유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
57문제 · 1 / 3쪽
1.CLP-3 · 3.2절 · 8번대학 수준우리말 번역
구 x2+y2+z2=2 의 안쪽에 있고 포물면 z=x2+y2 의 위쪽에 있는 부분의 부피를 구하세요.
영어 원문 보기
Find the volume lying inside the sphere x2+y2+z2=2
and above the paraboloid z=x2+y2.
정답·풀이 보기
위쪽 곡면 x2+y2+z2=2 와 아래쪽 곡면 z=x2+y2 은 z 가 x2+y2=z=2−z2 을 만족할 때 만난다. 즉 0=z2+z−2=(z−1)(z+2) 일 때이다. 근 z=−2 는 z=x2+y2≥0 과 모순이다. 따라서 위쪽 곡면과 아래쪽 곡면은 원 z=1, x2+y2=1 에서 만난다.
극좌표에서 위쪽 곡면은 z2=2−r2, 곧 z=2−r2 이고, 아래쪽 곡면은 z=r2 이다. 따라서 극좌표가 (r,θ) 인 점 위쪽에 있는 입체의 높이는 2−r2−r2 이므로
y 에 대한 적분은 치환 y=2−x2cost 를 써서 계산할 수 있지만, 극좌표를 쓰는 편이 더 쉽다.
원본 교재 풀이(영어)
The top surface x2+y2+z2=2 meets the bottom surface
z=x2+y2 when z obeys x2+y2=z=2−z2. That is, when
0=z2+z−2=(z−1)(z+2). The root z=−2 is inconsistent with
z=x2+y2≥0. So the top and bottom surfaces meet at the circle
z=1, x2+y2=1.
In polar coordinates, the top surface is z2=2−r2, or equivalently
z=2−r2, and the bottom surface is z=r2. So the height of the volume
above the point with polar coordinates (r,θ) is
2−r2−r2 and
a>0 이라 하자. 원기둥 x2+(y−a)2=a2 의 안쪽에 있고 원뿔 z2=x2+y2 의 위쪽 절반과 아래쪽 절반 사이에 있는 부분의 부피를 구하세요.
영어 원문 보기
Let a>0.
Find the volume lying inside the cylinder x2+(y−a)2=a2
and between the upper and lower halves of the cone z2=x2+y2.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
이 영역에서 x 와 y 는 원기둥 x2+(y−a)2=a2 의 내부 전체를 움직인다. 원기둥 안의 각 (x,y) 에 대해 z 는 −x2+y2 에서 x2+y2 까지 움직인다. x2+(y−a)2=a2 은 x2+y2−2ay=0 일 필요충분조건이므로, 원기둥의 방정식은 극좌표에서 r2=2arsinθ, 곧 r=2asinθ 이다.
따라서 (r,θ) 는 0≤θ≤π,0≤r≤2asinθ 를 움직이고, 이 영역의 각 (r,θ) 에 대해 z 는 −r 에서 r 까지 움직인다. x→−x 에 대한 대칭성에 의해 부피는
For this region x and y run over the interior of the
cylinder x2+(y−a)2=a2. For each (x,y) inside the
cylinder, z runs from −x2+y2 to x2+y2.
As x2+(y−a)2=a2 if and only if x2+y2−2ay=0, the cylinder
has equation r2=2arsinθ, or equivalently, r=2asinθ,
in polar coordinates.
Thus (r,θ) runs over 0≤θ≤π,0≤r≤2asinθ and for each (r,θ) in this region z runs from
−r to r. By symmetry under x→−x,
the volume is
Volume=2∫02πdθ∫02asinθdrr[r−(−r)]=4∫02πdθ∫02asinθdrr2=34∫02πdθ(2asinθ)3=332a3∫02πdθsinθ(1−cos2θ)=−332a3∫10dt(1−t2) where t=cosθ=−332a3[t−3t3]10=964a3
a>0 이라 하자.
두 원기둥 x2+y2≤2ax 와
z2≤2ax 의 공통부분의 부피를 구하세요.
영어 원문 보기
Let a>0.
Find the volume common to the cylinders x2+y2≤2ax and
z2≤2ax.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
아래 그림은 주어진 입체를 위에서 본 모양이다.
