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.

2문제 · 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.

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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}

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# 면적분과 플럭스활용보통자동 분류
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2.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
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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
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