유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
97문제 · 5 / 5쪽
81.CLP-3 · 3.2절 · 8번대학 수준우리말 번역
구 x2+y2+z2=2 의 안쪽에 있고 포물면 z=x2+y2 의 위쪽에 있는 부분의 부피를 구하세요.
영어 원문 보기
Find the volume lying inside the sphere x2+y2+z2=2
and above the paraboloid z=x2+y2.
정답·풀이 보기
위쪽 곡면 x2+y2+z2=2 와 아래쪽 곡면 z=x2+y2 은 z 가 x2+y2=z=2−z2 을 만족할 때 만난다. 즉 0=z2+z−2=(z−1)(z+2) 일 때이다. 근 z=−2 는 z=x2+y2≥0 과 모순이다. 따라서 위쪽 곡면과 아래쪽 곡면은 원 z=1, x2+y2=1 에서 만난다.
극좌표에서 위쪽 곡면은 z2=2−r2, 곧 z=2−r2 이고, 아래쪽 곡면은 z=r2 이다. 따라서 극좌표가 (r,θ) 인 점 위쪽에 있는 입체의 높이는 2−r2−r2 이므로
y 에 대한 적분은 치환 y=2−x2cost 를 써서 계산할 수 있지만, 극좌표를 쓰는 편이 더 쉽다.
원본 교재 풀이(영어)
The top surface x2+y2+z2=2 meets the bottom surface
z=x2+y2 when z obeys x2+y2=z=2−z2. That is, when
0=z2+z−2=(z−1)(z+2). The root z=−2 is inconsistent with
z=x2+y2≥0. So the top and bottom surfaces meet at the circle
z=1, x2+y2=1.
In polar coordinates, the top surface is z2=2−r2, or equivalently
z=2−r2, and the bottom surface is z=r2. So the height of the volume
above the point with polar coordinates (r,θ) is
2−r2−r2 and
a>0 이라 하자. 원기둥 x2+(y−a)2=a2 의 안쪽에 있고 원뿔 z2=x2+y2 의 위쪽 절반과 아래쪽 절반 사이에 있는 부분의 부피를 구하세요.
영어 원문 보기
Let a>0.
Find the volume lying inside the cylinder x2+(y−a)2=a2
and between the upper and lower halves of the cone z2=x2+y2.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
이 영역에서 x 와 y 는 원기둥 x2+(y−a)2=a2 의 내부 전체를 움직인다. 원기둥 안의 각 (x,y) 에 대해 z 는 −x2+y2 에서 x2+y2 까지 움직인다. x2+(y−a)2=a2 은 x2+y2−2ay=0 일 필요충분조건이므로, 원기둥의 방정식은 극좌표에서 r2=2arsinθ, 곧 r=2asinθ 이다.
따라서 (r,θ) 는 0≤θ≤π,0≤r≤2asinθ 를 움직이고, 이 영역의 각 (r,θ) 에 대해 z 는 −r 에서 r 까지 움직인다. x→−x 에 대한 대칭성에 의해 부피는
For this region x and y run over the interior of the
cylinder x2+(y−a)2=a2. For each (x,y) inside the
cylinder, z runs from −x2+y2 to x2+y2.
As x2+(y−a)2=a2 if and only if x2+y2−2ay=0, the cylinder
has equation r2=2arsinθ, or equivalently, r=2asinθ,
in polar coordinates.
Thus (r,θ) runs over 0≤θ≤π,0≤r≤2asinθ and for each (r,θ) in this region z runs from
−r to r. By symmetry under x→−x,
the volume is
Volume=2∫02πdθ∫02asinθdrr[r−(−r)]=4∫02πdθ∫02asinθdrr2=34∫02πdθ(2asinθ)3=332a3∫02πdθsinθ(1−cos2θ)=−332a3∫10dt(1−t2) where t=cosθ=−332a3[t−3t3]10=964a3
a>0 이라 하자.
두 원기둥 x2+y2≤2ax 와
z2≤2ax 의 공통부분의 부피를 구하세요.
영어 원문 보기
Let a>0.
Find the volume common to the cylinders x2+y2≤2ax and
z2≤2ax.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
아래 그림은 주어진 입체를 위에서 본 모양이다.
(x,y) 는 원 x2+y2=2ax 의 내부 전체를 움직인다. 이 원판 안의 각 고정된
(x,y) 에 대해 z 는 −2ax 에서 +2ax 까지 움직인다. 극좌표에서
이 원은 r2=2arcosθ 또는 r=2acosθ 이다.
이 입체는
y→−y 와 z→−z 에 대해 대칭이므로
y≥0, z≥0 인 부분만 생각하고 4를 곱하면 된다. 부피는
The figure below shows the top view of the specified solid.
