문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다중적분

다중적분의 응용(질량·질량중심)

밀도를 적분해 질량, 질량중심, 관성모멘트, 확률을 구한다

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) dx dy\iint _D(x+3)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y, 여기서 DD 는 반원판 0≤y≤4−x20\le y\le \sqrt{4-x^2} 입니다. (b) ∬R(x+y) dx dy\iint _R (x+y)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y, 여기서 RR 은 직사각형 0≤x≤a, 0≤y≤b0\le x\le a,\ 0\le y\le 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) dx dy\iint _D(x+3)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y, where DD is the half disc 0≤y≤4−x20\le y\le \sqrt{4-x^2} (b) ∬R(x+y) dx dy\iint _R (x+y)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y where RR is the rectangle 0≤x≤a, 0≤y≤b0\le x\le a,\ 0\le y\le b

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) xx 는 x→−xx\rightarrow-x 에 대해, 즉 yy 축에 대한 대칭이동에 대해 기함수이고 적분 영역은 yy 축에 대해 대칭이므로 ∬Dx dx dy=0\iint _D x\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y=0 이다. ∬D3 dx dy\iint _D 3\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y 는 반지름이 22 인 반원판 넓이의 3배이다. 따라서 ∬D(x+3)dx dy=3×12×π22=6π\iint _D(x+3)\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y=3\times \tfrac{1}{2}\times\pi 2^2=6\pi.

(s) ∬Rx dx dy/∬Rdx dy\iint _R x\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y/\iint _R \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y 는 직사각형 RR 에서 xx 의 평균값이며, 그 값은 a2\frac{a}{2} 이다. 마찬가지로 ∬Ry dx dy/∬Rdx dy\iint _R y\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y/\iint _R \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y 는 직사각형 RR 에서 yy 의 평균값이며, 그 값은 b2\frac{b}{2} 이다. ∬Rdx dy\iint _R \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y 는 직사각형 RR 의 넓이이며, 그 값은 abab 이다. 따라서

  • ∬Rx dx dy=a2∬Rdx dy=a2ab\iint _R x\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\frac{a}{2} \iint _R \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\frac{a}{2} ab 이고
  • ∬Ry dx dy=b2∬Rdx dy=b2ab\iint _R y\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\frac{b}{2} \iint _R \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\frac{b}{2} ab

이며 ∬R(x+y)dx dy=12ab(a+b)\iint _R (x+y)\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y=\tfrac{1}{2} ab (a+b) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) ∬Dx dx dy=0\iint _D x\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y=0 because xx is odd under x→−xx\rightarrow-x, i.e. under reflection about the yy–axis, while the domain of integration is symmetric about the yy–axis. ∬D3 dx dy\iint _D 3\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y is the three times the area of a half disc of radius 22. So, ∬D(x+3)dx dy=3×12×π22=6π\iint _D(x+3)\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y=3\times \tfrac{1}{2}\times\pi 2^2=6\pi.

(s) ∬Rx dx dy/∬Rdx dy\iint _R x\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y/\iint _R \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y is the average value of xx in the rectangle RR, namely a2\frac{a}{2}. Similarly, ∬Ry dx dy/∬Rdx dy\iint _R y\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y/\iint _R \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y is the average value of yy in the rectangle RR, namely b2\frac{b}{2}. ∬Rdx dy\iint _R \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y is area of the rectangle RR, namely abab. So,

  • ∬Rx dx dy=a2∬Rdx dy=a2ab\iint _R x\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\frac{a}{2} \iint _R \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\frac{a}{2} ab and
  • ∬Ry dx dy=b2∬Rdx dy=b2ab\iint _R y\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\frac{b}{2} \iint _R \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\frac{b}{2} ab

and ∬R(x+y)dx dy=12ab(a+b)\iint _R (x+y)\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y=\tfrac{1}{2} ab (a+b).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.6절 · 5번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)계산기본자동 분류
82.CLP-3 · 3.3절 · 2번대학 수준우리말 번역

xyxy–평면에서 부등식 x2≤y≤1x^2 \le y \le 1 로 정의된 영역 DD 의 질량 중심을 구하세요. 단, 질량 밀도 함수는 ρ(x,y)=y\rho(x,y) = y 이다.

영어 원문 보기

Find the centre of mass of the region DD in the xyxy–plane defined by the inequalities x2≤y≤1x^2 \le y \le 1, assuming that the mass density function is given by ρ(x,y)=y\rho(x,y) = y.

정답·풀이 보기

다음은 DD 의 개형이다.

그림

정의에 의해 질량 중심은 (xˉ,yˉ)(\bar x, \bar y) 이고, xˉ\bar x 와 yˉ\bar y 는 각각 DD 위에서 xx 좌표와 yy 좌표의 가중평균이다. 즉,

xˉ=∬Dx ρ(x,y) dA∬Dρ(x,y) dAyˉ=∬Dy ρ(x,y) dA∬Dρ(x,y) dA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _D x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _D \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \qquad \bar y = \frac{\iint _D y\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _D \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \end{aligned}

yy 축에 대한 대칭성에 의해 xˉ=0\bar x=0 이다. 따라서 yˉ\bar y 만 구하면 된다. 위 그림과 같이 세로 띠를 이용하여 적분을 계산한다. 그림을 보면 다음을 알 수 있다.

  • xx 는 −1-1 에서 11 까지 변하고,
  • 그 범위의 각 고정된 xx 에 대해 yy 는 x2x^2 에서 11 까지 변한다.

따라서 분모는

∬Dρ(x,y) dA=∫−11dx∫x21dy y⏞ρ(x,y)=12∫−11dx (1−x4)=∫01dx (1−x4)=45\begin{aligned} \iint _D \rho(x,y)\ \mathrm{d}A &= \int_{-1}^1\mathrm{d}x\int_{x^2}^1\mathrm{d}y\ \overbrace{y}^{\rho(x,y)} \\ &= \frac{1}{2}\int_{-1}^1 \mathrm{d}x\ (1-x^4) =\int_0^1 \mathrm{d}x\ (1-x^4) \\ &=\frac{4}{5} \end{aligned}

이고, yˉ\bar y 의 분자는

∬Dy ρ(x,y) dA=∫−11dx∫x21dy yy⏞ρ(x,y)=13∫−11dx (1−x6)=23∫01dx (1−x6)=23 67=47\begin{aligned} \iint _D y\,\rho(x,y)\ \mathrm{d}A &= \int_{-1}^1\mathrm{d}x\int_{x^2}^1\mathrm{d}y\ y\overbrace{y}^{\rho(x,y)} \\ &= \frac{1}{3}\int_{-1}^1 \mathrm{d}x\ (1-x^6) =\frac{2}{3}\int_0^1 \mathrm{d}x\ (1-x^6) \\ &=\frac{2}{3}\ \frac{6}{7} = \frac{4}{7} \end{aligned}

이다. 종합하면 xˉ=0\bar x=0 이고

yˉ=4745=57\begin{aligned} \bar y = \frac{\frac{4}{7}} {\frac{4}{5}} = \frac{5}{7} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Here is a sketch of DD.

figure

By definition, the centre of mass is (xˉ,yˉ)(\bar x, \bar y), with xˉ\bar x and yˉ\bar y being the weighted averages of the xx and yy–coordinates, respectively, over DD. That is,

xˉ=∬Dx ρ(x,y) dA∬Dρ(x,y) dAyˉ=∬Dy ρ(x,y) dA∬Dρ(x,y) dA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _D x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _D \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \qquad \bar y = \frac{\iint _D y\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _D \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \end{aligned}

By symmetry under reflection in the yy–axis, we have xˉ=0\bar x=0. So we just have to determine yˉ\bar y. We'll evaluate the integrals using vertical strips as in the figure above. Looking at that figure, we see that

  • xx runs from −1-1 to 11, and
  • for each fixed xx in that range, yy runs from x2x^2 to 11.

