문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다중적분

원기둥·구면좌표 삼중적분

원기둥·구 모양 영역의 삼중적분을 좌표를 바꾸어 계산한다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

11문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 3.6절 · 1번대학 수준우리말 번역

(r,θ,z)(r,\theta,z) 는 원기둥좌표를 나타낸다고 하자.

(a) r=0r=0 의 그래프를 그리세요. (b) r=1r=1 의 그래프를 그리세요. (c) θ=0\theta=0 의 그래프를 그리세요. (d) θ=π/4\theta={\pi}/{4} 의 그래프를 그리세요.

영어 원문 보기

Use (r,θ,z)(r,\theta,z) to denote cylindrical coordinates.

(a) Draw r=0r=0. (b) Draw r=1r=1. (c) Draw θ=0\theta=0. (d) Draw θ=π/4\theta={\pi}/{4}.

정답·풀이 보기

(a), (b) 점 (x,y,z)(x,y,z) 의 원기둥좌표 r(x,y,z)r(x,y,z) 는 (x,y,z)(x,y,z) 에서 zz축까지의 거리 x2+y2\sqrt{x^2+y^2} 이므로, 집합

{ (x,y,z) ∣ r(x,y,z)=0 }={ (x,y,z) ∣ x2+y2=0 }={ (x,y,z) ∣ x=y=0 }=z축{ (x,y,z) ∣ r(x,y,z)=1 }={ (x,y,z) ∣ x2+y2=1 }=z축을 중심으로 하는 반지름이 1인 원기둥\begin{aligned} \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ r(x,y,z)=0\ \big\} &=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+y^2=0\ \big\} =\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x=y=0\ \big\} \\ &=\text{$z$축} \\ \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ r(x,y,z)=1\ \big\} &=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+y^2=1\ \big\} \\ &=\text{$z$축을 중심으로 하는 반지름이 $1$인 원기둥} \end{aligned}

이다.

그림

그림

(c), (d) 점 (x,y,z)(x,y,z) 의 원기둥좌표 θ(x,y,z)\theta(x,y,z) 는 양의 xx축과 (0,0,0)(0,0,0) 에서 (x,y,0)(x,y,0) 까지의 직선이 이루는 각이므로, 집합

{ (x,y,z) ∣ θ(x,y,z)=0 }=xz평면에서 x>0 인 쪽 반평면{ (x,y,z) ∣ θ(x,y,z)=π/4 }=평면 y=x 에서 x>0 인 쪽 반평면\begin{aligned} \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \theta(x,y,z)=0\ \big\} &=\text{$xz$평면에서 $x>0$ 인 쪽 반평면} \\ \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \theta(x,y,z)={\pi}/{4}\ \big\} &=\text{평면 $y=x$ 에서 $x>0$ 인 쪽 반평면} \end{aligned}

이다.

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a), (b) Since the cylindrical coordinate r(x,y,z)r(x,y,z) of a point (x,y,z)(x,y,z) is the distance, x2+y2\sqrt{x^2+y^2}, from (x,y,z)(x,y,z) to the zz-axis, the sets

{ (x,y,z) ∣ r(x,y,z)=0 }={ (x,y,z) ∣ x2+y2=0 }={ (x,y,z) ∣ x=y=0 }=the z-axis{ (x,y,z) ∣ r(x,y,z)=1 }={ (x,y,z) ∣ x2+y2=1 }=the cylinder of radius 1 centred on the z-axis\begin{aligned} \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ r(x,y,z)=0\ \big\} &=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+y^2=0\ \big\} =\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x=y=0\ \big\} \\ &=\text{the $z$-axis} \\ \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ r(x,y,z)=1\ \big\} &=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+y^2=1\ \big\} \\ &=\text{the cylinder of radius $1$ centred on the $z$-axis} \end{aligned}

figure

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(c), (d) Since the cylindrical coordinate θ(x,y,z)\theta(x,y,z) of a point (x,y,z)(x,y,z) is the angle between the positive xx-axis and the line from (0,0,0)(0,0,0) to (x,y,0)(x,y,0), the sets

{ (x,y,z) ∣ θ(x,y,z)=0 }=the half of the xz-plane with x>0{ (x,y,z) ∣ θ(x,y,z)=π/4 }=the half of the plane y=x with x>0\begin{aligned} \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \theta(x,y,z)=0\ \big\} &=\text{the half of the $xz$-plane with $x>0$} \\ \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \theta(x,y,z)={\pi}/{4}\ \big\} &=\text{the half of the plane $y=x$ with $x>0$} \end{aligned}

figure

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.5절 · 5번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분계산기본자동 분류
2.CLP-3 · 3.6절 · 2번대학 수준우리말 번역

다음과 같이 주어진 원기둥좌표를 갖는 점들을 그리세요.

(a) r=1r=1, θ=0\theta=0, z=0z=0 (b) r=1r=1, θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, z=0z=0 (c) r=1r=1, θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, z=0z=0 (d) r=0r=0, θ=π\theta=\pi, z=1z=1 (e) r=1r=1, θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, z=1z=1

영어 원문 보기

Sketch the points with the specified cylindrical coordinates.

(a) r=1r=1, θ=0\theta=0, z=0z=0 (b) r=1r=1, θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, z=0z=0 (c) r=1r=1, θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, z=0z=0 (d) r=0r=0, θ=π\theta=\pi, z=1z=1 (e) r=1r=1, θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, z=1z=1

정답·풀이 보기

그림은 아래와 같다. 이 그림을 그리는 데 도움이 되도록 다음 사실들을 떠올려 보자.

  • 원기둥좌표 rr 은 점에서 zz축까지의 거리이다. 특히 r=0r=0 인 모든 점은 (θ\theta 의 값에 관계없이) zz축 위에 있다.
  • 원기둥좌표 zz 는 점에서 xyxy평면까지의 거리이다. 특히 z=0z=0 인 모든 점은 xyxy평면 위에 있다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

The sketch is below. To help build up this sketch, it is useful to recall the following facts.

  • The cylindrical coordinate rr is the distance of the point from the zz-axis. In particular all points with r=0r=0 lie on the zz-axis (for all values of θ\theta).
  • The cylindrical coordinate zz is the distance of the point from the xyxy-plane. In particular all points with z=0z=0 lie on the xyxy-plane.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.6절 · 1번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분그래프·표 해석기본자동 분류
3.CLP-3 · 3.6절 · 3번대학 수준우리말 번역

원기둥좌표를 직교좌표로 바꾸세요.

