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 · 9번대학 수준우리말 번역

구면좌표를 이용하여 다음을 구하세요.

(a) 원뿔 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 의 안쪽이면서 구 x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2 의 안쪽인 부분의 부피. (b) 제1팔분공간에 놓인 반지름이 aa 인 구의 부분 RR 에서 ∭Rx dV\iiint _R x\, \mathrm{d}V 와 ∭Rz dV\iiint _R z\, \mathrm{d}V 의 값. (c) 반지름이 aa 인 구형 행성의 질량. 단, 중심으로부터 거리 ρ\rho 인 곳의 밀도는 δ=A/(B+ρ2)\delta =A/(B+\rho^2) 이다. (d)  ρ=a(1−cos⁡φ)\ \rho=a(1-\cos\varphi) 로 둘러싸인 부분의 부피. 여기서 ρ\rho 와 φ\varphi 는 일반적인 구면좌표를 가리킨다.

영어 원문 보기

Use spherical coordinates to find

(a) The volume inside the cone z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} and inside the sphere x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2. (b) ∭Rx dV\iiint _R x\, \mathrm{d}V and ∭Rz dV\iiint _R z\, \mathrm{d}V over the part of the sphere of radius aa that lies in the first octant. (c) The mass of a spherical planet of radius aa whose density at distance ρ\rho from the center is δ=A/(B+ρ2)\delta =A/(B+\rho^2). (d) The volume enclosed by  ρ=a(1−cos⁡φ).\ \rho=a(1-\cos\varphi). Here ρ\rho and φ\varphi refer to the usual spherical coordinates.

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
(d)
정답·풀이 보기

(a) 구면좌표에서

x=ρsin⁡φcos⁡θy=ρsin⁡φsin⁡θz=ρcos⁡φx2+y2=ρ2sin⁡2φ\begin{aligned} x&=\rho\sin\varphi\cos\theta \\ y&=\rho\sin\varphi\sin\theta \\ z&=\rho\cos\varphi \\ x^2+y^2 &=\rho^2\sin^2\varphi \end{aligned}

이므로 x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2= a^2 은 ρ=a\rho = a 가 되고, x2+y2=z\sqrt{x^2+y^2}= z 는 다음과 같이 된다.

ρsin⁡φ=ρcos⁡φ  ⟺  tan⁡φ=1  ⟺  φ=π4\begin{aligned} \rho\sin\varphi = \rho\cos\varphi \iff \tan\varphi= 1 \iff \varphi=\frac{\pi}{4} \end{aligned}

다음은 주어진 영역의 y=0y=0 단면을 그린 것이다.

그림

위의 그림에서 이 영역에 대해 다음을 알 수 있다.

  • φ\varphi 는 00 (양의 zz축)에서 π4\frac{\pi}{4} (원뿔 위)까지 변하고,
  • 그 범위의 각 φ\varphi 에 대해 ρ\rho 는 00 에서 aa 까지, θ\theta 는 00 에서 2π2\pi 까지 변한다.

따라서

부피=∫0adρ∫02πdθ∫0π4dφ ρ2sin⁡φ={∫0adρ ρ2}{∫02πdθ}{∫0π4dφ sin⁡φ}=a33 2π [−cos⁡φ]0π4=2πa33(1−12)\begin{aligned} \text{부피} &= \int_{0}^{a}\mathrm{d}\rho \int_{0}^{2\pi} \mathrm{d}\theta \int_0^{{\pi\over 4}}\mathrm{d}\varphi\ \rho^2\sin\varphi = \Big\{\int_{0}^{a}\mathrm{d}\rho\ \rho^2 \Big\}\Big\{\int_{0}^{2\pi} \mathrm{d}\theta\Big\}\Big\{ \int_0^{{\pi\over 4}}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi\Big\} \\ &= \frac{a^3}{3}\ 2\pi\ \Big[-\cos\varphi\Big]_0^{{\pi\over 4}} =2\pi\frac{a^3}{3}\left(1-\frac{1}{\sqrt{2}}\right) \end{aligned}

(b) 문제의 구의 부분은 다음과 같다.