So the denominator is

∬Dρ(x,y) dA=∫−11dx∫x21dy y⏞ρ(x,y)=12∫−11dx (1−x4)=∫01dx (1−x4)=45\begin{aligned} \iint _D \rho(x,y)\ \mathrm{d}A &= \int_{-1}^1\mathrm{d}x\int_{x^2}^1\mathrm{d}y\ \overbrace{y}^{\rho(x,y)} \\ &= \frac{1}{2}\int_{-1}^1 \mathrm{d}x\ (1-x^4) =\int_0^1 \mathrm{d}x\ (1-x^4) \\ &=\frac{4}{5} \end{aligned}

and the numerator of yˉ\bar y is

∬Dy ρ(x,y) dA=∫−11dx∫x21dy yy⏞ρ(x,y)=13∫−11dx (1−x6)=23∫01dx (1−x6)=23 67=47\begin{aligned} \iint _D y\,\rho(x,y)\ \mathrm{d}A &= \int_{-1}^1\mathrm{d}x\int_{x^2}^1\mathrm{d}y\ y\overbrace{y}^{\rho(x,y)} \\ &= \frac{1}{3}\int_{-1}^1 \mathrm{d}x\ (1-x^6) =\frac{2}{3}\int_0^1 \mathrm{d}x\ (1-x^6) \\ &=\frac{2}{3}\ \frac{6}{7} = \frac{4}{7} \end{aligned}

All together, xˉ=0\bar x=0 and

yˉ=4745=57\begin{aligned} \bar y = \frac{\frac{4}{7}} {\frac{4}{5}} = \frac{5}{7} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.3절 · 3번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)계산보통자동 분류
83.CLP-3 · 3.3절 · 3번대학 수준우리말 번역

RR 을 왼쪽은 x=1x = 1 로, 오른쪽은 x2+y2=4x^2 + y^2 = 4 로 유계인 영역이라고 하자. RR 에서의 밀도는

ρ(x,y)=1x2+y2\rho(x,y) =\frac{1}{\sqrt{x^2+y^2}}

이다.

(a) 영역 RR 의 그림을 그리세요. (b) RR 의 질량을 구하세요. (c) RR 의 질량중심을 구하세요.

참고: ∫sec⁡(θ) dθ=ln⁡∣sec⁡θ+tan⁡θ∣+C\int \sec(\theta)\ \mathrm{d}\theta = \ln |\sec \theta + \tan \theta| + C 인 결과를 사용해도 된다.

영어 원문 보기

Let R be the region bounded on the left by x=1x = 1 and on the right by x2+y2=4x^2 + y^2 = 4. The density in RR is

ρ(x,y)=1x2+y2\rho(x,y) =\frac{1}{\sqrt{x^2+y^2}}

(a) Sketch the region RR. (b) Find the mass of RR. (c) Find the centre-of-mass of RR.

Note: You may use the result ∫sec⁡(θ) dθ=ln⁡∣sec⁡θ+tan⁡θ∣+C\int \sec(\theta)\ \mathrm{d}\theta = \ln |\sec \theta + \tan \theta| + C.

정답·풀이 보기

(a) RR 의 그림은 다음과 같다.

그림

(b) 다음을 고려하면

  • ρ(x,y)\rho(x,y) 는 원점을 중심으로 한 회전에 대해 변하지 않고,
  • 바깥쪽 곡선 x2+y2=4x^2+y^2=4 도 원점을 중심으로 한 회전에 대해 변하지 않으며,
  • 주어진 힌트가 θ\theta 에 대한 적분을 포함하므로

극좌표를 사용한다.

직선 x=1x=1 과 원 x2+y2=4x^2+y^2=4 는

1+y2=4  ⟺  y=±31+y^2=4 \iff y=\pm\sqrt{3}

일 때 만나고, 점 (x,y)=(1,3)(x,y)=\big(1,\sqrt{3}\big) 의 극좌표는 r=x2+y2=2r=\sqrt{x^2+y^2}=2, θ=arctan⁡yx=arctan⁡3=π3\theta=\arctan\frac{y}{x}=\arctan \sqrt{3} =\frac{\pi}{3} 이다. 그림

그림

을 보면, RR 위에서

  • θ\theta 는 −π3-\frac{\pi}{3} 부터 π3\frac{\pi}{3} 까지 변하고,
  • 그 범위의 각 고정된 θ\theta 에 대해 rr 는 1cos⁡θ=sec⁡θ\frac{1}{\cos\theta} =\sec\theta 부터 22 까지 변한다.
  • 극좌표에서 dA=r dr dθ\mathrm{d}A=r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이고,
  • 밀도는 ρ=1x2+y2=1r\rho =\frac{1}{\sqrt{x^2+y^2}} =\frac{1}{r} 이다.

따라서 질량은

M=∬Rρ(x,y) dA=∫−π/3π/3dθ∫sec⁡θ2dr rr=∫−π/3π/3dθ [2−sec⁡θ]=2∫0π/3dθ [2−sec⁡θ]=2[2θ−ln⁡(sec⁡θ+tan⁡θ)]0π/3=2[2π3−ln⁡(2+3)+ln⁡(1+0)]=4π3−2ln⁡(2+3)\begin{aligned} M&=\iint _R \rho(x,y)\ \mathrm{d}A =\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\int_{\sec\theta}^2\mathrm{d}r\ \frac{r}{r} =\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[2-\sec\theta\big] \\ &=2\int_0^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[2-\sec\theta\big] \\ &= 2\Big[2\theta - \ln\big(\sec\theta+\tan\theta\big)\Big]_0^{\pi/3} \\ &= 2\left[\frac{2\pi}{3} - \ln\big(2+\sqrt{3}\big) + \ln\big(1+0\big)\right] \\ &= \frac{4\pi}{3} - 2\ln\big(2+\sqrt{3}\big) \end{aligned}

이다.

(c) 정의에 의해 질량중심은 (xˉ,yˉ)(\bar x, \bar y) 이며, xˉ\bar x 와 yˉ\bar y 는 각각 RR 위에서 xx좌표와 yy좌표의 가중평균이다. 즉,

xˉ=∬Rx ρ(x,y) dA∬Rρ(x,y) dAyˉ=∬Ry ρ(x,y) dA∬Rρ(x,y) dA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _R x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _R \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \qquad \bar y = \frac{\iint _R y\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _R \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \end{aligned}

이다.

xx축에 대한 대칭이동에 대해 대칭이므로 yˉ=0\bar y=0 이다. 따라서 xˉ\bar x 만 구하면 된다. 분자는

∬Rx ρ(x,y) dA=∫−π/3π/3dθ∫sec⁡θ2dr rr rcos⁡θ⏞x=12∫−π/3π/3dθ [4−sec⁡2θ]cos⁡θ=∫0π/3dθ [4cos⁡θ−sec⁡θ]=[4sin⁡θ−ln⁡(sec⁡θ+tan⁡θ)]0π/3=[432−ln⁡(2+3)+ln⁡(1+0)]=23−ln⁡(2+3)\begin{aligned} \iint _R x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A &=\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\int_{\sec\theta}^2\mathrm{d}r\ \frac{r}{r}\ \overbrace{r\cos\theta}^{x} \\ &=\frac{1}{2}\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[4-\sec^2\theta\big] \cos\theta =\int_0^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[4\cos\theta-\sec\theta\big] \\ &= \Big[4\sin\theta - \ln\big(\sec\theta+\tan\theta\big)\Big]_0^{\pi/3} \\ &= \left[4\frac{\sqrt{3}}{2} - \ln\big(2+\sqrt{3}\big) + \ln\big(1+0\big)\right] \\ &= 2\sqrt{3}- \ln\big(2+\sqrt{3}\big) \end{aligned}

이다.

종합하면 yˉ=0\bar y=0 이고

xˉ=23−ln⁡(2+3)4π3−2ln⁡(2+3)≈1.38\begin{aligned} \bar x = \frac{2\sqrt{3}- \ln\big(2+\sqrt{3}\big)} {\frac{4\pi}{3} - 2\ln\big(2+\sqrt{3}\big)} \approx 1.38 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Here is a sketch of RR.

figure

(b) Considering that

  • ρ(x,y)\rho(x,y) is invariant under rotations about the origin and
  • the outer curve x2+y2=4x^2+y^2=4 is invariant under rotations about the origin and
  • the given hint involves a θ\theta integral

we'll use polar coordinates.

