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 · 23번대학 수준우리말 번역

I=∭T(x2+y2) dVI = \iiint _T (x^2+y^2)\ \mathrm{d}V

라 하자. 여기서 TT 는 아래로는 원뿔 z=3x2+3y2z =\sqrt{3x^2+3y^2} 로, 위로는 구 x2+y2+z2=9x^2 + y^2 + z^2 = 9 로 유계인 입체 영역이다.

(a) II 를 구면좌표계의 삼중적분으로 나타내세요. (b) II 를 원기둥좌표계의 삼중적분으로 나타내세요. (c) 어떤 방법으로든 II 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let

I=∭T(x2+y2) dVI = \iiint _T (x^2+y^2)\ \mathrm{d}V

where TT is the solid region bounded below by the cone z=3x2+3y2z =\sqrt{3x^2+3y^2} and above by the sphere x2+y2+z2=9x^2 + y^2 + z^2 = 9.

(a) Express II as a triple integral in spherical coordinates. (b) Express II as a triple integral in cylindrical coordinates. (c) Evaluate II by any method.

정답·풀이 보기

(a) 구면좌표계에서

x=ρ sin⁡φ cos⁡θy=ρ sin⁡φ sin⁡θz=ρ cos⁡φ\begin{aligned} x=\rho\,\sin\varphi\,\cos\theta\qquad y=\rho\,\sin\varphi\,\sin\theta\qquad z=\rho\,\cos\varphi \end{aligned}

이므로

  • x2+y2+z2≤9x^2+y^2+z^2\le 9 는 ρ≤3\rho\le 3 이고,
  • 3x2+3y2≤z\sqrt{3x^2+3y^2}\le z 는 3ρsin⁡φ≤ρcos⁡φ\sqrt{3}\rho\sin\varphi\le \rho\cos\varphi, 즉 tan⁡φ≤13\tan\varphi\le \frac{1}{\sqrt{3}} 또는 φ≤π6\varphi\le\frac{\pi}{6} 이고,
  • 피적분함수 x2+y2=ρ2sin⁡2φx^2+y^2=\rho^2\sin^2\varphi 이고,
  • dV\mathrm{d}V 는 ρ2sin⁡φ dρ dθ dφ\rho^2\sin\varphi\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi 이다.

따라서

T={ (ρsin⁡φcos⁡θ , ρsin⁡φsin⁡θ , ρcos⁡φ) ∣ 0≤ρ≤3, 0≤θ≤2π, 0≤φ≤π/6 }T =\big\{ \ (\rho\sin\varphi\cos\theta\,,\,\rho\sin\varphi\sin\theta\,,\, \rho\cos\varphi)\ \big|\ 0\le\rho\le 3,\ 0\le\theta\le2\pi,\ 0\le \varphi\le {\pi}/{6}\ \big\}

이고,

I=∭T(x2+y2) dV=∫03dρ∫02πdθ∫0π/6dφ ρ2sin⁡φ ρ2sin⁡2φ⏞x2+y2=∫03dρ∫02πdθ∫0π/6dφ ρ4sin⁡3φ\begin{aligned} I &=\iiint _T \big(x^2+y^2\big)\ \mathrm{d}V =\int_0^{3}\mathrm{d}\rho\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\pi/6}\mathrm{d}\varphi\ \rho^2\sin\varphi\ \overbrace{\rho^2\sin^2\varphi}^{x^2+y^2} \\ &=\int_0^{3}\mathrm{d}\rho\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\pi/6}\mathrm{d}\varphi\ \rho^4\sin^3\varphi \end{aligned}

(b) 원기둥좌표계에서

  • x2+y2+z2≤9x^2+y^2+z^2\le 9 는 r2+z2≤9r^2+z^2\le 9 이고,
  • 3x2+3y2≤z\sqrt{3 x^2+3 y^2}\le z 는 3 r≤z\sqrt{3}\,r\le z 이고,
  • 피적분함수 x2+y2=r2x^2+y^2=r^2 이고,
  • dV\mathrm{d}V 는 r dr dθ dzr\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z 이다.

r2+z2=9r^2+z^2= 9 와 3 r=z\sqrt{3}\,r= z 는 r2+3r2=9r^2+3r^2=9 일 때 만나므로 r=32r=\frac{3}{2}, z=332z=\frac{3\sqrt{3}}{2} 임을 알 수 있다. 다음은 TT 의 y=0y=0 단면의 그림이다.

