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.

14문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 3권 · 5.5절 · 1번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서 입체 BB 위에서의 삼중적분 ∭Bf(x,y,z)dV\iiint_{B}f(x,y,z)dV 의 값을 구하세요.

f(x,y,z)=z,f(x,y,z)=z, B={(x,y,z)∣x2+y2≤9,x≥0,y≥0,0≤z≤1}B=\{(x,y,z)|{x}^{2}+{y}^{2}\le 9,x\ge 0,y\ge 0,0\le z\le 1\}

높이가 1이고 반지름이 3인 원기둥의 4분의 1 부분.

영어 원문 보기

In the following exercises, evaluate the triple integrals ∭Bf(x,y,z)dV\iiint_{B}f(x,y,z)dV over the solid B.B.

f(x,y,z)=z,f(x,y,z)=z, B={(x,y,z)∣x2+y2≤9,x≥0,y≥0,0≤z≤1}B=\{(x,y,z)|{x}^{2}+{y}^{2}\le 9,x\ge 0,y\ge 0,0\le z\le 1\}

A quarter section of a cylinder with height 1 and radius 3.

답 쓰고 채점
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9π8\frac{9\pi }{8}

원본 교재 풀이(영어)

9π8\frac{9\pi }{8}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.6절 · 9번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.OpenStax 3권 · 5.5절 · 3번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서 입체 BB 위에서의 삼중적분 ∭Bf(x,y,z)dV\iiint_{B}f(x,y,z)dV 의 값을 구하세요.

f(x,y,z)=xy,f(x,y,z)=xy, B={(x,y,z)∣x2+y2≤1,x≥0,y≥0,x≤y,−1≤z≤1}B=\{(x,y,z)|{x}^{2}+{y}^{2}\le 1,x\ge 0,y\ge 0,x\le y,-1\le z\le 1\}

반지름이 1, 높이가 1, 각이 pi/4인 쐐기 모양의 입체.

영어 원문 보기

In the following exercises, evaluate the triple integrals ∭Bf(x,y,z)dV\iiint_{B}f(x,y,z)dV over the solid B.B.

f(x,y,z)=xy,f(x,y,z)=xy, B={(x,y,z)∣x2+y2≤1,x≥0,y≥0,x≤y,−1≤z≤1}B=\{(x,y,z)|{x}^{2}+{y}^{2}\le 1,x\ge 0,y\ge 0,x\le y,-1\le z\le 1\}

A wedge with radius 1, height 1, and angle pi/4.

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18\frac{1}{8}

원본 교재 풀이(영어)

18\frac{1}{8}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.5절 · 49번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.OpenStax 3권 · 5.5절 · 25번대학 수준우리말 번역

[계산기 사용] 컴퓨터 대수 체계를 사용하여 원기둥좌표계에서 반복적분 ∫−π/2π/2 ∫01 ∫r2rr dz dr dθ\int_{-\pi /2}^{\pi /2}\,\int_{0}^{1}\,\int_{{r}^{2}}^{r}r\,dz\,dr\,d\theta 로 부피가 주어지는 입체의 그래프를 그리세요. 입체의 부피 VV 를 구하세요. 반올림하여 소수 넷째 자리까지 나타내세요.

영어 원문 보기

[T] Use a computer algebra system (CAS) to graph the solid whose volume is given by the iterated integral in cylindrical coordinates ∫−π/2π/2 ∫01 ∫r2rr dz dr dθ.\int_{-\pi /2}^{\pi /2}\,\int_{0}^{1}\,\int_{{r}^{2}}^{r}r\,dz\,dr\,d\theta . Find the volume VV of the solid. Round your answer to four decimal places.

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V=π12≈0.2618V=\frac{\pi }{12}\approx 0.2618

너비 2, 높이 1, 깊이 1인 타원체의 4분의 1 부분.