Observe that the line x=1x=1 and the circle x2+y2=4x^2+y^2=4 intersect when

1+y2=4  ⟺  y=±31+y^2=4 \iff y=\pm\sqrt{3}

and that the polar coordinates of the point (x,y)=(1,3)(x,y)=\big(1,\sqrt{3}\big) are r=x2+y2=2r=\sqrt{x^2+y^2}=2 and θ=arctan⁡yx=arctan⁡3=π3\theta=\arctan\frac{y}{x}=\arctan \sqrt{3} =\frac{\pi}{3}. Looking at the sketch

figure

we see that, on RR,

  • θ\theta runs from −π3-\frac{\pi}{3} to π3\frac{\pi}{3} and
  • for each fixed θ\theta in that range, rr runs from 1cos⁡θ=sec⁡θ\frac{1}{\cos\theta} =\sec\theta to 22.
  • In polar coordinates, dA=r dr dθ\mathrm{d}A=r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta, and
  • the density ρ=1x2+y2=1r\rho =\frac{1}{\sqrt{x^2+y^2}} =\frac{1}{r}

So the mass is

M=∬Rρ(x,y) dA=∫−π/3π/3dθ∫sec⁡θ2dr rr=∫−π/3π/3dθ [2−sec⁡θ]=2∫0π/3dθ [2−sec⁡θ]=2[2θ−ln⁡(sec⁡θ+tan⁡θ)]0π/3=2[2π3−ln⁡(2+3)+ln⁡(1+0)]=4π3−2ln⁡(2+3)\begin{aligned} M&=\iint _R \rho(x,y)\ \mathrm{d}A =\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\int_{\sec\theta}^2\mathrm{d}r\ \frac{r}{r} =\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[2-\sec\theta\big] \\ &=2\int_0^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[2-\sec\theta\big] \\ &= 2\Big[2\theta - \ln\big(\sec\theta+\tan\theta\big)\Big]_0^{\pi/3} \\ &= 2\left[\frac{2\pi}{3} - \ln\big(2+\sqrt{3}\big) + \ln\big(1+0\big)\right] \\ &= \frac{4\pi}{3} - 2\ln\big(2+\sqrt{3}\big) \end{aligned}

(c) By definition, the centre of mass is (xˉ,yˉ)(\bar x, \bar y), with xˉ\bar x and yˉ\bar y being the weighted averages of the xx and yy–coordinates, respectively, over RR. That is,

xˉ=∬Rx ρ(x,y) dA∬Rρ(x,y) dAyˉ=∬Ry ρ(x,y) dA∬Rρ(x,y) dA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _R x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _R \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \qquad \bar y = \frac{\iint _R y\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _R \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \end{aligned}

By symmetry under reflection in the xx–axis, we have yˉ=0\bar y=0. So we just have to determine xˉ\bar x. The numerator is

∬Rx ρ(x,y) dA=∫−π/3π/3dθ∫sec⁡θ2dr rr rcos⁡θ⏞x=12∫−π/3π/3dθ [4−sec⁡2θ]cos⁡θ=∫0π/3dθ [4cos⁡θ−sec⁡θ]=[4sin⁡θ−ln⁡(sec⁡θ+tan⁡θ)]0π/3=[432−ln⁡(2+3)+ln⁡(1+0)]=23−ln⁡(2+3)\begin{aligned} \iint _R x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A &=\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\int_{\sec\theta}^2\mathrm{d}r\ \frac{r}{r}\ \overbrace{r\cos\theta}^{x} \\ &=\frac{1}{2}\int_{-\pi/3}^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[4-\sec^2\theta\big] \cos\theta =\int_0^{\pi/3}\mathrm{d}\theta\ \big[4\cos\theta-\sec\theta\big] \\ &= \Big[4\sin\theta - \ln\big(\sec\theta+\tan\theta\big)\Big]_0^{\pi/3} \\ &= \left[4\frac{\sqrt{3}}{2} - \ln\big(2+\sqrt{3}\big) + \ln\big(1+0\big)\right] \\ &= 2\sqrt{3}- \ln\big(2+\sqrt{3}\big) \end{aligned}

All together, yˉ=0\bar y=0 and

xˉ=23−ln⁡(2+3)4π3−2ln⁡(2+3)≈1.38\begin{aligned} \bar x = \frac{2\sqrt{3}- \ln\big(2+\sqrt{3}\big)} {\frac{4\pi}{3} - 2\ln\big(2+\sqrt{3}\big)} \approx 1.38 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.3절 · 1번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)그래프·표 해석보통자동 분류
84.CLP-3 · 3.3절 · 5번대학 수준우리말 번역

균일한 밀도 kk 를 갖는 얇은 판이 양의 xx축, 양의 yy축과 원 x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 로 둘러싸여 있다. 이 판의 질량 중심을 구하세요.

영어 원문 보기

A thin plate of uniform density kk is bounded by the positive xx and yy axes and the circle x2+y2=1x^2 + y^2 = 1. Find its centre of mass.

정답·풀이 보기

이 판을 PP 라 하자. 정의에 따라 질량 중심은 (xˉ,yˉ)(\bar x, \bar y) 이고, xˉ\bar x 와 yˉ\bar y 는 각각 PP 위에서 xx좌표와 yy좌표의 가중평균이다. 즉,

xˉ=∬Px ρ(x,y) dA∬Pρ(x,y) dAyˉ=∬Py ρ(x,y) dA∬Pρ(x,y) dA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _P x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _P \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \qquad \bar y = \frac{\iint _P y\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _P \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \end{aligned}

이고 ρ(x,y)=k\rho(x,y)=k 이다. 다음은 PP 의 그림이다.

그림

직선 y=xy=x 에 대한 대칭이동에 의해 대칭이므로 yˉ=xˉ\bar y=\bar x 이다. 따라서 다음만 구하면 된다.

xˉ=∬Px dA∬PdA\bar x = \frac{\iint _P x\ \mathrm{d}A}{\iint _P \mathrm{d}A}

분모는 반지름이 11 인 원판 넓이의 4분의 1이다. 즉, ∬PdA=π4\iint _P \mathrm{d}A=\frac{\pi}{4} 이다. 분자는 위 그림과 같이 극좌표를 이용하여 계산한다. 그림을 보면 다음과 같다.

  • θ\theta 는 00 부터 π2\frac{\pi}{2} 까지 변하고,
  • 그 범위의 각 고정된 θ\theta 에 대해 rr 은 00 부터 11 까지 변한다.

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

∬Px dA=∫0π/2dθ∫01dr rrcos⁡θ⏞x=[∫0π/2dθ cos⁡θ][∫01dr r2]=[sin⁡θ]0π/2[r33]01=13\begin{aligned} \iint _P x\ \mathrm{d}A &=\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta \int_0^1\mathrm{d}r\ r\overbrace{r\cos\theta}^{x} =\left[\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \cos\theta\right] \left[ \int_0^1\mathrm{d}r\ r^2\right] \\ &=\Big[\sin\theta\Big]_0^{\pi/2} \left[\frac{r^3}{3}\right]_0^1 \\ &=\frac{1}{3} \end{aligned}

이다. 종합하면

xˉ=yˉ=1/3π/4=43π\begin{aligned} \bar x = \bar y = \frac{1/3}{\pi/4} =\frac{4}{3\pi} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Call the plate PP. By definition, the centre of mass is (xˉ,yˉ)(\bar x, \bar y), with xˉ\bar x and yˉ\bar y being the weighted averages of the xx and yy–coordinates, respectively, over PP. That is,

xˉ=∬Px ρ(x,y) dA∬Pρ(x,y) dAyˉ=∬Py ρ(x,y) dA∬Pρ(x,y) dA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _P x\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _P \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \qquad \bar y = \frac{\iint _P y\ \rho(x,y)\ \mathrm{d}A}{\iint _P \rho(x,y)\ \mathrm{d}A} \end{aligned}

with ρ(x,y)=k\rho(x,y)=k. Here is a sketch of PP.

figure

By symmetry under reflection in the line y=xy=x, we have yˉ=xˉ\bar y=\bar x. So we just have to determine

xˉ=∬Px dA∬PdA\bar x = \frac{\iint _P x\ \mathrm{d}A}{\iint _P \mathrm{d}A}

The denominator is just one quarter of the area of circular disk of radius 11. That is, ∬PdA=π4\iint _P \mathrm{d}A=\frac{\pi}{4}. We'll evaluate the numerator using polar coordinates as in the figure above. Looking at that figure, we see that

