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 · 20번대학 수준우리말 번역

GG 를 다음과 같이 주어진 R2\mathbb{R}^2 의 영역이라 하자.

x2+y2≤10≤x≤2yy≤2x\begin{gathered} x^2 + y^2 \le 1 \\ 0 \le x \le 2y \\ y \le 2x \end{gathered}

(a) 영역 GG 의 그래프를 그리세요. (b) 적분 ∬Gf(x,y) dA\iint _G f(x,y)\ \mathrm{d}A 를 반복적분 ∬f(x,y) dxdy\iint f(x, y)\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y 의 합으로 나타내세요. (c) 적분 ∬Gf(x,y) dA\iint _G f(x,y)\ \mathrm{d}A 를 x=rcos⁡(θ)x = r \cos(\theta), y=rsin⁡(θ)y = r \sin(\theta) 인 극좌표 (r,θ)(r, \theta) 에서의 반복적분으로 나타내세요.

영어 원문 보기

Let GG be the region in R2\mathbb{R}^2 given by

x2+y2≤10≤x≤2yy≤2x\begin{gathered} x^2 + y^2 \le 1 \\ 0 \le x \le 2y \\ y \le 2x \end{gathered}

(a) Sketch the region GG. (b) Express the integral ∬Gf(x,y) dA\iint _G f(x,y)\ \mathrm{d}A a sum of iterated integrals ∬f(x,y) dxdy\iint f(x, y)\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y. (c) Express the integral ∬Gf(x,y) dA\iint _G f(x,y)\ \mathrm{d}A as an iterated integral in polar coordinates (r,θ)(r, \theta) where x=rcos⁡(θ)x = r \cos(\theta) and y=rsin⁡(θ)y = r \sin(\theta).

정답·풀이 보기

(a) 다음에 주목한다.

  • 조건 x2+y2≤1x^2+y^2\le 1 은 GG 를 원점을 중심으로 하는 반지름이 11 인 원의 내부로 제한한다.
  • 조건 0≤x≤2y0\le x\le 2y 는 GG 를 x≥0x\ge 0, y≥0y\ge 0 인 부분, 즉 제1사분면으로 제한한다.
  • 조건 x≤2yx\le 2y 와 y≤2xy\le 2x 는 x2≤y≤2x\frac{x}{2}\le y\le 2x 로 제한한다. 따라서 GG 는 (가파른) 직선 y=2xy=2x 의 아래쪽에 있고, (가파르지 않은) 직선 y=x2y=\frac{x}{2} 의 위쪽에 있다.

다음은 GG 의 그래프이다.

그림

(b) 직선 y=2xy=2x 는 원 x2+y2=1x^2+y^2=1 과 다음을 만족하는 점 (x,y)(x,y) 에서 만난다.

x2+(2x)2=x2+y2=1  ⟹  5x2=1\begin{aligned} x^2+(2x)^2=x^2+y^2=1 \implies 5x^2=1 \end{aligned}

또한 직선 x=2yx=2y 는 원 x2+y2=1x^2+y^2=1 과 다음을 만족하는 점 (x,y)(x,y) 에서 만난다.

(2y)2+y2=x2+y2=1  ⟹  5y2=1\begin{aligned} (2y)^2+y^2=x^2+y^2=1 \implies 5y^2=1 \end{aligned}

따라서 제1팔분면에서 y=2xy=2x 와 x2+y2=1x^2+y^2=1 의 교점은 (15 , 25)\left(\frac{1}{\sqrt{5}}\,,\,\frac{2}{\sqrt{5}}\right) 이고, 제1팔분면에서 x=2yx=2y 와 x2+y2=1x^2+y^2=1 의 교점은 (25 , 15)\left(\frac{2}{\sqrt{5}}\,,\,\frac{1}{\sqrt{5}}\right) 이다.

다음 그림과 같이 가로 띠를 이용하여 반복적분을 세운다.

그림

이 그림을 보면 GG 위에서

  • yy 는 00 에서 25\frac{2}{\sqrt{5}} 까지 변하고,
  • 00 과 15\frac{1}{\sqrt{5}} 사이의 각 고정된 yy 에 대해 xx 는 y2\frac{y}{2} 에서 2y2y 까지 변하고,
  • 15\frac{1}{\sqrt{5}} 과 25\frac{2}{\sqrt{5}} 사이의 각 고정된 yy 에 대해 xx 는 y2\frac{y}{2} 에서 1−y2\sqrt{1-y^2} 까지 변한다.

