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L08 · 벡터 적분과 적분 정리

Arfken 7판 3.7–3.9절 (선적분, 면적분, 부피적분, 발산정리, 스토크스 정리, 스칼라·벡터 퍼텐셜)

이 레슨이 끝나면 할 수 있는 계산
  1. 곡선을 매개화해서 선적분 $\int\mathbf F\cdot d\mathbf r$ 계산하기
  2. 보존장인지 판정하고 퍼텐셜 $\phi$를 구해서 선적분을 끝점만으로 끝내기
  3. 평면, 원기둥 옆면, 구면 위의 플럭스(면적분) 계산하기
  4. 발산정리로 검증하기, 어려운 면적분을 부피적분으로 바꾸기
  5. $\oint\hat{\mathbf r}/r^2\cdot d\mathbf A$ 를 원점 위치에 따라 바로 쓰기
  6. 평면 그린 정리(넓이 구하기 포함)와 스토크스 정리 쓰기
  7. 균일한 자기장의 벡터 퍼텐셜 $\mathbf A$ 찾기
  8. 발산이나 curl이 주어진 대칭적인 장을 가우스 법칙 꼴·스토크스 정리로 구하고, 푸아송 방정식의 해를 적분으로 쓰기(헬름홀츠 정리)
  9. 3차원 그린 항등식으로 부피적분과 면적분을 바꾸기
이 레슨의 관례

0. 외워 둘 공식

적분과 정리

이름공식
선적분$\displaystyle\int_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\int_a^b\mathbf F(\mathbf r(t))\cdot\mathbf r'(t)\,dt$
기울기 정리$\displaystyle\int_C\nabla\phi\cdot d\mathbf r=\phi(\text{끝점})-\phi(\text{시작점})$
면적분(플럭스)$\displaystyle\int_S\mathbf F\cdot d\mathbf A=\iint\mathbf F(\mathbf r(u,v))\cdot(\mathbf r_u\times\mathbf r_v)\,du\,dv$
발산정리$\displaystyle\oint_S\mathbf F\cdot d\mathbf A=\int_V\nabla\cdot\mathbf F\,dV$
스토크스 정리$\displaystyle\oint_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\int_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot d\mathbf A$
그린 정리$\displaystyle\oint_C(P\,dx+Q\,dy)=\iint_R\Big(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\Big)dx\,dy$
넓이$\displaystyle\text{넓이}=\frac12\oint_C(x\,dy-y\,dx)$
가우스 법칙 꼴$\displaystyle\oint_S\frac{\hat{\mathbf r}}{r^2}\cdot d\mathbf A=4\pi$ (원점이 안에), $0$ (원점이 밖에)
푸아송 방정식$\nabla^2\dfrac1r=-4\pi\delta^3(\mathbf r)$, $\ \nabla^2\phi=s\ \Rightarrow\ \phi=-\dfrac1{4\pi}\displaystyle\int\frac{s(\mathbf r')}{|\mathbf r-\mathbf r'|}dV'$
그린 항등식$\displaystyle\int_V(u\nabla^2v-v\nabla^2u)\,dV=\oint_S(u\,\partial_nv-v\,\partial_nu)\,dA$

자주 쓰는 면적 요소와 부피 요소

모두 $d\mathbf A=(\mathbf r_u\times\mathbf r_v)\,du\,dv$ 를 계산한 결과입니다.

면 (법선 방향)매개화와 $d\mathbf A$
평면 $z=c$ (위쪽)$\mathbf r=(x,\,y,\,c)$
$d\mathbf A=\hat{\mathbf z}\,dx\,dy$
그래프 $z=g(x,y)$ (위쪽)$\mathbf r=(x,\,y,\,g)$
$d\mathbf A=(-g_x,\,-g_y,\,1)\,dx\,dy$
원기둥 옆면 $\rho=a$ (바깥)$\mathbf r=(a\cos\varphi,\,a\sin\varphi,\,z)$
$d\mathbf A=\hat{\boldsymbol\rho}\,a\,d\varphi\,dz$
구면 $r=a$ (바깥)$\mathbf r=a\,\hat{\mathbf r}$
$d\mathbf A=\hat{\mathbf r}\,a^2\sin\theta\,d\theta\,d\varphi$

여기서 $\hat{\boldsymbol\rho}=(\cos\varphi,\ \sin\varphi,\ 0)$, $\hat{\mathbf r}=(\sin\theta\cos\varphi,\ \sin\theta\sin\varphi,\ \cos\theta)$ 입니다.

부피 요소: $dV=dx\,dy\,dz=\rho\,d\rho\,d\varphi\,dz=r^2\sin\theta\,dr\,d\theta\,d\varphi$.

자주 나오는 적분: $\int_0^{2\pi}\cos^2\varphi\,d\varphi=\int_0^{2\pi}\sin^2\varphi\,d\varphi=\pi$, $\int_0^{2\pi}\cos^4\varphi\,d\varphi=\frac{3\pi}4$, $\int_0^\pi\sin\theta\,d\theta=2$, $\int_0^\pi\cos^2\theta\sin\theta\,d\theta=\frac23$, $\int_0^\pi\sin^3\theta\,d\theta=\frac43$.

1. 선적분

레시피
  1. 곡선을 $\mathbf r(t)$, $a\le t\le b$ 로 매개화합니다. $t$가 커지는 방향이 곡선의 방향과 같아야 합니다. 반대로 가면 부호가 바뀝니다.
    • 선분 $P\to Q$: $\mathbf r(t)=P+t(Q-P)$, $0\le t\le1$
    • 반지름 $a$인 원(반시계): $\mathbf r(t)=(a\cos t,\,a\sin t)$, $0\le t\le2\pi$
    • 그래프 $y=g(x)$: $\mathbf r(t)=(t,\,g(t))$
  2. $\mathbf r'(t)$를 구합니다.
  3. $\mathbf F$에 $x(t),y(t),z(t)$를 넣고 $\mathbf r'(t)$와 내적합니다.
  4. $t$로 적분합니다. 꺾인 경로는 조각마다 따로 계산해서 더합니다.
예제 1-1 $\mathbf F=(x^2,\ xy,\ 0)$ 를 $(0,0)$에서 $(1,1)$까지 세 경로로

$\mathbf F\cdot d\mathbf r=x^2\,dx+xy\,dy$ 입니다.

(가) 직선 $\mathbf r=(t,t)$: $dx=dy=dt$. $\displaystyle\int_0^1(t^2+t^2)\,dt=\frac23$.

(나) 포물선 $\mathbf r=(t,t^2)$: $dx=dt$, $dy=2t\,dt$.

$$\begin{aligned}&\int_0^1\big(t^2+t\cdot t^2\cdot2t\big)\,dt\\&=\int_0^1(t^2+2t^4)\,dt=\frac13+\frac25=\frac{11}{15}.\end{aligned}$$

(다) 꺾인 경로 $(0,0)\to(1,0)\to(1,1)$: 첫 조각은 $y=0$, $dy=0$ 이라 $\int_0^1x^2\,dx=\frac13$. 둘째 조각은 $x=1$, $dx=0$ 이라 $\int_0^1y\,dy=\frac12$. 합은 $\frac56$.

세 값이 모두 다릅니다. 이 $\mathbf F$의 선적분은 경로에 따라 달라집니다. 실제로 $\nabla\times\mathbf F=(0,0,\ \partial_x(xy)-\partial_y(x^2))=(0,0,y)\ne0$ 입니다.

