따라서 h(x)=2z2+C 이고, 그러므로 임의의 상수 C 에 대해 f(x,y,z)=xsiny+yz+2z2+C 이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a)
Parametrize C by x. When the first component of a point on the
curve is x, then the second component, y, must be x2 and
the third component, z, must be x3. So
(a) ∫C(x2+y)dx+xdy, 여기서 C 는 포물선
y=9−x2 의 호로서 (−3,0) 에서 (3,0) 까지이다.
(b) ∫CF⋅n^ds, 여기서 F(x,y)=2x2^+yex^ 이고,
C 는 정사각형 0≤x≤1, 0≤y≤1 의 경계이다. 여기서
n^ 은 정사각형의 바깥쪽을 향하는 단위법선벡터이고, s 는 호의 길이이다.
영어 원문 보기
Evaluate the line integrals below. (Use any method you like.)
(a) ∫C(x2+y)dx+xdy, where C is the arc of the parabola
y=9−x2 from (−3,0) to (3,0).
(b) ∫CF⋅n^ds, where F(x,y)=2x2^+yex^,
C is the boundary of the square 0≤x≤1, 0≤y≤1. Here
n^ is the unit normal vector pointing outward from the square, and s is arc length.
Parametrize the surface given by z=ex+1+xy in terms of x and y.
정답·풀이 보기
이 매개화는 거의 자명하다. 매개화는 r(x,y)=ψ1(x,y)^+ψ2(x,y)^+ψ3(x,y)k^ 꼴이 됨을 알 수 있다. 여기서 ψ1 은 x성분(즉 x)을, ψ2 는 y성분(즉 y)을, ψ3 는 z성분(즉 ex+1+xy)을 나타낸다. 따라서
r(x,y)=x^+y^+(ex+1+xy)k^
원본 교재 풀이(영어)
This parametrization is almost trivial. We know it will have the form r(x,y)=ψ1(x,y)^+ψ2(x,y)^+ψ3(x,y)k^ where ψ1 gives the x-component (i.e. x), ψ2 gives the y-component (i.e. y), and ψ3 gives the z-component (i.e. ex+1+xy). So,
r(x,y)=x^+y^+(ex+1+xy)k^
Suppose the surface S is the part of the sphere x2+y2+z2=2
that lies inside the cylinder
x2+y2=1 and for which z≥0.
Which of the following are parameterizations of S?
(b) 예. x2+(−y)2+(2−x2−y2)2=2 이고, x2+y2≤1 일 때 x2+(−y)2≤1 과 2−x2−y2≥0 이 모두 성립함에 주목한다.
(c) 아니요. 1<u≤2 일 때 (usinθ)2+(ucosθ)2=u2>1 이다.
또한 2<u≤2 일 때 2−u2 는 정의되지 않는다.
(d) 예. 다음에 주목한다.
(2sinϕcosθ)2+(2sinϕsinθ)2+(2cosϕ)2=2
0≤ϕ≤4π 일 때 z=2cosϕ>0 이다.
ϕ 가 0 에서 4π 까지 변할 때 r(ϕ)=2sinϕ 는 0 에서 1 까지 변하므로, ϕ 가 0 에서 4π 까지, θ 가 0 에서 2π 까지 변할 때
(x=r(ϕ)cosθ,y=r(ϕ)sinθ) 는 x2+y2≤1 전체를 덮는다.
(e)
예. 다음에 주목한다.
(−2−z2sinϕ)2+(2−z2cosϕ)2+(z)2=2
1≤z≤2 일 때 당연히 z>0 이다.
z 가 1 에서 2 까지 변할 때 r(z)=2−z2 는 1 에서 0 까지 변하므로, z 가 1 에서 2 까지, ϕ 가 0 에서 2π 까지 변할 때 (x=−r(z)sinϕ,y=r(z)cosϕ) 는 x2+y2≤1 전체를 덮는다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) No. z=sinϕsinθ is negative when
0<ϕ≤4π, π<θ<2π.
