문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

면적분과 플럭스

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

CLP-4 · 3.3절 · 13번대학 수준우리말 번역

반지름이 aa인 구 껍질이 원점에 중심을 두고 있다. 이 구에서 제1팔분공간에 놓인 부분의 무게중심(즉, 밀도가 상수일 때의 질량중심)을 구하세요.

영어 원문 보기

A spherical shell of radius aa is centred at the origin. Find the centroid (i.e. the centre of mass with constant density) of the part of the sphere that lies in the first octant.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

대칭성에 의해 무게중심 (xˉ,yˉ,zˉ)(\bar x,\bar y,\bar z)는 xˉ=yˉ=zˉ\bar x=\bar y=\bar z를 만족한다. 구면좌표를 이용하여 구를 매개변수로 나타내면 다음과 같다.

r(θ,φ)=asin⁡φcos⁡θ ı^+asin⁡φsin⁡θ ȷ^+acos⁡φ k^\mathbf{r}(\theta,\varphi) = a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +a\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}

그러면

∂r∂θ=−asin⁡φsin⁡θ ı^+asin⁡φcos⁡θ ȷ^∂r∂φ=acos⁡φcos⁡θ ı^+acos⁡φsin⁡θ ȷ^−asin⁡φ k^\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} =-a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\qquad \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} =a\cos\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\cos\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a\sin\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

이므로

∂r∂θ×∂r∂φ=det⁡[ı^ȷ^k^−asin⁡φsin⁡θasin⁡φcos⁡θ0acos⁡φcos⁡θacos⁡φsin⁡θ−asin⁡φ]=−a2sin⁡2φcos⁡θ ı^−a2sin⁡2φsin⁡θ ȷ^−a2sin⁡φcos⁡φ k^  ⟹  dS=∣∂r∂θ×∂r∂φ∣ dθ dφ=a2sin⁡φ dθ dφ\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -a\sin\varphi\sin\theta & a\sin\varphi\cos\theta & 0 \\ a\cos\varphi\cos\theta & a\cos\varphi\sin\theta & -a\sin\varphi \end{matrix}\right] \\ &=-a^2\sin^2\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-a^2\sin^2\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a^2\sin\varphi\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\\ \implies \mathrm{d}S&=\left|\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi}\right| \,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi =a^2\sin\varphi\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi \end{aligned}

제1팔분공간에 있는 구면 부분의 겉넓이는 184πa2=πa22\frac{1}{8}4\pi a^2=\frac{\pi a^2}{2} 이므로

xˉ=yˉ=zˉ=∬Sz dS∬S dS=1πa2/2∫0π/2dθ∫0π/2dφ (a2sin⁡φ)(acos⁡φ⏞z)=2aππ2∫0π/2dφ sin⁡φcos⁡φ=a[12sin⁡2φ]0π/2=a2\begin{aligned} \bar x=\bar y=\bar z &=\frac{\iint _S z\,\mathrm{d}S}{\iint _S\,\mathrm{d}S} =\frac{1}{\pi a^2/2}\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\varphi \ (a^2\sin\varphi)(\overbrace{a\cos\varphi}^{z}) \\ &=\frac{2a}{\pi}\frac{\pi}{2}\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\varphi \ \sin\varphi\cos\varphi =a\bigg[\frac{1}{2}\sin^2\varphi\bigg]_0^{\pi/2} =\frac{a}{2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

By symmetry, the centroid (xˉ,yˉ,zˉ)(\bar x,\bar y,\bar z) obeys xˉ=yˉ=zˉ\bar x=\bar y=\bar z. Parametrize the sphere using spherical coordinates.

r(θ,φ)=asin⁡φcos⁡θ ı^+asin⁡φsin⁡θ ȷ^+acos⁡φ k^\mathbf{r}(\theta,\varphi) = a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} +a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} +a\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}

Then

∂r∂θ=−asin⁡φsin⁡θ ı^+asin⁡φcos⁡θ ȷ^∂r∂φ=acos⁡φcos⁡θ ı^+acos⁡φsin⁡θ ȷ^−asin⁡φ k^\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta} =-a\sin\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\sin\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\qquad \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} =a\cos\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+a\cos\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a\sin\varphi\,\hat{\mathbf{k}} \end{aligned}

