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.

17문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 3권 · 5.3절 · 2번대학 수준우리말 번역

DD는 원점을 중심으로 하는 반지름이 44인 원과 반지름이 55인 원 사이의 영역 중 제2사분면에 놓인 영역이다.

영어 원문 보기

DD is the region between the circles of radius 44 and radius 55 centered at the origin that lies in the second quadrant.

정답·풀이 보기

D={(r,θ)∣4≤r≤5,π2≤θ≤π}D=\{(r,\theta )|4\le r\le 5,\frac{\pi }{2}\le \theta \le \pi \}

원본 교재 풀이(영어)

D={(r,θ)∣4≤r≤5,π2≤θ≤π}D=\{(r,\theta )|4\le r\le 5,\frac{\pi }{2}\le \theta \le \pi \}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.3절 · 8번
# 극좌표 이중적분활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.OpenStax 3권 · 5.3절 · 32번대학 수준우리말 번역

극축과 심장형 곡선 r=1+cos⁡ θr=1+\cos \,\theta 의 위쪽 절반으로 둘러싸인 영역 DD 의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of the region DD bounded by the polar axis and the upper half of the cardioid r=1+cos⁡ θ.r=1+\cos \,\theta .

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3π4\frac{3\pi }{4}

원본 교재 풀이(영어)

3π4\frac{3\pi }{4}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.3절 · 42번
# 극좌표 이중적분활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.OpenStax 3권 · 5.3절 · 35번대학 수준우리말 번역

y=4−x2,y=\sqrt{4-{x}^{2}}, x=3,x=\sqrt{3}, x=2,x=2, y=0y=0 으로 유계인 영역 DD 의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of the region D,D, which is the region bounded by y=4−x2,y=\sqrt{4-{x}^{2}}, x=3,x=\sqrt{3}, x=2,x=2, and y=0.y=0.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.3절 · 12번
# 극좌표 이중적분활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.OpenStax 3권 · 5.3절 · 36번대학 수준우리말 번역

원판 x2+y2≤4{x}^{2}+{y}^{2}\le 4 의 내부이면서 직선 x=1x=1 의 오른쪽에 있는 영역 DD 의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of the region D,D, which is the region inside the disk x2+y2≤4{x}^{2}+{y}^{2}\le 4 and to the right of the line x=1.x=1.

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13(4π−33)\frac{1}{3}\left(4\pi -3\sqrt{3}\right)

원본 교재 풀이(영어)

13(4π−33)\frac{1}{3}\left(4\pi -3\sqrt{3}\right)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.3절 · 24번
# 극좌표 이중적분활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.OpenStax 3권 · 5.3절 · 39번대학 수준우리말 번역

제1팔분공간에 놓여 있고 포물면 z=1−4x2−4y2z=1-4{x}^{2}-4{y}^{2} 과 평면 x=0,y=0x=0,y=0, 및 z=0z=0 으로 둘러싸인 입체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the volume of the solid situated in the first octant and bounded by the paraboloid z=1−4x2−4y2z=1-4{x}^{2}-4{y}^{2} and the planes x=0,y=0,x=0,y=0, and z=0.z=0.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.3절 · 18번
# 극좌표 이중적분활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.OpenStax 3권 · 5.3절 · 40번대학 수준우리말 번역

포물면 z=2−9x2−9y2z=2-9{x}^{2}-9{y}^{2} 과 평면 z=1z=1 로 둘러싸인 입체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the volume of the solid bounded by the paraboloid z=2−9x2−9y2z=2-9{x}^{2}-9{y}^{2} and the plane z=1.z=1.