(x,y) 는 원 x2+y2=2ax 의 내부 전체를 움직인다. 이 원판 안의 각 고정된
(x,y) 에 대해 z 는 −2ax 에서 +2ax 까지 움직인다. 극좌표에서
이 원은 r2=2arcosθ 또는 r=2acosθ 이다.
이 입체는
y→−y 와 z→−z 에 대해 대칭이므로
y≥0, z≥0 인 부분만 생각하고 4를 곱하면 된다. 부피는
The figure below shows the top view of the specified solid.
(x,y) runs over the interior of the circle x2+y2=2ax. For each fixed
(x,y) in this disk, z runs from −2ax to +2ax. In polar
coordinates, the circle is r2=2arcosθ or r=2acosθ.
The solid
is symmetric under y→−y and z→−z, so we can restrict
to y≥0, z≥0 and multiply by 4. The volume is
Volume=4∫02πdθ∫02acosθdrr2arcosθ=4∫02πdθ2acosθ52r5/202acosθ=58∫02πdθ(2acosθ)3=564a3∫02πdθcosθ(1−sin2θ)=564a3∫01dt(1−t2) where t=sinθ=564a3[t−3t3]01=15128a3
부등식
x2+y2≤2y 와 0≤z≤x2+y2 으로 주어진 3차원 영역 E 를 생각하세요.
(a) 3차원에서 E 의 그림을 꽤 정확하게 그리세요.
좌표축에 단위를 반드시 나타내세요.
(b) 극좌표를 사용하여 E 의 부피를 구하세요. 이 문제를 원기둥좌표로 풀면
"극좌표를 사용"하는 것임에 유의하세요.
힌트:∫sinnudu=−n1sinn−1ucosu+nn−1∫sinn−2udu
영어 원문 보기
Consider the region E in 3–dimensions specified by the inequalities
x2+y2≤2y and 0≤z≤x2+y2.
(a) Draw a reasonably accurate picture of E in 3–dimensions.
Be sure to show the units on the coordinate axes.
(b) Use polar coordinates to find the volume of E. Note that you will
be “using polar coordinates” if you solve this problem
by means of cylindrical coordinates.
Hint:∫sinnudu=−n1sinn−1ucosu+nn−1∫sinn−2udu
정답·풀이 보기
(a)
식 x2+y2≤2y 는 식 x2+(y−1)2=1 과 같은 영역을 나타내며, 이 식은 z=z0 인 단면이 x=0, y=1, z=z0 를 중심으로 하는 반지름이 1 인 수평 원인 원기둥의 방정식이다. 이 원기둥 중 제1팔분공간에 있는 부분을 아래 왼쪽 그림에 나타냈다.
z≤x2+y2 은 꼭짓점이 (0,0,0) 이고 축이 양의 z축이며, 높이 z=2 에서의 반지름이 2 인 원뿔의 방정식이다.
이 원뿔 중 제1팔분공간에 있는 부분을 아래 오른쪽 그림에 나타냈다.
영역 E 는 원기둥 중에서 (z≥0 이므로) xy평면 위에 있고 (z≤x2+y2 이므로) 원뿔 바깥에 있는 부분이다.
E 중 제1팔분공간에 있는 부분을 아래 그림에 빨간색으로 윤곽을 그려 나타냈다. x2+y2≤2y 와 0≤z≤x2+y2 은 모두 x→−x 에 대해 변하지 않는다. 따라서 E 도 x→−x 에 대해 변하지 않는다. 즉, E 는 yz평면에 대해 대칭이며, x≤0, y≥0, z≥0 인 팔분공간에 E 의 제1팔분공간 부분의 거울상을 포함한다.
(b) 극좌표에서 x2+y2≤2y 는 다음과 같이 된다.
r2≤2rsinθ⟺r≤2sinθ
E 중 제1팔분공간에 있는 부분의 밑면 영역(즉, 위 그림에서 색칠한 영역)을 D 라 하자. D 를 xy평면의 일부로 생각한다. 극좌표에서 D 위에서는
The equation x2+y2≤2y is equivalent to the
equation x2+(y−1)2=1, which is the equation of the cylinder whose
z=z0 cross–section is the horizontal circle of radius 1, centred on
x=0, y=1, z=z0. The part of this cylinder in the first octant is
sketched in the figure on the left below.
z≤x2+y2 is the equation of the cone with vertex (0,0,0),
and axis the positive z–axis, whose radius at height z=2 is 2.