2. 보존장과 퍼텐셜 구하기

레시피
  1. 판정: 구멍이 없는 영역(단순연결)에서 $\nabla\times\mathbf F=0$ 이면 보존장입니다. 그러면 $\mathbf F=\nabla\phi$ 인 $\phi$가 있고, 선적분은 경로와 무관하며, 닫힌 경로의 적분은 0입니다.
  2. $\phi$를 차례로 적분해서 구하기:
    1. $\phi=\int F_x\,dx+g(y,z)$. 이때 $y,z$는 상수로 봅니다. 적분 상수 자리에 $g(y,z)$를 둡니다.
    2. $\partial\phi/\partial y$를 계산해 $F_y$와 비교합니다. 남는 부분을 $y$로 적분해 $g=\cdots+h(z)$ 를 정합니다.
    3. $\partial\phi/\partial z$를 $F_z$와 비교해 $h(z)$를 정합니다.
    4. 검산: $\nabla\phi=\mathbf F$ 인지 확인합니다.
  3. 선적분 $=\phi(\text{끝점})-\phi(\text{시작점})$.
왜 되나? (증명 스케치)

(가) 퍼텐셜이 있으면 경로 무관: $\mathbf F=\nabla\phi$ 이면 곡선 위에서 $\mathbf F\cdot\mathbf r'(t)=\dfrac{d}{dt}\phi(\mathbf r(t))$ (연쇄법칙, L07 4절). 적분하면 $\phi(\text{끝})-\phi(\text{시작})$ 이고, 경로가 들어갈 자리가 없습니다.

(나) 경로 무관이면 퍼텐셜이 있음: 기준점 $\mathbf r_0$ 에서 $\phi(\mathbf r)=\int_{\mathbf r_0}^{\mathbf r}\mathbf F\cdot d\mathbf r$ 로 정의합니다. 끝점을 $x$ 방향으로 $\Delta x$ 옮기면 늘어난 조각은 $F_x\Delta x$ 이므로 $\partial_x\phi=F_x$. 레시피 2의 "차례로 적분"은 이 경로를 축에 나란한 선분으로 잡은 것과 같습니다.

(다) curl 0이면 닫힌 경로 0: 닫힌 경로가 어떤 면 $S$의 경계이면 스토크스 정리(7절)로 $\oint\mathbf F\cdot d\mathbf r=\int_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot d\mathbf A=0$. 닫힌 경로가 0이면 두 경로의 차가 0이라 경로 무관입니다.

구멍이 문제인 이유: $\hat{\boldsymbol\varphi}/\rho=(-y,x,0)/(x^2+y^2)$ 는 $z$축 밖에서 curl이 0입니다. 그런데 $z$축을 감는 원은 $z$축을 피하는 면의 경계가 될 수 없어서 (다)를 쓸 수 없습니다. 실제로 이 장은 방위각의 기울기 $\nabla\varphi$ 인데, $\varphi$는 한 바퀴 돌면 $2\pi$ 늘어나는 값이 여러 개인 함수라서 $\oint=2\pi$ 입니다(연습문제 B4).

예제 2-1 $\mathbf F=(2xy+z,\ x^2-3z^2,\ x-6yz)$ 의 판정, 퍼텐셜, $(0,0,0)\to(1,2,1)$ 선적분

판정: 세 성분을 계산합니다.

$$\begin{aligned}(\nabla\times\mathbf F)_x&=\partial_y(x-6yz)-\partial_z(x^2-3z^2)\\&=-6z+6z=0,\\(\nabla\times\mathbf F)_y&=\partial_z(2xy+z)-\partial_x(x-6yz)\\&=1-1=0,\\(\nabla\times\mathbf F)_z&=\partial_x(x^2-3z^2)-\partial_y(2xy+z)\\&=2x-2x=0.\end{aligned}$$

보존장입니다. 퍼텐셜을 차례로 구합니다.

  1. $\phi=\int(2xy+z)\,dx=x^2y+xz+g(y,z)$.
  2. $\partial_y\phi=x^2+g_y$ 를 $x^2-3z^2$ 과 비교하면 $g_y=-3z^2$, 따라서 $g=-3yz^2+h(z)$.
  3. $\partial_z\phi=x-6yz+h'(z)$ 를 $x-6yz$ 와 비교하면 $h'=0$.
$$\phi=x^2y+xz-3yz^2.$$

선적분: $\phi(1,2,1)-\phi(0,0,0)=2+1-6=-3$.

직선 $\mathbf r=(t,2t,t)$로 직접 확인합니다. $\mathbf F=(4t^2+t,\ -2t^2,\ t-12t^2)$, $\mathbf r'=(1,2,1)$ 이므로 $\mathbf F\cdot\mathbf r'=2t-12t^2$, $\int_0^1(2t-12t^2)\,dt=1-4=-3$. 같습니다.

3. 면적분 (플럭스)

레시피
  1. 면을 $\mathbf r(u,v)$로 매개화하고 $u,v$의 범위를 정합니다.
  2. $\mathbf r_u=\partial\mathbf r/\partial u$, $\mathbf r_v=\partial\mathbf r/\partial v$ 를 구합니다.
  3. $\mathbf N=\mathbf r_u\times\mathbf r_v$ 를 계산합니다. 한 점에서 원하는 방향(닫힌곡면이면 바깥)과 같은지 확인합니다. 반대면 $-\mathbf N$을 씁니다.
  4. $\mathbf F$에 매개화를 넣고 $\mathbf F\cdot\mathbf N$을 $u,v$로 적분합니다.
  5. 원기둥 옆면이나 구면은 0절 표의 $d\mathbf A$를 바로 씁니다. 면 위에서는 면의 방정식(예: $r=a$)을 먼저 대입합니다.
왜 되나? (증명 스케치)

$(u,v)$ 평면의 작은 직사각형 $du\times dv$ 는 곡면 위의 작은 (거의) 평행사변형으로 갑니다. 두 변은 $\mathbf r(u+du,v)-\mathbf r(u,v)\approx\mathbf r_u\,du$ 와 $\mathbf r_v\,dv$ 입니다.

평행사변형의 넓이는 두 변의 외적의 크기이고, 외적의 방향은 면에 수직입니다(L07 1절). 그래서 $d\mathbf A=(\mathbf r_u\times\mathbf r_v)\,du\,dv$. $u,v$ 순서를 바꾸면 외적의 부호가 바뀌므로, 레시피 3처럼 방향을 꼭 확인해야 합니다.

예: 구면에서 $\mathbf r_\theta$ 는 경선 방향으로 길이 $a$, $\mathbf r_\varphi$ 는 위도선(반지름 $a\sin\theta$) 방향으로 길이 $a\sin\theta$ 이고 둘이 수직입니다. 그래서 $dA=a^2\sin\theta\,d\theta\,d\varphi$.

예제 3-1 (평면) 평면 $x+y+z=1$ 의 제1팔분면 부분, 위쪽 법선, $\mathbf F=(x,\ 0,\ z)$

매개화: $\mathbf r(x,y)=(x,\ y,\ 1-x-y)$, 영역 $T$: $x\ge0$, $y\ge0$, $x+y\le1$.

$$\begin{aligned}\mathbf r_x&=(1,0,-1),\quad \mathbf r_y=(0,1,-1),\\\mathbf r_x\times\mathbf r_y&=(1,1,1).\end{aligned}$$

$z$성분이 양수이므로 위쪽이 맞습니다. 면 위에서 $\mathbf F=(x,0,1-x-y)$ 이므로

$$\begin{aligned}\mathbf F\cdot\mathbf N&=x+0+(1-x-y)=1-y,\\\text{플럭스}&=\int_0^1\!\!\int_0^{1-y}(1-y)\,dx\,dy\\&=\int_0^1(1-y)^2\,dy=\frac13.\end{aligned}$$

(4절의 발산정리로도 확인됩니다. $\nabla\cdot\mathbf F=2$, 사면체 부피 $\frac16$, 좌표평면 세 면에서는 $\mathbf F\cdot\hat{\mathbf n}=0$.)