  • θ\theta runs from 00 to π2\frac{\pi}{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, the numerator

∬Px dA=∫0π/2dθ∫01dr rrcos⁡θ⏞x=[∫0π/2dθ cos⁡θ][∫01dr r2]=[sin⁡θ]0π/2[r33]01=13\begin{aligned} \iint _P x\ \mathrm{d}A &=\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta \int_0^1\mathrm{d}r\ r\overbrace{r\cos\theta}^{x} =\left[\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \cos\theta\right] \left[ \int_0^1\mathrm{d}r\ r^2\right] \\ &=\Big[\sin\theta\Big]_0^{\pi/2} \left[\frac{r^3}{3}\right]_0^1 \\ &=\frac{1}{3} \end{aligned}

All together

xˉ=yˉ=1/3π/4=43π\begin{aligned} \bar x = \bar y = \frac{1/3}{\pi/4} =\frac{4}{3\pi} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.3절 · 2번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)계산보통자동 분류
85.CLP-3 · 3.3절 · 6번대학 수준우리말 번역

RR 을 꼭짓점이 (0,2)(0, 2), (1,0)(1, 0), (2,0)(2, 0) 인 삼각형이라 하세요. RR 의 밀도가 ρ(x,y)=y2\rho(x, y) = y^2 이라 하세요. RR 의 질량중심의 yy좌표 yˉ\bar y 를 구하세요. xˉ\bar x 는 구하지 않아도 됩니다.

영어 원문 보기

Let RR be the triangle with vertices (0,2)(0, 2), (1,0)(1, 0), and (2,0)(2, 0). Let RR have density ρ(x,y)=y2\rho(x, y) = y^2. Find yˉ\bar y, the yy–coordinate of the center of mass of RR. You do not need to find xˉ\bar x.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

다음은 RR 의 그림이다.

그림

다음에 주목하자.

  • (2,0)(2,0) 과 (0,2)(0,2) 를 지나는 직선의 방정식은 y=2−xy=2-x, 즉 x=2−yx=2-y 이다. (확인: 두 점 (2,0)(2,0) 과 (0,2)(0,2) 는 모두 x=2−yx=2-y 위에 있다.)
  • (1,0)(1,0) 과 (0,2)(0,2) 를 지나는 직선의 방정식은 y=2−2xy=2-2x, 즉 x=2−y2x=\frac{2-y}{2} 이다. (확인: 두 점 (0,2)(0,2) 와 (1,0)(1,0) 은 모두 x=2−y2x=\frac{2-y}{2} 위에 있다.)

정의에 의해 RR 의 질량중심의 yy좌표는 RR 위에서 yy 의 가중평균이므로 다음과 같다.

yˉ=∬Ry ρ(x,y) dA∬Rρ(x,y) dA=∬Ry3 dA∬Ry2 dA\bar y =\frac{\iint _R y\,\rho(x,y)\,\mathrm{d}A}{\iint _R \rho(x,y)\,\mathrm{d}A} =\frac{\iint _R y^3\,\mathrm{d}A}{\iint _R y^2\,\mathrm{d}A}

RR 위에서

  • yy 는 00 부터 22 까지 변한다. 즉, 0≤y≤20\le y\le 2 이다.
  • 이 범위의 각 고정된 yy 에 대해 xx 는 2−y2\frac{2-y}{2} 부터 2−y2-y 까지 변한다. 부등식으로 나타내면 2−y2≤x≤2−y\frac{2-y}{2}\le x\le 2-y 이다.

따라서

R={ (x,y) ∣ 0≤y≤2, 2−y2≤x≤2−y}R = \left\{\ (x,y)\ \left|\ 0\le y\le 2,\ \frac{2-y}{2}\le x\le 2-y \right.\right\}

n=2n=2 와 n=3n=3 모두에 대해 다음이 성립한다.

∬Ryn dA=∫02dy∫2−y22−ydx yn=∫02dy yn2−y2=12[2yn+1n+1−yn+2n+2]02=12[2n+2n+1−2n+2n+2]=2n+1(n+1)(n+2)\begin{aligned} \iint _R y^n\,\mathrm{d}A &=\int_0^2\mathrm{d}y \int_{\frac{2-y}{2}}^{2-y}\mathrm{d}x\ y^n \\ &=\int_0^2\mathrm{d}y \ y^n\frac{2-y}{2} \\ &=\frac{1}{2}\left[\frac{2y^{n+1}}{n+1}-\frac{y^{n+2}}{n+2}\right]_0^2 \\ &=\frac{1}{2}\left[\frac{2^{n+2}}{n+1}-\frac{2^{n+2}}{n+2}\right] \\ &=\frac{2^{n+1}}{(n+1)(n+2)} \end{aligned}

그러므로

yˉ=∬Ry3 dA∬Ry2 dA=24(4)(5)23(3)(4)=65\begin{aligned} \bar y =\frac{\iint _R y^3\,\mathrm{d}A}{\iint _R y^2\,\mathrm{d}A} =\frac{ \frac{2^4}{(4)(5)} }{ \frac{2^{3}}{(3)(4)} } =\frac{6}{5} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Here is a sketch of RR.

figure

Note that

  • the equation of the straight line through (2,0)(2,0) and (0,2)(0,2) is y=2−xy=2-x, or x=2−yx=2-y. (As a check note that both points (2,0)(2,0) and (0,2)(0,2) are on x=2−yx=2-y.
  • The equation of the straight line through (1,0)(1,0) and (0,2)(0,2) is y=2−2xy=2-2x, or x=2−y2x=\frac{2-y}{2}. (As a check note that both points (0,2)(0,2) and (1,0)(1,0) are on x=2−y2x=\frac{2-y}{2}.

By definition, the yy–coordinate of the center of mass of RR is the weighted average of yy over RR, which is

yˉ=∬Ry ρ(x,y) dA∬Rρ(x,y) dA=∬Ry3 dA∬Ry2 dA\bar y =\frac{\iint _R y\,\rho(x,y)\,\mathrm{d}A}{\iint _R \rho(x,y)\,\mathrm{d}A} =\frac{\iint _R y^3\,\mathrm{d}A}{\iint _R y^2\,\mathrm{d}A}

On RR,

  • yy runs from 00 to 22. That is, 0≤y≤20\le y\le 2.
  • For each fixed yy in that range, xx runs from 2−y2\frac{2-y}{2} to 2−y2-y. In inequalities, that is 2−y2≤x≤2−y\frac{2-y}{2}\le x\le 2-y.

Thus

R={ (x,y) ∣ 0≤y≤2, 2−y2≤x≤2−y}R = \left\{\ (x,y)\ \left|\ 0\le y\le 2,\ \frac{2-y}{2}\le x\le 2-y \right.\right\}

For both n=2n=2 and n=3n=3, we have

∬Ryn dA=∫02dy∫2−y22−ydx yn=∫02dy yn2−y2=12[2yn+1n+1−yn+2n+2]02=12[2n+2n+1−2n+2n+2]=2n+1(n+1)(n+2)\begin{aligned} \iint _R y^n\,\mathrm{d}A &=\int_0^2\mathrm{d}y \int_{\frac{2-y}{2}}^{2-y}\mathrm{d}x\ y^n \\ &=\int_0^2\mathrm{d}y \ y^n\frac{2-y}{2} \\ &=\frac{1}{2}\left[\frac{2y^{n+1}}{n+1}-\frac{y^{n+2}}{n+2}\right]_0^2 \\ &=\frac{1}{2}\left[\frac{2^{n+2}}{n+1}-\frac{2^{n+2}}{n+2}\right] \\ &=\frac{2^{n+1}}{(n+1)(n+2)} \end{aligned}

So

yˉ=∬Ry3 dA∬Ry2 dA=24(4)(5)23(3)(4)=65\begin{aligned} \bar y =\frac{\iint _R y^3\,\mathrm{d}A}{\iint _R y^2\,\mathrm{d}A} =\frac{ \frac{2^4}{(4)(5)} }{ \frac{2^{3}}{(3)(4)} } =\frac{6}{5} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.3절 · 7번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)계산보통자동 분류
86.CLP-3 · 3.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

평면 영역 DD 안의 점에서 점 (a,b)(a, b) 까지의 평균 거리는 다음과 같이 정의된다.