The part of this cone in the first octant is sketched in the figure
on the right below.
The region E is the part of the cylinder that is above the
xy–plane (since z≥0) outside the cone (since z≤x2+y2).
The part of E that is in the first octant is outlined in red in the
figure below. Both x2+y2≤2y and 0≤z≤x2+y2
are invariant under x→−x. So E is also invariant
under x→−x. That is, E is symmetric about the yz–plane
and contains, in the octant x≤0, y≥0, z≥0, a mirror
image of the first octant part of E.
(b) In polar coordinates, x2+y2≤2y becomes
r2≤2rsinθ⟺r≤2sinθ
Let us denote by D the base region of the part of E in the first
octant (i.e. the shaded region in the figure above). Think of D as being
part of the xy–plane. In polar coordinates, on D
θ runs from 0 to 2π. (Recall that D is
contained in the first quadrant.)
For each θ in that range, r runs from 0 to 2sinθ.
Because
in polar coordinates dA=rdrdθ, and
the height of E above each point (x,y) in D is x2+y2,
or, in polar coordinates, r, and
the volume of E is twice the volume of the part of E in the first octant,
We'll use polar coordinates. The domain of integration is
R2={(rcosθ,rsinθ)0≤r<∞,0≤θ≤2π}
The given integral is improper, so we'll start by integrating r from 0
to an arbitrary R>0, and then we'll take the limit R→∞.
In polar coordinates, the integrand
(1+x2+y2)21=(1+r2)21, and
dA=rdrdθ, so
For each fixed y in that range, x runs from 3y to
4−y2. In inequalities, that is 3y≤x≤4−y2.
Note that the inequalities x≤4−y2, x≥0 are equivalent to
x2+y2≤4, x≥0.
Note that the line x=3y and the circle x2+y2≤4
intersect when 3y2+y2=4, i.e. y=±1.
Here is a sketch.
(b)
In polar coordinates, the circle x2+y2=4 is r=2 and the
line x=3y, i.e. xy=31,
is tanθ=31 or θ=6π.
As dxdy=rdrdθ,
the domain of integration is
xy–평면에서 원판 x2+y2≤2x 를 직선 y=x 로 2 개의 조각으로 자른다. 그중 더 큰 조각을 D 라 하자.
(a) 주어진 원판의 중심과 반지름을 정확하게 나타내어 D 를 그리세요. 그런 다음 D 를 극좌표 (r,θ) 로 나타내세요.
(b) z=x2+y2 의 아래쪽, D 의 위쪽에 있는 입체의 부피를 구하세요.
영어 원문 보기
In the xy–plane, the disk x2+y2≤2x is cut into 2 pieces
by the line y=x. Let D be the larger piece.
(a) Sketch D including an accurate description of the center and radius
of the given disk. Then describe D in polar coordinates (r,θ).
(b) Find the volume of the solid below z=x2+y2 and above D.
정답·풀이 보기
(a) 부등식 x2+y2≤2x 는 (x−1)2+y2≤1 과 같고, (x,y) 가 (1,0) 을 중심으로 하는 반지름 1 인 원판의 내부에 있음을 뜻한다. 그림은 다음과 같다.
극좌표에서 x=rcosθ, y=rsinθ 이므로
직선 y=x 는 θ=4π 이고
원 x2+y2=2x 는
D 를 그림에서 색칠한 영역이라 하자. D 에 속한 점들의 원점으로부터의 평균 거리를 구하세요. 모든 자연수 n≥2 에 대해
∫cosn(x)dx=ncosn−1(x)sin(x)+nn−1∫cosn−2(x)dx
임을 이용해도 됩니다.
영어 원문 보기
Let D be the shaded region in the diagram. Find the average
distance of points in D from the origin. You may use that
∫cosn(x)dx=ncosn−1(x)sin(x)+nn−1∫cosn−2(x)dx
for all natural numbers n≥2.
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정답·풀이 보기
극좌표를 사용한다. D 에서
θ 는 0 부터 2π 까지 변하고,
0 과 2π 사이의 각 고정된 θ 에 대해 r 는 1 부터 1+cos(θ) 까지 변한다.
xy–평면에서 부등식 x2≤y≤1 로 정의된 영역 D 의 질량 중심을 구하세요. 단, 질량 밀도 함수는 ρ(x,y)=y 이다.
