문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다중적분

삼중적분

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

CLP-3 · 3.5절 · 3번대학 수준우리말 번역

RR 이 좌표평면과 평면 xa+yb+zc=1\frac{x}{a}+\frac{y}{b}+\frac{z}{c}=1 로 둘러싸인 사면체일 때, ∭Rx dV\displaystyle \iiint _R x\ \mathrm{d}V 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∭Rx dV\displaystyle \iiint _R x\ \mathrm{d}V where RR is the tetrahedron bounded by the coordinate planes and the plane xa+yb+zc=1\frac{x}{a}+\frac{y}{b}+\frac{z}{c}=1.

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적분 영역은 다음과 같다.

V={ (x,y,z) ∣ x,y,z≥0, xa+yb+zc≤1 }V=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x,y,z\ge 0,\ \tfrac{x}{a}+\tfrac{y}{b}+\tfrac{z}{c}\le 1\ \big\}

  • VV 에서 zc≤1−xa−yb\tfrac{z}{c}\le 1-\tfrac{x}{a}-\tfrac{y}{b} 이고 x,y≥0x,y\ge0 이므로, VV 에서 zz 의 최댓값은 x=y=0x=y=0 일 때 얻어지며 cc 이다. 따라서 VV 에서 zz 는 00 부터 cc 까지 변한다.
  • 0≤z≤c0\le z\le c 인 각각의 고정된 zz 에 대해, (x,y)(x,y) 는 다음 영역의 모든 값을 취한다.

Dz={ (x,y) ∣ x,y≥0, xa+yb≤1−zc }D_z=\big\{ \ (x,y)\ \big|\ x,y\ge 0,\ \tfrac{x}{a}+\tfrac{y}{b}\le 1-\tfrac{z}{c}\ \big\}

DzD_z 에서 yy 의 최댓값은 x=0x=0 일 때 얻어지며 b(1−zc)b\left(1-\tfrac{z}{c}\right) 이다. 따라서 DzD_z 에서 yy 는 00 부터 b(1−zc)b\left(1-\tfrac{z}{c}\right) 까지 변한다.

  • 0≤z≤c0\le z\le c 와 0≤y≤b(1−zc)0\le y \le b\left(1-\tfrac{z}{c}\right) 인 각각의 고정된 zz, yy 에 대해, xx 는 다음 범위를 움직인다.

Dy,z={ x ∣ 0≤x≤a(1−yb−zc) }D_{y,z}=\big\{ \ x\ \big|\ 0\le x \le a\left(1-\tfrac{y}{b}-\tfrac{z}{c}\right)\ \big\}

이는 아래 오른쪽 그림에 나타나 있다.

그림

그림

따라서 주어진 적분은 다음과 같다.

∭Rx dV=∫0cdz∬Dzdx dy x=∫0cdz∫0b(1−zc)dy∫Dy,zdx x=∫0cdz∫0b(1−zc)dy∫0a(1−yb−zc)dx x=∫0cdz∫0b(1−zc)dy a22(1−yb−zc)2=∫0cdz [−a2b6(1−yb−zc)3]0b(1−zc)=∫0cdz a2b6(1−zc)3=[−a2bc24(1−zc)4]0c=a2bc24\begin{aligned} \iiint _R x\ \mathrm{d}V &=\int_0^c \mathrm{d}z \iint _{D_z} \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\ x = \int_0^c \mathrm{d}z\int_0^{b(1-{z\over c})}\mathrm{d}y\int_{D_{y,z}}\mathrm{d}x\ x\\ &=\int_0^c \mathrm{d}z\int_0^{b(1-{z\over c})}\mathrm{d}y \int_0^{a(1-{y\over b}-{z\over c})} \mathrm{d}x\ x =\int_0^c \mathrm{d}z\int_0^{b(1-{z\over c})} \mathrm{d}y\ \frac{a^2}{2} \left(1-\frac{y}{b}-\frac{z}{c}\right)^2 \\ &=\int_0^c \mathrm{d}z\ \left[-\frac{a^2b}{6} \left(1-\frac{y}{b}-\frac{z}{c}\right)^3 \right]_0^{b(1-{z\over c})} =\int_0^c \mathrm{d}z\ \frac{a^2b}{6}\left(1-\frac{z}{c}\right)^3 \\ &=\left[-\frac{a^2bc}{24}\left(1-\frac{z}{c}\right)^4 \right]_0^c =\frac{a^2bc}{24} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The domain of integration is

V={ (x,y,z) ∣ x,y,z≥0, xa+yb+zc≤1 }V=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x,y,z\ge 0,\ \tfrac{x}{a}+\tfrac{y}{b}+\tfrac{z}{c}\le 1\ \big\}

  • In VV, zc≤1−xa−yb\tfrac{z}{c}\le 1-\tfrac{x}{a}-\tfrac{y}{b} and x,y≥0x,y\ge0, so the biggest value of zz in VV is achieved when x=y=0x=y=0 and is cc. Thus, in VV, zz runs from 00 to cc.
  • For each fixed 0≤z≤c0\le z\le c, (x,y)(x,y) takes all values in

Dz={ (x,y) ∣ x,y≥0, xa+yb≤1−zc }D_z=\big\{ \ (x,y)\ \big|\ x,y\ge 0,\ \tfrac{x}{a}+\tfrac{y}{b}\le 1-\tfrac{z}{c}\ \big\}

The biggest value of yy on DzD_z is achieved when x=0x=0 and is b(1−zc)b\left(1-\tfrac{z}{c}\right). Thus, on DzD_z, yy runs from 00 to b(1−zc)b\left(1-\tfrac{z}{c}\right).