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π18\frac{\pi }{18}

원본 교재 풀이(영어)

π18\frac{\pi }{18}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.3절 · 36번
# 극좌표 이중적분활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.OpenStax 3권 · 5.3절 · 41번대학 수준우리말 번역

a. 원기둥 x2+y2=1{x}^{2}+{y}^{2}=1 과 평면 z=0z=0 및 z=1z=1 로 둘러싸인 입체 S1{S}_{1} 의 부피를 구하세요. b. 쌍뿔면 z2=x2+y2{z}^{2}={x}^{2}+{y}^{2} 의 바깥쪽, 원기둥 x2+y2=1{x}^{2}+{y}^{2}=1 의 안쪽, 평면 z=0z=0 의 위쪽에 있는 입체 S2{S}_{2} 의 부피를 구하세요. c. 원뿔 z2=x2+y2{z}^{2}={x}^{2}+{y}^{2} 의 안쪽, 평면 z=1z=1 의 아래쪽에 있는 입체의 부피를 입체 S1{S}_{1} 과 S2{S}_{2} 의 부피를 빼서 구하세요.

영어 원문 보기

a. Find the volume of the solid S1{S}_{1} bounded by the cylinder x2+y2=1{x}^{2}+{y}^{2}=1 and the planes z=0z=0 and z=1.z=1. b. Find the volume of the solid S2{S}_{2} outside the double cone z2=x2+y2,{z}^{2}={x}^{2}+{y}^{2}, inside the cylinder x2+y2=1,{x}^{2}+{y}^{2}=1, and above the plane z=0.z=0. c. Find the volume of the solid inside the cone z2=x2+y2{z}^{2}={x}^{2}+{y}^{2} and below the plane z=1z=1 by subtracting the volumes of the solids S1{S}_{1} and S2.{S}_{2}.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.3절 · 38번
# 극좌표 이중적분활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.OpenStax 3권 · 5.3절 · 42번대학 수준우리말 번역

a. 단위구 x2+y2+z2=1{x}^{2}+{y}^{2}+{z}^{2}=1 의 안쪽, 평면 z=0z=0 의 위쪽에 있는 입체 S1{S}_{1} 의 부피를 구하세요. b. 쌍뿔면 (z−1)2=x2+y2{(z-1)}^{2}={x}^{2}+{y}^{2} 의 안쪽, 평면 z=0z=0 의 위쪽에 있는 입체 S2{S}_{2} 의 부피를 구하세요. c. 쌍뿔면 (z−1)2=x2+y2{(z-1)}^{2}={x}^{2}+{y}^{2} 의 바깥쪽, 구 x2+y2+z2=1{x}^{2}+{y}^{2}+{z}^{2}=1 의 안쪽에 있는 입체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

a. Find the volume of the solid S1{S}_{1} inside the unit sphere x2+y2+z2=1{x}^{2}+{y}^{2}+{z}^{2}=1 and above the plane z=0.z=0. b. Find the volume of the solid S2{S}_{2} inside the double cone (z−1)2=x2+y2{(z-1)}^{2}={x}^{2}+{y}^{2} and above the plane z=0.z=0. c. Find the volume of the solid outside the double cone (z−1)2=x2+y2{(z-1)}^{2}={x}^{2}+{y}^{2} and inside the sphere x2+y2+z2=1.{x}^{2}+{y}^{2}+{z}^{2}=1.

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(a)
(b)
(c)
정답·풀이 보기

a. 2π3;\frac{2\pi }{3}; b. π3;\frac{\pi }{3}; c. π3\frac{\pi }{3}

원본 교재 풀이(영어)

a. 2π3;\frac{2\pi }{3}; b. π3;\frac{\pi }{3}; c. π3\frac{\pi }{3}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.3절 · 30번
# 극좌표 이중적분활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.OpenStax 3권 · 5.3절 · 43번대학 수준우리말 번역

구의 반지름이 44 이고 원기둥의 반지름이 22 일 때, 구형 고리의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

If the sphere has radius 44 and the cylinder has radius 2,2, find the volume of the spherical ring.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 4번
# 극좌표 이중적분활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.OpenStax 3권 · 5.3절 · 44번대학 수준우리말 번역

지름이 66 cm인 원기둥 모양의 구멍을 반지름이 55 cm인 구의 중심을 원기둥의 축이 지나도록 뚫었습니다. 이렇게 만들어진 구 모양 고리의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

A cylindrical hole of diameter 66 cm is bored through a sphere of radius 55 cm such that the axis of the cylinder passes through the center of the sphere. Find the volume of the resulting spherical ring.

