문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다중적분

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57문제 · 1 / 3쪽

1.CLP-3 · 3.2절 · 8번대학 수준우리말 번역

구 x2+y2+z2=2x^2+y^2+z^2=2 의 안쪽에 있고 포물면 z=x2+y2z=x^2+y^2 의 위쪽에 있는 부분의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the volume lying inside the sphere x2+y2+z2=2x^2+y^2+z^2=2 and above the paraboloid z=x2+y2z=x^2+y^2.

정답·풀이 보기

위쪽 곡면 x2+y2+z2=2x^2+y^2+z^2=2 와 아래쪽 곡면 z=x2+y2z=x^2+y^2 은 zz 가 x2+y2=z=2−z2x^2+y^2=z=2-z^2 을 만족할 때 만난다. 즉 0=z2+z−2=(z−1)(z+2)0=z^2+z-2=(z-1)(z+2) 일 때이다. 근 z=−2z=-2 는 z=x2+y2≥0z=x^2+y^2\ge 0 과 모순이다. 따라서 위쪽 곡면과 아래쪽 곡면은 원 z=1z=1, x2+y2=1x^2+y^2=1 에서 만난다.

극좌표에서 위쪽 곡면은 z2=2−r2z^2=2-r^2, 곧 z=2−r2z=\sqrt{2-r^2} 이고, 아래쪽 곡면은 z=r2z=r^2 이다. 따라서 극좌표가 (r,θ)(r,\theta) 인 점 위쪽에 있는 입체의 높이는 2−r2−r2\sqrt{2-r^2}-r^2 이므로

Volume=∫01dr∫02πdθ r [2−r2−r2]=2π∫01dr r [2−r2−r2]=2π[−13(2−r2)3/2−r44]01=2π[−13−14+1323/2]=π[432−76]≈2.26\begin{aligned} \text{Volume}&=\int_0^1\mathrm{d}r\int_0^{2\pi} \mathrm{d}\theta\ r\,\big[\sqrt{2-r^2}-r^2\big] =2\pi \int_0^1\mathrm{d}r\ r\,\big[\sqrt{2-r^2}-r^2\big]\\ &=2\pi \left[-\frac{1}{3}{(2-r^2)}^{3/2}-\frac{r^4}{4}\right]_0^1 =2\pi \left[-\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+\frac{1}{3}2^{3/2}\right] \\ &=\pi \left[\frac{4}{3}\sqrt{2}-\frac{7}{6}\right] \approx 2.26 \end{aligned}

직교좌표에서는

Volume=4∫01dx∫01−x2dy [2−x2−y2−x2−y2]\begin{aligned} \text{Volume}&=4\int_0^1\mathrm{d}x\int_0^{\sqrt{1-x^2}} \mathrm{d}y\ \big[\sqrt{2-x^2-y^2}-x^2-y^2\big] \end{aligned}

이다.

yy 에 대한 적분은 치환 y=2−x2cos⁡ty=\sqrt{2-x^2}\cos t 를 써서 계산할 수 있지만, 극좌표를 쓰는 편이 더 쉽다.

원본 교재 풀이(영어)

The top surface x2+y2+z2=2x^2+y^2+z^2=2 meets the bottom surface z=x2+y2z=x^2+y^2 when zz obeys x2+y2=z=2−z2x^2+y^2=z=2-z^2. That is, when 0=z2+z−2=(z−1)(z+2)0=z^2+z-2=(z-1)(z+2). The root z=−2z=-2 is inconsistent with z=x2+y2≥0z=x^2+y^2\ge 0. So the top and bottom surfaces meet at the circle z=1z=1, x2+y2=1x^2+y^2=1.

In polar coordinates, the top surface is z2=2−r2z^2=2-r^2, or equivalently z=2−r2z=\sqrt{2-r^2}, and the bottom surface is z=r2z=r^2. So the height of the volume above the point with polar coordinates (r,θ)(r,\theta) is 2−r2−r2\sqrt{2-r^2}-r^2 and

Volume=∫01dr∫02πdθ r [2−r2−r2]=2π∫01dr r [2−r2−r2]=2π[−13(2−r2)3/2−r44]01=2π[−13−14+1323/2]=π[432−76]≈2.26\begin{aligned} \text{Volume}&=\int_0^1\mathrm{d}r\int_0^{2\pi} \mathrm{d}\theta\ r\,\big[\sqrt{2-r^2}-r^2\big] =2\pi \int_0^1\mathrm{d}r\ r\,\big[\sqrt{2-r^2}-r^2\big]\\ &=2\pi \left[-\frac{1}{3}{(2-r^2)}^{3/2}-\frac{r^4}{4}\right]_0^1 =2\pi \left[-\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+\frac{1}{3}2^{3/2}\right] \\ &=\pi \left[\frac{4}{3}\sqrt{2}-\frac{7}{6}\right] \approx 2.26 \end{aligned}

In Cartesian coordinates

Volume=4∫01dx∫01−x2dy [2−x2−y2−x2−y2]\begin{aligned} \text{Volume}&=4\int_0^1\mathrm{d}x\int_0^{\sqrt{1-x^2}} \mathrm{d}y\ \big[\sqrt{2-x^2-y^2}-x^2-y^2\big] \end{aligned}

The yy integral can be done using the substitution y=2−x2cos⁡ty=\sqrt{2-x^2}\cos t, but it is easier to use polar coordinates.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 10번
# 극좌표 이중적분계산보통자동 분류
2.CLP-3 · 3.2절 · 9번대학 수준우리말 번역

a>0a>0 이라 하자. 원기둥 x2+(y−a)2=a2x^2+(y-a)^2=a^2 의 안쪽에 있고 원뿔 z2=x2+y2z^2=x^2+y^2 의 위쪽 절반과 아래쪽 절반 사이에 있는 부분의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Let a>0a>0. Find the volume lying inside the cylinder x2+(y−a)2=a2x^2+(y-a)^2=a^2 and between the upper and lower halves of the cone z2=x2+y2z^2=x^2+y^2.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

이 영역에서 xx 와 yy 는 원기둥 x2+(y−a)2=a2x^2+(y-a)^2=a^2 의 내부 전체를 움직인다. 원기둥 안의 각 (x,y)(x,y) 에 대해 zz 는 −x2+y2-\sqrt{x^2+y^2} 에서 x2+y2\sqrt{x^2+y^2} 까지 움직인다. x2+(y−a)2=a2x^2+(y-a)^2=a^2 은 x2+y2−2ay=0x^2+y^2-2ay=0 일 필요충분조건이므로, 원기둥의 방정식은 극좌표에서 r2=2arsin⁡θr^2=2ar\sin\theta, 곧 r=2asin⁡θr=2a\sin\theta 이다.

그림

따라서 (r,θ)(r,\theta) 는 0≤θ≤π, 0≤r≤2asin⁡θ0\le\theta\le\pi,\ 0\le r\le 2a\sin\theta 를 움직이고, 이 영역의 각 (r,θ)(r,\theta) 에 대해 zz 는 −r-r 에서 rr 까지 움직인다. x→−xx\rightarrow -x 에 대한 대칭성에 의해 부피는

Volume=2∫0π2dθ∫02asin⁡θdr r[r−(−r)]=4∫0π2dθ∫02asin⁡θdr r2=43∫0π2 ⁣ ⁣dθ (2asin⁡θ)3=323a3∫0π2 ⁣ ⁣dθ sin⁡θ(1−cos⁡2θ)=−323a3∫10dt (1−t2) 여기서 t=cos⁡θ =−323a3[t−t33]10=649a3\begin{aligned} \text{Volume} &=2\int_0^{{\pi\over 2}}\mathrm{d}\theta\int_0^{2a\sin\theta}\mathrm{d}r\ r\big[r-(-r)\big] =4\int_0^{{\pi\over 2}}\mathrm{d}\theta\int_0^{2a\sin\theta}\mathrm{d}r\ r^2 =\frac{4}{3}\int_0^{{\pi\over 2}}\!\!\mathrm{d}\theta\ (2a\sin\theta)^3 \\ &=\frac{32}{3}a^3\int_0^{{\pi\over 2}}\!\!\mathrm{d}\theta\ \sin\theta(1-\cos^2\theta) =-\frac{32}{3}a^3\int_1^0 dt\ (1-t^2)\text{ 여기서 $t=\cos\theta$ }\\ &=-\frac{32}{3}a^3\left[t-\frac{t^3}{3}\right]_1^0 =\frac{64}{9}a^3 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

For this region xx and yy run over the interior of the cylinder x2+(y−a)2=a2x^2+(y-a)^2=a^2. For each (x,y)(x,y) inside the cylinder, zz runs from −x2+y2-\sqrt{x^2+y^2} to x2+y2\sqrt{x^2+y^2}. As x2+(y−a)2=a2x^2+(y-a)^2=a^2 if and only if x2+y2−2ay=0x^2+y^2-2ay=0, the cylinder has equation r2=2arsin⁡θr^2=2ar\sin\theta, or equivalently, r=2asin⁡θr=2a\sin\theta, in polar coordinates.

figure

Thus (r,θ)(r,\theta) runs over 0≤θ≤π, 0≤r≤2asin⁡θ0\le\theta\le\pi,\ 0\le r\le 2a\sin\theta and for each (r,θ)(r,\theta) in this region zz runs from −r-r to rr. By symmetry under x→−xx\rightarrow -x, the volume is

Volume=2∫0π2dθ∫02asin⁡θdr r[r−(−r)]=4∫0π2dθ∫02asin⁡θdr r2=43∫0π2 ⁣ ⁣dθ (2asin⁡θ)3=323a3∫0π2 ⁣ ⁣dθ sin⁡θ(1−cos⁡2θ)=−323a3∫10dt (1−t2) where t=cos⁡θ =−323a3[t−t33]10=649a3\begin{aligned} \text{Volume} &=2\int_0^{{\pi\over 2}}\mathrm{d}\theta\int_0^{2a\sin\theta}\mathrm{d}r\ r\big[r-(-r)\big] =4\int_0^{{\pi\over 2}}\mathrm{d}\theta\int_0^{2a\sin\theta}\mathrm{d}r\ r^2 =\frac{4}{3}\int_0^{{\pi\over 2}}\!\!\mathrm{d}\theta\ (2a\sin\theta)^3 \\ &=\frac{32}{3}a^3\int_0^{{\pi\over 2}}\!\!\mathrm{d}\theta\ \sin\theta(1-\cos^2\theta) =-\frac{32}{3}a^3\int_1^0 dt\ (1-t^2)\text{ where $t=\cos\theta$ }\\ &=-\frac{32}{3}a^3\left[t-\frac{t^3}{3}\right]_1^0 =\frac{64}{9}a^3 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 8번
# 극좌표 이중적분계산보통자동 분류
3.CLP-3 · 3.2절 · 10번대학 수준우리말 번역

a>0a>0 이라 하자. 두 원기둥 x2+y2≤2axx^2+y^2\le 2ax 와 z2≤2axz^2\le 2ax 의 공통부분의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Let a>0a>0. Find the volume common to the cylinders x2+y2≤2axx^2+y^2\le 2ax and z2≤2axz^2\le 2ax.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

아래 그림은 주어진 입체를 위에서 본 모양이다. (x,y)(x,y) 는 원 x2+y2=2axx^2+y^2=2ax 의 내부 전체를 움직인다. 이 원판 안의 각 고정된 (x,y)(x,y) 에 대해 zz 는 −2ax-\sqrt{2ax} 에서 +2ax+\sqrt{2ax} 까지 움직인다. 극좌표에서 이 원은 r2=2arcos⁡θr^2=2ar\cos\theta 또는 r=2acos⁡θr=2a\cos\theta 이다.

그림

이 입체는 y→−yy\rightarrow -y 와 z→−zz\rightarrow -z 에 대해 대칭이므로 y≥0y\ge 0, z≥0z\ge 0 인 부분만 생각하고 4를 곱하면 된다. 부피는

부피=4∫0π2dθ∫02acos⁡θdr r2arcos⁡θ=4∫0π2dθ 2acos⁡θ 25 r5/2∣02acos⁡θ=85∫0π2dθ (2acos⁡θ)3=645a3∫0π2dθ cos⁡θ(1−sin⁡2θ)=645a3∫01dt (1−t2) 여기서 t=sin⁡θ=645a3[t−t33]01=12815a3\begin{aligned} \text{부피} &=4\int_0^{\pi\over 2} \mathrm{d}\theta\int_0^{2a\cos\theta} \mathrm{d}r\ r\sqrt{2ar\cos\theta} \\ &=4\int_0^{\pi\over 2} \mathrm{d}\theta\ \sqrt{2a\cos\theta}\ \frac{2}{5}\ r^{5/2}\bigg|_0^{2a\cos\theta} \\ &=\frac{8}{5}\int_0^{\pi\over 2} \mathrm{d}\theta\ \big(2a\cos\theta\big)^3 =\frac{64}{5}a^3\int_0^{\pi\over 2} \mathrm{d}\theta\ \cos\theta\big(1-\sin^2\theta\big)\\ &=\frac{64}{5}a^3\int_0^1 dt\ \big(1-t^2\big) \qquad\text{ 여기서 $t=\sin\theta$}\\ &=\frac{64}{5}a^3\left[t-\frac{t^3}{3}\right]_0^1 =\frac{128}{15}a^3 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The figure below shows the top view of the specified solid. (x,y)(x,y) runs over the interior of the circle x2+y2=2axx^2+y^2=2ax. For each fixed (x,y)(x,y) in this disk, zz runs from −2ax-\sqrt{2ax} to +2ax+\sqrt{2ax}. In polar coordinates, the circle is r2=2arcos⁡θr^2=2ar\cos\theta or r=2acos⁡θr=2a\cos\theta.

figure

The solid is symmetric under y→−yy\rightarrow -y and z→−zz\rightarrow -z, so we can restrict to y≥0y\ge 0, z≥0z\ge 0 and multiply by 4. The volume is

Volume=4∫0π2dθ∫02acos⁡θdr r2arcos⁡θ=4∫0π2dθ 2acos⁡θ 25 r5/2∣02acos⁡θ=85∫0π2dθ (2acos⁡θ)3=645a3∫0π2dθ cos⁡θ(1−sin⁡2θ)=645a3∫01dt (1−t2) where t=sin⁡θ=645a3[t−t33]01=12815a3\begin{aligned} \text{Volume} &=4\int_0^{\pi\over 2} \mathrm{d}\theta\int_0^{2a\cos\theta} \mathrm{d}r\ r\sqrt{2ar\cos\theta} \\ &=4\int_0^{\pi\over 2} \mathrm{d}\theta\ \sqrt{2a\cos\theta}\ \frac{2}{5}\ r^{5/2}\bigg|_0^{2a\cos\theta} \\ &=\frac{8}{5}\int_0^{\pi\over 2} \mathrm{d}\theta\ \big(2a\cos\theta\big)^3 =\frac{64}{5}a^3\int_0^{\pi\over 2} \mathrm{d}\theta\ \cos\theta\big(1-\sin^2\theta\big)\\ &=\frac{64}{5}a^3\int_0^1 dt\ \big(1-t^2\big) \qquad\text{ where $t=\sin\theta$}\\ &=\frac{64}{5}a^3\left[t-\frac{t^3}{3}\right]_0^1 =\frac{128}{15}a^3 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 11번
# 극좌표 이중적분계산보통자동 분류
4.CLP-3 · 3.2절 · 11번대학 수준우리말 번역

부등식 x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y 와 0≤z≤x2+y20 \le z \le \sqrt{x^2 + y^2} 으로 주어진 3차원 영역 EE 를 생각하세요.

