유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
89문제 · 5 / 5쪽
81.CLP-3 · 3.3절 · 1번대학 수준우리말 번역
다음 각각에 대하여 주어진 이중적분의 값을 반복적분을 사용하지 않고 구하세요. 대신 예를 들어 넓이나 평균값의 관점에서 적분을 해석하세요.
(a) ∬D(x+3)dxdy, 여기서 D 는 반원판
0≤y≤4−x2 입니다.
(b) ∬R(x+y)dxdy, 여기서 R 은 직사각형
0≤x≤a,0≤y≤b 입니다.
영어 원문 보기
For each of the following, evaluate the given double integral
without using iteration. Instead, interpret the integral in terms of,
for example, areas or average values.
(a) ∬D(x+3)dxdy, where D is the half disc
0≤y≤4−x2
(b) ∬R(x+y)dxdy where R is the rectangle
0≤x≤a,0≤y≤b
답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기
(a) x 는 x→−x 에 대해, 즉 y 축에 대한 대칭이동에 대해 기함수이고 적분 영역은 y 축에 대해 대칭이므로 ∬Dxdxdy=0 이다.
∬D3dxdy 는 반지름이 2 인 반원판 넓이의 3배이다. 따라서
∬D(x+3)dxdy=3×21×π22=6π.
(s) ∬Rxdxdy/∬Rdxdy 는 직사각형 R 에서 x 의 평균값이며, 그 값은 2a 이다. 마찬가지로
∬Rydxdy/∬Rdxdy 는 직사각형 R 에서 y 의 평균값이며, 그 값은 2b 이다.
∬Rdxdy 는 직사각형 R 의 넓이이며, 그 값은 ab 이다. 따라서
∬Rxdxdy=2a∬Rdxdy=2aab 이고
∬Rydxdy=2b∬Rdxdy=2bab
이며 ∬R(x+y)dxdy=21ab(a+b) 이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) ∬Dxdxdy=0 because x is odd under x→−x,
i.e. under reflection about the y–axis, while the domain of integration
is symmetric about the y–axis.
∬D3dxdy is the three times the area of a half disc
of radius 2. So,
∬D(x+3)dxdy=3×21×π22=6π.
(s) ∬Rxdxdy/∬Rdxdy is the average
value of x in the rectangle R, namely 2a. Similarly,
∬Rydxdy/∬Rdxdy is the average
value of y in the rectangle R, namely 2b.
∬Rdxdy is area of the rectangle R, namely ab. So,
xy–평면에서 부등식 x2≤y≤1 로 정의된 영역 D 의 질량 중심을 구하세요. 단, 질량 밀도 함수는 ρ(x,y)=y 이다.
영어 원문 보기
Find the centre of mass of the region D in the xy–plane
defined by the inequalities x2≤y≤1, assuming that
the mass density function is given by ρ(x,y)=y.
정답·풀이 보기
다음은 D 의 개형이다.
정의에 의해 질량 중심은 (xˉ,yˉ) 이고, xˉ 와 yˉ 는 각각 D 위에서 x 좌표와 y 좌표의 가중평균이다. 즉,
By symmetry under reflection in the y–axis, we have xˉ=0.
So we just have to determine yˉ.
We'll evaluate the integrals using vertical strips as in the figure above.
Looking at that figure, we see that
x runs from −1 to 1, and
for each fixed x in that range, y runs from x2 to 1.
(c)
By definition, the centre of mass is (xˉ,yˉ),
with xˉ and yˉ being the weighted averages of the x and
y–coordinates, respectively, over R. That is,
Call the plate P.
By definition, the centre of mass is (xˉ,yˉ),
with xˉ and yˉ being the weighted averages of the x and
y–coordinates, respectively, over P. That is,
By symmetry under reflection in the line y=x, we have yˉ=xˉ.
So we just have to determine
xˉ=∬PdA∬PxdA
The denominator is just one quarter of the area of circular disk of radius 1.
That is, ∬PdA=4π.