(x,y) runs over the interior of the circle x2+y2=2ax. For each fixed
(x,y) in this disk, z runs from −2ax to +2ax. In polar
coordinates, the circle is r2=2arcosθ or r=2acosθ.
The solid
is symmetric under y→−y and z→−z, so we can restrict
to y≥0, z≥0 and multiply by 4. The volume is
Volume=4∫02πdθ∫02acosθdrr2arcosθ=4∫02πdθ2acosθ52r5/202acosθ=58∫02πdθ(2acosθ)3=564a3∫02πdθcosθ(1−sin2θ)=564a3∫01dt(1−t2) where t=sinθ=564a3[t−3t3]01=15128a3
부등식
x2+y2≤2y 와 0≤z≤x2+y2 으로 주어진 3차원 영역 E 를 생각하세요.
(a) 3차원에서 E 의 그림을 꽤 정확하게 그리세요.
좌표축에 단위를 반드시 나타내세요.
(b) 극좌표를 사용하여 E 의 부피를 구하세요. 이 문제를 원기둥좌표로 풀면
"극좌표를 사용"하는 것임에 유의하세요.
힌트:∫sinnudu=−n1sinn−1ucosu+nn−1∫sinn−2udu
영어 원문 보기
Consider the region E in 3–dimensions specified by the inequalities
x2+y2≤2y and 0≤z≤x2+y2.
(a) Draw a reasonably accurate picture of E in 3–dimensions.
Be sure to show the units on the coordinate axes.
(b) Use polar coordinates to find the volume of E. Note that you will
be “using polar coordinates” if you solve this problem
by means of cylindrical coordinates.
Hint:∫sinnudu=−n1sinn−1ucosu+nn−1∫sinn−2udu
정답·풀이 보기
(a)
식 x2+y2≤2y 는 식 x2+(y−1)2=1 과 같은 영역을 나타내며, 이 식은 z=z0 인 단면이 x=0, y=1, z=z0 를 중심으로 하는 반지름이 1 인 수평 원인 원기둥의 방정식이다. 이 원기둥 중 제1팔분공간에 있는 부분을 아래 왼쪽 그림에 나타냈다.
z≤x2+y2 은 꼭짓점이 (0,0,0) 이고 축이 양의 z축이며, 높이 z=2 에서의 반지름이 2 인 원뿔의 방정식이다.
이 원뿔 중 제1팔분공간에 있는 부분을 아래 오른쪽 그림에 나타냈다.
영역 E 는 원기둥 중에서 (z≥0 이므로) xy평면 위에 있고 (z≤x2+y2 이므로) 원뿔 바깥에 있는 부분이다.
E 중 제1팔분공간에 있는 부분을 아래 그림에 빨간색으로 윤곽을 그려 나타냈다. x2+y2≤2y 와 0≤z≤x2+y2 은 모두 x→−x 에 대해 변하지 않는다. 따라서 E 도 x→−x 에 대해 변하지 않는다. 즉, E 는 yz평면에 대해 대칭이며, x≤0, y≥0, z≥0 인 팔분공간에 E 의 제1팔분공간 부분의 거울상을 포함한다.
(b) 극좌표에서 x2+y2≤2y 는 다음과 같이 된다.
r2≤2rsinθ⟺r≤2sinθ
E 중 제1팔분공간에 있는 부분의 밑면 영역(즉, 위 그림에서 색칠한 영역)을 D 라 하자. D 를 xy평면의 일부로 생각한다. 극좌표에서 D 위에서는
The equation x2+y2≤2y is equivalent to the
equation x2+(y−1)2=1, which is the equation of the cylinder whose
z=z0 cross–section is the horizontal circle of radius 1, centred on
x=0, y=1, z=z0. The part of this cylinder in the first octant is
sketched in the figure on the left below.
z≤x2+y2 is the equation of the cone with vertex (0,0,0),
and axis the positive z–axis, whose radius at height z=2 is 2.
The part of this cone in the first octant is sketched in the figure
on the right below.
The region E is the part of the cylinder that is above the
xy–plane (since z≥0) outside the cone (since z≤x2+y2).
The part of E that is in the first octant is outlined in red in the
figure below. Both x2+y2≤2y and 0≤z≤x2+y2
are invariant under x→−x. So E is also invariant
under x→−x. That is, E is symmetric about the yz–plane
and contains, in the octant x≤0, y≥0, z≥0, a mirror
image of the first octant part of E.
(b) In polar coordinates, x2+y2≤2y becomes
r2≤2rsinθ⟺r≤2sinθ
Let us denote by D the base region of the part of E in the first
octant (i.e. the shaded region in the figure above). Think of D as being
part of the xy–plane. In polar coordinates, on D
θ runs from 0 to 2π. (Recall that D is
contained in the first quadrant.)
For each θ in that range, r runs from 0 to 2sinθ.