영어 원문 보기
Find the centre of mass of the region D in the xy–plane
defined by the inequalities x2≤y≤1, assuming that
the mass density function is given by ρ(x,y)=y.
정답·풀이 보기
다음은 D 의 개형이다.
정의에 의해 질량 중심은 (xˉ,yˉ) 이고, xˉ 와 yˉ 는 각각 D 위에서 x 좌표와 y 좌표의 가중평균이다. 즉,
By symmetry under reflection in the y–axis, we have xˉ=0.
So we just have to determine yˉ.
We'll evaluate the integrals using vertical strips as in the figure above.
Looking at that figure, we see that
x runs from −1 to 1, and
for each fixed x in that range, y runs from x2 to 1.
(c)
By definition, the centre of mass is (xˉ,yˉ),
with xˉ and yˉ being the weighted averages of the x and
y–coordinates, respectively, over R. That is,
Call the plate P.
By definition, the centre of mass is (xˉ,yˉ),
with xˉ and yˉ being the weighted averages of the x and
y–coordinates, respectively, over P. That is,
By symmetry under reflection in the line y=x, we have yˉ=xˉ.
So we just have to determine
xˉ=∬PdA∬PxdA
The denominator is just one quarter of the area of circular disk of radius 1.
That is, ∬PdA=4π.
We'll evaluate the numerator using polar coordinates as in the figure above.
Looking at that figure, we see that
θ runs from 0 to 2π, and
for each fixed θ in that range, r runs from 0 to 1.
R 을 꼭짓점이 (0,2), (1,0), (2,0) 인 삼각형이라 하세요.
R 의 밀도가 ρ(x,y)=y2 이라 하세요.
R 의 질량중심의 y좌표 yˉ 를 구하세요.
xˉ 는 구하지 않아도 됩니다.
영어 원문 보기
Let R be the triangle with vertices (0,2), (1,0), and (2,0).
Let R have density ρ(x,y)=y2.
Find yˉ, the y–coordinate of the center of mass of R.
You do not need to find xˉ.
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정답·풀이 보기
다음은 R 의 그림이다.
다음에 주목하자.
(2,0) 과 (0,2) 를 지나는 직선의 방정식은
y=2−x, 즉 x=2−y 이다. (확인: 두 점 (2,0) 과 (0,2) 는
모두 x=2−y 위에 있다.)
(1,0) 과 (0,2) 를 지나는 직선의 방정식은
y=2−2x, 즉 x=22−y 이다. (확인: 두 점
(0,2) 와 (1,0) 은 모두 x=22−y 위에 있다.)
정의에 의해 R 의 질량중심의 y좌표는
R 위에서 y 의 가중평균이므로 다음과 같다.
yˉ=∬Rρ(x,y)dA∬Ryρ(x,y)dA=∬Ry2dA∬Ry3dA
R 위에서
y 는 0 부터 2 까지 변한다. 즉, 0≤y≤2 이다.
이 범위의 각 고정된 y 에 대해 x 는 22−y 부터
2−y 까지 변한다. 부등식으로 나타내면 22−y≤x≤2−y 이다.
금속판 하나가 있다. 이 판은 밀도가 상수 1이고 단위원판 x2+y2≤1 을 차지한다. 이 판에서 방정식 x2+y2=x 로 정의되는 원의 내부를 제거하여 초승달 모양의 금속판을 얻는다.
(a) 이 초승달 모양 판의 전체 질량을 구하세요.
(b) 이 판의 질량중심의 x좌표를 구하세요.
다음 사실을 이용해도 됩니다.
∫−π/2π/2cos4(θ)dθ=83π.
영어 원문 보기
A metal crescent is obtained by removing the interior of the circle defined by
the equation x2+y2=x from the metal plate of constant density 1
occupying the unit disc x2+y2≤1.
(a) Find the total mass of the crescent.
(b) Find the x-coordinate of its center of mass.
You may use the fact that
∫−π/2π/2cos4(θ)dθ=83π.
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(a)
(b)
정답·풀이 보기
x2+y2=x 는
(x−21)2+y2=41 과 같은 식이고, 이는
중심이 (21,0) 이고 반지름이 21 인 원이다.
