문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다중적분

원기둥·구면좌표 삼중적분

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

CLP-3 · 3.6절 · 10번대학 수준우리말 번역

a>0a > 0 을 고정된 양의 실수라고 하자. 원기둥 x2+y2=axx^2 + y^2 = ax 와 구 x2+y2+z2=a2x^2 + y^2 + z^2 = a^2 의 안쪽에 모두 있는 입체를 생각하자. 이 입체의 부피를 구하세요.

다음을 이용해도 됩니다. ∫sin⁡3(θ)=112cos⁡(3θ)−34cos⁡(θ)+C\int \sin^3(\theta) =\frac{1}{12}\cos(3\theta) -\frac{3}{4}\cos(\theta) +C

영어 원문 보기

Let a>0a > 0 be a fixed positive real number. Consider the solid inside both the cylinder x2+y2=axx^2 + y^2 = ax and the sphere x2+y2+z2=a2x^2 + y^2 + z^2 = a^2. Compute its volume.

You may use that ∫sin⁡3(θ)=112cos⁡(3θ)−34cos⁡(θ)+C\int \sin^3(\theta) =\frac{1}{12}\cos(3\theta) -\frac{3}{4}\cos(\theta) +C

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

원기둥좌표를 사용한다. 원기둥좌표에서

  • 구 x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2 은 r2+z2=a2r^2+z^2=a^2 이 되고,
  • 원기둥 x2+y2=axx^2+y^2=ax (또는 이와 동치인 (x−a/2)2+y2=a2/4(x-a/2)^2+ y^2=a^2/4)은 r2=arcos⁡θr^2=ar\cos\theta, 즉 r=acos⁡θr=a\cos\theta 가 된다.

다음은 입체를 위에서 본 모양의 그림이다.

그림

이 입체는

{ (rcos⁡θ , rsin⁡θ , z) ∣ −π/2≤θ≤π/2 , 0≤r≤acos⁡θ , −a2−r2≤z≤a2−r2 }\big\{ \ (r\cos\theta\,,\,r\sin\theta\,,\,z)\ \big|\ -{\pi}/{2}\le\theta\le{\pi}/{2}\,,\, 0\le r\le a\cos\theta\,,\, -\sqrt{a^2-r^2}\le z\le \sqrt{a^2-r^2}\ \big\}

이다.

대칭성에 의해, 주어진 입체의 부피는 입체

{ (rcos⁡θ , rsin⁡θ , z) ∣ 0≤θ≤π/2 , 0≤r≤acos⁡θ , 0≤z≤a2−r2 }\big\{ \ (r\cos\theta\,,\,r\sin\theta\,,\,z)\ \big|\ 0\le\theta\le{\pi}/{2}\,,\, 0\le r\le a\cos\theta\,,\, 0\le z\le \sqrt{a^2-r^2}\ \big\}

의 부피의 4배이다.

dV=r dr dθ dz\mathrm{d}V = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z 이므로, 이 입체의 부피는

4∫0π/2dθ∫0acos⁡θdr∫0a2−r2dz r=4∫0π/2dθ∫0acos⁡θdr ra2−r2=−43∫0π/2dθ (a2−r2)3/2∣0acos⁡θ=43∫0π/2dθ [a3−(a2−a2cos⁡2θ)3/2]=4a33∫0π/2dθ [1−sin⁡3θ]=4a33[θ−112cos⁡(3θ)+34cos⁡θ]0π/2=4a33[π2+112−34]=4a33[π2−23]\begin{aligned} 4\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta \int_0^{a\cos\theta} \mathrm{d}r \int_0^{\sqrt{a^2-r^2}}\mathrm{d}z\ r &=4\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta \int_0^{a\cos\theta} \mathrm{d}r\ r\sqrt{a^2-r^2} \\ &=-\frac{4}{3}\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \big(a^2-r^2\big)^{3/2}\Big|_0^{a\cos\theta} \\ &=\frac{4}{3}\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \Big[a^3-\big(a^2-a^2\cos^2\theta\big)^{3/2}\Big] \\ &=\frac{4a^3}{3}\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \big[1-\sin^3\theta\big] \\ &=\frac{4a^3}{3}\left[\theta - \frac{1}{12}\cos(3\theta) + \frac{3}{4}\cos\theta \right]_0^{\pi/2} \\ &=\frac{4a^3}{3}\left[\frac{\pi}{2} + \frac{1}{12} - \frac{3}{4} \right] \\ &=\frac{4a^3}{3}\left[\frac{\pi}{2} - \frac{2}{3} \right] \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We'll use cylindrical coordinates. In cylindrical coordinates

  • the sphere x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2 becomes r2+z2=a2r^2+z^2=a^2 and
  • the circular cylinder x2+y2=axx^2+y^2=ax (or equivalently (x−a/2)2+y2=a2/4(x-a/2)^2+ y^2=a^2/4) becomes r2=arcos⁡θr^2=ar\cos\theta or r=acos⁡θr=a\cos\theta.