1A(D)∬D(x−a)2+(y−b)2 dx dy\frac{1}{A(D)}\iint _D \sqrt{(x-a)^2+(y-b)^2}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y

여기서 A(D)A(D) 는 평면 영역 DD 의 넓이이다. DD 를 단위원판 1≥x2+y21 \ge x^2 + y^2 이라 하자. DD 안의 점에서 DD 의 중심까지의 평균 거리를 구하세요.

영어 원문 보기

The average distance of a point in a plane region DD to a point (a,b)(a, b) is defined by

1A(D)∬D(x−a)2+(y−b)2 dx dy\frac{1}{A(D)}\iint _D \sqrt{(x-a)^2+(y-b)^2}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y

where A(D)A(D) is the area of the plane region DD. Let DD be the unit disk 1≥x2+y21 \ge x^2 + y^2. Find the average distance of a point in DD to the center of DD.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

문제에서 주어진 정의에 (a,b)=(0,0)(a,b)=(0,0) 을 대입하면 평균은 다음과 같다.

1A(D)∬Dx2+y2 dx dy\begin{aligned} \frac{1}{A(D)}\iint _D \sqrt{x^2+y^2}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

분모 A(D)=πA(D) = \pi 이다. 분자는 극좌표를 이용하여 계산한다.

∬Dx2+y2 dx dy=∫02πdθ∫01dr rr2cos⁡2θ+r2sin⁡2θ=∫02πdθ∫01dr r2=∫02πdθ 13=2π3\begin{aligned} \iint _D \sqrt{x^2+y^2}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y &=\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\int_0^1\mathrm{d}r \ r\sqrt{r^2\cos^2\theta+r^2\sin^2\theta} \\ &=\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\int_0^1\mathrm{d}r\ r^2 =\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \frac{1}{3} \\ &=\frac{2\pi}{3} \end{aligned}

따라서 평균은 다음과 같다.

2π3π=23\frac{\frac{2\pi}{3}}{\pi}=\frac{2}{3}

원본 교재 풀이(영어)

By the definition given in the statement with (a,b)=(0,0)(a,b)=(0,0), the average is

1A(D)∬Dx2+y2 dx dy\begin{aligned} \frac{1}{A(D)}\iint _D \sqrt{x^2+y^2}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

The denominator A(D)=πA(D) = \pi. We'll use polar coordinates to evaluate the numerator.

∬Dx2+y2 dx dy=∫02πdθ∫01dr rr2cos⁡2θ+r2sin⁡2θ=∫02πdθ∫01dr r2=∫02πdθ 13=2π3\begin{aligned} \iint _D \sqrt{x^2+y^2}\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y &=\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\int_0^1\mathrm{d}r \ r\sqrt{r^2\cos^2\theta+r^2\sin^2\theta} \\ &=\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\int_0^1\mathrm{d}r\ r^2 =\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \frac{1}{3} \\ &=\frac{2\pi}{3} \end{aligned}

So the average is

2π3π=23\frac{\frac{2\pi}{3}}{\pi}=\frac{2}{3}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.3절 · 5번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)활용보통자동 분류
87.CLP-3 · 3.3절 · 8번대학 수준우리말 번역

금속판 하나가 있다. 이 판은 밀도가 상수 1이고 단위원판 x2+y2≤1x^2 + y^2 \le 1 을 차지한다. 이 판에서 방정식 x2+y2=xx^2 + y^2 = x 로 정의되는 원의 내부를 제거하여 초승달 모양의 금속판을 얻는다.

(a) 이 초승달 모양 판의 전체 질량을 구하세요. (b) 이 판의 질량중심의 xx좌표를 구하세요.

다음 사실을 이용해도 됩니다. ∫−π/2π/2cos⁡4(θ) dθ=3π8\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^4(\theta)\ \mathrm{d}\theta=\frac{3\pi}{8}.

영어 원문 보기

A metal crescent is obtained by removing the interior of the circle defined by the equation x2+y2=xx^2 + y^2 = x from the metal plate of constant density 1 occupying the unit disc x2+y2≤1x^2 + y^2 \le 1.

(a) Find the total mass of the crescent. (b) Find the xx-coordinate of its center of mass.

You may use the fact that ∫−π/2π/2cos⁡4(θ) dθ=3π8\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^4(\theta)\ \mathrm{d}\theta=\frac{3\pi}{8}.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

x2+y2=xx^2+y^2=x 는 (x−12)2+y2=14\left(x-\frac{1}{2}\right)^2+y^2=\frac{1}{4} 과 같은 식이고, 이는 중심이 (12,0)\left(\frac{1}{2},0\right) 이고 반지름이 12\frac{1}{2} 인 원이다. 초승달 모양을 C\mathcal{C} 라 부르고

D={ (x,y) ∣ x2+y2≤1 }H={ (x,y) ∣ (x−12)2+y2≤14 }\begin{aligned} D &= \big\{ \ (x,y)\ \big|\ x^2+y^2\le 1\ \big\} \\ H &= \big\{ \ (x,y)\ \big|\ \left(x-\tfrac{1}{2}\right)^2+y^2\le\tfrac{1}{4}\ \big\} \end{aligned}

라 하면

C=D∖H\mathcal{C}= D\setminus H

이다. 즉 C\mathcal{C} 는 원판 DD 에서 "구멍" HH 를 제거한 것이다. 다음은 개략도이다.

그림

(a) DD 는 반지름이 11 인 원판이므로 넓이가 π\pi 이다. HH 는 반지름이 1/2{1}/{2} 인 원판이므로 넓이가 π/4{\pi}/{4} 이다. C\mathcal{C} 의 밀도가 11 이므로

Mass(C)=∬CdA=∬DdA−∬HdA=π−π4=3π4\begin{aligned} \text{Mass}(\mathcal{C}) &= \iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A = \iint _D\mathrm{d}A -\iint _H\mathrm{d}A \\ &=\pi - \frac{\pi}{4} \\ &=\frac{3\pi}{4} \end{aligned}

(b) 정의에 따라 C\mathcal{C} 의 질량중심의 xx좌표는 C\mathcal{C} 위에서 xx 의 평균값이며, 이는

xˉ=∬Cx dA∬CdA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _\mathcal{C} x\,\mathrm{d}A}{\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A} \end{aligned}

이다. 앞에서 ∬CdA=3π4\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A=\frac{3\pi}{4} 임을 이미 구했다. 따라서 분자

∬Cx dA=∬Dx dA−∬Hx dA\iint _\mathcal{C} x\,\mathrm{d}A = \iint _D x\,\mathrm{d}A - \iint _H x\,\mathrm{d}A

를 구해야 한다.

xx 는 기함수이고 DD 는 x→−xx\rightarrow -x 에 대해 변하지 않으므로 ∬Dx dA=0\iint _D x\,\mathrm{d}A=0 이다. 따라서 ∬Hx dA\iint _H x\,\mathrm{d}A 만 구하면 된다. 이를 위해 극좌표를 사용하면 dA=r dr dθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이다. 극좌표에서 x2+y2=xx^2 + y^2 = x 는 r2=rcos⁡θr^2 =r\cos\theta, 즉 r=cos⁡θr=\cos\theta 이다. 따라서 위의 그림((a)의 풀이 바로 앞의 그림)을 보면, 적분 영역에서

  • θ\theta 는 −π2-\frac{\pi}{2} 부터 π2\frac{\pi}{2} 까지 변한다.
  • 그 범위의 각 고정된 θ\theta 에 대해 rr 은 00 부터 cos⁡θ\cos\theta 까지 변한다.

