안녕하세요?
에이스 아카데미 입니다.
벡터미적분 파트에서 시험에 출제되는 형태는 거의 대부분이
선적분의 기본정리, Green 정리, Stokes 정리, 발산정리 등입니다.
위의 4개의 적분을 자유롭게 계산할 수 있다면 벡터미적분의 학습은 충분할 것입니다.
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벡터미적분을 공부하는 이유를 이해하게 되면 그 개념도 어느 정도 쉽게 이해할 수 있을 것으로 생각합니다.
예를 들어, 다음과 같은 문제를 생각해 보겠습니다.
(1) 휘어진 곡선의 길이를 구할 수 있을까?
(2) 거실에 있는 커튼의 넓이를 (펼치지 않은 채) 구할 수 있을까?
(3) 밀도를 알고 있을 때, 전봇대에 있는 전선의 질량을 (저울을 이용하지 않고) 구할 수 있을까?
(4) 어떤 물건을 이곳에서 다른 곳으로 이동시킬 때, 일은 어떻게 구할까?
이와 같은 질문에 대하여 답을 구하려는 과정에서 자연스럽게 공간 곡선의 매개변수 방정식(또는
벡터방정식) 표현을 정의하게 되었으며, 선적분을 이용하여 곡선의 길이를 구하게 된 것입니다.
또한 스칼라장의 선적분을 이용하면 곡선 C의 질량, 온도 등을 계산할 수 있습니다. (질문 (2), (3))
그리고 벡터장의 선적분을 이용하면 일(work)를 구할 수 있습니다. (질문 (4))
이와 같이 벡터 미적분의 선적분을 이용하여 위의 질문에 대한 답을 얻을 수 있습니다.
이제 다음과 같은 질문에 대하여 생각해 보겠습니다.
(5) 수력댐의 벽에 가해지는 압력은 어떻게 구할 수 있을까?
(6) 우주왕복선이 대기권으로 들어올 때, 기체 표면의 온도는 어떻게 구할 수 있을까?
(7) 요트의 돛에 부딪치는 바람의 양을 어떻게 계산할 수 있을까?
위의 질문이외에도 여러 가지 다양한 문제들을 생각해 볼 수 있습니다.
이러한 질문을 해결하기 위하여 곡면을 정의하게 되고, 곡면 상에서의 면적분을 생각하게 된 것입니다.
곡면 S 상에서의 벡터장의 면적분의 의미는 위의 (7)번과 같은 유량(flux)을 구할 수 있게 해 줍니다.
이와 같이 선적분과 면적분은 그 자체로 아주 중요한 개념이 아닐 수 없습니다.
그런데 실제 시험에서는 이런 것을 일일이 측정해서 계산하라고 할 수는 없겠지요?
그래서 보통은 스칼라함수 또는 벡터함수가 주어진 상태에서 선적분 또는 면적분을 계산하라고 합니다.
이때 다음과 같이, 수학적으로 아주 중요한 성질이 있는데 주로 이러한 문제를 시험에 출제하고 있습니다.
첫째는 폐곡선상에서의 벡터장의 선적분은 Green정리를 이용해서 이중적분으로 계산할 수 있다는 점입니다.
둘째는 폐곡면상에서의 벡터장의 면적분은 발산정리를 이용해서 삼중적분으로 계산할 수 있으며,
셋째는 열린곡면의 경계상에서의 선적분을 곡면 S 상에서의 curlF 의 면적분으로 바꿔서 계산할 수 있다는 점입니다.
물론 위의 셋째는 역도 가능합니다.
이러한 전체 구조를 이해하고 있다면 벡터미적분학은 아주 쉽고 유용하고 재미있는 과목이 아닐 수 없습니다.
열심히 공부하세요.
Have a nice day !!!
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원글 제목: 교수님 벡터미적분때문에 걱정입니다 ㅠㅠ 이름: 김** 날짜: 2019-05-14 23:35:55
연고대 준비하는 학생입니다.
약 1달전에 교수님께 학습방향에 대해 질문을 드렸었는데 상세한 답변 늦었지만 감사드립니다 ^^
다름이 아니라,, 교수님께서 말씀하신대로 학습을 하고 있습니다만, 벡터미적분학에서 조금 문제가 생긴것같습니다..ㅠㅠ
교수님께서 개념강의 끝자락에 올려주신 선적분&면적분 총정리를 봐서 그런지 문제풀이에 대한 알고리즘은 확실히 잡힌것 같습니다.
문제를 보면 어떤상황이므로 어떤정리를 이용해서 문제를 풀어야 겠구나 까지는 알겠습니다만..
(예를들면 선적분의 경우 곡선의 상태가 어떠하고 벡터장이 어떠하며, 경계가 어떠하니까, 무슨정리를 이용해야겠구나.. 이런것까지는 이제 문제를 보면 어느정도 보입니다. 그래서 사실 문제를 푸는데는 지장이 크게 없습니다.)
그런데 문제는, 개념과 문제풀이가 조금 따로노는것같습니다.
이게 뭐라고 설명을 드려야 할지 모르겠는데, 다른파트와는 다르게 벡터미적분은 문제풀이 할때 어떤부분에 주목해서 어떻게 풀어야하는지 문제풀이의 흐름은 알겠는데 개념자체의 흐름을 잘 잡지 못한다고 하는게 맞는걸까요..
물론 편입학시험에서 문제풀이 흐름만 알아도 문제를 모두 풀 수 있으면 상관이 없겠지만, 만약 고난도문제로써 개념에 대한 이해가 부족하면 풀지 못하는 문제를 낸다고 하면.. 그때는 어떻게 하나 하는 걱정이 듭니다.
저도 이런현상이 무슨현상인지 딱 와닿지 않아서 죄송스럽게도 제 상태를 확실히 말씀드리지 못하지만, 뭔가 개념과 문제풀이가 조화롭지 못하다는 느낌이 자꾸 듭니다 ㅠㅠ
뭔가 개념자체를 보다보면 처음부터 끝까지 어떠한 연결고리로 연결되어서 쭉 이어지는 기분이 들긴 하는데, 그 연결고리가 결정적으로 무엇인지를 모르다보니 계속 뭔가 막혀있고, 개념의 흐름이 뭔가 그 턱 막힌것 때문에 트이지 못한 기분이랄까요..
아무튼 그런 기분이 듭니다 ㅠㅠ
반복해서 제가 계속 학습을 해보는 방법이 전부이겠지만..
혹시 교수님께서 뭐때문에 안되는것같은데? 라고 생각되시는게 있다면 조언을 좀 부탁드리고 싶습니다 ㅠㅠ
그리고 가능하시면 벡터미적분에 관한 흐름을 한번 글로 정리해주시면 정말 감사드릴것 같습니다..!