예제 3-2 (원기둥 옆면과 구면)

(가) 원기둥 옆면 $\rho=a$, $0\le z\le h$, 바깥 법선, $\mathbf F=(xz,\ yz,\ 0)$.

$$\begin{aligned}\mathbf r&=(a\cos\varphi,\,a\sin\varphi,\,z),\\\mathbf r_\varphi\times\mathbf r_z&=(-a\sin\varphi,\,a\cos\varphi,\,0)\times(0,0,1)\\&=(a\cos\varphi,\,a\sin\varphi,\,0).\end{aligned}$$

바깥 방향이 맞습니다. 면 위에서 $\mathbf F=(az\cos\varphi,\ az\sin\varphi,\ 0)$ 이므로 $\mathbf F\cdot\mathbf N=a^2z(\cos^2\varphi+\sin^2\varphi)=a^2z$.

$$\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^h a^2z\,dz\,d\varphi=2\pi a^2\cdot\frac{h^2}2=\pi a^2h^2.$$

(나) 구면 $r=a$, 바깥 법선, $\mathbf F=z\,\hat{\mathbf z}$.

$$\begin{aligned}\mathbf r_\theta\times\mathbf r_\varphi&=a^2\sin\theta\,(\sin\theta\cos\varphi,\ \sin\theta\sin\varphi,\ \cos\theta)\\&=a^2\sin\theta\,\hat{\mathbf r}.\end{aligned}$$

면 위에서 $z=a\cos\theta$, $\hat{\mathbf z}\cdot\hat{\mathbf r}=\cos\theta$ 이므로 $\mathbf F\cdot\mathbf N=a\cos\theta\cdot\cos\theta\cdot a^2\sin\theta$.

$$\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^\pi a^3\cos^2\theta\sin\theta\,d\theta\,d\varphi=a^3\cdot\frac23\cdot2\pi=\frac{4\pi a^3}3.$$

$\nabla\cdot\mathbf F=1$ 이므로 공의 부피와 같아야 합니다. 맞습니다.

4. 부피적분과 발산정리

레시피
  1. 부피적분: 영역 모양에 맞는 좌표를 고릅니다. 상자는 $dx\,dy\,dz$, 원기둥은 $\rho\,d\rho\,d\varphi\,dz$, 공은 $r^2\sin\theta\,dr\,d\theta\,d\varphi$. 적분 범위는 안쪽 변수부터 정합니다.
  2. 발산정리: $\oint_S\mathbf F\cdot d\mathbf A=\int_V\nabla\cdot\mathbf F\,dV$. $S$는 $V$를 감싸는 닫힌 곡면이고 법선은 바깥쪽입니다.
  3. 검증할 때: 면을 조각(윗면, 아랫면, 옆면 등)으로 나누고, 조각마다 바깥 법선으로 플럭스를 구해 더합니다.
  4. 이용할 때: 면적분이 어려우면 $\nabla\cdot\mathbf F$를 구해서 부피적분으로 바꿉니다. 복잡한 항이 발산에서 사라지는 경우가 많습니다.
  5. 열린 곡면(예: 바닥 없는 반구 껍질)은 뚜껑을 덮어 닫은 뒤, 뚜껑의 플럭스를 뺍니다.
왜 되나? (증명 스케치)

작은 상자 $[x,x+\Delta x]\times[y,y+\Delta y]\times[z,z+\Delta z]$ 를 봅니다. 면 $x+\Delta x$ (바깥 법선 $+\hat{\mathbf x}$)와 면 $x$ (바깥 법선 $-\hat{\mathbf x}$)에서 나가는 플럭스의 합은

$$\begin{aligned}&\big[F_x(x+\Delta x)-F_x(x)\big]\Delta y\,\Delta z\\&\approx\partial_xF_x\,\Delta x\,\Delta y\,\Delta z.\end{aligned}$$

$y$, $z$ 방향의 면도 같으므로 상자 하나의 플럭스는 $(\nabla\cdot\mathbf F)\,\Delta V$ 입니다. 즉 발산은 "단위 부피당 나가는 플럭스"입니다.

큰 영역을 작은 상자로 채우고 모두 더하면, 이웃한 두 상자가 공유하는 면에서는 법선이 서로 반대라 한쪽이 내보낸 만큼 다른 쪽이 받아 상쇄됩니다. 바깥 경계면만 남으므로 $\oint_S\mathbf F\cdot d\mathbf A=\int_V\nabla\cdot\mathbf F\,dV$. (굽은 경계를 상자로 근사하는 부분은 엄밀하게는 극한 논증이 필요하지만 생략합니다.)

예제 4-1 (검증) 원기둥 $\rho\le a$, $0\le z\le h$, $\mathbf F=(x,\ y,\ z^2)$

부피 쪽: $\nabla\cdot\mathbf F=1+1+2z=2+2z$.

$$\begin{aligned}&\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^a\!\!\int_0^h(2+2z)\,dz\,\rho\,d\rho\,d\varphi\\&=2\pi\cdot\frac{a^2}2\cdot(2h+h^2)=2\pi a^2h+\pi a^2h^2.\end{aligned}$$

면 쪽: 세 조각으로 나눕니다.

합 $2\pi a^2h+\pi a^2h^2$. 양변이 같습니다.

예제 4-2 (어려운 면적분 → 쉬운 부피적분) 구면 $r=a$ (바깥), $\mathbf F=\big(x^3+\sin(yz),\ y^3+e^{xz},\ z^3+x^2y\big)$

면적분을 직접 하려면 $\sin(yz)$, $e^{xz}$ 를 구면 위에서 적분해야 합니다. 대신 발산을 봅니다.

$$\begin{aligned}\nabla\cdot\mathbf F&=3x^2+\partial_x\sin(yz)+3y^2+\partial_ye^{xz}\\&\quad+3z^2+\partial_z(x^2y)\\&=3(x^2+y^2+z^2)=3r^2.\end{aligned}$$

복잡한 항은 미분하는 변수가 들어 있지 않아서 모두 0이 됩니다. 구면좌표로 부피적분합니다.

$$\begin{aligned}&\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^\pi\!\!\int_0^a3r^2\cdot r^2\sin\theta\,dr\,d\theta\,d\varphi\\&=3\cdot\frac{a^5}{5}\cdot2\cdot2\pi=\frac{12\pi a^5}{5}.\end{aligned}$$

5. 가우스 법칙 꼴: $\oint\hat{\mathbf r}/r^2\cdot d\mathbf A$

레시피 ($\mathbf E=\hat{\mathbf r}/r^2$)
  1. L07에서 $\nabla\cdot\mathbf E=0$ ($r\ne0$) 입니다. 원점에서는 정의되지 않습니다.
  2. 원점 중심 구면 $r=a$: $\mathbf E\cdot d\mathbf A=\dfrac1{a^2}\cdot a^2\sin\theta\,d\theta\,d\varphi$. 적분하면 $4\pi$ 이고, $a$와 무관합니다.
  3. 원점이 밖에 있는 닫힌곡면: 안쪽 전체에서 $\nabla\cdot\mathbf E=0$ 이므로 발산정리로 바로 $0$.
  4. 원점이 안에 있는 닫힌곡면: 원점 둘레에 작은 구를 파냅니다. 그 사이 영역에서는 발산이 0이므로, 바깥 면의 플럭스는 작은 구의 플럭스 $4\pi$와 같습니다.
  5. 대칭이 있으면 $4\pi$를 나눠 씁니다. 예: 원점 중심 정육면체의 한 면은 $4\pi/6$.
  6. 물리 표현: $\nabla\cdot(\hat{\mathbf r}/r^2)=4\pi\delta^3(\mathbf r)$ (L03의 디랙 델타).

