문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다중적분

극좌표 이중적분

원·부채꼴 영역의 이중적분을 극좌표로 바꾸어 계산한다

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

5문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 3.2절 · 1번대학 수준우리말 번역

다음 점들을 생각하세요.

(x1,y1)=(3,0)(x2,y2)=(1,1)(x3,y3)=(0,1)(x4,y4)=(−1,1)(x5,y5)=(−2,0)\begin{aligned} (x_1,y_1) &= (3,0) & (x_2,y_2) &= (1,1) & (x_3,y_3) &= (0,1) \\ (x_4,y_4) &= (-1,1) & (x_5,y_5) &= (-2,0) \end{aligned}

각 1≤i≤51\le i\le 5 에 대해,

  • xyxy평면에 점 (xi,yi)(x_i,y_i) 를 그리고
  • 점 (xi,yi)(x_i,y_i) 의 극좌표 rir_i 와 θi\theta_i 를 구하세요. 단, ri>0r_i>0 이고 0≤θi<2π0\le\theta_i<2\pi 이다.
영어 원문 보기

Consider the points

(x1,y1)=(3,0)(x2,y2)=(1,1)(x3,y3)=(0,1)(x4,y4)=(−1,1)(x5,y5)=(−2,0)\begin{aligned} (x_1,y_1) &= (3,0) & (x_2,y_2) &= (1,1) & (x_3,y_3) &= (0,1) \\ (x_4,y_4) &= (-1,1) & (x_5,y_5) &= (-2,0) \end{aligned}

For each 1≤i≤51\le i\le 5,

  • sketch, in the xyxy-plane, the point (xi,yi)(x_i,y_i) and
  • find polar coordinates rir_i and θi\theta_i, with ri>0r_i>0 and 0≤θi<2π0\le\theta_i<2\pi, for the point (xi,yi)(x_i,y_i).
정답·풀이 보기

아래 왼쪽 그림에는 좌표축 위에 있는 점 (x1,y1)(x_1,y_1), (x3,y3)(x_3,y_3), (x5,y5)(x_5,y_5) 가 있다. 아래 오른쪽 그림에는 좌표축 위에 있지 않은 점 (x2,y2)(x_2,y_2), (x4,y4)(x_4,y_4) 가 있다.

그림

그림

극좌표 rr, θ\theta 와 직교좌표 xx, yy 사이에는 x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta 인 관계가 있다. 따라서 r=x2+y2r=\sqrt{x^2+y^2} 이고 tan⁡θ=yx\tan\theta=\frac{y}{x} (x≠0x\ne 0 이고 r>0r>0 이라 가정)이며

(x1,y1)=(3,0)  ⟹  r1=3, tan⁡θ1=0  ⟹  θ1=0 (x1,y1) 은 양의 x축 위에 있으므로(x2,y2)=(1,1)  ⟹  r2=2, tan⁡θ2=1  ⟹  θ2=π4 (x2,y2) 는 제1팔분면에 있으므로(x3,y3)=(0,1)  ⟹  r3=1, cos⁡θ3=0  ⟹  θ3=π2 (x3,y3) 은 양의 y축 위에 있으므로(x4,y4)=(−1,1)  ⟹  r4=2, tan⁡θ4=−1  ⟹  θ4=3π4 (x4,y4) 는 제3팔분면에 있으므로(x5,y5)=(−2,0)  ⟹  r5=2, tan⁡θ5=0  ⟹  θ5=π (x5,y5) 는 음의 x축 위에 있으므로\begin{aligned} (x_1,y_1) &= (3,0) &&\implies &r_1=3,\ \tan\theta_1=0 &&\implies \theta_1&=0 \text{ $(x_1,y_1)$ 은 양의 $x$축 위에 있으므로} \\ (x_2,y_2) &= (1,1) &&\implies &r_2=\sqrt{2},\ \tan\theta_2=1 &&\implies \theta_2&=\frac{\pi}{4} \text{ $(x_2,y_2)$ 는 제1팔분면에 있으므로} \\ (x_3,y_3) &= (0,1) &&\implies &r_3=1,\ \cos\theta_3=0 &&\implies \theta_3&=\frac{\pi}{2} \text{ $(x_3,y_3)$ 은 양의 $y$축 위에 있으므로} \\ (x_4,y_4) &= (-1,1) &&\implies &r_4=\sqrt{2},\ \tan\theta_4=-1 &&\implies \theta_4&=\frac{3\pi}{4} \text{ $(x_4,y_4)$ 는 제3팔분면에 있으므로} \\ (x_5,y_5) &= (-2,0) &&\implies &r_5=2,\ \tan\theta_5=0 &&\implies \theta_5&=\pi \text{ $(x_5,y_5)$ 는 음의 $x$축 위에 있으므로} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The left hand sketch below contains the points, (x1,y1)(x_1,y_1), (x3,y3)(x_3,y_3), (x5,y5)(x_5,y_5), that are on the axes. The right hand sketch below contains the points, (x2,y2)(x_2,y_2), (x4,y4)(x_4,y_4), that are not on the axes.

figure

figure

Recall that the polar coordinates rr, θ\theta are related to the cartesian coordinates xx, yy, by x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta. So r=x2+y2r=\sqrt{x^2+y^2} and tan⁡θ=yx\tan\theta=\frac{y}{x} (assuming that x≠0x\ne 0 and r>0r>0) and

(x1,y1)=(3,0)  ⟹  r1=3, tan⁡θ1=0  ⟹  θ1=0 as (x1,y1) is on the positive x-axis(x2,y2)=(1,1)  ⟹  r2=2, tan⁡θ2=1  ⟹  θ2=π4 as (x2,y2) is in the first octant(x3,y3)=(0,1)  ⟹  r3=1, cos⁡θ3=0  ⟹  θ3=π2 as (x3,y3) is on the positive y-axis(x4,y4)=(−1,1)  ⟹  r4=2, tan⁡θ4=−1  ⟹  θ4=3π4 as (x4,y4) is in the third octant(x5,y5)=(−2,0)  ⟹  r5=2, tan⁡θ5=0  ⟹  θ5=π as (x5,y5) is on the negative x-axis\begin{aligned} (x_1,y_1) &= (3,0) &&\implies &r_1=3,\ \tan\theta_1=0 &&\implies \theta_1&=0 \text{ as $(x_1,y_1)$ is on the positive $x$-axis} \\ (x_2,y_2) &= (1,1) &&\implies &r_2=\sqrt{2},\ \tan\theta_2=1 &&\implies \theta_2&=\frac{\pi}{4} \text{ as $(x_2,y_2)$ is in the first octant} \\ (x_3,y_3) &= (0,1) &&\implies &r_3=1,\ \cos\theta_3=0 &&\implies \theta_3&=\frac{\pi}{2} \text{ as $(x_3,y_3)$ is on the positive $y$-axis} \\ (x_4,y_4) &= (-1,1) &&\implies &r_4=\sqrt{2},\ \tan\theta_4=-1 &&\implies \theta_4&=\frac{3\pi}{4} \text{ as $(x_4,y_4)$ is in the third octant} \\ (x_5,y_5) &= (-2,0) &&\implies &r_5=2,\ \tan\theta_5=0 &&\implies \theta_5&=\pi \text{ as $(x_5,y_5)$ is on the negative $x$-axis} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 16번
# 극좌표 이중적분그래프·표 해석기본자동 분류
2.CLP-3 · 3.2절 · 2번대학 수준우리말 번역