(a) 3차원에서 EE 의 그림을 꽤 정확하게 그리세요. 좌표축에 단위를 반드시 나타내세요. (b) 극좌표를 사용하여 EE 의 부피를 구하세요. 이 문제를 원기둥좌표로 풀면 "극좌표를 사용"하는 것임에 유의하세요.

힌트: ∫sin⁡nu du=−1nsin⁡n−1u cos⁡u+n−1n∫sin⁡n−2u du\int \sin^n u\ \mathrm{d}u =-\frac{1}{n}\sin^{n-1}u\ \cos u +\frac{n-1}{n}\int\sin^{n-2}u\ \mathrm{d}u

영어 원문 보기

Consider the region EE in 3–dimensions specified by the inequalities x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y and 0≤z≤x2+y20 \le z \le \sqrt{x^2 + y^2}.

(a) Draw a reasonably accurate picture of EE in 3–dimensions. Be sure to show the units on the coordinate axes. (b) Use polar coordinates to find the volume of EE. Note that you will be “using polar coordinates” if you solve this problem by means of cylindrical coordinates.

Hint: ∫sin⁡nu du=−1nsin⁡n−1u cos⁡u+n−1n∫sin⁡n−2u du\int \sin^n u\ \mathrm{d}u =-\frac{1}{n}\sin^{n-1}u\ \cos u +\frac{n-1}{n}\int\sin^{n-2}u\ \mathrm{d}u

정답·풀이 보기

(a)

  • 식 x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y 는 식 x2+(y−1)2=1x^2 + (y-1)^2=1 과 같은 영역을 나타내며, 이 식은 z=z0z=z_0 인 단면이 x=0x=0, y=1y=1, z=z0z=z_0 를 중심으로 하는 반지름이 11 인 수평 원인 원기둥의 방정식이다. 이 원기둥 중 제1팔분공간에 있는 부분을 아래 왼쪽 그림에 나타냈다.
  • z≤x2+y2z \le \sqrt{x^2 + y^2} 은 꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0) 이고 축이 양의 zz축이며, 높이 z=2z=2 에서의 반지름이 22 인 원뿔의 방정식이다. 이 원뿔 중 제1팔분공간에 있는 부분을 아래 오른쪽 그림에 나타냈다.

그림

그림

영역 EE 는 원기둥 중에서 (z≥0z\ge 0 이므로) xyxy평면 위에 있고 (z≤x2+y2z\le\sqrt{x^2+y^2} 이므로) 원뿔 바깥에 있는 부분이다. EE 중 제1팔분공간에 있는 부분을 아래 그림에 빨간색으로 윤곽을 그려 나타냈다. x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y 와 0≤z≤x2+y20 \le z \le \sqrt{x^2 + y^2} 은 모두 x→−xx\rightarrow -x 에 대해 변하지 않는다. 따라서 EE 도 x→−xx\rightarrow -x 에 대해 변하지 않는다. 즉, EE 는 yzyz평면에 대해 대칭이며, x≤0x\le 0, y≥0y\ge 0, z≥0z\ge 0 인 팔분공간에 EE 의 제1팔분공간 부분의 거울상을 포함한다.

그림

(b) 극좌표에서 x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y 는 다음과 같이 된다.

r2≤2rsin⁡θ  ⟺  r≤2sin⁡θr^2\le 2r\sin\theta \iff r\le 2\sin\theta

EE 중 제1팔분공간에 있는 부분의 밑면 영역(즉, 위 그림에서 색칠한 영역)을 DD 라 하자. DD 를 xyxy평면의 일부로 생각한다. 극좌표에서 DD 위에서는

  • θ\theta 는 00 에서 π2\frac{\pi}{2} 까지 변한다. (DD 가 제1사분면에 포함됨을 떠올리세요.)
  • 그 범위의 각 θ\theta 에 대해 rr 은 00 에서 2sin⁡θ2\sin\theta 까지 변한다.

왜냐하면

  • 극좌표에서 dA=r dr dθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이고,
  • DD 의 각 점 (x,y)(x,y) 위에서 EE 의 높이는 x2+y2\sqrt{x^2+y^2}, 곧 극좌표로 rr 이며,
  • EE 의 부피는 EE 중 제1팔분공간에 있는 부분의 부피의 두 배이기 때문이다.

따라서 다음을 얻는다.

부피(E)=2∫0π2dθ∫02sin⁡θdr r2=163∫0π2dθ sin⁡3θ=163∫0π2dθ sin⁡θ (1−cos⁡2θ)=−163∫10du (1−u2)여기서 u=cos⁡θ, du=−sin⁡θ dθ=163[1−13]=329\begin{aligned} \text{부피}(E) &= 2\int_0^{\frac{\pi}{2}}\mathrm{d}\theta \int_0^{2\sin\theta}\mathrm{d}r\ r^2 \\ &=\frac{16}{3} \int_0^{\frac{\pi}{2}}\mathrm{d}\theta\ \sin^3\theta =\frac{16}{3} \int_0^{\frac{\pi}{2}}\mathrm{d}\theta\ \sin\theta\ \big(1-\cos^2\theta\big) \\ &=-\frac{16}{3} \int_1^0\mathrm{d}u\ \big(1-u^2\big)\qquad \text{여기서 }u=\cos\theta,\ \mathrm{d}u=-\sin\theta\ \mathrm{d}\theta \\ &=\frac{16}{3}\left[1-\frac{1}{3}\right] \\ &=\frac{32}{9} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a)

  • The equation x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y is equivalent to the equation x2+(y−1)2=1x^2 + (y-1)^2=1, which is the equation of the cylinder whose z=z0z=z_0 cross–section is the horizontal circle of radius 11, centred on x=0x=0, y=1y=1, z=z0z=z_0. The part of this cylinder in the first octant is sketched in the figure on the left below.
  • z≤x2+y2z \le \sqrt{x^2 + y^2} is the equation of the cone with vertex (0,0,0)(0,0,0), and axis the positive zz–axis, whose radius at height z=2z=2 is 22. The part of this cone in the first octant is sketched in the figure on the right below.

figure

figure

The region EE is the part of the cylinder that is above the xyxy–plane (since z≥0z\ge 0) outside the cone (since z≤x2+y2z\le\sqrt{x^2+y^2}). The part of EE that is in the first octant is outlined in red in the figure below. Both x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y and 0≤z≤x2+y20 \le z \le \sqrt{x^2 + y^2} are invariant under x→−xx\rightarrow -x. So EE is also invariant under x→−xx\rightarrow -x. That is, EE is symmetric about the yzyz–plane and contains, in the octant x≤0x\le 0, y≥0y\ge 0, z≥0z\ge 0, a mirror image of the first octant part of EE.

figure

(b) In polar coordinates, x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y becomes

r2≤2rsin⁡θ  ⟺  r≤2sin⁡θr^2\le 2r\sin\theta \iff r\le 2\sin\theta

Let us denote by DD the base region of the part of EE in the first octant (i.e. the shaded region in the figure above). Think of DD as being part of the xyxy–plane. In polar coordinates, on DD

  • θ\theta runs from 00 to π2\frac{\pi}{2}. (Recall that DD is contained in the first quadrant.)
  • For each θ\theta in that range, rr runs from 00 to 2sin⁡θ2\sin\theta.

Because

  • in polar coordinates dA=r dr dθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta, and
  • the height of EE above each point (x,y)(x,y) in DD is x2+y2\sqrt{x^2+y^2}, or, in polar coordinates, rr, and
  • the volume of EE is twice the volume of the part of EE in the first octant,

we have

Volume(E)=2∫0π2dθ∫02sin⁡θdr r2=163∫0π2dθ sin⁡3θ=163∫0π2dθ sin⁡θ (1−cos⁡2θ)=−163∫10du (1−u2)with u=cos⁡θ, du=−sin⁡θ dθ=163[1−13]=329\begin{aligned} \text{Volume}(E) &= 2\int_0^{\frac{\pi}{2}}\mathrm{d}\theta \int_0^{2\sin\theta}\mathrm{d}r\ r^2 \\ &=\frac{16}{3} \int_0^{\frac{\pi}{2}}\mathrm{d}\theta\ \sin^3\theta =\frac{16}{3} \int_0^{\frac{\pi}{2}}\mathrm{d}\theta\ \sin\theta\ \big(1-\cos^2\theta\big) \\ &=-\frac{16}{3} \int_1^0\mathrm{d}u\ \big(1-u^2\big)\qquad \text{with }u=\cos\theta,\ \mathrm{d}u=-\sin\theta\ \mathrm{d}\theta \\ &=\frac{16}{3}\left[1-\frac{1}{3}\right] \\ &=\frac{32}{9} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 12번
# 극좌표 이중적분활용보통자동 분류
5.CLP-3 · 3.2절 · 12번대학 수준우리말 번역

다음 반복 이중적분의 값을 구하세요.

∫x=0x=2∫y=0y=4−x2(x2+y2)32 dy dx\int_{x=0}^{x=2}\int_{y=0}^{y=\sqrt{4-x^2}} {(x^2+y^2)}^{\frac{3}{2}}\ \mathrm{d}y\,\mathrm{d}x

영어 원문 보기

Evaluate the iterated double integral

∫x=0x=2∫y=0y=4−x2(x2+y2)32 dy dx\int_{x=0}^{x=2}\int_{y=0}^{y=\sqrt{4-x^2}} {(x^2+y^2)}^{\frac{3}{2}}\ \mathrm{d}y\,\mathrm{d}x

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

적분 영역에서

  • xx 는 00 부터 22 까지 변하고,
  • 그 범위에서 고정된 각 xx 에 대해 yy 는 00 부터 4−x2\sqrt{4-x^2} 까지 변한다. 방정식 y=4−x2y=\sqrt{4-x^2} 은 x2+y2=4x^2+y^2=4, y≥0y\ge 0 과 같다.

이 영역은 아래 왼쪽 그림에 나타나 있다.

그림

그림

  • 피적분함수 (x2+y2)32{(x^2+y^2)}^{\frac{3}{2}} 은 원점을 중심으로 한 회전에 대해 변하지 않고,
  • 바깥쪽 곡선 x2+y2=4x^2+y^2=4 도 원점을 중심으로 한 회전에 대해 변하지 않으므로

극좌표를 사용한다. 극좌표에서

  • 바깥쪽 곡선 x2+y2=4x^2+y^2=4 는 r=2r=2 이고,
  • 피적분함수 (x2+y2)32{(x^2+y^2)}^{\frac{3}{2}} 은 r3r^3 이며,
  • dA=r dr dθ\mathrm{d}A=r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이다.

위 오른쪽 그림을 보면, 주어진 적분을 극좌표로 나타내면 다음과 같음을 알 수 있다.

∫0π/2dθ∫02dr r(r3)=π2 255=16π5\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^2\mathrm{d}r\ r (r^3) &=\frac{\pi}{2}\ \frac{2^5}{5} =\frac{16\pi}{5} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

On the domain of integration

  • xx runs for 00 to 22, and
  • for each fixed xx in that range, yy runs from 00 to 4−x2\sqrt{4-x^2}. The equation y=4−x2y=\sqrt{4-x^2} is equivalent to x2+y2=4x^2+y^2=4, y≥0y\ge 0.

This domain is sketched in the figure on the left below.

figure

figure

Considering that

  • the integrand, (x2+y2)32{(x^2+y^2)}^{\frac{3}{2}}, is invariant under rotations about the origin and
  • the outer curve, x2+y2=4x^2+y^2=4, is invariant under rotations about the origin

we'll use polar coordinates. In polar coordinates,

  • the outer curve, x2+y2=4x^2+y^2=4, is r=2r=2, and
  • the integrand, (x2+y2)32{(x^2+y^2)}^{\frac{3}{2}} is r3r^3, and
  • dA=r dr dθ\mathrm{d}A=r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta

Looking at the figure on the right above, we see that the given integral is, in polar coordinates,

∫0π/2dθ∫02dr r(r3)=π2 255=16π5\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^2\mathrm{d}r\ r (r^3) &=\frac{\pi}{2}\ \frac{2^5}{5} =\frac{16\pi}{5} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 13번
# 극좌표 이중적분계산보통자동 분류
6.CLP-3 · 3.2절 · 13번대학 수준우리말 번역

(a) 경계 곡선이

x2+y2=2, x2+y2=4, y=x, y=0x^2 + y^2 = 2,\ x^2 + y^2 = 4,\ y = x,\ y = 0

인 영역 L\mathcal{L} (xyxy–평면의 제1사분면에 있는 영역)을 그리세요.

영역 L\mathcal{L} 위에서 밀도 함수가 ρ(x,y)\rho(x,y) 인 얇은 판의 질량은 다음과 같다.

M=∬Lρ(x,y) dAM =\iint _\mathcal{L} \rho(x,y)\,\mathrm{d}A (b) MM 을 극좌표계의 적분으로 나타낸 식을 구하세요. (c) 다음과 같을 때 M을 구하세요.

ρ(x,y)=2xyx2+y2\rho(x,y) = \frac{2xy}{x^2+y^2}

영어 원문 보기

(a) Sketch the region L\mathcal{L} (in the first quadrant of the xyxy–plane) with boundary curves

x2+y2=2, x2+y2=4, y=x, y=0.x^2 + y^2 = 2,\ x^2 + y^2 = 4,\ y = x,\ y = 0.

The mass of a thin lamina with a density function ρ(x,y)\rho(x,y) over the region L\mathcal{L} is given by

M=∬Lρ(x,y) dAM =\iint _\mathcal{L} \rho(x,y)\,\mathrm{d}A (b) Find an expression for MM as an integral in polar coordinates. (c) Find M when

ρ(x,y)=2xyx2+y2\rho(x,y) = \frac{2xy}{x^2+y^2}

정답·풀이 보기

(a) 영역 L\mathcal{L} 은 아래 왼쪽 그림과 같다.