그림 표기로 보기: G2 6절 — ∂i(nj/r²)의 원점 δ항 (4π/3)δij와 쌍극자장의 −⅓p, +⅔m δ항

왜 되나? (증명 스케치)

원점에서 거리 $r$ 인 작은 면 조각 $dA$ 의 법선이 $\hat{\mathbf r}$ 과 각 $\alpha$ 를 이루면 $\dfrac{\hat{\mathbf r}\cdot d\mathbf A}{r^2}=\dfrac{dA\cos\alpha}{r^2}$. 이것은 그 조각을 원점에서 본 입체각(solid angle) $d\Omega$ 입니다. 원점 중심 단위구면에 비친 그림자의 넓이라고 생각하면 됩니다($dA\cos\alpha$ 는 시선에 수직인 넓이, $1/r^2$ 은 거리에 따른 축소).

원점이 안에 있으면 원점에서 나가는 모든 시선이 면을 (알짜로) 한 번 뚫고 나가므로, 합은 단위구면 전체 넓이 $4\pi$ 입니다. 원점이 밖에 있으면 시선 하나가 면에 들어갔다가 나오므로 $-d\Omega$ 와 $+d\Omega$ 가 상쇄되어 0입니다.

그래서 $\nabla\cdot(\hat{\mathbf r}/r^2)$ 는 원점 밖에서 0인데, 원점을 감싸면 적분이 $4\pi$ 입니다. 원점에 모든 원천이 몰려 있는 $4\pi\delta^3(\mathbf r)$ 라는 뜻입니다(9절에서 씀).

예제 5-1 정육면체 $[-1,1]^3$ 과 $[1,2]\times[-1,1]\times[-1,1]$

(가) $[-1,1]^3$은 원점을 포함합니다. 전체 플럭스 $=4\pi$.

(나) 여섯 면은 서로 대칭이므로 면 $x=1$ 하나의 플럭스는 $\dfrac{4\pi}6=\dfrac{2\pi}3$ 입니다. 그 면에서 $\mathbf E\cdot\hat{\mathbf x}=x/r^3=(1+y^2+z^2)^{-3/2}$ 이므로

$$\int_{-1}^1\!\!\int_{-1}^1\frac{dy\,dz}{(1+y^2+z^2)^{3/2}}=\frac{2\pi}3.$$

이 적분을 직접 하는 것보다 대칭으로 얻는 것이 훨씬 빠릅니다.

(다) $[1,2]\times[-1,1]\times[-1,1]$ 은 원점을 포함하지 않습니다. 전체 플럭스 $=0$. 원점 쪽 면 $x=1$으로 들어온 만큼 나머지 다섯 면으로 나갑니다.

6. 평면 그린 정리와 넓이

레시피
  1. $\oint_C(P\,dx+Q\,dy)=\iint_R(\partial_xQ-\partial_yP)\,dx\,dy$, $C$는 반시계. 피적분 함수 $\partial_xQ-\partial_yP$ 는 $\mathbf F=(P,Q,0)$ 의 curl의 $z$성분입니다. 7절의 스토크스 정리는 이것을 굽은 면으로 넓힌 것입니다.
  2. 넓이: $P=-\frac y2$, $Q=\frac x2$ 로 두면 $\partial_xQ-\partial_yP=1$ 이므로 넓이 $=\dfrac12\oint(x\,dy-y\,dx)$.
  3. 경계를 $x(t),y(t)$로 매개화해서 $\dfrac12\displaystyle\int(x\,y'-y\,x')\,dt$ 를 계산합니다.
  4. 다각형은 변마다 선분으로 매개화해서 더합니다. 원점을 지나는 직선 위의 변에서는 $x\,dy-y\,dx=0$ 입니다.

그림 표기로 보기: G2 7절 — 스토크스·발산·기울기 정리를 "풍선 뒤집기" 하나로, 넓이 공식의 3차원판 ∫d²a = ½∮r×dl

왜 되나? (증명 스케치)

작은 직사각형 $[x,x+\Delta x]\times[y,y+\Delta y]$ 를 반시계로 돕니다. 아래 변(오른쪽으로)과 위 변(왼쪽으로)의 $P\,dx$ 를 더하면

$$\big[P(x,y)-P(x,y+\Delta y)\big]\Delta x\approx-\partial_yP\,\Delta x\,\Delta y.$$

오른쪽 변(위로)과 왼쪽 변(아래로)의 $Q\,dy$ 는 $\big[Q(x+\Delta x,y)-Q(x,y)\big]\Delta y\approx\partial_xQ\,\Delta x\,\Delta y$. 합하면 칸 하나의 순환이 $(\partial_xQ-\partial_yP)\,\Delta A$ 입니다.

영역을 작은 칸으로 채워 더하면, 이웃한 두 칸이 공유하는 변은 서로 반대 방향으로 한 번씩 지나가서 상쇄됩니다. 바깥 경계만 남으므로 그린 정리가 됩니다(4절 발산정리의 "안쪽 면 상쇄"와 같은 논법).

넓이 공식은 $\partial_xQ-\partial_yP=1$ 인 아무 $P,Q$ 나 쓰면 됩니다. $(0,\,x)$ 나 $(-y,\,0)$ 도 되지만, $(-\frac y2,\,\frac x2)$ 가 대칭이라 계산이 편합니다.

예제 6-1 타원 $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=1$ 의 넓이

$x=a\cos t$, $y=b\sin t$, $0\le t\le2\pi$ (반시계).

$$x\,y'-y\,x'=a\cos t\cdot b\cos t-b\sin t\cdot(-a\sin t)=ab.$$ $$\text{넓이}=\frac12\int_0^{2\pi}ab\,dt=\pi ab.$$

7. 스토크스 정리

레시피
  1. $\oint_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\int_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot d\mathbf A$. $C$는 열린 곡면 $S$의 경계입니다.
  2. 방향을 맞춥니다. $xy$평면의 원판이면 반시계 방향 경계 ↔ $+\hat{\mathbf z}$ 법선입니다.
  3. 검증: 양변을 따로 계산합니다.
  4. 이용: (가) 선적분이 어려우면 curl을 구해서 면적분으로 바꿉니다. (나) $\int_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot d\mathbf A$ 가 어려우면, 같은 경계를 가진 더 쉬운 면(대개 평평한 원판)으로 바꾸거나 경계 선적분으로 바꿉니다.
왜 되나? (증명 스케치)

곡면 $S$ 를 작은 (거의 평평한) 조각으로 나눕니다. 조각 하나를 그 평면의 좌표로 보면 6절의 그린 정리가 그대로 성립해서, 조각 둘레의 순환은 $(\nabla\times\mathbf F)\cdot\hat{\mathbf n}\,\Delta A$ 입니다. 예를 들어 $\hat{\mathbf n}=\hat{\mathbf z}$ 인 조각이면 $(\nabla\times\mathbf F)_z=\partial_xF_y-\partial_yF_x$ 가 바로 그린 정리의 피적분 함수입니다. 즉 curl의 한 성분은 "그 방향에 수직인 작은 고리의 순환 ÷ 넓이"입니다.

모든 조각의 순환을 더하면 안쪽 변은 이웃 조각과 반대 방향으로 두 번 지나가서 상쇄되고, 바깥 경계 $C$만 남습니다. 그래서 $\oint_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=\int_S(\nabla\times\mathbf F)\cdot d\mathbf A$.

결과가 경계에만 의존하므로 같은 경계를 가진 면이면 어떤 것이든 같은 값입니다(레시피 4(나)). 두 면을 이어 붙인 닫힌 면에 발산정리를 쓰면 $\int\nabla\cdot(\nabla\times\mathbf F)\,dV=0$ 이 되는 것과 같은 말입니다.

