문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다중적분

원기둥·구면좌표 삼중적분

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CLP-3 · 3.7절 · 3번대학 수준우리말 번역

직교좌표를 구면좌표로 변환하세요.

(a) (−2,0,0)(-2,0,0) (b) (0,3,0)(0,3,0) (c) (0,0,−4)(0,0,-4) (d) (−12,12,3)\left(-\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},\sqrt{3}\right)

영어 원문 보기

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(a) (−2,0,0)(-2,0,0) (b) (0,3,0)(0,3,0) (c) (0,0,−4)(0,0,-4) (d) (−12,12,3)\left(-\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},\sqrt{3}\right)

정답·풀이 보기

(a) 점 (−2,0,0)(-2,0,0) 은

  • xyxy평면 위에 있으므로(즉 z=ρcos⁡φ=0z=\rho\cos\varphi=0 이므로) φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} 이고
  • 음의 xx축 위에 있으므로 θ=π\theta=\pi 이고
  • 원점으로부터의 거리가 22 이므로 ρ=2\rho=2 이다.

(b) 점 (0,3,0)(0,3,0) 은

  • xyxy평면 위에 있으므로(즉 z=ρcos⁡φ=0z=\rho\cos\varphi=0 이므로) φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} 이고
  • 양의 yy축 위에 있으므로 θ=π2\theta=\frac{\pi}{2} 이고
  • 원점으로부터의 거리가 33 이므로 ρ=3\rho=3 이다.

(c) 점 (0,0,−4)(0,0,-4) 는

  • 음의 zz축 위에 있으므로 φ=π\varphi=\pi 이고 θ\theta 는 임의의 값이며 그리고
  • 원점으로부터의 거리가 44 이므로 ρ=4\rho=4 이다.

(d) 점 (−12,12,3)\left(-\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},\sqrt{3}\right) 은

  • ρ=x2+y2+z2=(−12)2+(12)2+(3)2=4=2\rho=\sqrt{x^2+y^2+z^2} =\sqrt{\left(-\frac{1}{\sqrt{2}}\right)^2 +\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)^2 +\left(\sqrt{3}\right)^2}=\sqrt{4}=2 이고
  • 3=z=ρcos⁡φ=2cos⁡φ\sqrt{3}=z=\rho\cos\varphi = 2\cos\varphi 이므로 cos⁡φ=32\cos\varphi = \frac{\sqrt{3}}{2} 이고 φ=π6\varphi=\frac{\pi}{6} 이고
  • −12=x=ρsin⁡φcos⁡θ=2(12)cos⁡θ-\frac{1}{\sqrt{2}}=x=\rho\sin\varphi\cos\theta = 2\big(\frac{1}{2}\big)\cos\theta 이므로 cos⁡θ=−12\cos\theta = -\frac{1}{\sqrt{2}} 이다. (−12,12)\left(-\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}}\right) 이 제2사분면에 있으므로 π2≤θ≤π\frac{\pi}{2}\le\theta\le\pi 이고, 따라서 θ=3π4\theta=\frac{3\pi}{4} 이다.
원본 교재 풀이(영어)

(a) The point (−2,0,0)(-2,0,0)

  • lies in the xyxy-plane (i.e. has z=ρcos⁡φ=0z=\rho\cos\varphi=0) and so has φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} and
  • lies on the negative xx-axis and so has θ=π\theta=\pi and
  • is a distance 22 from the origin and so has ρ=2\rho=2.

(b) The point (0,3,0)(0,3,0)

  • lies in the xyxy-plane (i.e. has z=ρcos⁡φ=0z=\rho\cos\varphi=0) and so has φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} and
  • lies on the positive yy-axis and so has θ=π2\theta=\frac{\pi}{2} and
  • is a distance 33 from the origin and so has ρ=3\rho=3.

(c) The point (0,0,−4)(0,0,-4)

  • lies on the negative zz-axis and so has φ=π\varphi=\pi and θ\theta arbitrary and
  • is a distance 44 from the origin and so has ρ=4\rho=4.

(d) The point (−12,12,3)\left(-\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}},\sqrt{3}\right)

  • has ρ=x2+y2+z2=(−12)2+(12)2+(3)2=4=2\rho=\sqrt{x^2+y^2+z^2} =\sqrt{\left(-\frac{1}{\sqrt{2}}\right)^2 +\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)^2 +\left(\sqrt{3}\right)^2}=\sqrt{4}=2 and
  • has 3=z=ρcos⁡φ=2cos⁡φ\sqrt{3}=z=\rho\cos\varphi = 2\cos\varphi so that cos⁡φ=32\cos\varphi = \frac{\sqrt{3}}{2} and φ=π6\varphi=\frac{\pi}{6} and
  • has −12=x=ρsin⁡φcos⁡θ=2(12)cos⁡θ-\frac{1}{\sqrt{2}}=x=\rho\sin\varphi\cos\theta = 2\big(\frac{1}{2}\big)\cos\theta so that cos⁡θ=−12\cos\theta = -\frac{1}{\sqrt{2}}. As (−12,12)\left(-\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}}\right) is in the second quadrant, we have π2≤θ≤π\frac{\pi}{2}\le\theta\le\pi and so θ=3π4\theta=\frac{3\pi}{4}.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 3.7절 · 1번우리말 번역

(ρ,θ,φ)(\rho,\theta,\varphi) 를 구면좌표를 나타내는 것으로 하자.

(a) φ=0\varphi=0 의 그래프를 그리세요. (b) φ=π/4\varphi={\pi}/{4} 의 그래프를 그리세요. (c) φ=π/2\varphi={\pi}/{2} 의 그래프를 그리세요. (d) φ=3π/4\varphi={3\pi}/{4} 의 그래프를 그리세요. (e) φ=π\varphi=\pi 의 그래프를 그리세요.

다 풀었으면 정답 확인

점 (x,y,z)(x,y,z) 의 구면좌표 φ(x,y,z)\varphi(x,y,z) 는 양의 zz축과 (0,0,0)(0,0,0) 에서 (x,y,z)(x,y,z) 로 향하는 반지름 벡터가 이루는 각이므로, 다음 집합들이 성립한다.

{ (x,y,z) ∣ φ(x,y,z)=0 }=양의 z축{ (x,y,z) ∣ φ(x,y,z)=π/2 }=xy평면{ (x,y,z) ∣ φ(x,y,z)=π }=음의 z축\begin{aligned} \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \varphi(x,y,z)=0\ \big\} &=\text{양의 $z$축} \\ \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \varphi(x,y,z)={\pi}/{2}\ \big\} &=\text{$xy$평면} \\ \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \varphi(x,y,z)=\pi\ \big\} &=\text{음의 $z$축} \end{aligned}

다른 방법으로, tan⁡φ(x,y,z)=zx2+y2\tan\varphi(x,y,z)=\frac{z}{\sqrt{x^2+y^2}} 이므로, 모든 0<Φ<π0<\Phi<\pi 에 대해

{ (x,y,z) ∣ φ(x,y,z)=Φ }={ (x,y,z) ∣ z=tan⁡Φx2+y2 }=양의 z축과 이루는 각이 Φ 인 원뿔\begin{aligned} \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ \varphi(x,y,z)=\Phi\ \big\} &=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ z=\tan\Phi\sqrt{x^2+y^2}\ \big\} \\ &=\text{양의 $z$축과 이루는 각이 $\Phi$ 인 원뿔} \end{aligned}

이다.

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