다음 각 점 (xi,yi)(x_i,y_i) 에 대해,

  • (xi,yi)=(ricos⁡θi , risin⁡θi)(x_i,y_i) = \big(r_i\cos\theta_i\,,\,r_i\sin\theta_i\big) 를 만족하는 순서쌍 (ri,θi)(r_i,\theta_i) 를 모두 구하세요.
  • 특히, ri<0r_i<0 이고 0≤θi<2π0\le\theta_i<2\pi 이면서 (xi,yi)=(ricos⁡θi , risin⁡θi)(x_i,y_i) = \big(r_i\cos\theta_i\,,\,r_i\sin\theta_i\big) 를 만족하는 순서쌍 (ri,θi)(r_i,\theta_i) 를 하나 구하세요.

(a) (x1,y1)=(−2,0) (x_1,y_1) = (-2,0) (b) (x2,y2)=(1,1) (x_2,y_2) = (1,1) (c) (x3,y3)=(−1,−1) (x_3,y_3) = (-1,-1) (d) (x4,y4)=(3,0) (x_4,y_4) = (3,0) (e) (x5,y5)=(0,1) (x_5,y_5) = (0,1)

영어 원문 보기

For each of the following points (xi,yi)(x_i,y_i),

  • find all pairs (ri,θi)(r_i,\theta_i) such that (xi,yi)=(ricos⁡θi , risin⁡θi)(x_i,y_i) = \big(r_i\cos\theta_i\,,\,r_i\sin\theta_i\big), and
  • in particular, find a pair (ri,θi)(r_i,\theta_i) with ri<0r_i<0 and 0≤θi<2π0\le\theta_i<2\pi such that (xi,yi)=(ricos⁡θi , risin⁡θi)(x_i,y_i) = \big(r_i\cos\theta_i\,,\,r_i\sin\theta_i\big)

(a) (x1,y1)=(−2,0) (x_1,y_1) = (-2,0) (b) (x2,y2)=(1,1) (x_2,y_2) = (1,1) (c) (x3,y3)=(−1,−1) (x_3,y_3) = (-1,-1) (d) (x4,y4)=(3,0) (x_4,y_4) = (3,0) (e) (x5,y5)=(0,1) (x_5,y_5) = (0,1)

정답·풀이 보기

이 풀이에서는 아래 첨자를 생략한다. 즉, rir_i 대신 rr 로, θi\theta_i 대신 θ\theta 로 쓴다. 점 (rcos⁡θ , rsin⁡θ)\big(r\cos\theta\,,\,r\sin\theta\big) 에서 원점까지의 거리는 다음과 같다.

r2cos⁡2θ+r2sin⁡2θ=r2=∣r∣\sqrt{r^2\cos^2\theta + r^2\sin^2\theta} =\sqrt{r^2} =|r|

따라서 rr 은 원점까지의 거리이거나, 원점까지의 거리에 음의 부호를 붙인 값이다.

(a) (−2,0)(-2,0) 에서 원점까지의 거리는 22 이다. 따라서 r=2r=2 또는 r=−2r=-2 이다.

  • r=2r=2 이면, θ\theta 는 다음을 만족해야 한다.

(−2,0)=(2cos⁡θ , 2sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=0, cos⁡θ=−1  ⟺  θ=nπ, n 정수 , cos⁡θ=−1  ⟺  θ=nπ, n 홀수인 정수 \begin{aligned} (-2,0) = \big(2\cos\theta\,,\,2\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=0,\ \cos\theta=-1 \\ &\iff \theta= n\pi,\ n\text{ 정수 },\ \cos\theta=-1 \\ &\iff \theta= n\pi,\ n\text{ 홀수인 정수 } \end{aligned}

  • r=−2r=-2 이면, θ\theta 는 다음을 만족해야 한다.

(−2,0)=(−2cos⁡θ , −2sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=0, cos⁡θ=1  ⟺  θ=nπ, n 정수 , cos⁡θ=1  ⟺  θ=nπ, n 짝수인 정수 \begin{aligned} (-2,0) = \big(-2\cos\theta\,,\,-2\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=0,\ \cos\theta=1 \\ &\iff \theta= n\pi,\ n\text{ 정수 },\ \cos\theta=1 \\ &\iff \theta= n\pi,\ n\text{ 짝수인 정수 } \end{aligned}

특히 (r=−2 , θ=0)\big(r=-2\,,\,\theta= 0\big) 은 r<0r<0 이고 0≤θ<2π0\le\theta<2\pi 이다.

아래 왼쪽 그림에서 파란색 반직선은 극좌표가 θ=π\theta=\pi, r>0r>0 인 모든 점의 집합이고, 주황색 반직선은 극좌표가 θ=π\theta=\pi, r<0r<0 인 모든 점의 집합이다. 아래 오른쪽 그림에서 파란색 반직선은 극좌표가 θ=0\theta=0, r>0r>0 인 모든 점의 집합이고, 주황색 반직선은 극좌표가 θ=0\theta=0, r<0r<0 인 모든 점의 집합이다.

그림

그림

(b) (1,1)(1,1) 에서 원점까지의 거리는 2\sqrt{2} 이다. 따라서 r=2r=\sqrt{2} 또는 r=−2r=-\sqrt{2} 이다.

  • r=2r=\sqrt{2} 이면, θ\theta 는 다음을 만족해야 한다.