예제 7-1 $\mathbf F=(-y^3,\ x^3,\ z\,e^{xy})$, 경계 $C$: $xy$평면의 원 $x^2+y^2=a^2$ (위에서 볼 때 반시계)

선적분: $\mathbf r=(a\cos t,\ a\sin t,\ 0)$, $\mathbf r'=(-a\sin t,\ a\cos t,\ 0)$.

$$\begin{aligned}\mathbf F\cdot\mathbf r'&=(-a^3\sin^3t)(-a\sin t)+(a^3\cos^3t)(a\cos t)\\&=a^4(\sin^4t+\cos^4t).\end{aligned}$$ $$\oint_C\mathbf F\cdot d\mathbf r=a^4\Big(\frac{3\pi}4+\frac{3\pi}4\Big)=\frac{3\pi a^4}2.$$

($\sin^4t=\frac{3-4\cos2t+\cos4t}{8}$ 이라서 한 주기 적분은 $\frac{3}{8}\cdot2\pi$.)

curl:

$$\nabla\times\mathbf F=\big(xz\,e^{xy},\ -yz\,e^{xy},\ 3x^2+3y^2\big).$$

원판 $S_1$ ($z=0$, $\hat{\mathbf n}=\hat{\mathbf z}$): $z$성분만 필요합니다.

$$\begin{aligned}\int_{S_1}(\nabla\times\mathbf F)\cdot d\mathbf A&=\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^a3\rho^2\,\rho\,d\rho\,d\varphi\\&=3\cdot\frac{a^4}4\cdot2\pi=\frac{3\pi a^4}2.\end{aligned}$$

검증 끝. 이제 이용: 위쪽 반구면 $S_2$ ($r=a$, $z\ge0$, 바깥 법선)의 $\int_{S_2}(\nabla\times\mathbf F)\cdot d\mathbf A$ 는 직접 하면 $e^{xy}$ 항 때문에 어렵습니다. 그러나 경계가 같은 $C$이고 방향도 맞으므로, 계산 없이 $\dfrac{3\pi a^4}{2}$ 입니다.

8. 간단한 벡터 퍼텐셜

레시피 ($\nabla\times\mathbf A=\mathbf B$ 인 $\mathbf A$ 찾기)
  1. 먼저 $\nabla\cdot\mathbf B=0$ 인지 확인합니다. 0이 아니면 $\mathbf A$는 없습니다($\nabla\cdot\nabla\times\mathbf A=0$).
  2. 균일한 $\mathbf B$: $\mathbf A=\frac12\,\mathbf B\times\mathbf r$. L07의 $\nabla\times(\mathbf a\times\mathbf r)=2\mathbf a$ 로 바로 확인됩니다.
  3. $\mathbf B=B_0\hat{\mathbf z}$ 이면 $\mathbf A=\frac{B_0}2(-y,\,x,\,0)$. 다른 답으로 $(0,\,B_0x,\,0)$, $(-B_0y,\,0,\,0)$ 도 있습니다.
  4. $\mathbf A$는 하나로 정해지지 않습니다. $\mathbf A+\nabla\chi$ 도 같은 $\mathbf B$를 줍니다($\nabla\times\nabla\chi=0$). 이것을 게이지(gauge) 자유라고 합니다.
  5. 균일하지 않은 간단한 경우: 성분 하나만 있는 $\mathbf A$를 가정하고 적분합니다. 예: $\mathbf B=(0,0,b(x))$ 이면 $\mathbf A=\big(0,\ \int b\,dx,\ 0\big)$.
  6. 검산: $\nabla\times\mathbf A$를 직접 계산합니다.
예제 8-1 $\mathbf B=B_0\hat{\mathbf z}$ 의 벡터 퍼텐셜

$\hat{\mathbf z}\times\mathbf r=(0\cdot z-1\cdot y,\ 1\cdot x-0\cdot z,\ 0)=(-y,x,0)$ 이므로

$$\begin{aligned}\mathbf A_1&=\frac12\mathbf B\times\mathbf r=\frac{B_0}2(-y,\ x,\ 0),\\(\nabla\times\mathbf A_1)_z&=\partial_x\Big(\frac{B_0x}2\Big)-\partial_y\Big(-\frac{B_0y}2\Big)=B_0.\end{aligned}$$

나머지 성분은 0이므로 $\nabla\times\mathbf A_1=B_0\hat{\mathbf z}$. 또 $\mathbf A_2=(0,\ B_0x,\ 0)$ 도 $(\nabla\times\mathbf A_2)_z=B_0$ 입니다. 둘의 차이는

$$\mathbf A_2-\mathbf A_1=\Big(\frac{B_0y}2,\ \frac{B_0x}2,\ 0\Big)=\nabla\Big(\frac{B_0xy}2\Big).$$

스토크스 정리로 확인: 반지름 $R$인 원(반시계)에서 $\mathbf A_1\cdot\mathbf r'=\frac{B_0}2(R^2\sin^2t+R^2\cos^2t)=\frac{B_0R^2}2$, 따라서 $\oint\mathbf A_1\cdot d\mathbf r=\pi R^2B_0$. 원판을 지나는 $\mathbf B$의 플럭스와 같습니다.

9. 푸아송 방정식과 헬름홀츠 정리

레시피 (이 레슨의 부호 $\mathbf F=\nabla\phi$ 를 그대로 씁니다)
  1. 원천이 주어진 보존장: $\nabla\cdot\mathbf F=s$, $\nabla\times\mathbf F=0$ 이면 $\mathbf F=\nabla\phi$ 이고 $\phi$는 푸아송 방정식(Poisson's equation) $\nabla^2\phi=s$ 를 만족합니다. 원천이 없는 곳에서는 라플라스 방정식 $\nabla^2\phi=0$ 입니다.
  2. 핵심 사실: $\nabla^2\dfrac1r=-4\pi\delta^3(\mathbf r)$ (5절의 $4\pi$). 그래서 무한대에서 0이 되는 해는 $$\phi(\mathbf r)=-\frac1{4\pi}\int\frac{s(\mathbf r')}{|\mathbf r-\mathbf r'|}\,dV'.$$
  3. 구대칭이면 적분 대신 가우스 법칙 꼴: 반지름 $r$ 구면에 발산정리를 쓰면 $F_r(r)\cdot4\pi r^2=\displaystyle\int_0^rs(r')\,4\pi r'^2\,dr'$ (구면 안의 원천 총량). $F_r$ 을 구한 뒤 $\phi(r)=-\displaystyle\int_r^\infty F_r\,dr'$ 로 적분하고, 경계 $r=a$ 에서 $\phi$가 이어지게 상수를 맞춥니다.
  4. curl이 주어진 장: $\nabla\times\mathbf F=\mathbf J$, $\nabla\cdot\mathbf F=0$ 이고 $z$축 대칭이면 $\mathbf F=F_\varphi(\rho)\hat{\boldsymbol\varphi}$ 로 두고, 반지름 $\rho$ 원에 스토크스 정리를 씁니다: $F_\varphi\cdot2\pi\rho=$ 원판을 지나는 $\mathbf J$의 플럭스.
  5. 헬름홀츠 정리(Helmholtz theorem): 무한대에서 충분히 빨리 0이 되는 장은 발산과 curl로 하나로 정해지고, $\mathbf F=\nabla\phi+\nabla\times\mathbf A$ 로 나뉩니다. $$\begin{aligned}\phi&=-\frac1{4\pi}\int\frac{\nabla'\cdot\mathbf F(\mathbf r')}{|\mathbf r-\mathbf r'|}\,dV',\\\mathbf A&=\frac1{4\pi}\int\frac{\nabla'\times\mathbf F(\mathbf r')}{|\mathbf r-\mathbf r'|}\,dV'.\end{aligned}$$ 즉 "발산 → 스칼라 퍼텐셜, curl → 벡터 퍼텐셜"로 나누어 따로 풉니다.
  6. 관례: 물리 책의 $\mathbf E=-\nabla V$, $\nabla^2V=-\rho/\varepsilon_0$ 은 이 레슨의 $\phi=-V$, $s=\rho/\varepsilon_0$ 입니다. Arfken의 헬름홀츠 정리도 $-\nabla\varphi+\nabla\times\mathbf A$ 꼴로 기억합니다(기억 기반, 미검증). 부호만 다르고 절차는 같습니다.
왜 되나? (증명 스케치)

L07에서 $\hat{\mathbf r}/r^2=-\nabla(1/r)$ 이고 5절에서 $\nabla\cdot(\hat{\mathbf r}/r^2)=4\pi\delta^3(\mathbf r)$ 이므로 $\nabla^2(1/r)=-4\pi\delta^3(\mathbf r)$. 원점을 $\mathbf r'$ 으로 옮기면 $\nabla^2\dfrac{1}{|\mathbf r-\mathbf r'|}=-4\pi\delta^3(\mathbf r-\mathbf r')$ 입니다.