(a) r=1r=1, θ=0\theta=0, z=0z=0 (b) r=1r=1, θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, z=0z=0 (c) r=1r=1, θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, z=0z=0 (d) r=0r=0, θ=π\theta=\pi, z=1z=1 (e) r=1r=1, θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, z=1z=1

영어 원문 보기

Convert from cylindrical to Cartesian coordinates.

(a) r=1r=1, θ=0\theta=0, z=0z=0 (b) r=1r=1, θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, z=0z=0 (c) r=1r=1, θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, z=0z=0 (d) r=0r=0, θ=π\theta=\pi, z=1z=1 (e) r=1r=1, θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, z=1z=1

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
정답·풀이 보기

(a) θ=0\theta=0 일 때 sin⁡θ=0\sin\theta=0 이고 cos⁡θ=1\cos\theta=1 이므로, 극좌표 r=1r=1, θ=0\theta=0, z=0z=0 은 다음 직교좌표에 대응한다.

(x,y,z)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ,z)=(1×cos⁡0, 1×sin⁡0, 0)=(1,0,0)(x,y,z) = (r\cos\theta,r\sin\theta,z) = (1\times\cos 0,\ 1\times\sin 0,\ 0) =(1,0,0)

(b) θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 일 때 sin⁡θ=cos⁡θ=12\sin\theta=\cos\theta=\frac{1}{\sqrt{2}} 이므로, 극좌표 r=1r=1, θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, z=0z=0 은 다음 직교좌표에 대응한다.

(x,y,z)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ,z)=(1×cos⁡π4, 1×sin⁡π4, 0)=(12,12,0)(x,y,z) = (r\cos\theta,r\sin\theta,z) = \left(1\times\cos \frac{\pi}{4},\ 1\times\sin \frac{\pi}{4},\ 0\right) = \left(\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},0\right)

(c) θ=π2\theta=\frac{\pi}{2} 일 때 sin⁡θ=1\sin\theta=1 이고 cos⁡θ=0\cos\theta=0 이므로, 극좌표 r=1r=1, θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, z=0z=0 은 다음 직교좌표에 대응한다.

(x,y,z)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ,z)=(1×cos⁡π2, 1×sin⁡π2, 0)=(0,1,0)(x,y,z) = (r\cos\theta,r\sin\theta,z) = \left(1\times\cos \frac{\pi}{2},\ 1\times\sin \frac{\pi}{2},\ 0\right) = (0,1,0)

(d) θ=π\theta=\pi 일 때 sin⁡θ=0\sin\theta=0 이고 cos⁡θ=−1\cos\theta=-1 이므로, 극좌표 r=0r=0, θ=π\theta=\pi, z=1z=1 은 다음 직교좌표에 대응한다.

(x,y,z)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ,z)=(0×cos⁡π, 0×sin⁡π, 1)=(0,0,1)(x,y,z) = (r\cos\theta,r\sin\theta,z) = \left(0\times\cos\pi,\ 0\times\sin\pi,\ 1\right) = (0,0,1)

(e) θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 일 때 sin⁡θ=cos⁡θ=12\sin\theta=\cos\theta=\frac{1}{\sqrt{2}} 이므로, 극좌표 r=1r=1, θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, z=1z=1 은 다음 직교좌표에 대응한다.

(x,y,z)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ,z)=(1×cos⁡π4, 1×sin⁡π4, 1)=(12,12,1)(x,y,z) = (r\cos\theta,r\sin\theta,z) = \left(1\times\cos \frac{\pi}{4},\ 1\times\sin \frac{\pi}{4},\ 1\right) = \left(\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},1\right)

원본 교재 풀이(영어)

(a) When θ=0\theta=0, sin⁡θ=0\sin\theta=0 and cos⁡θ=1\cos\theta=1, so that the polar coordinates r=1r=1, θ=0\theta=0, z=0z=0 correspond to the Cartesian coordinates

(x,y,z)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ,z)=(1×cos⁡0, 1×sin⁡0, 0)=(1,0,0)(x,y,z) = (r\cos\theta,r\sin\theta,z) = (1\times\cos 0,\ 1\times\sin 0,\ 0) =(1,0,0)

(b) When θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, sin⁡θ=cos⁡θ=12\sin\theta=\cos\theta=\frac{1}{\sqrt{2}}, so that the polar coordinates r=1r=1, θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, z=0z=0 correspond to the Cartesian coordinates

(x,y,z)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ,z)=(1×cos⁡π4, 1×sin⁡π4, 0)=(12,12,0)(x,y,z) = (r\cos\theta,r\sin\theta,z) = \left(1\times\cos \frac{\pi}{4},\ 1\times\sin \frac{\pi}{4},\ 0\right) = \left(\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},0\right)

(c) When θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, sin⁡θ=1\sin\theta=1 and cos⁡θ=0\cos\theta=0, so that the polar coordinates r=1r=1, θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, z=0z=0 correspond to the Cartesian coordinates

(x,y,z)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ,z)=(1×cos⁡π2, 1×sin⁡π2, 0)=(0,1,0)(x,y,z) = (r\cos\theta,r\sin\theta,z) = \left(1\times\cos \frac{\pi}{2},\ 1\times\sin \frac{\pi}{2},\ 0\right) = (0,1,0)

(d) When θ=π\theta=\pi, sin⁡θ=0\sin\theta=0 and cos⁡θ=−1\cos\theta=-1, so that the polar coordinates r=0r=0, θ=π\theta=\pi, z=1z=1 correspond to the Cartesian coordinates

(x,y,z)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ,z)=(0×cos⁡π, 0×sin⁡π, 1)=(0,0,1)(x,y,z) = (r\cos\theta,r\sin\theta,z) = \left(0\times\cos\pi,\ 0\times\sin\pi,\ 1\right) = (0,0,1)

(e) When θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, sin⁡θ=cos⁡θ=12\sin\theta=\cos\theta=\frac{1}{\sqrt{2}}, so that the polar coordinates r=1r=1, θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, z=1z=1 correspond to the Cartesian coordinates

(x,y,z)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ,z)=(1×cos⁡π4, 1×sin⁡π4, 1)=(12,12,1)(x,y,z) = (r\cos\theta,r\sin\theta,z) = \left(1\times\cos \frac{\pi}{4},\ 1\times\sin \frac{\pi}{4},\ 1\right) = \left(\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},1\right)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.6절 · 2번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분계산기본자동 분류
4.CLP-3 · 3.6절 · 4번대학 수준우리말 번역

직교좌표를 원기둥좌표로 변환하세요.

