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 · 19번대학 수준우리말 번역

극한을 구하거나 존재하지 않음을 보이세요.

lim⁡(x,y,z)→(0,0,0)xy+yz2+xz2x2+y2+z4\lim_{(x,y,z)\to(0,0,0)}\frac{xy+yz^2+xz^2}{x^2+y^2+z^4}

영어 원문 보기

Find the limit or show that it does not exist

lim⁡(x,y,z)→(0,0,0)xy+yz2+xz2x2+y2+z4\lim_{(x,y,z)\to(0,0,0)}\frac{xy+yz^2+xz^2}{x^2+y^2+z^4}

정답·풀이 보기

구면좌표계에서 x=ρsin⁡φcos⁡θx=\rho\sin\varphi\cos\theta, y=ρsin⁡φsin⁡θy=\rho\sin\varphi\sin\theta, z=ρcos⁡φz=\rho\cos\varphi 이므로

ρ2sin⁡2φcos⁡θsin⁡θ+ρ3sin⁡φsin⁡θ cos⁡2φ+ρ3sin⁡φ cos⁡2φρ2sin⁡2φ+ρ4cos⁡4φ=sin⁡2φcos⁡θsin⁡θ+ρsin⁡φsin⁡θ cos⁡2φ+ρsin⁡φcos⁡θ cos⁡2φsin⁡2φ+ρ2cos⁡4φ\begin{aligned} &\frac{\rho^2\sin^2\varphi\cos\theta\sin\theta +\rho^3\sin\varphi\sin\theta\,\cos^2\varphi +\rho^3\sin\varphi\,\cos^2\varphi} {\rho^2\sin^2\varphi+\rho^4\cos^4\varphi} \\ & =\frac{\sin^2\varphi\cos\theta\sin\theta +\rho\sin\varphi\sin\theta\,\cos^2\varphi +\rho\sin\varphi\cos\theta\,\cos^2\varphi} {\sin^2\varphi+\rho^2\cos^4\varphi} \end{aligned}

이다. (x,y,z)→(0,0,0)(x,y,z)\to (0,0,0) 일 때 반지름 ρ→0\rho\to 0 이고, 분자의 둘째 항과 셋째 항, 그리고 분모의 둘째 항은 00 으로 수렴한다. 그러면 남는 것은

sin⁡2φcos⁡θsin⁡θsin⁡2φ=cos⁡θsin⁡θ\frac{\sin^2\varphi\cos\theta\sin\theta}{\sin^2\varphi} =\cos\theta\sin\theta

이고, 이는 여러 가지 서로 다른 값을 가진다. 특히 (x,y,z)→(0,0,0)(x,y,z)\to (0,0,0) 을 xx축 또는 yy축을 따라 보내면, 즉 z=0z=0 이고 x=0x=0 또는 y=0y=0 이면

xy+yz2+xz2x2+y2+z4∣x=0 또는 y=0z=0=0\frac{xy+yz^2+xz^2}{x^2+y^2+z^4}\bigg|_{\genfrac{}{}{0pt}{}{x=0\text{ 또는 }y=0}{z=0}}=0

이므로 00 으로 수렴한다. 그러나 (x,y,z)→(0,0,0)(x,y,z)\to (0,0,0) 을 직선 y=xy=x, z=0z=0 을 따라 보내면

xy+yz2+xz2x2+y2+z4∣y=xz=0=x22x2=12\frac{xy+yz^2+xz^2}{x^2+y^2+z^4}\bigg|_{\genfrac{}{}{0pt}{}{y=x}{z=0}}=\frac{x^2}{2x^2} =\frac{1}{2}

이므로 1/21/2 로 수렴한다. 따라서 (x,y,z)→(0,0,0)(x,y,z)\to(0,0,0) 일 때 xy+yz2+xz2x2+y2+z4\frac{xy+yz^2+xz^2}{x^2+y^2+z^4} 은 하나의 값에 가까워지지 않으므로 극한은 존재하지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

In spherical coordinates, x=ρsin⁡φcos⁡θx=\rho\sin\varphi\cos\theta, y=ρsin⁡φsin⁡θy=\rho\sin\varphi\sin\theta, z=ρcos⁡φz=\rho\cos\varphi so that