정답·풀이 보기

256π3 cm3\frac{256\pi }{3}\,{\text{cm}}^{3}

원본 교재 풀이(영어)

256π3 cm3\frac{256\pi }{3}\,{\text{cm}}^{3}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.3절 · 20번
# 극좌표 이중적분활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
11.OpenStax 3권 · 5.3절 · 45번대학 수준우리말 번역

이중 원뿔 z2=4x2+4y2{z}^{2}=4{x}^{2}+4{y}^{2} 아래쪽에, 원기둥 x2+y2=x{x}^{2}+{y}^{2}=x 안쪽에, 그리고 평면 z=0z=0 위쪽에 놓인 입체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the volume of the solid that lies under the double cone z2=4x2+4y2,{z}^{2}=4{x}^{2}+4{y}^{2}, inside the cylinder x2+y2=x,{x}^{2}+{y}^{2}=x, and above the plane z=0.z=0.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.3절 · 46번
# 극좌표 이중적분활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
12.OpenStax 3권 · 5.3절 · 46번대학 수준우리말 번역

포물면 z=x2+y2z={x}^{2}+{y}^{2} 아래쪽에, 원기둥 x2+y2=x{x}^{2}+{y}^{2}=x 안쪽에, 그리고 평면 z=0z=0 위쪽에 놓인 입체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the volume of the solid that lies under the paraboloid z=x2+y2,z={x}^{2}+{y}^{2}, inside the cylinder x2+y2=x,{x}^{2}+{y}^{2}=x, and above the plane z=0.z=0.

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정답·풀이 보기

3π32\frac{3\pi }{32}

원본 교재 풀이(영어)

3π32\frac{3\pi }{32}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.3절 · 26번
# 극좌표 이중적분활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
13.OpenStax 3권 · 5.3절 · 47번대학 수준우리말 번역

평면 x+y+z=10x+y+z=10 아래쪽에, 그리고 원판 x2+y2=4x{x}^{2}+{y}^{2}=4x 위쪽에 놓인 입체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the volume of the solid that lies under the plane x+y+z=10x+y+z=10 and above the disk x2+y2=4x.{x}^{2}+{y}^{2}=4x.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 1번
# 극좌표 이중적분활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
14.OpenStax 3권 · 5.3절 · 48번대학 수준우리말 번역

평면 2x+y+2z=82x+y+2z=8 아래쪽에, 그리고 단위원판 x2+y2=1{x}^{2}+{y}^{2}=1 위쪽에 놓인 입체의 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the volume of the solid that lies under the plane 2x+y+2z=82x+y+2z=8 and above the unit disk x2+y2=1.{x}^{2}+{y}^{2}=1.

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정답·풀이 보기

4π4\pi

원본 교재 풀이(영어)

4π4\pi

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.3절 · 28번
# 극좌표 이중적분활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
15.APEX · 13.3절 · 16번대학 수준우리말 번역

연습문제 15–16에서는 극좌표로 계산하기에 특히 알맞은 특별한 이중적분을 다룹니다.

높이가 hh 이고 밑면의 반지름이 aa 인 직원뿔의 곡면은 방정식 f(x,y)=h−hx2a2+y2a2\displaystyle f(x,y) = h-h\sqrt{\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{a^2}} 으로 나타낼 수 있습니다. 여기서 원뿔의 꼭짓점은 (0,0,h)(0,0,h) 에 있고, 원형 밑면은 원점을 중심으로 하여 xx-yy 평면 위에 놓여 있습니다.

극좌표로 ∬Rf(x,y) dA\displaystyle \iint_R f(x,y)\ dA 의 값을 구하여, 높이가 hh 이고 밑면의 반지름이 aa 인 직원뿔의 부피가 V=13πa2h\displaystyle V = \frac13\pi a^2h 임을 확인하세요.

