유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
13문제 · 1 / 1쪽
1.CLP-3 · 3.6절 · 16번대학 수준우리말 번역
공간의 어떤 영역에서 수소 기체의 밀도는 다음 식으로 주어진다.
ρ(x,y,z)=1+x2+y2z+2x2
(a) (1,0,−1) 에서 수소의 밀도가 가장 빠르게 증가하는 방향은 어느 쪽인지 구하세요.
(b) 당신은 원점에 있는 우주선에 타고 있습니다. 이 우주선이 ⟨0,0,1⟩ 방향으로 날아간다고 하세요. 우주선에는 수소를 모으기 위해, 우주선을 중심으로 하고 진행 방향에 수직으로 펼쳐진 반지름 1 인 원판이 달려 있습니다. 우주선이 거리 2 만큼 이동했을 때까지 모은 수소의 양을 구하세요.
∫02πcos2θdθ=π 임을 이용해도 됩니다.
영어 원문 보기
The density of hydrogen gas in a region of space is given by the formula
ρ(x,y,z)=1+x2+y2z+2x2
(a) At (1,0,−1), in which direction is the density of hydrogen increasing
most rapidly?
(b) You are in a spacecraft at the origin. Suppose the spacecraft flies
in the direction of ⟨0,0,1⟩. It has a disc of radius 1,
centred on the spacecraft and deployed perpendicular to the direction
of travel, to catch hydrogen. How much hydrogen has been collected
by the time that the spacecraft has traveled a distance 2?
As (x,y,z)→(0,0,0), the radius ρ→0 and the second and third terms
in the numerator and the second term in the denominator converge to 0.
But that leaves
sin2φsin2φcosθsinθ=cosθsinθ
which takes many different values. In particular, if we send
(x,y,z)→(0,0,0) along either the x– or y–axis,
that is with z=0 and either x=0 or y=0, then
x2+y2+z4xy+yz2+xz2z=0x=0 or y=0=0
converges to 0. But, if we send
(x,y,z)→(0,0,0) along the line y=x, z=0
x2+y2+z4xy+yz2+xz2z=0y=x=2x2x2=21
converges to 1/2. So x2+y2+z4xy+yz2+xz2 does not
approach a single value as (x,y,z)→(0,0,0) and the limit does not exist.
어떤 입체 V 는 직원기둥이다. 밑면은 xy평면에서 원점을 중심으로 하는 반지름 2 인 원판이다.
높이는 2 이고 밀도는 x2+y2 이다.
V 의 윗면을 밑면으로 하고 점 (0,0,0) 을 꼭짓점으로 하는 거꾸로 놓인 원뿔을 제거하여, 더 작은 입체 U 를 얻는다.
(a) 원기둥좌표를 사용하여 U 의 질량을 나타내는 적분을 세우세요.
(b) 구면좌표를 사용하여 U 의 질량을 나타내는 적분을 세우세요.
(c) 그 질량을 구하세요.
영어 원문 보기
A certain solid V is a right–circular cylinder. Its base is
the disk of radius 2 centred at the origin in the xy–plane.
It has height 2 and density x2+y2.
A smaller solid U is obtained by removing the inverted cone,
whose base is the top surface of V and whose vertex is the point (0,0,0).
(a) Use cylindrical coordinates to set up an integral giving the mass of U.
(b) Use spherical coordinates to set up an integral giving the mass of U.
(c) Find that mass.
정답·풀이 보기
xy평면에서 원점을 중심으로 하는 반지름 2 인 원판은 x2+y2≤4 이다. 따라서
V={(x,y,z)x2+y2≤4,0≤z≤2}
U 의 윗 가장자리 x+y2=4, z=2 를 포함하면서 꼭짓점이 원점인 원뿔은 x2+y2=z2 이다. 따라서
U={(x,y,z)x2+y2≤4,0≤z≤2,x2+y2≥z2}
다음은 V (왼쪽)와 U (오른쪽)의 y=0 단면을 그린 그림이다.
(a) 원기둥좌표에서 x2+y2≤4 는 r≤2 가 되고, x2+y2≥z2 는 r≥∣z∣ 이며, 밀도는 x2+y2=r 이다.
따라서
어떤 입체가 아래로는 원뿔 z=x2+y2 으로, 위로는 구 x2+y2+z2=2 로 유계이다.
이 입체의 밀도는 δ(x,y,z)=x2+y2 이다.
(a) 이 입체의 질량 M 을 원기둥좌표계에서 적분 구간과 함께 삼중적분으로 나타내세요.
(b) (a)와 같이 하되 구면좌표계에서 나타내세요.