(b) Yes. Note that x2+(−y)2+(2−x2−y2)2=2
and that, for x2+y2≤1, we have both x2+(−y)2≤1 and
2−x2−y2≥0.
(c) No. (usinθ)2+(ucosθ)2=u2>1 for 1<u≤2.
Also 2−u2 is not defined for 2<u≤2.
(d) Yes. Note that
(2sinϕcosθ)2+(2sinϕsinθ)2+(2cosϕ)2=2
For 0≤ϕ≤4π, we have z=2cosϕ>0.
As ϕ runs from 0 to 4π, r(ϕ)=2sinϕ
runs from 0 to 1, so that
(x=r(ϕ)cosθ,y=r(ϕ)sinθ)
covers all of x2+y2≤1 as ϕ runs from 0 to 4π
and θ runs from 0 to 2π.
(e)
Yes. Note that
(−2−z2sinϕ)2+(2−z2cosϕ)2+(z)2=2
For 1≤z≤2, we have obviously have z>0.
As z runs from 1 to 2, r(z)=2−z2
runs from 1 to 0, so that (x=−r(z)sinϕ,y=r(z)cosϕ)
covers all of x2+y2≤1 as z runs from 1 to 2
and ϕ runs from 0 to 2π.
Let S be the part of the paraboloid z+x2+y2=4 lying between
the planes z=0 and z=1. For each of the following, indicate
whether or not it correctly parameterizes the surface S.
A. r(θ,ϕ)=(4cosθsinϕ,4sinθsinϕ,4cosϕ),0≤θ≤2π,0≤ϕ≤π/6
B. r(θ,ϕ)=(4cosθsinϕ,4sinθsinϕ,4cosϕ),0≤θ≤2π,0≤ϕ≤π/4
C. r(θ,ϕ)=(4cosθsinϕ,4sinθsinϕ,4cosϕ),0≤θ≤2π,0≤ϕ≤π/3
D. r(θ,z)=(4−z2cosθ,4−z2sinθ,z)0≤θ≤2π,1≤z≤2
E. r(θ,z)=(4−z2cosθ,4−z2sinθ,z)0≤θ≤2π,2≤z≤2
F. r(θ,z)=(4−z2cosθ,4−z2sinθ,z)0≤θ≤2π,3≤z≤2
G. r(θ,z)=(zcosθ,zsinθ,z)0≤θ≤2π,0≤z≤1
H. r(θ,z)=(zcosθ,zsinθ,z)0≤θ≤2π,0≤z≤2
I. r(θ,z)=(zcosθ,zsinθ,z)0≤θ≤2π,0≤z≤3
J. r(x,y)=(x,y,x2+y2)x2+y2≤1
K. r(x,y)=(x,y,x2+y2)x2+y2≤2
L. r(x,y)=(x,y,x2+y2)x2+y2≤2
다음 각각에 대해, 위의 매개변수 표현 중에서 주어진 곡면의 올바른 매개변수 표현을 모두 고르세요. 각 곡면에 대해 올바른 매개변수 표현이 하나 이상 있을 수 있으며, 위의 매개변수 표현이 모두 사용되는 것은 아님에 유의하세요.
(a) S1 중에서 S2 의 안쪽에 있는 부분:
(b) S1 중에서 S3 의 안쪽에 있는 부분:
(c) S3 중에서 S2 의 안쪽에 있는 부분:
(d) S3 중에서 S1 의 안쪽에 있는 부분:
영어 원문 보기
Consider the following surfaces
S1 is the hemisphere given by the equation x2+y2+z2=4
with z≥0.
S2 is the cylinder given by the equation x2+y2=1.
S3 is the cone given by the equation z2=x2+y2
with z≥0.