그러므로

∬Gf(x,y) dA=∫015dy∫y/22ydx f(x,y)+∫1525dy∫y/21−y2dx f(x,y)\begin{aligned} \iint _G f(x,y)\ \mathrm{d}A &=\int_0^{\frac{1}{\sqrt{5}}}\mathrm{d}y\int_{y/2}^{2y}\mathrm{d}x\ f(x,y) +\int_{\frac{1}{\sqrt{5}}}^{\frac{2}{\sqrt{5}}}\mathrm{d}y\int_{y/2}^{\sqrt{1-y^2}} \mathrm{d}x\ f(x,y) \end{aligned}

(b) 극좌표에서

  • 방정식 x2+y2=1x^2+y^2=1 은 r=1r=1 이 되고,
  • 방정식 y=x/2y=x/2 는 rsin⁡θ=r2cos⁡θr\sin\theta = \frac{r}{2}\cos\theta, 즉 tan⁡θ=12\tan\theta =\frac{1}{2} 이 되고,
  • 방정식 y=2xy=2x 는 rsin⁡θ=2rcos⁡θr\sin\theta = 2r\cos\theta, 즉 tan⁡θ=2\tan\theta =2 가 된다.

다음 그림을 보면

그림

GG 위에서

  • θ\theta 는 arctan⁡12\arctan\frac{1}{2} 에서 arctan⁡2\arctan 2 까지 변하고,
  • 그 범위의 각 고정된 θ\theta 에 대해 rr 는 00 에서 11 까지 변한다.

dA=r dr dθ\mathrm{d}A=r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이고 x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta 이므로

∬Gf(x,y) dA=∫arctan⁡12arctan⁡2dθ∫01dr r f(rcos⁡θ,rsin⁡θ)\begin{aligned} \iint _G f(x,y)\ \mathrm{d}A &=\int_{\arctan\frac{1}{2}}^{\arctan 2}\mathrm{d}\theta \int_0^1\mathrm{d}r\ r\,f(r\cos\theta,r\sin\theta) \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Observe that

  • the condition x2+y2≤1x^2+y^2\le 1 restricts GG to the interior of the circle of radius 11 centred on the origin, and
  • the conditions 0≤x≤2y0\le x\le 2y restricts GG to x≥0x\ge 0, y≥0y\ge 0, i.e. to the first quadrant, and
  • the conditions x≤2yx\le 2y and y≤2xy\le 2x restrict x2≤y≤2x\frac{x}{2}\le y\le 2x. So GG lies below the (steep) line y=2xy=2x and lies above the (not steep) line y=x2y=\frac{x}{2}.

Here is a sketch of GG

figure

(b) Observe that the line y=2xy=2x crosses the circle x2+y2=1x^2+y^2=1 at a point (x,y)(x,y) obeying

x2+(2x)2=x2+y2=1  ⟹  5x2=1\begin{aligned} x^2+(2x)^2=x^2+y^2=1 \implies 5x^2=1 \end{aligned}

and that the line x=2yx=2y crosses the circle x2+y2=1x^2+y^2=1 at a point (x,y)(x,y) obeying

(2y)2+y2=x2+y2=1  ⟹  5y2=1\begin{aligned} (2y)^2+y^2=x^2+y^2=1 \implies 5y^2=1 \end{aligned}

So the intersection point of y=2xy=2x and x2+y2=1x^2+y^2=1 in the first octant is (15 , 25)\left(\frac{1}{\sqrt{5}}\,,\,\frac{2}{\sqrt{5}}\right) and the intersection point of x=2yx=2y and x2+y2=1x^2+y^2=1 in the first octant is (25 , 15)\left(\frac{2}{\sqrt{5}}\,,\,\frac{1}{\sqrt{5}}\right).

We'll set up the iterated integral using horizontal strips as in the sketch

figure

Looking at that sketch, we see that, on GG,

  • yy runs from 00 to 25\frac{2}{\sqrt{5}}, and
  • for each fixed yy between 00 and 15\frac{1}{\sqrt{5}}, xx runs from y2\frac{y}{2} to 2y2y, and
  • for each fixed yy between 15\frac{1}{\sqrt{5}} and 25\frac{2}{\sqrt{5}} xx runs from y2\frac{y}{2} to 1−y2\sqrt{1-y^2}.