(c) M 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
A solid is bounded below by the cone z=x2+y2 and above
by the sphere x2+y2+z2=2.
It has density δ(x,y,z)=x2+y2.
(a) Express the mass M of the solid as a triple integral, with limits, in cylindrical coordinates.
(b) Same as (a) but in spherical coordinates.
(c) Evaluate M.
정답·풀이 보기
(a)
이 입체를 V 라 하자.
원기둥좌표계에서
x2+y2+z2≤2 는 r2+z2≤2 이고
x2+y2≤z 는 r≤z 이고
밀도는 δ=r2 이고
dV 는 rdrdθdz 이다.
r2+z2=2 와 r=z 는 2r2=2 일 때 만나므로 r=z=1 임을 알 수 있다.
다음은 E 의 y=0 단면의 그림이다.
라 하자. 여기서 E 는 구 x2+y2+z2≤1 의 8분의 1 부분으로, x,y,z≥0 이다.
(a) I 를 구면좌표계에서의 삼중적분으로 나타내세요.
(b) I 를 원기둥좌표계에서의 삼중적분으로 나타내세요.
(c) 어떤 방법으로든 I 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Let
I=∭ExzdV
where E is the eighth of the sphere x2+y2+z2≤1 with
x,y,z≥0.
(a) Express I as a triple integral in spherical coordinates.
(b) Express I as a triple integral in cylindrical coordinates.
(c) Evaluate I by any method.
정답·풀이 보기
(a)
E 위에서
구면좌표 φ 는 0 (양의 z축)에서 π/2 (xy평면)까지 움직이고,
그 범위의 각 고정된 φ 에 대해
θ 는 0 에서 π/2 까지 움직이며,
각 고정된 φ 와 θ 에 대해 구면좌표
ρ 는 0 에서 1 까지 움직인다.
구면좌표에서
dV=ρ2sinφdρdθdφ
이고
xz=(ρsinφcosθ)(ρcosφ)=ρ2sinφcosφcosθ
이다. 따라서
I=∫0π/2dφ∫0π/2dθ∫01dρρ4sin2φcosφcosθ
(b)
원기둥좌표에서 조건 x2+y2+z2≤1 은
r2+z2≤1 이 된다. 따라서 E 위에서
원기둥좌표 z 는 0 (xy평면 위)에서 1 ((0,0,1) 에서)까지 움직이고,
그 범위의 각 고정된 z 에 대해 θ 는 0 에서 π/2 까지 움직이며,
각 고정된 z 와 θ 에 대해 원기둥좌표
r 은 0 에서 1−z2 까지 움직인다 (r2+z2≤1 임을 떠올리자).
원기둥좌표에서
dV=rdrdθdz
이고
xz=(rcosθ)(z)=rzcosθ
이다. 따라서
I=∫01dz∫0π/2dθ∫01−z2drr2zcosθ
(c)
구면좌표와 원기둥좌표의 적분 모두 계산이 간단하다.
두 가지를 모두 계산해 보자. 먼저 구면좌표에서는
라 하자. 여기서 T 는 아래로는 원뿔
z=3x2+3y2 로, 위로는 구
x2+y2+z2=9 로 유계인 입체 영역이다.
(a) I 를 구면좌표계의 삼중적분으로 나타내세요.
(b) I 를 원기둥좌표계의 삼중적분으로 나타내세요.
(c) 어떤 방법으로든 I 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Let
I=∭T(x2+y2)dV
where T is the solid region bounded below by the cone
z=3x2+3y2 and above by the sphere
x2+y2+z2=9.
(a) Express I as a triple integral in spherical coordinates.
(b) Express I as a triple integral in cylindrical coordinates.
(c) Evaluate I by any method.
정답·풀이 보기
(a)
구면좌표계에서
x=ρsinφcosθy=ρsinφsinθz=ρcosφ
이므로
x2+y2+z2≤9 는 ρ≤3 이고,
3x2+3y2≤z 는 3ρsinφ≤ρcosφ,
즉 tanφ≤31 또는 φ≤6π 이고,
E 를 “아이스크림콘” x2+y2+z2≤1,
x2+y2≤z2, z≥0 이라 하자. 다음을 생각하세요.
J=∭Ex2+y2+z2dV
(a) J 를 원통좌표계에서 적분 구간을 포함한 반복적분으로 나타내세요.
(b) J 를 구면좌표계에서 적분 구간을 포함한 반복적분으로 나타내세요.