그림

그림

(b) 극좌표계에서

  • 원 x2+y2=2x^2+y^2=2 는 r2=2r^2=2 또는 r=2r=\sqrt{2} 이고,
  • 원 x2+y2=4x^2+y^2=4 는 r2=4r^2=4 또는 r=2r=2 이고,
  • 직선 y=xy=x 는 rsin⁡θ=rcos⁡θr\sin\theta = r\cos\theta, 즉 tan⁡θ=1\tan\theta =1 , 또는 (제1사분면에 있는 부분은) θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 이고,
  • 양의 xx–축 (y=0y=0, x≥0x\ge 0)은 θ=0\theta=0 이다.

위 오른쪽 그림을 보면, L\mathcal{L} 에서

  • θ\theta 는 00 부터 π4\frac{\pi}{4} 까지 변하고,
  • 그 범위의 각 고정된 θ\theta 에 대해 rr 는 2\sqrt{2} 부터 22 까지 변한다.
  • dA\mathrm{d}A 는 r dr dθr\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이다.

따라서

M=∫0π/4dθ∫22dr r ρ(rcos⁡θ , rsin⁡θ)\begin{aligned} M = \int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\int_{\sqrt{2}}^2\mathrm{d}r\ r\, \rho(r\cos\theta\,,\,r\sin\theta) \end{aligned}

이다.

(c)

ρ=2xyx2+y2=2r2cos⁡θ sin⁡θr2=sin⁡(2θ)\begin{aligned} \rho = \frac{2xy}{x^2+y^2} = \frac{2r^2\cos\theta\,\sin\theta}{r^2} =\sin(2\theta) \end{aligned}

일 때

M=∫0π/4dθ∫22dr r sin⁡(2θ)=[∫0π/4sin⁡(2θ) dθ][∫22r dr]=[−12cos⁡(2θ)]0π/4[r22]22=12 4−22=12\begin{aligned} M &= \int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\int_{\sqrt{2}}^2\mathrm{d}r\ r\, \sin(2\theta) \\ &=\left[\int_0^{\pi/4}\sin(2\theta)\ \mathrm{d}\theta\right] \left[\int_{\sqrt{2}}^2 r\ \mathrm{d}r\right] \\ &=\left[-\frac{1}{2}\cos(2\theta)\right]_0^{\pi/4} \left[ \frac{r^2}{2}\right]_{\sqrt{2}}^2 =\frac{1}{2}\ \frac{4-2}{2} \\ &=\frac{1}{2} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The region L\mathcal{L} is sketched in the figure on the leflt below.

figure

figure

(b) In polar coordinates

  • the circle x2+y2=2x^2+y^2=2 is r2=2r^2=2 or r=2r=\sqrt{2}, and
  • the circle x2+y2=4x^2+y^2=4 is r2=4r^2=4 or r=2r=2, and
  • the line y=xy=x is rsin⁡θ=rcos⁡θr\sin\theta = r\cos\theta, or tan⁡θ=1\tan\theta =1 , or (for the part in the first quadrant) θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, and
  • the positive xx–axis (y=0y=0, x≥0x\ge 0) is θ=0\theta=0

Looking at the figure on the right above, we see that, in L\mathcal{L},

  • θ\theta runs from 00 to π4\frac{\pi}{4}, and
  • for each fixed θ\theta in that range, rr runs from 2\sqrt{2} to 22.
  • dA\mathrm{d}A is r dr dθr\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta

So

M=∫0π/4dθ∫22dr r ρ(rcos⁡θ , rsin⁡θ)\begin{aligned} M = \int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\int_{\sqrt{2}}^2\mathrm{d}r\ r\, \rho(r\cos\theta\,,\,r\sin\theta) \end{aligned}

(c) When

ρ=2xyx2+y2=2r2cos⁡θ sin⁡θr2=sin⁡(2θ)\begin{aligned} \rho = \frac{2xy}{x^2+y^2} = \frac{2r^2\cos\theta\,\sin\theta}{r^2} =\sin(2\theta) \end{aligned}

we have

M=∫0π/4dθ∫22dr r sin⁡(2θ)=[∫0π/4sin⁡(2θ) dθ][∫22r dr]=[−12cos⁡(2θ)]0π/4[r22]22=12 4−22=12\begin{aligned} M &= \int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\int_{\sqrt{2}}^2\mathrm{d}r\ r\, \sin(2\theta) \\ &=\left[\int_0^{\pi/4}\sin(2\theta)\ \mathrm{d}\theta\right] \left[\int_{\sqrt{2}}^2 r\ \mathrm{d}r\right] \\ &=\left[-\frac{1}{2}\cos(2\theta)\right]_0^{\pi/4} \left[ \frac{r^2}{2}\right]_{\sqrt{2}}^2 =\frac{1}{2}\ \frac{4-2}{2} \\ &=\frac{1}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 3번
# 극좌표 이중적분그래프·표 해석보통자동 분류
7.CLP-3 · 3.2절 · 14번대학 수준우리말 번역

∬R21(1+x2+y2)2 dA\displaystyle \iint _{\mathbb{R}^2} \frac{1}{{(1+x^2+y^2)}^2}\ \mathrm{d}A 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∬R21(1+x2+y2)2 dA\displaystyle \iint _{\mathbb{R}^2} \frac{1}{{(1+x^2+y^2)}^2}\ \mathrm{d}A.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

극좌표를 사용한다. 적분의 정의역은

R2={ (rcos⁡θ , rsin⁡θ) ∣ 0≤r<∞, 0≤θ≤2π }\mathbb{R}^2=\big\{ \ (r\cos\theta\,,\,r\sin\theta)\ \big|\ 0\le r<\infty,\ 0\le\theta\le 2\pi\ \big\}

이다. 주어진 적분은 이상적분이므로, 먼저 rr 을 00 에서 임의의 R>0R>0 까지 적분한 다음 R→∞R\rightarrow\infty 일 때의 극한을 취한다. 극좌표에서 피적분함수는 1(1+x2+y2)2=1(1+r2)2\frac{1}{{(1+x^2+y^2)}^2}=\frac{1}{{(1+r^2)}^2} 이고 dA=r dr dθ\mathrm{d}A=r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이므로

∬R21(1+x2+y2)2 dA=lim⁡R→∞∫02πdθ∫0Rdrr(1+r2)2=lim⁡R→∞∫02πdθ [−12(1+r2)]0R=lim⁡R→∞2π[12−12(1+R2)]=π\begin{aligned} \iint _{\mathbb{R}^2} \frac{1}{{(1+x^2+y^2)}^2}\ \mathrm{d}A &=\lim_{R\rightarrow\infty} \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\int_0^R\mathrm{d}r \frac{r}{{(1+r^2)}^2} \\ &=\lim_{R\rightarrow\infty} \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \left[-\frac{1}{2(1+r^2)}\right]_0^R \\ &=\lim_{R\rightarrow\infty} 2\pi \left[\frac{1}{2}-\frac{1}{2(1+R^2)}\right] \\ &=\pi \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We'll use polar coordinates. The domain of integration is

R2={ (rcos⁡θ , rsin⁡θ) ∣ 0≤r<∞, 0≤θ≤2π }\mathbb{R}^2=\big\{ \ (r\cos\theta\,,\,r\sin\theta)\ \big|\ 0\le r<\infty,\ 0\le\theta\le 2\pi\ \big\}

The given integral is improper, so we'll start by integrating rr from 00 to an arbitrary R>0R>0, and then we'll take the limit R→∞R\rightarrow\infty. In polar coordinates, the integrand 1(1+x2+y2)2=1(1+r2)2\frac{1}{{(1+x^2+y^2)}^2}=\frac{1}{{(1+r^2)}^2}, and dA=r dr dθ\mathrm{d}A=r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta, so

∬R21(1+x2+y2)2 dA=lim⁡R→∞∫02πdθ∫0Rdrr(1+r2)2=lim⁡R→∞∫02πdθ [−12(1+r2)]0R=lim⁡R→∞2π[12−12(1+R2)]=π\begin{aligned} \iint _{\mathbb{R}^2} \frac{1}{{(1+x^2+y^2)}^2}\ \mathrm{d}A &=\lim_{R\rightarrow\infty} \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\int_0^R\mathrm{d}r \frac{r}{{(1+r^2)}^2} \\ &=\lim_{R\rightarrow\infty} \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \left[-\frac{1}{2(1+r^2)}\right]_0^R \\ &=\lim_{R\rightarrow\infty} 2\pi \left[\frac{1}{2}-\frac{1}{2(1+R^2)}\right] \\ &=\pi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 2번
# 극좌표 이중적분계산보통자동 분류
8.CLP-3 · 3.2절 · 15번대학 수준우리말 번역

영역 D={ (x,y) ∣ x2+y2≤2, 0≤y≤x }D =\big\{ \ (x,y)\ \big|\ x^2+y^2\le 2,\ 0\le y\le x\ \big\} 에서 다음 이중적분의 값을 구하세요.

∬Dyx2+y2 dA\iint _D y\sqrt{x^2+y^2}\,\mathrm{d}A

영어 원문 보기

Evaluate the double integral

∬Dyx2+y2 dA\iint _D y\sqrt{x^2+y^2}\,\mathrm{d}A

over the region D={ (x,y) ∣ x2+y2≤2, 0≤y≤x }D =\big\{ \ (x,y)\ \big|\ x^2+y^2\le 2,\ 0\le y\le x\ \big\}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

극좌표로 바꾸자. 극좌표에서 원 x2+y2=2x^2+y^2=2 는 r=2r=\sqrt{2} 이고 직선 y=xy=x 는 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 이다.

그림

극좌표에서 dA=r dr dθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이므로 적분은

∬Dyx2+y2 dA=∫0π/4dθ∫02dr r rsin⁡θ⏞y r⏞x2+y2=∫0π/4dθ sin⁡θ [r44]02=[−cos⁡θ]0π/4=1−12\begin{aligned} \iint _D y\sqrt{x^2+y^2}\,\mathrm{d}A &=\int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\int_0^{\sqrt{2}}\mathrm{d}r\ r\ \overbrace{r\sin\theta}^{y}\ \overbrace{r}^{\sqrt{x^2+y^2}} \\ &=\int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\ \sin\theta\ \left[\frac{r^4}{4}\right]_0^{\sqrt{2}} \\ &=\Big[-\cos\theta\Big]_0^{\pi/4} \\ &= 1-\frac{1}{\sqrt{2}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Let's switch to polar coordinates. In polar coordinates, the circle x2+y2=2x^2+y^2=2 is r=2r=\sqrt{2} and the line y=xy=x is θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}.

figure

In polar coordinates dA=r dr dθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta, so the integral

∬Dyx2+y2 dA=∫0π/4dθ∫02dr r rsin⁡θ⏞y r⏞x2+y2=∫0π/4dθ sin⁡θ [r44]02=[−cos⁡θ]0π/4=1−12\begin{aligned} \iint _D y\sqrt{x^2+y^2}\,\mathrm{d}A &=\int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\int_0^{\sqrt{2}}\mathrm{d}r\ r\ \overbrace{r\sin\theta}^{y}\ \overbrace{r}^{\sqrt{x^2+y^2}} \\ &=\int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\ \sin\theta\ \left[\frac{r^4}{4}\right]_0^{\sqrt{2}} \\ &=\Big[-\cos\theta\Big]_0^{\pi/4} \\ &= 1-\frac{1}{\sqrt{2}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 1번
# 극좌표 이중적분계산보통자동 분류
9.CLP-3 · 3.2절 · 16번대학 수준우리말 번역

이 문제는 다음 적분에 관한 것이다.

∫01∫3y4−y2ln⁡(1+x2+y2) dx dy\int_0^1 \int_{\sqrt{3}y}^{\sqrt{4-y^2}} \ln\big(1+x^2+y^2)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y

(a) 적분 영역을 그림으로 그리세요. (b) 극좌표로 변환하여 적분의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

This question is about the integral

∫01∫3y4−y2ln⁡(1+x2+y2) dx dy\int_0^1 \int_{\sqrt{3}y}^{\sqrt{4-y^2}} \ln\big(1+x^2+y^2)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y

(a) Sketch the domain of integration. (b) Evaluate the integral by transforming to polar coordinates.

정답·풀이 보기

(a) 적분 영역에서

  • yy 는 00 부터 11 까지 변한다. 부등식으로 나타내면 0≤y≤10\le y\le 1 이다.
  • 이 범위의 각 고정된 yy 에 대해 xx 는 3 y\sqrt{3}\,y 부터 4−y2\sqrt{4-y^2} 까지 변한다. 부등식으로 나타내면 3 y≤x≤4−y2\sqrt{3}\,y\le x\le \sqrt{4-y^2} 이다. 부등식 x≤4−y2x\le \sqrt{4-y^2}, x≥0x\ge 0 은 x2+y2≤4x^2+y^2\le 4, x≥0x\ge 0 과 같음에 주의한다.

직선 x=3 yx=\sqrt{3}\, y 와 원 x2+y2≤4x^2+y^2\le 4 는 3y2+y2=43y^2+y^2=4 일 때, 즉 y=±1y=\pm 1 일 때 만난다. 그림은 다음과 같다.

그림

(b) 극좌표에서 원 x2+y2=4x^2+y^2= 4 는 r=2r=2 이고 직선 x=3 yx=\sqrt{3}\, y, 즉 yx=13\frac{y}{x} =\frac{1}{\sqrt{3}} 은 tan⁡θ=13\tan\theta=\frac{1}{\sqrt{3}}, 곧 θ=π6\theta=\frac{\pi}{6} 이다. dx dy=r dr dθ\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이므로 적분 영역은

{ (rcos⁡θ,rsin⁡θ) ∣ 0≤θ≤π/6, 0≤r≤2 }\begin{aligned} \big\{ \ (r\cos\theta,r\sin\theta)\ \big|\ 0\le \theta\le{\pi}/{6},\ 0\le r\le 2\ \big\} \end{aligned}

이고

∫01∫3y4−y2ln⁡(1+x2+y2) dx dy=∫02dr∫0π/6dθ r ln⁡(1+r2)=π6∫02dr r ln⁡(1+r2)=π12∫15duln⁡(u)여기서 u=1+r2, du=2r dr=π12[uln⁡(u)−u]15=π12[5ln⁡(5)−4]\begin{aligned} \int_0^1 \int_{\sqrt{3}y}^{\sqrt{4-y^2}} \ln\big(1+x^2+y^2)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y &= \int_0^2\mathrm{d}r\int_0^{\pi/6}\mathrm{d}\theta\ r\,\ln(1+r^2) = \frac{\pi}{6}\int_0^2\mathrm{d}r\ r\,\ln(1+r^2) \\ &=\frac{\pi}{12}\int_1^5 \mathrm{d}u \ln(u) \qquad\text{여기서 }u=1+r^2,\ \mathrm{d}u=2r\,\mathrm{d}r \\ &=\frac{\pi}{12}\Big[u\ln(u)-u\Big]_1^5 \\ &=\frac{\pi}{12}\big[5\ln(5)-4\big] \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) On the domain of integration

  • yy runs from 00 to 11. In inequalities, 0≤y≤10\le y\le 1.
  • For each fixed yy in that range, xx runs from 3 y\sqrt{3}\,y to 4−y2\sqrt{4-y^2}. In inequalities, that is 3 y≤x≤4−y2\sqrt{3}\,y\le x\le \sqrt{4-y^2}. Note that the inequalities x≤4−y2x\le \sqrt{4-y^2}, x≥0x\ge 0 are equivalent to x2+y2≤4x^2+y^2\le 4, x≥0x\ge 0.