(1,1)=(2 cos⁡θ , 2 sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=cos⁡θ=1/2  ⟺  θ=π/4+2nπ, n 정수 \begin{aligned} (1,1) = \big(\sqrt{2}\,\cos\theta\,,\,\sqrt{2}\,\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=\cos\theta={1}/{\sqrt{2}} \\ &\iff \theta= {\pi}/{4} + 2n\pi,\ n\text{ 정수 } \end{aligned}

  • r=−2r=-\sqrt{2} 이면, θ\theta 는 다음을 만족해야 한다.

(1,1)=(−2 cos⁡θ , −2 sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=cos⁡θ=−1/2  ⟺  θ=5π/4+2nπ, n 정수 \begin{aligned} (1,1) = \big(-\sqrt{2}\,\cos\theta\,,\,-\sqrt{2}\,\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=\cos\theta=-{1}/{\sqrt{2}} \\ &\iff \theta= {5\pi}/{4} + 2n\pi,\ n\text{ 정수 } \end{aligned}

특히 (r=−2 , θ=5π/4)\big(r=-\sqrt{2}\,,\, \theta= {5\pi}/{4}\big) 는 r<0r<0 이고 0≤θ<2π0\le\theta<2\pi 이다.

아래 왼쪽 그림에서 파란색 반직선은 극좌표가 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, r>0r>0 인 모든 점의 집합이고, 주황색 반직선은 극좌표가 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, r<0r<0 인 모든 점의 집합이다. 아래 오른쪽 그림에서 파란색 반직선은 극좌표가 θ=5π4\theta=\frac{5\pi}{4}, r>0r>0 인 모든 점의 집합이고, 주황색 반직선은 극좌표가 θ=5π4\theta=\frac{5\pi}{4}, r<0r<0 인 모든 점의 집합이다.

그림

그림

(c) (−1,−1)(-1,-1) 에서 원점까지의 거리는 2\sqrt{2} 이다. 따라서 r=2r=\sqrt{2} 또는 r=−2r=-\sqrt{2} 이다.

  • r=2r=\sqrt{2} 이면, θ\theta 는 다음을 만족해야 한다.

(−1,−1)=(2 cos⁡θ , 2 sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=cos⁡θ=−1/2  ⟺  θ=5π/4+2nπ, n 정수 \begin{aligned} (-1,-1) = \big(\sqrt{2}\,\cos\theta\,,\,\sqrt{2}\,\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=\cos\theta=-{1}/{\sqrt{2}} \\ &\iff \theta= {5\pi}/{4} + 2n\pi,\ n\text{ 정수 } \end{aligned}

  • r=−2r=-\sqrt{2} 이면, θ\theta 는 다음을 만족해야 한다.

(−1,−1)=(−2 cos⁡θ , −2 sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=cos⁡θ=1/2  ⟺  θ=π/4+2nπ, n 정수 \begin{aligned} (-1,-1) = \big(-\sqrt{2}\,\cos\theta\,,\,-\sqrt{2}\,\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=\cos\theta={1}/{\sqrt{2}} \\ &\iff \theta= {\pi}/{4} + 2n\pi,\ n\text{ 정수 } \end{aligned}

특히 (r=−2 , θ=π/4)\big(r=-\sqrt{2}\,,\, \theta= {\pi}/{4}\big) 는 r<0r<0 이고 0≤θ<2π0\le\theta<2\pi 이다.

아래 왼쪽 그림에서 파란색 반직선은 극좌표가 θ=5π4\theta=\frac{5\pi}{4}, r>0r>0 인 모든 점의 집합이고, 주황색 반직선은 극좌표가 θ=5π4\theta=\frac{5\pi}{4}, r<0r<0 인 모든 점의 집합이다. 아래 오른쪽 그림에서 파란색 반직선은 극좌표가 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, r>0r>0 인 모든 점의 집합이고, 주황색 반직선은 극좌표가 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, r<0r<0 인 모든 점의 집합이다.

그림

그림

(d) (3,0)(3,0) 에서 원점까지의 거리는 33 이다. 따라서 r=3r=3 또는 r=−3r=-3 이다.

  • r=3r=3 이면, θ\theta 는 다음을 만족해야 한다.

(3,0)=(3 cos⁡θ , 3 sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=0, cos⁡θ=1  ⟺  θ=0+2nπ, n 정수 \begin{aligned} (3,0) = \big(3\,\cos\theta\,,\,3\,\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=0,\ \cos\theta=1 \\ &\iff \theta= 0 + 2n\pi,\ n\text{ 정수 } \end{aligned}

  • r=−3r=-3 이면, θ\theta 는 다음을 만족해야 한다.

(3,0)=(−3 cos⁡θ , −3 sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=0, cos⁡θ=−1  ⟺  θ=π+2nπ, n 정수 \begin{aligned} (3,0) = \big(-3\,\cos\theta\,,\,-3\,\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=0,\ \cos\theta=-1 \\ &\iff \theta= \pi + 2n\pi,\ n\text{ 정수 } \end{aligned}

특히 (r=−3 , θ=π)\big(r=-3\,,\, \theta= \pi\big) 는 r<0r<0 이고 0≤θ<2π0\le\theta<2\pi 이다.

아래 왼쪽 그림에서 파란색 반직선은 극좌표가 θ=π\theta=\pi, r>0r>0 인 모든 점의 집합이고, 주황색 반직선은 극좌표가 θ=π\theta=\pi, r<0r<0 인 모든 점의 집합이다. 아래 오른쪽 그림에서 파란색 반직선은 극좌표가 θ=0\theta=0, r>0r>0 인 모든 점의 집합이고, 주황색 반직선은 극좌표가 θ=0\theta=0, r<0r<0 인 모든 점의 집합이다.

그림

그림

(e) (0,1)(0,1) 에서 원점까지의 거리는 11 이다. 따라서 r=1r=1 또는 r=−1r=-1 이다.

  • r=1r=1 이면, θ\theta 는 다음을 만족해야 한다.

(0,1)=(cos⁡θ , sin⁡θ)  ⟺  cos⁡θ=0, sin⁡θ=1  ⟺  θ=π/2+2nπ, n 정수 \begin{aligned} (0,1) = \big(\cos\theta\,,\,\sin\theta\big) &\iff \cos\theta=0,\ \sin\theta=1 \\ &\iff \theta= {\pi}/{2} + 2n\pi,\ n\text{ 정수 } \end{aligned}

  • r=−1r=-1 이면, θ\theta 는 다음을 만족해야 한다.