So

∬Gf(x,y) dA=∫015dy∫y/22ydx f(x,y)+∫1525dy∫y/21−y2dx f(x,y)\begin{aligned} \iint _G f(x,y)\ \mathrm{d}A &=\int_0^{\frac{1}{\sqrt{5}}}\mathrm{d}y\int_{y/2}^{2y}\mathrm{d}x\ f(x,y) +\int_{\frac{1}{\sqrt{5}}}^{\frac{2}{\sqrt{5}}}\mathrm{d}y\int_{y/2}^{\sqrt{1-y^2}} \mathrm{d}x\ f(x,y) \end{aligned}

(b) In polar coordinates

  • the equation x2+y2=1x^2+y^2=1 becomes r=1r=1, and
  • the equation y=x/2y=x/2 becomes rsin⁡θ=r2cos⁡θr\sin\theta = \frac{r}{2}\cos\theta or tan⁡θ=12\tan\theta =\frac{1}{2}, and
  • the equation y=2xy=2x becomes rsin⁡θ=2rcos⁡θr\sin\theta = 2r\cos\theta or tan⁡θ=2\tan\theta =2.

Looking at the sketch

figure

we see that, on GG,

  • θ\theta runs from arctan⁡12\arctan\frac{1}{2} to arctan⁡2\arctan 2, and
  • for each fixed θ\theta in that range, rr runs from 00 to 11.

As dA=r dr dθ\mathrm{d}A=r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta, and x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta,

∬Gf(x,y) dA=∫arctan⁡12arctan⁡2dθ∫01dr r f(rcos⁡θ,rsin⁡θ)\begin{aligned} \iint _G f(x,y)\ \mathrm{d}A &=\int_{\arctan\frac{1}{2}}^{\arctan 2}\mathrm{d}\theta \int_0^1\mathrm{d}r\ r\,f(r\cos\theta,r\sin\theta) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 23번
# 극좌표 이중적분그래프·표 해석도전자동 분류
2.CLP-3 · 3.2절 · 21번대학 수준우리말 번역

다음을 생각하세요.

J=∫02∫y4−y2yxex2+y2 dx dyJ = \int_0^{\sqrt{2}} \int_y^{\sqrt{4-y^2}} \frac{y}{x} e^{x^2+y^2}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y

(a) 적분 영역을 그림으로 그리세요. (b) 적분 순서를 바꾸세요. (c) 극좌표를 이용하여 JJ 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider

J=∫02∫y4−y2yxex2+y2 dx dyJ = \int_0^{\sqrt{2}} \int_y^{\sqrt{4-y^2}} \frac{y}{x} e^{x^2+y^2}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y

(a) Sketch the region of integration. (b) Reverse the order of integration. (c) Evaluate JJ by using polar coordinates.

정답·풀이 보기

(a) 적분 정의역에서

  • yy 는 00 부터 2\sqrt{2} 까지 변하고,
  • 그 범위의 각 yy 에 대해 xx 는 yy 부터 4−y2\sqrt{4-y^2} 까지 변한다. x=4−y2x=\sqrt{4-y^2} 을 더 익숙한 꼴인 x2+y2=4x^2+y^2=4, x≥0x\ge 0 으로 고쳐 쓸 수 있다.

아래 왼쪽 그림은 적분 정의역의 개형이다. 또한 주어진 반복적분을 세우는 데 사용한 일반적인 가로 방향 띠도 보여 준다.

그림

그림

(b) 적분 순서를 바꾸기 위해 가로 방향 띠 대신 세로 방향 띠를 사용한다. 위 오른쪽 그림에서 알 수 있듯이, 적분 정의역에서

  • xx 는 00 부터 22 까지 변하고,
  • 0≤x≤20\le x\le\sqrt{2} 인 범위의 각 xx 에 대해 yy 는 00 부터 xx 까지 변한다.
  • 2≤x≤2\sqrt{2}\le x\le 2 인 범위의 각 xx 에 대해 yy 는 00 부터 4−x2\sqrt{4-x^2} 까지 변한다.

따라서 적분은 다음과 같다.

