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 · 14번대학 수준우리말 번역

원기둥 x2+y2=2ayx^2+y^2=2ay 에서 z2=x2+y2z^2=x^2+y^2 의 바깥쪽에 놓인 부분의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the area of that part of the cylinder x2+y2=2ayx^2+y^2=2ay lying outside z2=x2+y2z^2=x^2+y^2.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

원기둥좌표계에서

x=rcos⁡θy=rsin⁡θz=zx=r\cos\theta\qquad y=r\sin\theta\qquad z=z

이 좌표계에서 원기둥의 방정식 x2+y2=2ayx^2+y^2=2ay 는

r2=2arsin⁡θ또는r=2asin⁡θr^2=2ar\sin\theta\qquad\text{또는}\qquad r=2a\sin\theta

가 된다. 즉 r=f(θ)r=f(\theta) 이고 f(θ)=2asin⁡θf(\theta) =2a\sin\theta 이다. 원기둥을 r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta,z) = x(\theta,z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + y(\theta,z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + z(\theta,z)\,\hat{\mathbf{k}} 로 매개화하면 다음과 같다.

x(θ,z)=f(θ)cos⁡θ=2asin⁡θcos⁡θ=asin⁡2θy(θ,z)=f(θ)sin⁡θ=2asin⁡θsin⁡θ=a(1−cos⁡2θ)z(θ,z)=z\begin{aligned} x(\theta,z)&=f(\theta)\cos\theta=2a\sin\theta\cos\theta=a\sin2\theta\\ y(\theta,z)&=f(\theta)\sin\theta=2a\sin\theta\sin\theta=a(1-\cos2\theta)\\ z(\theta,z)&=z \end{aligned}

이 매개화에서

∂r∂θ=2acos⁡2θ ı^+2asin⁡2θ ȷ^∂r∂z=k^  ⟹  ∂r∂θ×∂r∂z=−2acos⁡2θ ȷ^+2asin⁡2θ ı^  ⟹  dS=∣∂r∂θ×∂r∂z∣ dθ dz=2a dθ dz\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}=2a\cos2\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+2a\sin2\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\qquad \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial z}=\hat{\mathbf{k}} &\implies \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial z} =-2a\cos2\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2a\sin2\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} \\ &\implies \mathrm{d}S=\left|\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial z}\right|\, \mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z =2a\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z \end{aligned}

이제 적분 구간을 정해야 한다. 아래 왼쪽 그림은 원기둥을 위에서 본 모습이다.

그림

그림

그림에서 0≤θ≤π0\le\theta\le\pi 임을 알 수 있다. 원뿔 z2=x2+y2=r2z^2=x^2+y^2=r^2 (즉 z=±rz=\pm r) 과 원기둥 r=2asin⁡θr=2a\sin\theta 는 z2=r2=4a2sin⁡2θz^2=r^2=4a^2\sin^2\theta 에서 만난다. 따라서 각각의 고정된 θ\theta 에 대해 zz 는 −2asin⁡θ-2a\sin\theta 에서 z=+2asin⁡θz=+2a\sin\theta 까지 변한다. (위 오른쪽 그림을 보라. θ\theta 가 상수인 단면을 나타낸 것이다.) 마지막으로,

Area=∫∣z∣≤2asin⁡θ2a dθ dz=2a∫0π ⁣ ⁣dθ∫−2asin⁡θ2asin⁡θ ⁣ ⁣ ⁣dz=8a2∫0π ⁣ ⁣dθ sin⁡θ=8a2[−cos⁡θ]0π=16a2\begin{aligned} {\rm Area} &= \int_{|z|\le 2a\sin\theta}2a\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z =2a\int_0^\pi \!\!\mathrm{d}\theta\int_{-2a\sin\theta}^{2a\sin\theta} \!\!\!\mathrm{d}z =8a^2\int_0^\pi \!\!\mathrm{d}\theta\ \sin\theta =8a^2\Big[-\cos\theta\Big]_0^\pi \\ &=16a^2 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