R={ (x,y,z) ∣ x2+y2+z2≤a2, x≥0, y≥0, z≥0 }={ (ρsin⁡φcos⁡θ , ρsin⁡φsin⁡θ , ρcos⁡φ) ∣ ρ≤a, 0≤φ≤π2, 0≤θ≤π2 }\begin{aligned} R&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+y^2+z^2\le a^2,\ x\ge0,\ y\ge 0,\ z\ge 0\ \big\} \\ &=\big\{ \ (\rho\sin\varphi\cos\theta\,,\, \rho\sin\varphi\sin\theta\,,\, \rho\cos\varphi)\ \big|\ \rho\le a,\ 0\le\varphi\le\tfrac{\pi}{2}, \ 0\le\theta\le\tfrac{\pi}{2}\ \big\} \end{aligned}

대칭성에 의해 주어진 두 적분의 값은 같고, 그 값은 다음과 같다.

∫0adρ ρ2∫0π2dφ sin⁡φ∫0π2dθ ρcos⁡φ⏞z=a44π2∫0π2dφ sin⁡φcos⁡φ=πa48∫01dt t 여기서 t=sin⁡φ, dt=cos⁡φ dφ=πa416\begin{aligned} \int_{0}^{a}\mathrm{d}\rho\ \rho^2 \int_0^{{\pi\over 2}}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi \int_{0}^{{\pi\over 2}} \mathrm{d}\theta\ \overbrace{\rho\cos\varphi}^{z} &=\frac{a^4}{4}\frac{\pi}{2} \int_0^{{\pi\over 2}}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi\cos\varphi \\ &=\frac{\pi a^4}{8} \int_0^{1}\mathrm{d}t\ t\qquad\text{ 여기서 $t=\sin\varphi$, $\mathrm{d}t=\cos\varphi\,\mathrm{d}\varphi$} \\ &=\frac{\pi a^4}{16} \end{aligned}

(c) 문제의 행성은 다음과 같다.

P={ (x,y,z) ∣ x2+y2+z2≤a2 }={ (ρsin⁡φcos⁡θ , ρsin⁡φsin⁡θ , ρcos⁡φ) ∣ ρ≤a, 0≤φ≤π, 0≤θ≤2π }\begin{aligned} P&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+y^2+z^2\le a^2\ \big\} \\ &=\big\{ \ (\rho\sin\varphi\cos\theta\,,\, \rho\sin\varphi\sin\theta\,,\, \rho\cos\varphi)\ \big|\ \rho\le a,\ 0\le\varphi\le\pi, \ 0\le\theta\le2\pi\ \big\} \end{aligned}

따라서

질량=∫0adρ ρ2∫0πdφ sin⁡φ∫02πdθ AB+ρ2⏞density=2πA{∫0πdφ sin⁡φ}{∫0adρ ρ2B+ρ2}=4πA∫0adρ (1−BB+ρ2)=4πAa−4πAB∫0a/Bds 11+s2 여기서 ρ=B s, dρ=B ds=4πA(a−Btan⁡−1aB)\begin{aligned} \text{질량} &= \int_{0}^{a}\mathrm{d}\rho\ \rho^2 \int_0^{\pi}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi \int_{0}^{2\pi} \mathrm{d}\theta\ \overbrace{\frac{A}{B+\rho^2}}^{\rm density} =2\pi A\Big\{ \int_0^{\pi}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi\Big\} \Big\{\int_{0}^{a}\mathrm{d}\rho\ \frac{\rho^2}{B+\rho^2} \Big\} \\ &=4\pi A\int_{0}^{a}\mathrm{d}\rho\ \left(1-\frac{B}{B+\rho^2} \right) \\ &=4\pi Aa-4\pi A\sqrt{B}\int_{0}^{a/\sqrt{B}}\mathrm{d}s\ \frac{1}{1+s^2} \qquad\text{ 여기서 $\rho=\sqrt{B}\,s$, $\mathrm{d}\rho=\sqrt{B}\,\mathrm{d}s$} \\ &=4\pi A\left(a-\sqrt{B}\tan^{-1}\frac{a}{\sqrt{B}}\right) \end{aligned}

(d) 다음을 관찰하자.