We'll evaluate the numerator using polar coordinates as in the figure above.
Looking at that figure, we see that
θ runs from 0 to 2π, and
for each fixed θ in that range, r runs from 0 to 1.
R 을 꼭짓점이 (0,2), (1,0), (2,0) 인 삼각형이라 하세요.
R 의 밀도가 ρ(x,y)=y2 이라 하세요.
R 의 질량중심의 y좌표 yˉ 를 구하세요.
xˉ 는 구하지 않아도 됩니다.
영어 원문 보기
Let R be the triangle with vertices (0,2), (1,0), and (2,0).
Let R have density ρ(x,y)=y2.
Find yˉ, the y–coordinate of the center of mass of R.
You do not need to find xˉ.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
다음은 R 의 그림이다.
다음에 주목하자.
(2,0) 과 (0,2) 를 지나는 직선의 방정식은
y=2−x, 즉 x=2−y 이다. (확인: 두 점 (2,0) 과 (0,2) 는
모두 x=2−y 위에 있다.)
(1,0) 과 (0,2) 를 지나는 직선의 방정식은
y=2−2x, 즉 x=22−y 이다. (확인: 두 점
(0,2) 와 (1,0) 은 모두 x=22−y 위에 있다.)
정의에 의해 R 의 질량중심의 y좌표는
R 위에서 y 의 가중평균이므로 다음과 같다.
yˉ=∬Rρ(x,y)dA∬Ryρ(x,y)dA=∬Ry2dA∬Ry3dA
R 위에서
y 는 0 부터 2 까지 변한다. 즉, 0≤y≤2 이다.
이 범위의 각 고정된 y 에 대해 x 는 22−y 부터
2−y 까지 변한다. 부등식으로 나타내면 22−y≤x≤2−y 이다.
금속판 하나가 있다. 이 판은 밀도가 상수 1이고 단위원판 x2+y2≤1 을 차지한다. 이 판에서 방정식 x2+y2=x 로 정의되는 원의 내부를 제거하여 초승달 모양의 금속판을 얻는다.
(a) 이 초승달 모양 판의 전체 질량을 구하세요.
(b) 이 판의 질량중심의 x좌표를 구하세요.
다음 사실을 이용해도 됩니다.
∫−π/2π/2cos4(θ)dθ=83π.
영어 원문 보기
A metal crescent is obtained by removing the interior of the circle defined by
the equation x2+y2=x from the metal plate of constant density 1
occupying the unit disc x2+y2≤1.
(a) Find the total mass of the crescent.
(b) Find the x-coordinate of its center of mass.
You may use the fact that
∫−π/2π/2cos4(θ)dθ=83π.
답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기
x2+y2=x 는
(x−21)2+y2=41 과 같은 식이고, 이는
중심이 (21,0) 이고 반지름이 21 인 원이다.
초승달 모양을 C 라 부르고
DH={(x,y)x2+y2≤1}={(x,y)(x−21)2+y2≤41}
라 하면
C=D∖H
이다. 즉 C 는 원판 D 에서 "구멍" H 를 제거한 것이다.
다음은 개략도이다.
(a) D 는 반지름이 1 인 원판이므로 넓이가 π 이다.
H 는 반지름이 1/2 인 원판이므로
넓이가 π/4 이다.
C 의 밀도가 1 이므로
Mass(C)=∬CdA=∬DdA−∬HdA=π−4π=43π
(b)
정의에 따라 C 의 질량중심의 x좌표는
C 위에서 x 의 평균값이며, 이는
xˉ=∬CdA∬CxdA
이다.
앞에서 ∬CdA=43π 임을 이미 구했다.
따라서 분자
∬CxdA=∬DxdA−∬HxdA
를 구해야 한다.
x 는 기함수이고 D 는 x→−x 에 대해 변하지 않으므로
∬DxdA=0 이다. 따라서 ∬HxdA 만 구하면 된다.
이를 위해 극좌표를 사용하면
dA=rdrdθ 이다.