(a) (1,1,2)(1,1,2) (b) (−1,−1,2)(-1,-1,2) (c) (−1,3,0)(-1,\sqrt{3}, 0) (d) (0,0,1)(0,0,1)

영어 원문 보기

Convert from Cartesian to cylindrical coordinates.

(a) (1,1,2)(1,1,2) (b) (−1,−1,2)(-1,-1,2) (c) (−1,3,0)(-1,\sqrt{3}, 0) (d) (0,0,1)(0,0,1)

정답·풀이 보기

(a) 원기둥좌표는 다음을 만족해야 한다.

1=x=rcos⁡θ1=y=rsin⁡θ2=z1=x=r\cos\theta\qquad 1=y=r\sin\theta\qquad 2=z

따라서 z=2z=2, r=12+12=2r=\sqrt{1^2+1^2}=\sqrt{2} 이고 tan⁡θ=yx=11=1\tan\theta=\frac{y}{x} =\frac{1}{1}=1 이다. 모든 정수 kk 에 대해 tan⁡(π4+kπ)=1\tan\left(\frac{\pi}{4}+k\pi\right)=1 임을 기억하자. (x,y)=(1,1)(x,y)=(1,1) 은 제1사분면에 있으므로 0≤θ≤π20\le\theta\le\frac{\pi}{2} 이다. 따라서 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 이다 (여기에 2π2\pi의 정수 배수를 더한 값도 가능하다).

(b) 원기둥좌표는 다음을 만족해야 한다.

−1=x=rcos⁡θ−1=y=rsin⁡θ2=z-1=x=r\cos\theta\qquad -1=y=r\sin\theta\qquad 2=z

따라서 z=2z=2, r=(−1)2+(−1)2=2r=\sqrt{(-1)^2+(-1)^2}=\sqrt{2} 이고 tan⁡θ=yx=−1−1=1\tan\theta=\frac{y}{x} =\frac{-1}{-1}=1 이다. 모든 정수 kk 에 대해 tan⁡(π4+kπ)=1\tan\left(\frac{\pi}{4}+k\pi\right)=1 임을 기억하자. (x,y)=(−1,−1)(x,y)=(-1,-1) 은 제3사분면에 있으므로 π≤θ≤3π2\pi\le\theta\le\frac{3\pi}{2} 이다. 따라서 θ=5π4\theta=\frac{5\pi}{4} 이다 (여기에 2π2\pi의 정수 배수를 더한 값도 가능하다).

(c) 원기둥좌표는 다음을 만족해야 한다.

−1=x=rcos⁡θ3=y=rsin⁡θ0=z-1=x=r\cos\theta\qquad \sqrt{3}=y=r\sin\theta\qquad 0=z

따라서 z=0z=0, r=(−1)2+(3)2=2r=\sqrt{(-1)^2+\big(\sqrt{3}\big)^2}=2 이고 tan⁡θ=yx=3−1=−3\tan\theta=\frac{y}{x} =\frac{\sqrt{3}}{-1}=-\sqrt{3} 이다. 모든 정수 kk 에 대해 tan⁡(2π3+kπ)=−3\tan\left(\frac{2\pi}{3}+k\pi\right)=-\sqrt{3} 임을 기억하자. (x,y)=(−1,3)(x,y)=(-1,\sqrt{3}) 은 제2사분면에 있으므로 π2≤θ≤π\frac{\pi}{2}\le\theta\le\pi 이다. 따라서 θ=2π3\theta=\frac{2\pi}{3} 이다 (여기에 2π2\pi의 정수 배수를 더한 값도 가능하다).

(d) 원기둥좌표는 다음을 만족해야 한다.

0=x=rcos⁡θ0=y=rsin⁡θ1=z0=x=r\cos\theta\qquad 0=y=r\sin\theta\qquad 1=z

따라서 z=1z=1, r=02+02=0r=\sqrt{0^2+0^2}=0 이고 θ\theta 는 완전히 임의의 값이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The cylindrical coordinates must obey

1=x=rcos⁡θ1=y=rsin⁡θ2=z1=x=r\cos\theta\qquad 1=y=r\sin\theta\qquad 2=z

So z=2z=2, r=12+12=2r=\sqrt{1^2+1^2}=\sqrt{2} and tan⁡θ=yx=11=1\tan\theta=\frac{y}{x} =\frac{1}{1}=1. Recall that tan⁡(π4+kπ)=1\tan\left(\frac{\pi}{4}+k\pi\right)=1 for all integers kk. As (x,y)=(1,1)(x,y)=(1,1) lies in the first quadrant, 0≤θ≤π20\le\theta\le\frac{\pi}{2}. So θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} (plus possibly any integer multiple of 2π2\pi).

(b) The cylindrical coordinates must obey

−1=x=rcos⁡θ−1=y=rsin⁡θ2=z-1=x=r\cos\theta\qquad -1=y=r\sin\theta\qquad 2=z

So z=2z=2, r=(−1)2+(−1)2=2r=\sqrt{(-1)^2+(-1)^2}=\sqrt{2} and tan⁡θ=yx=−1−1=1\tan\theta=\frac{y}{x} =\frac{-1}{-1}=1. Recall that tan⁡(π4+kπ)=1\tan\left(\frac{\pi}{4}+k\pi\right)=1 for all integers kk. As (x,y)=(−1,−1)(x,y)=(-1,-1) lies in the third quadrant, π≤θ≤3π2\pi\le\theta\le\frac{3\pi}{2}. So θ=5π4\theta=\frac{5\pi}{4} (plus possibly any integer multiple of 2π2\pi).

(c) The cylindrical coordinates must obey

−1=x=rcos⁡θ3=y=rsin⁡θ0=z-1=x=r\cos\theta\qquad \sqrt{3}=y=r\sin\theta\qquad 0=z

So z=0z=0, r=(−1)2+(3)2=2r=\sqrt{(-1)^2+\big(\sqrt{3}\big)^2}=2 and tan⁡θ=yx=3−1=−3\tan\theta=\frac{y}{x} =\frac{\sqrt{3}}{-1}=-\sqrt{3}. Recall that tan⁡(2π3+kπ)=−3\tan\left(\frac{2\pi}{3}+k\pi\right)=-\sqrt{3} for all integers kk. As (x,y)=(−1,3)(x,y)=(-1,\sqrt{3}) lies in the second quadrant, π2≤θ≤π\frac{\pi}{2}\le\theta\le\pi. So θ=2π3\theta=\frac{2\pi}{3} (plus possibly any integer multiple of 2π2\pi).