따라서 적분은

∬Hx dA=∫−π/2π/2dθ∫0cos⁡θdr r(rcos⁡θ)⏞x=∫−π/2π/2dθ cos⁡4θ3=π8\begin{aligned} \iint _H x\,\mathrm{d}A &= \int_{-\pi/2}^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^{\cos\theta}\mathrm{d}r\ r\overbrace{(r\cos\theta)}^{x} \\ &=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\mathrm{d}\theta \ \frac{\cos^4\theta}{3} \\ &= \frac{\pi}{8} \end{aligned}

이다. 이상을 종합하면

xˉ=∬Cx dA∬CdA=∬Dx dA−∬Hx dA∬CdA=0−π83π4=−16\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _\mathcal{C} x\,\mathrm{d}A}{\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A} = \frac{\iint _D x\,\mathrm{d}A - \iint _H x\,\mathrm{d}A}{\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A} =\frac{0-\frac{\pi}{8}}{\frac{3\pi}{4}} =-\frac{1}{6} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Note that x2+y2=xx^2+y^2=x is equivalent to (x−12)2+y2=14\left(x-\frac{1}{2}\right)^2+y^2=\frac{1}{4}, which is the circle of radius 12\frac{1}{2} centred on (12,0)\left(\frac{1}{2},0\right). Let's call the crescent C\mathcal{C} and write

D={ (x,y) ∣ x2+y2≤1 }H={ (x,y) ∣ (x−12)2+y2≤14 }\begin{aligned} D &= \big\{ \ (x,y)\ \big|\ x^2+y^2\le 1\ \big\} \\ H &= \big\{ \ (x,y)\ \big|\ \left(x-\tfrac{1}{2}\right)^2+y^2\le\tfrac{1}{4}\ \big\} \end{aligned}

so that

C=D∖H\mathcal{C}= D\setminus H

meaning that C\mathcal{C} is the disk DD with the “hole” HH removed. Here is a sketch.

figure

(a) As DD is a disk of radius 11, it has area π\pi. As HH is a disk of radius 1/2{1}/{2}, it has area π/4{\pi}/{4}. As C\mathcal{C} has density 11,

Mass(C)=∬CdA=∬DdA−∬HdA=π−π4=3π4\begin{aligned} \text{Mass}(\mathcal{C}) &= \iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A = \iint _D\mathrm{d}A -\iint _H\mathrm{d}A \\ &=\pi - \frac{\pi}{4} \\ &=\frac{3\pi}{4} \end{aligned}

(b) Recall that, by definition, the xx–coordinate of the centre of mass of C\mathcal{C} is the average value of xx over C\mathcal{C}, which is

xˉ=∬Cx dA∬CdA\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _\mathcal{C} x\,\mathrm{d}A}{\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A} \end{aligned}

We have already found that ∬CdA=3π4\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A=\frac{3\pi}{4}. So we have to determine the numerator

∬Cx dA=∬Dx dA−∬Hx dA\iint _\mathcal{C} x\,\mathrm{d}A = \iint _D x\,\mathrm{d}A - \iint _H x\,\mathrm{d}A

As xx is an odd function and DD is invariant under x→−xx\rightarrow -x, ∬Dx dA=0\iint _D x\,\mathrm{d}A=0. So we just have to determine ∬Hx dA\iint _H x\,\mathrm{d}A. To do so we'll work in polar coordinates, so that dA=r dr dθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta. In polar coordinates x2+y2=xx^2 + y^2 = x is r2=rcos⁡θr^2 =r\cos\theta or r=cos⁡θr=\cos\theta. So, looking at the figure above (just before the solution to part (a)), on the domain of integration,

  • θ\theta runs from −π2-\frac{\pi}{2} to π2\frac{\pi}{2}.
  • For each fixed θ\theta in that range, rr runs from 00 to cos⁡θ\cos\theta.

So the integral is

∬Hx dA=∫−π/2π/2dθ∫0cos⁡θdr r(rcos⁡θ)⏞x=∫−π/2π/2dθ cos⁡4θ3=π8\begin{aligned} \iint _H x\,\mathrm{d}A &= \int_{-\pi/2}^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^{\cos\theta}\mathrm{d}r\ r\overbrace{(r\cos\theta)}^{x} \\ &=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\mathrm{d}\theta \ \frac{\cos^4\theta}{3} \\ &= \frac{\pi}{8} \end{aligned}

So all together

xˉ=∬Cx dA∬CdA=∬Dx dA−∬Hx dA∬CdA=0−π83π4=−16\begin{aligned} \bar x = \frac{\iint _\mathcal{C} x\,\mathrm{d}A}{\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A} = \frac{\iint _D x\,\mathrm{d}A - \iint _H x\,\mathrm{d}A}{\iint _\mathcal{C} \mathrm{d}A} =\frac{0-\frac{\pi}{8}}{\frac{3\pi}{4}} =-\frac{1}{6} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.3절 · 9번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)계산보통자동 분류
88.CLP-3 · 3.3절 · 9번대학 수준우리말 번역

DD 를 xyxy–평면에서 원 x2+(y−1)2=1x^2+(y-1)^2=1 의 내부에 있으면서 원 x2+y2=2x^2+y^2=2 의 외부에 있는 영역이라고 하자. 밀도가 다음과 같이 주어질 때, 이 영역의 질량을 구하세요. ρ(x,y)=2x2+y2\rho(x,y)=\frac{2}{\sqrt{x^2+y^2}}

영어 원문 보기

Let DD be the region in the xyxy–plane which is inside the circle x2+(y−1)2=1x^2+(y-1)^2=1 but outside the circle x2+y2=2x^2+y^2=2. Determine the mass of this region if the density is given by ρ(x,y)=2x2+y2\rho(x,y)=\frac{2}{\sqrt{x^2+y^2}}

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

정의역은 아래 그림과 같다.

그림

두 원은 x2+y2=2x^2+y^2=2 이고 다음을 만족할 때 만난다.

x2+(y−1)2=2−y2+(y−1)2=1  ⟺  −2y+3=1  ⟺  y=1 그리고 x=±1\begin{aligned} x^2+(y-1)^2=2-y^2+(y-1)^2=1 \iff -2y+3=1\iff y=1\text{ 그리고 } x=\pm 1 \end{aligned}

극좌표에서 x2+y2=2x^2+y^2=2 는 r=2r=\sqrt{2} 이고, x2+(y−1)2=x2+y2−2y+1=1x^2+(y-1)^2=x^2+y^2-2y+1=1 은 r2−2rsin⁡θ=0r^2-2r\sin\theta=0 즉 r=2sin⁡θr=2\sin\theta 이다. 두 곡선은 r=2r=\sqrt{2} 이고 2=2sin⁡θ\sqrt{2}=2\sin\theta 일 때 만나므로 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 또는 34π\frac{3}{4}\pi 이다. 따라서

D={ (rcos⁡θ,rsin⁡θ) ∣ 14π≤θ≤34π, 2≤r≤2sin⁡θ }D=\big\{ \ (r\cos\theta,r\sin\theta)\ \big|\ \tfrac{1}{4}\pi\le\theta\le\tfrac{3}{4}\pi,\ \sqrt{2}\le r\le 2\sin\theta\ \big\}

이고, 밀도가 2r\frac{2}{r} 이므로

질량=∫π/43π/4dθ∫22sin⁡θdr r2r=2∫π/43π/4dθ [2sin⁡θ−2 ]=4∫π/4π/2dθ [2sin⁡θ−2 ]=4[−2cos⁡θ−2θ]π/4π/2=42−2π≈1.214\begin{aligned} \text{질량} &=\int_{\pi/4}^{3\pi/4}\mathrm{d}\theta\int^{2\sin\theta}_{\sqrt{2}}\mathrm{d}r\ r\frac{2}{r} =2\int_{\pi/4}^{3\pi/4}\mathrm{d}\theta\ \big[2\sin\theta -\sqrt{2}\,\big] =4\int_{\pi/4}^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \big[2\sin\theta -\sqrt{2}\,\big] \\ &=4\Big[-2\cos\theta -\sqrt{2}\theta\Big] _{\pi/4}^{\pi/2} =4\sqrt{2} -\sqrt{2}\pi\approx 1.214 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The domain is pictured below.

figure

The two circles intersect when x2+y2=2x^2+y^2=2 and

x2+(y−1)2=2−y2+(y−1)2=1  ⟺  −2y+3=1  ⟺  y=1 and x=±1\begin{aligned} x^2+(y-1)^2=2-y^2+(y-1)^2=1 \iff -2y+3=1\iff y=1\text{ and } x=\pm 1 \end{aligned}