원천을 점원천의 합 $s(\mathbf r)=\int s(\mathbf r')\,\delta^3(\mathbf r-\mathbf r')\,dV'$ 으로 보고, 점마다 $-\dfrac{s(\mathbf r')\,dV'}{4\pi|\mathbf r-\mathbf r'|}$ 를 두어 더하면

$$\begin{aligned}&\nabla^2\Big[-\frac1{4\pi}\int\frac{s(\mathbf r')}{|\mathbf r-\mathbf r'|}dV'\Big]\\&=\int s(\mathbf r')\,\delta^3(\mathbf r-\mathbf r')\,dV'=s(\mathbf r).\end{aligned}$$

헬름홀츠: 위 공식의 $\phi$ 는 $\nabla^2\phi=\nabla\cdot\mathbf F$, $\mathbf A$ 는 $\nabla^2\mathbf A=-\nabla\times\mathbf F$ 를 만족합니다($\nabla\cdot\mathbf A=0$ 은 부분적분으로 나오지만 생략). $\mathbf G=\nabla\phi+\nabla\times\mathbf A$ 로 두면 $\nabla\cdot\mathbf G=\nabla^2\phi=\nabla\cdot\mathbf F$, $\nabla\times\mathbf G=\nabla(\nabla\cdot\mathbf A)-\nabla^2\mathbf A=\nabla\times\mathbf F$ (L07의 curl curl). 차 $\mathbf F-\mathbf G$ 는 발산도 curl도 0이고 무한대에서 0이므로 0입니다(10절의 유일성 논법).

예제 9-1 균일한 공 모양 원천: $\nabla\cdot\mathbf F=s_0$ ($r<a$), $0$ ($r>a$), $\nabla\times\mathbf F=0$

대칭으로 $\mathbf F=F_r(r)\,\hat{\mathbf r}$ 입니다. 반지름 $r$ 구면에 발산정리를 씁니다.

$$\begin{aligned}r<a:&\ \ F_r\cdot4\pi r^2=s_0\cdot\tfrac43\pi r^3\\&\Rightarrow\ F_r=\frac{s_0r}{3},\\r>a:&\ \ F_r\cdot4\pi r^2=s_0\cdot\tfrac43\pi a^3\\&\Rightarrow\ F_r=\frac{s_0a^3}{3r^2}.\end{aligned}$$

퍼텐셜($r\to\infty$ 에서 0): 밖에서 $\phi=-\displaystyle\int_r^\infty\frac{s_0a^3}{3r'^2}dr'=-\frac{s_0a^3}{3r}$. 안에서는 $\phi'=\frac{s_0r}3$ 이므로 $\phi=\frac{s_0r^2}6+C$ 이고, $r=a$ 에서 이어지려면 $\frac{s_0a^2}{6}+C=-\frac{s_0a^2}{3}$, 즉 $C=-\frac{s_0a^2}2$.

$$\phi=\frac{s_0}{6}\big(r^2-3a^2\big)\quad(r\le a).$$

확인 1: $\nabla^2\phi=\frac{s_0}6\nabla^2r^2=\frac{s_0}6\cdot6=s_0$ (L07의 $\nabla^2r^2=6$). 밖에서는 $\nabla^2(1/r)=0$.

확인 2 (푸아송 적분, 중심에서): $|\mathbf 0-\mathbf r'|=r'$ 이므로

$$\begin{aligned}\phi(0)&=-\frac{1}{4\pi}\int_0^a\frac{s_0}{r'}\,4\pi r'^2\,dr'\\&=-s_0\frac{a^2}2.\end{aligned}$$

위 식에 $r=0$ 을 넣은 $\frac{s_0}6(0-3a^2)$ 과 같습니다.

예제 9-2 curl이 주어진 장: $\nabla\times\mathbf F=J_0\hat{\mathbf z}$ ($\rho<a$), $0$ ($\rho>a$), $\nabla\cdot\mathbf F=0$

대칭으로 $\mathbf F=F_\varphi(\rho)\,\hat{\boldsymbol\varphi}$ 로 둡니다. 반지름 $\rho$ 원(반시계)과 그 원판에 스토크스 정리를 씁니다.

$$\begin{aligned}\rho<a:&\ \ F_\varphi\cdot2\pi\rho=J_0\cdot\pi\rho^2\\&\Rightarrow\ F_\varphi=\frac{J_0\rho}2,\\\rho>a:&\ \ F_\varphi\cdot2\pi\rho=J_0\cdot\pi a^2\\&\Rightarrow\ F_\varphi=\frac{J_0a^2}{2\rho}.\end{aligned}$$

직교좌표로 확인합니다. $\hat{\boldsymbol\varphi}=(-y,x,0)/\rho$ 이므로 안에서 $\mathbf F=\frac{J_0}{2}(-y,\ x,\ 0)$, curl은 $(0,0,J_0)$ (L07 연습문제 C2). 밖에서 $\mathbf F=\frac{J_0a^2}2\cdot\frac{(-y,\ x,\ 0)}{x^2+y^2}$, curl은 0 (연습문제 B4). 발산은 둘 다 0입니다.

(전자기학에서 앙페르 법칙으로 균일한 전류가 흐르는 도선의 자기장을 구하는 계산과 같습니다.)

10. 그린 항등식과 해의 유일성

레시피 ($\dfrac{\partial v}{\partial n}=\nabla v\cdot\hat{\mathbf n}$, 바깥 법선 방향 도함수)
  1. 제1 그린 항등식: $\displaystyle\int_V\big(u\nabla^2v+\nabla u\cdot\nabla v\big)\,dV=\oint_Su\,\frac{\partial v}{\partial n}\,dA$.
  2. 제2 그린 항등식: $$\begin{aligned}&\int_V\big(u\nabla^2v-v\nabla^2u\big)\,dV\\&=\oint_S\Big(u\frac{\partial v}{\partial n}-v\frac{\partial u}{\partial n}\Big)dA.\end{aligned}$$
  3. 쓰는 법은 발산정리와 같습니다. 양쪽을 따로 계산해 맞추거나, 쉬운 쪽으로 바꿉니다. 원점 중심 구면 $r=a$ 에서는 $\partial_n=\partial_r$, 원점을 파낸 껍질의 안쪽 구면에서는 바깥 법선이 $-\hat{\mathbf r}$ 이라 $\partial_n=-\partial_r$ 입니다.
  4. 유일성: 영역 안에서 $\nabla^2\psi=0$ 이고 경계에서 $\psi=0$ 이면 $\psi\equiv0$ 입니다. 그래서 경계값이 같은 푸아송 방정식의 해는 하나뿐입니다(경계에서 $\partial_n\psi=0$ 이 주어지면 상수만큼만 다를 수 있음).
  5. Arfken은 3.8절에서 이것을 "그린 정리(Green's theorem)"라고 부르는 것으로 기억합니다(기억 기반, 미검증). 6절의 평면 그린 정리와 이름이 겹치니 주의합니다.
왜 되나? (증명 스케치)

발산정리에 $\mathbf F=u\nabla v$ 를 넣습니다. L07의 곱 법칙으로 $\nabla\cdot(u\nabla v)=\nabla u\cdot\nabla v+u\nabla^2v$ 이고, 면 쪽은 $u\nabla v\cdot\hat{\mathbf n}=u\,\partial_nv$. 이것이 제1 항등식입니다.