(0,1)=(−cos⁡θ , −sin⁡θ)  ⟺  cos⁡θ=0, sin⁡θ=−1  ⟺  θ=3π/2+2nπ, n 정수 \begin{aligned} (0,1) = \big(-\cos\theta\,,\,-\sin\theta\big) &\iff \cos\theta=0,\ \sin\theta=-1 \\ &\iff \theta= {3\pi}/{2} + 2n\pi,\ n\text{ 정수 } \end{aligned}

특히 (r=−1 , θ=3π/2)\big(r=-1\,,\, \theta= {3\pi}/{2}\big) 는 r<0r<0 이고 0≤θ<2π0\le\theta<2\pi 이다.

아래 왼쪽 그림에서 파란색 반직선은 극좌표가 θ=3π2\theta=\frac{3\pi}{2}, r>0r>0 인 모든 점의 집합이고, 주황색 반직선은 극좌표가 θ=3π2\theta=\frac{3\pi}{2}, r<0r<0 인 모든 점의 집합이다. 아래 오른쪽 그림에서 파란색 반직선은 극좌표가 θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, r>0r>0 인 모든 점의 집합이고, 주황색 반직선은 극좌표가 θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, r<0r<0 인 모든 점의 집합이다.

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

In this solution, we'll supress the subscripts. That is, we'll write rr in place of rir_i and θ\theta in place of θi\theta_i. Note that the distance from the point (rcos⁡θ , rsin⁡θ)\big(r\cos\theta\,,\,r\sin\theta\big) to the origin is

r2cos⁡2θ+r2sin⁡2θ=r2=∣r∣\sqrt{r^2\cos^2\theta + r^2\sin^2\theta} =\sqrt{r^2} =|r|

Thus rr can be either the distance to the origin or minus the distance to the origin.

(a) The distance from (−2,0)(-2,0) to the origin is 22. So either r=2r=2 or r=−2r=-2.

  • If r=2r=2, then θ\theta must obey

(−2,0)=(2cos⁡θ , 2sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=0, cos⁡θ=−1  ⟺  θ=nπ, n integer , cos⁡θ=−1  ⟺  θ=nπ, n odd integer \begin{aligned} (-2,0) = \big(2\cos\theta\,,\,2\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=0,\ \cos\theta=-1 \\ &\iff \theta= n\pi,\ n\text{ integer },\ \cos\theta=-1 \\ &\iff \theta= n\pi,\ n\text{ odd integer } \end{aligned}

  • If r=−2r=-2, then θ\theta must obey

(−2,0)=(−2cos⁡θ , −2sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=0, cos⁡θ=1  ⟺  θ=nπ, n integer , cos⁡θ=1  ⟺  θ=nπ, n even integer \begin{aligned} (-2,0) = \big(-2\cos\theta\,,\,-2\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=0,\ \cos\theta=1 \\ &\iff \theta= n\pi,\ n\text{ integer },\ \cos\theta=1 \\ &\iff \theta= n\pi,\ n\text{ even integer } \end{aligned}

In particular, (r=−2 , θ=0)\big(r=-2\,,\,\theta= 0\big) has r<0r<0 and 0≤θ<2π0\le\theta<2\pi.

In the figure on the left below, the blue half-line is the set of all points with polar coordinates θ=π\theta=\pi, r>0r>0 and the orange half-line is the set of all points with polar coordinates θ=π\theta=\pi, r<0r<0. In the figure on the right below, the blue half-line is the set of all points with polar coordinates θ=0\theta=0, r>0r>0 and the orange half-line is the set of all points with polar coordinates θ=0\theta=0, r<0r<0.

figure

figure

(b) The distance from (1,1)(1,1) to the origin is 2\sqrt{2}. So either r=2r=\sqrt{2} or r=−2r=-\sqrt{2}.

  • If r=2r=\sqrt{2}, then θ\theta must obey

(1,1)=(2 cos⁡θ , 2 sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=cos⁡θ=1/2  ⟺  θ=π/4+2nπ, n integer \begin{aligned} (1,1) = \big(\sqrt{2}\,\cos\theta\,,\,\sqrt{2}\,\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=\cos\theta={1}/{\sqrt{2}} \\ &\iff \theta= {\pi}/{4} + 2n\pi,\ n\text{ integer } \end{aligned}

  • If r=−2r=-\sqrt{2}, then θ\theta must obey

(1,1)=(−2 cos⁡θ , −2 sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=cos⁡θ=−1/2  ⟺  θ=5π/4+2nπ, n integer \begin{aligned} (1,1) = \big(-\sqrt{2}\,\cos\theta\,,\,-\sqrt{2}\,\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=\cos\theta=-{1}/{\sqrt{2}} \\ &\iff \theta= {5\pi}/{4} + 2n\pi,\ n\text{ integer } \end{aligned}

In particular, (r=−2 , θ=5π/4)\big(r=-\sqrt{2}\,,\, \theta= {5\pi}/{4}\big) has r<0r<0 and 0≤θ<2π0\le\theta<2\pi.

In the figure on the left below, the blue half-line is the set of all points with polar coordinates θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, r>0r>0 and the orange half-line is the set of all points with polar coordinates θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, r<0r<0. In the figure on the right below, the blue half-line is the set of all points with polar coordinates θ=5π4\theta=\frac{5\pi}{4}, r>0r>0 and the orange half-line is the set of all points with polar coordinates θ=5π4\theta=\frac{5\pi}{4}, r<0r<0.

figure

figure

(c) The distance from (−1,−1)(-1,-1) to the origin is 2\sqrt{2}. So either r=2r=\sqrt{2} or r=−2r=-\sqrt{2}.

  • If r=2r=\sqrt{2}, then θ\theta must obey

(−1,−1)=(2 cos⁡θ , 2 sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=cos⁡θ=−1/2  ⟺  θ=5π/4+2nπ, n integer \begin{aligned} (-1,-1) = \big(\sqrt{2}\,\cos\theta\,,\,\sqrt{2}\,\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=\cos\theta=-{1}/{\sqrt{2}} \\ &\iff \theta= {5\pi}/{4} + 2n\pi,\ n\text{ integer } \end{aligned}

  • If r=−2r=-\sqrt{2}, then θ\theta must obey

(−1,−1)=(−2 cos⁡θ , −2 sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=cos⁡θ=1/2  ⟺  θ=π/4+2nπ, n integer \begin{aligned} (-1,-1) = \big(-\sqrt{2}\,\cos\theta\,,\,-\sqrt{2}\,\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=\cos\theta={1}/{\sqrt{2}} \\ &\iff \theta= {\pi}/{4} + 2n\pi,\ n\text{ integer } \end{aligned}

In particular, (r=−2 , θ=π/4)\big(r=-\sqrt{2}\,,\, \theta= {\pi}/{4}\big) has r<0r<0 and 0≤θ<2π0\le\theta<2\pi.