영어 원문 보기

In Exercises 15–16, special double integrals are presented that are especially well suited for evaluation in polar coordinates.

The surface of a right circular cone with height hh and base radius aa can be described by the equation f(x,y)=h−hx2a2+y2a2\displaystyle f(x,y) = h-h\sqrt{\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{a^2}}, where the tip of the cone lies at (0,0,h)(0,0,h) and the circular base lies in the xx-yy plane, centered at the origin.

Confirm that the volume of a right circular cone with height hh and base radius aa is V=13πa2h\displaystyle V = \frac13\pi a^2h by evaluating ∬Rf(x,y) dA\displaystyle \iint_R f(x,y)\ dA in polar coordinates.

정답·풀이 보기

∬Rf(x,y) dA=∫02π∫0a(h−hr2cos⁡2θa2+r2sin⁡2θa2)r dr dθ=∫02π∫0a(hr−hr2a) dr dθ=∫02π(12hr2−h3ar3)∣0adθ=∫02π(16a2h) dθ=13πa2h.\begin{aligned} \iint_R f(x,y)\ dA &= \int_0^{2\pi}\int_0^a \left(h-h\sqrt{\frac{r^2\cos^2\theta}{a^2}+\frac{r^2\sin^2\theta}{a^2}}\right)r\ dr\ d\theta \\ &= \int_0^{2\pi}\int_0^a \left(hr-h\frac{r^2}{a}\right)\ dr\ d\theta \\ &= \int_0^{2\pi}\left.\left(\frac12hr^2-\frac{h}{3a}r^3\right)\right|_0^a d\theta \\ &= \int_0^{2\pi} \left(\frac16a^2h\right)\ d\theta\\ &= \frac13\pi a^2h. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

∬Rf(x,y) dA=∫02π∫0a(h−hr2cos⁡2θa2+r2sin⁡2θa2)r dr dθ=∫02π∫0a(hr−hr2a) dr dθ=∫02π(12hr2−h3ar3)∣0adθ=∫02π(16a2h) dθ=13πa2h.\begin{aligned} \iint_R f(x,y)\ dA &= \int_0^{2\pi}\int_0^a \left(h-h\sqrt{\frac{r^2\cos^2\theta}{a^2}+\frac{r^2\sin^2\theta}{a^2}}\right)r\ dr\ d\theta \\ &= \int_0^{2\pi}\int_0^a \left(hr-h\frac{r^2}{a}\right)\ dr\ d\theta \\ &= \int_0^{2\pi}\left.\left(\frac12hr^2-\frac{h}{3a}r^3\right)\right|_0^a d\theta \\ &= \int_0^{2\pi} \left(\frac16a^2h\right)\ d\theta\\ &= \frac13\pi a^2h. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.3절 · 38번
# 극좌표 이중적분활용자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
16.CLP-3 · 3.2절 · 11번대학 수준우리말 번역

부등식 x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y 와 0≤z≤x2+y20 \le z \le \sqrt{x^2 + y^2} 으로 주어진 3차원 영역 EE 를 생각하세요.

(a) 3차원에서 EE 의 그림을 꽤 정확하게 그리세요. 좌표축에 단위를 반드시 나타내세요. (b) 극좌표를 사용하여 EE 의 부피를 구하세요. 이 문제를 원기둥좌표로 풀면 "극좌표를 사용"하는 것임에 유의하세요.

힌트: ∫sin⁡nu du=−1nsin⁡n−1u cos⁡u+n−1n∫sin⁡n−2u du\int \sin^n u\ \mathrm{d}u =-\frac{1}{n}\sin^{n-1}u\ \cos u +\frac{n-1}{n}\int\sin^{n-2}u\ \mathrm{d}u

영어 원문 보기

Consider the region EE in 3–dimensions specified by the inequalities x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y and 0≤z≤x2+y20 \le z \le \sqrt{x^2 + y^2}.

(a) Draw a reasonably accurate picture of EE in 3–dimensions. Be sure to show the units on the coordinate axes. (b) Use polar coordinates to find the volume of EE. Note that you will be “using polar coordinates” if you solve this problem by means of cylindrical coordinates.