원본 교재 풀이(영어)

V=π12≈0.2618V=\frac{\pi }{12}\approx 0.2618

A quarter section of an ellipsoid with width 2, height 1, and depth 1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.5절 · 23번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.OpenStax 3권 · 5.5절 · 26번대학 수준우리말 번역

[계산기 사용] CAS를 사용하여 원기둥좌표계에서 반복적분 ∫0π/2 ∫01 ∫r4rr dz dr dθ\int_{0}^{\pi /2}\,\int_{0}^{1}\,\int_{{r}^{4}}^{r}r\,dz\,dr\,d\theta 로 부피가 주어지는 입체의 그래프를 그리세요. 이 입체의 부피 VV 를 구하세요. 답은 반올림하여 소수 넷째 자리까지 나타내세요.

영어 원문 보기

[T] Use a CAS to graph the solid whose volume is given by the iterated integral in cylindrical coordinates ∫0π/2 ∫01 ∫r4rr dz dr dθ.\int_{0}^{\pi /2}\,\int_{0}^{1}\,\int_{{r}^{4}}^{r}r\,dz\,dr\,d\theta . Find the volume VV of the solid Round your answer to four decimal places.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.6절 · 16번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.OpenStax 3권 · 5.5절 · 29번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서 입체 BB 위에서 삼중적분 ∭Bf(x,y,z)dV\iiint_{B}f(x,y,z)dV 의 값을 구하세요.

f(x,y,z)=1,f(x,y,z)=1, B={(x,y,z)∣x2+y2+z2≤90,z≥0}B=\{(x,y,z)|{x}^{2}+{y}^{2}+{z}^{2}\le 90,z\ge 0\}

반지름이 10의 제곱근의 3배인, 속이 꽉 찬 반구.

영어 원문 보기

In the following exercises, evaluate the triple integral ∭Bf(x,y,z)dV\iiint_{B}f(x,y,z)dV over the solid B.B.

f(x,y,z)=1,f(x,y,z)=1, B={(x,y,z)∣x2+y2+z2≤90,z≥0}B=\{(x,y,z)|{x}^{2}+{y}^{2}+{z}^{2}\le 90,z\ge 0\}

A filled-in half-sphere with radius 3 times the square root of 10.

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180π10180\pi \sqrt{10}

원본 교재 풀이(영어)

180π10180\pi \sqrt{10}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.5절 · 47번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.OpenStax 3권 · 5.5절 · 30번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서 입체 BB 위에서 삼중적분 ∭Bf(x,y,z)dV\iiint_{B}f(x,y,z)dV 의 값을 구하세요.

f(x,y,z)=1−x2+y2+z2,f(x,y,z)=1-\sqrt{{x}^{2}+{y}^{2}+{z}^{2}}, B={(x,y,z)∣x2+y2+z2≤9,y≥0,z≥0}B=\{(x,y,z)|{x}^{2}+{y}^{2}+{z}^{2}\le 9,y\ge 0,z\ge 0\}

높이 8, 너비 8, 길이 18인 달걀형 입체를 4등분한 한 부분.

영어 원문 보기

In the following exercises, evaluate the triple integral ∭Bf(x,y,z)dV\iiint_{B}f(x,y,z)dV over the solid B.B.

f(x,y,z)=1−x2+y2+z2,f(x,y,z)=1-\sqrt{{x}^{2}+{y}^{2}+{z}^{2}}, B={(x,y,z)∣x2+y2+z2≤9,y≥0,z≥0}B=\{(x,y,z)|{x}^{2}+{y}^{2}+{z}^{2}\le 9,y\ge 0,z\ge 0\}

A quarter section of an ovoid with height 8, width 8 and length 18.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.6절 · 7번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.OpenStax 3권 · 5.5절 · 47번대학 수준우리말 번역

[계산기 사용] 컴퓨터 대수 시스템을 이용하여 구면좌표계에서의 반복적분 ∫π/2π ∫5π/6π/6 ∫02ρ2sin⁡ φ dρ dφ dθ\int_{\pi /2}^{\pi }\,\int_{5\pi /6}^{\pi /6}\,\int_{0}^{2}{\rho }^{2}\sin \,\varphi \,d\rho \,d\varphi \,d\theta 로 부피가 주어지는 입체의 그래프를 그리세요. 이 입체의 부피 VV 를 구하세요. 답을 반올림하여 소수 셋째 자리까지 나타내세요.