그림

따라서

T={ (rcos⁡θ , rsin⁡θ , z) ∣ 0≤r≤32, 0≤θ≤2π, 3 r≤z≤9−r2 }T =\big\{ \ (r\cos\theta\,,\,r\sin\theta\,,\,z)\ \big|\ 0\le r\le \tfrac{3}{2},\ 0\le\theta\le2\pi,\ \sqrt{3}\,r\le z\le \sqrt{9-r^2}\ \big\}

이고

I=∭V(x2+y2) dV=∫03/2dr∫02πdθ∫3 r9−r2dz r(r2)⏞x2+y2=∫03/2dr∫02πdθ∫3 r9−r2dz  r3\begin{aligned} I &=\iiint _V (x^2+y^2)\ \mathrm{d}V =\int_0^{3/2}\mathrm{d}r\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_{\sqrt{3}\,r}^{\sqrt{9-r^2}}\mathrm{d}z\ r\overbrace{(r^2)}^{x^2+y^2} =\int_0^{3/2}\mathrm{d}r\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_{\sqrt{3}\,r}^{\sqrt{9-r^2}}\mathrm{d}z\ \ r^3 \end{aligned}

(c) 구면좌표로 나타낸 식을 이용한다.

I=∫03dρ∫02πdθ∫0π/6dφ ρ4sin⁡3φ=∫03dρ∫02πdθ∫0π/6dφ ρ4sin⁡φ[1−cos⁡2φ]=2π∫03dρ ρ4[−cos⁡φ+cos⁡3φ3]0π/6=2π[−32+38+1−13]∫03dρ ρ4=2π355[23−338]=81⏞34π[45−9320]≈5.24\begin{aligned} I &=\int_0^{3}\mathrm{d}\rho\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\pi/6}\mathrm{d}\varphi\ \rho^4\sin^3\varphi \\ &=\int_0^{3}\mathrm{d}\rho\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\pi/6}\mathrm{d}\varphi\ \rho^4\sin\varphi \big[1-\cos^2\varphi\big] \\ &=2\pi \int_0^3\mathrm{d}\rho\ \rho^4 \left[-\cos\varphi +\frac{\cos^3\varphi}{3}\right]_0^{\pi/6} =2\pi \left[-\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{\sqrt{3}}{8}+1-\frac{1}{3}\right] \int_0^3\mathrm{d}\rho\ \rho^4 \\ &=2\pi \frac{3^5}{5}\left[\frac{2}{3} - \frac{3\sqrt{3}}{8}\right] =\overbrace{81}^{3^4}\pi \left[\frac{4}{5} - \frac{9\sqrt{3}}{20}\right] \approx 5.24 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Recall that in spherical coordinates

x=ρ sin⁡φ cos⁡θy=ρ sin⁡φ sin⁡θz=ρ cos⁡φ\begin{aligned} x=\rho\,\sin\varphi\,\cos\theta\qquad y=\rho\,\sin\varphi\,\sin\theta\qquad z=\rho\,\cos\varphi \end{aligned}

so that

  • x2+y2+z2≤9x^2+y^2+z^2\le 9 is ρ≤3\rho\le 3, and
  • 3x2+3y2≤z\sqrt{3x^2+3y^2}\le z is 3ρsin⁡φ≤ρcos⁡φ\sqrt{3}\rho\sin\varphi\le \rho\cos\varphi, or tan⁡φ≤13\tan\varphi\le \frac{1}{\sqrt{3}} or φ≤π6\varphi\le\frac{\pi}{6}, and
  • the integrand x2+y2=ρ2sin⁡2φx^2+y^2=\rho^2\sin^2\varphi, and
  • dV\mathrm{d}V is ρ2sin⁡φ dρ dθ dφ\rho^2\sin\varphi\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi

So

T={ (ρsin⁡φcos⁡θ , ρsin⁡φsin⁡θ , ρcos⁡φ) ∣ 0≤ρ≤3, 0≤θ≤2π, 0≤φ≤π/6 }T =\big\{ \ (\rho\sin\varphi\cos\theta\,,\,\rho\sin\varphi\sin\theta\,,\, \rho\cos\varphi)\ \big|\ 0\le\rho\le 3,\ 0\le\theta\le2\pi,\ 0\le \varphi\le {\pi}/{6}\ \big\}

and,

I=∭T(x2+y2) dV=∫03dρ∫02πdθ∫0π/6dφ ρ2sin⁡φ ρ2sin⁡2φ⏞x2+y2=∫03dρ∫02πdθ∫0π/6dφ ρ4sin⁡3φ\begin{aligned} I &=\iiint _T \big(x^2+y^2\big)\ \mathrm{d}V =\int_0^{3}\mathrm{d}\rho\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\pi/6}\mathrm{d}\varphi\ \rho^2\sin\varphi\ \overbrace{\rho^2\sin^2\varphi}^{x^2+y^2} \\ &=\int_0^{3}\mathrm{d}\rho\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\pi/6}\mathrm{d}\varphi\ \rho^4\sin^3\varphi \end{aligned}

(b) In cylindrical coordinates

  • x2+y2+z2≤9x^2+y^2+z^2\le 9 is r2+z2≤9r^2+z^2\le 9 and
  • 3x2+3y2≤z\sqrt{3 x^2+3 y^2}\le z is 3 r≤z\sqrt{3}\,r\le z and
  • the integand x2+y2=r2x^2+y^2=r^2, and
  • dV\mathrm{d}V is r dr dθ dzr\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z

Observe that r2+z2=9r^2+z^2= 9 and 3 r=z\sqrt{3}\,r= z intersect when r2+3r2=9r^2+3r^2=9 so that r=32r=\frac{3}{2} and z=332z=\frac{3\sqrt{3}}{2}. Here is a sketch of the y=0y=0 cross–section of TT.

figure

So

T={ (rcos⁡θ , rsin⁡θ , z) ∣ 0≤r≤32, 0≤θ≤2π, 3 r≤z≤9−r2 }T =\big\{ \ (r\cos\theta\,,\,r\sin\theta\,,\,z)\ \big|\ 0\le r\le \tfrac{3}{2},\ 0\le\theta\le2\pi,\ \sqrt{3}\,r\le z\le \sqrt{9-r^2}\ \big\}

and

I=∭V(x2+y2) dV=∫03/2dr∫02πdθ∫3 r9−r2dz r(r2)⏞x2+y2=∫03/2dr∫02πdθ∫3 r9−r2dz  r3\begin{aligned} I &=\iiint _V (x^2+y^2)\ \mathrm{d}V =\int_0^{3/2}\mathrm{d}r\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_{\sqrt{3}\,r}^{\sqrt{9-r^2}}\mathrm{d}z\ r\overbrace{(r^2)}^{x^2+y^2} =\int_0^{3/2}\mathrm{d}r\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_{\sqrt{3}\,r}^{\sqrt{9-r^2}}\mathrm{d}z\ \ r^3 \end{aligned}

(c) We'll use the spherical coordinate form.

