Lecture · 16

16.3 선적분의 기본정리

The Fundamental Theorem for Line Integrals

한눈에 보기

16.2에서 선적분을 배웠어요 — 곡선 C를 따라 벡터장 \mathbf{F}가 하는 일을 \int_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r}로 계산했죠. 그런데 어떤 벡터장은 특별해요. 어떤 함수의 그래디언트로 쓸 수 있는 벡터장 \mathbf{F} = \nabla f이면, 선적분이 놀랍도록 간단해져요 — 곡선을 어떻게 지나왔든 상관없이 끝점 두 개만 보면 답이 나와요.

  • \mathbf{F} = \nabla f이면 \int_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r} = f(B) - f(A)
  • 경로 무관 ⟺ 보존장 ⟺ 폐곡선 적분 0 (세 표현이 같은 말)
  • 2D에서 보존장 판정: P_y = Q_x
  • 퍼텐셜 함수 f 찾기

먼저 알아야 할 것

개념 설명

경로 무관

\mathbf{F} = \nabla f인 벡터장을 보존장(conservative vector field)이라고 하고, 이때 f퍼텐셜 함수(potential function)라고 해요. 보존장이면 선적분이 끝점만으로 정해져요.

\int_C \nabla f\cdot d\mathbf{r} = f(B) - f(A)

여기서 A는 곡선 C의 시작점, B는 끝점이에요. 곡선이 직선이든 구불구불하든 크게 돌아오든, 시작과 끝이 같으면 적분값이 같아요. 이걸 경로 무관(independence of path)이라고 해요.

한 가지 자연스러운 결과가 있어요. 곡선이 제자리로 돌아오는 폐곡선(closed curve)이면 시작점과 끝점이 같으니 f(B) - f(A) = 0이에요. 즉 보존장을 폐곡선 따라 한 바퀴 돌면 적분은 항상 0이에요. 반대로 어떤 폐곡선에서라도 적분이 0이 아니면 그 벡터장은 보존장이 아니에요.

정리하면 세 표현이 완전히 같은 말이에요.

  • 경로 무관하다
  • 보존장이다(\mathbf{F} = \nabla f)
  • 모든 폐곡선에서 적분이 0이다

보존장 판정

그럼 주어진 \mathbf{F} = \langle P, Q \rangle가 보존장인지 어떻게 알까요? 2D에서는 간단한 검사가 있어요. \mathbf{F} = \nabla f이면 P = f_x, Q = f_y인데, 편미분 순서를 바꿔도 결과가 같다는 성질(f_{xy} = f_{yx})에서 이런 조건이 나와요.

\frac{\partial P}{\partial y} = \frac{\partial Q}{\partial x}

P_y = Q_x이면(그리고 정의역이 구멍 없이 이어진 영역이면) \mathbf{F}는 보존장이에요. 이 조건이 깨지면 보존장이 아니고, 경로 무관도 성립하지 않아요.

수식 하나하나 뜯어보기

손으로 따라가는 예제

\mathbf{F}(x, y) = \langle 2xy,\ x^2 + 1 \rangle일 때, 점 A = (0, 0)에서 B = (1, 2)까지 어떤 곡선 C를 따라가든 \int_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r}을 구해 봅시다.

1단계 — 보존장인지 판정. P = 2xy, Q = x^2 + 1이에요.

P_y = \frac{\partial}{\partial y}(2xy) = 2x, \qquad Q_x = \frac{\partial}{\partial x}(x^2 + 1) = 2x

P_y = Q_x이니 보존장이에요. 그럼 경로를 몰라도 끝점만으로 계산할 수 있어요.

2단계 — 퍼텐셜 함수 f 찾기. f_x = 2xyx로 적분하면 f = x^2 y + g(y)예요(gy만의 함수). 이걸 y로 미분하면 f_y = x^2 + g'(y)인데, 이게 Q = x^2 + 1과 같아야 하니 g'(y) = 1, 즉 g(y) = y예요. 따라서

f(x, y) = x^2 y + y

3단계 — 끝점 빼기. f(B) - f(A) = f(1, 2) - f(0, 0)이에요. f(1, 2) = 1\cdot 2 + 2 = 4, f(0, 0) = 0이니

\int_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r} = 4 - 0 = 4

곡선 C를 구체적으로 매개변수화할 필요조차 없었어요 — 판정하고, 퍼텐셜 찾고, 끝점만 빼면 끝이에요.

흔한 헷갈림

핵심 정리

  • 보존장 \mathbf{F} = \nabla f이면 \int_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r} = f(B) - f(A) — 경로 무관, 끝점만 봐요.
  • 경로 무관 ⟺ 보존장 ⟺ 모든 폐곡선 적분 0, 셋은 같은 말이에요.
  • 2D 판정: P_y = Q_x. 성립하면 퍼텐셜 f를 찾아 끝점 빼기로 계산.
  • 뒤에서 다시 만나는 곳: 16.4 그린 정리는 폐곡선 적분을 영역 위 이중적분으로 바꿔줘요. 보존장이면 그 결과가 0이 되는데, 그린 정리가 바로 그 이유를 설명해 줘요.
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