In cylindrical coordinates

x=rcos⁡θy=rsin⁡θz=zx=r\cos\theta\qquad y=r\sin\theta\qquad z=z

In these coordinates the equation, x2+y2=2ayx^2+y^2=2ay, of the cylinder becomes

r2=2arsin⁡θorr=2asin⁡θr^2=2ar\sin\theta\qquad\text{or}\qquad r=2a\sin\theta

That is, r=f(θ)r=f(\theta) with f(θ)=2asin⁡θf(\theta) =2a\sin\theta. Parametrize the cylinder by r(θ,z)=x(θ,z) ı^+y(θ,z) ȷ^+z(θ,z) k^\mathbf{r}(\theta,z) = x(\theta,z)\,\hat{\boldsymbol{\imath}} + y(\theta,z)\,\hat{\boldsymbol{\jmath}} + z(\theta,z)\,\hat{\mathbf{k}} with

x(θ,z)=f(θ)cos⁡θ=2asin⁡θcos⁡θ=asin⁡2θy(θ,z)=f(θ)sin⁡θ=2asin⁡θsin⁡θ=a(1−cos⁡2θ)z(θ,z)=z\begin{aligned} x(\theta,z)&=f(\theta)\cos\theta=2a\sin\theta\cos\theta=a\sin2\theta\\ y(\theta,z)&=f(\theta)\sin\theta=2a\sin\theta\sin\theta=a(1-\cos2\theta)\\ z(\theta,z)&=z \end{aligned}

Under this parametrization,

∂r∂θ=2acos⁡2θ ı^+2asin⁡2θ ȷ^∂r∂z=k^  ⟹  ∂r∂θ×∂r∂z=−2acos⁡2θ ȷ^+2asin⁡2θ ı^  ⟹  dS=∣∂r∂θ×∂r∂z∣ dθ dz=2a dθ dz\begin{aligned} \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}=2a\cos2\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+2a\sin2\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}\qquad \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial z}=\hat{\mathbf{k}} &\implies \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial z} =-2a\cos2\theta\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+2a\sin2\theta\,\hat{\boldsymbol{\imath}} \\ &\implies \mathrm{d}S=\left|\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial \theta}\times\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial z}\right|\, \mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z =2a\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z \end{aligned}

We still have to determine the limits of integration. The figure on the left below provides a top view of the cylinder.

figure

figure

From it we see that 0≤θ≤π0\le\theta\le\pi. The cone z2=x2+y2=r2z^2=x^2+y^2=r^2 (i.e. z=±rz=\pm r) and the cylinder r=2asin⁡θr=2a\sin\theta intersect at z2=r2=4a2sin⁡2θz^2=r^2=4a^2\sin^2\theta. So, for each fixed θ\theta, zz runs from −2asin⁡θ-2a\sin\theta to z=+2asin⁡θz=+2a\sin\theta. (See the figure on the right above. It shows a constant θ\theta cross-section.) Finally,

Area=∫∣z∣≤2asin⁡θ2a dθ dz=2a∫0π ⁣ ⁣dθ∫−2asin⁡θ2asin⁡θ ⁣ ⁣ ⁣dz=8a2∫0π ⁣ ⁣dθ sin⁡θ=8a2[−cos⁡θ]0π=16a2\begin{aligned} {\rm Area} &= \int_{|z|\le 2a\sin\theta}2a\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}z =2a\int_0^\pi \!\!\mathrm{d}\theta\int_{-2a\sin\theta}^{2a\sin\theta} \!\!\!\mathrm{d}z =8a^2\int_0^\pi \!\!\mathrm{d}\theta\ \sin\theta =8a^2\Big[-\cos\theta\Big]_0^\pi \\ &=16a^2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 3권 · 6.6절 · 7번우리말 번역

다음 연습 문제에서 주어진 곡면의 매개변수 표현을 구하세요.

평면 2x−4y+3z=162x-4y+3z=16

다 풀었으면 정답 확인

r(u,v)=⟨u,v,13(16−2u+4v)⟩\text{r}(u,v)=\langle u,v,\frac{1}{3}(16-2u+4v)\rangle (∣u∣<∞|u|<\infty, ∣v∣<∞|v|<\infty).

이 문제로 이어서 풀기
# 면적분과 플럭스활용보통자동 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