문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 벡터 미적분

면적분과 플럭스

곡면 위에서 스칼라 함수와 벡터장(플럭스)을 적분한다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

5문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-4 · 3.3절 · 10번대학 수준우리말 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.

영어 원문 보기

Find the surface area of that part of the hemisphere z=a2−x2−y2z=\sqrt{a^2-x^2-y^2} which lies within the cylinder (x−a2)2+y2=(a2)2\big(x-\frac{a}{2}\big)^2+y^2=\big(\frac{a}{2}\big)^2.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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}

원본 교재 풀이(영어)

We are to find the surface area of part of a hemisphere. On the hemisphere

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}

so that

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}

In polar coordinates, this is dS=aa2−r2 r dr dθ\mathrm{d}S=\frac{a}{\sqrt{a^2-r^2}}\,r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta. We are to find the surface area of the part of the hemisphere that is inside the cylinder, x2−ax+y2=0x^2-ax+y^2=0, which in polar coordinates becomes r2−arcos⁡θ=0r^2-ar\cos\theta=0 or r=acos⁡θr=a\cos\theta. The top half of the domain of integration is sketched below.

figure

So the

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}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.6절 · 3번
# 면적분과 플럭스활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.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 문제 풀기CLP-4 · 3.3절 · 10번
# 면적분과 플럭스계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.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 문제 풀기OpenStax 3권 · 6.6절 · 7번
# 면적분과 플럭스활용보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-4 · 3.3절 · 21번대학 수준우리말 번역

(a) 꼭짓점이 점 (0,0,3)(0, 0, 3) 에 있고, 밑면이 xyxy평면 위의 원 x2+y2=4x^2 + y^2 = 4 인 원뿔의 곡면 SS 의 매개변수화를 구하세요. 원뿔의 옆면만 SS 에 속하고, 밑면은 속하지 않습니다. 매개변수의 정의역을 반드시 포함하세요. (b) (a)의 곡면 SS 의 질량중심의 zz좌표를 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Find a parametrization of the surface SS of the cone whose vertex is at the point (0,0,3)(0, 0, 3), and whose base is the circle x2+y2=4x^2 + y^2 = 4 in the xyxy-plane. Only the cone surface belongs to SS, not the base. Be careful to include the domain for the parameters. (b) Find the zz-coordinate of the centre of mass of the surface SS from (a).

정답·풀이 보기

(a) zz 가 상수인 (수평) 단면은 각각 zz축을 중심으로 하는 원이다. 반지름은 z=0z=0 일 때 22 에서 z=3z=3 일 때 00 까지 일차적으로 변한다. 따라서 높이 zz 에서의 반지름은 23(3−z)\frac{2}{3}(3-z) 이고, 다음을 사용할 수 있다.

r(θ,z)=23(3−z)cos⁡θ ı^+23(3−z)sin⁡θ ȷ^+z k^0≤θ<2π,0≤z≤3\begin{aligned} \mathbf{r}(\theta,z) = \frac{2}{3}(3-z)\cos\theta\ \hat{\boldsymbol{\imath}} +\frac{2}{3}(3-z)\sin\theta\ \hat{\boldsymbol{\jmath}} +z\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le\theta<2\pi,\quad 0\le z\le 3 \end{aligned}

이것이 매개변수화이다.

(b) 대칭성에 의해 질량중심은 zz축 위에 있다. 어차피 zz좌표만 구하면 된다. 질량중심의 zz좌표는 원뿔 위에서 zz 의 가중평균이다. 밀도가 주어지지 않았으므로 상수라고 가정한다. 밀도를 11 로 잡을 수 있으므로, 질량중심의 zz좌표는 ∬Sz dS/∬SdS\iint _S z\,\mathrm{d}S/ \iint _S \mathrm{d}S 이다.

∂r∂θ=(−23(3−z)sin⁡θ , 23(3−z)cos⁡θ , 0)∂r∂z=(−23cos⁡θ , −23sin⁡θ , 1)∂r∂θ×∂r∂z=(23(3−z)cos⁡θ , 23(3−z)sin⁡θ , 49(3−z))\begin{aligned} \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial\theta} &=\big(-\tfrac{2}{3}(3-z)\sin\theta\,,\, \tfrac{2}{3}(3-z)\cos\theta\,,\, 0 \big) \\ \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial z} &=\big(-\tfrac{2}{3}\cos\theta\,,\, -\tfrac{2}{3}\sin\theta\,,\, 1 \big) \\ \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial\theta} \times \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial z} &=\big(\tfrac{2}{3}(3-z)\cos\theta\,,\, \tfrac{2}{3}(3-z)\sin\theta\,,\, \tfrac{4}{9}(3-z)\big) \end{aligned}

이므로, 이 매개변수화에 대한 겉넓이 요소는 다음과 같다.

dS=∣∂r∂θ×∂r∂z∣dθdz=23(3−z)∣(cos⁡θ , sin⁡θ , 23)∣dθdz=2139(3−z)dθdz\begin{aligned} \mathrm{d}S &= \big|\tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial\theta}\times \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial z} \big|\mathrm{d}\theta\mathrm{d}z =\tfrac{2}{3}(3-z)\big|(\cos\theta\,,\,\sin\theta\,,\,\tfrac{2}{3}\big)\big| \mathrm{d}\theta\mathrm{d}z \\ &=\tfrac{2\sqrt{13}}{9}(3-z) \mathrm{d}\theta\mathrm{d}z \end{aligned}

따라서 원뿔의 겉넓이 ∬SdS\iint _S \mathrm{d}S 는 다음과 같다.