  • φ=0\varphi=0 일 때(즉 양의 zz축 위에서) cos⁡φ=1\cos\varphi=1 이므로 ρ=a(1−cos⁡φ)=0\rho=a(1-\cos\varphi)=0 이고,
  • φ\varphi 가 00 에서 π2\frac{\pi}{2} 까지 증가하면 cos⁡φ\cos\varphi 는 감소하므로 ρ=a(1−cos⁡φ)\rho=a(1-\cos\varphi) 는 증가하고,
  • φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} 일 때(즉 xyxy평면 위에서) cos⁡φ=0\cos\varphi=0 이므로 ρ=a(1−cos⁡φ)=a\rho=a(1-\cos\varphi)=a 이고,
  • φ\varphi 가 π2\frac{\pi}{2} 에서 π\pi 까지 증가하면 cos⁡φ\cos\varphi 는 계속 감소하므로 ρ=a(1−cos⁡φ)\rho=a(1-\cos\varphi) 는 더욱 증가하고,
  • φ=π\varphi=\pi 일 때(즉 음의 zz축 위에서) cos⁡φ=−1\cos\varphi=-1 이므로 ρ=a(1−cos⁡φ)=2a\rho=a(1-\cos\varphi)=2a 이다.

따라서 주어진 입체와 yzyz평면의 오른쪽 절반이 만나는 부분을 그리면 다음과 같다.

그림

문제의 입체는 zz축을 중심으로 한 회전에 대해 변하지 않으므로

부피=∫02πdθ∫0πdφ sin⁡φ∫0a(1−cos⁡φ)dρ ρ2=2πa33∫0πdφ sin⁡φ(1−cos⁡φ)3=2πa33∫02dt t3 여기서 t=1−cos⁡φ, dt=sin⁡φ dφ=2π a33 244=83πa3\begin{aligned} \text{부피} &= \int_{0}^{2\pi} \mathrm{d}\theta\int_0^{\pi}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi\int_{0}^{a(1-\cos\varphi)}\mathrm{d}\rho\ \rho^2 \\ &=2\pi\frac{a^3}{3} \int_0^{\pi}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi(1-\cos\varphi)^3 \\ &=2\pi\frac{a^3}{3} \int_0^2\mathrm{d}t\ t^3 \qquad\text{ 여기서 $t=1-\cos\varphi$, $\mathrm{d}t=\sin\varphi\,\mathrm{d}\varphi$} \\ &=2\pi\ \frac{a^3}{3}\ \frac{2^4}{4} =\frac{8}{3}\pi a^3 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Recall that in spherical coordinates,

x=ρsin⁡φcos⁡θy=ρsin⁡φsin⁡θz=ρcos⁡φx2+y2=ρ2sin⁡2φ\begin{aligned} x&=\rho\sin\varphi\cos\theta \\ y&=\rho\sin\varphi\sin\theta \\ z&=\rho\cos\varphi \\ x^2+y^2 &=\rho^2\sin^2\varphi \end{aligned}

so that x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2= a^2 becomes ρ=a\rho = a, and x2+y2=z\sqrt{x^2+y^2}= z becomes

ρsin⁡φ=ρcos⁡φ  ⟺  tan⁡φ=1  ⟺  φ=π4\begin{aligned} \rho\sin\varphi = \rho\cos\varphi \iff \tan\varphi= 1 \iff \varphi=\frac{\pi}{4} \end{aligned}

Here is a sketch of the y=0y=0 cross–section of the specified region.

figure

Looking at the figure above, we see that, on that region,

  • φ\varphi runs from 00 (the positive zz–axis) to π4\frac{\pi}{4} (on the cone), and
  • for each φ\varphi is that range, ρ\rho runs from 00 to aa and θ\theta runs from 00 to 2π2\pi.

so that

Volume=∫0adρ∫02πdθ∫0π4dφ ρ2sin⁡φ={∫0adρ ρ2}{∫02πdθ}{∫0π4dφ sin⁡φ}=a33 2π [−cos⁡φ]0π4=2πa33(1−12)\begin{aligned} \text{Volume} &= \int_{0}^{a}\mathrm{d}\rho \int_{0}^{2\pi} \mathrm{d}\theta \int_0^{{\pi\over 4}}\mathrm{d}\varphi\ \rho^2\sin\varphi = \Big\{\int_{0}^{a}\mathrm{d}\rho\ \rho^2 \Big\}\Big\{\int_{0}^{2\pi} \mathrm{d}\theta\Big\}\Big\{ \int_0^{{\pi\over 4}}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi\Big\} \\ &= \frac{a^3}{3}\ 2\pi\ \Big[-\cos\varphi\Big]_0^{{\pi\over 4}} =2\pi\frac{a^3}{3}\left(1-\frac{1}{\sqrt{2}}\right) \end{aligned}

