예제·유제 · Examples & Exercises
곡선 $y = \sqrt{x}$, $0 \le x \le 4$과 $x$축 사이의 영역을 $x$축을 중심으로 회전시켜 회전체의 부피를 구하여라.
풀이. 원판법에 의해 부피는 $$V = \int_0^4 \pi y^2\,dx = \int_0^4 \pi x\,dx = \pi\left[\frac{x^2}{2}\right]_0^4 = \pi \cdot \frac{16}{2} = 8\pi$$ 이다.
Find the volume of the solid generated by revolving the region between the curve $y = \sqrt{x}$, $0 \le x \le 4$, and the $x$-axis about the $x$-axis.
Solution. By the disk method, the volume is $$V = \int_0^4 \pi y^2\,dx = \int_0^4 \pi x\,dx = \pi\left[\frac{x^2}{2}\right]_0^4 = \pi \cdot \frac{16}{2} = 8\pi.$$
- 원판 $x^2 + y^2 \le a^2$을 $x$축을 중심으로 회전시켜 얻은 구의 부피를 구하여라.
- 곡선 $y = \sqrt{x}$과 직선 $y = 1$, $x = 4$로 둘러싸인 도형을 직선 $y = 1$을 축으로 하여 회전시킨 회전체의 부피를 구하여라.
풀이. (1) 원판 $x^2+y^2\le a^2$을 $x$축을 중심으로 회전시키면 반지름 $\sqrt{a^2-x^2}$인 원판들의 모임이므로 $$V = \int_{-a}^{a} \pi (a^2-x^2)\,dx = \pi\left[a^2x - \frac{x^3}{3}\right]_{-a}^{a} = \pi\left(\frac{2a^3}{3}-\left(-\frac{2a^3}{3}\right)\right)=\frac{4}{3}\pi a^3$$ 이다.
(2) 두 곡선 $y=\sqrt{x}$와 $y=1$은 $x=1$에서 만나므로, $1\le x\le 4$에서 곡선 $y=\sqrt{x}$가 직선 $y=1$ 위쪽에 있다. 직선 $y=1$을 축으로 회전시키면 반지름 $\sqrt{x}-1$인 원판들의 모임이므로 $$V = \int_1^4 \pi(\sqrt{x}-1)^2\,dx = \pi\int_1^4 (x-2\sqrt{x}+1)\,dx = \pi\left[\frac{x^2}{2}-\frac{4}{3}x^{3/2}+x\right]_1^4$$ 이다. $x=4$일 때 $\dfrac{x^2}{2}-\dfrac43x^{3/2}+x = 8-\dfrac{32}{3}+4=\dfrac43$이고, $x=1$일 때 $\dfrac12-\dfrac43+1=\dfrac16$이므로 $$V = \pi\left(\frac43-\frac16\right)=\frac{7}{6}\pi$$ 이다.
- Find the volume of the sphere obtained by revolving the disk $x^2 + y^2 \le a^2$ about the $x$-axis.
- Find the volume of the solid generated by revolving the region bounded by the curve $y = \sqrt{x}$ and the lines $y = 1$, $x = 4$ about the line $y = 1$.
Solution. (1) Revolving the disk $x^2+y^2\le a^2$ about the $x$-axis produces a stack of disks of radius $\sqrt{a^2-x^2}$, so $$V = \int_{-a}^{a} \pi (a^2-x^2)\,dx = \pi\left[a^2x - \frac{x^3}{3}\right]_{-a}^{a} = \pi\left(\frac{2a^3}{3}-\left(-\frac{2a^3}{3}\right)\right)=\frac{4}{3}\pi a^3.$$
(2) The curves $y=\sqrt{x}$ and $y=1$ meet at $x=1$, and $y=\sqrt{x}$ lies above the line $y=1$ for $1\le x\le 4$. Revolving about the line $y=1$ produces disks of radius $\sqrt{x}-1$, so $$V = \int_1^4 \pi(\sqrt{x}-1)^2\,dx = \pi\int_1^4 (x-2\sqrt{x}+1)\,dx = \pi\left[\frac{x^2}{2}-\frac{4}{3}x^{3/2}+x\right]_1^4.$$ At $x=4$, $\dfrac{x^2}{2}-\dfrac43x^{3/2}+x = 8-\dfrac{32}{3}+4=\dfrac43$, and at $x=1$, $\dfrac12-\dfrac43+1=\dfrac16$, so $$V = \pi\left(\frac43-\frac16\right)=\frac{7}{6}\pi.$$
- 곡선 $x = 2/y$, $1 \le y \le 4$와 $y$축 사이의 영역을 $y$축을 중심으로 회전시킨 회전체의 부피를 구하여라.