Because
in polar coordinates dA=rdrdθ, and
the height of E above each point (x,y) in D is x2+y2,
or, in polar coordinates, r, and
the volume of E is twice the volume of the part of E in the first octant,
We'll use polar coordinates. The domain of integration is
R2={(rcosθ,rsinθ)0≤r<∞,0≤θ≤2π}
The given integral is improper, so we'll start by integrating r from 0
to an arbitrary R>0, and then we'll take the limit R→∞.
In polar coordinates, the integrand
(1+x2+y2)21=(1+r2)21, and
dA=rdrdθ, so
For each fixed y in that range, x runs from 3y to
4−y2. In inequalities, that is 3y≤x≤4−y2.
Note that the inequalities x≤4−y2, x≥0 are equivalent to
x2+y2≤4, x≥0.
Note that the line x=3y and the circle x2+y2≤4
intersect when 3y2+y2=4, i.e. y=±1.
Here is a sketch.
(b)
In polar coordinates, the circle x2+y2=4 is r=2 and the
line x=3y, i.e. xy=31,
is tanθ=31 or θ=6π.
As dxdy=rdrdθ,
the domain of integration is
xy–평면에서 원판 x2+y2≤2x 를 직선 y=x 로 2 개의 조각으로 자른다. 그중 더 큰 조각을 D 라 하자.
(a) 주어진 원판의 중심과 반지름을 정확하게 나타내어 D 를 그리세요. 그런 다음 D 를 극좌표 (r,θ) 로 나타내세요.
(b) z=x2+y2 의 아래쪽, D 의 위쪽에 있는 입체의 부피를 구하세요.
영어 원문 보기
In the xy–plane, the disk x2+y2≤2x is cut into 2 pieces
by the line y=x. Let D be the larger piece.
(a) Sketch D including an accurate description of the center and radius
of the given disk. Then describe D in polar coordinates (r,θ).
(b) Find the volume of the solid below z=x2+y2 and above D.
정답·풀이 보기
(a) 부등식 x2+y2≤2x 는 (x−1)2+y2≤1 과 같고, (x,y) 가 (1,0) 을 중심으로 하는 반지름 1 인 원판의 내부에 있음을 뜻한다. 그림은 다음과 같다.
극좌표에서 x=rcosθ, y=rsinθ 이므로
직선 y=x 는 θ=4π 이고
원 x2+y2=2x 는
D 를 그림에서 색칠한 영역이라 하자. D 에 속한 점들의 원점으로부터의 평균 거리를 구하세요. 모든 자연수 n≥2 에 대해
∫cosn(x)dx=ncosn−1(x)sin(x)+nn−1∫cosn−2(x)dx
임을 이용해도 됩니다.
영어 원문 보기
Let D be the shaded region in the diagram. Find the average
distance of points in D from the origin. You may use that
∫cosn(x)dx=ncosn−1(x)sin(x)+nn−1∫cosn−2(x)dx
for all natural numbers n≥2.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
극좌표를 사용한다. D 에서
θ 는 0 부터 2π 까지 변하고,
0 과 2π 사이의 각 고정된 θ 에 대해 r 는 1 부터 1+cos(θ) 까지 변한다.
(a) 영역 G 의 그래프를 그리세요.
(b) 적분 ∬Gf(x,y)dA 를
반복적분 ∬f(x,y)dxdy 의 합으로 나타내세요.
(c) 적분 ∬Gf(x,y)dA 를
x=rcos(θ), y=rsin(θ) 인 극좌표 (r,θ) 에서의 반복적분으로 나타내세요.
영어 원문 보기
Let G be the region in R2 given by
x2+y2≤10≤x≤2yy≤2x
(a) Sketch the region G.
(b) Express the integral ∬Gf(x,y)dA
a sum of iterated integrals ∬f(x,y)dxdy.
(c) Express the integral ∬Gf(x,y)dA
as an iterated integral in polar coordinates (r,θ) where x=rcos(θ) and
y=rsin(θ).
정답·풀이 보기
(a) 다음에 주목한다.
조건 x2+y2≤1 은 G 를 원점을 중심으로 하는 반지름이 1 인 원의 내부로 제한한다.
조건 0≤x≤2y 는 G 를 x≥0, y≥0 인 부분, 즉 제1사분면으로 제한한다.
조건 x≤2y 와 y≤2x 는 2x≤y≤2x 로 제한한다.
따라서 G 는 (가파른) 직선 y=2x 의 아래쪽에 있고, (가파르지 않은) 직선 y=2x 의 위쪽에 있다.
다음은 G 의 그래프이다.
(b) 직선 y=2x 는 원 x2+y2=1 과 다음을 만족하는 점 (x,y) 에서 만난다.
x2+(2x)2=x2+y2=1⟹5x2=1
또한 직선 x=2y 는 원 x2+y2=1 과 다음을 만족하는 점 (x,y) 에서 만난다.
