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 · 9번대학 수준우리말 번역

I=∭Ef(x,y,z) dV\displaystyle I = \iiint _E f(x,y,z)\ \mathrm{d}V 라 하자. 여기서 EE 는 꼭짓점이 (−1,0,0)(-1, 0, 0), (0,0,0)(0, 0, 0), (0,0,3)(0, 0, 3), (0,−2,0)(0, -2, 0) 인 사면체이다.

(a) 적분 I 를 다음 꼴로 다시 나타내세요.

I=∫x=x=∫y=y=∫z=z=f(x,y,z) dz dy dxI = \int_{x=}^{x=}\int_{y=}^{y=}\int_{z=}^{z=} f(x,y,z)\ \mathrm{d}z\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}x (b) 적분 I 를 다음 꼴로 다시 나타내세요.

I=∫z=z=∫x=x=∫y=y=f(x,y,z) dy dx dzI = \int_{z=}^{z=}\int_{x=}^{x=}\int_{y=}^{y=} f(x,y,z)\ \mathrm{d}y\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}z

영어 원문 보기

Let I=∭Ef(x,y,z) dV\displaystyle I = \iiint _E f(x,y,z)\ \mathrm{d}V where EE is the tetrahedron with vertices (−1,0,0)(-1, 0, 0), (0,0,0)(0, 0, 0), (0,0,3)(0, 0, 3) and (0,−2,0)(0, -2, 0).

(a) Rewrite the integral I in the form

I=∫x=x=∫y=y=∫z=z=f(x,y,z) dz dy dxI = \int_{x=}^{x=}\int_{y=}^{y=}\int_{z=}^{z=} f(x,y,z)\ \mathrm{d}z\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}x (b) Rewrite the integral I in the form

I=∫z=z=∫x=x=∫y=y=f(x,y,z) dy dx dzI = \int_{z=}^{z=}\int_{x=}^{x=}\int_{y=}^{y=} f(x,y,z)\ \mathrm{d}y\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}z

정답·풀이 보기

먼저 EE 가 어떤 모양인지 알아야 한다. 다음은 그 개형이다.

그림

세 점 (−1,0,0)(-1,0,0), (0,−2,0)(0,-2,0), (0,0,3)(0,0,3) 을 지나는 평면의 방정식이 필요하다. 이 평면은 원점을 지나지 않으므로 방정식이 ax+by+cz=1ax+by+cz=1 의 꼴이다.

  • (−1,0,0)(-1,0,0) 이 평면 ax+by+cz=1ax+by+cz=1 위에 있을 필요충분조건은 a(−1)+b(0)+c(0)=1a(-1)+b(0)+c(0)=1 이다. 따라서 a=−1a=-1 이다.
  • (0,−2,0)(0,-2,0) 이 평면 ax+by+cz=1ax+by+cz=1 위에 있을 필요충분조건은 a(0)+b(−2)+c(0)=1a(0)+b(-2)+c(0)=1 이다. 따라서 b=−12b=-\frac{1}{2} 이다.
  • (0,0,3)(0,0,3) 이 평면 ax+by+cz=1ax+by+cz=1 위에 있을 필요충분조건은 a(0)+b(0)+c(3)=1a(0)+b(0)+c(3)=1 이다. 따라서 c=13c=\frac{1}{3} 이다.

따라서 세 점 (−1,0,0)(-1,0,0), (0,−2,0)(0,-2,0), (0,0,3)(0,0,3) 을 지나는 평면은 −x−y2+z3=1-x-\frac{y}{2}+\frac{z}{3}=1 이다.

이제 EE 를 수학적으로 자세히 나타낼 수 있다. 점 (x,y,z)(x,y,z) 가 EE 에 속할 필요충분조건은 다음과 같다.

  • (x,y,z)(x,y,z) 가 xyxy평면의 위쪽에 있다. 즉 z≥0z\ge 0 이고,
  • (x,y,z)(x,y,z) 가 xzxz평면의 왼쪽에 있다. 즉 y≤0y\le 0 이고,
  • (x,y,z)(x,y,z) 가 yzyz평면의 뒤쪽에 있다. 즉 x≤0x\le 0 이고,
  • (x,y,z)(x,y,z) 가 평면 −x−y2+z3=1-x-\frac{y}{2}+\frac{z}{3}=1 에 대해 원점과 같은 쪽에 있다. 즉 −x−y2+z3≤1-x-\frac{y}{2}+\frac{z}{3}\le 1 이다. ((0,0,0)(0,0,0) 이 이 부등식을 만족하는지 직접 확인해 보자.)

따라서

E={ (x,y,z) ∣ x≤0, y≤0, z≥0, −x−y2+z3≤1 }E=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x\le 0,\ y\le 0,\ z\ge 0,\ -x-\tfrac{y}{2}+\tfrac{z}{3}\le 1\ \big\}

(a) 가장 바깥쪽 적분이 xx에 대한 적분이 되어야 함에 유의하자. EE 에서

  • xx 는 −1-1 에서 00 까지 변하고,
  • 그 범위의 각 고정된 xx 에 대해 (y,z)(y,z) 는 다음 영역을 움직인다.