- 곡선 $x = y^2 + 1$과 직선 $x = 3$으로 둘러싸인 도형을 직선 $x = 3$을 축으로 하여 회전시킨 회전체의 부피를 구하여라.
풀이. (1) 곡선 $x=2/y$, $1\le y\le4$를 $y$축을 중심으로 회전시키면 반지름 $2/y$인 원판들의 모임이므로 $$V = \int_1^4 \pi\left(\frac{2}{y}\right)^2 dy = 4\pi\int_1^4 \frac{1}{y^2}\,dy = 4\pi\left[-\frac1y\right]_1^4 = 4\pi\left(-\frac14+1\right)=3\pi$$ 이다.
(2) 곡선 $x=y^2+1$과 직선 $x=3$은 $y^2+1=3$, 즉 $y=\pm\sqrt2$에서 만난다. 직선 $x=3$을 축으로 회전시키면 반지름 $3-(y^2+1)=2-y^2$인 원판들의 모임이므로 $$V = \int_{-\sqrt2}^{\sqrt2} \pi(2-y^2)^2\,dy = 2\pi\int_0^{\sqrt2}(4-4y^2+y^4)\,dy$$ $$= 2\pi\left[4y-\frac43y^3+\frac{y^5}{5}\right]_0^{\sqrt2} = 2\pi\left(4\sqrt2-\frac{8\sqrt2}{3}+\frac{4\sqrt2}{5}\right)=2\pi\cdot\frac{32\sqrt2}{15}=\frac{64\sqrt2}{15}\pi$$ 이다.
- Find the volume of the solid generated by revolving the region between the curve $x = 2/y$, $1 \le y \le 4$, and the $y$-axis about the $y$-axis.
- Find the volume of the solid generated by revolving the region bounded by the curve $x = y^2 + 1$ and the line $x = 3$ about the line $x = 3$.
Solution. (1) Revolving the curve $x=2/y$, $1\le y\le4$, about the $y$-axis produces disks of radius $2/y$, so $$V = \int_1^4 \pi\left(\frac{2}{y}\right)^2 dy = 4\pi\int_1^4 \frac{1}{y^2}\,dy = 4\pi\left[-\frac1y\right]_1^4 = 4\pi\left(-\frac14+1\right)=3\pi.$$
(2) The curve $x=y^2+1$ and the line $x=3$ meet where $y^2+1=3$, i.e., $y=\pm\sqrt2$. Revolving about the line $x=3$ produces disks of radius $3-(y^2+1)=2-y^2$, so $$V = \int_{-\sqrt2}^{\sqrt2} \pi(2-y^2)^2\,dy = 2\pi\int_0^{\sqrt2}(4-4y^2+y^4)\,dy$$ $$= 2\pi\left[4y-\frac43y^3+\frac{y^5}{5}\right]_0^{\sqrt2} = 2\pi\left(4\sqrt2-\frac{8\sqrt2}{3}+\frac{4\sqrt2}{5}\right)=2\pi\cdot\frac{32\sqrt2}{15}=\frac{64\sqrt2}{15}\pi.$$
- 곡선 $y = x^2 + 1$과 직선 $y = -x + 3$으로 둘러싸인 도형을 $x$축을 중심으로 회전시킨 회전체의 부피를 구하여라.
- 곡선 $y = x^2$과 직선 $y = 2x$로 둘러싸인 도형을 $y$축을 중심으로 회전시킨 회전체의 부피를 구하여라.
- 원판 $x^2 + y^2 \le a^2$을 직선 $x = b$를 축으로 하여 회전시킨 회전체를 토러스(torus)라 한다. 이때 토러스의 부피를 구하여라.
풀이. (1) 곡선 $y=x^2+1$과 직선 $y=-x+3$은 $x^2+1=-x+3$, 즉 $x^2+x-2=(x+2)(x-1)=0$에서 만나므로 $x=-2,1$이다. $-2\le x\le1$에서 직선이 곡선보다 위쪽에 있으므로, $x$축을 중심으로 회전시키면 워셔법에 의해 $$V = \pi\int_{-2}^{1}\left[(3-x)^2-(x^2+1)^2\right]dx = \pi\int_{-2}^1 (8-6x-x^2-x^4)\,dx$$ $$=\pi\left[8x-3x^2-\frac{x^3}{3}-\frac{x^5}{5}\right]_{-2}^1 = \pi\left(\frac{67}{15}-\left(-\frac{284}{15}\right)\right)=\pi\cdot\frac{351}{15}=\frac{117}{5}\pi$$ 이다.
