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 · 29번대학 수준우리말 번역

입체 EE 는 아래로는 포물면 z=x2+y2z = x^2 + y^2 으로, 위로는 원뿔 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 으로 유계이다. 다음과 같이 두자.

I=∭Ez(x2+y2+z2) dVI = \iiint _E z\big(x^2+y^2+z^2\big)\ \mathrm{d}V

(a) II 를 원기둥좌표로 나타내세요. 값을 구하지는 마세요. (b) II 를 구면좌표로 나타내세요. 값을 구하지는 마세요. (c) II 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

The solid EE is bounded below by the paraboloid z=x2+y2z = x^2 + y^2 and above by the cone z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2}. Let

I=∭Ez(x2+y2+z2) dVI = \iiint _E z\big(x^2+y^2+z^2\big)\ \mathrm{d}V

(a) Write II in terms of cylindrical coordinates. Do not evaluate. (b) Write II in terms of spherical coordinates. Do not evaluate. (c) Calculate II.

정답·풀이 보기

(a) 원기둥좌표에서 포물면은 z=r2z=r^2 이고 원뿔은 z=rz=r 이다. 두 곡면은 r2=rr^2=r 일 때 만난다. 즉, r=0r=0 일 때와 r=1r=1 일 때이다. 따라서 원기둥좌표로 나타내면

I=∫01dr r∫02πdθ∫r2rdz z(r2+z2)\begin{aligned} I = \int_0^1 \mathrm{d}r\ r \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_{r^2}^r\mathrm{d}z\ z(r^2+z^2) \end{aligned}

(b) 구면좌표에서 포물면은

ρcos⁡φ=ρ2sin⁡2φ또는ρ=cos⁡φsin⁡2φ\rho\cos\varphi=\rho^2\sin^2\varphi\qquad\text{또는}\qquad \rho=\frac{\cos\varphi}{\sin^2\varphi}

이고 원뿔은

ρcos⁡φ=ρsin⁡φ또는tan⁡φ=1또는φ=π4\rho\cos\varphi=\rho\sin\varphi\quad\text{또는}\quad \tan\varphi=1\quad\text{또는}\quad \varphi=\frac{\pi}{4}

이다. 아래 그림은 θ\theta 가 상수인 EE 의 단면을 보여 준다. 이 그림을 보면 φ\varphi 는 π4\frac{\pi}{4} (즉, 원뿔)에서 π2\frac{\pi}{2} (즉, xyxy평면)까지 변한다.

그림

따라서 구면좌표로 나타내면

I=∫π/4π/2dφ∫02πdθ∫0cos⁡φ/sin⁡2φdρ ρ2sin⁡φ ρcos⁡φ⏞zρ2⏞x2+y2+z2=∫π/4π/2dφ∫02πdθ∫0cos⁡φ/sin⁡2φdρ ρ5sin⁡φcos⁡φ\begin{aligned} I &= \int_{\pi/4}^{\pi/2} \mathrm{d}\varphi \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\cos\varphi/\sin^2\varphi} \mathrm{d}\rho\ \rho^2\sin\varphi \ \overbrace{\rho\cos\varphi}^{z} \overbrace{\rho^2}^{x^2+y^2+z^2} \\ &= \int_{\pi/4}^{\pi/2} \mathrm{d}\varphi \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\cos\varphi/\sin^2\varphi} \mathrm{d}\rho\ \rho^5\sin\varphi \cos\varphi \end{aligned}

(c) 원기둥좌표 적분이 더 쉬워 보인다.