Ex={ (y,z) ∣ y≤0, z≥0, −y2+z3≤1+x }\begin{aligned} E_x=\big\{ \ (y,z)\ \big|\ y\le 0,\ z\ge 0,\ -\tfrac{y}{2}+\tfrac{z}{3}\le 1+x\ \big\} \end{aligned}

다음은 ExE_x 의 개형이다.

그림

  • ExE_x 에서 yy 는 −2(1+x)-2(1+x) 에서 00 까지 변하고,
  • 그러한 각 고정된 yy 에 대해 zz 는 00 에서 3(1+x+y/2)3(1+x+y/2) 까지 변한다.

따라서

I=∫x=−1x=0∫y=−2(1+x)y=0∫z=0z=3(1+x+y/2)f(x,y,z) dz dy dx\begin{aligned} I = \int_{x=-1}^{x=0}\int_{y=-2(1+x)}^{y=0}\int_{z=0}^{z=3(1+x+y/2)} f(x,y,z)\ \mathrm{d}z\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}x \end{aligned}

(b) 이번에는 가장 바깥쪽 적분이 zz에 대한 적분이어야 한다. EE 의 개형을 다시 보면, EE 에서

  • zz 는 00 에서 33 까지 변하고,
  • 그 범위의 각 고정된 zz 에 대해 (x,y)(x,y) 는 다음 영역을 움직인다.

Ez={ (x,y) ∣ x≤0, y≤0, −x−y2≤1−z3 }\begin{aligned} E_z=\big\{ \ (x,y)\ \big|\ x\le 0,\ y\le 0,\ -x-\tfrac{y}{2}\le 1-\tfrac{z}{3}\ \big\} \end{aligned}

다음은 EzE_z 의 개형이다.

그림

  • EzE_z 에서 xx 는 −(1−z/3)-(1-z/3) 에서 00 까지 변하고,
  • 그러한 각 고정된 xx 에 대해 yy 는 −2(1+x−z/3)-2(1+x-z/3) 에서 00 까지 변한다.

따라서

I=∫z=0z=3∫x=−(1−z/3)x=0∫y=−2(1+x−z/3)y=0f(x,y,z) dy dx dz\begin{aligned} I = \int_{z=0}^{z=3}\int_{x=-(1-z/3)}^{x=0}\int_{y=-2(1+x-z/3)}^{y=0} f(x,y,z)\ \mathrm{d}y\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}z \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

First we have to get some idea as to what EE looks like. Here is a sketch.

figure

We are going to need the equation of the plane that contains the points (−1,0,0)(-1,0,0), (0,−2,0)(0,-2,0) and (0,0,3)(0,0,3). This plane does not contain the origin and so has an equation of the form ax+by+cz=1ax+by+cz=1.

  • (−1,0,0)(-1,0,0) lies on the plane ax+by+cz=1ax+by+cz=1 if and only if a(−1)+b(0)+c(0)=1a(-1)+b(0)+c(0)=1. So a=−1a=-1.
  • (0,−2,0)(0,-2,0) lies on the plane ax+by+cz=1ax+by+cz=1 if and only if a(0)+b(−2)+c(0)=1a(0)+b(-2)+c(0)=1. So b=−12b=-\frac{1}{2}.
  • (0,0,3)(0,0,3) lies on the plane ax+by+cz=1ax+by+cz=1 if and only if a(0)+b(0)+c(3)=1a(0)+b(0)+c(3)=1. So c=13c=\frac{1}{3}.

So the plane that contains the points (−1,0,0)(-1,0,0), (0,−2,0)(0,-2,0) and (0,0,3)(0,0,3) is −x−y2+z3=1-x-\frac{y}{2}+\frac{z}{3}=1.

We can now get a detailed mathematical description of EE. A point (x,y,z)(x,y,z) is in EE if and only if

  • (x,y,z)(x,y,z) lies above the xyxy–plane, i.e. z≥0z\ge 0, and
  • (x,y,z)(x,y,z) lies to the left of the xzxz–plane, i.e. y≤0y\le 0, and
  • (x,y,z)(x,y,z) lies behind the yzyz–plane, i.e. x≤0x\le 0, and
  • (x,y,z)(x,y,z) lies on the same side of the plane −x−y2+z3=1-x-\frac{y}{2}+\frac{z}{3}=1 as the origin. That is −x−y2+z3≤1-x-\frac{y}{2}+\frac{z}{3}\le 1. (Go ahead and check that (0,0,0)(0,0,0) obeys this inequality.)