Hint: ∫sin⁡nu du=−1nsin⁡n−1u cos⁡u+n−1n∫sin⁡n−2u du\int \sin^n u\ \mathrm{d}u =-\frac{1}{n}\sin^{n-1}u\ \cos u +\frac{n-1}{n}\int\sin^{n-2}u\ \mathrm{d}u

정답·풀이 보기

(a)

  • 식 x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y 는 식 x2+(y−1)2=1x^2 + (y-1)^2=1 과 같은 영역을 나타내며, 이 식은 z=z0z=z_0 인 단면이 x=0x=0, y=1y=1, z=z0z=z_0 를 중심으로 하는 반지름이 11 인 수평 원인 원기둥의 방정식이다. 이 원기둥 중 제1팔분공간에 있는 부분을 아래 왼쪽 그림에 나타냈다.
  • z≤x2+y2z \le \sqrt{x^2 + y^2} 은 꼭짓점이 (0,0,0)(0,0,0) 이고 축이 양의 zz축이며, 높이 z=2z=2 에서의 반지름이 22 인 원뿔의 방정식이다. 이 원뿔 중 제1팔분공간에 있는 부분을 아래 오른쪽 그림에 나타냈다.

그림

그림

영역 EE 는 원기둥 중에서 (z≥0z\ge 0 이므로) xyxy평면 위에 있고 (z≤x2+y2z\le\sqrt{x^2+y^2} 이므로) 원뿔 바깥에 있는 부분이다. EE 중 제1팔분공간에 있는 부분을 아래 그림에 빨간색으로 윤곽을 그려 나타냈다. x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y 와 0≤z≤x2+y20 \le z \le \sqrt{x^2 + y^2} 은 모두 x→−xx\rightarrow -x 에 대해 변하지 않는다. 따라서 EE 도 x→−xx\rightarrow -x 에 대해 변하지 않는다. 즉, EE 는 yzyz평면에 대해 대칭이며, x≤0x\le 0, y≥0y\ge 0, z≥0z\ge 0 인 팔분공간에 EE 의 제1팔분공간 부분의 거울상을 포함한다.

그림

(b) 극좌표에서 x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y 는 다음과 같이 된다.

r2≤2rsin⁡θ  ⟺  r≤2sin⁡θr^2\le 2r\sin\theta \iff r\le 2\sin\theta

EE 중 제1팔분공간에 있는 부분의 밑면 영역(즉, 위 그림에서 색칠한 영역)을 DD 라 하자. DD 를 xyxy평면의 일부로 생각한다. 극좌표에서 DD 위에서는

  • θ\theta 는 00 에서 π2\frac{\pi}{2} 까지 변한다. (DD 가 제1사분면에 포함됨을 떠올리세요.)
  • 그 범위의 각 θ\theta 에 대해 rr 은 00 에서 2sin⁡θ2\sin\theta 까지 변한다.

왜냐하면

  • 극좌표에서 dA=r dr dθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이고,
  • DD 의 각 점 (x,y)(x,y) 위에서 EE 의 높이는 x2+y2\sqrt{x^2+y^2}, 곧 극좌표로 rr 이며,
  • EE 의 부피는 EE 중 제1팔분공간에 있는 부분의 부피의 두 배이기 때문이다.

따라서 다음을 얻는다.

부피(E)=2∫0π2dθ∫02sin⁡θdr r2=163∫0π2dθ sin⁡3θ=163∫0π2dθ sin⁡θ (1−cos⁡2θ)=−163∫10du (1−u2)여기서 u=cos⁡θ, du=−sin⁡θ dθ=163[1−13]=329\begin{aligned} \text{부피}(E) &= 2\int_0^{\frac{\pi}{2}}\mathrm{d}\theta \int_0^{2\sin\theta}\mathrm{d}r\ r^2 \\ &=\frac{16}{3} \int_0^{\frac{\pi}{2}}\mathrm{d}\theta\ \sin^3\theta =\frac{16}{3} \int_0^{\frac{\pi}{2}}\mathrm{d}\theta\ \sin\theta\ \big(1-\cos^2\theta\big) \\ &=-\frac{16}{3} \int_1^0\mathrm{d}u\ \big(1-u^2\big)\qquad \text{여기서 }u=\cos\theta,\ \mathrm{d}u=-\sin\theta\ \mathrm{d}\theta \\ &=\frac{16}{3}\left[1-\frac{1}{3}\right] \\ &=\frac{32}{9} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a)