∫03dz∫02πdθ 2139(3−z)=4139π∫03dz (3−z)=−2139π(3−z)2∣03=213π\begin{aligned} \int_0^3\mathrm{d}z\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \tfrac{2\sqrt{13}}{9}(3-z) &=\tfrac{4\sqrt{13}}{9}\pi\int_0^3\mathrm{d}z\ (3-z) =-\tfrac{2\sqrt{13}}{9}\pi(3-z)^2\Big|_0^3 \\ &=2\sqrt{13}\pi \end{aligned}

그리고 질량중심의 zz좌표는 다음과 같다.

zˉ=1213π∫03dz∫02πdθ 2139(3−z)z=29∫03dz (3z−z2)=29[3z22−z33]03=29276=1\begin{aligned} \bar z &=\frac{1}{2\sqrt{13}\pi} \int_0^3\mathrm{d}z\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \tfrac{2\sqrt{13}}{9}(3-z) z =\frac{2}{9}\int_0^3\mathrm{d}z\ (3z-z^2) =\frac{2}{9}{\Big[\frac{3z^2}{2}-\frac{z^3}{3}\Big]}_0^3 \\ &=\frac{2}{9}\frac{27}{6} =1 \end{aligned}

이는 원뿔의 절반 높이보다 조금 낮은 값인데, 원뿔이 “아래쪽이 무겁기” 때문에 타당하다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Each (horizontal) constant zz cross-section is a circle centred on the zz-axis. The radius varies linearly from 22, when z=0z=0 to 00, when z=3z=3. So the radius at height zz is 23(3−z)\frac{2}{3}(3-z) and we can use

r(θ,z)=23(3−z)cos⁡θ ı^+23(3−z)sin⁡θ ȷ^+z k^0≤θ<2π,0≤z≤3\begin{aligned} \mathbf{r}(\theta,z) = \frac{2}{3}(3-z)\cos\theta\ \hat{\boldsymbol{\imath}} +\frac{2}{3}(3-z)\sin\theta\ \hat{\boldsymbol{\jmath}} +z\,\hat{\mathbf{k}}\qquad 0\le\theta<2\pi,\quad 0\le z\le 3 \end{aligned}

as the parametrization.

(b) By symmetry the centre of mass will lie on the zz-axis. We are only asked for the zz-coordinate anyway. The zz-coordinate of the centre of mass is the weighted average of zz over the cone. Since a density has not been specified, we assume that it is a constant. We may take the density to be 11, so the zz-coordinate of the centre of mass is ∬Sz dS/∬SdS\iint _S z\,\mathrm{d}S/ \iint _S \mathrm{d}S.

Since

∂r∂θ=(−23(3−z)sin⁡θ , 23(3−z)cos⁡θ , 0)∂r∂z=(−23cos⁡θ , −23sin⁡θ , 1)∂r∂θ×∂r∂z=(23(3−z)cos⁡θ , 23(3−z)sin⁡θ , 49(3−z))\begin{aligned} \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial\theta} &=\big(-\tfrac{2}{3}(3-z)\sin\theta\,,\, \tfrac{2}{3}(3-z)\cos\theta\,,\, 0 \big) \\ \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial z} &=\big(-\tfrac{2}{3}\cos\theta\,,\, -\tfrac{2}{3}\sin\theta\,,\, 1 \big) \\ \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial\theta} \times \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial z} &=\big(\tfrac{2}{3}(3-z)\cos\theta\,,\, \tfrac{2}{3}(3-z)\sin\theta\,,\, \tfrac{4}{9}(3-z)\big) \end{aligned}

the element of surface area for this parametrization is

dS=∣∂r∂θ×∂r∂z∣dθdz=23(3−z)∣(cos⁡θ , sin⁡θ , 23)∣dθdz=2139(3−z)dθdz\begin{aligned} \mathrm{d}S &= \big|\tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial\theta}\times \tfrac{\partial\mathbf{r}}{\partial z} \big|\mathrm{d}\theta\mathrm{d}z =\tfrac{2}{3}(3-z)\big|(\cos\theta\,,\,\sin\theta\,,\,\tfrac{2}{3}\big)\big| \mathrm{d}\theta\mathrm{d}z \\ &=\tfrac{2\sqrt{13}}{9}(3-z) \mathrm{d}\theta\mathrm{d}z \end{aligned}

