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다중적분의 응용(질량·질량중심)

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

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 문제OpenStax 3권 · 5.6절 · 47번우리말 번역

입체 QQ 의 질량이 ∫022 ∫08−x2 ∫x2+y216−x2−y2(x2+y2+z2)ndz dy dx\int_{0}^{2\sqrt{2}}\,\int_{0}^{\sqrt{8-{x}^{2}}}\,\int_{\sqrt{{x}^{2}+{y}^{2}}}^{\sqrt{16-{x}^{2}-{y}^{2}}}{({x}^{2}+{y}^{2}+{z}^{2})}^{n}dz\,dy\,dx 로 주어진다. 여기서 nn 은 정수이다. 입체의 질량이 (2−2)π\left(2-\sqrt{2}\right)\pi 가 되도록 하는 nn 의 값을 구하세요.

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n=−1n=-1

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