In the figure on the left below, the blue half-line is the set of all points with polar coordinates θ=5π4\theta=\frac{5\pi}{4}, r>0r>0 and the orange half-line is the set of all points with polar coordinates θ=5π4\theta=\frac{5\pi}{4}, r<0r<0. In the figure on the right below, the blue half-line is the set of all points with polar coordinates θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, r>0r>0 and the orange half-line is the set of all points with polar coordinates θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, r<0r<0.

figure

figure

(d) The distance from (3,0)(3,0) to the origin is 33. So either r=3r=3 or r=−3r=-3.

  • If r=3r=3, then θ\theta must obey

(3,0)=(3 cos⁡θ , 3 sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=0, cos⁡θ=1  ⟺  θ=0+2nπ, n integer \begin{aligned} (3,0) = \big(3\,\cos\theta\,,\,3\,\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=0,\ \cos\theta=1 \\ &\iff \theta= 0 + 2n\pi,\ n\text{ integer } \end{aligned}

  • If r=−3r=-3, then θ\theta must obey

(3,0)=(−3 cos⁡θ , −3 sin⁡θ)  ⟺  sin⁡θ=0, cos⁡θ=−1  ⟺  θ=π+2nπ, n integer \begin{aligned} (3,0) = \big(-3\,\cos\theta\,,\,-3\,\sin\theta\big) &\iff \sin\theta=0,\ \cos\theta=-1 \\ &\iff \theta= \pi + 2n\pi,\ n\text{ integer } \end{aligned}

In particular, (r=−3 , θ=π)\big(r=-3\,,\, \theta= \pi\big) has r<0r<0 and 0≤θ<2π0\le\theta<2\pi.

In the figure on the left below, the blue half-line is the set of all points with polar coordinates θ=π\theta=\pi, r>0r>0 and the orange half-line is the set of all points with polar coordinates θ=π\theta=\pi, r<0r<0. In the figure on the right below, the blue half-line is the set of all points with polar coordinates θ=0\theta=0, r>0r>0 and the orange half-line is the set of all points with polar coordinates θ=0\theta=0, r<0r<0.

figure

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(e) The distance from (0,1)(0,1) to the origin is 11. So either r=1r=1 or r=−1r=-1.

  • If r=1r=1, then θ\theta must obey

(0,1)=(cos⁡θ , sin⁡θ)  ⟺  cos⁡θ=0, sin⁡θ=1  ⟺  θ=π/2+2nπ, n integer \begin{aligned} (0,1) = \big(\cos\theta\,,\,\sin\theta\big) &\iff \cos\theta=0,\ \sin\theta=1 \\ &\iff \theta= {\pi}/{2} + 2n\pi,\ n\text{ integer } \end{aligned}

  • If r=−1r=-1, then θ\theta must obey

(0,1)=(−cos⁡θ , −sin⁡θ)  ⟺  cos⁡θ=0, sin⁡θ=−1  ⟺  θ=3π/2+2nπ, n integer \begin{aligned} (0,1) = \big(-\cos\theta\,,\,-\sin\theta\big) &\iff \cos\theta=0,\ \sin\theta=-1 \\ &\iff \theta= {3\pi}/{2} + 2n\pi,\ n\text{ integer } \end{aligned}

In particular, (r=−1 , θ=3π/2)\big(r=-1\,,\, \theta= {3\pi}/{2}\big) has r<0r<0 and 0≤θ<2π0\le\theta<2\pi.

In the figure on the left below, the blue half-line is the set of all points with polar coordinates θ=3π2\theta=\frac{3\pi}{2}, r>0r>0 and the orange half-line is the set of all points with polar coordinates θ=3π2\theta=\frac{3\pi}{2}, r<0r<0. In the figure on the right below, the blue half-line is the set of all points with polar coordinates θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, r>0r>0 and the orange half-line is the set of all points with polar coordinates θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, r<0r<0.

figure

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

다음 점들을 생각하세요.

(x1,y1)=(3,0)(x2,y2)=(1,1)(x3,y3)=(0,1)(x4,y4)=(−1,1)(x5,y5)=(−2,0)\begin{aligned} (x_1,y_1) &= (3,0) & (x_2,y_2) &= (1,1) & (x_3,y_3) &= (0,1) \\ (x_4,y_4) &= (-1,1) & (x_5,y_5) &= (-2,0) \end{aligned}

또한 각 θ\theta 에 대해 벡터를 다음과 같이 정의하세요.

e^r(θ)=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^e^θ(θ)=−sin⁡θ ı^+cos⁡θ ȷ^\begin{aligned} \hat{\mathbf{e}}_r(\theta)=\cos\theta\ \hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin\theta\ \hat{\boldsymbol{\jmath}}\qquad \hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) = -\sin\theta\ \hat{\boldsymbol{\imath}} + \cos\theta\ \hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

(a) 각 각 θ\theta 에 대해 벡터 e^r(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta) 와 e^θ(θ)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) 의 길이, 그리고 두 벡터 e^r(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta) 와 e^θ(θ)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) 가 이루는 각을 구하세요. e^r(θ)×e^θ(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta)\times\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) 의 값을 구하세요 (e^r(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta) 와 e^θ(θ)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) 를 k^\hat{\mathbf{k}} 성분이 0인 3차원 벡터로 보세요). (b) 1≤i≤51\le i\le 5 인 각 ii 에 대해, xyxy 평면에 점 (xi,yi)=(ricos⁡θi , risin⁡θi)(x_i,y_i)= \big(r_i\cos\theta_i\,,\,r_i\sin\theta_i\big) 와 벡터 e^r(θi)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta_i), e^θ(θi)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta_i) 를 그리세요. 벡터를 그릴 때 벡터 e^r(θi)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta_i) 와 e^θ(θi)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta_i) 의 시점을 (xi,yi)(x_i,y_i) 에 놓으세요.