Consider the following parameterizations:
A. r(θ,ϕ)=(4cosθsinϕ,4sinθsinϕ,4cosϕ),0≤θ≤2π,0≤ϕ≤π/6
B. r(θ,ϕ)=(4cosθsinϕ,4sinθsinϕ,4cosϕ),0≤θ≤2π,0≤ϕ≤π/4
C. r(θ,ϕ)=(4cosθsinϕ,4sinθsinϕ,4cosϕ),0≤θ≤2π,0≤ϕ≤π/3
D. r(θ,z)=(4−z2cosθ,4−z2sinθ,z)0≤θ≤2π,1≤z≤2
E. r(θ,z)=(4−z2cosθ,4−z2sinθ,z)0≤θ≤2π,2≤z≤2
F. r(θ,z)=(4−z2cosθ,4−z2sinθ,z)0≤θ≤2π,3≤z≤2
G. r(θ,z)=(zcosθ,zsinθ,z)0≤θ≤2π,0≤z≤1
H. r(θ,z)=(zcosθ,zsinθ,z)0≤θ≤2π,0≤z≤2
I. r(θ,z)=(zcosθ,zsinθ,z)0≤θ≤2π,0≤z≤3
J. r(x,y)=(x,y,x2+y2)x2+y2≤1
K. r(x,y)=(x,y,x2+y2)x2+y2≤2
L. r(x,y)=(x,y,x2+y2)x2+y2≤2
For each of the following, choose from above all of the valid
parameterization of each of the given surfaces. Note that there
may be one or more valid parameterization for each
surface, and not necessarily all of the above parameterizations
will be used.
(a) The part of S1 contained inside S2:
(b) The part of S1 contained inside S3:
(c) The part of S3 contained inside S2:
(d) The part of S3 contained inside S1:
정답·풀이 보기
먼저 다음에 유의한다.
A, B, C에서 r(θ,ϕ)=x(θ,ϕ)^+y(θ,ϕ)^+z(θ,ϕ)k^ 는
x(θ,ϕ)2+y(θ,ϕ)2+z(θ,ϕ)2=4
를 만족하므로 S1 위에 있다.
D, E, F에서 r(θ,z)=x(θ,z)^+y(θ,z)^+z(θ,z)k^ 는
x(θ,z)2+y(θ,z)2=4−z(θ,z)2
을 만족하므로 S1 위에 있다.
G, H, I에서 r(θ,z)=x(θ,z)^+y(θ,z)^+z(θ,z)k^ 는
x(θ,z)2+y(θ,z)2=z(θ,z)2
을 만족하므로 S3 위에 있다.
J, K, L에서 r(x,y)=x(x,y)^+y(x,y)^+z(x,y)k^ 는
x(x,y)2+y(x,y)2=z(x,y)2
을 만족하므로 S3 위에 있다.
(a) S1 의 일부를 얻으려면 매개변수 표현 A, B, C, D, E, F 중 하나를 써야 한다.
A, B, C의 경우, r(θ,ϕ)=x(θ,ϕ)^+y(θ,ϕ)^+z(θ,ϕ)k^ 가 S2 의 안쪽에 있으려면 (S1 의 모든 점에서 z(θ,ϕ)≥0 이므로 0≤ϕ≤π/2 임을 떠올리면)
x(θ,ϕ)2+y(θ,ϕ)2≤1⟺4sin2ϕ≤1⟺sinϕ≤21⟺0≤ϕ≤6π
이어야 한다.
D, E, F의 경우, r(θ,z)=x(θ,z)^+y(θ,z)^+z(θ,z)k^ 가 S2 의 안쪽에 있으려면 (S1 의 모든 점에서 z(θ,z)≥0 이므로 z≥0 임을 떠올리면)
x(θ,z)2+y(θ,z)2≤1⟺4−z2≤1⟺z≥3
이어야 한다.
따라서 매개변수 표현 A와 F가 알맞다.
(b) S1 의 일부를 얻으려면 매개변수 표현 A, B, C, D, E, F 중 하나를 써야 한다.
A, B, C의 경우, r(θ,ϕ)=x(θ,ϕ)^+y(θ,ϕ)^+z(θ,ϕ)k^ 가 S3 의 안쪽에 있으려면 (S1 의 모든 점에서 z(θ,ϕ)≥0 이므로 0≤ϕ≤π/2 임을 떠올리면)
D, E, F의 경우, r(θ,z)=x(θ,z)^+y(θ,z)^+z(θ,z)k^ 가 S3 의 안쪽에 있으려면 (S1 의 모든 점에서 z(θ,z)≥0 이므로 z≥0 임을 떠올리면)
x(θ,z)2+y(θ,z)2≤z(θ,z)2⟺4−z2≤z2⟺z≥2
이어야 한다.