(d) The cylindrical coordinates must obey

0=x=rcos⁡θ0=y=rsin⁡θ1=z0=x=r\cos\theta\qquad 0=y=r\sin\theta\qquad 1=z

So z=1z=1, r=02+02=0r=\sqrt{0^2+0^2}=0 and θ\theta is completely arbitrary.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.6절 · 13번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분계산기본자동 분류
5.CLP-3 · 3.6절 · 5번대학 수준우리말 번역

다음 방정식을 원기둥좌표로 나타내세요.

(a) z=2xyz=2xy (b) x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1 (c) (x−1)2+y2=1(x-1)^2 + y^2 =1

영어 원문 보기

Rewrite the following equations in cylindrical coordinates.

(a) z=2xyz=2xy (b) x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1 (c) (x−1)2+y2=1(x-1)^2 + y^2 =1

정답·풀이 보기

(a) x=rcos⁡θx=r\cos\theta 이고 y=rsin⁡θy=r\sin\theta 이므로,

z=2xy  ⟺  z=2r2cos⁡θsin⁡θ=r2sin⁡(2θ)z=2xy \iff z=2r^2\cos\theta\sin\theta = r^2\sin(2\theta)

(b) x=rcos⁡θx=r\cos\theta 이고 y=rsin⁡θy=r\sin\theta 이므로,

x2+y2+z2=1  ⟺  r2cos⁡2θ+r2sin⁡2θ+z2=1  ⟺  r2+z2=1x^2+y^2+z^2=1 \iff r^2\cos^2\theta+r^2\sin^2\theta + z^2 =1 \iff r^2+z^2=1

(c) x=rcos⁡θx=r\cos\theta 이고 y=rsin⁡θy=r\sin\theta 이므로,

(x−1)2+y2=1  ⟺  (rcos⁡θ−1)2+(rsin⁡θ)2=1  ⟺  r2cos⁡2θ−2rcos⁡θ+1+r2sin⁡2θ=1  ⟺  r2=2rcos⁡θ  ⟺  r=2cos⁡θ 또는 r=0  ⟺  r=2cos⁡θ\begin{aligned} (x-1)^2 + y^2 =1 &\iff (r\cos\theta-1)^2 + (r\sin\theta)^2 =1 \\ &\iff r^2\cos^2\theta -2r\cos\theta +1 + r^2\sin^2\theta = 1 \\ &\iff r^2=2r\cos\theta \iff r=2\cos\theta\text{ 또는 }r=0 \\ &\iff r=2\cos\theta \end{aligned}

해 r=0r=0 은 r=2cos⁡θr=2\cos\theta 에 포함된다. θ=π2\theta=\frac{\pi}{2} 로 택하면 된다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) As x=rcos⁡θx=r\cos\theta and y=rsin⁡θy=r\sin\theta,

z=2xy  ⟺  z=2r2cos⁡θsin⁡θ=r2sin⁡(2θ)z=2xy \iff z=2r^2\cos\theta\sin\theta = r^2\sin(2\theta)

(b) As x=rcos⁡θx=r\cos\theta and y=rsin⁡θy=r\sin\theta,

x2+y2+z2=1  ⟺  r2cos⁡2θ+r2sin⁡2θ+z2=1  ⟺  r2+z2=1x^2+y^2+z^2=1 \iff r^2\cos^2\theta+r^2\sin^2\theta + z^2 =1 \iff r^2+z^2=1

(c) As x=rcos⁡θx=r\cos\theta and y=rsin⁡θy=r\sin\theta,

(x−1)2+y2=1  ⟺  (rcos⁡θ−1)2+(rsin⁡θ)2=1  ⟺  r2cos⁡2θ−2rcos⁡θ+1+r2sin⁡2θ=1  ⟺  r2=2rcos⁡θ  ⟺  r=2cos⁡θ or r=0  ⟺  r=2cos⁡θ\begin{aligned} (x-1)^2 + y^2 =1 &\iff (r\cos\theta-1)^2 + (r\sin\theta)^2 =1 \\ &\iff r^2\cos^2\theta -2r\cos\theta +1 + r^2\sin^2\theta = 1 \\ &\iff r^2=2r\cos\theta \iff r=2\cos\theta\text{ or }r=0 \\ &\iff r=2\cos\theta \end{aligned}

Note that the solution r=0r=0 is included in r=2cos⁡θr=2\cos\theta — just choose θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.6절 · 12번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분계산기본자동 분류
6.CLP-3 · 3.7절 · 1번대학 수준우리말 번역

(ρ,θ,φ)(\rho,\theta,\varphi) 를 구면좌표를 나타내는 것으로 하자.

(a) φ=0\varphi=0 의 그래프를 그리세요. (b) φ=π/4\varphi={\pi}/{4} 의 그래프를 그리세요. (c) φ=π/2\varphi={\pi}/{2} 의 그래프를 그리세요. (d) φ=3π/4\varphi={3\pi}/{4} 의 그래프를 그리세요. (e) φ=π\varphi=\pi 의 그래프를 그리세요.

영어 원문 보기

Use (ρ,θ,φ)(\rho,\theta,\varphi) to denote spherical coordinates.

(a) Draw φ=0\varphi=0. (b) Draw φ=π/4\varphi={\pi}/{4}. (c) Draw φ=π/2\varphi={\pi}/{2}. (d) Draw φ=3π/4\varphi={3\pi}/{4}. (e) Draw φ=π\varphi=\pi.

정답·풀이 보기

점 (x,y,z)(x,y,z) 의 구면좌표 φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) 는 양의 zz축과 (0,0,0)(0,0,0) 에서 (x,y,z)(x,y,z) 로 향하는 반지름 벡터가 이루는 각이므로, 다음 집합들이 성립한다.

