문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다중적분

극좌표 이중적분

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

CLP-3 · 3.2절 · 16번대학 수준우리말 번역

이 문제는 다음 적분에 관한 것이다.

∫01∫3y4−y2ln⁡(1+x2+y2) dx dy\int_0^1 \int_{\sqrt{3}y}^{\sqrt{4-y^2}} \ln\big(1+x^2+y^2)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y

(a) 적분 영역을 그림으로 그리세요. (b) 극좌표로 변환하여 적분의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

This question is about the integral

∫01∫3y4−y2ln⁡(1+x2+y2) dx dy\int_0^1 \int_{\sqrt{3}y}^{\sqrt{4-y^2}} \ln\big(1+x^2+y^2)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y

(a) Sketch the domain of integration. (b) Evaluate the integral by transforming to polar coordinates.

정답·풀이 보기

(a) 적분 영역에서

  • yy 는 00 부터 11 까지 변한다. 부등식으로 나타내면 0≤y≤10\le y\le 1 이다.
  • 이 범위의 각 고정된 yy 에 대해 xx 는 3 y\sqrt{3}\,y 부터 4−y2\sqrt{4-y^2} 까지 변한다. 부등식으로 나타내면 3 y≤x≤4−y2\sqrt{3}\,y\le x\le \sqrt{4-y^2} 이다. 부등식 x≤4−y2x\le \sqrt{4-y^2}, x≥0x\ge 0 은 x2+y2≤4x^2+y^2\le 4, x≥0x\ge 0 과 같음에 주의한다.

직선 x=3 yx=\sqrt{3}\, y 와 원 x2+y2≤4x^2+y^2\le 4 는 3y2+y2=43y^2+y^2=4 일 때, 즉 y=±1y=\pm 1 일 때 만난다. 그림은 다음과 같다.

그림

(b) 극좌표에서 원 x2+y2=4x^2+y^2= 4 는 r=2r=2 이고 직선 x=3 yx=\sqrt{3}\, y, 즉 yx=13\frac{y}{x} =\frac{1}{\sqrt{3}} 은 tan⁡θ=13\tan\theta=\frac{1}{\sqrt{3}}, 곧 θ=π6\theta=\frac{\pi}{6} 이다. dx dy=r dr dθ\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이므로 적분 영역은

{ (rcos⁡θ,rsin⁡θ) ∣ 0≤θ≤π/6, 0≤r≤2 }\begin{aligned} \big\{ \ (r\cos\theta,r\sin\theta)\ \big|\ 0\le \theta\le{\pi}/{6},\ 0\le r\le 2\ \big\} \end{aligned}

이고

∫01∫3y4−y2ln⁡(1+x2+y2) dx dy=∫02dr∫0π/6dθ r ln⁡(1+r2)=π6∫02dr r ln⁡(1+r2)=π12∫15duln⁡(u)여기서 u=1+r2, du=2r dr=π12[uln⁡(u)−u]15=π12[5ln⁡(5)−4]\begin{aligned} \int_0^1 \int_{\sqrt{3}y}^{\sqrt{4-y^2}} \ln\big(1+x^2+y^2)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y &= \int_0^2\mathrm{d}r\int_0^{\pi/6}\mathrm{d}\theta\ r\,\ln(1+r^2) = \frac{\pi}{6}\int_0^2\mathrm{d}r\ r\,\ln(1+r^2) \\ &=\frac{\pi}{12}\int_1^5 \mathrm{d}u \ln(u) \qquad\text{여기서 }u=1+r^2,\ \mathrm{d}u=2r\,\mathrm{d}r \\ &=\frac{\pi}{12}\Big[u\ln(u)-u\Big]_1^5 \\ &=\frac{\pi}{12}\big[5\ln(5)-4\big] \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) On the domain of integration

  • yy runs from 00 to 11. In inequalities, 0≤y≤10\le y\le 1.
  • For each fixed yy in that range, xx runs from 3 y\sqrt{3}\,y to 4−y2\sqrt{4-y^2}. In inequalities, that is 3 y≤x≤4−y2\sqrt{3}\,y\le x\le \sqrt{4-y^2}. Note that the inequalities x≤4−y2x\le \sqrt{4-y^2}, x≥0x\ge 0 are equivalent to x2+y2≤4x^2+y^2\le 4, x≥0x\ge 0.