In polar coordinates x2+y2=2x^2+y^2=2 is r=2r=\sqrt{2} and x2+(y−1)2=x2+y2−2y+1=1x^2+(y-1)^2=x^2+y^2-2y+1=1 is r2−2rsin⁡θ=0r^2-2r\sin\theta=0 or r=2sin⁡θr=2\sin\theta. The two curves intersect when r=2r=\sqrt{2} and2=2sin⁡θ\sqrt{2}=2\sin\theta so that θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} or 34π\frac{3}{4}\pi. So

D={ (rcos⁡θ,rsin⁡θ) ∣ 14π≤θ≤34π, 2≤r≤2sin⁡θ }D=\big\{ \ (r\cos\theta,r\sin\theta)\ \big|\ \tfrac{1}{4}\pi\le\theta\le\tfrac{3}{4}\pi,\ \sqrt{2}\le r\le 2\sin\theta\ \big\}

and, as the density is 2r\frac{2}{r},

mass=∫π/43π/4dθ∫22sin⁡θdr r2r=2∫π/43π/4dθ [2sin⁡θ−2 ]=4∫π/4π/2dθ [2sin⁡θ−2 ]=4[−2cos⁡θ−2θ]π/4π/2=42−2π≈1.214\begin{aligned} \text{mass} &=\int_{\pi/4}^{3\pi/4}\mathrm{d}\theta\int^{2\sin\theta}_{\sqrt{2}}\mathrm{d}r\ r\frac{2}{r} =2\int_{\pi/4}^{3\pi/4}\mathrm{d}\theta\ \big[2\sin\theta -\sqrt{2}\,\big] =4\int_{\pi/4}^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \big[2\sin\theta -\sqrt{2}\,\big] \\ &=4\Big[-2\cos\theta -\sqrt{2}\theta\Big] _{\pi/4}^{\pi/2} =4\sqrt{2} -\sqrt{2}\pi\approx 1.214 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 3.3절 · 6번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)계산보통자동 분류
89.CLP-3 · 3.3절 · 10번대학 수준우리말 번역

aa, bb, cc 를 양수라 하고, TT 를 꼭짓점이 (−a,0)(-a,0), (b,0)(b,0), (0,c)(0,c) 인 삼각형이라 하자.

(a) TT 위에서 밀도가 상수라고 가정할 때, TT 의 질량중심을 구하세요. (b) TT 의 중선은 TT 의 한 꼭짓점과 그 대변의 중점을 잇는 선분이다. 임의의 삼각형의 세 중선은 한 점에서 만난다는 것은 잘 알려진 사실이며, 이 점을 TT 의 무게중심이라 한다. TT 의 무게중심이 TT 의 질량중심임을 보이세요.

영어 원문 보기

Let aa, bb and cc be positive numbers, and let TT be the triangle whose vertices are (−a,0)(-a,0), (b,0)(b,0) and (0,c)(0,c).

(a) Assuming that the density is constant on TT, find the center of mass of TT. (b) The medians of TT are the line segments which join a vertex of TT 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 TT. Show that the centroid of TT is its centre of mass.

정답·풀이 보기

(a) (−a,0)(-a,0) 에서 (0,c)(0,c) 까지의 삼각형의 변은 그 두 점을 지나는 직선이다. x=−ax=-a 일 때 y=0y=0 이므로, 이 직선의 방정식은 어떤 상수 KK 에 대해 y=K(x+a)y=K(x+a) 꼴이어야 한다. x=0x=0 일 때 y=cy=c 이므로 상수 K=caK=\frac{c}{a} 이다. 따라서 방정식은 y=ca(x+a)y=\frac{c}{a}(x+a) 이고, 이는 방정식 cx−ay=−accx-ay=-ac 와 같다. 마찬가지로 (b,0)(b,0) 에서 (0,c)(0,c) 까지의 삼각형의 변의 방정식은 y=cb(b−x)y=\frac{c}{b}(b-x) 이다. 삼각형의 넓이는 A=12(a+b)cA=\frac{1}{2}(a+b)c 이다. 질량중심 (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y) 는 다음과 같다.

xˉ=1A∬Tx dxdyyˉ=1A∬Ty dxdy\begin{aligned} \bar x=\frac{1}{A}\iint _T x\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y\qquad \bar y=\frac{1}{A}\iint _T y\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y \end{aligned}

이 적분들을 계산하기 위해 그림과 같이 삼각형을 세로 띠로 나눈다.

그림

xˉ=1A∬Tx dxdy=1A(∫−a0dx∫0c+caxdy x+∫0bdx∫0c−cbxdy x)=1A(∫−a0dx x(c+cax)+∫0bdx x(c−cbx))=1A([12cx2+c3ax3]−a0+[12cx2−c3bx3]0b)=212c(b2−a2)+c3(a2−b2)(a+b)c=13(b−a)yˉ=1A∬Ty dxdy=1A(∫−a0dx∫0c+caxdy y+∫0bdx∫0c−cbxdy y)=1A(∫−a0dx 12(c+cax)2+∫0bdx 12(c−cbx)2)=1A(a6c[c+cax]3∣−a0−b6c(c−cbx)3∣0b )=2ac26+bc26(a+b)c=c3\begin{aligned} \bar x&=\frac{1}{A}\iint _T x\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y \\ &=\frac{1}{A}\bigg(\int_{-a}^0 \mathrm{d}x\int_0^{c+{c\over a}x}\mathrm{d}y\ x +\int_0^b \mathrm{d}x\int_0^{c-{c\over b}x}\mathrm{d}y\ x\bigg)\\ &=\frac{1}{A}\bigg(\int_{-a}^0 \mathrm{d}x\ x\left(c+\frac{c}{a}x\right) +\int_0^b \mathrm{d}x\ x\left(c-\frac{c}{b}x\right)\bigg)\\ &=\frac{1}{A}\left(\left[\frac{1}{2} cx^2+\frac{c}{3a}x^3\right]_{-a}^0 +\left[\frac{1}{2} cx^2-\frac{c}{3b}x^3\right]_0^b\right) \\ &=2\frac{\frac{1}{2} c(b^2-a^2)+\frac{c}{3}(a^2-b^2)}{(a+b)c} =\frac{1}{3}(b-a)\\ \bar y&=\frac{1}{A}\iint _T y\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y \\ &=\frac{1}{A}\bigg(\int_{-a}^0 \mathrm{d}x\int_0^{c+{c\over a}x}\mathrm{d}y\ y +\int_0^b \mathrm{d}x\int_0^{c-{c\over b}x}\mathrm{d}y\ y\bigg)\\ &=\frac{1}{A}\bigg(\int_{-a}^0 \mathrm{d}x\ \frac{1}{2}\left(c+\frac{c}{a}x\right)^2 +\int_0^b \mathrm{d}x\ \frac{1}{2}\left(c-\frac{c}{b}x\right)^2\bigg)\\ &=\frac{1}{A}\left(\frac{a}{6c}\left[c+\frac{c}{a}x\right]^3\bigg|_{-a}^0 -\frac{b}{6c}\left(c-\frac{c}{b}x\right)^3\bigg|_0^b\, \right) \\ &=2\frac{\frac{ac^2}{6}+\frac{bc^2}{6}}{(a+b)c} =\frac{c}{3} \end{aligned}

(b) (−a,0)(-a,0) 의 대변의 중점은 12[(b,0)+(0,c)]=12(b,c)\frac{1}{2}\big[(b,0)+(0,c)\big]=\frac{1}{2}(b,c) 이다. (−a,0)(-a,0) 에서 12(b,c)\frac{1}{2}(b,c) 로 향하는 벡터는 12<b,c>−<−a,0>=<a+b2,c2> \frac{1}{2}\left< b,c\right>-\left<-a,0\right> =\left< a+\frac{b}{2},\frac{c}{2}\right> 이다. 따라서 이 두 점을 잇는 직선의 벡터 매개변수 방정식은 다음과 같다.

r(t)=<−a,0>+t<a+12b , 12c>\mathbf{r}(t)=\left< -a,0\right>+t\left< a+\frac{1}{2} b\,,\,\frac{1}{2} c\right>

그림

다음이 성립하므로 점 (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y) 는 이 직선 위에 있다.

