cos\varphi$이므로 $\alpha=1/\cos\varphi$. 답 $1/\cos\varphi$.
(나) 물체 $dr$, 스크린 $dx$ 직선(가로), 빛 $\parallel dy$(세로). 세로로 내리면 $\hat{\mathbf r}$의 가로 성분만 남아 $\cos\varphi$. (다)와 빛이 같으므로 둘은 서로 역수입니다(4절).
그림 3은 $\cos\varphi=0.8$, $\sin\varphi=0.6$인 점입니다. 같은 물체를 같은 스크린에 비추는데 빛만 달라서 그림자가 $0.8$과 $1.25$로 갈립니다. L09 7절 마지막 실수 "고정하는 변수를 적지 않기"가 바로 이 차이입니다.
그림 3. 왼쪽 (가) $\varphi$ 고정: 빛 $\parallel d\varphi$, 그림자 $0.8\,dr$. 오른쪽 (다) $y$ 고정: 빛 $\parallel dy$, 그림자 $1.25\,dr$. 가는 화살표가 $dr=\hat{\mathbf r}$입니다.
빛 $\parallel dy$(세로): 세로 성분을 버리면 가로 성분만 남습니다. 답 $(\partial\varphi/\partial x)_y=-\dfrac{\sin\varphi}{r}$.
빛 $\parallel dr$: $d\varphi=\alpha\,dx+\beta\,dr$로 놓고 성분을 비교합니다.
세로 성분: $\dfrac{\cos\varphi}{r}=\beta\sin\varphi$, 따라서 $\beta=\dfrac{\cos\varphi}{r\sin\varphi}$.
가로 성분: $-\dfrac{\sin\varphi}{r}=\alpha+\beta\cos\varphi$, 따라서 $\alpha=-\dfrac{\sin^2\varphi+\cos^2\varphi}{r\sin\varphi}=-\dfrac{1}{r\sin\varphi}$.
L09의 답과 같습니다. 3절의 넓이 비로 쓰면 한 줄입니다: $\dfrac{d\varphi\wedge dr}{dx\wedge dr}=\dfrac{-1/r}{\sin\varphi}$.
3. 방향 넓이: 그림자 배율 = 넓이 비 = 야코비안
레시피
방향 넓이(oriented area) $p\wedge q=p_1q_2-p_2q_1$. $p,q$가 만드는 평행사변형의 넓이에 부호를 붙인 것입니다($p$에서 $q$로 반시계면 $+$).
성질: $q\wedge p=-p\wedge q$, $p\wedge p=0$, 그리고 각 자리에서 선형입니다.
핵심 공식: $(\partial x/\partial y)_z=\dfrac{dx\wedge dz}{dy\wedge dz}$. 고정 변수 $dz$는 분자와 분모의 같은 자리에 둡니다.
기준 좌표로 쓰면 $dx\wedge dz=\dfrac{\partial(x,z)}{\partial(a,b)}\,da\wedge db$이므로 $(\partial x/\partial y)_z=\dfrac{\partial(x,z)}{\partial(y,z)}$입니다. L09 6절 레시피 2와 같은 식이고, 2차원 크라메르 공식(L04)과 같은 계산입니다.
$dx,dy,dz$를 1-형식으로 보고 쐐기곱을 전개해도(L29 10절) 계수가 같습니다.
그림으로는 "밑변이 같고 같은 평행선 사이에 있는 평행사변형은 넓이가 같다"입니다. 평행사변형 $dx\wedge dz$의 꼭짓점 A를 $z$-빛을 따라 B로 밀면 $(\alpha\,dy)\wedge dz$가 됩니다. 밑변 $dz$와 두 평행선($dz$ 직선과 $z$-빛)이 그대로라 넓이가 같습니다(그림 4). 평면의 넓이는 모두 같은 평면에 있으니 두 넓이의 비는 언제나 정의됩니다.
그림 4. 실선 평행사변형 $dx\wedge dz$와 칠한 평행사변형 $(0.8\,dy)\wedge dz$는 넓이가 둘 다 $0.8$입니다. 꼭짓점을 $z$-빛(점선)을 따라 밀었을 뿐이기 때문입니다. $dy\wedge dz=1$이므로 비는 $0.8$.