{ (x,y,z) ∣ φ(x,y,z)=0 }=양의 z축{ (x,y,z) ∣ φ(x,y,z)=π/2 }=xy평면{ (x,y,z) ∣ φ(x,y,z)=π }=음의 z축\begin{aligned} \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \varphi(x,y,z)=0\ \big\} &=\text{양의 $z$축} \\ \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \varphi(x,y,z)={\pi}/{2}\ \big\} &=\text{$xy$평면} \\ \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \varphi(x,y,z)=\pi\ \big\} &=\text{음의 $z$축} \end{aligned}

다른 방법으로, tan⁡φ(x,y,z)=zx2+y2\tan\varphi(x,y,z)=\frac{z}{\sqrt{x^2+y^2}} 이므로, 모든 0<Φ<π0<\Phi<\pi 에 대해

{ (x,y,z) ∣ φ(x,y,z)=Φ }={ (x,y,z) ∣ z=tan⁡Φx2+y2 }=양의 z축과 이루는 각이 Φ 인 원뿔\begin{aligned} \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \varphi(x,y,z)=\Phi\ \big\} &=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ z=\tan\Phi\sqrt{x^2+y^2}\ \big\} \\ &=\text{양의 $z$축과 이루는 각이 $\Phi$ 인 원뿔} \end{aligned}

이다.

그림

그림

그림

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

Since the spherical coordinate φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) of a point (x,y,z)(x,y,z) is the angle between the positive zz-axis and the radius vector from (0,0,0)(0,0,0) to (x,y,z)(x,y,z), the sets

{ (x,y,z) ∣ φ(x,y,z)=0 }=the positive z-axis{ (x,y,z) ∣ φ(x,y,z)=π/2 }=the xy-plane{ (x,y,z) ∣ φ(x,y,z)=π }=the negative z-axis\begin{aligned} \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \varphi(x,y,z)=0\ \big\} &=\text{the positive $z$-axis} \\ \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \varphi(x,y,z)={\pi}/{2}\ \big\} &=\text{the $xy$-plane} \\ \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \varphi(x,y,z)=\pi\ \big\} &=\text{the negative $z$-axis} \end{aligned}

Alternatively, tan⁡φ(x,y,z)=zx2+y2\tan\varphi(x,y,z)=\frac{z}{\sqrt{x^2+y^2}}, so that, for any 0<Φ<π0<\Phi<\pi,

{ (x,y,z) ∣ φ(x,y,z)=Φ }={ (x,y,z) ∣ z=tan⁡Φx2+y2 }=the cone that makes the angle Φ with the positive z-axis\begin{aligned} \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \varphi(x,y,z)=\Phi\ \big\} &=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ z=\tan\Phi\sqrt{x^2+y^2}\ \big\} \\ &=\text{the cone that makes the angle $\Phi$ with the positive $z$-axis} \end{aligned}

figure

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.7절 · 15번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분계산기본자동 분류
7.CLP-3 · 3.7절 · 2번대학 수준우리말 번역

주어진 구면좌표에 해당하는 점을 그리세요.

(a) ρ=0\rho=0, θ=0.1π\theta=0.1\pi, φ=0.7π\varphi=0.7\pi (b) ρ=1\rho=1, θ=0.3π\theta=0.3\pi, φ=0\varphi=0 (c) ρ=1\rho=1, θ=0\theta=0, φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} (d) ρ=1\rho=1, θ=π3\theta=\frac{\pi}{3}, φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} (e) ρ=1\rho=1, θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} (f) ρ=1\rho=1, θ=π3\theta=\frac{\pi}{3}, φ=π6\varphi=\frac{\pi}{6}

영어 원문 보기

Sketch the point with the specified spherical coordinates.

(a) ρ=0\rho=0, θ=0.1π\theta=0.1\pi, φ=0.7π\varphi=0.7\pi (b) ρ=1\rho=1, θ=0.3π\theta=0.3\pi, φ=0\varphi=0 (c) ρ=1\rho=1, θ=0\theta=0, φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} (d) ρ=1\rho=1, θ=π3\theta=\frac{\pi}{3}, φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} (e) ρ=1\rho=1, θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} (f) ρ=1\rho=1, θ=π3\theta=\frac{\pi}{3}, φ=π6\varphi=\frac{\pi}{6}

정답·풀이 보기

그림은 아래와 같다. 이 그림을 그리는 데에는 다음 사실들을 떠올리면 도움이 된다.

  • 구면좌표 ρ\rho 는 원점 (0,0,0)(0,0,0) 에서 그 점까지의 거리이다. 특히 ρ=0\rho=0 이면 θ\theta 와 φ\varphi 의 값에 관계없이 그 점은 원점이다. ρ=1\rho=1 이면 그 점은 원점을 중심으로 하는 반지름 11 인 구 위에 있다.
  • 구면좌표 φ\varphi 는 양의 zz축과 원점에서 (x,y,z)(x,y,z) 까지의 선분 사이의 각이다. 특히 φ=0\varphi=0 인 모든 점은 θ\theta 의 값에 관계없이 양의 zz축 위에 있다. φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} 인 모든 점은 xyxy평면 위에 있다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

The sketch is below. To help build up this sketch, it is useful to recall the following facts.

  • The spherical coordinate ρ\rho is the distance of the point from the origin (0,0,0)(0,0,0). In particular if ρ=0\rho=0, then the point is the origin (regardless of the values of θ\theta and φ\varphi). If ρ=1\rho=1 then the point lies on the sphere of radius 11 centred on the origin.
  • The spherical coordinate φ\varphi is the angle between the positive zz-axis and the radial line segment from the origin to (x,y,z)(x,y,z). In particular, all points with φ=0\varphi=0 lie on the positive zz–axis (regardless of the value of θ\theta). All points with φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} lie in the xyxy-plane.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.7절 · 18번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분그래프·표 해석기본자동 분류
8.CLP-3 · 3.7절 · 3번대학 수준우리말 번역

직교좌표를 구면좌표로 변환하세요.

(a) (−2,0,0)(-2,0,0) (b) (0,3,0)(0,3,0) (c) (0,0,−4)(0,0,-4) (d) (−12,12,3)\left(-\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},\sqrt{3}\right)

영어 원문 보기

Convert from Cartesian to spherical coordinates.

(a) (−2,0,0)(-2,0,0) (b) (0,3,0)(0,3,0) (c) (0,0,−4)(0,0,-4) (d) (−12,12,3)\left(-\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},\sqrt{3}\right)

정답·풀이 보기

(a) 점 (−2,0,0)(-2,0,0) 은

  • xyxy평면 위에 있으므로(즉 z=ρcos⁡φ=0z=\rho\cos\varphi=0 이므로) φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} 이고
  • 음의 xx축 위에 있으므로 θ=π\theta=\pi 이고
  • 원점으로부터의 거리가 22 이므로 ρ=2\rho=2 이다.