r(23)=(13(b−a) , c3)=(xˉ,yˉ)\mathbf{r}\left(\frac{2}{3}\right)=\left(\frac{1}{3}(b-a)\,,\,\frac{c}{3}\right) =(\bar x,\bar y)

마찬가지로 (b,0)(b,0) 의 대변의 중점은 12(−a,c)\frac{1}{2}(-a,c) 이다. 이 두 점을 잇는 직선의 벡터 매개변수 방정식은 다음과 같다.

r(t)=<b,0>+t<−b−12a , 12c>\mathbf{r}(t)=\left< b,0\right> +t\left<-b-\frac{1}{2} a\,,\,\frac{1}{2} c\right>

다음이 성립하므로 점 (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y) 는 이 직선 위에도 있다.

r(23)=(13(b−a),c3)=(xˉ,yˉ)\mathbf{r}\left(\frac{2}{3}\right)=\left(\frac{1}{3}(b-a),\frac{c}{3}\right) =(\bar x,\bar y)

(xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y) 가 세 번째 중선 위에 있는지 확인할 필요는 사실 없지만, 어쨌든 확인해 보자. (0,c)(0,c) 의 대변의 중점은 12(b−a,0)\frac{1}{2}(b-a,0) 이다. 이 두 점을 잇는 직선의 벡터 매개변수 방정식은 다음과 같다.

r(t)=<0,c>+t<b2−a2,−c>\mathbf{r}(t)=\left< 0,c\right>+t\left<\frac{b}{2}-\frac{a}{2},-c\right>

다음이 성립하므로 점 (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y) 는 이 중선 위에도 있다.

r(23)=(13(b−a),c3)=(xˉ,yˉ)\mathbf{r}\left(\frac{2}{3}\right)=\left(\frac{1}{3}(b-a),\frac{c}{3}\right) =(\bar x,\bar y)

원본 교재 풀이(영어)

(a) The side of the triangle from (−a,0)(-a,0) to (0,c)(0,c) is straight line that passes through those two points. As y=0y=0 when x=−ax=-a, the line must have an equation of the form y=K(x+a)y=K(x+a) for some constant KK. Since y=cy=c when x=0x=0, the constant K=caK=\frac{c}{a}. So that the equation is y=ca(x+a)y=\frac{c}{a}(x+a). has equation cx−ay=−accx-ay=-ac. Similarly the side of the triangle from (b,0)(b,0) to (0,c)(0,c) has equation y=cb(b−x)y=\frac{c}{b}(b-x). The triangle has area A=12(a+b)cA=\frac{1}{2}(a+b)c. It has centre of mass (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y) with

xˉ=1A∬Tx dxdyyˉ=1A∬Ty dxdy\begin{aligned} \bar x=\frac{1}{A}\iint _T x\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y\qquad \bar y=\frac{1}{A}\iint _T y\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y \end{aligned}

To evaluate the integrals we'll decompose the triangle into vertical strips as in the figure

figure

xˉ=1A∬Tx dxdy=1A(∫−a0dx∫0c+caxdy x+∫0bdx∫0c−cbxdy x)=1A(∫−a0dx x(c+cax)+∫0bdx x(c−cbx))=1A([12cx2+c3ax3]−a0+[12cx2−c3bx3]0b)=212c(b2−a2)+c3(a2−b2)(a+b)c=13(b−a)yˉ=1A∬Ty dxdy=1A(∫−a0dx∫0c+caxdy y+∫0bdx∫0c−cbxdy y)=1A(∫−a0dx 12(c+cax)2+∫0bdx 12(c−cbx)2)=1A(a6c[c+cax]3∣−a0−b6c(c−cbx)3∣0b )=2ac26+bc26(a+b)c=c3\begin{aligned} \bar x&=\frac{1}{A}\iint _T x\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y \\ &=\frac{1}{A}\bigg(\int_{-a}^0 \mathrm{d}x\int_0^{c+{c\over a}x}\mathrm{d}y\ x +\int_0^b \mathrm{d}x\int_0^{c-{c\over b}x}\mathrm{d}y\ x\bigg)\\ &=\frac{1}{A}\bigg(\int_{-a}^0 \mathrm{d}x\ x\left(c+\frac{c}{a}x\right) +\int_0^b \mathrm{d}x\ x\left(c-\frac{c}{b}x\right)\bigg)\\ &=\frac{1}{A}\left(\left[\frac{1}{2} cx^2+\frac{c}{3a}x^3\right]_{-a}^0 +\left[\frac{1}{2} cx^2-\frac{c}{3b}x^3\right]_0^b\right) \\ &=2\frac{\frac{1}{2} c(b^2-a^2)+\frac{c}{3}(a^2-b^2)}{(a+b)c} =\frac{1}{3}(b-a)\\ \bar y&=\frac{1}{A}\iint _T y\ \mathrm{d}x\mathrm{d}y \\ &=\frac{1}{A}\bigg(\int_{-a}^0 \mathrm{d}x\int_0^{c+{c\over a}x}\mathrm{d}y\ y +\int_0^b \mathrm{d}x\int_0^{c-{c\over b}x}\mathrm{d}y\ y\bigg)\\ &=\frac{1}{A}\bigg(\int_{-a}^0 \mathrm{d}x\ \frac{1}{2}\left(c+\frac{c}{a}x\right)^2 +\int_0^b \mathrm{d}x\ \frac{1}{2}\left(c-\frac{c}{b}x\right)^2\bigg)\\ &=\frac{1}{A}\left(\frac{a}{6c}\left[c+\frac{c}{a}x\right]^3\bigg|_{-a}^0 -\frac{b}{6c}\left(c-\frac{c}{b}x\right)^3\bigg|_0^b\, \right) \\ &=2\frac{\frac{ac^2}{6}+\frac{bc^2}{6}}{(a+b)c} =\frac{c}{3} \end{aligned}

(b) The midpoint of the side opposite (−a,0)(-a,0) is 12[(b,0)+(0,c)]=12(b,c)\frac{1}{2}\big[(b,0)+(0,c)\big]=\frac{1}{2}(b,c). The vector from (−a,0)(-a,0) to 12(b,c)\frac{1}{2}(b,c) is 12<b,c>−<−a,0>=<a+b2,c2> \frac{1}{2}\left< b,c\right>-\left<-a,0\right> =\left< a+\frac{b}{2},\frac{c}{2}\right>. So the line joining these two points has vector parametric equation

r(t)=<−a,0>+t<a+12b , 12c>\mathbf{r}(t)=\left< -a,0\right>+t\left< a+\frac{1}{2} b\,,\,\frac{1}{2} c\right>

figure

The point (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y) lies on this line since

r(23)=(13(b−a) , c3)=(xˉ,yˉ)\mathbf{r}\left(\frac{2}{3}\right)=\left(\frac{1}{3}(b-a)\,,\,\frac{c}{3}\right) =(\bar x,\bar y)

Similarly, the midpoint of the side opposite (b,0)(b,0) is 12(−a,c)\frac{1}{2}(-a,c). The line joining these two points has vector parametric equation

r(t)=<b,0>+t<−b−12a , 12c>\mathbf{r}(t)=\left< b,0\right> +t\left<-b-\frac{1}{2} a\,,\,\frac{1}{2} c\right>

The point (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y) lies on this line too, since

r(23)=(13(b−a),c3)=(xˉ,yˉ)\mathbf{r}\left(\frac{2}{3}\right)=\left(\frac{1}{3}(b-a),\frac{c}{3}\right) =(\bar x,\bar y)

It is not really necessary to check that (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y) lies on the third median, but let's do it anyway. The midpoint of the side opposite (0,c)(0,c) is 12(b−a,0)\frac{1}{2}(b-a,0). The line joining these two points has vector parametric equation

r(t)=<0,c>+t<b2−a2,−c>\mathbf{r}(t)=\left< 0,c\right>+t\left<\frac{b}{2}-\frac{a}{2},-c\right>

The point (xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y) lies on this median too, since

r(23)=(13(b−a),c3)=(xˉ,yˉ)\mathbf{r}\left(\frac{2}{3}\right)=\left(\frac{1}{3}(b-a),\frac{c}{3}\right) =(\bar x,\bar y)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 5.6절 · 47번
# 다중적분의 응용(질량·질량중심)증명·논술도전자동 분류