영어 원문 보기

Consider the points

(x1,y1)=(3,0)(x2,y2)=(1,1)(x3,y3)=(0,1)(x4,y4)=(−1,1)(x5,y5)=(−2,0)\begin{aligned} (x_1,y_1) &= (3,0) & (x_2,y_2) &= (1,1) & (x_3,y_3) &= (0,1) \\ (x_4,y_4) &= (-1,1) & (x_5,y_5) &= (-2,0) \end{aligned}

Also define, for each angle θ\theta, the vectors

e^r(θ)=cos⁡θ ı^+sin⁡θ ȷ^e^θ(θ)=−sin⁡θ ı^+cos⁡θ ȷ^\begin{aligned} \hat{\mathbf{e}}_r(\theta)=\cos\theta\ \hat{\boldsymbol{\imath}} + \sin\theta\ \hat{\boldsymbol{\jmath}}\qquad \hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) = -\sin\theta\ \hat{\boldsymbol{\imath}} + \cos\theta\ \hat{\boldsymbol{\jmath}} \end{aligned}

(a) Determine, for each angle θ\theta, the lengths of the vectors e^r(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta) and e^θ(θ)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) and the angle between the vectors e^r(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta) and e^θ(θ)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta). Compute e^r(θ)×e^θ(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta)\times\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) (viewing e^r(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta) and e^θ(θ)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) as vectors in three dimensions with zero k^\hat{\mathbf{k}} components). (b) For each 1≤i≤51\le i\le 5, sketch, in the xyxy-plane, the point (xi,yi)=(ricos⁡θi , risin⁡θi)(x_i,y_i)= \big(r_i\cos\theta_i\,,\,r_i\sin\theta_i\big) and the vectors e^r(θi)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta_i) and e^θ(θi)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta_i). In your sketch of the vectors, place the tails of the vectors e^r(θi)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta_i) and e^θ(θi)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta_i) at (xi,yi)(x_i,y_i).

정답·풀이 보기

(a) 길이는 다음과 같다.

∣e^r(θ)∣=cos⁡2θ+sin⁡2θ=1∣e^θ(θ)∣=(−sin⁡θ)2+cos⁡2θ=1\begin{aligned} |\hat{\mathbf{e}}_r(\theta)| &= \sqrt{\cos^2\theta+\sin^2\theta} = 1 \\ |\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta)| &= \sqrt{(-\sin\theta)^2+\cos^2\theta} = 1 \end{aligned}

e^r(θ)⋅e^θ(θ)=(cos⁡θ)(−sin⁡θ)+(sin⁡θ)(cos⁡θ)=0\hat{\mathbf{e}}_r(\theta) \cdot \hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) = (\cos\theta)(-\sin\theta) +(\sin\theta)(\cos\theta)=0

이므로 두 벡터는 수직이고 두 벡터가 이루는 각은 π2\frac{\pi}{2} 이다. 외적은 다음과 같다.

e^r(θ)×e^θ(θ)=det⁡[ı^ȷ^k^cos⁡θsin⁡θ0−sin⁡θcos⁡θ0]=k^\begin{aligned} \hat{\mathbf{e}}_r(\theta) \times \hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ \cos\theta & \sin\theta & 0 \\ -\sin\theta & \cos\theta & 0 \end{matrix}\right] =\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(b) x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta 로 정해지는 θ\theta 에 대해 다음에 주목한다.

  • 벡터 e^r(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta) 는 (0,0)(0,0) 에서 (x,y)(x,y) 로 향하는 벡터와 방향이 같은 단위벡터이다.
  • 벡터 e^θ(θ)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) 는 e^r(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta) 에 수직인 단위벡터이다.
  • e^θ(θ)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) 의 yy 성분은 e^r(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta) 의 xx 성분과 부호가 같다. e^θ(θ)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) 의 xx 성분은 e^r(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta) 의 yy 성분과 부호가 반대이다.

다음은 i=1,3,5i =1,3,5 (축 위의 점)에 대한 (xi,yi)(x_i,y_i), e^r(θi)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta_i), e^θ(θi)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta_i) 의 그림이다.

그림

다음은 i=2,4i =2,4 (축 위에 있지 않은 점)에 대한 (xi,yi)(x_i,y_i), e^r(θi)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta_i), e^θ(θi)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta_i) 의 그림이다(축척은 다르다).

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) The lengths are

∣e^r(θ)∣=cos⁡2θ+sin⁡2θ=1∣e^θ(θ)∣=(−sin⁡θ)2+cos⁡2θ=1\begin{aligned} |\hat{\mathbf{e}}_r(\theta)| &= \sqrt{\cos^2\theta+\sin^2\theta} = 1 \\ |\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta)| &= \sqrt{(-\sin\theta)^2+\cos^2\theta} = 1 \end{aligned}

As

e^r(θ)⋅e^θ(θ)=(cos⁡θ)(−sin⁡θ)+(sin⁡θ)(cos⁡θ)=0\hat{\mathbf{e}}_r(\theta) \cdot \hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) = (\cos\theta)(-\sin\theta) +(\sin\theta)(\cos\theta)=0

the two vectors are perpendicular and the angle between them is π2\frac{\pi}{2}. The cross product is

e^r(θ)×e^θ(θ)=det⁡[ı^ȷ^k^cos⁡θsin⁡θ0−sin⁡θcos⁡θ0]=k^\begin{aligned} \hat{\mathbf{e}}_r(\theta) \times \hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ \cos\theta & \sin\theta & 0 \\ -\sin\theta & \cos\theta & 0 \end{matrix}\right] =\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

(b) Note that for θ\theta determined by x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta,

  • the vector e^r(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta) is a unit vector in the same direction as the vector from (0,0)(0,0) to (x,y)(x,y) and
  • the vector e^θ(θ)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) is a unit vector that is perpendicular to e^r(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta).
  • The yy-component of e^θ(θ)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) has the same sign as the xx-component of e^r(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta). The xx-component of e^θ(θ)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta) has opposite sign to that of the yy-component of e^r(θ)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta).

Here is a sketch of (xi,yi)(x_i,y_i), e^r(θi)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta_i), e^θ(θi)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta_i) for i=1,3,5i =1,3,5 (the points on the axes)

figure

and here is a sketch (to a different scale) of (xi,yi)(x_i,y_i), e^r(θi)\hat{\mathbf{e}}_r(\theta_i), e^θ(θi)\hat{\mathbf{e}}_\theta(\theta_i) for i=2,4i =2,4 (the points off the axes).

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 14번
# 극좌표 이중적분그래프·표 해석기본자동 분류
4.CLP-3 · 3.2절 · 4번대학 수준우리말 번역

<a,b>\left< a, b\right> 를 벡터라 하자. rr 를 <a,b>\left< a, b\right> 의 길이, θ\theta 를 <a,b>\left< a, b\right> 와 xx축 사이의 각이라 하자.

(a) aa 와 bb 를 rr 과 θ\theta 로 나타내세요. (b) <A,B>\left< A, B\right> 를 <a,b>\left< a, b\right> 를 시점을 중심으로 각 φ\varphi 만큼 회전하여 얻은 벡터라 하자. AA 와 BB 를 aa, bb, φ\varphi 로 나타내세요.