(b) 점 (0,3,0)(0,3,0) 은

  • xyxy평면 위에 있으므로(즉 z=ρcos⁡φ=0z=\rho\cos\varphi=0 이므로) φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} 이고
  • 양의 yy축 위에 있으므로 θ=π2\theta=\frac{\pi}{2} 이고
  • 원점으로부터의 거리가 33 이므로 ρ=3\rho=3 이다.

(c) 점 (0,0,−4)(0,0,-4) 는

  • 음의 zz축 위에 있으므로 φ=π\varphi=\pi 이고 θ\theta 는 임의의 값이며 그리고
  • 원점으로부터의 거리가 44 이므로 ρ=4\rho=4 이다.

(d) 점 (−12,12,3)\left(-\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},\sqrt{3}\right) 은

  • ρ=x2+y2+z2=(−12)2+(12)2+(3)2=4=2\rho=\sqrt{x^2+y^2+z^2} =\sqrt{\left(-\frac{1}{\sqrt{2}}\right)^2 +\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)^2 +\left(\sqrt{3}\right)^2}=\sqrt{4}=2 이고
  • 3=z=ρcos⁡φ=2cos⁡φ\sqrt{3}=z=\rho\cos\varphi = 2\cos\varphi 이므로 cos⁡φ=32\cos\varphi = \frac{\sqrt{3}}{2} 이고 φ=π6\varphi=\frac{\pi}{6} 이고
  • −12=x=ρsin⁡φcos⁡θ=2(12)cos⁡θ-\frac{1}{\sqrt{2}}=x=\rho\sin\varphi\cos\theta = 2\big(\frac{1}{2}\big)\cos\theta 이므로 cos⁡θ=−12\cos\theta = -\frac{1}{\sqrt{2}} 이다. (−12,12)\left(-\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}}\right) 이 제2사분면에 있으므로 π2≤θ≤π\frac{\pi}{2}\le\theta\le\pi 이고, 따라서 θ=3π4\theta=\frac{3\pi}{4} 이다.
원본 교재 풀이(영어)

(a) The point (−2,0,0)(-2,0,0)

  • lies in the xyxy-plane (i.e. has z=ρcos⁡φ=0z=\rho\cos\varphi=0) and so has φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} and
  • lies on the negative xx-axis and so has θ=π\theta=\pi and
  • is a distance 22 from the origin and so has ρ=2\rho=2.

(b) The point (0,3,0)(0,3,0)

  • lies in the xyxy-plane (i.e. has z=ρcos⁡φ=0z=\rho\cos\varphi=0) and so has φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} and
  • lies on the positive yy-axis and so has θ=π2\theta=\frac{\pi}{2} and
  • is a distance 33 from the origin and so has ρ=3\rho=3.

(c) The point (0,0,−4)(0,0,-4)

  • lies on the negative zz-axis and so has φ=π\varphi=\pi and θ\theta arbitrary and
  • is a distance 44 from the origin and so has ρ=4\rho=4.

(d) The point (−12,12,3)\left(-\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},\sqrt{3}\right)

  • has ρ=x2+y2+z2=(−12)2+(12)2+(3)2=4=2\rho=\sqrt{x^2+y^2+z^2} =\sqrt{\left(-\frac{1}{\sqrt{2}}\right)^2 +\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)^2 +\left(\sqrt{3}\right)^2}=\sqrt{4}=2 and
  • has 3=z=ρcos⁡φ=2cos⁡φ\sqrt{3}=z=\rho\cos\varphi = 2\cos\varphi so that cos⁡φ=32\cos\varphi = \frac{\sqrt{3}}{2} and φ=π6\varphi=\frac{\pi}{6} and
  • has −12=x=ρsin⁡φcos⁡θ=2(12)cos⁡θ-\frac{1}{\sqrt{2}}=x=\rho\sin\varphi\cos\theta = 2\big(\frac{1}{2}\big)\cos\theta so that cos⁡θ=−12\cos\theta = -\frac{1}{\sqrt{2}}. As (−12,12)\left(-\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}}\right) is in the second quadrant, we have π2≤θ≤π\frac{\pi}{2}\le\theta\le\pi and so θ=3π4\theta=\frac{3\pi}{4}.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.7절 · 1번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분계산기본자동 분류
9.CLP-3 · 3.7절 · 4번대학 수준우리말 번역

구면좌표를 직교좌표로 변환하세요.

(a) ρ=1\rho=1, θ=π3\theta=\frac{\pi}{3}, φ=π6\varphi=\frac{\pi}{6} (b) ρ=2\rho=2, θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2}

영어 원문 보기

Convert from spherical to Cartesian coordinates.

(a) ρ=1\rho=1, θ=π3\theta=\frac{\pi}{3}, φ=π6\varphi=\frac{\pi}{6} (b) ρ=2\rho=2, θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2}

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) ρ=1\rho=1, θ=π3\theta=\frac{\pi}{3}, φ=π6\varphi=\frac{\pi}{6} 에 대응하는 직교좌표는 다음과 같다.

x=ρsin⁡φcos⁡θ=sin⁡π6cos⁡π3=(12)(12)=14y=ρsin⁡φsin⁡θ=sin⁡π6sin⁡π3=(12)(32)=34z=ρcos⁡φ=cos⁡π6=32\begin{aligned} x&=\rho\sin\varphi\cos\theta =\sin\frac{\pi}{6}\cos\frac{\pi}{3} =\left(\frac{1}{2}\right)\left(\frac{1}{2}\right) =\frac{1}{4} \\ y&=\rho\sin\varphi\sin\theta =\sin\frac{\pi}{6}\sin\frac{\pi}{3} =\left(\frac{1}{2}\right)\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right) =\frac{\sqrt{3}}{4} \\ z&=\rho\cos\varphi =\cos\frac{\pi}{6} =\frac{\sqrt{3}}{2} \end{aligned}

(b) ρ=2\rho=2, θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} 에 대응하는 직교좌표는 다음과 같다.

x=ρsin⁡φcos⁡θ=2sin⁡π2cos⁡π2=0y=ρsin⁡φsin⁡θ=2sin⁡π2sin⁡π2=2z=ρcos⁡φ=2cos⁡π2=0\begin{aligned} x&=\rho\sin\varphi\cos\theta =2\sin\frac{\pi}{2}\cos\frac{\pi}{2} =0 \\ y&=\rho\sin\varphi\sin\theta =2\sin\frac{\pi}{2}\sin\frac{\pi}{2} =2 \\ z&=\rho\cos\varphi =2\cos\frac{\pi}{2} =0 \end{aligned}

다음과 같이 관찰하여 구할 수도 있다.

  • φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} 이므로 점은 xyxy평면 위에 있고, 따라서 z=0z=0 이다.
  • ρ=2\rho=2, θ=π2\theta=\frac{\pi}{2} 이므로 점은 양의 yy축 위에 있고 원점으로부터의 거리가 22 이므로 (0,2,0)(0,2,0) 이다.
원본 교재 풀이(영어)

(a) The Cartesian coordinates corresponding to ρ=1\rho=1, θ=π3\theta=\frac{\pi}{3}, φ=π6\varphi=\frac{\pi}{6} are

x=ρsin⁡φcos⁡θ=sin⁡π6cos⁡π3=(12)(12)=14y=ρsin⁡φsin⁡θ=sin⁡π6sin⁡π3=(12)(32)=34z=ρcos⁡φ=cos⁡π6=32\begin{aligned} x&=\rho\sin\varphi\cos\theta =\sin\frac{\pi}{6}\cos\frac{\pi}{3} =\left(\frac{1}{2}\right)\left(\frac{1}{2}\right) =\frac{1}{4} \\ y&=\rho\sin\varphi\sin\theta =\sin\frac{\pi}{6}\sin\frac{\pi}{3} =\left(\frac{1}{2}\right)\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right) =\frac{\sqrt{3}}{4} \\ z&=\rho\cos\varphi =\cos\frac{\pi}{6} =\frac{\sqrt{3}}{2} \end{aligned}

(b) The Cartesian coordinates corresponding to ρ=2\rho=2, θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} are

x=ρsin⁡φcos⁡θ=2sin⁡π2cos⁡π2=0y=ρsin⁡φsin⁡θ=2sin⁡π2sin⁡π2=2z=ρcos⁡φ=2cos⁡π2=0\begin{aligned} x&=\rho\sin\varphi\cos\theta =2\sin\frac{\pi}{2}\cos\frac{\pi}{2} =0 \\ y&=\rho\sin\varphi\sin\theta =2\sin\frac{\pi}{2}\sin\frac{\pi}{2} =2 \\ z&=\rho\cos\varphi =2\cos\frac{\pi}{2} =0 \end{aligned}

Alternatively, we could just observe that

  • as φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} the point lies in the xyxy-plane and so has z=0z=0 and
  • as ρ=2\rho=2, θ=π2\theta=\frac{\pi}{2} the point lies on the positive yy-axis and is a distance 22 from the origin and so is (0,2,0)(0,2,0).
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.7절 · 16번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분계산기본자동 분류
10.CLP-3 · 3.7절 · 5번대학 수준우리말 번역

다음 방정식을 구면좌표로 다시 나타내세요.

(a) z2=3x2+3y2z^2=3x^2+3y^2 (b) x2+y2+(z−1)2=1x^2+y^2+(z-1)^2=1 (c) x2+y2=4x^2+y^2=4

영어 원문 보기

Rewrite the following equations in spherical coordinates.

(a) z2=3x2+3y2z^2=3x^2+3y^2 (b) x2+y2+(z−1)2=1x^2+y^2+(z-1)^2=1 (c) x2+y2=4x^2+y^2=4

정답·풀이 보기

(a) 구면좌표에서

z2=3x2+3y2  ⟺  ρ2cos⁡2φ=3ρ2sin⁡2φcos⁡2θ+3ρ2sin⁡2φsin⁡2θ=3ρ2sin⁡2φ  ⟺  tan⁡2φ=13  ⟺  tan⁡φ=±13  ⟺  φ=π6 또는 5π6\begin{aligned} z^2=3x^2+3y^2 &\iff \rho^2\cos^2\varphi = 3\rho^2\sin^2\varphi\cos^2\theta +3\rho^2\sin^2\varphi\sin^2\theta =3\rho^2\sin^2\varphi \\ &\iff \tan^2\varphi=\frac{1}{3} \iff \tan\varphi=\pm\frac{1}{\sqrt{3}} \\ &\iff \varphi=\frac{\pi}{6}\text{ 또는 }\frac{5\pi}{6} \end{aligned}

곡면 z2=3x2+3y2z^2=3x^2+3y^2 은 원뿔이다. 원뿔의 위쪽 절반, 즉 z≥0z\ge 0 인 부분은 φ=π6\varphi=\frac{\pi}{6} 이다. 원뿔의 아래쪽 절반, 즉 z≤0z\le 0 인 부분은 φ=π−π6=5π6\varphi=\pi-\frac{\pi}{6}=\frac{5\pi}{6} 이다.

(b) 구면좌표에서

x2+y2+(z−1)2=1  ⟺  ρ2sin⁡2φcos⁡2θ+ρ2sin⁡2φsin⁡2θ+(ρcos⁡φ−1)2=1  ⟺  ρ2sin⁡2φ+ρ2cos⁡2φ−2ρcos⁡φ=0  ⟺  ρ2−2ρcos⁡φ=0  ⟺  ρ=2cos⁡φ\begin{aligned} x^2+y^2+(z-1)^2=1 &\iff \rho^2\sin^2\varphi\cos^2\theta +\rho^2\sin^2\varphi\sin^2\theta +\big(\rho\cos\varphi-1\big)^2 =1 \\ &\iff \rho^2\sin^2\varphi +\rho^2\cos^2\varphi-2\rho\cos\varphi =0 \\ &\iff \rho^2-2\rho\cos\varphi =0 \\ &\iff \rho=2\cos\varphi \end{aligned}

(c) 구면좌표에서

x2+y2=4  ⟺  ρ2sin⁡2φcos⁡2θ+ρ2sin⁡2φsin⁡2θ=4  ⟺  ρ2sin⁡2φ=4  ⟺  ρsin⁡φ=2\begin{aligned} x^2+y^2=4 &\iff \rho^2\sin^2\varphi\cos^2\theta +\rho^2\sin^2\varphi\sin^2\theta =4 \\ &\iff \rho^2\sin^2\varphi =4 \\ &\iff \rho\sin\varphi=2 \end{aligned}

ρ≥0\rho\ge 0 이고 0≤φ≤π0\le\varphi\le\pi 이므로 sin⁡φ≥0\sin\varphi\ge 0 이기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) In spherical coordinates

z2=3x2+3y2  ⟺  ρ2cos⁡2φ=3ρ2sin⁡2φcos⁡2θ+3ρ2sin⁡2φsin⁡2θ=3ρ2sin⁡2φ  ⟺  tan⁡2φ=13  ⟺  tan⁡φ=±13  ⟺  φ=π6 or 5π6\begin{aligned} z^2=3x^2+3y^2 &\iff \rho^2\cos^2\varphi = 3\rho^2\sin^2\varphi\cos^2\theta +3\rho^2\sin^2\varphi\sin^2\theta =3\rho^2\sin^2\varphi \\ &\iff \tan^2\varphi=\frac{1}{3} \iff \tan\varphi=\pm\frac{1}{\sqrt{3}} \\ &\iff \varphi=\frac{\pi}{6}\text{ or }\frac{5\pi}{6} \end{aligned}

The surface z2=3x2+3y2z^2=3x^2+3y^2 is a cone. The upper half of the cone, i.e. the part with z≥0z\ge 0, is φ=π6\varphi=\frac{\pi}{6}. The lower half of the cone, i.e. the part with z≤0z\le 0, is φ=π−π6=5π6\varphi=\pi-\frac{\pi}{6}=\frac{5\pi}{6}.