$u$와 $v$를 바꿔 쓴 제1 항등식을 빼면 $\nabla u\cdot\nabla v$ 가 지워져서 제2 항등식이 됩니다.

유일성: $\nabla^2\psi=0$, 경계에서 $\psi=0$ 인 $\psi$ 에 제1 항등식을 $u=v=\psi$ 로 쓰면 $\int_V|\nabla\psi|^2dV=0$. 그래서 $\nabla\psi=0$, $\psi$는 상수이고 경계값이 0이라 $\psi\equiv0$. 같은 원천·같은 경계값을 갖는 두 해의 차가 바로 이런 $\psi$ 입니다.

예제 10-1 반지름 $a$인 공에서 $u=z^2$, $v=r^4$ 로 제2 그린 항등식 확인

라플라시안: $\nabla^2z^2=2$, $\nabla^2r^4=4\cdot5\,r^2=20r^2$ (L07의 $n(n+1)r^{n-2}$).

부피 쪽: $u\nabla^2v-v\nabla^2u=20z^2r^2-2r^4$. 대칭으로 $\int z^2r^2\,dV=\frac13\int r^4\,dV$ 이고, $\int_{\text{공}}r^4\,dV=\int_0^ar^4\cdot4\pi r^2dr=\frac{4\pi a^7}7$ 이므로

$$\begin{aligned}\int(20z^2r^2-2r^4)\,dV&=\Big(\frac{20}3-2\Big)\frac{4\pi a^7}{7}\\&=\frac{14}3\cdot\frac{4\pi a^7}7=\frac{8\pi a^7}{3}.\end{aligned}$$

면 쪽($r=a$, $\partial_n=\partial_r$): $\partial_rv=4a^3$, 그리고 $u=r^2\cos^2\theta$ 이므로 $\partial_ru=2a\cos^2\theta=\frac{2z^2}a$.

$$\begin{aligned}u\,\partial_rv-v\,\partial_ru&=4a^3z^2-a^4\cdot\frac{2z^2}{a}\\&=2a^3z^2.\end{aligned}$$

구면 위에서 $\oint z^2\,dA=\frac13\oint r^2\,dA=\frac13a^2\cdot4\pi a^2$ 이므로 $\oint2a^3z^2\,dA=\frac{8\pi a^7}3$. 양쪽이 같습니다.

11. 자주 하는 실수

12. 연습문제

종이에 먼저 풀고 답을 여세요. 모든 답은 SymPy로 검산했습니다(일부는 수치 적분으로 확인).

A. 선적분

A1. $\mathbf F=(y,\ -x,\ 0)$, 단위원을 반시계로 한 바퀴

답$-2\pi$ — $\mathbf r=(\cos t,\sin t)$ 에서 $\mathbf F\cdot\mathbf r'=-\sin^2t-\cos^2t=-1$.

A2. 예제 1-1의 $\mathbf F=(x^2,xy,0)$ 를 꺾인 경로 $(0,0)\to(0,1)\to(1,1)$ 로

답$\dfrac13$ — 첫 조각은 $x=0$ 이라 $F_y=0$, 기여 0. 둘째 조각은 $y=1$, $\int_0^1x^2\,dx=\frac13$. 예제 1-1의 세 값과 또 다릅니다.

A3. 나선 $\mathbf r=(\cos t,\ \sin t,\ t)$, $0\le t\le2\pi$, $\mathbf F=(-y,\ x,\ z)$

답$2\pi+2\pi^2$ — $\mathbf r'=(-\sin t,\cos t,1)$, $\mathbf F\cdot\mathbf r'=\sin^2t+\cos^2t+t=1+t$.

B. 보존장과 퍼텐셜

B1. $\mathbf F=(y^2+2x,\ 2xy+z,\ y)$ 가 보존장인지 보이고, $\phi$와 $(0,0,0)\to(1,1,1)$ 선적분을 구하세요.

답$\nabla\times\mathbf F=(1-1,\ 0-0,\ 2y-2y)=0$. $\phi=x^2+xy^2+yz$, 선적분 $=3$.

B2. $\mathbf F=(e^y,\ xe^y+\cos z,\ -y\sin z)$ 의 $\phi$ 와 $(0,0,0)\to(1,1,\pi)$ 선적분

답$\phi=xe^y+y\cos z$, 선적분 $=e+\cos\pi=e-1$.

B3. $\mathbf F=(axy+z^3,\ x^2,\ bxz^2)$ 가 보존장이 되도록 $a,b$를 정하고 $\phi$를 구하세요.

답$a=2$, $b=3$, $\phi=x^2y+xz^3$ — $z$성분 $2x-ax=0$, $y$성분 $3z^2-bz^2=0$.

B4. $\mathbf F=\dfrac{(-y,\ x,\ 0)}{x^2+y^2}$ 의 curl을 구하고($\rho\ne0$), 단위원(반시계) 선적분을 구하세요. 왜 모순이 아닌가요?

답curl $=0$, 선적분 $=2\pi$ — $\mathbf F\cdot\mathbf r'=\sin^2t+\cos^2t=1$. $\mathbf F$는 $z$축에서 정의되지 않아 영역에 구멍이 있습니다. 그래서 curl이 0이어도 보존장이 아닙니다.

B5. 중력 $\mathbf F=-GMm\,\hat{\mathbf r}/r^2$ 의 퍼텐셜 $\phi$ ($\mathbf F=\nabla\phi$)와 $r_1$에서 $r_2$까지 한 일

답$\phi=\dfrac{GMm}r$, 일 $=GMm\Big(\dfrac1{r_2}-\dfrac1{r_1}\Big)$ — $\nabla(1/r)=-\hat{\mathbf r}/r^2$. 물리의 퍼텐셜 에너지는 $V=-\phi=-GMm/r$.

C. 면적분과 부피적분

C1. 원기둥 옆면 $\rho=2$, $0\le z\le3$ (바깥), $\mathbf F=(x,\ y,\ 0)$

답$24\pi$ — $\mathbf F\cdot\hat{\boldsymbol\rho}=\rho=2$, $dA=2\,d\varphi\,dz$, $2\cdot2\cdot2\pi\cdot3$.

C2. 구면 $r=a$ (바깥), $\mathbf F=(x,\ 0,\ 0)$

답$\dfrac{4\pi a^3}3$ — $\mathbf F\cdot\hat{\mathbf r}=a\sin^2\theta\cos^2\varphi$, $a^3\int\sin^3\theta\,d\theta\int\cos^2\varphi\,d\varphi=a^3\cdot\frac43\cdot\pi$.

C3. 포물면 $z=1-x^2-y^2$ ($z\ge0$, 위쪽), $\mathbf F=(0,\ 0,\ z)$

답$\dfrac\pi2$ — $d\mathbf A=(2x,2y,1)\,dx\,dy$, $\mathbf F\cdot d\mathbf A=(1-\rho^2)\,dx\,dy$, $\int_0^{2\pi}\int_0^1(1-\rho^2)\rho\,d\rho\,d\varphi$.

C4. 반지름 $a$인 공에서 $\displaystyle\int(x^2+y^2)\,dV$

답$\dfrac{8\pi a^5}{15}$ — $x^2+y^2=r^2\sin^2\theta$, $\frac{a^5}5\cdot\frac43\cdot2\pi$.

C5. 반지름 $a$인 위쪽 반구($z\ge0$)에서 $\displaystyle\int z\,dV$

답$\dfrac{\pi a^4}4$ — $\int_0^a r^3dr\int_0^{\pi/2}\cos\theta\sin\theta\,d\theta\int_0^{2\pi}d\varphi=\frac{a^4}4\cdot\frac12\cdot2\pi$.