  • For each fixed 0≤z≤c0\le z\le c and 0≤y≤b(1−zc)0\le y \le b\left(1-\tfrac{z}{c}\right), xx runs over

Dy,z={ x ∣ 0≤x≤a(1−yb−zc) }D_{y,z}=\big\{ \ x\ \big|\ 0\le x \le a\left(1-\tfrac{y}{b}-\tfrac{z}{c}\right)\ \big\}

This is pictured in the figure on the right below.

figure

figure

So the specified integral is

∭Rx dV=∫0cdz∬Dzdx dy x=∫0cdz∫0b(1−zc)dy∫Dy,zdx x=∫0cdz∫0b(1−zc)dy∫0a(1−yb−zc)dx x=∫0cdz∫0b(1−zc)dy a22(1−yb−zc)2=∫0cdz [−a2b6(1−yb−zc)3]0b(1−zc)=∫0cdz a2b6(1−zc)3=[−a2bc24(1−zc)4]0c=a2bc24\begin{aligned} \iiint _R x\ \mathrm{d}V &=\int_0^c \mathrm{d}z \iint _{D_z} \mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\ x = \int_0^c \mathrm{d}z\int_0^{b(1-{z\over c})}\mathrm{d}y\int_{D_{y,z}}\mathrm{d}x\ x\\ &=\int_0^c \mathrm{d}z\int_0^{b(1-{z\over c})}\mathrm{d}y \int_0^{a(1-{y\over b}-{z\over c})} \mathrm{d}x\ x =\int_0^c \mathrm{d}z\int_0^{b(1-{z\over c})} \mathrm{d}y\ \frac{a^2}{2} \left(1-\frac{y}{b}-\frac{z}{c}\right)^2 \\ &=\int_0^c \mathrm{d}z\ \left[-\frac{a^2b}{6} \left(1-\frac{y}{b}-\frac{z}{c}\right)^3 \right]_0^{b(1-{z\over c})} =\int_0^c \mathrm{d}z\ \frac{a^2b}{6}\left(1-\frac{z}{c}\right)^3 \\ &=\left[-\frac{a^2bc}{24}\left(1-\frac{z}{c}\right)^4 \right]_0^c =\frac{a^2bc}{24} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 3.5절 · 13번우리말 번역

EE 를 좌표평면, 평면 x+y=1x + y = 1, 곡면 z=y2z = y^2 으로 둘러싸인 제1팔분공간의 영역이라 하자. ∭Ez dV\iiint _E z\ \mathrm{d}V 의 값을 구하세요.

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다 풀었으면 정답 확인

먼저 EE 가 어떤 모양인지 파악해야 한다. 다음은 평면 x+y=1x+y=1 (왼쪽)과, 좌표평면 x=0x=0, y=0y=0, z=0z=0 및 평면 x+y=1x+y=1 로 둘러싸인 "탑"(오른쪽)의 그림이다.

그림

그림

다음은 포물기둥 z=y2z=y^2 (왼쪽)이다. EE 는 포물기둥 z=y2z=y^2 으로 탑 x≥0x\ge 0, y≥0y\ge 0, z≥0z\ge 0, x+y≤1x+y\le 1 의 윗부분을 잘라 내어 만든 것이다. 오른쪽 그림은 그 모양이다.

그림

그림

따라서

E={ (x,y,z) ∣ 0≤x≤1, 0≤y≤1−x, 0≤z≤y2 }E=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 0\le x\le 1,\ 0\le y\le 1-x,\ 0\le z\le y^2\ \big\}

이고 적분은

∭Ez dV=∫01dx∫01−xdy∫0y2dz z=∫01dx∫01−xdy y42=∫01dx (1−x)510=[−(1−x)660]01=160\begin{aligned} \iiint _E z\ \mathrm{d}V &=\int_0^1\mathrm{d}x\int_0^{1-x}\mathrm{d}y\int_0^{y^2}\mathrm{d}z\ z \\ &=\int_0^1\mathrm{d}x\int_0^{1-x}\mathrm{d}y\ \frac{y^4}{2} \\ &=\int_0^1\mathrm{d}x\ \frac{(1-x)^5}{10} \\ &=\left[-\frac{(1-x)^6}{60}\right]_0^1 \\ &=\frac{1}{60} \end{aligned}

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