(2y)2+y2=x2+y2=1⟹5y2=1
따라서 제1팔분면에서 y=2x 와 x2+y2=1 의 교점은
(51,52) 이고,
제1팔분면에서 x=2y 와 x2+y2=1 의 교점은
(52,51) 이다.
다음 그림과 같이 가로 띠를 이용하여 반복적분을 세운다.
이 그림을 보면 G 위에서
y 는 0 에서 52 까지 변하고,
0 과 51 사이의 각 고정된 y 에 대해
x 는 2y 에서 2y 까지 변하고,
51 과 52 사이의 각 고정된 y 에 대해
x 는 2y 에서 1−y2 까지 변한다.
the condition x2+y2≤1 restricts G to the interior of the
circle of radius 1 centred on the origin, and
the conditions 0≤x≤2y restricts G to x≥0, y≥0,
i.e. to the first quadrant, and
the conditions x≤2y and y≤2x restrict 2x≤y≤2x.
So G lies below the (steep) line y=2x and lies above the (not steep)
line y=2x.
Here is a sketch of G
(b) Observe that the line y=2x crosses the circle x2+y2=1 at
a point (x,y) obeying
x2+(2x)2=x2+y2=1⟹5x2=1
and that the line x=2y crosses the circle x2+y2=1 at
a point (x,y) obeying
(2y)2+y2=x2+y2=1⟹5y2=1
So the intersection point of y=2x and x2+y2=1 in the first octant
is (51,52) and
the intersection point of x=2y and x2+y2=1 in the first octant
is (52,51).
We'll set up the iterated integral using horizontal strips as in the
sketch
Looking at that sketch, we see that, on G,
y runs from 0 to 52, and
for each fixed y between 0 and 51,
x runs from 2y to 2y, and
for each fixed y between 51 and 52x runs from 2y to 1−y2.
for each y in that range, x runs from y to 4−y2.
We can rewrite x=4−y2 in the more familiar form x2+y2=4,
x≥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.
(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,
x runs from 0 to 2 and
for each x in the range 0≤x≤2, y runs from 0
to x.
for each x in the range 2≤x≤2, y runs from 0
to 4−x2.
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?
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?
정답·풀이 보기
r(z) 를 항아리의 가운데로부터 높이 z 에서의 반지름이라 하자.
항아리의 겉면이 포물선이므로 r(z) 는 z 에 대한 이차함수이어야 하고, z=0 에서 3, z=±6 에서 2 의 값을 갖는다. 즉 r(z) 는 r(z)=az2+bz+c 꼴이어야 한다.
r(0)=3 이라는 조건에서 c=3 이다. r(±6)=2 라는 조건에서
62a+6b+362a−6b+3=2=2
이므로 b=0 이고 62a=−1 이어서 a=−621 이다.
따라서 r(z)=3−(6z)2 이다.
항아리를 수평으로 얇게 자르면, 높이 z 에서의 조각은 반지름이 r(z) 이고 두께가 dz 인 원판이므로 부피는 πr(z)2dz 이다. 높이 z0 까지의 부피는
이다. [9z0−18z03+6480z05]z0=−2.495=−21.61 이고
[9z0−18z03+6480z05]z0=−2.490=−21.57 이므로,
해는 z0=−2.49 (소수 둘째 자리까지)이다. 눈금은
바닥에서 위로 약 3.5”에 표시해야 한다.
원본 교재 풀이(영어)
Let r(z) be the radius of the urn at height z above its middle.
Because the bounding surface of the urn is parabolic, r(z) must be a
quadratic function of z that varies between 3 at z=0 and 2 at z=±6. That is, r(z) must be of the form r(z)=az2+bz+c.
The condition that r(0)=3 tells us that c=3. The conditions that
r(±6)=2 tells us that
62a+6b+362a−6b+3=2=2
So b=0 and 62a=−1 so that a=−621.
All together r(z)=3−(6z)2.
Slice
the urn into horzontal slices, with the slice at height z a disk of radius
r(z) and thickness dz and hence of volume πr(z)2dz. The volume
to height z0 is
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 z0 for which the volume, V(z0),
is one quarter of the total volume, V(6).
That is, we are to choose z0 so that V(z0)=41V(6) or
Since [9z0−18z03+6480z05]z0=−2.495=−21.61
and [9z0−18z03+6480z05]z0=−2.490=−21.57,
there is a solution z0=−2.49 (to two decimal places). The mark should
be about 3.5” above the bottom.
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.
To reverse the order of integration, we decompose the domain using vertical
strips as in the figure on the right above. As
x runs from 0 to 1 and
for each fixed x between 0 and 1, y runs from x to 2−x.