이것이 레시피 2입니다. 연쇄 관계는 $\dfrac{dx\wedge dw}{dy\wedge dw}\cdot\dfrac{dy\wedge dw}{dz\wedge dw}$에서 가운데가 약분되는 것입니다.
그림 7. 그림 1의 화살표에 $dw=(-1,\ 1)$을 더했습니다. $w$-빛(점선)으로 비추면 $dx$의 그림자는 $1.5\,dy$입니다. 이것은 성분 $0.8\,dy$(굵은 선 OB)에, 성분 $0.5\,dz$(B→A 화살표)의 $w$-그림자 $0.7\,dy$(굵은 선 BC)를 더한 것입니다.
예제 5-1 그림 7의 수치로 공식 확인
방향 넓이: $dx\wedge dw=1\cdot1-0.5\cdot(-1)=1.5$, $\ dy\wedge dw=1\cdot1-0\cdot(-1)=1$, $\ dz\wedge dw=0.4\cdot1-1\cdot(-1)=1.4$.
넓이 비 $\frac{dx\wedge dw}{dy\wedge dw}$와 $\frac{dz\wedge dw}{dy\wedge dw}$로 읽습니다.
줄 수는 비슷합니다. 차이는 첫 줄에서 "왜 $(T,P)$로 옮기나"를 미리 떠올려야 한다는 점입니다. 선배 도식에서는 "$P$-빛 그림자 = $V$-빛 그림자 + 보정항"이라는 경로가 그림에 보입니다.
솔직한 결론. 편미분 하나를 구하는 속도는 야코비안과 같습니다. 2차원에서 그림자 = 넓이 비 = 크라메르 공식이기 때문입니다(예제 3-2). 선배 도식이 이기는 곳은 세 가지입니다: ① 항등식의 경로 찾기(특히 고정 변수 바꾸기), ② 부호와 $-1$의 이유(닫힌 삼각형, 한 바퀴), ③ 같은 기호인데 고정 변수가 달라 값이 다른 경우를 한눈에 구분(그림 3). 반대로 비 항등식처럼 넓이 넷을 다루는 식은 야코비안 쪽이 더 쉽습니다.
9. 이 표기로 빨라지는 Arfken 계산
아래 레슨 번호·절·문항은 각 레슨 파일을 직접 열어 확인했습니다. Arfken 원문에서의 위치(4.4절 야코비안)는 L09의 기억 기반 표시를 따릅니다.
레슨·절
대상
선배 도식으로 얻는 것
효과
이 레슨
L09 6절
예제 6-1 (가)(나)(다)
같은 물체·같은 스크린, 빛만 달라 $\cos\varphi$와 $1/\cos\varphi$
큼(실수 방지)
예제 2-1, 그림 3
L09 6절
레시피 3(고정 변수 바꾸기), 레시피 4(역수·삼중곱)
"쉬운 값 + 보정항" 공식, $-1$의 이유
큼(경로·부호)
4–5절, 예제 5-2
L09 7절
실수 목록 마지막 항목
역수는 같은 빛일 때만
큼
2절, 연습 C3
L09 8절
연습 D7
같은 물체, 빛 둘
보통
예제 2-2
L09 8절
연습 D8
닫힌 삼각형 → 마이너스 셋
보통(이유를 줌, 속도는 같음)
연습 B6
L09 8절
연습 D9
넓이 비 = 야코비안
없음(같은 계산)
예제 3-2
L00b 2절
예제 2-3 (나), 연습 B5, 9절 실수 둘째 항목
닫힌 삼각형 → $-F_x/F_z$의 마이너스
보통
예제 4-2, 그림 6
L29 10절
레시피 2, 예제 10-2, 연습 G1
$(\partial u/\partial x)_v=(du\wedge dv)/(dx\wedge dv)$로 L09와 연결
보통
예제 3-1, 연습 B5, D3
L15 3절
완전 판정 $M_y=N_x$, 예제 3-1
$dM\wedge dx=dy\wedge dN$ (맥스웰형 구조)
작음(ODE 풀이 속도는 그대로)
연습 D4
L00b 3절
연쇄법칙 트리 그림
트리의 $\partial f/\partial r$는 $\theta$ 고정이라는 확인 정도
작음(트리가 이미 좋은 도구)
—
10. 맛보기: 변수 넷과 sunplane — 순환곱은 $+1$
레시피 (자유도 셋, 변수 넷 $x,y,z,w$)
화살표는 3차원에 그립니다. 편미분 하나가 변수 둘을 고정하므로, 빛 대신 고정된 두 화살표가 펼치는 평면(sunplane)에 평행하게 비춥니다.