Note that the line x=3 yx=\sqrt{3}\, y and the circle x2+y2≤4x^2+y^2\le 4 intersect when 3y2+y2=43y^2+y^2=4, i.e. y=±1y=\pm 1. Here is a sketch.

figure

(b) In polar coordinates, the circle x2+y2=4x^2+y^2= 4 is r=2r=2 and the line x=3 yx=\sqrt{3}\, y, i.e. yx=13\frac{y}{x} =\frac{1}{\sqrt{3}}, is tan⁡θ=13\tan\theta=\frac{1}{\sqrt{3}} or θ=π6\theta=\frac{\pi}{6}. As dx dy=r dr dθ\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta, the domain of integration is

{ (rcos⁡θ,rsin⁡θ) ∣ 0≤θ≤π/6, 0≤r≤2 }\begin{aligned} \big\{ \ (r\cos\theta,r\sin\theta)\ \big|\ 0\le \theta\le{\pi}/{6},\ 0\le r\le 2\ \big\} \end{aligned}

and

∫01∫3y4−y2ln⁡(1+x2+y2) dx dy=∫02dr∫0π/6dθ r ln⁡(1+r2)=π6∫02dr r ln⁡(1+r2)=π12∫15duln⁡(u)with u=1+r2, du=2r dr=π12[uln⁡(u)−u]15=π12[5ln⁡(5)−4]\begin{aligned} \int_0^1 \int_{\sqrt{3}y}^{\sqrt{4-y^2}} \ln\big(1+x^2+y^2)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y &= \int_0^2\mathrm{d}r\int_0^{\pi/6}\mathrm{d}\theta\ r\,\ln(1+r^2) = \frac{\pi}{6}\int_0^2\mathrm{d}r\ r\,\ln(1+r^2) \\ &=\frac{\pi}{12}\int_1^5 \mathrm{d}u \ln(u) \qquad\text{with }u=1+r^2,\ \mathrm{d}u=2r\,\mathrm{d}r \\ &=\frac{\pi}{12}\Big[u\ln(u)-u\Big]_1^5 \\ &=\frac{\pi}{12}\big[5\ln(5)-4\big] \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 17번
# 극좌표 이중적분그래프·표 해석보통자동 분류
10.CLP-3 · 3.2절 · 17번대학 수준우리말 번역

xyxy–평면에서 왼쪽은 직선 x=2x = 2 로, 오른쪽은 원 x2+y2=16x^2 + y^2 = 16 으로 둘러싸인 영역을 DD 라 하자. 다음 값을 구하세요.

∬D(x2+y2)−3/2 dA\iint _D\big(x^2+y^2\big)^{-3/2}\ \mathrm{d}A

영어 원문 보기

Let DD be the region in the xyxy–plane bounded on the left by the line x=2x = 2 and on the right by the circle x2+y2=16x^2 + y^2 = 16. Evaluate

∬D(x2+y2)−3/2 dA\iint _D\big(x^2+y^2\big)^{-3/2}\ \mathrm{d}A

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

다음은 DD 의 그림이다.

그림

극좌표를 사용한다. 극좌표에서 원 x2+y2=16x^2+y^2=16 은 r=4r=4 이고 직선 x=2x=2 는 rcos⁡θ=2r\cos\theta =2 이다. 따라서

D={(rcos⁡θ , rsin⁡θ) ∣ −π3≤θ≤π3, 2cos⁡θ≤r≤4 }\begin{aligned} D = \left\{(r\cos\theta\,,\,r\sin\theta)\ \left|\ -\frac{\pi}{3}\le\theta\le\frac{\pi}{3},\ \frac{2}{\cos\theta}\le r\le 4\ \right.\right\} \end{aligned}

이고, dA=r dr dθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이므로 주어진 적분은 다음과 같다.

∬D(x2+y2)−3/2 dA=∫−π/3π/3dθ∫2/cos⁡θ4dr r1r3=∫−π/3π/3dθ [−1r]2/cos⁡θ4=∫−π/3π/3dθ [cos⁡θ2−14]=[sin⁡θ2−θ4]−π/3π/3=32−π6\begin{aligned} \iint _D\big(x^2+y^2\big)^{-3/2}\ \mathrm{d}A &= \int_{-\pi/3}^{\pi/3} \mathrm{d}\theta\int_{2/\cos\theta}^4\mathrm{d}r\ r\frac{1}{r^3} \\ &= \int_{-\pi/3}^{\pi/3} \mathrm{d}\theta\ \left[-\frac{1}{r}\right]_{2/\cos\theta}^4 \\ &= \int_{-\pi/3}^{\pi/3} \mathrm{d}\theta\ \left[\frac{\cos\theta}{2}-\frac{1}{4}\right] \\ &= \left[\frac{\sin\theta}{2}-\frac{\theta}{4}\right]_{-\pi/3}^{\pi/3} \\ &=\frac{\sqrt{3}}{2}-\frac{\pi}{6} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Here is a sketch of DD.

figure

We'll use polar coordinates. In polar coordinates the circle x2+y2=16x^2+y^2=16 is r=4r=4 and the line x=2x=2 is rcos⁡θ=2r\cos\theta =2. So

D={(rcos⁡θ , rsin⁡θ) ∣ −π3≤θ≤π3, 2cos⁡θ≤r≤4 }\begin{aligned} D = \left\{(r\cos\theta\,,\,r\sin\theta)\ \left|\ -\frac{\pi}{3}\le\theta\le\frac{\pi}{3},\ \frac{2}{\cos\theta}\le r\le 4\ \right.\right\} \end{aligned}

and, as dA=r dr dθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta, the specified integral is

∬D(x2+y2)−3/2 dA=∫−π/3π/3dθ∫2/cos⁡θ4dr r1r3=∫−π/3π/3dθ [−1r]2/cos⁡θ4=∫−π/3π/3dθ [cos⁡θ2−14]=[sin⁡θ2−θ4]−π/3π/3=32−π6\begin{aligned} \iint _D\big(x^2+y^2\big)^{-3/2}\ \mathrm{d}A &= \int_{-\pi/3}^{\pi/3} \mathrm{d}\theta\int_{2/\cos\theta}^4\mathrm{d}r\ r\frac{1}{r^3} \\ &= \int_{-\pi/3}^{\pi/3} \mathrm{d}\theta\ \left[-\frac{1}{r}\right]_{2/\cos\theta}^4 \\ &= \int_{-\pi/3}^{\pi/3} \mathrm{d}\theta\ \left[\frac{\cos\theta}{2}-\frac{1}{4}\right] \\ &= \left[\frac{\sin\theta}{2}-\frac{\theta}{4}\right]_{-\pi/3}^{\pi/3} \\ &=\frac{\sqrt{3}}{2}-\frac{\pi}{6} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 6번
# 극좌표 이중적분계산보통자동 분류
11.CLP-3 · 3.2절 · 18번대학 수준우리말 번역

xyxy–평면에서 원판 x2+y2≤2xx^2 + y^2 \le 2x 를 직선 y=xy = x 로 22 개의 조각으로 자른다. 그중 더 큰 조각을 DD 라 하자.

(a) 주어진 원판의 중심과 반지름을 정확하게 나타내어 DD 를 그리세요. 그런 다음 DD 를 극좌표 (r,θ)(r, \theta) 로 나타내세요. (b) z=x2+y2z = \sqrt{x^2 + y^2} 의 아래쪽, DD 의 위쪽에 있는 입체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

In the xyxy–plane, the disk x2+y2≤2xx^2 + y^2 \le 2x is cut into 22 pieces by the line y=xy = x. Let DD be the larger piece.

(a) Sketch DD including an accurate description of the center and radius of the given disk. Then describe DD in polar coordinates (r,θ)(r, \theta). (b) Find the volume of the solid below z=x2+y2z = \sqrt{x^2 + y^2} and above DD.

정답·풀이 보기

(a) 부등식 x2+y2≤2xx^2 + y^2 \le 2x 는 (x−1)2+y2≤1(x-1)^2 + y^2 \le 1 과 같고, (x,y)(x,y) 가 (1,0)(1,0) 을 중심으로 하는 반지름 11 인 원판의 내부에 있음을 뜻한다. 그림은 다음과 같다.

그림

극좌표에서 x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta 이므로 직선 y=xy=x 는 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 이고 원 x2+y2=2xx^2+y^2=2x 는

r2=2rcos⁡θ또는r=2cos⁡θr^2=2r\cos\theta \qquad\text{또는}\qquad r=2\cos\theta

이다. 따라서

D={ (rcos⁡θ , rsin⁡θ) ∣ −π/2≤θ≤π/4, 0≤r≤2cos⁡θ }D = \big\{ \ (r\cos\theta\,,\,r\sin\theta)\ \big|\ -{\pi}/{2}\le\theta\le{\pi}/{4},\ 0\le r\le 2\cos\theta\ \big\}

이다.

(b) 극좌표가 rr, θ\theta 인 DD 의 점 위쪽에서 입체의 높이는 z=rz=r 이다. 따라서

부피=∬Dr dA=∬Dr2 dr dθ=∫−π/2π/4dθ∫02cos⁡θdr r2=83∫−π/2π/4dθ cos⁡3θ=83∫−π/2π/4dθ cos⁡θ[1−sin⁡2θ]=83[sin⁡θ−sin⁡3θ3]−π/2π/4=83[(12−162)−(−1+13)]=40182+169\begin{aligned} \text{부피} &= \iint _D r\ \mathrm{d}A=\iint _D r^2\ \mathrm{d}r\, \mathrm{d}\theta =\int_{-\pi/2}^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\int_0^{2\cos\theta} \mathrm{d}r\ r^2 \\ &= \frac{8}{3}\int_{-\pi/2}^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\ \cos^3\theta = \frac{8}{3}\int_{-\pi/2}^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\ \cos\theta\big[1-\sin^2\theta\big] \\ &=\frac{8}{3} \left[\sin\theta -\frac{\sin^3\theta}{3}\right]_{-\pi/2}^{\pi/4}\\ &=\frac{8}{3}\left[\left(\frac{1}{\sqrt{2}} -\frac{1}{6\sqrt{2}}\right) -\left(-1 + \frac{1}{3}\right) \right] \\ &=\frac{40}{18\sqrt{2}} +\frac{16}{9} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) The inequality x2+y2≤2xx^2 + y^2 \le 2x is equivalent to (x−1)2+y2≤1(x-1)^2 + y^2 \le 1 and says that (x,y)(x,y) is to be inside the disk of radius 11 centred on (1,0)(1,0). Here is a sketch.

figure

In polar coordinates, x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta so that the line y=xy=x is θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} and the circle x2+y2=2xx^2+y^2=2x is

r2=2rcos⁡θorr=2cos⁡θr^2=2r\cos\theta \qquad\text{or}\qquad r=2\cos\theta

Consequently

D={ (rcos⁡θ , rsin⁡θ) ∣ −π/2≤θ≤π/4, 0≤r≤2cos⁡θ }D = \big\{ \ (r\cos\theta\,,\,r\sin\theta)\ \big|\ -{\pi}/{2}\le\theta\le{\pi}/{4},\ 0\le r\le 2\cos\theta\ \big\}

(b) The solid has height z=rz=r above the point in DD with polar coordinates rr, θ\theta. So the

Volume=∬Dr dA=∬Dr2 dr dθ=∫−π/2π/4dθ∫02cos⁡θdr r2=83∫−π/2π/4dθ cos⁡3θ=83∫−π/2π/4dθ cos⁡θ[1−sin⁡2θ]=83[sin⁡θ−sin⁡3θ3]−π/2π/4=83[(12−162)−(−1+13)]=40182+169\begin{aligned} \text{Volume} &= \iint _D r\ \mathrm{d}A=\iint _D r^2\ \mathrm{d}r\, \mathrm{d}\theta =\int_{-\pi/2}^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\int_0^{2\cos\theta} \mathrm{d}r\ r^2 \\ &= \frac{8}{3}\int_{-\pi/2}^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\ \cos^3\theta = \frac{8}{3}\int_{-\pi/2}^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\ \cos\theta\big[1-\sin^2\theta\big] \\ &=\frac{8}{3} \left[\sin\theta -\frac{\sin^3\theta}{3}\right]_{-\pi/2}^{\pi/4}\\ &=\frac{8}{3}\left[\left(\frac{1}{\sqrt{2}} -\frac{1}{6\sqrt{2}}\right) -\left(-1 + \frac{1}{3}\right) \right] \\ &=\frac{40}{18\sqrt{2}} +\frac{16}{9} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 19번
# 극좌표 이중적분그래프·표 해석보통자동 분류
12.CLP-3 · 3.2절 · 19번대학 수준우리말 번역

DD 를 그림에서 색칠한 영역이라 하자. DD 에 속한 점들의 원점으로부터의 평균 거리를 구하세요. 모든 자연수 n≥2n\ge 2 에 대해 ∫cos⁡n(x) dx=cos⁡n−1(x)sin⁡(x)n+n−1n∫cos⁡n−2(x) dx\int\cos^n(x)\,dx = \frac{\cos^{n-1}(x)\sin(x)}{n} +\frac{n-1}{n}\int\cos^{n-2}(x)\,dx 임을 이용해도 됩니다.

그림

영어 원문 보기

Let DD be the shaded region in the diagram. Find the average distance of points in DD from the origin. You may use that ∫cos⁡n(x) dx=cos⁡n−1(x)sin⁡(x)n+n−1n∫cos⁡n−2(x) dx\int\cos^n(x)\,dx = \frac{\cos^{n-1}(x)\sin(x)}{n} +\frac{n-1}{n}\int\cos^{n-2}(x)\,dx for all natural numbers n≥2n\ge 2.

figure

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

극좌표를 사용한다. DD 에서

  • θ\theta 는 00 부터 π2\frac{\pi}{2} 까지 변하고,
  • 00 과 π2\frac{\pi}{2} 사이의 각 고정된 θ\theta 에 대해 rr 는 11 부터 1+cos⁡(θ)1+\cos(\theta) 까지 변한다.