J=∫02∫0xyxex2+y2 dy dx+∫22∫04−x2yxex2+y2 dy dxJ = \int_0^{\sqrt{2}}\int_0^x \frac{y}{x} e^{x^2+y^2}\ \mathrm{d}y\,\mathrm{d}x + \int_{\sqrt{2}}^2\int_0^{\sqrt{4-x^2}} \frac{y}{x} e^{x^2+y^2}\ \mathrm{d}y\,\mathrm{d}x

(c) 극좌표에서 직선 y=xy=x 는 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 이고, 원 x2+y2=4x^2+y^2=4 는 r=2r=2 이며, dx dy=r dr dθ\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y=r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이다. 따라서

J=∫0π/4dθ∫02dr rrsin⁡θrcos⁡θ⏞yxer2=∫0π/4dθ sin⁡θcos⁡θ[12er2]02=−12[e4−1]∫11/2du 1u여기서 u=cos⁡θ, du=−sin⁡θ dθ=−12[e4−1] [ln⁡∣u∣]11/2=14[e4−1]ln⁡2\begin{aligned} J&=\int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\int_0^2\mathrm{d}r\ r \overbrace{\frac{r\sin\theta}{r\cos\theta}}^{\frac{y}{x}}e^{r^2} \\ &=\int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\ \frac{\sin\theta}{\cos\theta} \left[\frac{1}{2} e^{r^2}\right]_0^2 \\ &=-\frac{1}{2}\left[e^4-1\right] \int_1^{1/\sqrt{2}}\mathrm{d}u\ \frac{1}{u} \qquad\text{여기서 }u=\cos\theta,\ \mathrm{d}u=-\sin\theta\,\mathrm{d}\theta \\ &=-\frac{1}{2}\left[e^4-1\right]\ \Big[\ln|u|\Big]_1^{1/\sqrt{2}} \\ &= \frac{1}{4}\left[e^4-1\right]\ln 2 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) On the domain of integration

  • yy runs from 00 to 2\sqrt{2} and
  • for each yy in that range, xx runs from yy to 4−y2\sqrt{4-y^2}. We can rewrite x=4−y2x=\sqrt{4-y^2} in the more familiar form x2+y2=4x^2+y^2=4, x≥0x\ge 0.

The figure on the left below provides a sketch of the domain of integration. It also shows the generic horizontal slice that was used to set up the given iterated integral.

figure

figure

(b) To reverse the order of integration observe, we use vertical, rather than horizontal slices. From the figure on the right above that, on the domain of integration,

  • xx runs from 00 to 22 and
  • for each xx in the range 0≤x≤20\le x\le\sqrt{2}, yy runs from 00 to xx.
  • for each xx in the range 2≤x≤2\sqrt{2}\le x\le 2, yy runs from 00 to 4−x2\sqrt{4-x^2}.

So the integral

J=∫02∫0xyxex2+y2 dy dx+∫22∫04−x2yxex2+y2 dy dxJ = \int_0^{\sqrt{2}}\int_0^x \frac{y}{x} e^{x^2+y^2}\ \mathrm{d}y\,\mathrm{d}x + \int_{\sqrt{2}}^2\int_0^{\sqrt{4-x^2}} \frac{y}{x} e^{x^2+y^2}\ \mathrm{d}y\,\mathrm{d}x

(c) In polar coordinates, the line y=xy=x is θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, the circle x2+y2=4x^2+y^2=4 is r=2r=2, and dx dy=r dr dθ\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y=r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta. So

J=∫0π/4dθ∫02dr rrsin⁡θrcos⁡θ⏞yxer2=∫0π/4dθ sin⁡θcos⁡θ[12er2]02=−12[e4−1]∫11/2du 1uwith u=cos⁡θ, du=−sin⁡θ dθ=−12[e4−1] [ln⁡∣u∣]11/2=14[e4−1]ln⁡2\begin{aligned} J&=\int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\int_0^2\mathrm{d}r\ r \overbrace{\frac{r\sin\theta}{r\cos\theta}}^{\frac{y}{x}}e^{r^2} \\ &=\int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\theta\ \frac{\sin\theta}{\cos\theta} \left[\frac{1}{2} e^{r^2}\right]_0^2 \\ &=-\frac{1}{2}\left[e^4-1\right] \int_1^{1/\sqrt{2}}\mathrm{d}u\ \frac{1}{u} \qquad\text{with }u=\cos\theta,\ \mathrm{d}u=-\sin\theta\,\mathrm{d}\theta \\ &=-\frac{1}{2}\left[e^4-1\right]\ \Big[\ln|u|\Big]_1^{1/\sqrt{2}} \\ &= \frac{1}{4}\left[e^4-1\right]\ln 2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 20번
# 극좌표 이중적분그래프·표 해석도전자동 분류
3.CLP-3 · 3.2절 · 22번대학 수준우리말 번역

제1팔분면에서 포물면 z=1−x2a2−y2b2z=1-\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2} 아래에 있는 영역의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the volume of the region in the first octant below the paraboloid z=1−x2a2−y2b2z=1-\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

포물면은 xyxy–평면과 x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2} +\frac{y^2}{b^2}=1 에서 만난다.