초승달 모양을 C 라 부르고
DH={(x,y)x2+y2≤1}={(x,y)(x−21)2+y2≤41}
라 하면
C=D∖H
이다. 즉 C 는 원판 D 에서 "구멍" H 를 제거한 것이다.
다음은 개략도이다.
(a) D 는 반지름이 1 인 원판이므로 넓이가 π 이다.
H 는 반지름이 1/2 인 원판이므로
넓이가 π/4 이다.
C 의 밀도가 1 이므로
Mass(C)=∬CdA=∬DdA−∬HdA=π−4π=43π
(b)
정의에 따라 C 의 질량중심의 x좌표는
C 위에서 x 의 평균값이며, 이는
xˉ=∬CdA∬CxdA
이다.
앞에서 ∬CdA=43π 임을 이미 구했다.
따라서 분자
∬CxdA=∬DxdA−∬HxdA
를 구해야 한다.
x 는 기함수이고 D 는 x→−x 에 대해 변하지 않으므로
∬DxdA=0 이다. 따라서 ∬HxdA 만 구하면 된다.
이를 위해 극좌표를 사용하면
dA=rdrdθ 이다.
극좌표에서 x2+y2=x 는 r2=rcosθ,
즉 r=cosθ 이다. 따라서 위의 그림((a)의 풀이 바로 앞의 그림)을 보면, 적분 영역에서
Note that x2+y2=x is equivalent to
(x−21)2+y2=41, which is the
circle of radius 21 centred on (21,0).
Let's call the crescent C and write
DH={(x,y)x2+y2≤1}={(x,y)(x−21)2+y2≤41}
so that
C=D∖H
meaning that C is the disk D with the “hole” H removed.
Here is a sketch.
(a) As D is a disk of radius 1, it has area π.
As H is a disk of radius 1/2, it has
area π/4.
As C has density 1,
Mass(C)=∬CdA=∬DdA−∬HdA=π−4π=43π
(b)
Recall that, by definition, the x–coordinate of the centre of mass
of C is the average value of x over C, which is
xˉ=∬CdA∬CxdA
We have already found that ∬CdA=43π.
So we have to determine the numerator
∬CxdA=∬DxdA−∬HxdA
As x is an odd function and D is invariant under x→−x,
∬DxdA=0. So we just have to determine
∬HxdA.
To do so we'll work in polar coordinates, so that
dA=rdrdθ.
In polar coordinates x2+y2=x is r2=rcosθ
or r=cosθ. So, looking at the figure above (just before the
solution to part (a)), on the domain of integration,
θ runs from −2π to 2π.
For each fixed θ in that range, r runs from 0 to
cosθ.
D 를 xy–평면에서 원 x2+(y−1)2=1 의 내부에 있으면서 원 x2+y2=2 의 외부에 있는 영역이라고 하자. 밀도가 다음과 같이 주어질 때, 이 영역의 질량을 구하세요.
ρ(x,y)=x2+y22
영어 원문 보기
Let D be the region in the xy–plane which is inside
the circle x2+(y−1)2=1 but outside the circle x2+y2=2. Determine
the mass of this region if the density is given by
ρ(x,y)=x2+y22
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정답·풀이 보기
정의역은 아래 그림과 같다.
두 원은 x2+y2=2 이고 다음을 만족할 때 만난다.
x2+(y−1)2=2−y2+(y−1)2=1⟺−2y+3=1⟺y=1그리고x=±1
극좌표에서 x2+y2=2 는 r=2 이고,
x2+(y−1)2=x2+y2−2y+1=1 은 r2−2rsinθ=0 즉 r=2sinθ 이다.
두 곡선은 r=2 이고 2=2sinθ 일 때 만나므로
θ=4π 또는 43π 이다. 따라서
In polar coordinates x2+y2=2 is r=2 and
x2+(y−1)2=x2+y2−2y+1=1 is r2−2rsinθ=0 or r=2sinθ.
The two curves intersect when r=2 and2=2sinθ so that
θ=4π or 43π. So
In polar coordinates, this is dS=a2−r2ardrdθ.
We are to find the surface area of the part of the hemisphere that is
inside the cylinder, x2−ax+y2=0, which is polar coordinates is
becomes r2−arcosθ=0 or r=acosθ. The top half of the domain of
integration is sketched below.