따라서 DD 의 넓이는

area=A=∫0π/2dθ∫11+cos⁡θdr r=∫0π/2dθ 12r2∣11+cos⁡θ=∫0π/2dθ [12cos⁡2θ+cos⁡θ]\text{area}=A=\int_0^{\pi/2} \mathrm{d}\theta\int_1^{1+\cos\theta} \mathrm{d}r\ r =\int_0^{\pi/2} \mathrm{d}\theta\ \frac{1}{2} r^2\bigg|_1^{1+\cos\theta} =\int_0^{\pi/2} \mathrm{d}\theta\ \left[\frac{1}{2} \cos^2\theta+\cos\theta\right]

이다.

구하려는 것은 DD 위에서 rr 의 평균값이며, 이는

ave dist=1A∫0π/2dθ∫11+cos⁡θdr r2=1A∫0π/2dθ 13r3∣11+cos⁡θ=1A∫0π/2dθ [13cos⁡3θ+cos⁡2θ+cos⁡θ]\begin{aligned} \text{ave\ dist}&=\frac{1}{A}\int_0^{\pi/2} \mathrm{d}\theta\int_1^{1+\cos\theta} \mathrm{d}r\ r^2 =\frac{1}{A}\int_0^{\pi/2} \mathrm{d}\theta\ \frac{1}{3} r^3\bigg|_1^{1+\cos\theta} \\ &=\frac{1}{A}\int_0^{\pi/2} \mathrm{d}\theta\ \left[\frac{1}{3} \cos^3\theta +\cos^2\theta+\cos\theta\right] \end{aligned}

이다.

이제 코사인의 여러 거듭제곱의 적분을 계산한다.

∫0π/2cos⁡θ dθ=sin⁡θ ∣0π/2=1∫0π/2cos⁡2θ dθ=cos⁡θsin⁡θ2 ∣0π/2+12∫0π/2dθ=π4∫0π/2cos⁡3θ dθ=cos⁡2θsin⁡θ3 ∣0π/2+23∫0π/2cos⁡θ dθ=23\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\cos\theta\ \mathrm{d}\theta&=\sin\theta\,\bigg|_0^{\pi/2}=1 \\ \int_0^{\pi/2}\cos^2\theta\ \mathrm{d}\theta&=\frac{\cos\theta\sin\theta}{2}\,\bigg|_0^{\pi/2} +\frac{1}{2}\int _0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta=\frac{\pi}{4}\\ \int_0^{\pi/2}\cos^3\theta\ \mathrm{d}\theta&=\frac{\cos^2\theta\sin\theta}{3}\,\bigg|_0^{\pi/2} +\frac{2}{3}\int _0^{\pi/2}\cos\theta\ \mathrm{d}\theta=\frac{2}{3}\\ \end{aligned}

따라서 A=π8+1A=\frac{\pi}{8}+1 이고

ave dist=8π+8[29+π4+1]=2π+44/9π+8≈1.442\begin{aligned} \text{ave\ dist}=\frac{8}{\pi+8}\left[\frac{2}{9}+\frac{\pi}{4}+1\right] =2\frac{\pi+44/9}{\pi+8}\approx 1.442 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

We'll use polar coordinates. In DD

  • θ\theta runs from 00 to π2\frac{\pi}{2} and
  • for each fixed θ\theta between 00 and π2\frac{\pi}{2}, rr runs from 11 to 1+cos⁡(θ)1+\cos(\theta).

So the area of DD is

area=A=∫0π/2dθ∫11+cos⁡θdr r=∫0π/2dθ 12r2∣11+cos⁡θ=∫0π/2dθ [12cos⁡2θ+cos⁡θ]\text{area}=A=\int_0^{\pi/2} \mathrm{d}\theta\int_1^{1+\cos\theta} \mathrm{d}r\ r =\int_0^{\pi/2} \mathrm{d}\theta\ \frac{1}{2} r^2\bigg|_1^{1+\cos\theta} =\int_0^{\pi/2} \mathrm{d}\theta\ \left[\frac{1}{2} \cos^2\theta+\cos\theta\right]

We are interested in the average value of rr on DD, which is

ave dist=1A∫0π/2dθ∫11+cos⁡θdr r2=1A∫0π/2dθ 13r3∣11+cos⁡θ=1A∫0π/2dθ [13cos⁡3θ+cos⁡2θ+cos⁡θ]\begin{aligned} \text{ave\ dist}&=\frac{1}{A}\int_0^{\pi/2} \mathrm{d}\theta\int_1^{1+\cos\theta} \mathrm{d}r\ r^2 =\frac{1}{A}\int_0^{\pi/2} \mathrm{d}\theta\ \frac{1}{3} r^3\bigg|_1^{1+\cos\theta} \\ &=\frac{1}{A}\int_0^{\pi/2} \mathrm{d}\theta\ \left[\frac{1}{3} \cos^3\theta +\cos^2\theta+\cos\theta\right] \end{aligned}

Now we evaluate the integrals of the various powers of cosine.

∫0π/2cos⁡θ dθ=sin⁡θ ∣0π/2=1∫0π/2cos⁡2θ dθ=cos⁡θsin⁡θ2 ∣0π/2+12∫0π/2dθ=π4∫0π/2cos⁡3θ dθ=cos⁡2θsin⁡θ3 ∣0π/2+23∫0π/2cos⁡θ dθ=23\begin{aligned} \int_0^{\pi/2}\cos\theta\ \mathrm{d}\theta&=\sin\theta\,\bigg|_0^{\pi/2}=1 \\ \int_0^{\pi/2}\cos^2\theta\ \mathrm{d}\theta&=\frac{\cos\theta\sin\theta}{2}\,\bigg|_0^{\pi/2} +\frac{1}{2}\int _0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta=\frac{\pi}{4}\\ \int_0^{\pi/2}\cos^3\theta\ \mathrm{d}\theta&=\frac{\cos^2\theta\sin\theta}{3}\,\bigg|_0^{\pi/2} +\frac{2}{3}\int _0^{\pi/2}\cos\theta\ \mathrm{d}\theta=\frac{2}{3}\\ \end{aligned}

So A=π8+1A=\frac{\pi}{8}+1 and

ave dist=8π+8[29+π4+1]=2π+44/9π+8≈1.442\begin{aligned} \text{ave\ dist}=\frac{8}{\pi+8}\left[\frac{2}{9}+\frac{\pi}{4}+1\right] =2\frac{\pi+44/9}{\pi+8}\approx 1.442 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 9번
# 극좌표 이중적분그래프·표 해석보통자동 분류
13.CLP-3 · 3.3절 · 2번대학 수준우리말 번역

xyxy–평면에서 부등식 x2≤y≤1x^2 \le y \le 1 로 정의된 영역 DD 의 질량 중심을 구하세요. 단, 질량 밀도 함수는 ρ(x,y)=y\rho(x,y) = y 이다.

영어 원문 보기

Find the centre of mass of the region DD in the xyxy–plane defined by the inequalities x2≤y≤1x^2 \le y \le 1, assuming that the mass density function is given by ρ(x,y)=y\rho(x,y) = y.

정답·풀이 보기

다음은 DD 의 개형이다.

그림

정의에 의해 질량 중심은 (xˉ,yˉ)(\bar x, \bar y) 이고, xˉ\bar x 와 yˉ\bar y 는 각각 DD 위에서 xx 좌표와 yy 좌표의 가중평균이다. 즉,

xˉ=∬Dx ρ(x,y) dA∬Dρ(x,y) dAyˉ=∬Dy ρ(x,y) dA∬Dρ(x,y) dA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _D x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _D \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \qquad \bar y = \frac{\iint _D y\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _D \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \end{aligned}

yy 축에 대한 대칭성에 의해 xˉ=0\bar x=0 이다. 따라서 yˉ\bar y 만 구하면 된다. 위 그림과 같이 세로 띠를 이용하여 적분을 계산한다. 그림을 보면 다음을 알 수 있다.

  • xx 는 −1-1 에서 11 까지 변하고,
  • 그 범위의 각 고정된 xx 에 대해 yy 는 x2x^2 에서 11 까지 변한다.

따라서 분모는

∬Dρ(x,y) dA=∫−11dx∫x21dy y⏞ρ(x,y)=12∫−11dx (1−x4)=∫01dx (1−x4)=45\begin{aligned} \iint _D \rho(x,y)\ \mathrm{d}A &= \int_{-1}^1\mathrm{d}x\int_{x^2}^1\mathrm{d}y\ \overbrace{y}^{\rho(x,y)} \\ &= \frac{1}{2}\int_{-1}^1 \mathrm{d}x\ (1-x^4) =\int_0^1 \mathrm{d}x\ (1-x^4) \\ &=\frac{4}{5} \end{aligned}

이고, yˉ\bar y 의 분자는

∬Dy ρ(x,y) dA=∫−11dx∫x21dy yy⏞ρ(x,y)=13∫−11dx (1−x6)=23∫01dx (1−x6)=23 67=47\begin{aligned} \iint _D y\,\rho(x,y)\ \mathrm{d}A &= \int_{-1}^1\mathrm{d}x\int_{x^2}^1\mathrm{d}y\ y\overbrace{y}^{\rho(x,y)} \\ &= \frac{1}{3}\int_{-1}^1 \mathrm{d}x\ (1-x^6) =\frac{2}{3}\int_0^1 \mathrm{d}x\ (1-x^6) \\ &=\frac{2}{3}\ \frac{6}{7} = \frac{4}{7} \end{aligned}

이다. 종합하면 xˉ=0\bar x=0 이고

yˉ=4745=57\begin{aligned} \bar y = \frac{\frac{4}{7}} {\frac{4}{5}} = \frac{5}{7} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Here is a sketch of DD.

figure

By definition, the centre of mass is (xˉ,yˉ)(\bar x, \bar y), with xˉ\bar x and yˉ\bar y being the weighted averages of the xx and yy–coordinates, respectively, over DD. That is,

xˉ=∬Dx ρ(x,y) dA∬Dρ(x,y) dAyˉ=∬Dy ρ(x,y) dA∬Dρ(x,y) dA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _D x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _D \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \qquad \bar y = \frac{\iint _D y\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _D \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \end{aligned}

By symmetry under reflection in the yy–axis, we have xˉ=0\bar x=0. So we just have to determine yˉ\bar y. We'll evaluate the integrals using vertical strips as in the figure above. Looking at that figure, we see that

  • xx runs from −1-1 to 11, and
  • for each fixed xx in that range, yy runs from x2x^2 to 11.

So the denominator is

∬Dρ(x,y) dA=∫−11dx∫x21dy y⏞ρ(x,y)=12∫−11dx (1−x4)=∫01dx (1−x4)=45\begin{aligned} \iint _D \rho(x,y)\ \mathrm{d}A &= \int_{-1}^1\mathrm{d}x\int_{x^2}^1\mathrm{d}y\ \overbrace{y}^{\rho(x,y)} \\ &= \frac{1}{2}\int_{-1}^1 \mathrm{d}x\ (1-x^4) =\int_0^1 \mathrm{d}x\ (1-x^4) \\ &=\frac{4}{5} \end{aligned}

and the numerator of yˉ\bar y is

∬Dy ρ(x,y) dA=∫−11dx∫x21dy yy⏞ρ(x,y)=13∫−11dx (1−x6)=23∫01dx (1−x6)=23 67=47\begin{aligned} \iint _D y\,\rho(x,y)\ \mathrm{d}A &= \int_{-1}^1\mathrm{d}x\int_{x^2}^1\mathrm{d}y\ y\overbrace{y}^{\rho(x,y)} \\ &= \frac{1}{3}\int_{-1}^1 \mathrm{d}x\ (1-x^6) =\frac{2}{3}\int_0^1 \mathrm{d}x\ (1-x^6) \\ &=\frac{2}{3}\ \frac{6}{7} = \frac{4}{7} \end{aligned}

All together, xˉ=0\bar x=0 and

yˉ=4745=57\begin{aligned} \bar y = \frac{\frac{4}{7}} {\frac{4}{5}} = \frac{5}{7} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.3절 · 3번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)계산보통자동 분류
14.CLP-3 · 3.3절 · 3번대학 수준우리말 번역

RR 을 왼쪽은 x=1x = 1 로, 오른쪽은 x2+y2=4x^2 + y^2 = 4 로 유계인 영역이라고 하자. RR 에서의 밀도는

ρ(x,y)=1x2+y2\rho(x,y) =\frac{1}{\sqrt{x^2+y^2}}

이다.

(a) 영역 RR 의 그림을 그리세요. (b) RR 의 질량을 구하세요. (c) RR 의 질량중심을 구하세요.

참고: ∫sec⁡(θ) dθ=ln⁡∣sec⁡θ+tan⁡θ∣+C\int \sec(\theta)\ \mathrm{d}\theta = \ln |\sec \theta + \tan \theta| + C 인 결과를 사용해도 된다.

영어 원문 보기

Let R be the region bounded on the left by x=1x = 1 and on the right by x2+y2=4x^2 + y^2 = 4. The density in RR is

ρ(x,y)=1x2+y2\rho(x,y) =\frac{1}{\sqrt{x^2+y^2}}

(a) Sketch the region RR. (b) Find the mass of RR. (c) Find the centre-of-mass of RR.

Note: You may use the result ∫sec⁡(θ) dθ=ln⁡∣sec⁡θ+tan⁡θ∣+C\int \sec(\theta)\ \mathrm{d}\theta = \ln |\sec \theta + \tan \theta| + C.

정답·풀이 보기

(a) RR 의 그림은 다음과 같다.

그림

(b) 다음을 고려하면

  • ρ(x,y)\rho(x,y) 는 원점을 중심으로 한 회전에 대해 변하지 않고,
  • 바깥쪽 곡선 x2+y2=4x^2+y^2=4 도 원점을 중심으로 한 회전에 대해 변하지 않으며,
  • 주어진 힌트가 θ\theta 에 대한 적분을 포함하므로

극좌표를 사용한다.