(c) J 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Let E be the “ice cream cone” x2+y2+z2≤1,
x2+y2≤z2 , z≥0. Consider
J=∭Ex2+y2+z2dV
(a) Write J as an iterated integral, with limits, in cylindrical coordinates.
(b) Write J as an iterated integral, with limits, in spherical coordinates.
(c) Evaluate J.
정답·풀이 보기
(a)
원통좌표계에서
x2+y2+z2≤1 은 r2+z2≤1 이고
x2+y2≤z2 은 r2≤z2 이고
dV 는 rdrdθdz 이다.
r2+z2=1 과 r2=z2 은 r2=z2=21 일 때 만난다.
다음은 E 의 y=0 단면의 그림이다.
이다. 이것은 xz평면 (즉 y=0) 위에 있고 (4,0,0) 을 중심으로 하는 반지름 4 인 원이다!
아래 왼쪽 그림은 이 원의 위쪽 절반을 그린 것이다. 이 원을 z축을 중심으로 회전시키면
토러스(도넛 모양)가 되는데, 가운데 구멍이 한 점으로 줄어든 모양이다.
아래 오른쪽 그림은 토러스 중 제1팔분공간에 있는 부분을 그린 것이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a)
Recall that, in spherical coordinates, φ runs from 0 (that's the
positive z–axis) to π (that's the negative z–axis),
θ runs from 0 to 2π (θ is the regular polar
or cylindrical coordinate)
and
dV=ρ2sinφdρdθdφ.
So
sweeps out a circle of radius R=8sin2φ contained in the plane
z=Z=8sinφcosφ and centred on
(0,0,Z=8sinφcosφ). So the surface is
a bunch of circles stacked one on top of the other. It is a surface of
revolution. We can sketch it by
first sketching the θ=0 section of the surface (that's the part of
the surface in the right half of the xz–plane)
It's a circle of radius 4, contained in the xz–plane (i.e. y=0)
and centred on (4,0,0)! The figure on the left below is a sketch of the
top half of the circle. When we rotate the circle about the z–axis
we get a torus (a donut) but with the hole in the centre shrunk to a point.
The figure on the right below is a sketch of the part of the torus in the
first octant.
(b)
Here is a sketch of a constant θ section of E.
Recall that the spherical coordinate φ is the angle
between the z–axis and the radius vector.
So, in spherical coordinates z=r (which makes an angle 4π
with the z axis) becomes φ=4π, and
the plane z=0, i.e. the xy–plane, becomes φ=2π,
and r=1 becomes ρsinφ=1. So
(a) I 를 원기둥좌표계에서의 반복적분으로 나타내세요.
(b) I 를 구면좌표계에서의 반복적분으로 나타내세요.
(c) 원하는 방법을 사용하여 I 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Consider the iterated integral
I=∫−a0∫−a2−x20∫0a2−x2−y2(x2+y2+z2)2014dzdydx
where a is a positive constant.
(a) Write I as an iterated integral in cylindrical coordinates.
(b) Write I as an iterated integral in spherical coordinates.
(c) Evaluate I using whatever method you prefer.
정답·풀이 보기
핵심은 적분 영역이 어떤 모양인지 알아내는 것이다.
가장 바깥쪽 적분은 x 가 −a 에서 0 까지 움직인다는 뜻이다.
가운데 적분은 그 범위의 각 x 에 대하여 y 가 −a2−x2 에서 0 까지 움직인다는 뜻이다. y=−a2−x2 을 더 익숙한 꼴인 x2+y2=a2, y≤0 으로 고쳐 쓸 수 있다. 따라서 (x,y) 는 원점을 중심으로 하는 반지름 a 인 원판 중 제3사분면에 있는 부분 위를 움직인다.
마지막으로 가장 안쪽 적분은 사분원판 안의 각 (x,y) 에 대하여 z 가 0 에서 a2−x2−y2 까지 움직인다는 뜻이다. 여기서도 z=a2−x2−y2 을 더 익숙한 꼴인 x2+y2+z2=a2, z≥0 으로 고쳐 쓸 수 있다.
따라서 적분 영역은 원점을 중심으로 하는 반지름 a 인 구의 내부 중 팔분공간 x≤0, y≤0, z≥0 에 놓인 부분이다.
The main step is to figure out what the domain of integration
looks like.
The outside integral says that x runs from −a to 0.
The middle integrals says that, for each x in that range, y runs
from −a2−x2 to 0. We can rewrite y=−a2−x2
in the more familiar form x2+y2=a2, y≤0. So (x,y)
runs over the third quadrant part of the disk of radius a, centred
on the origin.