영어 원문 보기

[T] Use a CAS to graph the solid whose volume is given by the iterated integral in spherical coordinates ∫π/2π ∫5π/6π/6 ∫02ρ2sin⁡ φ dρ dφ dθ.\int_{\pi /2}^{\pi }\,\int_{5\pi /6}^{\pi /6}\,\int_{0}^{2}{\rho }^{2}\sin \,\varphi \,d\rho \,d\varphi \,d\theta . Find the volume VV of the solid. Round your answer to three decimal places.

정답·풀이 보기

V=4π33≈7.255V=\frac{4\pi \sqrt{3}}{3}\approx 7.255

너비 2, 높이 2, 깊이 1인 타원체의 4분의 1 부분

원본 교재 풀이(영어)

V=4π33≈7.255V=\frac{4\pi \sqrt{3}}{3}\approx 7.255

A quarter section of an ellipsoid with width 2, height 2, and depth 1

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.5절 · 37번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.OpenStax 3권 · 5.5절 · 48번대학 수준우리말 번역

[계산기 사용] 컴퓨터 대수 시스템을 사용하여 구면좌표계에서 반복적분 ∫02π ∫π/43π/4 ∫01ρ2sin⁡ φ dρ dφ dθ\int_{0}^{2\pi }\,\int_{\pi /4}^{3\pi /4}\,\int_{0}^{1}{\rho }^{2}\sin \,\varphi \,d\rho \,d\varphi \,d\theta 로 부피가 주어지는 입체의 그래프를 그리세요. 이 입체의 부피 VV 를 구하세요. 답을 반올림하여 소수 셋째 자리까지 나타내세요.

영어 원문 보기

[T] Use a CAS to graph the solid whose volume is given by the iterated integral in spherical coordinates as ∫02π ∫π/43π/4 ∫01ρ2sin⁡ φ dρ dφ dθ.\int_{0}^{2\pi }\,\int_{\pi /4}^{3\pi /4}\,\int_{0}^{1}{\rho }^{2}\sin \,\varphi \,d\rho \,d\varphi \,d\theta . Find the volume VV of the solid. Round your answer to three decimal places.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.5절 · 41번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.APEX · 13.7절 · 9번대학 수준우리말 번역

연습문제 9–10에는 원통좌표와 구면좌표로 정의되는 공간의 표준 영역이 나타나 있습니다. 주어진 함수를 그래프로 나타낸 영역에서 적분하는 삼중적분을 세우세요.

원통좌표, h(r,θ,z)h(r,\theta,z)를 적분:

그림

영어 원문 보기

In Exercises 9–10, standard regions in space, as defined by cylindrical and spherical coordinates, are shown. Set up the triple integral that integrates the given function over the graphed region.

Cylindrical coordinates, integrating h(r,θ,z)h(r,\theta,z):

figure

정답·풀이 보기

∫θ1θ2∫r1r2∫z1z2h(r,θ,z)r dz dr dθ\displaystyle \int_{\theta_1}^{\theta_2}\int_{r_1}^{r_2}\int_{z_1}^{z_2}h(r,\theta,z)r\ dz\ dr\ d\theta

원본 교재 풀이(영어)

∫θ1θ2∫r1r2∫z1z2h(r,θ,z)r dz dr dθ\displaystyle \int_{\theta_1}^{\theta_2}\int_{r_1}^{r_2}\int_{z_1}^{z_2}h(r,\theta,z)r\ dz\ dr\ d\theta

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.7절 · 23번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.APEX · 13.7절 · 10번대학 수준우리말 번역

연습문제 9–10에서는 원기둥좌표와 구면좌표로 정의되는 공간의 표준 영역이 그려져 있습니다. 주어진 함수를 그래프로 나타낸 영역 위에서 적분하는 삼중적분을 세우세요.

원기둥좌표, h(ρ,θ,φ)h(\rho,\theta,\varphi) 를 적분하세요:

그림

영어 원문 보기

In Exercises 9–10, standard regions in space, as defined by cylindrical and spherical coordinates, are shown. Set up the triple integral that integrates the given function over the graphed region.

