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 · 3.7절 · 5번대학 수준우리말 번역

다음 방정식을 구면좌표로 다시 나타내세요.

(a) z2=3x2+3y2z^2=3x^2+3y^2 (b) x2+y2+(z−1)2=1x^2+y^2+(z-1)^2=1 (c) x2+y2=4x^2+y^2=4

영어 원문 보기

Rewrite the following equations in spherical coordinates.

(a) z2=3x2+3y2z^2=3x^2+3y^2 (b) x2+y2+(z−1)2=1x^2+y^2+(z-1)^2=1 (c) x2+y2=4x^2+y^2=4

정답·풀이 보기

(a) 구면좌표에서

z2=3x2+3y2  ⟺  ρ2cos⁡2φ=3ρ2sin⁡2φcos⁡2θ+3ρ2sin⁡2φsin⁡2θ=3ρ2sin⁡2φ  ⟺  tan⁡2φ=13  ⟺  tan⁡φ=±13  ⟺  φ=π6 또는 5π6\begin{aligned} z^2=3x^2+3y^2 &\iff \rho^2\cos^2\varphi = 3\rho^2\sin^2\varphi\cos^2\theta +3\rho^2\sin^2\varphi\sin^2\theta =3\rho^2\sin^2\varphi \\ &\iff \tan^2\varphi=\frac{1}{3} \iff \tan\varphi=\pm\frac{1}{\sqrt{3}} \\ &\iff \varphi=\frac{\pi}{6}\text{ 또는 }\frac{5\pi}{6} \end{aligned}

곡면 z2=3x2+3y2z^2=3x^2+3y^2 은 원뿔이다. 원뿔의 위쪽 절반, 즉 z≥0z\ge 0 인 부분은 φ=π6\varphi=\frac{\pi}{6} 이다. 원뿔의 아래쪽 절반, 즉 z≤0z\le 0 인 부분은 φ=π−π6=5π6\varphi=\pi-\frac{\pi}{6}=\frac{5\pi}{6} 이다.

(b) 구면좌표에서

x2+y2+(z−1)2=1  ⟺  ρ2sin⁡2φcos⁡2θ+ρ2sin⁡2φsin⁡2θ+(ρcos⁡φ−1)2=1  ⟺  ρ2sin⁡2φ+ρ2cos⁡2φ−2ρcos⁡φ=0  ⟺  ρ2−2ρcos⁡φ=0  ⟺  ρ=2cos⁡φ\begin{aligned} x^2+y^2+(z-1)^2=1 &\iff \rho^2\sin^2\varphi\cos^2\theta +\rho^2\sin^2\varphi\sin^2\theta +\big(\rho\cos\varphi-1\big)^2 =1 \\ &\iff \rho^2\sin^2\varphi +\rho^2\cos^2\varphi-2\rho\cos\varphi =0 \\ &\iff \rho^2-2\rho\cos\varphi =0 \\ &\iff \rho=2\cos\varphi \end{aligned}

(c) 구면좌표에서

x2+y2=4  ⟺  ρ2sin⁡2φcos⁡2θ+ρ2sin⁡2φsin⁡2θ=4  ⟺  ρ2sin⁡2φ=4  ⟺  ρsin⁡φ=2\begin{aligned} x^2+y^2=4 &\iff \rho^2\sin^2\varphi\cos^2\theta +\rho^2\sin^2\varphi\sin^2\theta =4 \\ &\iff \rho^2\sin^2\varphi =4 \\ &\iff \rho\sin\varphi=2 \end{aligned}

ρ≥0\rho\ge 0 이고 0≤φ≤π0\le\varphi\le\pi 이므로 sin⁡φ≥0\sin\varphi\ge 0 이기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) In spherical coordinates

z2=3x2+3y2  ⟺  ρ2cos⁡2φ=3ρ2sin⁡2φcos⁡2θ+3ρ2sin⁡2φsin⁡2θ=3ρ2sin⁡2φ  ⟺  tan⁡2φ=13  ⟺  tan⁡φ=±13  ⟺  φ=π6 or 5π6\begin{aligned} z^2=3x^2+3y^2 &\iff \rho^2\cos^2\varphi = 3\rho^2\sin^2\varphi\cos^2\theta +3\rho^2\sin^2\varphi\sin^2\theta =3\rho^2\sin^2\varphi \\ &\iff \tan^2\varphi=\frac{1}{3} \iff \tan\varphi=\pm\frac{1}{\sqrt{3}} \\ &\iff \varphi=\frac{\pi}{6}\text{ or }\frac{5\pi}{6} \end{aligned}

The surface z2=3x2+3y2z^2=3x^2+3y^2 is a cone. The upper half of the cone, i.e. the part with z≥0z\ge 0, is φ=π6\varphi=\frac{\pi}{6}. The lower half of the cone, i.e. the part with z≤0z\le 0, is φ=π−π6=5π6\varphi=\pi-\frac{\pi}{6}=\frac{5\pi}{6}.