So the surface area, ∬SdS\iint _S \mathrm{d}S, of the cone is

∫03dz∫02πdθ 2139(3−z)=4139π∫03dz (3−z)=−2139π(3−z)2∣03=213π\begin{aligned} \int_0^3\mathrm{d}z\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \tfrac{2\sqrt{13}}{9}(3-z) &=\tfrac{4\sqrt{13}}{9}\pi\int_0^3\mathrm{d}z\ (3-z) =-\tfrac{2\sqrt{13}}{9}\pi(3-z)^2\Big|_0^3 \\ &=2\sqrt{13}\pi \end{aligned}

and the zz-coordinate of the centre of mass is

zˉ=1213π∫03dz∫02πdθ 2139(3−z)z=29∫03dz (3z−z2)=29[3z22−z33]03=29276=1\begin{aligned} \bar z &=\frac{1}{2\sqrt{13}\pi} \int_0^3\mathrm{d}z\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\ \tfrac{2\sqrt{13}}{9}(3-z) z =\frac{2}{9}\int_0^3\mathrm{d}z\ (3z-z^2) =\frac{2}{9}{\Big[\frac{3z^2}{2}-\frac{z^3}{3}\Big]}_0^3 \\ &=\frac{2}{9}\frac{27}{6} =1 \end{aligned}

This is a little less than half way up the cone, which is reasonable since the cone is “bottom heavy”.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 14.6절 · 4번
# 면적분과 플럭스계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-4 · 3.3절 · 31번대학 수준우리말 번역

벡터장

F=r∣r∣=x ı^+y ȷ^+z k^x2+y2+z2\mathbf{F} = \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|} = \frac{x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}}}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}

의 순 바깥쪽 플럭스를, 원점을 중심으로 하는 반지름 11 인 구와 반지름 22 인 구 사이 영역의 경계면에 대해 구하세요.

영어 원문 보기

Compute the net outward flux of the vector field

F=r∣r∣=x ı^+y ȷ^+z k^x2+y2+z2\mathbf{F} = \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|} = \frac{x\,\hat{\boldsymbol{\imath}}+y\,\hat{\boldsymbol{\jmath}}+z\,\hat{\mathbf{k}}}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}

across the boundary of the region between the spheres of radius 11 and radius 22 centred at the origin.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

다음과 같이 놓는다.

V={ (x,y,z) ∣ 1≤x2+y2+z2≤4 }V=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 1\le x^2+y^2+z^2\le 4\ \big\}

VV 의 경계는 두 부분으로 이루어진다. 하나는 원점을 중심으로 하는 반지름 22 인 구 S2S_2 로, (바깥쪽) 법선벡터는 n^=r∣r∣=r2\hat{\mathbf{n}}=\frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}=\frac{\mathbf{r}}{2} 이다. 다른 하나는 원점을 중심으로 하는 반지름 11 인 구 S1S_1 로, (안쪽) 법선벡터는 n^=−r\hat{\mathbf{n}} = -\mathbf{r} 이다. 따라서

∬∂VF⋅n^ dS=∬S2r∣r∣⋅r2 dS−∬S1r∣r∣⋅r dS=∬S2dS−∬S1dS=4π(2)2−4π(1)2=12π\begin{aligned} \iint _{\partial V} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iint _{S_2} \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}\cdot\frac{\mathbf{r}}{2}\,\mathrm{d}S -\iint _{S_1} \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}\cdot\mathbf{r}\,\mathrm{d}S \\ &=\iint _{S_2} \mathrm{d}S -\iint _{S_1} \mathrm{d}S \\ &=4\pi(2)^2 -4\pi(1)^2 \\ &=12\pi \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Write

V={ (x,y,z) ∣ 1≤x2+y2+z2≤4 }V=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ 1\le x^2+y^2+z^2\le 4\ \big\}

The boundary of VV consists of two parts — the sphere, S2S_2, of radius 22, centred on the origin, with (outward) normal n^=r∣r∣=r2\hat{\mathbf{n}}=\frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}=\frac{\mathbf{r}}{2}, and the sphere S1S_1 of radius 11, centred on the origin, with (inward) normal n^=−r\hat{\mathbf{n}} = -\mathbf{r}, So,

∬∂VF⋅n^ dS=∬S2r∣r∣⋅r2 dS−∬S1r∣r∣⋅r dS=∬S2dS−∬S1dS=4π(2)2−4π(1)2=12π\begin{aligned} \iint _{\partial V} \mathbf{F}\cdot\hat{\mathbf{n}}\,\mathrm{d}S &=\iint _{S_2} \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}\cdot\frac{\mathbf{r}}{2}\,\mathrm{d}S -\iint _{S_1} \frac{\mathbf{r}}{|\mathbf{r}|}\cdot\mathbf{r}\,\mathrm{d}S \\ &=\iint _{S_2} \mathrm{d}S -\iint _{S_1} \mathrm{d}S \\ &=4\pi(2)^2 -4\pi(1)^2 \\ &=12\pi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-4 · 3.3절 · 21번
# 면적분과 플럭스계산보통자동 분류
CLP-4 Vector Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)