so that

∂r∂θ×∂r∂φ=det⁡[ı^ȷ^k^−asin⁡φsin⁡θasin⁡φcos⁡θ0acos⁡φcos⁡θacos⁡φsin⁡θ−asin⁡φ]=−a2sin⁡2φcos⁡θ ı^−a2sin⁡2φsin⁡θ ȷ^−a2sin⁡φcos⁡φ k^  ⟹  dS=∣∂r∂θ×∂r∂φ∣ dθ dφ=a2sin⁡φ dθ dφ\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi} &=\det\left[\begin{matrix} \hat{\boldsymbol{\imath}} & \hat{\boldsymbol{\jmath}} & \hat{\mathbf{k}} \\ -a\sin\varphi\sin\theta & a\sin\varphi\cos\theta & 0 \\ a\cos\varphi\cos\theta & a\cos\varphi\sin\theta & -a\sin\varphi \end{matrix}\right] \\ &=-a^2\sin^2\varphi\cos\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}-a^2\sin^2\varphi\sin\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} -a^2\sin\varphi\cos\varphi\,\hat{\mathbf{k}}\\ \implies \mathrm{d}S&=\left|\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \varphi}\right| \,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi =a^2\sin\varphi\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\varphi \end{aligned}

As the surface area of the part of the sphere in the first octant is 184πa2=πa22\frac{1}{8}4\pi a^2=\frac{\pi a^2}{2}

xˉ=yˉ=zˉ=∬Sz dS∬S dS=1πa2/2∫0π/2dθ∫0π/2dφ (a2sin⁡φ)(acos⁡φ⏞z)=2aππ2∫0π/2dφ sin⁡φcos⁡φ=a[12sin⁡2φ]0π/2=a2\begin{aligned} \bar x=\bar y=\bar z &=\frac{\iint _S z\,\mathrm{d}S}{\iint _S\,\mathrm{d}S} =\frac{1}{\pi a^2/2}\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\varphi \ (a^2\sin\varphi)(\overbrace{a\cos\varphi}^{z}) \\ &=\frac{2a}{\pi}\frac{\pi}{2}\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\varphi \ \sin\varphi\cos\varphi =a\bigg[\frac{1}{2}\sin^2\varphi\bigg]_0^{\pi/2} =\frac{a}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-4 · 3.3절 · 10번우리말 번역

반구 z=a2−x2−y2z=\sqrt{a^2-x^2-y^2} 중에서 원기둥 (x−a2)2+y2=(a2)2\big(x-\frac{a}{2}\big)^2+y^2=\big(\frac{a}{2}\big)^2 의 내부에 놓인 부분의 겉넓이를 구하세요.

답 쓰고 채점
다 풀었으면 정답 확인

반구의 일부분의 겉넓이를 구하려고 한다. 반구 위에서

z=f(x,y)=a2−x2−y2fx(x,y)=−xa2−x2−y2fy(x,y)=−ya2−x2−y2\begin{aligned} z=f(x,y)=\sqrt{a^2-x^2-y^2}\qquad f_x(x,y)=-\frac{x}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}\qquad f_y(x,y)=-\frac{y}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}} \end{aligned}

이므로

dS=1+fx(x,y)2+fy(x,y)2 dx dy=1+x2a2−x2−y2+y2a2−x2−y2 dx dy=a2a2−x2−y2 dx dy\begin{aligned} \mathrm{d}S&=\sqrt{1+f_x(x,y)^2+f_y(x,y)^2}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y =\sqrt{1+\frac{x^2}{a^2-x^2-y^2}+\frac{y^2}{a^2-x^2-y^2}}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \\ &=\sqrt{\frac{a^2}{a^2-x^2-y^2}}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y \end{aligned}

이다. 극좌표로 나타내면 dS=aa2−r2 r dr dθ\mathrm{d}S=\frac{a}{\sqrt{a^2-r^2}}\,r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta 이다. 원기둥 x2−ax+y2=0x^2-ax+y^2=0 의 내부에 있는 반구 부분의 겉넓이를 구하려고 하는데, 이 원기둥의 방정식은 극좌표로 r2−arcos⁡θ=0r^2-ar\cos\theta=0 곧 r=acos⁡θr=a\cos\theta 가 된다. 적분 영역의 위쪽 절반을 아래에 그렸다.

그림

따라서

Surface Area=2∫0π/2dθ∫0acos⁡θdr raa2−r2=2a∫0π/2dθ [−a2−r2 ]0acos⁡θ=2a∫0π/2dθ [a−asin⁡θ]=2a2[θ+cos⁡θ]0π/2=a2[π−2]\begin{aligned} {\rm Surface\ Area} &= 2\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\int_0^{a\cos\theta}\mathrm{d}r\ r \frac{a}{\sqrt{a^2-r^2}} = 2a\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \Big[-\sqrt{a^2-r^2}\,\Big]_0^{a\cos\theta} \\ &= 2a\int_0^{\pi/2}\mathrm{d}\theta\ \big[a-a\sin\theta\big] \\ &= 2a^2\Big[\theta+\cos\theta\Big]_0^{\pi/2} =a^2[\pi-2] \end{aligned}

이 문제로 이어서 풀기
# 면적분과 플럭스계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

「면적분과 플럭스」 문제 목록으로