Cylindrical coordinates, integrating h(ρ,θ,φ)h(\rho,\theta,\varphi):

figure

정답·풀이 보기

∫φ1φ2∫θ1θ2∫ρ1ρ2h(ρ,θ,φ)ρ2sin⁡(φ) dρ dθ dφ\displaystyle \int_{\varphi_1}^{\varphi_2}\int_{\theta_1}^{\theta_2}\int_{\rho_1}^{\rho_2}h(\rho,\theta,\varphi)\rho^2\sin(\varphi)\ d\rho\ d\theta\ d\varphi

원본 교재 풀이(영어)

∫φ1φ2∫θ1θ2∫ρ1ρ2h(ρ,θ,φ)ρ2sin⁡(φ) dρ dθ dφ\displaystyle \int_{\varphi_1}^{\varphi_2}\int_{\theta_1}^{\theta_2}\int_{\rho_1}^{\rho_2}h(\rho,\theta,\varphi)\rho^2\sin(\varphi)\ d\rho\ d\theta\ d\varphi

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.5절 · 1번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분그래프·표 해석자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
11.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
12.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
13.CLP-3 · 3.7절 · 11번대학 수준우리말 번역

다음과 같이 두자.

I=∭Txz dVI = \iiint _T xz\ \mathrm{d}V

여기서 TT 는 구 x2+y2+z2≤1x^2 + y^2 + z^2 \le 1 의 x,y,z≥0x,y,z \ge 0 인 8분의 1 부분이다.

(a) 부피 TT 의 개형을 그리세요. (b) II 를 구면좌표계에서의 삼중적분으로 나타내세요. (c) 아무 방법으로나 II 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let

I=∭Txz dVI = \iiint _T xz\ \mathrm{d}V

where TT is the eighth of the sphere x2+y2+z2≤1x^2 + y^2 + z^2 \le 1 with x,y,z≥0x,y,z \ge 0.

(a) Sketch the volume TT. (b) Express II as a triple integral in spherical coordinates. (c) Evaluate II by any method.

정답·풀이 보기

(a) 개형은 다음과 같다.

그림

(b) TT 위에서,

  • 구면좌표 φ\varphi 는 00 (zz축의 양의 부분)에서 π/2{\pi}/{2} (xyxy평면)까지 변하고,
  • 이 범위의 각 고정된 φ\varphi 에 대해 θ\theta 는 00 에서 π/2{\pi}/{2} 까지 변하며,
  • 각 고정된 φ\varphi 와 θ\theta 에 대해 구면좌표 ρ\rho 는 00 에서 11 까지 변한다.
  • 구면좌표계에서 dV=ρ2 sin⁡φ dρ dθ dφ\mathrm{d}V=\rho^2\,\sin\varphi\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\theta\, \mathrm{d}\varphi 이고

xz=(ρsin⁡φcos⁡θ)(ρcos⁡φ)=ρ2sin⁡φ cos⁡φ cos⁡θxz=\big(\rho\sin\varphi\cos\theta\big)\big(\rho\cos\varphi\big) =\rho^2 \sin\varphi\ \cos\varphi\ \cos\theta

이다. 따라서

I=∫0π/2dφ∫0π/2dθ∫01dρ ρ4sin⁡2φcos⁡φ cos⁡θ\begin{aligned} I=\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\varphi\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^1\mathrm{d}\rho\ \rho^4\sin^2\varphi\cos\varphi\ \cos\theta \end{aligned}

이다.

(c) 구면좌표계에서,

I=[∫0π/2dφ sin⁡2φcos⁡φ][∫0π/2dθ cos⁡θ][∫01dρ ρ4]=[sin⁡3φ3]0π/2[sin⁡θ]0π/2[ρ55]01=115\begin{aligned} I&= \left[\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\varphi\ \sin^2\varphi\cos\varphi\right] \left[\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \cos\theta\right] \left[\int_0^1\mathrm{d}\rho\ \rho^4\right] \\ &=\left[\frac{\sin^3\varphi}{3}\right]_0^{\pi/2} \left[\sin\theta\right]_0^{\pi/2} \left[\frac{\rho^5}{5}\right]_0^1 \\ &=\frac{1}{15} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Here is a sketch