I=∫01dr r∫02πdθ∫r2rdz z(r2+z2)=∫01dr r∫02πdθ [r2z22+z44]r2r=2π∫01dr r[r2r22+r44−r2r42−r84]=2π[112+124−116−140]=π2[13+16−14−110]=3π40\begin{aligned} I &= \int_0^1 \mathrm{d}r\ r \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_{r^2}^r\mathrm{d}z\ z(r^2+z^2) \\ &= \int_0^1 \mathrm{d}r\ r \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \left[r^2\frac{z^2}{2}+\frac{z^4}{4}\right]_{r^2}^r \\ &= 2\pi \int_0^1 \mathrm{d}r\ r \left[r^2\frac{r^2}{2}+\frac{r^4}{4} -r^2\frac{r^4}{2}-\frac{r^8}{4}\right] \\ &=2\pi \left[\frac{1}{12}+\frac{1}{24} -\frac{1}{16}-\frac{1}{40}\right] =\frac{\pi}{2} \left[\frac{1}{3}+\frac{1}{6} -\frac{1}{4}-\frac{1}{10}\right] \\ &=\frac{3\pi}{40} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) In cylindrical coordinates, the paraboloid is z=r2z=r^2 and the cone is z=rz=r. The two meet when r2=rr^2=r. That is, when r=0r=0 and when r=1r=1. So, in cylindrical coordinates

I=∫01dr r∫02πdθ∫r2rdz z(r2+z2)\begin{aligned} I = \int_0^1 \mathrm{d}r\ r \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_{r^2}^r\mathrm{d}z\ z(r^2+z^2) \end{aligned}

(b) In spherical coordinates, the paraboloid is

ρcos⁡φ=ρ2sin⁡2φorρ=cos⁡φsin⁡2φ\rho\cos\varphi=\rho^2\sin^2\varphi\qquad\text{or}\qquad \rho=\frac{\cos\varphi}{\sin^2\varphi}

and the cone is

ρcos⁡φ=ρsin⁡φortan⁡φ=1orφ=π4\rho\cos\varphi=\rho\sin\varphi\quad\text{or}\quad \tan\varphi=1\quad\text{or}\quad \varphi=\frac{\pi}{4}

The figure below shows a constant θ\theta cross–section of EE. Looking at that figure, we see that φ\varphi runs from π4\frac{\pi}{4} (i.e. the cone) to π2\frac{\pi}{2} (i.e. the xyxy–plane).

figure

So, is spherical coordinates,

I=∫π/4π/2dφ∫02πdθ∫0cos⁡φ/sin⁡2φdρ ρ2sin⁡φ ρcos⁡φ⏞zρ2⏞x2+y2+z2=∫π/4π/2dφ∫02πdθ∫0cos⁡φ/sin⁡2φdρ ρ5sin⁡φcos⁡φ\begin{aligned} I &= \int_{\pi/4}^{\pi/2} \mathrm{d}\varphi \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\cos\varphi/\sin^2\varphi} \mathrm{d}\rho\ \rho^2\sin\varphi \ \overbrace{\rho\cos\varphi}^{z} \overbrace{\rho^2}^{x^2+y^2+z^2} \\ &= \int_{\pi/4}^{\pi/2} \mathrm{d}\varphi \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_0^{\cos\varphi/\sin^2\varphi} \mathrm{d}\rho\ \rho^5\sin\varphi \cos\varphi \end{aligned}

(c) The cylindrical coordinates integral looks easier.

I=∫01dr r∫02πdθ∫r2rdz z(r2+z2)=∫01dr r∫02πdθ [r2z22+z44]r2r=2π∫01dr r[r2r22+r44−r2r42−r84]=2π[112+124−116−140]=π2[13+16−14−110]=3π40\begin{aligned} I &= \int_0^1 \mathrm{d}r\ r \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_{r^2}^r\mathrm{d}z\ z(r^2+z^2) \\ &= \int_0^1 \mathrm{d}r\ r \int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \left[r^2\frac{z^2}{2}+\frac{z^4}{4}\right]_{r^2}^r \\ &= 2\pi \int_0^1 \mathrm{d}r\ r \left[r^2\frac{r^2}{2}+\frac{r^4}{4} -r^2\frac{r^4}{2}-\frac{r^8}{4}\right] \\ &=2\pi \left[\frac{1}{12}+\frac{1}{24} -\frac{1}{16}-\frac{1}{40}\right] =\frac{\pi}{2} \left[\frac{1}{3}+\frac{1}{6} -\frac{1}{4}-\frac{1}{10}\right] \\ &=\frac{3\pi}{40} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 3.7절 · 19번우리말 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}

다 풀었으면 정답 확인

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.

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