부피=∫0adx∫0b1−x2a2dy (1−x2a2−y2b2)=b∫0adx∫01−x2a2dv (1−x2a2−v2) 여기서 y=bv\begin{aligned} \text{부피} &=\int_0^a \mathrm{d}x\int_0^{b\sqrt{1-{x^2\over a^2}}} \mathrm{d}y\ \left(1-\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}\right) \\ &=b\int_0^a \mathrm{d}x\int_0^{\sqrt{1-{x^2\over a^2}}} \mathrm{d}v\ \left(1-\frac{x^2}{a^2}-v^2\right) \qquad\text{ 여기서 $y=bv$}\\ \end{aligned}

이 적분을 다음 꼴로 생각한다.

b∫0adx g(x)여기서g(x)=∫01−x2a2dv (1−x2a2−v2)\displaystyle b\int_0^a \mathrm{d}x\ g(x)\quad \text{여기서}\quad \displaystyle g(x)=\int_0^{\sqrt{1-{x^2\over a^2}}} \mathrm{d}v\ \left(1-\frac{x^2}{a^2}-v^2\right)

x=aux=au 로 치환하면,

부피=ab∫01du∫01−u2dv (1−u2−v2)=ab∬u2+v2≤1u,v≥0dudv (1−u2−v2)\begin{aligned} \text{부피} &=ab\int_0^1 \mathrm{d}u\int_0^{\sqrt{1-u^2}} \mathrm{d}v\ \big(1-u^2-v^2\big) \\ &=ab\iint _{u^2+v^2\le 1\atop u,v\ge 0} \mathrm{d}u \mathrm{d}v\ \big(1-u^2-v^2\big) \end{aligned}

이제 u=rcos⁡θu=r\cos\theta, v=rsin⁡θv=r\sin\theta 를 이용하여 극좌표로 바꾼다.

부피=ab∫01dr∫0π2dθ r(1−r2)=ab π2 [r22−r44]01=π8ab\begin{aligned} \text{부피} &=ab\int_0^1 \mathrm{d}r\int_0^{\pi\over 2} \mathrm{d}\theta\ r\big(1-r^2\big) =ab\ \frac{\pi}{2}\ \left[\frac{r^2}{2}-\frac{r^4}{4}\right]_0^1 =\frac{\pi}{8}ab \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The paraboloid hits the xyxy–plane at x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2} +\frac{y^2}{b^2}=1.

Volume=∫0adx∫0b1−x2a2dy (1−x2a2−y2b2)=b∫0adx∫01−x2a2dv (1−x2a2−v2) where y=bv\begin{aligned} \text{Volume} &=\int_0^a \mathrm{d}x\int_0^{b\sqrt{1-{x^2\over a^2}}} \mathrm{d}y\ \left(1-\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}\right) \\ &=b\int_0^a \mathrm{d}x\int_0^{\sqrt{1-{x^2\over a^2}}} \mathrm{d}v\ \left(1-\frac{x^2}{a^2}-v^2\right) \qquad\text{ where $y=bv$}\\ \end{aligned}

Think of this integral as being of the form

b∫0adx g(x)withg(x)=∫01−x2a2dv (1−x2a2−v2)\displaystyle b\int_0^a \mathrm{d}x\ g(x)\quad \text{with}\quad \displaystyle g(x)=\int_0^{\sqrt{1-{x^2\over a^2}}} \mathrm{d}v\ \left(1-\frac{x^2}{a^2}-v^2\right)

Then, substituting x=aux=au,

Volume=ab∫01du∫01−u2dv (1−u2−v2)=ab∬u2+v2≤1u,v≥0dudv (1−u2−v2)\begin{aligned} \text{Volume} &=ab\int_0^1 \mathrm{d}u\int_0^{\sqrt{1-u^2}} \mathrm{d}v\ \big(1-u^2-v^2\big) \\ &=ab\iint _{u^2+v^2\le 1\atop u,v\ge 0} \mathrm{d}u \mathrm{d}v\ \big(1-u^2-v^2\big) \end{aligned}

Now switch to polar coordinates using u=rcos⁡θu=r\cos\theta, v=rsin⁡θv=r\sin\theta.