D. 발산정리와 가우스 법칙 꼴

D1. 단위 정육면체 $[0,1]^3$, $\mathbf F=(x^2,\ y^2,\ z^2)$ 로 발산정리 양변

답둘 다 $3$ — 부피: $\int2(x+y+z)\,dV=2\cdot\frac32$. 면: $x=1,y=1,z=1$ 면에서 각각 $1$, 나머지 세 면은 $0$.

D2. 바닥 없는 위쪽 반구 껍질 $r=a$, $z\ge0$ (바깥), $\mathbf F=(x,\ y,\ 1)$

답$\dfrac{4\pi a^3}3+\pi a^2$ — 닫힌 반구: $\nabla\cdot\mathbf F=2$, $2\cdot\frac{2\pi a^3}3$. 바닥 $z=0$ (법선 $-\hat{\mathbf z}$)의 플럭스 $-\pi a^2$ 를 뺍니다.

D3. $\mathbf E=\hat{\mathbf r}/r^2$ 가 정육면체 $[-1,1]^3$의 면 $x=-1$ 을 지나는 (바깥 방향) 플럭스

답$\dfrac{2\pi}3$ — 여섯 면이 대칭이라 $4\pi/6$.

D4. $\mathbf E=\hat{\mathbf r}/r^2$ 가 중심 $(3,0,0)$, 반지름 $1$인 구면을 지나는 플럭스

답$0$ — 원점이 구 밖에 있습니다.

E. 스토크스 정리와 그린 정리

E1. $\mathbf F=(y,\ z,\ x)$, 단위원판 $z=0$ ($+\hat{\mathbf z}$)과 경계(반시계)로 스토크스 정리 양변

답둘 다 $-\pi$ — $\nabla\times\mathbf F=(-1,-1,-1)$, 원판 플럭스 $-1\cdot\pi$. 선적분: $\mathbf F\cdot\mathbf r'=-\sin^2t$.

E2. 삼각형 $(1,0,0)\to(0,1,0)\to(0,0,1)\to(1,0,0)$ 을 도는 $\oint\mathbf F\cdot d\mathbf r$, $\mathbf F=(z,\ x,\ y)$. 스토크스 정리로

답$\dfrac32$ — $\nabla\times\mathbf F=(1,1,1)$. 평면 $z=1-x-y$ 에서 $\mathbf r_x\times\mathbf r_y=(1,1,1)$ (돌아가는 방향과 오른손 규칙이 맞음), 피적분 함수 $3$, 넓이 $\frac12$. 세 변을 직접 적분해도 $\frac12$씩입니다.

E3. 꼭짓점 $(0,0)$, $(2,0)$, $(0,3)$인 삼각형 넓이를 $\frac12\oint(x\,dy-y\,dx)$ 로

답$3$ — 축 위의 두 변은 0. 빗변 $(2-2t,\ 3t)$ 에서 $x\,y'-y\,x'=(2-2t)\cdot3+3t\cdot2=6$, $\frac12\cdot6$.

E4. $\oint_C\big[(x^2-y)\,dx+(x+y^2)\,dy\big]$, $C$: 정사각형 $[0,1]^2$ 의 경계(반시계)

답$2$ — $\partial_xQ-\partial_yP=1-(-1)=2$, 넓이 1.

E5. 아스트로이드 $x=\cos^3t$, $y=\sin^3t$ 로 둘러싸인 넓이

답$\dfrac{3\pi}8$ — $x\,y'-y\,x'=3\sin^2t\cos^2t$, $\frac12\cdot3\cdot\frac{\pi}4$ ($\int_0^{2\pi}\sin^2t\cos^2t\,dt=\frac\pi4$).

F. 벡터 퍼텐셜

F1. 균일한 $\mathbf B=(B_1,B_2,B_3)$ 에 대해 $\mathbf A=\frac12\mathbf B\times\mathbf r$ 를 성분으로 쓰고 $\nabla\times\mathbf A=\mathbf B$ 를 확인하세요.

답$\mathbf A=\frac12\big(B_2z-B_3y,\ B_3x-B_1z,\ B_1y-B_2x\big)$. 예를 들어 $x$성분: $\partial_y\big(\frac12(B_1y-B_2x)\big)-\partial_z\big(\frac12(B_3x-B_1z)\big)=\frac{B_1}2+\frac{B_1}2=B_1$.

F2. $\mathbf B=(0,\ 0,\ x)$ 에 대해 $\nabla\cdot\mathbf B=0$ 을 확인하고 $\mathbf A$ 하나를 구하세요.

답$\nabla\cdot\mathbf B=\partial_zx=0$. $\mathbf A=\big(0,\ \frac{x^2}2,\ 0\big)$ — $(\nabla\times\mathbf A)_z=\partial_x\frac{x^2}2=x$, 나머지 0.

G. 푸아송 방정식과 헬름홀츠 정리

G1. $\nabla\times\mathbf F=0$, $\nabla\cdot\mathbf F=kr$ ($r<a$), $0$ ($r>a$) 인 구대칭 장의 $F_r(r)$

답$F_r=\dfrac{kr^2}{4}$ ($r\le a$), $\dfrac{ka^4}{4r^2}$ ($r\ge a$) — $F_r\cdot4\pi r^2=\int_0^rkr'\cdot4\pi r'^2\,dr'=\pi kr^4$. 확인: $\frac1{r^2}\frac{d}{dr}\big(r^2\cdot\frac{kr^2}4\big)=kr$.

G2. $\mathbf r_0=(0,0,2)$ 일 때 $\displaystyle\int_{\text{전체 공간}}(x^2+y^2+z^2+1)\,\nabla^2\frac{1}{|\mathbf r-\mathbf r_0|}\,dV$

답$-20\pi$ — $\nabla^2\frac1{|\mathbf r-\mathbf r_0|}=-4\pi\delta^3(\mathbf r-\mathbf r_0)$ 이므로 피적분 함수의 $\mathbf r_0$ 에서의 값 $0+0+4+1=5$ 에 $-4\pi$ 를 곱합니다.

G3. $\nabla\cdot\mathbf F=0$, $\nabla\times\mathbf F=k\rho\,\hat{\mathbf z}$ (모든 $\rho$) 인 $z$축 대칭 장 $F_\varphi(\rho)\hat{\boldsymbol\varphi}$ ($z$축에서 유한)

답$F_\varphi=\dfrac{k\rho^2}3$ — $F_\varphi\cdot2\pi\rho=\int_0^\rho k\rho'\cdot2\pi\rho'\,d\rho'=\frac{2\pi k\rho^3}3$. 확인: $\mathbf F=\frac{k\rho}{3}(-y,\ x,\ 0)$ 의 curl의 $z$성분은 $\frac k3\big(2\rho+\frac{x^2+y^2}{\rho}\big)=k\rho$.

H. 그린 항등식

H1. 단위 정육면체 $[0,1]^3$ 에서 $u=v=x$ 로 제1 그린 항등식의 양변을 계산하세요.

답둘 다 $1$ — 부피: $u\nabla^2v+\nabla u\cdot\nabla v=0+1$, 부피 1. 면: $u\,\partial_nv$ 는 면 $x=1$ 에서 $1\cdot1$ (넓이 1), 면 $x=0$ 에서 $u=0$, 나머지 네 면에서는 $\partial_nx=0$.

H2. 껍질 $a\le r\le b$ 에서 $u=1/r$, $v=r^2$ 로 제2 그린 항등식의 양변을 계산하세요.

답둘 다 $12\pi(b^2-a^2)$ — 부피: $u\nabla^2v-v\nabla^2u=\frac6r-0$, $\int_a^b\frac6r\,4\pi r^2\,dr$. 면: $u\,\partial_rv-v\,\partial_ru=\frac1r\cdot2r-r^2\cdot\big(-\frac1{r^2}\big)=3$. 바깥 구면 $+3\cdot4\pi b^2$, 안쪽 구면은 $\partial_n=-\partial_r$ 이라 $-3\cdot4\pi a^2$.

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