따라서 매개변수 표현 B와 E가 알맞다.
(c) S3 의 일부를 얻으려면 매개변수 표현 G, H, I, J, K, L 중 하나를 써야 한다.
G, H, I의 경우, r(θ,z)=x(θ,z)^+y(θ,z)^+z(θ,z)k^ 가 S2 의 안쪽에 있으려면 (S3 의 모든 점에서 z≥0 임을 떠올리면)
x(θ,z)2+y(θ,z)2≤1⟺z2≤1⟺0≤z≤1
이어야 한다.
J, K, L의 경우, r(x,y)=x(x,y)^+y(x,y)^+z(x,y)k^ 가 S3 의 안쪽에 있으려면
x(x,y)2+y(x,y)2≤1⟺x2+y2≤1
이어야 한다.
따라서 매개변수 표현 G와 J가 알맞다.
(d) S3 의 일부를 얻으려면 매개변수 표현 G, H, I, J, K, L 중 하나를 써야 한다.
G, H, I의 경우, r(θ,z)=x(θ,z)^+y(θ,z)^+z(θ,z)k^ 가 S1 의 안쪽에 있으려면 (S3 의 모든 점에서 z≥0 임을 떠올리면)
x(θ,z)2+y(θ,z)2+z(θ,z)2≤4⟺2z2≤4⟺0≤z≤2
이어야 한다.
J, K, L의 경우, r(x,y)=x(x,y)^+y(x,y)^+z(x,y)k^ 가 S3 의 안쪽에 있으려면
x(x,y)2+y(x,y)2+z(x,y)2≤4⟺2x2+2y2≤4
이어야 한다.
따라서 매개변수 표현 H와 L이 알맞다.
원본 교재 풀이(영어)
First note that,
for A, B and C, r(θ,ϕ)=x(θ,ϕ)^+y(θ,ϕ)^+z(θ,ϕ)k^
obeys
x(θ,ϕ)2+y(θ,ϕ)2+z(θ,ϕ)2=4
and so lies on S1
for D, E and F, r(θ,z)=x(θ,z)^+y(θ,z)^+z(θ,z)k^
obeys
x(θ,z)2+y(θ,z)2=4−z(θ,z)2
and so lies on S1
for G, H and I, r(θ,z)=x(θ,z)^+y(θ,z)^+z(θ,z)k^
obeys
x(θ,z)2+y(θ,z)2=z(θ,z)2
and so lies on S3
for J, K and L, r(x,y)=x(x,y)^+y(x,y)^+z(x,y)k^
obeys
x(x,y)2+y(x,y)2=z(x,y)2
and so lies on S3
(a) To get a part of S1, we need to use one of the parametrizations
A, B, C, D, E, F.
In the cases of A, B, C, for r(θ,ϕ)=x(θ,ϕ)^+y(θ,ϕ)^+z(θ,ϕ)k^
to lie inside S2 we need (recalling that all points of S1 have z(θ,ϕ)≥0 and hence 0≤ϕ≤π/2)
x(θ,ϕ)2+y(θ,ϕ)2≤1⟺4sin2ϕ≤1⟺sinϕ≤21⟺0≤ϕ≤6π
In the cases of D, E, F, for r(θ,z)=x(θ,z)^+y(θ,z)^+z(θ,z)k^
to lie inside S2 we need (recalling that all points of S1 have z(θ,z)≥0 and hence z≥0)
x(θ,z)2+y(θ,z)2≤1⟺4−z2≤1⟺z≥3
So parametrizations A and F work.
(b) To get a part of S1, we need to use one of the parametrizations
A, B, C, D, E, F.