  • The equation x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y is equivalent to the equation x2+(y−1)2=1x^2 + (y-1)^2=1, which is the equation of the cylinder whose z=z0z=z_0 cross–section is the horizontal circle of radius 11, centred on x=0x=0, y=1y=1, z=z0z=z_0. The part of this cylinder in the first octant is sketched in the figure on the left below.
  • z≤x2+y2z \le \sqrt{x^2 + y^2} is the equation of the cone with vertex (0,0,0)(0,0,0), and axis the positive zz–axis, whose radius at height z=2z=2 is 22. The part of this cone in the first octant is sketched in the figure on the right below.

figure

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The region EE is the part of the cylinder that is above the xyxy–plane (since z≥0z\ge 0) outside the cone (since z≤x2+y2z\le\sqrt{x^2+y^2}). The part of EE that is in the first octant is outlined in red in the figure below. Both x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y and 0≤z≤x2+y20 \le z \le \sqrt{x^2 + y^2} are invariant under x→−xx\rightarrow -x. So EE is also invariant under x→−xx\rightarrow -x. That is, EE is symmetric about the yzyz–plane and contains, in the octant x≤0x\le 0, y≥0y\ge 0, z≥0z\ge 0, a mirror image of the first octant part of EE.

figure

(b) In polar coordinates, x2+y2≤2yx^2 + y^2 \le 2y becomes

r2≤2rsin⁡θ  ⟺  r≤2sin⁡θr^2\le 2r\sin\theta \iff r\le 2\sin\theta

Let us denote by DD the base region of the part of EE in the first octant (i.e. the shaded region in the figure above). Think of DD as being part of the xyxy–plane. In polar coordinates, on DD

  • θ\theta runs from 00 to π2\frac{\pi}{2}. (Recall that DD is contained in the first quadrant.)
  • For each θ\theta in that range, rr runs from 00 to 2sin⁡θ2\sin\theta.

Because

  • in polar coordinates dA=r dr dθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta, and
  • the height of EE above each point (x,y)(x,y) in DD is x2+y2\sqrt{x^2+y^2}, or, in polar coordinates, rr, and
  • the volume of EE is twice the volume of the part of EE in the first octant,

we have

Volume(E)=2∫0π2dθ∫02sin⁡θdr r2=163∫0π2dθ sin⁡3θ=163∫0π2dθ sin⁡θ (1−cos⁡2θ)=−163∫10du (1−u2)with u=cos⁡θ, du=−sin⁡θ dθ=163[1−13]=329\begin{aligned} \text{Volume}(E) &= 2\int_0^{\frac{\pi}{2}}\mathrm{d}\theta \int_0^{2\sin\theta}\mathrm{d}r\ r^2 \\ &=\frac{16}{3} \int_0^{\frac{\pi}{2}}\mathrm{d}\theta\ \sin^3\theta =\frac{16}{3} \int_0^{\frac{\pi}{2}}\mathrm{d}\theta\ \sin\theta\ \big(1-\cos^2\theta\big) \\ &=-\frac{16}{3} \int_1^0\mathrm{d}u\ \big(1-u^2\big)\qquad \text{with }u=\cos\theta,\ \mathrm{d}u=-\sin\theta\ \mathrm{d}\theta \\ &=\frac{16}{3}\left[1-\frac{1}{3}\right] \\ &=\frac{32}{9} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.2절 · 12번
# 극좌표 이중적분활용보통자동 분류
17.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}

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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
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