Finally, the inside integral says that, for each (x,y) in the quarter disk,
z runs from 0 to a2−x2−y2. We can also rewrite
z=a2−x2−y2 in the more familiar form x2+y2+z2=a2, z≥0.
So the domain of integration is the part of the interior of the sphere
of radius a, centred on the origin, that lies in the octant
x≤0, y≤0, z≥0.
(b) The spherical coordinate φ runs from 0 (when the radius
vector is along the positive z–axis) to π/2
(when the radius vector lies in the xy–plane) so that
(a)
In cylindrical coordinates, the paraboloid is z=r2 and
the cone is z=r. The two meet when r2=r. That is, when r=0
and when r=1. So, in cylindrical coordinates
I=∫01drr∫02πdθ∫r2rdzz(r2+z2)
(b) In spherical coordinates, the paraboloid is
ρcosφ=ρ2sin2φorρ=sin2φcosφ
and the cone is
ρcosφ=ρsinφortanφ=1orφ=4π
The figure below shows a constant θ cross–section of
E. Looking at that figure, we see that φ runs from
4π (i.e. the cone) to 2π
(i.e. the xy–plane).
S 를 제1팔분공간(x,y,z≥0)에 있는 영역으로서
원뿔 z=x2+y2 의 위쪽, 구
(z−1)2+x2+y2=1 의 아래쪽에 놓인 부분이라 하자. V 를 그 부피라 하자.
(a) V 를 원기둥좌표계에서의 삼중적분으로 나타내세요.
(b) V 를 구면좌표계에서의 삼중적분으로 나타내세요.
(c) 위의 두 적분 중 하나를 이용하여 V 를 계산하세요.
영어 원문 보기
Let S be the region on the first octant (so that x,y,z≥0)
which lies above the cone z=x2+y2 and below the sphere
(z−1)2+x2+y2=1. Let V be its volume.
(a) Express V as a triple integral in cylindrical coordinates.
(b) Express V as an triple integral in spherical coordinates.
(c) Calculate V using either of the integrals above.
정답·풀이 보기
구 x2+y2+(z−1)2=1 과 원뿔 z=x2+y2 은 모두 z축을 중심으로 한 회전에 대하여 변하지 않는다. 구 x2+y2+(z−1)2=1 과 원뿔 z=x2+y2 은 z=x2+y2 일 때 만나므로 x2+y2=z2 이고,
Note that both the sphere x2+y2+(z−1)2=1
and the cone z=x2+y2 are invariant under rotations
around the z–axis. The sphere x2+y2+(z−1)2=1
and the cone z=x2+y2 intersect when z=x2+y2, so that
x2+y2=z2, and
입체가 원뿔 z=3x2+3y2 로 아래로 유계이고 구 x2+y2+z2=9 로 위로 유계이다. 이 입체의 밀도는 δ(x,y,z)=x2+y2 이다.
(a) 이 입체의 질량 m 을 원기둥좌표계에서의 삼중적분으로 나타내세요.
(b) 이 입체의 질량 m 을 구면좌표계에서의 삼중적분으로 나타내세요.
(c) m 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
A solid is bounded below by the cone z=3x2+3y2
and above by the sphere x2+y2+z2=9. It has density δ(x,y,z)=x2+y2.
(a) Express the mass m of the solid as a triple integral in
cylindrical coordinates.
(b) Express the mass m of the solid as a triple integral in
spherical coordinates.
(c) Evaluate m.
정답·풀이 보기
(a)
원기둥좌표계에서 밀도는 δ=x2+y2=r2 이고, 입체의 아랫면은 z=3x2+3y2=3r 이고 입체의 윗면은 z=9−x2−y2=9−r2 이다.
윗면과 아랫면은 다음 조건에서 만난다.
(a)
In cylindrical coordinates, the density of is δ=x2+y2=r2,
the bottom of the solid is at z=3x2+3y2=3r and the
top of the solid is at z=9−x2−y2=9−r2.
The top and bottom meet when
3r=9−r2⟺3r2=9−r2⟺4r2=9⟺r=23
The mass is
m=∫02πdθ∫03/2drr∫3r9−r2dzr2δ
(b) In spherical coordinates, the density of is
δ=x2+y2=ρ2sin2φ,
the bottom of the solid is at
z=3r⟺ρcosφ=3ρsinφ⟺tanφ=31⟺φ=6π
and the top of the solid is at x2+y2+z2=ρ2=9.
The mass is
m=∫02πdθ∫0π/6dφ∫03dρ(ρ2sinφ)(ρ2sin2φ)δ
(c) Solution 1: Making the change of variables s=cosφ,
ds=−sinφdφ, in the integral of part (b),