다변수 미적분 · 벡터장

벡터장

벡터장은 정의역의 각 점에 화살표 F(x, y) = (P, Q)를 붙입니다. 이를 속도로 읽으면 모든 것을 흐름에 실어 나릅니다. 잉크를 놓고 방울들이 이동하고 회전하고 전단되며 늘어나는 모습을 살펴보세요.

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이 시각화의 벡터장

평면의 벡터장은 정의역의 각 점 (x,y)(x, y)에 벡터 F(x,y)=(P(x,y), Q(x,y))\mathbf F(x, y) = (P(x, y),\ Q(x, y))를 대응시킵니다. 속도장으로 읽으면 모든 점을 움직입니다. 입자는 아래의 자율계를 따르며, 경로는 장의 적분곡선(유선이라고도 합니다)이 됩니다. 이 페이지는 장을 그리고 잉크와 입자를 그 흐름에 실어 보내며, 탐침을 놓은 곳의 F를 계산합니다.

장 속의 입자
x′(t)=P(x,y),y′(t)=Q(x,y)x'(t) = P(x, y), \qquad y'(t) = Q(x, y)

화살표는 그 순간의 속도일 뿐입니다. 입자는 하나의 곧은 화살표를 따라가는 대신, 모든 곳에서 화살표에 접하는 곡선을 따라갑니다. 회전장 (−y,x)(-y, x)에서 (1, 0)의 화살표는 바로 위를 가리키지만 잉크 중심은 단위원을 돕니다. 격자 화살표는 그림 아래 표시된 하나의 축척을 공유합니다(일부 긴 화살표는 잘라서 빗금을 표시). 탐침의 화살표는 실제 길이의 F(P)이며, 성분 P와 Q는 점선으로 표시합니다.

작은 잉크 방울은 한 점 근처의 장 구조를 보여 줍니다. 1차 근사에서 중심의 F가 방울을 이동시키고 장의 도함수 행렬이 변형시킵니다. 넓이의 상대 증가율은 div⁡F\operatorname{div}\mathbf F(유한한 방울은 그 안의 평균 발산)이며, 무한소 선요소의 평균 회전율은 12curl⁡F\tfrac12\operatorname{curl}\mathbf F입니다. 나머지는 어느 숫자로도 설명되지 않는 전단과 늘어남입니다. 두 지름이 이를 보여 줍니다. 전단장에서는 t = 1에 한 지름이 45° 기울고 다른 지름은 수평을 유지합니다.

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살펴볼 점

  • 배경 입자는 임의의 위치에서 다시 생기므로 밀집도에는 뜻이 없습니다. 팽창을 보려면 잉크 방울의 넓이를 보세요(발산, E25). 짧은 꼬리는 사라지는 흔적이며 유선이 아닙니다. 유선은 별도 버튼으로 켭니다.
  • 각 방울은 놓는 순간 t = 0에서 시작하며, 수치 표시는 가장 최근에 놓은 방울을 따릅니다. 앞으로는 t를 늘리고 뒤로는 줄이며, 양쪽 모두 0을 지날 수 있습니다. 어느 방향으로 흐르는 동안에도 잉크를 놓을 수 있습니다. 음의 시간은 같은 장에서 초기 원을 거꾸로 움직이는 것이므로 과거 기록이 필요하지 않습니다. 다섯 선형 기본 예시는 행렬 지수를, 진자와 직접 입력한 장은 오차를 제어하는 수치적분을 사용합니다. 되돌릴 수 있으려면 전체 과정에서 유일한 해가 존재해야 하며, 멈춘 점은 복구할 수 없습니다.
  • 잉크 방울은 계산 영역 밖으로 나가거나 장이 발산하거나 정의되지 않는 곳에서 멈춥니다. 그곳에서 윤곽선이 끊기고 내부 채움이 사라집니다. 여기의 장은 2차원이며 시간에 따라 변하지 않습니다.
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조작 방법

  • 그림을 클릭하면 잉크를 놓고, 드래그하면 연속해서 놓습니다(최대 세 방울). 화면 이동을 켜면 드래그로 보기를 옮깁니다. P를 드래그하거나 좌표를 입력하세요(−100부터 100까지). P는 화살표 격자에 맞춰집니다. P와 Q에는 + − × ÷ ^, sin, exp, ln, sqrt …를 사용할 수 있습니다.
  • 발표 모드는 프로젝터용 전체 화면을 엽니다. 스페이스로 흐름을 시작하거나 멈추고, →와 ←로 방향을 정하며, H로 탐침의 F 값을 숨깁니다. 공유는 장, 탐침, 해당 시각의 잉크를 다시 여는 링크를 복사합니다.
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관련 개념

더 읽어 보기: Wikipedia: Vector field (영어); OpenStax, Calculus Volume 3, 6.1 Vector Fields (영어).