넓이 대신 부피(3×3 행렬식)의 비입니다: $(\partial x/\partial y)_{z,w}=\dfrac{\det(dx,dz,dw)}{\det(dy,dz,dw)}$.
순환곱은 $+1$입니다(아래 식). Kim–Nam과 발표 슬라이드 76에 있는 식입니다.
일반화: 변수 $n$개(자유도 $n-1$)이면 순환곱은 $(-1)^n$입니다. 원문은 $n=3,4$만 적었고, $n=5$에서 $-1$인 것은 검산으로만 확인했습니다(추론). "순환곱은 늘 $-1$"로 외우면 틀립니다.
A3. A1의 화살표 모두에 행렬 $M=\begin{pmatrix}1&2\\0&1\end{pmatrix}$을 곱한 그림에서 $(\partial x/\partial y)_z$를 다시 구하세요. $dx$를 $dy$ 직선에 수직으로 내린 계수 $\frac{dx\cdot dy}{dy\cdot dy}$는 변환 전후에 어떻게 되나요?
답$(\partial x/\partial y)_z$는 그대로 $\dfrac52$, 수직 계수는 $3\to5$ — 새 화살표는 $dy=(1,0)$, $dz=(5,2)$, $dx=(5,1)$이고 $\frac{5\cdot2-1\cdot5}{1\cdot2-0\cdot5}=\frac52$. 모든 넓이가 $\det M=1$배라 비가 그대로입니다. 수직 계수는 변환에 따라 바뀌므로 편미분이 아닙니다.
A4. A1의 화살표에 $dw=(0,1)$을 더합니다. $(\partial x/\partial y)_w$를 직접 구하고, 고정 변수 바꾸기 공식으로도 구하세요.
C2. 연쇄 관계 $(\partial x/\partial y)_w(\partial y/\partial z)_w=(\partial x/\partial z)_w$를 넓이 비로 증명하세요.
답$\dfrac{dx\wedge dw}{dy\wedge dw}\cdot\dfrac{dy\wedge dw}{dz\wedge dw}=\dfrac{dx\wedge dw}{dz\wedge dw}$ — 가운데 넓이가 약분됩니다. 그림으로는 같은 $w$-빛으로 두 번 미끄러지는 것이 한 번 미끄러지는 것과 같습니다.
답$(\partial S/\partial P)_T=\frac{dS\wedge dT}{dP\wedge dT}=\frac{dT\wedge dS}{dT\wedge dP}=\frac{dP\wedge dV}{dT\wedge dP}=-\frac{dV\wedge dP}{dT\wedge dP}=-(\partial V/\partial T)_P$ — 마지막에 고정 변수 $dP$를 뒤 자리로 옮기며 $dP\wedge dV=-dV\wedge dP$를 쓸 때 나옵니다.
D3. 넓이 관계 $dx\wedge dy=r\,dr\wedge d\varphi$를 써서 $(\partial y/\partial\varphi)_x=r\,(\partial r/\partial x)_\varphi$임을 보이고 값을 구하세요.
답$1$, $-2$, $-\dfrac32$, $\dfrac13$, 곱 $+1$ — 예를 들어 $(\partial y/\partial z)_{w,x}$는 $dy=\alpha\,dz+\beta\,dw+\gamma\,dx$로 풀어 $dz$의 계수를 읽습니다: 첫째 성분 $\gamma=1$, 둘째 성분 $\alpha+2\gamma=0$이므로 $\alpha=-2$. 부피 비 $\frac{\det(dy,dw,dx)}{\det(dz,dw,dx)}$로 해도 같습니다.
13. 다음
틀린 문제는 풀이를 사진이나 텍스트로 보내 주세요. 어디서 틀렸는지 짚어 드립니다.
Arfken 4.4절(야코비안) 연습문제 중 고정 변수 편미분 문제를 이 그림으로 다시 풀어 보세요(절 번호는 L09의 기억 기반 표시를 따름). L09 8절 D7–D9도 그림 한 장씩 그려 보면 좋습니다.
부록 G는 여기까지입니다. 로드맵으로 돌아가 복습할 레슨을 고르세요. 바로 앞 레슨은 G6 사슬과 고리입니다.