In the cases of A, B, C, for r(θ,ϕ)=x(θ,ϕ)^+y(θ,ϕ)^+z(θ,ϕ)k^
to lie inside S3 we need (recalling that all points of S1 have z(θ,ϕ)≥0 and hence 0≤ϕ≤π/2)
In the cases of D, E, F, for r(θ,z)=x(θ,z)^+y(θ,z)^+z(θ,z)k^
to lie inside S3 we need (recalling that all points of S1 have z(θ,z)≥0 and hence z≥0)
x(θ,z)2+y(θ,z)2≤z(θ,z)2⟺4−z2≤z2⟺z≥2
So parametrizations B and E work.
(c) To get a part of S3, we need to use one of the parametrizations
G, H, I, J, K, L.
In the cases of G, H, I, for r(θ,z)=x(θ,z)^+y(θ,z)^+z(θ,z)k^
to lie inside S2 we need (recalling that all points of S3 have z≥0)
x(θ,z)2+y(θ,z)2≤1⟺z2≤1⟺0≤z≤1
In the cases of J, K, L, for r(x,y)=x(x,y)^+y(x,y)^+z(x,y)k^
to lie inside S3 we need
x(x,y)2+y(x,y)2≤1⟺x2+y2≤1
So parametrizations G and J work.
(d) To get a part of S3, we need to use one of the parametrizations
G, H, I, J, K, L.
In the cases of G, H, I, for r(θ,z)=x(θ,z)^+y(θ,z)^+z(θ,z)k^
to lie inside S1 we need (recalling that all points of S3 have z≥0)
x(θ,z)2+y(θ,z)2+z(θ,z)2≤4⟺2z2≤4⟺0≤z≤2
In the cases of J, K, L, for r(x,y)=x(x,y)^+y(x,y)^+z(x,y)k^
to lie inside S3 we need
곡면 x2+y2+(z−1)2=1 과
x2+y2+(z+1)2=1 이 (0,0,0) 에서 서로 접한다고 말하는 것이 타당한가요?
영어 원문 보기
Is it reasonable to say that the surfaces x2+y2+(z−1)2=1 and
x2+y2+(z+1)2=1 are tangent to each other at (0,0,0)?
정답·풀이 보기
F(x,y,z)=x2+y2+(z−1)2−1, G(x,y,z)=x2+y2+(z+1)2−1 이라 쓰자.
곡면 F(x,y,z)=0 을 S1, 곡면 G(x,y,z)=0 을 S2 라 하자.
먼저 F(0,0,0)=G(0,0,0)=0 이므로 점 (0,0,0) 은 S1 과 S2 위에 모두 놓여 있다. F 와 G 의 기울기벡터는 다음과 같다.
이므로 벡터 k^=−21∇F(0,0,0)=21∇G(0,0,0) 은 (0,0,0) 에서 두 곡면에 모두 수직이다. 따라서 (0,0,0) 에서 S1 과 S2 모두에 접하는 접평면은
k^⋅(x−0,y−0,z−0)=0또는z=0
이다.
평면 z=0 을 P 라 하자.
그러면 S1 은 (0,0,0) 에서 P 에 접하고, P 는 (0,0,0) 에서 S2 에 접한다. 따라서 S1 과 S2 가 (0,0,0) 에서 접한다고 말하는 것은 타당하다.
원본 교재 풀이(영어)
Write F(x,y,z)=x2+y2+(z−1)2−1 and G(x,y,z)=x2+y2+(z+1)2−1.
Let S1 denote the surface F(x,y,z)=0 and S2 denote the surface
G(x,y,z)=0.
First note that F(0,0,0)=G(0,0,0)=0 so that the point (0,0,0) lies
on both S1 and S2. The gradients of F and G are
so that the vector k^=−21∇F(0,0,0)=21∇G(0,0,0)
is normal to both surfaces at (0,0,0). So the tangent plane to
both S1 and S2 at (0,0,0) is
k^⋅(x−0,y−0,z−0)=0orz=0
Denote by P the plane z=0.