ρ2sin⁡2φcos⁡θsin⁡θ+ρ3sin⁡φsin⁡θ cos⁡2φ+ρ3sin⁡φ cos⁡2φρ2sin⁡2φ+ρ4cos⁡4φ=sin⁡2φcos⁡θsin⁡θ+ρsin⁡φsin⁡θ cos⁡2φ+ρsin⁡φcos⁡θ cos⁡2φsin⁡2φ+ρ2cos⁡4φ\begin{aligned} &\frac{\rho^2\sin^2\varphi\cos\theta\sin\theta +\rho^3\sin\varphi\sin\theta\,\cos^2\varphi +\rho^3\sin\varphi\,\cos^2\varphi} {\rho^2\sin^2\varphi+\rho^4\cos^4\varphi} \\ & =\frac{\sin^2\varphi\cos\theta\sin\theta +\rho\sin\varphi\sin\theta\,\cos^2\varphi +\rho\sin\varphi\cos\theta\,\cos^2\varphi} {\sin^2\varphi+\rho^2\cos^4\varphi} \end{aligned}

As (x,y,z)→(0,0,0)(x,y,z)\to (0,0,0), the radius ρ→0\rho\to 0 and the second and third terms in the numerator and the second term in the denominator converge to 00. But that leaves

sin⁡2φcos⁡θsin⁡θsin⁡2φ=cos⁡θsin⁡θ\frac{\sin^2\varphi\cos\theta\sin\theta}{\sin^2\varphi} =\cos\theta\sin\theta

which takes many different values. In particular, if we send (x,y,z)→(0,0,0)(x,y,z)\to (0,0,0) along either the xx– or yy–axis, that is with z=0z=0 and either x=0x=0 or y=0y=0, then

xy+yz2+xz2x2+y2+z4∣x=0 or y=0z=0=0\frac{xy+yz^2+xz^2}{x^2+y^2+z^4}\bigg|_{\genfrac{}{}{0pt}{}{x=0\text{ or }y=0}{z=0}}=0

converges to 00. But, if we send (x,y,z)→(0,0,0)(x,y,z)\to (0,0,0) along the line y=xy=x, z=0z=0

xy+yz2+xz2x2+y2+z4∣y=xz=0=x22x2=12\frac{xy+yz^2+xz^2}{x^2+y^2+z^4}\bigg|_{\genfrac{}{}{0pt}{}{y=x}{z=0}}=\frac{x^2}{2x^2} =\frac{1}{2}

converges to 1/21/2. So xy+yz2+xz2x2+y2+z4\frac{xy+yz^2+xz^2}{x^2+y^2+z^4} does not approach a single value as (x,y,z)→(0,0,0)(x,y,z)\to(0,0,0) and the limit does not exist.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 3.7절 · 2번우리말 번역

주어진 구면좌표에 해당하는 점을 그리세요.

(a) ρ=0\rho=0, θ=0.1π\theta=0.1\pi, φ=0.7π\varphi=0.7\pi (b) ρ=1\rho=1, θ=0.3π\theta=0.3\pi, φ=0\varphi=0 (c) ρ=1\rho=1, θ=0\theta=0, φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} (d) ρ=1\rho=1, θ=π3\theta=\frac{\pi}{3}, φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} (e) ρ=1\rho=1, θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} (f) ρ=1\rho=1, θ=π3\theta=\frac{\pi}{3}, φ=π6\varphi=\frac{\pi}{6}

다 풀었으면 정답 확인

그림은 아래와 같다. 이 그림을 그리는 데에는 다음 사실들을 떠올리면 도움이 된다.

  • 구면좌표 ρ\rho 는 원점 (0,0,0)(0,0,0) 에서 그 점까지의 거리이다. 특히 ρ=0\rho=0 이면 θ\theta 와 φ\varphi 의 값에 관계없이 그 점은 원점이다. ρ=1\rho=1 이면 그 점은 원점을 중심으로 하는 반지름 11 인 구 위에 있다.
  • 구면좌표 φ\varphi 는 양의 zz축과 원점에서 (x,y,z)(x,y,z) 까지의 선분 사이의 각이다. 특히 φ=0\varphi=0 인 모든 점은 θ\theta 의 값에 관계없이 양의 zz축 위에 있다. φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2} 인 모든 점은 xyxy평면 위에 있다.

그림

이 문제로 이어서 풀기
# 원기둥·구면좌표 삼중적분증명·논술도전자동 분류

「원기둥·구면좌표 삼중적분」 문제 목록으로