figure

(b) On TT,

  • the spherical coordinate φ\varphi runs from 00 (the positive zz–xis) to π/2{\pi}/{2} (the xyxy–plane), and
  • for each fixed φ\varphi in that range, θ\theta runs from 00 to π/2{\pi}/{2}, and
  • for each fixed φ\varphi and θ\theta, the spherical coordinate ρ\rho runs from 00 to 11.
  • In spherical coordinates dV=ρ2 sin⁡φ dρ dθ dφ\mathrm{d}V=\rho^2\,\sin\varphi\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\theta\, \mathrm{d}\varphi and

xz=(ρsin⁡φcos⁡θ)(ρcos⁡φ)=ρ2sin⁡φ cos⁡φ cos⁡θxz=\big(\rho\sin\varphi\cos\theta\big)\big(\rho\cos\varphi\big) =\rho^2 \sin\varphi\ \cos\varphi\ \cos\theta

So

I=∫0π/2dφ∫0π/2dθ∫01dρ ρ4sin⁡2φcos⁡φ cos⁡θ\begin{aligned} I=\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\varphi\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^1\mathrm{d}\rho\ \rho^4\sin^2\varphi\cos\varphi\ \cos\theta \end{aligned}

(c) In spherical coordinates,

I=[∫0π/2dφ sin⁡2φcos⁡φ][∫0π/2dθ cos⁡θ][∫01dρ ρ4]=[sin⁡3φ3]0π/2[sin⁡θ]0π/2[ρ55]01=115\begin{aligned} I&= \left[\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\varphi\ \sin^2\varphi\cos\varphi\right] \left[\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \cos\theta\right] \left[\int_0^1\mathrm{d}\rho\ \rho^4\right] \\ &=\left[\frac{\sin^3\varphi}{3}\right]_0^{\pi/2} \left[\sin\theta\right]_0^{\pi/2} \left[\frac{\rho^5}{5}\right]_0^1 \\ &=\frac{1}{15} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.7절 · 13번
# 원기둥·구면좌표 삼중적분그래프·표 해석보통자동 분류
14.CLP-3 · 3.7절 · 26번대학 수준우리말 번역

(a) 구면좌표계에서 방정식 ρ=8sin⁡(φ)\rho = 8 \sin(\varphi) 로 정의된 곡면의 내부에 있는 입체의 부피를 구하세요.

다음을 이용해도 됩니다.

∫sin⁡4(φ)=132(12φ−8sin⁡(2φ)+sin⁡(4φ))+C\int \sin^4(\varphi) =\frac{1}{32}\big(12\varphi -8\sin(2\varphi) +\sin(4\varphi)\big) +C (b) 이 입체의 그림을 그리거나 어떤 모양인지 설명하세요.

영어 원문 보기

(a) Find the volume of the solid inside the surface defined by the equation ρ=8sin⁡(φ)\rho = 8 \sin(\varphi) in spherical coordinates.

You may use that

∫sin⁡4(φ)=132(12φ−8sin⁡(2φ)+sin⁡(4φ))+C\int \sin^4(\varphi) =\frac{1}{32}\big(12\varphi -8\sin(2\varphi) +\sin(4\varphi)\big) +C (b) Sketch this solid or describe what it looks like.

정답·풀이 보기

(a) 구면좌표계에서 φ\varphi 는 00 (양의 zz축)부터 π\pi (음의 zz축)까지 변하고, θ\theta 는 00 부터 2π2\pi 까지 변하며 (θ\theta 는 일반적인 극좌표 또는 원기둥좌표이다) dV=ρ2 sin⁡φ dρ dθ dφ\mathrm{d}V = \rho^2\ \sin\varphi\ \mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi 임을 떠올리자. 따라서