영어 원문 보기

Let <a,b>\left< a, b\right> be a vector. Let rr be the length of <a,b>\left< a, b\right> and θ\theta be the angle between <a,b>\left< a, b\right> and the xx-axis.

(a) Express aa and bb in terms of rr and θ\theta. (b) Let <A,B>\left< A, B\right> be the vector gotten by rotating <a,b>\left< a, b\right> by an angle φ\varphi about its tail. Express AA and BB in terms of aa, bb and φ\varphi.

정답·풀이 보기

다음은 <a,b>\left< a, b\right> 와 <A,B>\left< A, B\right> 의 개략도이다.

그림

(a) 그림에서

a=rcos⁡θb=rsin⁡θ\begin{aligned} a&=r\cos\theta\\ b&=r\sin\theta \end{aligned}

(b) 벡터 <A,B>\left< A, B\right> 의 길이는 이번에도 rr 이고 <A,B>\left< A, B\right> 와 xx축 사이의 각은 θ+φ\theta +\varphi 이다. 따라서

A=rcos⁡(θ+φ)=rcos⁡θcos⁡φ−rsin⁡θsin⁡φ=acos⁡φ−bsin⁡φB=rsin⁡(θ+φ)=rsin⁡θcos⁡φ+rcos⁡θsin⁡φ=bcos⁡φ+asin⁡φ\begin{aligned} A&=r\cos(\theta+\varphi) &&=r\cos\theta\cos\varphi-r\sin\theta\sin\varphi &&=a\cos\varphi-b\sin\varphi\\ B&=r\sin(\theta+\varphi) &&=r\sin\theta\cos\varphi+r\cos\theta\sin\varphi &&=b\cos\varphi+a\sin\varphi \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Here is a sketch of <a,b>\left< a, b\right> and <A,B>\left< A, B\right>.

figure

(a) From the sketch,

a=rcos⁡θb=rsin⁡θ\begin{aligned} a&=r\cos\theta\\ b&=r\sin\theta \end{aligned}

(b) The length of the vector <A,B>\left< A, B\right> is again rr and the angle between <A,B>\left< A, B\right> and the xx-axis is θ+φ\theta +\varphi. So

A=rcos⁡(θ+φ)=rcos⁡θcos⁡φ−rsin⁡θsin⁡φ=acos⁡φ−bsin⁡φB=rsin⁡(θ+φ)=rsin⁡θcos⁡φ+rcos⁡θsin⁡φ=bcos⁡φ+asin⁡φ\begin{aligned} A&=r\cos(\theta+\varphi) &&=r\cos\theta\cos\varphi-r\sin\theta\sin\varphi &&=a\cos\varphi-b\sin\varphi\\ B&=r\sin(\theta+\varphi) &&=r\sin\theta\cos\varphi+r\cos\theta\sin\varphi &&=b\cos\varphi+a\sin\varphi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.3절 · 18번
# 극좌표 이중적분계산기본자동 분류
5.CLP-3 · 3.2절 · 6번대학 수준우리말 번역

다음 각 극좌표 적분에 대하여 적분 영역을 xyxy-평면에 그리세요.

(a) ∫12dr∫−π/4π/4dθ r f(rcos⁡θ,rsin⁡θ)\displaystyle \int_1^2\mathrm{d}r \int_{-{\pi}/{4}}^{{\pi}/{4}}\mathrm{d}\theta \ r\ f(r\cos\theta,r\sin\theta) (b) ∫0π/4dθ∫02sin⁡θ+cos⁡θdr r f(rcos⁡θ,rsin⁡θ)\displaystyle \int_0^{{\pi}/{4}}\mathrm{d}\theta \int_0^{\frac{2}{\sin\theta+\cos\theta}}\mathrm{d}r \ r\ f(r\cos\theta,r\sin\theta) (c) ∫02πdθ∫03cos⁡2θ+9sin⁡2θdr r f(rcos⁡θ,rsin⁡θ)\displaystyle \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\frac{3}{\sqrt{\cos^2\theta+9\sin^2\theta}}}\mathrm{d}r \ r\ f(r\cos\theta,r\sin\theta)

영어 원문 보기

Sketch the domain of integration in the xyxy-plane for each of the following polar coordinate integrals.

(a) ∫12dr∫−π/4π/4dθ r f(rcos⁡θ,rsin⁡θ)\displaystyle \int_1^2\mathrm{d}r \int_{-{\pi}/{4}}^{{\pi}/{4}}\mathrm{d}\theta \ r\ f(r\cos\theta,r\sin\theta) (b) ∫0π/4dθ∫02sin⁡θ+cos⁡θdr r f(rcos⁡θ,rsin⁡θ)\displaystyle \int_0^{{\pi}/{4}}\mathrm{d}\theta \int_0^{\frac{2}{\sin\theta+\cos\theta}}\mathrm{d}r \ r\ f(r\cos\theta,r\sin\theta) (c) ∫02πdθ∫03cos⁡2θ+9sin⁡2θdr r f(rcos⁡θ,rsin⁡θ)\displaystyle \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\frac{3}{\sqrt{\cos^2\theta+9\sin^2\theta}}}\mathrm{d}r \ r\ f(r\cos\theta,r\sin\theta)

정답·풀이 보기

(a) 적분 영역을 DD 라 하자. 기호 ∫12dr∫−π/4π/4dθ\displaystyle \int_1^2\mathrm{d}r \int_{-{\pi}/{4}}^{{\pi}/{4}}\mathrm{d}\theta 는 DD 에서 다음이 성립함을 나타낸다.

  • rr 는 11 에서 22 까지 변하고,
  • 그 범위의 각 rr 에 대하여 θ\theta 는 −π4-\frac{\pi}{4} 에서 π4\frac{\pi}{4} 까지 변한다.

직교좌표로 나타내면

  • r=1r=1 은 원 x2+y2=1x^2+y^2=1 이고,
  • r=2r=2 는 원 x2+y2=4x^2+y^2=4 이고,
  • θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 는 반직선 y=xy=x, x≥0x\ge 0 이고,
  • θ=−π4\theta=-\frac{\pi}{4} 는 반직선 y=−xy=-x, x≥0x\ge 0 이다.

따라서

D={ (x,y) ∣ 1≤x2+y2≤4, −x≤y≤x, x≥0 }\begin{aligned} D=\big\{ \ (x,y)\ \big|\ 1\le x^2+y^2\le 4,\ -x\le y\le x,\ x\ge 0\ \big\} \end{aligned}

두 개의 그림이 있다. DD 는 오른쪽 그림에서 색칠한 영역이다.

