벡터 함수

벡터 함수(Vector function)는 점 $P$에서 다음과 같은 형태로 주어지는 함수를 말한다.

$v=v\left( P \right)=\left[ v_{1}\left( P \right),v_{2}\left( P \right),v_{3}\left( P \right) \right]$

여기서 점 P는 정의역 내의 한 점으로, 실제 문제에 있어서 정의역은 3차원 공간, 곡면, 곡선 등으로 나타난다. 이 경우 벡터함수를 주어진 정의역(또는 곡면 또는 곡선)에서의 벡터장(vector field)이라 부른다.

직교좌표 $x, y, z$를 이용하여 $v\left( P \right)$를 다음과 같이 표현할 수 있다.

$v\left( x,y,z \right)=\left[ v_{1}\left( x,y,z \right),v_{2}\left( x,y,z \right),v_{3}\left( x,y,z \right) \right]$

벡터장의 각 성분의 표현은 좌표계의 선택에 의하여 달라질 수 있지만, 이에 대한 기하학적 또는 물리적인 의미는 주어진 점 $P$에만 의존하며, 선택한 직교좌표와는 무관하다.

벡터함수의 도함수

다음 극한이 존재할 때, 벡터함수 $v\left( t \right)$를 점 t에서 미분가능하다고 한다.

$v'\left( t \right)=\underset{\Delta t\to 0}{\mathop{\lim }}\,\frac{v\left( t+\Delta t \right)-v\left( t \right)}{\Delta t}$

이 벡터함수 $v'\left( t \right)$를 $v\left( t \right)$의 도함수라고 한다.

직교좌표계를 사용하여 각 성분을 살펴보면 다음과 같다.

$v'\left( t \right)=\left[ v_{1}'\left( t \right),v_{2}'\left( t \right),v_{3}'\left( t \right) \right]$

따라서 도함수 $v'\left( t \right)$는 각 성분을 따로따로 미분함으로써 구해진다.

벡터함수의 편도함수

2변수 또는 3변수를 갖는 벡터함수의 편도함수를 살펴보자. 벡터함수

$v=\left[ v_{1},\,v_{2},\,v_{3} \right]=v_{1}i+v_{2}j+v_{3}k$

의 각 성분함수가 n개의 변수 $t_{0},\cdots ,t_{n}$에 대한 미분가능한 함수라고 가정하자. 이때, 변수 $t_{m}$에 관한 v의 편도함수(partial derivative) $\partial v/\partial t_{m}$는 다음과 같은 벡터함수로 정의된다.

$\frac{\partial v}{\partial t_{m}}=\frac{\partial v_{1}}{\partial t_{m}}i+\frac{\partial v_{2}}{\partial t_{m}}j+\frac{\partial v_{3}}{\partial t_{m}}k$

참고 도서

• Kreyszig, Erwin (1999). 《Advanced Engineering Mathematics 8th ed.》. John Wiley & Sons, INC.. ISBN 0-471-15496-2