Volume=ab∫01dr∫0π2dθ r(1−r2)=ab π2 [r22−r44]01=π8ab\begin{aligned} \text{Volume} &=ab\int_0^1 \mathrm{d}r\int_0^{\pi\over 2} \mathrm{d}\theta\ r\big(1-r^2\big) =ab\ \frac{\pi}{2}\ \left[\frac{r^2}{2}-\frac{r^4}{4}\right]_0^1 =\frac{\pi}{8}ab \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 24번
# 극좌표 이중적분활용도전자동 분류
4.CLP-3 · 3.2절 · 23번대학 수준우리말 번역

대칭인 커피 퍼컬레이터는 가득 채우면 24컵이 들어간다. 내부는 단면이 원형이며, 가운데에서 반지름이 3"이고 밑면과 윗면에서 반지름이 2"로 가늘어지는데, 밑면과 윗면 사이의 거리는 12"이다. 겉면은 포물선 모양이다. 6컵 수위를 나타내는 눈금은 어디에 표시해야 하는가?

그림

영어 원문 보기

A symmetrical coffee percolator holds 24 cups when full. The interior has a circular cross-section which tapers from a radius of 3" at the centre to 2" at the base and top, which are 12" apart. The bounding surface is parabolic. Where should the mark indicating the 6 cup level be placed?

figure

정답·풀이 보기

r(z)r(z) 를 항아리의 가운데로부터 높이 zz 에서의 반지름이라 하자. 항아리의 겉면이 포물선이므로 r(z)r(z) 는 zz 에 대한 이차함수이어야 하고, z=0z=0 에서 33, z=±6z=\pm 6 에서 22 의 값을 갖는다. 즉 r(z)r(z) 는 r(z)=az2+bz+cr(z)=az^2+bz+c 꼴이어야 한다. r(0)=3r(0)=3 이라는 조건에서 c=3c=3 이다. r(±6)=2r(\pm 6)=2 라는 조건에서

62a+6b+3=262a−6b+3=2\begin{aligned} 6^2a + 6b + 3 &=2 \\ 6^2a - 6b + 3 &=2 \end{aligned}

이므로 b=0b=0 이고 62a=−16^2a=-1 이어서 a=−162a=-\frac{1}{6^2} 이다. 따라서 r(z)=3−(z6)2r(z)=3-\big(\frac{z}{6}\big)^2 이다.

항아리를 수평으로 얇게 자르면, 높이 zz 에서의 조각은 반지름이 r(z)r(z) 이고 두께가 dz\mathrm{d}z 인 원판이므로 부피는 πr(z)2dz\pi r(z)^2\mathrm{d}z 이다. 높이 z0z_0 까지의 부피는

V(z)=∫−6z0dz πr(z)2=∫−6z0dz π[3−z236]2=π[9z−z318+z55×362]−6z0\begin{aligned} V(z) &=\int_{-6}^{z_0} \mathrm{d}z\ \pi r(z)^2 =\int_{-6}^{z_0} \mathrm{d}z\ \pi\left[3-\frac{z^2}{36}\right]^2 =\pi\left[9z-\frac{z^3}{18}+\frac{z^5}{5\times36^2}\right]_{-6}^{z_0}\\ \end{aligned}

이다. 눈금은 6컵 수위에 있어야 하고 항아리에는 24컵이 들어가므로, 눈금은 부피 V(z0)V(z_0) 가 전체 부피 V(6)V(6) 의 4분의 1이 되는 높이 z0z_0 에 있어야 한다. 즉 V(z0)=14V(6)V(z_0)=\frac{1}{4} V(6) 이 되도록 z0z_0 를 정해야 하므로

π[9z−z318+z55×362]−6z0=π4[9z−z318+z55×362]−66=π2[9×6−6318+655×362]\pi\left[9z-\frac{z^3}{18}+\frac{z^5}{5\times36^2}\right]_{-6}^{z_0} =\frac{\pi}{4}\left[9z-\frac{z^3}{18}+\frac{z^5}{5\times36^2}\right]_{-6}^{6} =\frac{\pi}{2}\left[9\times 6-\frac{6^3}{18}+\frac{6^5}{5\times36^2}\right]

또는

9z0−z0318+z055×362=−12[9×6−6318+655×362]=−21.609z_0-\frac{z_0^3}{18}+\frac{z_0^5}{5\times36^2} =-\frac{1}{2}\left[9\times 6-\frac{6^3}{18}+\frac{6^5}{5\times36^2}\right] =-21.60