(b) The part of the sphere in question is

R={ (x,y,z) ∣ x2+y2+z2≤a2, x≥0, y≥0, z≥0 }={ (ρsin⁡φcos⁡θ , ρsin⁡φsin⁡θ , ρcos⁡φ) ∣ ρ≤a, 0≤φ≤π2, 0≤θ≤π2 }\begin{aligned} R&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+y^2+z^2\le a^2,\ x\ge0,\ y\ge 0,\ z\ge 0\ \big\} \\ &=\big\{ \ (\rho\sin\varphi\cos\theta\,,\, \rho\sin\varphi\sin\theta\,,\, \rho\cos\varphi)\ \big|\ \rho\le a,\ 0\le\varphi\le\tfrac{\pi}{2}, \ 0\le\theta\le\tfrac{\pi}{2}\ \big\} \end{aligned}

By symmetry, the two specified integrals are equal, and are

∫0adρ ρ2∫0π2dφ sin⁡φ∫0π2dθ ρcos⁡φ⏞z=a44π2∫0π2dφ sin⁡φcos⁡φ=πa48∫01dt t where t=sin⁡φ, dt=cos⁡φ dφ=πa416\begin{aligned} \int_{0}^{a}\mathrm{d}\rho\ \rho^2 \int_0^{{\pi\over 2}}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi \int_{0}^{{\pi\over 2}} \mathrm{d}\theta\ \overbrace{\rho\cos\varphi}^{z} &=\frac{a^4}{4}\frac{\pi}{2} \int_0^{{\pi\over 2}}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi\cos\varphi \\ &=\frac{\pi a^4}{8} \int_0^{1}\mathrm{d}t\ t\qquad\text{ where $t=\sin\varphi$, $\mathrm{d}t=\cos\varphi\,\mathrm{d}\varphi$} \\ &=\frac{\pi a^4}{16} \end{aligned}

(c) The planet in question is

P={ (x,y,z) ∣ x2+y2+z2≤a2 }={ (ρsin⁡φcos⁡θ , ρsin⁡φsin⁡θ , ρcos⁡φ) ∣ ρ≤a, 0≤φ≤π, 0≤θ≤2π }\begin{aligned} P&=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x^2+y^2+z^2\le a^2\ \big\} \\ &=\big\{ \ (\rho\sin\varphi\cos\theta\,,\, \rho\sin\varphi\sin\theta\,,\, \rho\cos\varphi)\ \big|\ \rho\le a,\ 0\le\varphi\le\pi, \ 0\le\theta\le2\pi\ \big\} \end{aligned}

So the

mass=∫0adρ ρ2∫0πdφ sin⁡φ∫02πdθ AB+ρ2⏞density=2πA{∫0πdφ sin⁡φ}{∫0adρ ρ2B+ρ2}=4πA∫0adρ (1−BB+ρ2)=4πAa−4πAB∫0a/Bds 11+s2 where ρ=B s, dρ=B ds=4πA(a−Btan⁡−1aB)\begin{aligned} \text{mass} &= \int_{0}^{a}\mathrm{d}\rho\ \rho^2 \int_0^{\pi}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi \int_{0}^{2\pi} \mathrm{d}\theta\ \overbrace{\frac{A}{B+\rho^2}}^{\rm density} =2\pi A\Big\{ \int_0^{\pi}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi\Big\} \Big\{\int_{0}^{a}\mathrm{d}\rho\ \frac{\rho^2}{B+\rho^2} \Big\} \\ &=4\pi A\int_{0}^{a}\mathrm{d}\rho\ \left(1-\frac{B}{B+\rho^2} \right) \\ &=4\pi Aa-4\pi A\sqrt{B}\int_{0}^{a/\sqrt{B}}\mathrm{d}s\ \frac{1}{1+s^2} \qquad\text{ where $\rho=\sqrt{B}\,s$, $\mathrm{d}\rho=\sqrt{B}\,\mathrm{d}s$} \\ &=4\pi A\left(a-\sqrt{B}\tan^{-1}\frac{a}{\sqrt{B}}\right) \end{aligned}