직선 x=1x=1 과 원 x2+y2=4x^2+y^2=4 는

1+y2=4  ⟺  y=±31+y^2=4 \iff y=\pm\sqrt{3}

일 때 만나고, 점 (x,y)=(1,3)(x,y)=\big(1,\sqrt{3}\big) 의 극좌표는 r=x2+y2=2r=\sqrt{x^2+y^2}=2, θ=arctan⁡yx=arctan⁡3=π3\theta=\arctan\frac{y}{x}=\arctan \sqrt{3} =\frac{\pi}{3} 이다. 그림

그림

을 보면, RR 위에서

  • θ\theta 는 −π3-\frac{\pi}{3} 부터 π3\frac{\pi}{3} 까지 변하고,
  • 그 범위의 각 고정된 θ\theta 에 대해 rr 는 1cos⁡θ=sec⁡θ\frac{1}{\cos\theta} =\sec\theta 부터 22 까지 변한다.
  • 극좌표에서 dA=r dr dθ\mathrm{d}A=r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이고,
  • 밀도는 ρ=1x2+y2=1r\rho =\frac{1}{\sqrt{x^2+y^2}} =\frac{1}{r} 이다.

따라서 질량은

M=∬Rρ(x,y) dA=∫−π/3π/3dθ∫sec⁡θ2dr rr=∫−π/3π/3dθ [2−sec⁡θ]=2∫0π/3dθ [2−sec⁡θ]=2[2θ−ln⁡(sec⁡θ+tan⁡θ)]0π/3=2[2π3−ln⁡(2+3)+ln⁡(1+0)]=4π3−2ln⁡(2+3)\begin{aligned} M&=\iint _R \rho(x,y)\ \mathrm{d}A =\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\int_{\sec\theta}^2\mathrm{d}r\ \frac{r}{r} =\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[2-\sec\theta\big] \\ &=2\int_0^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[2-\sec\theta\big] \\ &= 2\Big[2\theta - \ln\big(\sec\theta+\tan\theta\big)\Big]_0^{\pi/3} \\ &= 2\left[\frac{2\pi}{3} - \ln\big(2+\sqrt{3}\big) + \ln\big(1+0\big)\right] \\ &= \frac{4\pi}{3} - 2\ln\big(2+\sqrt{3}\big) \end{aligned}

이다.

(c) 정의에 의해 질량중심은 (xˉ,yˉ)(\bar x, \bar y) 이며, xˉ\bar x 와 yˉ\bar y 는 각각 RR 위에서 xx좌표와 yy좌표의 가중평균이다. 즉,

xˉ=∬Rx ρ(x,y) dA∬Rρ(x,y) dAyˉ=∬Ry ρ(x,y) dA∬Rρ(x,y) dA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _R x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _R \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \qquad \bar y = \frac{\iint _R y\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _R \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \end{aligned}

이다.

xx축에 대한 대칭이동에 대해 대칭이므로 yˉ=0\bar y=0 이다. 따라서 xˉ\bar x 만 구하면 된다. 분자는

∬Rx ρ(x,y) dA=∫−π/3π/3dθ∫sec⁡θ2dr rr rcos⁡θ⏞x=12∫−π/3π/3dθ [4−sec⁡2θ]cos⁡θ=∫0π/3dθ [4cos⁡θ−sec⁡θ]=[4sin⁡θ−ln⁡(sec⁡θ+tan⁡θ)]0π/3=[432−ln⁡(2+3)+ln⁡(1+0)]=23−ln⁡(2+3)\begin{aligned} \iint _R x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A &=\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\int_{\sec\theta}^2\mathrm{d}r\ \frac{r}{r}\ \overbrace{r\cos\theta}^{x} \\ &=\frac{1}{2}\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[4-\sec^2\theta\big] \cos\theta =\int_0^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[4\cos\theta-\sec\theta\big] \\ &= \Big[4\sin\theta - \ln\big(\sec\theta+\tan\theta\big)\Big]_0^{\pi/3} \\ &= \left[4\frac{\sqrt{3}}{2} - \ln\big(2+\sqrt{3}\big) + \ln\big(1+0\big)\right] \\ &= 2\sqrt{3}- \ln\big(2+\sqrt{3}\big) \end{aligned}

이다.

종합하면 yˉ=0\bar y=0 이고

xˉ=23−ln⁡(2+3)4π3−2ln⁡(2+3)≈1.38\begin{aligned} \bar x = \frac{2\sqrt{3}- \ln\big(2+\sqrt{3}\big)} {\frac{4\pi}{3} - 2\ln\big(2+\sqrt{3}\big)} \approx 1.38 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Here is a sketch of RR.

figure

(b) Considering that

  • ρ(x,y)\rho(x,y) is invariant under rotations about the origin and
  • the outer curve x2+y2=4x^2+y^2=4 is invariant under rotations about the origin and
  • the given hint involves a θ\theta integral

we'll use polar coordinates.

Observe that the line x=1x=1 and the circle x2+y2=4x^2+y^2=4 intersect when

1+y2=4  ⟺  y=±31+y^2=4 \iff y=\pm\sqrt{3}

and that the polar coordinates of the point (x,y)=(1,3)(x,y)=\big(1,\sqrt{3}\big) are r=x2+y2=2r=\sqrt{x^2+y^2}=2 and θ=arctan⁡yx=arctan⁡3=π3\theta=\arctan\frac{y}{x}=\arctan \sqrt{3} =\frac{\pi}{3}. Looking at the sketch

figure

we see that, on RR,

  • θ\theta runs from −π3-\frac{\pi}{3} to π3\frac{\pi}{3} and
  • for each fixed θ\theta in that range, rr runs from 1cos⁡θ=sec⁡θ\frac{1}{\cos\theta} =\sec\theta to 22.
  • In polar coordinates, dA=r dr dθ\mathrm{d}A=r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta, and
  • the density ρ=1x2+y2=1r\rho =\frac{1}{\sqrt{x^2+y^2}} =\frac{1}{r}

So the mass is

M=∬Rρ(x,y) dA=∫−π/3π/3dθ∫sec⁡θ2dr rr=∫−π/3π/3dθ [2−sec⁡θ]=2∫0π/3dθ [2−sec⁡θ]=2[2θ−ln⁡(sec⁡θ+tan⁡θ)]0π/3=2[2π3−ln⁡(2+3)+ln⁡(1+0)]=4π3−2ln⁡(2+3)\begin{aligned} M&=\iint _R \rho(x,y)\ \mathrm{d}A =\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\int_{\sec\theta}^2\mathrm{d}r\ \frac{r}{r} =\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[2-\sec\theta\big] \\ &=2\int_0^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[2-\sec\theta\big] \\ &= 2\Big[2\theta - \ln\big(\sec\theta+\tan\theta\big)\Big]_0^{\pi/3} \\ &= 2\left[\frac{2\pi}{3} - \ln\big(2+\sqrt{3}\big) + \ln\big(1+0\big)\right] \\ &= \frac{4\pi}{3} - 2\ln\big(2+\sqrt{3}\big) \end{aligned}

(c) By definition, the centre of mass is (xˉ,yˉ)(\bar x, \bar y), with xˉ\bar x and yˉ\bar y being the weighted averages of the xx and yy–coordinates, respectively, over RR. That is,

xˉ=∬Rx ρ(x,y) dA∬Rρ(x,y) dAyˉ=∬Ry ρ(x,y) dA∬Rρ(x,y) dA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _R x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _R \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \qquad \bar y = \frac{\iint _R y\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _R \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \end{aligned}

By symmetry under reflection in the xx–axis, we have yˉ=0\bar y=0. So we just have to determine xˉ\bar x. The numerator is

∬Rx ρ(x,y) dA=∫−π/3π/3dθ∫sec⁡θ2dr rr rcos⁡θ⏞x=12∫−π/3π/3dθ [4−sec⁡2θ]cos⁡θ=∫0π/3dθ [4cos⁡θ−sec⁡θ]=[4sin⁡θ−ln⁡(sec⁡θ+tan⁡θ)]0π/3=[432−ln⁡(2+3)+ln⁡(1+0)]=23−ln⁡(2+3)\begin{aligned} \iint _R x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A &=\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\int_{\sec\theta}^2\mathrm{d}r\ \frac{r}{r}\ \overbrace{r\cos\theta}^{x} \\ &=\frac{1}{2}\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[4-\sec^2\theta\big] \cos\theta =\int_0^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[4\cos\theta-\sec\theta\big] \\ &= \Big[4\sin\theta - \ln\big(\sec\theta+\tan\theta\big)\Big]_0^{\pi/3} \\ &= \left[4\frac{\sqrt{3}}{2} - \ln\big(2+\sqrt{3}\big) + \ln\big(1+0\big)\right] \\ &= 2\sqrt{3}- \ln\big(2+\sqrt{3}\big) \end{aligned}

All together, yˉ=0\bar y=0 and

xˉ=23−ln⁡(2+3)4π3−2ln⁡(2+3)≈1.38\begin{aligned} \bar x = \frac{2\sqrt{3}- \ln\big(2+\sqrt{3}\big)} {\frac{4\pi}{3} - 2\ln\big(2+\sqrt{3}\big)} \approx 1.38 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.3절 · 1번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)그래프·표 해석보통자동 분류
15.CLP-3 · 3.3절 · 5번대학 수준우리말 번역

균일한 밀도 kk 를 갖는 얇은 판이 양의 xx축, 양의 yy축과 원 x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 로 둘러싸여 있다. 이 판의 질량 중심을 구하세요.

영어 원문 보기

A thin plate of uniform density kk is bounded by the positive xx and yy axes and the circle x2+y2=1x^2 + y^2 = 1. Find its centre of mass.

정답·풀이 보기

이 판을 PP 라 하자. 정의에 따라 질량 중심은 (xˉ,yˉ)(\bar x, \bar y) 이고, xˉ\bar x 와 yˉ\bar y 는 각각 PP 위에서 xx좌표와 yy좌표의 가중평균이다. 즉,

xˉ=∬Px ρ(x,y) dA∬Pρ(x,y) dAyˉ=∬Py ρ(x,y) dA∬Pρ(x,y) dA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _P x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _P \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \qquad \bar y = \frac{\iint _P y\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _P \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \end{aligned}

이고 ρ(x,y)=k\rho(x,y)=k 이다. 다음은 PP 의 그림이다.

그림

직선 y=xy=x 에 대한 대칭이동에 의해 대칭이므로 yˉ=xˉ\bar y=\bar x 이다. 따라서 다음만 구하면 된다.

xˉ=∬Px dA∬PdA\bar x = \frac{\iint _P x\ \mathrm{d}A}{\iint _P \mathrm{d}A}

분모는 반지름이 11 인 원판 넓이의 4분의 1이다. 즉, ∬PdA=π4\iint _P \mathrm{d}A=\frac{\pi}{4} 이다. 분자는 위 그림과 같이 극좌표를 이용하여 계산한다. 그림을 보면 다음과 같다.

  • θ\theta 는 00 부터 π2\frac{\pi}{2} 까지 변하고,
  • 그 범위의 각 고정된 θ\theta 에 대해 rr 은 00 부터 11 까지 변한다.

dA=r dr dθ\mathrm{d}A=r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이고 x=rcos⁡θx=r\cos\theta 이므로 분자는

∬Px dA=∫0π/2dθ∫01dr rrcos⁡θ⏞x=[∫0π/2dθ cos⁡θ][∫01dr r2]=[sin⁡θ]0π/2[r33]01=13\begin{aligned} \iint _P x\ \mathrm{d}A &=\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta \int_0^1\mathrm{d}r\ r\overbrace{r\cos\theta}^{x} =\left[\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \cos\theta\right] \left[ \int_0^1\mathrm{d}r\ r^2\right] \\ &=\Big[\sin\theta\Big]_0^{\pi/2} \left[\frac{r^3}{3}\right]_0^1 \\ &=\frac{1}{3} \end{aligned}

이다. 종합하면

xˉ=yˉ=1/3π/4=43π\begin{aligned} \bar x = \bar y = \frac{1/3}{\pi/4} =\frac{4}{3\pi} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Call the plate PP. By definition, the centre of mass is (xˉ,yˉ)(\bar x, \bar y), with xˉ\bar x and yˉ\bar y being the weighted averages of the xx and yy–coordinates, respectively, over PP. That is,

xˉ=∬Px ρ(x,y) dA∬Pρ(x,y) dAyˉ=∬Py ρ(x,y) dA∬Pρ(x,y) dA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _P x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _P \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \qquad \bar y = \frac{\iint _P y\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _P \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \end{aligned}

with ρ(x,y)=k\rho(x,y)=k. Here is a sketch of PP.

figure

By symmetry under reflection in the line y=xy=x, we have yˉ=xˉ\bar y=\bar x. So we just have to determine

xˉ=∬Px dA∬PdA\bar x = \frac{\iint _P x\ \mathrm{d}A}{\iint _P \mathrm{d}A}

The denominator is just one quarter of the area of circular disk of radius 11. That is, ∬PdA=π4\iint _P \mathrm{d}A=\frac{\pi}{4}. We'll evaluate the numerator using polar coordinates as in the figure above. Looking at that figure, we see that

  • θ\theta runs from 00 to π2\frac{\pi}{2}, and
  • for each fixed θ\theta in that range, rr runs from 00 to 11.

As dA=r dr dθ\mathrm{d}A=r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta, and x=rcos⁡θx=r\cos\theta, the numerator

∬Px dA=∫0π/2dθ∫01dr rrcos⁡θ⏞x=[∫0π/2dθ cos⁡θ][∫01dr r2]=[sin⁡θ]0π/2[r33]01=13\begin{aligned} \iint _P x\ \mathrm{d}A &=\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta \int_0^1\mathrm{d}r\ r\overbrace{r\cos\theta}^{x} =\left[\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \cos\theta\right] \left[ \int_0^1\mathrm{d}r\ r^2\right] \\ &=\Big[\sin\theta\Big]_0^{\pi/2} \left[\frac{r^3}{3}\right]_0^1 \\ &=\frac{1}{3} \end{aligned}

All together

xˉ=yˉ=1/3π/4=43π\begin{aligned} \bar x = \bar y = \frac{1/3}{\pi/4} =\frac{4}{3\pi} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.3절 · 2번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)계산보통자동 분류
16.CLP-3 · 3.3절 · 6번대학 수준우리말 번역

RR 을 꼭짓점이 (0,2)(0, 2), (1,0)(1, 0), (2,0)(2, 0) 인 삼각형이라 하세요. RR 의 밀도가 ρ(x,y)=y2\rho(x, y) = y^2 이라 하세요. RR 의 질량중심의 yy좌표 yˉ\bar y 를 구하세요. xˉ\bar x 는 구하지 않아도 됩니다.

영어 원문 보기

Let RR be the triangle with vertices (0,2)(0, 2), (1,0)(1, 0), and (2,0)(2, 0). Let RR have density ρ(x,y)=y2\rho(x, y) = y^2. Find yˉ\bar y, the yy–coordinate of the center of mass of RR. You do not need to find xˉ\bar x.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

다음은 RR 의 그림이다.