그림

그림

(b) 적분 영역을 DD 라 하자. 기호 ∫0π/4dθ∫02sin⁡θ+cos⁡θdr\int_0^{{\pi}/{4}}\mathrm{d}\theta \int_0^{\frac{2}{\sin\theta+\cos\theta}}\mathrm{d}r 는 DD 에서 다음이 성립함을 나타낸다.

  • θ\theta 는 00 에서 π/4{\pi}/{4} 까지 변하고,
  • 그 범위의 각 θ\theta 에 대하여 rr 는 00 에서 2sin⁡θ+cos⁡θ\frac{2}{\sin\theta+\cos\theta} 까지 변한다.

직교좌표로 나타내면

  • θ=0\theta=0 은 양의 xx축이고,
  • θ=π/4\theta={\pi}/{4} 는 반직선 y=xy=x, x≥0x\ge 0 이고,
  • r=2sin⁡θ+cos⁡θr=\frac{2}{\sin\theta+\cos\theta}, 즉 rcos⁡θ+rsin⁡θ=2r\cos\theta+r\sin\theta=2 는 직선 x+y=2x+y=2 이다.

아래 왼쪽 그림을 보면, 직선 y=xy=x 와 x+y=2x+y=2 가 (1,1)(1,1) 에서 만나므로

D={ (x,y) ∣ 0≤y≤1, y≤x≤2−y }\begin{aligned} D=\big\{ \ (x,y)\ \big|\ 0\le y\le 1,\ y\le x\le 2-y\ \big\} \end{aligned}

DD 는 오른쪽 그림에서 색칠한 영역이다.

그림

그림

(c) 적분 영역을 DD 라 하자. 기호 ∫02πdθ∫03cos⁡2θ+9sin⁡2θdr\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\frac{3}{\sqrt{\cos^2\theta+9\sin^2\theta}}}\mathrm{d}r 는 DD 에서 다음이 성립함을 나타낸다.

  • θ\theta 는 00 에서 2π2\pi 까지 한 바퀴 변하고,
  • 각 θ\theta 에 대하여 rr 는 00 에서 3cos⁡2θ+9sin⁡2θ\frac{3}{\sqrt{\cos^2\theta+9\sin^2\theta}} 까지 변한다.

직교좌표로 나타내면

  • r=3cos⁡2θ+9sin⁡2θr=\frac{3}{\sqrt{\cos^2\theta+9\sin^2\theta}}, 즉 r2cos⁡2θ+9r2sin⁡2θ=9r^2\cos^2\theta+9r^2\sin^2\theta=9 는 타원 x2+9y2=9x^2+9y^2=9 이다.

따라서 DD 는 타원 x2+9y2=9x^2+9y^2=9 의 내부이고, DD 는 오른쪽 그림에서 색칠한 영역이다.

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) Let DD denote the domain of integration. The symbols ∫12dr∫−π/4π/4dθ\displaystyle \int_1^2\mathrm{d}r \int_{-{\pi}/{4}}^{{\pi}/{4}}\mathrm{d}\theta say that, on DD,

  • rr runs from 11 to 22 and
  • for each rr in that range, θ\theta runs from −π4-\frac{\pi}{4} to π4\frac{\pi}{4}.

In Cartesian coordinates

  • r=1r=1 is the circle x2+y2=1x^2+y^2=1 and
  • r=2r=2 is the circle x2+y2=4x^2+y^2=4 and
  • θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} is the ray y=xy=x, x≥0x\ge 0 and
  • θ=−π4\theta=-\frac{\pi}{4} is the ray y=−xy=-x, x≥0x\ge 0.

So

D={ (x,y) ∣ 1≤x2+y2≤4, −x≤y≤x, x≥0 }\begin{aligned} D=\big\{ \ (x,y)\ \big|\ 1\le x^2+y^2\le 4,\ -x\le y\le x,\ x\ge 0\ \big\} \end{aligned}

Here are two sketches. DD is the shaded region in the sketch on the right.

figure

figure

(b) Let DD denote the domain of integration. The symbols ∫0π/4dθ∫02sin⁡θ+cos⁡θdr\int_0^{{\pi}/{4}}\mathrm{d}\theta \int_0^{\frac{2}{\sin\theta+\cos\theta}}\mathrm{d}r say that, on DD,

  • θ\theta runs from 00 to π/4{\pi}/{4} and
  • for each θ\theta in that range, rr runs from 00 to 2sin⁡θ+cos⁡θ\frac{2}{\sin\theta+\cos\theta}.

In Cartesian coordinates

  • θ=0\theta=0 is the positive xx-axis and
  • θ=π/4\theta={\pi}/{4} is the ray y=xy=x, x≥0x\ge 0 and
  • r=2sin⁡θ+cos⁡θr=\frac{2}{\sin\theta+\cos\theta}, or equivalently rcos⁡θ+rsin⁡θ=2r\cos\theta+r\sin\theta=2, is the line x+y=2x+y=2.

Looking at the sketch on the left below, we see that, since the lines y=xy=x and x+y=2x+y=2 cross at (1,1)(1,1),

D={ (x,y) ∣ 0≤y≤1, y≤x≤2−y }\begin{aligned} D=\big\{ \ (x,y)\ \big|\ 0\le y\le 1,\ y\le x\le 2-y\ \big\} \end{aligned}

DD is the shaded region in the sketch on the right.

figure

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(c) Let DD denote the domain of integration. The symbols ∫02πdθ∫03cos⁡2θ+9sin⁡2θdr\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\frac{3}{\sqrt{\cos^2\theta+9\sin^2\theta}}}\mathrm{d}r say that, on DD,

  • θ\theta runs all the way from 00 to 2π2\pi and
  • for each θ\theta, rr runs from 00 to 3cos⁡2θ+9sin⁡2θ\frac{3}{\sqrt{\cos^2\theta+9\sin^2\theta}}.

In Cartesian coordinates

  • r=3cos⁡2θ+9sin⁡2θr=\frac{3}{\sqrt{\cos^2\theta+9\sin^2\theta}}, or equivalently r2cos⁡2θ+9r2sin⁡2θ=9r^2\cos^2\theta+9r^2\sin^2\theta=9, is the ellipse x2+9y2=9x^2+9y^2=9.

So DD is the interior of the ellipse x2+9y2=9x^2+9y^2=9 and DD is the shaded region in the sketch on the right.

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