Here is a sketch of the top view of the solid.

figure

The solid is

{ (rcos⁡θ , rsin⁡θ , z) ∣ −π/2≤θ≤π/2 , 0≤r≤acos⁡θ , −a2−r2≤z≤a2−r2 }\big\{ \ (r\cos\theta\,,\,r\sin\theta\,,\,z)\ \big|\ -{\pi}/{2}\le\theta\le{\pi}/{2}\,,\, 0\le r\le a\cos\theta\,,\, -\sqrt{a^2-r^2}\le z\le \sqrt{a^2-r^2}\ \big\}

By symmetry, the volume of the specified solid is four times the volume of the solid

{ (rcos⁡θ , rsin⁡θ , z) ∣ 0≤θ≤π/2 , 0≤r≤acos⁡θ , 0≤z≤a2−r2 }\big\{ \ (r\cos\theta\,,\,r\sin\theta\,,\,z)\ \big|\ 0\le\theta\le{\pi}/{2}\,,\, 0\le r\le a\cos\theta\,,\, 0\le z\le \sqrt{a^2-r^2}\ \big\}

Since dV=r dr dθ dz\mathrm{d}V = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z, the volume of the solid is

4∫0π/2dθ∫0acos⁡θdr∫0a2−r2dz r=4∫0π/2dθ∫0acos⁡θdr ra2−r2=−43∫0π/2dθ (a2−r2)3/2∣0acos⁡θ=43∫0π/2dθ [a3−(a2−a2cos⁡2θ)3/2]=4a33∫0π/2dθ [1−sin⁡3θ]=4a33[θ−112cos⁡(3θ)+34cos⁡θ]0π/2=4a33[π2+112−34]=4a33[π2−23]\begin{aligned} 4\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta \int_0^{a\cos\theta} \mathrm{d}r \int_0^{\sqrt{a^2-r^2}}\mathrm{d}z\ r &=4\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta \int_0^{a\cos\theta} \mathrm{d}r\ r\sqrt{a^2-r^2} \\ &=-\frac{4}{3}\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \big(a^2-r^2\big)^{3/2}\Big|_0^{a\cos\theta} \\ &=\frac{4}{3}\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \Big[a^3-\big(a^2-a^2\cos^2\theta\big)^{3/2}\Big] \\ &=\frac{4a^3}{3}\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \big[1-\sin^3\theta\big] \\ &=\frac{4a^3}{3}\left[\theta - \frac{1}{12}\cos(3\theta) + \frac{3}{4}\cos\theta \right]_0^{\pi/2} \\ &=\frac{4a^3}{3}\left[\frac{\pi}{2} + \frac{1}{12} - \frac{3}{4} \right] \\ &=\frac{4a^3}{3}\left[\frac{\pi}{2} - \frac{2}{3} \right] \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 3.6절 · 5번우리말 번역

다음 방정식을 원기둥좌표로 나타내세요.

(a) z=2xyz=2xy (b) x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1 (c) (x−1)2+y2=1(x-1)^2 + y^2 =1

다 풀었으면 정답 확인

(a) x=rcos⁡θx=r\cos\theta 이고 y=rsin⁡θy=r\sin\theta 이므로,

z=2xy  ⟺  z=2r2cos⁡θsin⁡θ=r2sin⁡(2θ)z=2xy \iff z=2r^2\cos\theta\sin\theta = r^2\sin(2\theta)

(b) x=rcos⁡θx=r\cos\theta 이고 y=rsin⁡θy=r\sin\theta 이므로,

x2+y2+z2=1  ⟺  r2cos⁡2θ+r2sin⁡2θ+z2=1  ⟺  r2+z2=1x^2+y^2+z^2=1 \iff r^2\cos^2\theta+r^2\sin^2\theta + z^2 =1 \iff r^2+z^2=1

(c) x=rcos⁡θx=r\cos\theta 이고 y=rsin⁡θy=r\sin\theta 이므로,

(x−1)2+y2=1  ⟺  (rcos⁡θ−1)2+(rsin⁡θ)2=1  ⟺  r2cos⁡2θ−2rcos⁡θ+1+r2sin⁡2θ=1  ⟺  r2=2rcos⁡θ  ⟺  r=2cos⁡θ 또는 r=0  ⟺  r=2cos⁡θ\begin{aligned} (x-1)^2 + y^2 =1 &\iff (r\cos\theta-1)^2 + (r\sin\theta)^2 =1 \\ &\iff r^2\cos^2\theta -2r\cos\theta +1 + r^2\sin^2\theta = 1 \\ &\iff r^2=2r\cos\theta \iff r=2\cos\theta\text{ 또는 }r=0 \\ &\iff r=2\cos\theta \end{aligned}

해 r=0r=0 은 r=2cos⁡θr=2\cos\theta 에 포함된다. θ=π2\theta=\frac{\pi}{2} 로 택하면 된다.

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