그림

다음에 주목하자.

  • (2,0)(2,0) 과 (0,2)(0,2) 를 지나는 직선의 방정식은 y=2−xy=2-x, 즉 x=2−yx=2-y 이다. (확인: 두 점 (2,0)(2,0) 과 (0,2)(0,2) 는 모두 x=2−yx=2-y 위에 있다.)
  • (1,0)(1,0) 과 (0,2)(0,2) 를 지나는 직선의 방정식은 y=2−2xy=2-2x, 즉 x=2−y2x=\frac{2-y}{2} 이다. (확인: 두 점 (0,2)(0,2) 와 (1,0)(1,0) 은 모두 x=2−y2x=\frac{2-y}{2} 위에 있다.)

정의에 의해 RR 의 질량중심의 yy좌표는 RR 위에서 yy 의 가중평균이므로 다음과 같다.

yˉ=∬Ry ρ(x,y) dA∬Rρ(x,y) dA=∬Ry3 dA∬Ry2 dA\bar y =\frac{\iint _R y\,\rho(x,y)\,\mathrm{d}A}{\iint _R \rho(x,y)\,\mathrm{d}A} =\frac{\iint _R y^3\,\mathrm{d}A}{\iint _R y^2\,\mathrm{d}A}

RR 위에서

  • yy 는 00 부터 22 까지 변한다. 즉, 0≤y≤20\le y\le 2 이다.
  • 이 범위의 각 고정된 yy 에 대해 xx 는 2−y2\frac{2-y}{2} 부터 2−y2-y 까지 변한다. 부등식으로 나타내면 2−y2≤x≤2−y\frac{2-y}{2}\le x\le 2-y 이다.

따라서

R={ (x,y) ∣ 0≤y≤2, 2−y2≤x≤2−y}R = \left\{\ (x,y)\ \left|\ 0\le y\le 2,\ \frac{2-y}{2}\le x\le 2-y \right.\right\}

n=2n=2 와 n=3n=3 모두에 대해 다음이 성립한다.

∬Ryn dA=∫02dy∫2−y22−ydx yn=∫02dy yn2−y2=12[2yn+1n+1−yn+2n+2]02=12[2n+2n+1−2n+2n+2]=2n+1(n+1)(n+2)\begin{aligned} \iint _R y^n\,\mathrm{d}A &=\int_0^2\mathrm{d}y \int_{\frac{2-y}{2}}^{2-y}\mathrm{d}x\ y^n \\ &=\int_0^2\mathrm{d}y \ y^n\frac{2-y}{2} \\ &=\frac{1}{2}\left[\frac{2y^{n+1}}{n+1}-\frac{y^{n+2}}{n+2}\right]_0^2 \\ &=\frac{1}{2}\left[\frac{2^{n+2}}{n+1}-\frac{2^{n+2}}{n+2}\right] \\ &=\frac{2^{n+1}}{(n+1)(n+2)} \end{aligned}

그러므로

yˉ=∬Ry3 dA∬Ry2 dA=24(4)(5)23(3)(4)=65\begin{aligned} \bar y =\frac{\iint _R y^3\,\mathrm{d}A}{\iint _R y^2\,\mathrm{d}A} =\frac{ \frac{2^4}{(4)(5)} }{ \frac{2^{3}}{(3)(4)} } =\frac{6}{5} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Here is a sketch of RR.

figure

Note that

  • the equation of the straight line through (2,0)(2,0) and (0,2)(0,2) is y=2−xy=2-x, or x=2−yx=2-y. (As a check note that both points (2,0)(2,0) and (0,2)(0,2) are on x=2−yx=2-y.
  • The equation of the straight line through (1,0)(1,0) and (0,2)(0,2) is y=2−2xy=2-2x, or x=2−y2x=\frac{2-y}{2}. (As a check note that both points (0,2)(0,2) and (1,0)(1,0) are on x=2−y2x=\frac{2-y}{2}.

By definition, the yy–coordinate of the center of mass of RR is the weighted average of yy over RR, which is

yˉ=∬Ry ρ(x,y) dA∬Rρ(x,y) dA=∬Ry3 dA∬Ry2 dA\bar y =\frac{\iint _R y\,\rho(x,y)\,\mathrm{d}A}{\iint _R \rho(x,y)\,\mathrm{d}A} =\frac{\iint _R y^3\,\mathrm{d}A}{\iint _R y^2\,\mathrm{d}A}

On RR,

  • yy runs from 00 to 22. That is, 0≤y≤20\le y\le 2.
  • For each fixed yy in that range, xx runs from 2−y2\frac{2-y}{2} to 2−y2-y. In inequalities, that is 2−y2≤x≤2−y\frac{2-y}{2}\le x\le 2-y.

Thus

R={ (x,y) ∣ 0≤y≤2, 2−y2≤x≤2−y}R = \left\{\ (x,y)\ \left|\ 0\le y\le 2,\ \frac{2-y}{2}\le x\le 2-y \right.\right\}

For both n=2n=2 and n=3n=3, we have

∬Ryn dA=∫02dy∫2−y22−ydx yn=∫02dy yn2−y2=12[2yn+1n+1−yn+2n+2]02=12[2n+2n+1−2n+2n+2]=2n+1(n+1)(n+2)\begin{aligned} \iint _R y^n\,\mathrm{d}A &=\int_0^2\mathrm{d}y \int_{\frac{2-y}{2}}^{2-y}\mathrm{d}x\ y^n \\ &=\int_0^2\mathrm{d}y \ y^n\frac{2-y}{2} \\ &=\frac{1}{2}\left[\frac{2y^{n+1}}{n+1}-\frac{y^{n+2}}{n+2}\right]_0^2 \\ &=\frac{1}{2}\left[\frac{2^{n+2}}{n+1}-\frac{2^{n+2}}{n+2}\right] \\ &=\frac{2^{n+1}}{(n+1)(n+2)} \end{aligned}

So

yˉ=∬Ry3 dA∬Ry2 dA=24(4)(5)23(3)(4)=65\begin{aligned} \bar y =\frac{\iint _R y^3\,\mathrm{d}A}{\iint _R y^2\,\mathrm{d}A} =\frac{ \frac{2^4}{(4)(5)} }{ \frac{2^{3}}{(3)(4)} } =\frac{6}{5} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.3절 · 7번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)계산보통자동 분류
17.CLP-3 · 3.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

평면 영역 DD 안의 점에서 점 (a,b)(a, b) 까지의 평균 거리는 다음과 같이 정의된다.

1A(D)∬D(x−a)2+(y−b)2 dx dy\frac{1}{A(D)}\iint _D \sqrt{(x-a)^2+(y-b)^2}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y

여기서 A(D)A(D) 는 평면 영역 DD 의 넓이이다. DD 를 단위원판 1≥x2+y21 \ge x^2 + y^2 이라 하자. DD 안의 점에서 DD 의 중심까지의 평균 거리를 구하세요.

영어 원문 보기

The average distance of a point in a plane region DD to a point (a,b)(a, b) is defined by

1A(D)∬D(x−a)2+(y−b)2 dx dy\frac{1}{A(D)}\iint _D \sqrt{(x-a)^2+(y-b)^2}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y

where A(D)A(D) is the area of the plane region DD. Let DD be the unit disk 1≥x2+y21 \ge x^2 + y^2. Find the average distance of a point in DD to the center of DD.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

문제에서 주어진 정의에 (a,b)=(0,0)(a,b)=(0,0) 을 대입하면 평균은 다음과 같다.

1A(D)∬Dx2+y2 dx dy\begin{aligned} \frac{1}{A(D)}\iint _D \sqrt{x^2+y^2}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

분모 A(D)=πA(D) = \pi 이다. 분자는 극좌표를 이용하여 계산한다.

∬Dx2+y2 dx dy=∫02πdθ∫01dr rr2cos⁡2θ+r2sin⁡2θ=∫02πdθ∫01dr r2=∫02πdθ 13=2π3\begin{aligned} \iint _D \sqrt{x^2+y^2}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y &=\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\int_0^1\mathrm{d}r \ r\sqrt{r^2\cos^2\theta+r^2\sin^2\theta} \\ &=\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\int_0^1\mathrm{d}r\ r^2 =\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \frac{1}{3} \\ &=\frac{2\pi}{3} \end{aligned}

따라서 평균은 다음과 같다.

2π3π=23\frac{\frac{2\pi}{3}}{\pi}=\frac{2}{3}

원본 교재 풀이(영어)

By the definition given in the statement with (a,b)=(0,0)(a,b)=(0,0), the average is

1A(D)∬Dx2+y2 dx dy\begin{aligned} \frac{1}{A(D)}\iint _D \sqrt{x^2+y^2}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

The denominator A(D)=πA(D) = \pi. We'll use polar coordinates to evaluate the numerator.

∬Dx2+y2 dx dy=∫02πdθ∫01dr rr2cos⁡2θ+r2sin⁡2θ=∫02πdθ∫01dr r2=∫02πdθ 13=2π3\begin{aligned} \iint _D \sqrt{x^2+y^2}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y &=\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\int_0^1\mathrm{d}r \ r\sqrt{r^2\cos^2\theta+r^2\sin^2\theta} \\ &=\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\int_0^1\mathrm{d}r\ r^2 =\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \frac{1}{3} \\ &=\frac{2\pi}{3} \end{aligned}

So the average is

2π3π=23\frac{\frac{2\pi}{3}}{\pi}=\frac{2}{3}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.3절 · 5번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)활용보통자동 분류
18.CLP-3 · 3.3절 · 8번대학 수준우리말 번역

금속판 하나가 있다. 이 판은 밀도가 상수 1이고 단위원판 x2+y2≤1x^2 + y^2 \le 1 을 차지한다. 이 판에서 방정식 x2+y2=xx^2 + y^2 = x 로 정의되는 원의 내부를 제거하여 초승달 모양의 금속판을 얻는다.

(a) 이 초승달 모양 판의 전체 질량을 구하세요. (b) 이 판의 질량중심의 xx좌표를 구하세요.

다음 사실을 이용해도 됩니다. ∫−π/2π/2cos⁡4(θ) dθ=3π8\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^4(\theta)\ \mathrm{d}\theta=\frac{3\pi}{8}.

영어 원문 보기

A metal crescent is obtained by removing the interior of the circle defined by the equation x2+y2=xx^2 + y^2 = x from the metal plate of constant density 1 occupying the unit disc x2+y2≤1x^2 + y^2 \le 1.

(a) Find the total mass of the crescent. (b) Find the xx-coordinate of its center of mass.

You may use the fact that ∫−π/2π/2cos⁡4(θ) dθ=3π8\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^4(\theta)\ \mathrm{d}\theta=\frac{3\pi}{8}.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

x2+y2=xx^2+y^2=x 는 (x−12)2+y2=14\left(x-\frac{1}{2}\right)^2+y^2=\frac{1}{4} 과 같은 식이고, 이는 중심이 (12,0)\left(\frac{1}{2},0\right) 이고 반지름이 12\frac{1}{2} 인 원이다. 초승달 모양을 C\mathcal{C} 라 부르고

D={ (x,y) ∣ x2+y2≤1 }H={ (x,y) ∣ (x−12)2+y2≤14 }\begin{aligned} D &= \big\{ \ (x,y)\ \big|\ x^2+y^2\le 1\ \big\} \\ H &= \big\{ \ (x,y)\ \big|\ \left(x-\tfrac{1}{2}\right)^2+y^2\le\tfrac{1}{4}\ \big\} \end{aligned}

라 하면

C=D∖H\mathcal{C}= D\setminus H

이다. 즉 C\mathcal{C} 는 원판 DD 에서 "구멍" HH 를 제거한 것이다. 다음은 개략도이다.

그림

(a) DD 는 반지름이 11 인 원판이므로 넓이가 π\pi 이다. HH 는 반지름이 1/2{1}/{2} 인 원판이므로 넓이가 π/4{\pi}/{4} 이다. C\mathcal{C} 의 밀도가 11 이므로

Mass(C)=∬CdA=∬DdA−∬HdA=π−π4=3π4\begin{aligned} \text{Mass}(\mathcal{C}) &= \iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A = \iint _D\mathrm{d}A -\iint _H\mathrm{d}A \\ &=\pi - \frac{\pi}{4} \\ &=\frac{3\pi}{4} \end{aligned}

(b) 정의에 따라 C\mathcal{C} 의 질량중심의 xx좌표는 C\mathcal{C} 위에서 xx 의 평균값이며, 이는

xˉ=∬Cx dA∬CdA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _\mathcal{C} x\,\mathrm{d}A}{\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A} \end{aligned}

이다. 앞에서 ∬CdA=3π4\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A=\frac{3\pi}{4} 임을 이미 구했다. 따라서 분자

∬Cx dA=∬Dx dA−∬Hx dA\iint _\mathcal{C} x\,\mathrm{d}A = \iint _D x\,\mathrm{d}A - \iint _H x\,\mathrm{d}A

를 구해야 한다.

xx 는 기함수이고 DD 는 x→−xx\rightarrow -x 에 대해 변하지 않으므로 ∬Dx dA=0\iint _D x\,\mathrm{d}A=0 이다. 따라서 ∬Hx dA\iint _H x\,\mathrm{d}A 만 구하면 된다. 이를 위해 극좌표를 사용하면 dA=r dr dθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이다. 극좌표에서 x2+y2=xx^2 + y^2 = x 는 r2=rcos⁡θr^2 =r\cos\theta, 즉 r=cos⁡θr=\cos\theta 이다. 따라서 위의 그림((a)의 풀이 바로 앞의 그림)을 보면, 적분 영역에서

  • θ\theta 는 −π2-\frac{\pi}{2} 부터 π2\frac{\pi}{2} 까지 변한다.
  • 그 범위의 각 고정된 θ\theta 에 대해 rr 은 00 부터 cos⁡θ\cos\theta 까지 변한다.