극좌표에서 x2+y2=x 는 r2=rcosθ,
즉 r=cosθ 이다. 따라서 위의 그림((a)의 풀이 바로 앞의 그림)을 보면, 적분 영역에서
Note that x2+y2=x is equivalent to
(x−21)2+y2=41, which is the
circle of radius 21 centred on (21,0).
Let's call the crescent C and write
DH={(x,y)x2+y2≤1}={(x,y)(x−21)2+y2≤41}
so that
C=D∖H
meaning that C is the disk D with the “hole” H removed.
Here is a sketch.
(a) As D is a disk of radius 1, it has area π.
As H is a disk of radius 1/2, it has
area π/4.
As C has density 1,
Mass(C)=∬CdA=∬DdA−∬HdA=π−4π=43π
(b)
Recall that, by definition, the x–coordinate of the centre of mass
of C is the average value of x over C, which is
xˉ=∬CdA∬CxdA
We have already found that ∬CdA=43π.
So we have to determine the numerator
∬CxdA=∬DxdA−∬HxdA
As x is an odd function and D is invariant under x→−x,
∬DxdA=0. So we just have to determine
∬HxdA.
To do so we'll work in polar coordinates, so that
dA=rdrdθ.
In polar coordinates x2+y2=x is r2=rcosθ
or r=cosθ. So, looking at the figure above (just before the
solution to part (a)), on the domain of integration,
θ runs from −2π to 2π.
For each fixed θ in that range, r runs from 0 to
cosθ.
D 를 xy–평면에서 원 x2+(y−1)2=1 의 내부에 있으면서 원 x2+y2=2 의 외부에 있는 영역이라고 하자. 밀도가 다음과 같이 주어질 때, 이 영역의 질량을 구하세요.
ρ(x,y)=x2+y22
영어 원문 보기
Let D be the region in the xy–plane which is inside
the circle x2+(y−1)2=1 but outside the circle x2+y2=2. Determine
the mass of this region if the density is given by
ρ(x,y)=x2+y22
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
정의역은 아래 그림과 같다.
두 원은 x2+y2=2 이고 다음을 만족할 때 만난다.
x2+(y−1)2=2−y2+(y−1)2=1⟺−2y+3=1⟺y=1그리고x=±1
극좌표에서 x2+y2=2 는 r=2 이고,
x2+(y−1)2=x2+y2−2y+1=1 은 r2−2rsinθ=0 즉 r=2sinθ 이다.
두 곡선은 r=2 이고 2=2sinθ 일 때 만나므로
θ=4π 또는 43π 이다. 따라서
In polar coordinates x2+y2=2 is r=2 and
x2+(y−1)2=x2+y2−2y+1=1 is r2−2rsinθ=0 or r=2sinθ.
The two curves intersect when r=2 and2=2sinθ so that
θ=4π or 43π. So
a, b, c 를 양수라 하고, T 를 꼭짓점이 (−a,0), (b,0), (0,c) 인 삼각형이라 하자.
(a) T 위에서 밀도가 상수라고 가정할 때, T 의 질량중심을 구하세요.
(b) T 의 중선은 T 의 한 꼭짓점과 그 대변의 중점을 잇는 선분이다. 임의의 삼각형의 세 중선은 한 점에서 만난다는 것은 잘 알려진 사실이며, 이 점을 T 의 무게중심이라 한다. T 의 무게중심이 T 의 질량중심임을 보이세요.
영어 원문 보기
Let a, b and c be positive numbers, and let T be
the triangle whose vertices are (−a,0), (b,0) and (0,c).
(a) Assuming that the density is constant on T, find the center
of mass of T.
(b) The medians of T are the line segments which join a vertex
of T to the midpoint of the opposite side. It is a well known fact that the
three medians of any triangle meet at a point, which is known as the centroid
of T. Show that the centroid of T is its centre of mass.