(b) In spherical coordinates

x2+y2+(z−1)2=1  ⟺  ρ2sin⁡2φcos⁡2θ+ρ2sin⁡2φsin⁡2θ+(ρcos⁡φ−1)2=1  ⟺  ρ2sin⁡2φ+ρ2cos⁡2φ−2ρcos⁡φ=0  ⟺  ρ2−2ρcos⁡φ=0  ⟺  ρ=2cos⁡φ\begin{aligned} x^2+y^2+(z-1)^2=1 &\iff \rho^2\sin^2\varphi\cos^2\theta +\rho^2\sin^2\varphi\sin^2\theta +\big(\rho\cos\varphi-1\big)^2 =1 \\ &\iff \rho^2\sin^2\varphi +\rho^2\cos^2\varphi-2\rho\cos\varphi =0 \\ &\iff \rho^2-2\rho\cos\varphi =0 \\ &\iff \rho=2\cos\varphi \end{aligned}

(c) In spherical coordinates

x2+y2=4  ⟺  ρ2sin⁡2φcos⁡2θ+ρ2sin⁡2φsin⁡2θ=4  ⟺  ρ2sin⁡2φ=4  ⟺  ρsin⁡φ=2\begin{aligned} x^2+y^2=4 &\iff \rho^2\sin^2\varphi\cos^2\theta +\rho^2\sin^2\varphi\sin^2\theta =4 \\ &\iff \rho^2\sin^2\varphi =4 \\ &\iff \rho\sin\varphi=2 \end{aligned}

since ρ≥0\rho\ge 0 and 0≤φ≤π0\le\varphi\le\pi so that sin⁡φ≥0\sin\varphi\ge 0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.7절 · 11번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분계산기본자동 분류
11.CLP-3 · 3.7절 · 6번대학 수준우리말 번역

구면좌표와 적분을 이용하여, 원점을 중심으로 하고 반지름이 11 인 구의 부피가 4π/34\pi/3 임을 보이세요.

영어 원문 보기

Using spherical coordinates and integration, show that the volume of the sphere of radius 11 centred at the origin is 4π/34\pi/3.

정답·풀이 보기

구면좌표에서 이 구는 다음과 같다.

B={ (ρsin⁡φcos⁡θ , ρsin⁡φsin⁡θ , ρcos⁡φ) ∣ 0≤ρ≤1 , 0≤φ≤π , 0≤θ≤2π }\begin{aligned} B =\big\{ \ (\rho\sin\varphi\cos\theta\,,\,\rho\sin\varphi\sin\theta\,,\, \rho\cos\varphi)\ \big|\ 0\le\rho\le 1\,,\,0\le\varphi\le\pi\,,\, 0\le\theta\le 2\pi\ \big\} \end{aligned}

dV=ρ2sin⁡φ dρ dφ dθ\mathrm{d}V =\rho^2\sin\varphi\ \mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\varphi\,\mathrm{d}\theta 이므로

Volume(S)=∭BdV=∫02πdθ∫0πdφ∫01dρ ρ2sin⁡φ=[∫02πdθ][∫0πdφ sin⁡φ][∫01dρ ρ2]=2π[−cos⁡φ]0π[ρ33]01=(2π)(2)(13)=4π3\begin{aligned} \text{Volume}(S) =\iiint _B\mathrm{d}V &=\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\int_0^{\pi}\mathrm{d}\varphi\int_0^1\mathrm{d}\rho\ \rho^2\sin\varphi \\ &=\left[\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\right] \left[\int_0^{\pi}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi\right] \left[\int_0^1\mathrm{d}\rho\ \rho^2\right] \\ &= 2\pi\Big[-\cos\varphi\Big]_0^\pi \left[\frac{\rho^3}{3}\right]_0^1 =(2\pi)(2)\left(\frac{1}{3}\right) \\ &=\frac{4\pi}{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

In spherical coordinates, the sphere in question is

B={ (ρsin⁡φcos⁡θ , ρsin⁡φsin⁡θ , ρcos⁡φ) ∣ 0≤ρ≤1 , 0≤φ≤π , 0≤θ≤2π }\begin{aligned} B =\big\{ \ (\rho\sin\varphi\cos\theta\,,\,\rho\sin\varphi\sin\theta\,,\, \rho\cos\varphi)\ \big|\ 0\le\rho\le 1\,,\,0\le\varphi\le\pi\,,\, 0\le\theta\le 2\pi\ \big\} \end{aligned}

As dV=ρ2sin⁡φ dρ dφ dθ\mathrm{d}V =\rho^2\sin\varphi\ \mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\varphi\,\mathrm{d}\theta,

Volume(S)=∭BdV=∫02πdθ∫0πdφ∫01dρ ρ2sin⁡φ=[∫02πdθ][∫0πdφ sin⁡φ][∫01dρ ρ2]=2π[−cos⁡φ]0π[ρ33]01=(2π)(2)(13)=4π3\begin{aligned} \text{Volume}(S) =\iiint _B\mathrm{d}V &=\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\int_0^{\pi}\mathrm{d}\varphi\int_0^1\mathrm{d}\rho\ \rho^2\sin\varphi \\ &=\left[\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\right] \left[\int_0^{\pi}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi\right] \left[\int_0^1\mathrm{d}\rho\ \rho^2\right] \\ &= 2\pi\Big[-\cos\varphi\Big]_0^\pi \left[\frac{\rho^3}{3}\right]_0^1 =(2\pi)(2)\left(\frac{1}{3}\right) \\ &=\frac{4\pi}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.7절 · 14번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분증명·논술기본자동 분류