따라서 적분은

∬Hx dA=∫−π/2π/2dθ∫0cos⁡θdr r(rcos⁡θ)⏞x=∫−π/2π/2dθ cos⁡4θ3=π8\begin{aligned} \iint _H x\,\mathrm{d}A &= \int_{-\pi/2}^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^{\cos\theta}\mathrm{d}r\ r\overbrace{(r\cos\theta)}^{x} \\ &=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\mathrm{d}\theta \ \frac{\cos^4\theta}{3} \\ &= \frac{\pi}{8} \end{aligned}

이다. 이상을 종합하면

xˉ=∬Cx dA∬CdA=∬Dx dA−∬Hx dA∬CdA=0−π83π4=−16\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _\mathcal{C} x\,\mathrm{d}A}{\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A} = \frac{\iint _D x\,\mathrm{d}A - \iint _H x\,\mathrm{d}A}{\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A} =\frac{0-\frac{\pi}{8}}{\frac{3\pi}{4}} =-\frac{1}{6} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Note that x2+y2=xx^2+y^2=x is equivalent to (x−12)2+y2=14\left(x-\frac{1}{2}\right)^2+y^2=\frac{1}{4}, which is the circle of radius 12\frac{1}{2} centred on (12,0)\left(\frac{1}{2},0\right). Let's call the crescent C\mathcal{C} and write

D={ (x,y) ∣ x2+y2≤1 }H={ (x,y) ∣ (x−12)2+y2≤14 }\begin{aligned} D &= \big\{ \ (x,y)\ \big|\ x^2+y^2\le 1\ \big\} \\ H &= \big\{ \ (x,y)\ \big|\ \left(x-\tfrac{1}{2}\right)^2+y^2\le\tfrac{1}{4}\ \big\} \end{aligned}

so that

C=D∖H\mathcal{C}= D\setminus H

meaning that C\mathcal{C} is the disk DD with the “hole” HH removed. Here is a sketch.

figure

(a) As DD is a disk of radius 11, it has area π\pi. As HH is a disk of radius 1/2{1}/{2}, it has area π/4{\pi}/{4}. As C\mathcal{C} has density 11,

Mass(C)=∬CdA=∬DdA−∬HdA=π−π4=3π4\begin{aligned} \text{Mass}(\mathcal{C}) &= \iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A = \iint _D\mathrm{d}A -\iint _H\mathrm{d}A \\ &=\pi - \frac{\pi}{4} \\ &=\frac{3\pi}{4} \end{aligned}

(b) Recall that, by definition, the xx–coordinate of the centre of mass of C\mathcal{C} is the average value of xx over C\mathcal{C}, which is

xˉ=∬Cx dA∬CdA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _\mathcal{C} x\,\mathrm{d}A}{\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A} \end{aligned}

We have already found that ∬CdA=3π4\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A=\frac{3\pi}{4}. So we have to determine the numerator

∬Cx dA=∬Dx dA−∬Hx dA\iint _\mathcal{C} x\,\mathrm{d}A = \iint _D x\,\mathrm{d}A - \iint _H x\,\mathrm{d}A

As xx is an odd function and DD is invariant under x→−xx\rightarrow -x, ∬Dx dA=0\iint _D x\,\mathrm{d}A=0. So we just have to determine ∬Hx dA\iint _H x\,\mathrm{d}A. To do so we'll work in polar coordinates, so that dA=r dr dθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta. In polar coordinates x2+y2=xx^2 + y^2 = x is r2=rcos⁡θr^2 =r\cos\theta or r=cos⁡θr=\cos\theta. So, looking at the figure above (just before the solution to part (a)), on the domain of integration,

  • θ\theta runs from −π2-\frac{\pi}{2} to π2\frac{\pi}{2}.
  • For each fixed θ\theta in that range, rr runs from 00 to cos⁡θ\cos\theta.

So the integral is

∬Hx dA=∫−π/2π/2dθ∫0cos⁡θdr r(rcos⁡θ)⏞x=∫−π/2π/2dθ cos⁡4θ3=π8\begin{aligned} \iint _H x\,\mathrm{d}A &= \int_{-\pi/2}^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^{\cos\theta}\mathrm{d}r\ r\overbrace{(r\cos\theta)}^{x} \\ &=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\mathrm{d}\theta \ \frac{\cos^4\theta}{3} \\ &= \frac{\pi}{8} \end{aligned}

So all together

xˉ=∬Cx dA∬CdA=∬Dx dA−∬Hx dA∬CdA=0−π83π4=−16\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _\mathcal{C} x\,\mathrm{d}A}{\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A} = \frac{\iint _D x\,\mathrm{d}A - \iint _H x\,\mathrm{d}A}{\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A} =\frac{0-\frac{\pi}{8}}{\frac{3\pi}{4}} =-\frac{1}{6} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.3절 · 9번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)계산보통자동 분류
19.CLP-3 · 3.3절 · 9번대학 수준우리말 번역

DD 를 xyxy–평면에서 원 x2+(y−1)2=1x^2+(y-1)^2=1 의 내부에 있으면서 원 x2+y2=2x^2+y^2=2 의 외부에 있는 영역이라고 하자. 밀도가 다음과 같이 주어질 때, 이 영역의 질량을 구하세요. ρ(x,y)=2x2+y2\rho(x,y)=\frac{2}{\sqrt{x^2+y^2}}

영어 원문 보기

Let DD be the region in the xyxy–plane which is inside the circle x2+(y−1)2=1x^2+(y-1)^2=1 but outside the circle x2+y2=2x^2+y^2=2. Determine the mass of this region if the density is given by ρ(x,y)=2x2+y2\rho(x,y)=\frac{2}{\sqrt{x^2+y^2}}

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정의역은 아래 그림과 같다.

그림

두 원은 x2+y2=2x^2+y^2=2 이고 다음을 만족할 때 만난다.

x2+(y−1)2=2−y2+(y−1)2=1  ⟺  −2y+3=1  ⟺  y=1 그리고 x=±1\begin{aligned} x^2+(y-1)^2=2-y^2+(y-1)^2=1 \iff -2y+3=1\iff y=1\text{ 그리고 } x=\pm 1 \end{aligned}

극좌표에서 x2+y2=2x^2+y^2=2 는 r=2r=\sqrt{2} 이고, x2+(y−1)2=x2+y2−2y+1=1x^2+(y-1)^2=x^2+y^2-2y+1=1 은 r2−2rsin⁡θ=0r^2-2r\sin\theta=0 즉 r=2sin⁡θr=2\sin\theta 이다. 두 곡선은 r=2r=\sqrt{2} 이고 2=2sin⁡θ\sqrt{2}=2\sin\theta 일 때 만나므로 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 또는 34π\frac{3}{4}\pi 이다. 따라서

D={ (rcos⁡θ,rsin⁡θ) ∣ 14π≤θ≤34π, 2≤r≤2sin⁡θ }D=\big\{ \ (r\cos\theta,r\sin\theta)\ \big|\ \tfrac{1}{4}\pi\le\theta\le\tfrac{3}{4}\pi,\ \sqrt{2}\le r\le 2\sin\theta\ \big\}

이고, 밀도가 2r\frac{2}{r} 이므로

질량=∫π/43π/4dθ∫22sin⁡θdr r2r=2∫π/43π/4dθ [2sin⁡θ−2 ]=4∫π/4π/2dθ [2sin⁡θ−2 ]=4[−2cos⁡θ−2θ]π/4π/2=42−2π≈1.214\begin{aligned} \text{질량} &=\int_{\pi/4}^{3\pi/4}\mathrm{d}\theta\int^{2\sin\theta}_{\sqrt{2}}\mathrm{d}r\ r\frac{2}{r} =2\int_{\pi/4}^{3\pi/4}\mathrm{d}\theta\ \big[2\sin\theta -\sqrt{2}\,\big] =4\int_{\pi/4}^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \big[2\sin\theta -\sqrt{2}\,\big] \\ &=4\Big[-2\cos\theta -\sqrt{2}\theta\Big] _{\pi/4}^{\pi/2} =4\sqrt{2} -\sqrt{2}\pi\approx 1.214 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The domain is pictured below.

figure

The two circles intersect when x2+y2=2x^2+y^2=2 and

x2+(y−1)2=2−y2+(y−1)2=1  ⟺  −2y+3=1  ⟺  y=1 and x=±1\begin{aligned} x^2+(y-1)^2=2-y^2+(y-1)^2=1 \iff -2y+3=1\iff y=1\text{ and } x=\pm 1 \end{aligned}

In polar coordinates x2+y2=2x^2+y^2=2 is r=2r=\sqrt{2} and x2+(y−1)2=x2+y2−2y+1=1x^2+(y-1)^2=x^2+y^2-2y+1=1 is r2−2rsin⁡θ=0r^2-2r\sin\theta=0 or r=2sin⁡θr=2\sin\theta. The two curves intersect when r=2r=\sqrt{2} and2=2sin⁡θ\sqrt{2}=2\sin\theta so that θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} or 34π\frac{3}{4}\pi. So

D={ (rcos⁡θ,rsin⁡θ) ∣ 14π≤θ≤34π, 2≤r≤2sin⁡θ }D=\big\{ \ (r\cos\theta,r\sin\theta)\ \big|\ \tfrac{1}{4}\pi\le\theta\le\tfrac{3}{4}\pi,\ \sqrt{2}\le r\le 2\sin\theta\ \big\}

and, as the density is 2r\frac{2}{r},

mass=∫π/43π/4dθ∫22sin⁡θdr r2r=2∫π/43π/4dθ [2sin⁡θ−2 ]=4∫π/4π/2dθ [2sin⁡θ−2 ]=4[−2cos⁡θ−2θ]π/4π/2=42−2π≈1.214\begin{aligned} \text{mass} &=\int_{\pi/4}^{3\pi/4}\mathrm{d}\theta\int^{2\sin\theta}_{\sqrt{2}}\mathrm{d}r\ r\frac{2}{r} =2\int_{\pi/4}^{3\pi/4}\mathrm{d}\theta\ \big[2\sin\theta -\sqrt{2}\,\big] =4\int_{\pi/4}^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \big[2\sin\theta -\sqrt{2}\,\big] \\ &=4\Big[-2\cos\theta -\sqrt{2}\theta\Big] _{\pi/4}^{\pi/2} =4\sqrt{2} -\sqrt{2}\pi\approx 1.214 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.3절 · 6번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)계산보통자동 분류
20.CLP-3 · 3.4절 · 10번대학 수준우리말 번역

반구 z=a2−x2−y2z=\sqrt{a^2-x^2-y^2} 중에서 원기둥 (x−a2)2+y2=(a2)2\big(x-\frac{a}{2}\big)^2+y^2=\big(\frac{a}{2}\big)^2 의 내부에 있는 부분의 겉넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the surface area of that part of the hemisphere z=a2−x2−y2z=\sqrt{a^2-x^2-y^2} which lies within the cylinder (x−a2)2+y2=(a2)2\big(x-\frac{a}{2}\big)^2+y^2=\big(\frac{a}{2}\big)^2.

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정답·풀이 보기

반구의 일부분의 겉넓이를 구해야 한다. 반구 위에서

z=f(x,y)=a2−x2−y2fx(x,y)=−xa2−x2−y2fy(x,y)=−ya2−x2−y2\begin{aligned} z=f(x,y)=\sqrt{a^2-x^2-y^2}\qquad f_x(x,y)=-\frac{x}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}\qquad f_y(x,y)=-\frac{y}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}} \end{aligned}

이므로

dS=1+fx(x,y)2+fy(x,y)2 dx dy=1+x2a2−x2−y2+y2a2−x2−y2 dx dy=a2a2−x2−y2 dx dy\begin{aligned} \mathrm{d}S&=\sqrt{1+f_x(x,y)^2+f_y(x,y)^2}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\sqrt{1+\frac{x^2}{a^2-x^2-y^2}+\frac{y^2}{a^2-x^2-y^2}}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \\ &=\sqrt{\frac{a^2}{a^2-x^2-y^2}}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

이다. 극좌표로 나타내면 dS=aa2−r2 r dr dθ\mathrm{d}S=\frac{a}{\sqrt{a^2-r^2}}\,r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이다. 원기둥 x2−ax+y2=0x^2-ax+y^2=0 의 내부에 있는 반구 부분의 겉넓이를 구해야 하는데, 이 식을 극좌표로 나타내면 r2−arcos⁡θ=0r^2-ar\cos\theta=0, 즉 r=acos⁡θr=a\cos\theta 가 된다. 적분 영역의 위쪽 절반은 아래 그림과 같다.

그림

따라서

Surface Area=2∫0π/2dθ∫0acos⁡θdr raa2−r2=2a∫0π/2dθ [−a2−r2 ]0acos⁡θ=2a∫0π/2dθ [a−asin⁡θ]=2a2[θ+cos⁡θ]0π/2=a2[π−2]\begin{aligned} {\rm Surface\ Area} &= 2\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^{a\cos\theta}\mathrm{d}r\ r \frac{a}{\sqrt{a^2-r^2}} = 2a\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \Big[-\sqrt{a^2-r^2}\,\Big]_0^{a\cos\theta} \\ &= 2a\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \big[a-a\sin\theta\big] \\ &= 2a^2\Big[\theta+\cos\theta\Big]_0^{\pi/2} =a^2[\pi-2] \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

We are to find the surface area of part of a hemisphere. On the hemisphere

z=f(x,y)=a2−x2−y2fx(x,y)=−xa2−x2−y2fy(x,y)=−ya2−x2−y2\begin{aligned} z=f(x,y)=\sqrt{a^2-x^2-y^2}\qquad f_x(x,y)=-\frac{x}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}\qquad f_y(x,y)=-\frac{y}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}} \end{aligned}

so that

dS=1+fx(x,y)2+fy(x,y)2 dx dy=1+x2a2−x2−y2+y2a2−x2−y2 dx dy=a2a2−x2−y2 dx dy\begin{aligned} \mathrm{d}S&=\sqrt{1+f_x(x,y)^2+f_y(x,y)^2}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\sqrt{1+\frac{x^2}{a^2-x^2-y^2}+\frac{y^2}{a^2-x^2-y^2}}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \\ &=\sqrt{\frac{a^2}{a^2-x^2-y^2}}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

In polar coordinates, this is dS=aa2−r2 r dr dθ\mathrm{d}S=\frac{a}{\sqrt{a^2-r^2}}\,r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta. We are to find the surface area of the part of the hemisphere that is inside the cylinder, x2−ax+y2=0x^2-ax+y^2=0, which is polar coordinates is becomes r2−arcos⁡θ=0r^2-ar\cos\theta=0 or r=acos⁡θr=a\cos\theta. The top half of the domain of integration is sketched below.

figure

So the

Surface Area=2∫0π/2dθ∫0acos⁡θdr raa2−r2=2a∫0π/2dθ [−a2−r2 ]0acos⁡θ=2a∫0π/2dθ [a−asin⁡θ]=2a2[θ+cos⁡θ]0π/2=a2[π−2]\begin{aligned} {\rm Surface\ Area} &= 2\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^{a\cos\theta}\mathrm{d}r\ r \frac{a}{\sqrt{a^2-r^2}} = 2a\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \Big[-\sqrt{a^2-r^2}\,\Big]_0^{a\cos\theta} \\ &= 2a\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \big[a-a\sin\theta\big] \\ &= 2a^2\Big[\theta+\cos\theta\Big]_0^{\pi/2} =a^2[\pi-2] \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 13.5절 · 5번
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