(d) Observe that

  • when φ=0\varphi=0 (i.e. on the positive zz–axis), cos⁡φ=1\cos\varphi=1 so that ρ=a(1−cos⁡φ)=0\rho=a(1-\cos\varphi)=0 and
  • as φ\varphi increases from 00 to π2\frac{\pi}{2}, cos⁡φ\cos\varphi decreases so that ρ=a(1−cos⁡φ)\rho=a(1-\cos\varphi) increases and
  • when φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} (i.e. on the xyxy–plane), cos⁡φ=0\cos\varphi=0 so that ρ=a(1−cos⁡φ)=a\rho=a(1-\cos\varphi)=a and
  • as φ\varphi increases from π2\frac{\pi}{2} to π\pi, cos⁡φ\cos\varphi continues to decrease so that ρ=a(1−cos⁡φ)\rho=a(1-\cos\varphi) increases still more and
  • when φ=π\varphi=\pi (i.e. on the negative zz–axis), cos⁡φ=−1\cos\varphi=-1 so that ρ=a(1−cos⁡φ)=2a\rho=a(1-\cos\varphi)=2a

So we have the following sketch of the intersection of the specified volume with the right half of the yzyz–plane.

figure

The volume in question is invariant under rotations about the zz–axis so that

Volume=∫02πdθ∫0πdφ sin⁡φ∫0a(1−cos⁡φ)dρ ρ2=2πa33∫0πdφ sin⁡φ(1−cos⁡φ)3=2πa33∫02dt t3 where t=1−cos⁡φ, dt=sin⁡φ dφ=2π a33 244=83πa3\begin{aligned} \text{Volume} &= \int_{0}^{2\pi} \mathrm{d}\theta\int_0^{\pi}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi\int_{0}^{a(1-\cos\varphi)}\mathrm{d}\rho\ \rho^2 \\ &=2\pi\frac{a^3}{3} \int_0^{\pi}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi(1-\cos\varphi)^3 \\ &=2\pi\frac{a^3}{3} \int_0^2\mathrm{d}t\ t^3 \qquad\text{ where $t=1-\cos\varphi$, $\mathrm{d}t=\sin\varphi\,\mathrm{d}\varphi$} \\ &=2\pi\ \frac{a^3}{3}\ \frac{2^4}{4} =\frac{8}{3}\pi a^3 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 3.7절 · 30번우리말 번역

SS 를 제1팔분공간(x,y,z≥0x,y,z\ge 0)에 있는 영역으로서 원뿔 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 의 위쪽, 구 (z−1)2+x2+y2=1(z-1)^2 +x^2+y^2=1 의 아래쪽에 놓인 부분이라 하자. VV 를 그 부피라 하자.

(a) VV 를 원기둥좌표계에서의 삼중적분으로 나타내세요. (b) VV 를 구면좌표계에서의 삼중적분으로 나타내세요. (c) 위의 두 적분 중 하나를 이용하여 VV 를 계산하세요.

다 풀었으면 정답 확인

구 x2+y2+(z−1)2=1x^2+y^2+(z-1)^2=1 과 원뿔 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 은 모두 zz축을 중심으로 한 회전에 대하여 변하지 않는다. 구 x2+y2+(z−1)2=1x^2 + y^2 + (z-1)^2 = 1 과 원뿔 z=x2+y2z = \sqrt{x^2 + y^2} 은 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 일 때 만나므로 x2+y2=z2x^2+y^2=z^2 이고,

x2+y2+(z−1)2=z2+(z−1)2=1  ⟺  2z2−2z=0  ⟺  2z(z−1)=0  ⟺  z=0,1\begin{aligned} x^2 + y^2 + (z-1)^2 = z^2+(z-1)^2=1 &\iff 2z^2-2z=0 \iff 2z(z-1)=0 \\ &\iff z=0,1 \end{aligned}

따라서 두 곡면은 원 z=1z=1, x2+y2=1x^2+y^2=1 에서 만나며

S={ (x,y,z) ∣ x,y≥0, x2+y2≤1, x2+y2≤z≤1+1−x2−y2 }S = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x,y\ge 0,\ x^2+y^2\le 1,\ \sqrt{x^2+y^2}\le z\le 1+\sqrt{1-x^2-y^2}\ \big\}

이다.

다음은 SS 의 y=0y=0 단면의 개형이다.