Thus S1 is tangent to P at (0,0,0) and P is tangent to S2
at (0,0,0). So it is reasonable to say that S1 and S2 are tangent at
(0,0,0).
곡면 x2+9y2+4z2=17 위의 점 중에서
접평면이 평면 x−8z=0 과 평행인 점을 모두 구하세요.
영어 원문 보기
Find all the points on the surface x2+9y2+4z2=17
where the tangent plane is parallel to the plane x−8z=0.
정답·풀이 보기
곡면 x2+9y2+4z2=17 의
점 (x,y,z) 에서의 법선벡터는 (2x,18y,8z) 이다.
평면 x−8z=0 의 법선벡터는 (1,0,−8) 이다.
따라서 (2x,18y,8z) 가
(1,0,−8) 과 평행, 즉 (1,0,−8) 의 0이 아닌 상수배가 되어야 한다. 이는 x=0 이면서 y=0 이고 z=−2x 일 때 성립한다. 또한 (x,y,z) 는 곡면
x2+9y2+4z2=17 위에 있어야 한다. 따라서 y=0, z=−2x 이고
17=x2+9y2+4z2=x2+4(−2x)2=17x2⟹x=±1
이다.
그러므로 구하는 점은 ±(1,0,−2) 이다.
원본 교재 풀이(영어)
A normal vector to the surface x2+9y2+4z2=17
at the point (x,y,z) is (2x,18y,8z).
A normal vector to the plane x−8z=0 is (1,0,−8).
So we want (2x,18y,8z) to be parallel to
(1,0,−8), i.e. to be a nonzero constant times
(1,0,−8). This is the case whenever y=0 and z=−2x
with x=0. In addition, we want (x,y,z) to lie on the surface
x2+9y2+4z2=17. So we want y=0, z=−2x and
쌍곡면 z2=4x2+y2−1 위의 점 중에서
접평면이 평면 2x−y+z=0 과 평행인 점을 모두 구하세요.
영어 원문 보기
Find all points on the hyperboloid z2=4x2+y2−1
where the tangent plane is parallel to the plane 2x−y+z=0.
정답·풀이 보기
(x0,y0,z0) 을 쌍곡면 z2=4x2+y2−1 위의 점 중에서
접평면이 평면 2x−y+z=0 과 평행인 점이라 하자. 평면 2x−y+z=0 의 법선벡터는 (2,−1,1) 이다. 쌍곡면은
G(x,y,z)=4x2+y2−z2−1 이고 ∇G(x,y,z)=(8x,2y,−2z) 이므로,
(x0,y0,z0) 에서 쌍곡면의 법선벡터는
∇G(x0,y0,z0)=(8x0,2y0,−2z0) 이다.
따라서 (x0,y0,z0) 이 주어진 조건을 만족시키는 것은 다음을 만족시키는 0이 아닌 t 가 존재하는 것과 같다.
Let (x0,y0,z0) be a point on the hyperboloid z2=4x2+y2−1
where the tangent plane is parallel to the plane 2x−y+z=0. A normal vector
to the plane 2x−y+z=0 is (2,−1,1). Because the hyperboloid is
G(x,y,z)=4x2+y2−z2−1 and ∇G(x,y,z)=(8x,2y,−2z),
a normal vector to the hyperboloid at (x0,y0,z0) is
∇G(x0,y0,z0)=(8x0,2y0,−2z0).
So (x0,y0,z0) satisfies the required conditions if and only if there is a nonzero t obeying
(8x0,2y0,−2z0)=t(2,−1,1) and z02=4x02+y02−1⟺x0=4t,y0=z0=−2t and z02=4x02+y02−1⟺4t2=4t2+4t2−1 and x0=4t,y0=z0=−2t⟺t=±2(x0,y0,z0)=±(21,−1,−1)
(a) 방정식이 x2+z2=10 인 곡면에 점
(1,1,3) 에서 수직인 벡터를 구하세요.
(b) (a)의 곡면과 곡면 y2+z2=10 이 만나서 생기는 곡선에 같은 점에서 접하는 벡터를 구하세요.