(b) In spherical coordinates

x2+y2+(z−1)2=1  ⟺  ρ2sin⁡2φcos⁡2θ+ρ2sin⁡2φsin⁡2θ+(ρcos⁡φ−1)2=1  ⟺  ρ2sin⁡2φ+ρ2cos⁡2φ−2ρcos⁡φ=0  ⟺  ρ2−2ρcos⁡φ=0  ⟺  ρ=2cos⁡φ\begin{aligned} x^2+y^2+(z-1)^2=1 &\iff \rho^2\sin^2\varphi\cos^2\theta +\rho^2\sin^2\varphi\sin^2\theta +\big(\rho\cos\varphi-1\big)^2 =1 \\ &\iff \rho^2\sin^2\varphi +\rho^2\cos^2\varphi-2\rho\cos\varphi =0 \\ &\iff \rho^2-2\rho\cos\varphi =0 \\ &\iff \rho=2\cos\varphi \end{aligned}

(c) In spherical coordinates

x2+y2=4  ⟺  ρ2sin⁡2φcos⁡2θ+ρ2sin⁡2φsin⁡2θ=4  ⟺  ρ2sin⁡2φ=4  ⟺  ρsin⁡φ=2\begin{aligned} x^2+y^2=4 &\iff \rho^2\sin^2\varphi\cos^2\theta +\rho^2\sin^2\varphi\sin^2\theta =4 \\ &\iff \rho^2\sin^2\varphi =4 \\ &\iff \rho\sin\varphi=2 \end{aligned}

since ρ≥0\rho\ge 0 and 0≤φ≤π0\le\varphi\le\pi so that sin⁡φ≥0\sin\varphi\ge 0.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 3.7절 · 11번우리말 번역

다음과 같이 두자.

I=∭Txz dVI = \iiint _T xz\ \mathrm{d}V

여기서 TT 는 구 x2+y2+z2≤1x^2 + y^2 + z^2 \le 1 의 x,y,z≥0x,y,z \ge 0 인 8분의 1 부분이다.

(a) 부피 TT 의 개형을 그리세요. (b) II 를 구면좌표계에서의 삼중적분으로 나타내세요. (c) 아무 방법으로나 II 의 값을 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) 개형은 다음과 같다.

그림

(b) TT 위에서,

  • 구면좌표 φ\varphi 는 00 (zz축의 양의 부분)에서 π/2{\pi}/{2} (xyxy평면)까지 변하고,
  • 이 범위의 각 고정된 φ\varphi 에 대해 θ\theta 는 00 에서 π/2{\pi}/{2} 까지 변하며,
  • 각 고정된 φ\varphi 와 θ\theta 에 대해 구면좌표 ρ\rho 는 00 에서 11 까지 변한다.
  • 구면좌표계에서 dV=ρ2 sin⁡φ dρ dθ dφ\mathrm{d}V=\rho^2\,\sin\varphi\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\theta\, \mathrm{d}\varphi 이고

xz=(ρsin⁡φcos⁡θ)(ρcos⁡φ)=ρ2sin⁡φ cos⁡φ cos⁡θxz=\big(\rho\sin\varphi\cos\theta\big)\big(\rho\cos\varphi\big) =\rho^2 \sin\varphi\ \cos\varphi\ \cos\theta

이다. 따라서

I=∫0π/2dφ∫0π/2dθ∫01dρ ρ4sin⁡2φcos⁡φ cos⁡θ\begin{aligned} I=\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\varphi\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^1\mathrm{d}\rho\ \rho^4\sin^2\varphi\cos\varphi\ \cos\theta \end{aligned}

이다.

(c) 구면좌표계에서,

I=[∫0π/2dφ sin⁡2φcos⁡φ][∫0π/2dθ cos⁡θ][∫01dρ ρ4]=[sin⁡3φ3]0π/2[sin⁡θ]0π/2[ρ55]01=115\begin{aligned} I&= \left[\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\varphi\ \sin^2\varphi\cos\varphi\right] \left[\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \cos\theta\right] \left[\int_0^1\mathrm{d}\rho\ \rho^4\right] \\ &=\left[\frac{\sin^3\varphi}{3}\right]_0^{\pi/2} \left[\sin\theta\right]_0^{\pi/2} \left[\frac{\rho^5}{5}\right]_0^1 \\ &=\frac{1}{15} \end{aligned}

이 문제로 이어서 풀기
# 원기둥·구면좌표 삼중적분계산기본자동 분류

「원기둥·구면좌표 삼중적분」 문제 목록으로