그림

(a) 원기둥좌표계에서

  • 조건 x,y≥0x,y\ge 0 은 0≤θ≤π/20\le\theta\le{\pi}/{2} 이고,
  • 조건 x2+y2≤1x^2+y^2\le 1 은 r≤1r\le 1 이며,
  • 조건 x2+y2≤z≤1+1−x2−y2\sqrt{x^2+y^2}\le z\le 1+\sqrt{1-x^2-y^2} 은 r≤z≤1+1−r2r\le z\le 1+\sqrt{1-r^2} 이고,
  • dV=r dr dθ dz\mathrm{d}V = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z 이다.

따라서

V=∭SdV=∫01dr∫0π/2dθ∫r1+1−r2dz r\begin{aligned} V = \iiint _S\mathrm{d}V = \int_0^1\mathrm{d}r \int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_r^{1+\sqrt{1-r^2}}\mathrm{d}z \ r \end{aligned}

이다.

(b) 구면좌표계에서

  • 원뿔 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 은 다음과 같이 된다.

ρ cos⁡φ=ρ2sin⁡2φ cos⁡2θ+ρ2sin⁡2φ sin⁡2θ=ρsin⁡φ  ⟺  tan⁡φ=1  ⟺  φ=π4\begin{aligned} \rho\,\cos\varphi =\sqrt{\rho^2\sin^2\varphi\,\cos^2\theta +\rho^2\sin^2\varphi\,\sin^2\theta} =\rho\sin\varphi \iff \tan\varphi=1 \iff \varphi=\frac{\pi}{4} \end{aligned}

  • 따라서 SS 위에서 구면좌표 φ\varphi 는 φ=0\varphi=0 (zz축의 양의 부분)에서 φ=π/4\varphi={\pi}/{4} (원뿔 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2})까지 변하며, 이는 원뿔의 위쪽에 머물도록 한다.
  • 조건 x,y≥0x,y\ge 0 은 0≤θ≤π/20\le\theta\le{\pi}/{2} 이다.
  • 조건 x2+y2+(z−1)2≤1x^2+y^2+(z-1)^2\le 1 (구의 내부에 머물도록 하는 조건)은 다음과 같이 된다.

ρ2sin⁡2φ cos⁡2θ+ρ2sin⁡2φ sin⁡2θ+(ρcos⁡φ−1)2≤1  ⟺  ρ2 sin⁡2φ+ρ2cos⁡2φ−2ρcos⁡φ+1≤1  ⟺  ρ2−2ρcos⁡φ≤0  ⟺  ρ≤2cos⁡φ\begin{aligned} &\rho^2\sin^2\varphi\,\cos^2\theta + \rho^2\sin^2\varphi\,\sin^2\theta +\big(\rho\cos\varphi-1\big)^2\le 1 \\ &\iff \rho^2\,\sin^2\varphi +\rho^2\cos^2\varphi -2\rho\cos\varphi +1 \le 1 \\ &\iff \rho^2-2\rho\cos\varphi\le 0 \\ &\iff \rho\le 2 \cos\varphi \end{aligned}

  • 그리고 dV=ρ2sin⁡φ dρ dθ dφ\mathrm{d}V = \rho^2\sin\varphi\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi 이다.

따라서

V=∭SdV=∫0π/4dφ∫0π/2dθ∫02cos⁡φdρ ρ2sin⁡φ\begin{aligned} V = \iiint _S\mathrm{d}V = \int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\varphi \int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta \int_0^{2\cos\varphi}\mathrm{d}\rho\ \rho^2\sin\varphi \end{aligned}

이다.

(c) (b)의 구면좌표계 적분을 이용하여 VV 를 계산한다.

V=∫0π/4dφ∫0π/2dθ∫02cos⁡φdρ ρ2sin⁡φ=83∫0π/4dφ∫0π/2dθ cos⁡3φ sin⁡φ=83 π2 [−cos⁡4φ4]0π/4=π3[1−1(2)4]=π4\begin{aligned} V &= \int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\varphi \int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta \int_0^{2\cos\varphi}\mathrm{d}\rho\ \rho^2\sin\varphi \\ &=\frac{8}{3} \int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\varphi \int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \cos^3\varphi\ \sin\varphi \\ &=\frac{8}{3}\ \frac{\pi}{2}\ \left[-\frac{\cos^4\varphi}{4}\right]_0^{\pi/4} \\ &=\frac{\pi}{3} \left[1-\frac{1}{(\sqrt{2})^4}\right] \\ &=\frac{\pi}{4} \end{aligned}

이 문제로 이어서 풀기
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