So

E={ (x,y,z) ∣ x≤0, y≤0, z≥0, −x−y2+z3≤1 }E=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x\le 0,\ y\le 0,\ z\ge 0,\ -x-\tfrac{y}{2}+\tfrac{z}{3}\le 1\ \big\}

(a) Note that we want the outside integral to be the xx–integral. On EE

  • xx runs from −1-1 to 00 and
  • for each fixed xx in that range (y,z)(y,z) runs over

Ex={ (y,z) ∣ y≤0, z≥0, −y2+z3≤1+x }\begin{aligned} E_x=\big\{ \ (y,z)\ \big|\ y\le 0,\ z\ge 0,\ -\tfrac{y}{2}+\tfrac{z}{3}\le 1+x\ \big\} \end{aligned}

Here is a sketch of ExE_x.

figure

  • On ExE_x, yy runs from −2(1+x)-2(1+x) to 00 and
  • for each fixed such yy, zz runs from 00 to 3(1+x+y/2)3(1+x+y/2)

So

I=∫x=−1x=0∫y=−2(1+x)y=0∫z=0z=3(1+x+y/2)f(x,y,z) dz dy dx\begin{aligned} I = \int_{x=-1}^{x=0}\int_{y=-2(1+x)}^{y=0}\int_{z=0}^{z=3(1+x+y/2)} f(x,y,z)\ \mathrm{d}z\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}x \end{aligned}

(b) This time we want the outside integral to be the zz–integral. Looking back at the sketch of EE, we see that, on EE,

  • zz runs from 00 to 33 and
  • for each fixed zz in that range (x,y)(x,y) runs over

Ez={ (x,y) ∣ x≤0, y≤0, −x−y2≤1−z3 }\begin{aligned} E_z=\big\{ \ (x,y)\ \big|\ x\le 0,\ y\le 0,\ -x-\tfrac{y}{2}\le 1-\tfrac{z}{3}\ \big\} \end{aligned}

Here is a sketch of EzE_z.

figure

  • On EzE_z, xx runs from −(1−z/3)-(1-z/3) to 00 and
  • for each fixed such xx, yy runs from −2(1+x−z/3)-2(1+x-z/3) to 00

So

I=∫z=0z=3∫x=−(1−z/3)x=0∫y=−2(1+x−z/3)y=0f(x,y,z) dy dx dz\begin{aligned} I = \int_{z=0}^{z=3}\int_{x=-(1-z/3)}^{x=0}\int_{y=-2(1+x-z/3)}^{y=0} f(x,y,z)\ \mathrm{d}y\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}z \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 3.5절 · 22번우리말 번역

고체 영역 TT 는 평면 x=0x=0, y=0y=0, z=0z=0, x+y+z=2x+y+z=2 와 곡면 x2+z=1x^2+z=1 로 둘러싸여 있다.

(a) 모든 꼭짓점의 좌표를 표시하여 이 영역을 그리세요. (b) ∭Tx dV\iiint _T x\,\mathrm{d}V 의 값을 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) 다음은 이 영역의 3차원 그림이다. 표시된 꼭짓점의 좌표는 다음과 같다.

a=(0,0,1)b=(0,0,0)c=(1,0,0)d=(0,1,1)f=(0,2,0)g=(1,1,0)a=(0,0,1)\quad b=(0,0,0)\quad c=(1,0,0)\quad d=(0,1,1)\quad f=(0,2,0)\quad g=(1,1,0)

그림

(b) 다음은 yy축 방향으로 내려다본 TT 의 옆모습 그림이다.

그림

이것을 밑면 영역으로 삼아 적분 구간을 정한다. 위 그림처럼 밑면 영역을 수직 띠로 분할한다. 밑면 영역에서

  • xx 는 00 에서 11 까지 변하고,
  • 00 과 11 사이의 각 고정된 xx 에 대해 zz 는 00 에서 1−x21-x^2 까지 변한다.
  • TT 에서 밑면 영역의 각 고정된 (x,y)(x,y) 에 대해 yy 는 00 에서 2−x−z2-x-z 까지 변한다.

따라서

∭Tx dV=∫01dx∫01−x2dz∫02−x−zdy x=∫01dx∫01−x2dz (2−x−z)x=∫01dx [x(2−x)(1−x2)−12x(1−x2)2]=∫01dx [2x−x2−2x3+x4−12x+x3−12x5]=∫01dx [32x−x2−x3+x4−12x5]=[34x2−13x3−14x4+15x5−112x6]01=34−13−14+15−112=1760\begin{aligned} \iiint _T x\,\mathrm{d}V &=\int_0^1\mathrm{d}x\int_0^{1-x^2}\mathrm{d}z\int_0^{2-x-z}\mathrm{d}y\ x =\int_0^1\mathrm{d}x\int_0^{1-x^2}\mathrm{d}z\ (2-x-z)x\\ &=\int_0^1 \mathrm{d}x\ \left[x(2-x)(1-x^2)-\frac{1}{2} x{(1-x^2)}^2\right] \\ &=\int_0^1 \mathrm{d}x\ \left[2x-x^2-2x^3+x^4-\frac{1}{2} x+x^3 -\frac{1}{2} x^5\right] \\ &=\int_0^1 \mathrm{d}x\ \left[\frac{3}{2}x-x^2-x^3+x^4-\frac{1}{2} x^5\right] \\ &=\left[\frac{3}{4}x^2-\frac{1}{3}x^3-\frac{1}{4}x^4+\frac{1}{5}x^5 -\frac{1}{12}x^6\right]_0^1 \\ &=\frac{3}{4}-\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+\frac{1}{5}-\frac{1}{12} =\frac{17}{60} \end{aligned}

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