Note that the line x=3 yx=\sqrt{3}\, y and the circle x2+y2≤4x^2+y^2\le 4 intersect when 3y2+y2=43y^2+y^2=4, i.e. y=±1y=\pm 1. Here is a sketch.

figure

(b) In polar coordinates, the circle x2+y2=4x^2+y^2= 4 is r=2r=2 and the line x=3 yx=\sqrt{3}\, y, i.e. yx=13\frac{y}{x} =\frac{1}{\sqrt{3}}, is tan⁡θ=13\tan\theta=\frac{1}{\sqrt{3}} or θ=π6\theta=\frac{\pi}{6}. As dx dy=r dr dθ\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta, the domain of integration is

{ (rcos⁡θ,rsin⁡θ) ∣ 0≤θ≤π/6, 0≤r≤2 }\begin{aligned} \big\{ \ (r\cos\theta,r\sin\theta)\ \big|\ 0\le \theta\le{\pi}/{6},\ 0\le r\le 2\ \big\} \end{aligned}

and

∫01∫3y4−y2ln⁡(1+x2+y2) dx dy=∫02dr∫0π/6dθ r ln⁡(1+r2)=π6∫02dr r ln⁡(1+r2)=π12∫15duln⁡(u)with u=1+r2, du=2r dr=π12[uln⁡(u)−u]15=π12[5ln⁡(5)−4]\begin{aligned} \int_0^1 \int_{\sqrt{3}y}^{\sqrt{4-y^2}} \ln\big(1+x^2+y^2)\ \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y &= \int_0^2\mathrm{d}r\int_0^{\pi/6}\mathrm{d}\theta\ r\,\ln(1+r^2) = \frac{\pi}{6}\int_0^2\mathrm{d}r\ r\,\ln(1+r^2) \\ &=\frac{\pi}{12}\int_1^5 \mathrm{d}u \ln(u) \qquad\text{with }u=1+r^2,\ \mathrm{d}u=2r\,\mathrm{d}r \\ &=\frac{\pi}{12}\Big[u\ln(u)-u\Big]_1^5 \\ &=\frac{\pi}{12}\big[5\ln(5)-4\big] \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 3.2절 · 17번우리말 번역

xyxy–평면에서 왼쪽은 직선 x=2x = 2 로, 오른쪽은 원 x2+y2=16x^2 + y^2 = 16 으로 둘러싸인 영역을 DD 라 하자. 다음 값을 구하세요.

∬D(x2+y2)−3/2 dA\iint _D\big(x^2+y^2\big)^{-3/2}\ \mathrm{d}A

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다음은 DD 의 그림이다.

그림

극좌표를 사용한다. 극좌표에서 원 x2+y2=16x^2+y^2=16 은 r=4r=4 이고 직선 x=2x=2 는 rcos⁡θ=2r\cos\theta =2 이다. 따라서

D={(rcos⁡θ , rsin⁡θ) ∣ −π3≤θ≤π3, 2cos⁡θ≤r≤4 }\begin{aligned} D = \left\{(r\cos\theta\,,\,r\sin\theta)\ \left|\ -\frac{\pi}{3}\le\theta\le\frac{\pi}{3},\ \frac{2}{\cos\theta}\le r\le 4\ \right.\right\} \end{aligned}

이고, dA=r dr dθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이므로 주어진 적분은 다음과 같다.

∬D(x2+y2)−3/2 dA=∫−π/3π/3dθ∫2/cos⁡θ4dr r1r3=∫−π/3π/3dθ [−1r]2/cos⁡θ4=∫−π/3π/3dθ [cos⁡θ2−14]=[sin⁡θ2−θ4]−π/3π/3=32−π6\begin{aligned} \iint _D\big(x^2+y^2\big)^{-3/2}\ \mathrm{d}A &= \int_{-\pi/3}^{\pi/3} \mathrm{d}\theta\int_{2/\cos\theta}^4\mathrm{d}r\ r\frac{1}{r^3} \\ &= \int_{-\pi/3}^{\pi/3} \mathrm{d}\theta\ \left[-\frac{1}{r}\right]_{2/\cos\theta}^4 \\ &= \int_{-\pi/3}^{\pi/3} \mathrm{d}\theta\ \left[\frac{\cos\theta}{2}-\frac{1}{4}\right] \\ &= \left[\frac{\sin\theta}{2}-\frac{\theta}{4}\right]_{-\pi/3}^{\pi/3} \\ &=\frac{\sqrt{3}}{2}-\frac{\pi}{6} \end{aligned}

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