정답·풀이 보기
(a) (−a,0) 에서 (0,c) 까지의 삼각형의 변은 그 두 점을 지나는 직선이다. x=−a 일 때 y=0 이므로, 이 직선의 방정식은 어떤 상수 K 에 대해 y=K(x+a) 꼴이어야 한다. x=0 일 때 y=c 이므로 상수 K=ac 이다. 따라서 방정식은
y=ac(x+a)
이고, 이는 방정식 cx−ay=−ac 와 같다. 마찬가지로 (b,0) 에서 (0,c) 까지의 삼각형의 변의 방정식은 y=bc(b−x) 이다.
삼각형의 넓이는 A=21(a+b)c 이다. 질량중심 (xˉ,yˉ) 는 다음과 같다.
(b) (−a,0) 의 대변의 중점은 21[(b,0)+(0,c)]=21(b,c) 이다.
(−a,0) 에서 21(b,c) 로 향하는 벡터는 21⟨b,c⟩−⟨−a,0⟩=⟨a+2b,2c⟩ 이다. 따라서 이 두 점을 잇는 직선의 벡터 매개변수 방정식은 다음과 같다.
r(t)=⟨−a,0⟩+t⟨a+21b,21c⟩
다음이 성립하므로 점 (xˉ,yˉ) 는 이 직선 위에 있다.
r(32)=(31(b−a),3c)=(xˉ,yˉ)
마찬가지로 (b,0) 의 대변의 중점은 21(−a,c) 이다.
이 두 점을 잇는 직선의 벡터 매개변수 방정식은 다음과 같다.
r(t)=⟨b,0⟩+t⟨−b−21a,21c⟩
다음이 성립하므로 점 (xˉ,yˉ) 는 이 직선 위에도 있다.
r(32)=(31(b−a),3c)=(xˉ,yˉ)
(xˉ,yˉ) 가 세 번째 중선 위에 있는지 확인할 필요는 사실 없지만, 어쨌든 확인해 보자. (0,c) 의 대변의 중점은 21(b−a,0) 이다.
이 두 점을 잇는 직선의 벡터 매개변수 방정식은 다음과 같다.
r(t)=⟨0,c⟩+t⟨2b−2a,−c⟩
다음이 성립하므로 점 (xˉ,yˉ) 는 이 중선 위에도 있다.
r(32)=(31(b−a),3c)=(xˉ,yˉ)
원본 교재 풀이(영어)
(a) The side of the triangle from (−a,0) to (0,c) is straight line that passes through those two points. As y=0 when x=−a, the line must have
an equation of the form y=K(x+a) for some constant K. Since y=c when
x=0, the constant K=ac. So that the equation is
y=ac(x+a).
has equation cx−ay=−ac. Similarly the side of the triangle from
(b,0) to (0,c) has equation y=bc(b−x).
The triangle has area A=21(a+b)c. It has centre
of mass (xˉ,yˉ) with
xˉ=A1∬Txdxdyyˉ=A1∬Tydxdy
To evaluate the integrals we'll decompose the triangle into vertical strips
as in the figure
(b) The midpoint of the side opposite (−a,0) is 21[(b,0)+(0,c)]=21(b,c).
The vector from (−a,0) to 21(b,c) is 21⟨b,c⟩−⟨−a,0⟩=⟨a+2b,2c⟩. So
the line joining these two points has vector parametric equation
r(t)=⟨−a,0⟩+t⟨a+21b,21c⟩
The point (xˉ,yˉ) lies on this line since
r(32)=(31(b−a),3c)=(xˉ,yˉ)
Similarly, the midpoint of the side opposite (b,0) is 21(−a,c).
The line joining these two points has vector parametric equation
r(t)=⟨b,0⟩+t⟨−b−21a,21c⟩
The point (xˉ,yˉ) lies on this line too, since
r(32)=(31(b−a),3c)=(xˉ,yˉ)
It is not really necessary to check that (xˉ,yˉ) lies on the
third median, but let's do it anyway. The midpoint of the side opposite (0,c) is 21(b−a,0).
The line joining these two points has vector parametric equation