I=∫03dρ∫02πdθ∫0π/6dφ ρ4sin⁡3φ=∫03dρ∫02πdθ∫0π/6dφ ρ4sin⁡φ[1−cos⁡2φ]=2π∫03dρ ρ4[−cos⁡φ+cos⁡3φ3]0π/6=2π[−32+38+1−13]∫03dρ ρ4=2π355[23−338]=81⏞34π[45−9320]≈5.24\begin{aligned} I &=\int_0^{3}\mathrm{d}\rho\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\pi/6}\mathrm{d}\varphi\ \rho^4\sin^3\varphi \\ &=\int_0^{3}\mathrm{d}\rho\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\pi/6}\mathrm{d}\varphi\ \rho^4\sin\varphi \big[1-\cos^2\varphi\big] \\ &=2\pi \int_0^3\mathrm{d}\rho\ \rho^4 \left[-\cos\varphi +\frac{\cos^3\varphi}{3}\right]_0^{\pi/6} =2\pi \left[-\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{\sqrt{3}}{8}+1-\frac{1}{3}\right] \int_0^3\mathrm{d}\rho\ \rho^4 \\ &=2\pi \frac{3^5}{5}\left[\frac{2}{3} - \frac{3\sqrt{3}}{8}\right] =\overbrace{81}^{3^4}\pi \left[\frac{4}{5} - \frac{9\sqrt{3}}{20}\right] \approx 5.24 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 3.7절 · 8번우리말 번역

구면좌표를 사용하여 적분

I=∭Dz dVI=\iiint _D z\ \mathrm{d}V

의 값을 구하세요. 여기서 DD 는 원뿔 z=x2+y2z = \sqrt{x^2 + y^2} 와 구 x2+y2+z2=4x^2 + y^2 + z^2 = 4 로 둘러싸인 입체입니다. 즉, (x,y,z)(x,y,z) 가 DD 에 속하는 것은 x2+y2≤z\sqrt{x^2 + y^2}\le z 이고 x2+y2+z2≤4x^2 + y^2 + z^2 \le 4 일 때, 그리고 그때에 한합니다.

답 쓰고 채점
다 풀었으면 정답 확인

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=4x^2+y^2+z^2= 4 는 ρ=2\rho = 2 가 되고, x2+y2=z\sqrt{x^2+y^2}= z 는

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}

가 된다.

다음은 DD 의 y=0y=0 단면을 그린 그림이다.

그림

위 그림을 보면 DD 에서 다음을 알 수 있다.

  • φ\varphi 는 00 (zz축의 양의 방향)에서 π4\frac{\pi}{4} (원뿔 위)까지 변하고,
  • 이 범위의 각 φ\varphi 에 대해 ρ\rho 는 00 에서 22 까지, θ\theta 는 00 에서 2π2\pi 까지 변한다.

따라서

D={ (ρsin⁡φcos⁡θ,ρsin⁡φsin⁡θ,ρcos⁡φ) ∣ 0≤φ≤π/4, 0≤θ≤2π, ρ≤2 }\begin{aligned} D&=\big\{ \ (\rho\sin\varphi\cos\theta,\rho\sin\varphi\sin\theta,\rho\cos\varphi)\ \big|\ 0\le\varphi\le{\pi}/{4},\ 0\le \theta\le 2\pi,\ \rho\le 2\ \big\} \end{aligned}

이고, dV=ρ2sin⁡φ dρ dθ dφ\mathrm{d}V =\rho^2\sin\varphi\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi 이므로

I=∫0π/4dφ∫02πdθ∫02dρ ρ2sin⁡φ ρcos⁡φ⏞z=∫0π/4dφ∫02πdθ∫02dρ ρ3sin⁡φ cos⁡φ=2π 244∫0π/4dφ sin⁡φ cos⁡φ=2π 244[sin⁡2φ2]0π/4=2π\begin{aligned} I&= \int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\varphi\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{2}\mathrm{d}\rho\ \rho^2\sin\varphi\ \overbrace{\rho\cos\varphi}^{z} \\ &= \int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\varphi\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{2}\mathrm{d}\rho\ \rho^3\sin\varphi\,\cos\varphi \\ &= 2\pi\ \frac{2^4}{4} \int_0^{\pi/4}\mathrm{d}\varphi\ \sin\varphi\,\cos\varphi \\ &= 2\pi\ \frac{2^4}{4}\left[\frac{\sin^2\varphi}{2}\right]_0^{\pi/4} \\ &= 2\pi \end{aligned}

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