이다. [9z0−z0318+z056480]z0=−2.495=−21.61\Big[9z_0-\frac{z_0^3}{18}+\frac{z_0^5}{6480}\Big]_{z_0=-2.495}=-21.61 이고 [9z0−z0318+z056480]z0=−2.490=−21.57\Big[9z_0-\frac{z_0^3}{18}+\frac{z_0^5}{6480}\Big]_{z_0=-2.490}=-21.57 이므로, 해는 z0=−2.49z_0=-2.49 (소수 둘째 자리까지)이다. 눈금은 바닥에서 위로 약 3.5”에 표시해야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

Let r(z)r(z) be the radius of the urn at height zz above its middle. Because the bounding surface of the urn is parabolic, r(z)r(z) must be a quadratic function of zz that varies between 33 at z=0z=0 and 22 at z=±6z=\pm 6. That is, r(z)r(z) must be of the form r(z)=az2+bz+cr(z)=az^2+bz+c. The condition that r(0)=3r(0)=3 tells us that c=3c=3. The conditions that r(±6)=2r(\pm 6)=2 tells us that

62a+6b+3=262a−6b+3=2\begin{aligned} 6^2a + 6b + 3 &=2 \\ 6^2a - 6b + 3 &=2 \end{aligned}

So b=0b=0 and 62a=−16^2a=-1 so that a=−162a=-\frac{1}{6^2}. All together r(z)=3−(z6)2r(z)=3-\big(\frac{z}{6}\big)^2.

Slice the urn into horzontal slices, with the slice at height zz a disk of radius r(z)r(z) and thickness dz\mathrm{d}z and hence of volume πr(z)2dz\pi r(z)^2\mathrm{d}z. The volume to height z0z_0 is

V(z)=∫−6z0dz πr(z)2=∫−6z0dz π[3−z236]2=π[9z−z318+z55×362]−6z0\begin{aligned} V(z) &=\int_{-6}^{z_0} \mathrm{d}z\ \pi r(z)^2 =\int_{-6}^{z_0} \mathrm{d}z\ \pi\left[3-\frac{z^2}{36}\right]^2 =\pi\left[9z-\frac{z^3}{18}+\frac{z^5}{5\times36^2}\right]_{-6}^{z_0}\\ \end{aligned}

We are told that the mark is to be at the 6 cup level and that the urn holds 24 cups. So the mark is to be at the height z0z_0 for which the volume, V(z0)V(z_0), is one quarter of the total volume, V(6)V(6). That is, we are to choose z0z_0 so that V(z0)=14V(6)V(z_0)=\frac{1}{4} V(6) or

π[9z−z318+z55×362]−6z0=π4[9z−z318+z55×362]−66=π2[9×6−6318+655×362]\pi\left[9z-\frac{z^3}{18}+\frac{z^5}{5\times36^2}\right]_{-6}^{z_0} =\frac{\pi}{4}\left[9z-\frac{z^3}{18}+\frac{z^5}{5\times36^2}\right]_{-6}^{6} =\frac{\pi}{2}\left[9\times 6-\frac{6^3}{18}+\frac{6^5}{5\times36^2}\right]

or

9z0−z0318+z055×362=−12[9×6−6318+655×362]=−21.609z_0-\frac{z_0^3}{18}+\frac{z_0^5}{5\times36^2} =-\frac{1}{2}\left[9\times 6-\frac{6^3}{18}+\frac{6^5}{5\times36^2}\right] =-21.60

Since [9z0−z0318+z056480]z0=−2.495=−21.61\Big[9z_0-\frac{z_0^3}{18}+\frac{z_0^5}{6480}\Big]_{z_0=-2.495}=-21.61 and [9z0−z0318+z056480]z0=−2.490=−21.57\Big[9z_0-\frac{z_0^3}{18}+\frac{z_0^5}{6480}\Big]_{z_0=-2.490}=-21.57, there is a solution z0=−2.49z_0=-2.49 (to two decimal places). The mark should be about 3.5” above the bottom.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 22번
# 극좌표 이중적분그래프·표 해석도전자동 분류
5.CLP-3 · 3.2절 · 24번대학 수준우리말 번역

곡면 SS 가 z=ex2+y2z=e^{x^2+y^2} 로 주어져 있다고 하자.

(a) xyxy평면에서 원판 x2+y2≤9x^2+y^2\le 9 의 위쪽, 곡면 SS 의 아래쪽에 있는 부피를 계산하세요. (b) xyxy평면의 어떤 영역 RR 의 위쪽, 곡면 SS 의 아래쪽에 있는 부피가 다음과 같습니다.