부피=∫0πdφ∫02πdθ∫08sin⁡φdρ ρ2 sin⁡φ=∫0πdφ∫02πdθ (8sin⁡φ)33sin⁡φ=2(83) π3∫0πdφ sin⁡4φ=2(83) π3[132(12φ−8sin⁡(2φ)+sin⁡(4φ))]0π=2(83) π3 12 π32=128π2\begin{aligned} \text{부피} & = \int_0^\pi \mathrm{d}\varphi\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{8\sin\varphi}\mathrm{d}\rho\ \rho^2\ \sin\varphi \\ & = \int_0^\pi \mathrm{d}\varphi\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \frac{(8\sin\varphi)^3}{3} \sin\varphi \\ & = \frac{2(8^3)\,\pi}{3} \int_0^\pi \mathrm{d}\varphi\ \sin^4\varphi \\ &= \frac{2(8^3)\,\pi}{3} \left[\frac{1}{32}\big(12\varphi -8\sin(2\varphi) +\sin(4\varphi)\big)\right]_0^\pi \\ &=\frac{2(8^3)\,\pi}{3}\ \frac{12\,\pi}{32} =128\pi^2 \end{aligned}

(b) 00 과 π\pi 사이의 임의의 φ\varphi 를 고정하자. ρ=8sin⁡φ\rho=8\sin\varphi 일 때, θ\theta 가 00 부터 2π2\pi 까지 변하면

(x,y,z)=(ρsin⁡φcos⁡θ , ρsin⁡φsin⁡θ , ρcos⁡φ)=(8sin⁡2φcos⁡θ , 8sin⁡2φsin⁡θ , 8sin⁡φcos⁡φ)=(Rcos⁡θ , Rsin⁡θ , Z)여기서 R=8sin⁡2φ, Z=8sin⁡φcos⁡φ\begin{aligned} (x,y,z) &= \big(\rho\sin\varphi\cos\theta\,,\,\rho\sin\varphi\sin\theta\,,\, \rho\cos\varphi\big) \\ &= \big(8\sin^2\varphi\cos\theta\,,\,8\sin^2\varphi\sin\theta\,,\, 8\sin\varphi\cos\varphi\big) \\ &= \big(R\cos\theta\,,\,R\sin\theta\,,\,Z\big)\qquad \text{여기서 }R=8\sin^2\varphi,\ Z= 8\sin\varphi\cos\varphi \end{aligned}

는 평면 z=Z=8sin⁡φcos⁡φz=Z=8\sin\varphi\cos\varphi 위에 있고 (0,0,Z=8sin⁡φcos⁡φ)\big(0,0,Z=8\sin\varphi\cos\varphi\big) 을 중심으로 하는 반지름 R=8sin⁡2φR=8\sin^2\varphi 인 원을 그린다. 따라서 이 곡면은 원들을 차곡차곡 쌓아 올린 것이며, 회전면이다. 이 곡면은 다음과 같이 그릴 수 있다.

  • 먼저 곡면의 θ=0\theta=0 단면 (곡면 중 xzxz평면의 오른쪽 절반에 있는 부분)을 그린다.
  • 그다음 그 결과를 zz축을 중심으로 회전시킨다.

곡면의 θ=0\theta=0 부분은

{ (x,y,z) ∣ x=8sin⁡2φ, y=0, z=8sin⁡φcos⁡φ, 0≤φ≤π }={ (x,y,z) ∣ x=4−4cos⁡(2φ), y=0, z=4sin⁡(2φ), 0≤φ≤π }\begin{aligned} &\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x=8\sin^2\varphi,\ y=0,\ z=8\sin\varphi\cos\varphi,\ 0\le\varphi\le \pi\ \big\} \\ &=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x=4-4\cos(2\varphi),\ y=0,\ z=4\sin(2\varphi),\ 0\le\varphi\le \pi\ \big\} \end{aligned}

이다. 이것은 xzxz평면 (즉 y=0y=0) 위에 있고 (4,0,0)(4,0,0) 을 중심으로 하는 반지름 44 인 원이다! 아래 왼쪽 그림은 이 원의 위쪽 절반을 그린 것이다. 이 원을 zz축을 중심으로 회전시키면 토러스(도넛 모양)가 되는데, 가운데 구멍이 한 점으로 줄어든 모양이다. 아래 오른쪽 그림은 토러스 중 제1팔분공간에 있는 부분을 그린 것이다.