(c) 그 점에서 그 곡선에 접하는 접선의 매개변수방정식을 구하세요.
영어 원문 보기
(a) Find a vector perpendicular at the point
(1,1,3) to the surface with equation x2+z2=10.
(b) Find a vector tangent at the same point to the curve of
intersection of the surface in part (a) with surface y2+z2=10.
(c) Find parametric equations for the line tangent to that curve
at that point.
이 점들에서 z0 의 값은 각각 0, e−1, −e−1, −e−1, e−1 이다. 따라서 수평인 접평면은 z=0, z=e−1, z=−e−1 이다.
곡면의 가장 높은 점과 가장 낮은 점에서 접평면은 수평이다.
따라서 z 의 최댓값과 최솟값은 각각 e−1 과 −e−1 이다.
원본 교재 풀이(영어)
Let (x0,y0,z0) be any point on the surface. A vector
normal to the surface at (x0,y0,z0) is
The tangent plane to the surface at (x0,y0,z0) is horizontal
if and only if this vector is vertical, which is the case
if and only if its x- and y-components are
zero, which in turn is the case if and only if
y0(1−x02)=0 and x0(1−y02)=0⟺{y0=0 or x0=1 or x0=−1} and {x0=0 or y0=1 or y0=−1}⟺(x0,y0)=(0,0) or (1,1) or (1,−1) or (−1,1) or (−1,−1)
The values of z0 at these points are 0, e−1, −e−1, −e−1
and e−1, respectively. So the horizontal tangent planes are
z=0, z=e−1 and z=−e−1.
At the highest and lowest points of the surface, the tangent plane is horizontal.
So the largest and smallest values of z are e−1 and −e−1, respectively.
반지름이 a인 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 a 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.
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정답·풀이 보기
대칭성에 의해 무게중심 (xˉ,yˉ,zˉ)는
xˉ=yˉ=zˉ를 만족한다. 구면좌표를 이용하여
구를 매개변수로 나타내면 다음과 같다.
(a) 꼭짓점이 점 (0,0,3) 에 있고, 밑면이 xy평면 위의 원 x2+y2=4 인 원뿔의 곡면 S 의 매개변수화를 구하세요. 원뿔의 옆면만 S 에 속하고, 밑면은 속하지 않습니다. 매개변수의 정의역을 반드시 포함하세요.
(b) (a)의 곡면 S 의 질량중심의 z좌표를 구하세요.
영어 원문 보기
(a) Find a parametrization of the surface S of the cone whose vertex is
at the point (0,0,3), and whose base is the circle x2+y2=4
in the xy-plane. Only the cone surface belongs to S, not the base.
Be careful to include the domain for the parameters.
(b) Find the z-coordinate of the centre of mass of the surface S from (a).
정답·풀이 보기
(a)
z 가 상수인 (수평) 단면은 각각 z축을 중심으로 하는 원이다. 반지름은 z=0 일 때 2 에서 z=3 일 때 0 까지 일차적으로 변한다. 따라서 높이 z 에서의 반지름은 32(3−z) 이고, 다음을 사용할 수 있다.
이는 원뿔의 절반 높이보다 조금 낮은 값인데, 원뿔이 “아래쪽이 무겁기” 때문에 타당하다.
원본 교재 풀이(영어)
(a)
Each (horizontal) constant z cross-section is a circle centred on the
z-axis. The radius varies linearly from 2, when z=0 to 0, when
z=3. So the radius at height z is 32(3−z) and we can use
(b)
By symmetry the centre of mass will lie on the z-axis.
We are only asked for the z-coordinate anyway. The z-coordinate
of the centre of mass is the weighted average of z over the cone.
Since a density has not been specified,
we assume that it is a constant. We may take the density to be 1, so the
z-coordinate of the centre of mass is ∬SzdS/∬SdS.
The boundary of V consists of two parts —
the sphere, S2, of radius 2, centred on the origin,
with (outward) normal n^=∣r∣r=2r,
and the sphere S1 of radius 1, centred on the origin,
with (inward) normal n^=−r, So,