∫01(∫0yex2+y2 dx)dy+∫12(∫02−yex2+y2 dx)dy\int_0^1\bigg(\int_0^y e^{x^2+y^2}\,\mathrm{d}x\bigg)\mathrm{d}y +\int_1^2\bigg(\int_0^{2-y} e^{x^2+y^2}\,\mathrm{d}x\bigg)\mathrm{d}y

RR 을 그리고, 적분 순서를 바꾸어 이 부피를 하나의 반복적분으로 나타내세요. (b)에서는 두 적분 중 어느 것도 계산하지 마세요.

영어 원문 보기

Consider the surface SS given by z=ex2+y2z=e^{x^2+y^2}.

(a) Compute the volume under SS and above the disk x2+y2≤9x^2+y^2\le 9 in the xyxy-plane. (b) The volume under SS and above a certain region RR in the xyxy-plane is

∫01(∫0yex2+y2 dx)dy+∫12(∫02−yex2+y2 dx)dy\int_0^1\bigg(\int_0^y e^{x^2+y^2}\,\mathrm{d}x\bigg)\mathrm{d}y +\int_1^2\bigg(\int_0^{2-y} e^{x^2+y^2}\,\mathrm{d}x\bigg)\mathrm{d}y

Sketch RR and express the volume as a single iterated integral with the order of integration reversed. Do not compute either integral in part (b).

정답·풀이 보기

(a) 극좌표에서 밑면의 영역 x2+y2≤9x^2+y^2\le 9 는 r≤3r\le 3, 0≤θ≤2π0\le\theta\le 2\pi 이다. 따라서

Volume=∬x2+y2≤9ex2+y2 dxdy=∫03dr∫02πdθ rer2=2π∫03dr rer2=πer2∣03=π(e9−1)≈25,453\begin{aligned} \text{Volume} &=\iint _{x^2+y^2\le 9} e^{x^2+y^2}\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y =\int_0^3 \mathrm{d}r\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ r e^{r^2} =2\pi\int_0^3\mathrm{d}r\ r e^{r^2} =\pi e^{r^2}\Big|_0^3 \\ &=\pi\big(e^9-1\big)\approx 25,453 \end{aligned}

(b) 두 적분의 정의역은 다음과 같다.

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

이 두 정의역의 합집합(과 주어진 두 적분을 세울 때 사용한 가로 띠)을 아래 왼쪽 그림에 나타내었다.

그림

그림

적분 순서를 바꾸기 위해, 위 오른쪽 그림과 같이 세로 띠를 이용하여 정의역을 나눈다.

  • xx 는 00 에서 11 까지 변하고,
  • 00 과 11 사이의 각 고정된 xx 에 대해 yy 는 xx 에서 2−x2-x 까지 변한다.

따라서

Volume=∫01dx∫x2−xdy ex2+y2\text{Volume}=\int_0^1 \mathrm{d}x\int_x^{2-x}\mathrm{d}y\ e^{x^2+y^2}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) In polar coordinates, the base region x2+y2≤9x^2+y^2\le 9 is r≤3r\le 3, 0≤θ≤2π0\le\theta\le 2\pi. So the

Volume=∬x2+y2≤9ex2+y2 dxdy=∫03dr∫02πdθ rer2=2π∫03dr rer2=πer2∣03=π(e9−1)≈25,453\begin{aligned} \text{Volume} &=\iint _{x^2+y^2\le 9} e^{x^2+y^2}\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y =\int_0^3 \mathrm{d}r\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ r e^{r^2} =2\pi\int_0^3\mathrm{d}r\ r e^{r^2} =\pi e^{r^2}\Big|_0^3 \\ &=\pi\big(e^9-1\big)\approx 25,453 \end{aligned}

(b) The two integrals have domains

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

The union of those two domains (as well as horizontal strips that were used in setting up the two given integrals) is sketched in the figure on the left below.

figure

figure

To reverse the order of integration, we decompose the domain using vertical strips as in the figure on the right above. As

  • xx runs from 00 to 11 and
  • for each fixed xx between 00 and 11, yy runs from xx to 2−x2-x.

we have that the

Volume=∫01dx∫x2−xdy ex2+y2\text{Volume}=\int_0^1 \mathrm{d}x\int_x^{2-x}\mathrm{d}y\ e^{x^2+y^2}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.3절 · 32번
# 극좌표 이중적분그래프·표 해석도전자동 분류