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) Recall that, in spherical coordinates, φ\varphi runs from 00 (that's the positive zz–axis) to π\pi (that's the negative zz–axis), θ\theta runs from 00 to 2π2\pi (θ\theta is the regular polar or cylindrical coordinate) and dV=ρ2 sin⁡φ dρ dθ dφ\mathrm{d}V = \rho^2\ \sin\varphi\ \mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi. So

Volume=∫0πdφ∫02πdθ∫08sin⁡φdρ ρ2 sin⁡φ=∫0πdφ∫02πdθ (8sin⁡φ)33sin⁡φ=2(83) π3∫0πdφ sin⁡4φ=2(83) π3[132(12φ−8sin⁡(2φ)+sin⁡(4φ))]0π=2(83) π3 12 π32=128π2\begin{aligned} \text{Volume} & = \int_0^\pi \mathrm{d}\varphi\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{8\sin\varphi}\mathrm{d}\rho\ \rho^2\ \sin\varphi \\ & = \int_0^\pi \mathrm{d}\varphi\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \frac{(8\sin\varphi)^3}{3} \sin\varphi \\ & = \frac{2(8^3)\,\pi}{3} \int_0^\pi \mathrm{d}\varphi\ \sin^4\varphi \\ &= \frac{2(8^3)\,\pi}{3} \left[\frac{1}{32}\big(12\varphi -8\sin(2\varphi) +\sin(4\varphi)\big)\right]_0^\pi \\ &=\frac{2(8^3)\,\pi}{3}\ \frac{12\,\pi}{32} =128\pi^2 \end{aligned}

(b) Fix any φ\varphi between 00 and π\pi. If ρ=8sin⁡φ\rho=8\sin\varphi, then as θ\theta runs from 00 to 2π2\pi,

(x,y,z)=(ρsin⁡φcos⁡θ , ρsin⁡φsin⁡θ , ρcos⁡φ)=(8sin⁡2φcos⁡θ , 8sin⁡2φsin⁡θ , 8sin⁡φcos⁡φ)=(Rcos⁡θ , Rsin⁡θ , Z)with R=8sin⁡2φ, Z=8sin⁡φcos⁡φ\begin{aligned} (x,y,z) &= \big(\rho\sin\varphi\cos\theta\,,\,\rho\sin\varphi\sin\theta\,,\, \rho\cos\varphi\big) \\ &= \big(8\sin^2\varphi\cos\theta\,,\,8\sin^2\varphi\sin\theta\,,\, 8\sin\varphi\cos\varphi\big) \\ &= \big(R\cos\theta\,,\,R\sin\theta\,,\,Z\big)\qquad \text{with }R=8\sin^2\varphi,\ Z= 8\sin\varphi\cos\varphi \end{aligned}

sweeps out a circle of radius R=8sin⁡2φR=8\sin^2\varphi contained in the plane z=Z=8sin⁡φcos⁡φz=Z=8\sin\varphi\cos\varphi and centred on (0,0,Z=8sin⁡φcos⁡φ)\big(0,0,Z=8\sin\varphi\cos\varphi\big). 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\theta=0 section of the surface (that's the part of the surface in the right half of the xzxz–plane)
  • and then rotate the result about the zz–axis.

The θ=0\theta=0 part of the surface is

{ (x,y,z) ∣ x=8sin⁡2φ, y=0, z=8sin⁡φcos⁡φ, 0≤φ≤π }={ (x,y,z) ∣ x=4−4cos⁡(2φ), y=0, z=4sin⁡(2φ), 0≤φ≤π }\begin{aligned} &\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x=8\sin^2\varphi,\ y=0,\ z=8\sin\varphi\cos\varphi,\ 0\le\varphi\le \pi\ \big\} \\ &=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x=4-4\cos(2\varphi),\ y=0,\ z=4\sin(2\varphi),\ 0\le\varphi\le \pi\ \big\} \end{aligned}

It's a circle of radius 44, contained in the xzxz–plane (i.e. y=0y=0) and centred on (4,0,0)(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 zz–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.

figure

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.7절 · 27번
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