In polar coordinates, this is dS=a2−r2ardrdθ.
We are to find the surface area of the part of the hemisphere that is
inside the cylinder, x2−ax+y2=0, which in polar coordinates
becomes r2−arcosθ=0 or r=acosθ. The top half of the domain of
integration is sketched below.
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.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
대칭성에 의해 무게중심 (xˉ,yˉ,zˉ)는
xˉ=yˉ=zˉ를 만족한다. 구면좌표를 이용하여
구를 매개변수로 나타내면 다음과 같다.
그림에서 0≤θ≤π 임을 알 수 있다.
원뿔 z2=x2+y2=r2 (즉 z=±r)
과 원기둥 r=2asinθ 는
z2=r2=4a2sin2θ 에서 만난다.
따라서 각각의 고정된 θ 에 대해 z 는 −2asinθ 에서 z=+2asinθ 까지 변한다.
(위 오른쪽 그림을 보라. θ 가 상수인 단면을 나타낸 것이다.) 마지막으로,
We still have to determine the limits of integration.
The figure on the left below provides a top view of the cylinder.
From it we see that 0≤θ≤π.
The cone z2=x2+y2=r2 (i.e. z=±r)
and the cylinder r=2asinθ intersect at
z2=r2=4a2sin2θ.
So, for each fixed θ, z runs from −2asinθ to z=+2asinθ.
(See the figure on the right above. It shows a constant θ
cross-section.) Finally,
(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,