(2) 곡선 $y=x^2$과 직선 $y=2x$는 $x=0,2$에서 만난다. $0\le y\le4$일 때 영역은 $\dfrac y2\le x\le\sqrt y$를 만족하므로, $y$축을 중심으로 회전시키면 워셔법에 의해 $$V=\pi\int_0^4\left[(\sqrt y)^2-\left(\frac y2\right)^2\right]dy=\pi\int_0^4\left(y-\frac{y^2}{4}\right)dy=\pi\left[\frac{y^2}{2}-\frac{y^3}{12}\right]_0^4=\pi\left(8-\frac{16}{3}\right)=\frac{8}{3}\pi$$ 이다.
(3) 파푸스 정리에 의해, 도형의 무게중심이 축으로부터 $b$만큼 떨어져 있고 원판의 넓이가 $\pi a^2$이므로 토러스의 부피는 $$V = 2\pi b\cdot \pi a^2 = 2\pi^2 a^2 b$$ 이다.
- Find the volume of the solid generated by revolving the region bounded by the curve $y = x^2 + 1$ and the line $y = -x + 3$ about the $x$-axis.
- Find the volume of the solid generated by revolving the region bounded by the curve $y = x^2$ and the line $y = 2x$ about the $y$-axis.
- The solid obtained by revolving the disk $x^2 + y^2 \le a^2$ about the line $x = b$ is called a torus. Find the volume of the torus.
Solution. (1) The curve $y=x^2+1$ and the line $y=-x+3$ meet where $x^2+1=-x+3$, i.e., $x^2+x-2=(x+2)(x-1)=0$, so $x=-2,1$. Since the line lies above the curve for $-2\le x\le1$, revolving about the $x$-axis by the washer method gives $$V = \pi\int_{-2}^{1}\left[(3-x)^2-(x^2+1)^2\right]dx = \pi\int_{-2}^1 (8-6x-x^2-x^4)\,dx$$ $$=\pi\left[8x-3x^2-\frac{x^3}{3}-\frac{x^5}{5}\right]_{-2}^1 = \pi\left(\frac{67}{15}-\left(-\frac{284}{15}\right)\right)=\pi\cdot\frac{351}{15}=\frac{117}{5}\pi.$$
(2) The curve $y=x^2$ and the line $y=2x$ meet at $x=0,2$. For $0\le y\le4$, the region satisfies $\dfrac y2\le x\le\sqrt y$, so revolving about the $y$-axis by the washer method gives $$V=\pi\int_0^4\left[(\sqrt y)^2-\left(\frac y2\right)^2\right]dy=\pi\int_0^4\left(y-\frac{y^2}{4}\right)dy=\pi\left[\frac{y^2}{2}-\frac{y^3}{12}\right]_0^4=\pi\left(8-\frac{16}{3}\right)=\frac{8}{3}\pi.$$
(3) By Pappus's theorem, since the centroid of the disk is at distance $b$ from the axis and the disk has area $\pi a^2$, the volume of the torus is $$V = 2\pi b\cdot \pi a^2 = 2\pi^2 a^2 b.$$
곡선 $y = 3x - x^2$과 $x$축으로 둘러싸인 영역을 직선 $x = -1$을 중심으로 회전시킨 회전체의 부피를 원주각 방법(shell method)을 이용해 구하시오.
풀이. 곡선 $y=3x-x^2$은 $x=0,3$에서 $x$축과 만난다. 원주각 방법에 의해, $x$에서의 원기둥 껍질은 반지름 $x-(-1)=x+1$, 높이 $3x-x^2$을 가지므로 $$V=2\pi\int_0^3 (x+1)(3x-x^2)\,dx = 2\pi\int_0^3(-x^3+2x^2+3x)\,dx$$ $$=2\pi\left[-\frac{x^4}{4}+\frac{2x^3}{3}+\frac{3x^2}{2}\right]_0^3=2\pi\cdot\frac{45}{4}=\frac{45}{2}\pi$$ 이다.
Using the shell method, find the volume of the solid generated by revolving the region bounded by the curve $y = 3x - x^2$ and the $x$-axis about the line $x = -1$.
Solution. The curve $y=3x-x^2$ meets the $x$-axis at $x=0,3$. By the shell method, the shell at $x$ has radius $x-(-1)=x+1$ and height $3x-x^2$, so $$V=2\pi\int_0^3 (x+1)(3x-x^2)\,dx = 2\pi\int_0^3(-x^3+2x^2+3x)\,dx$$ $$=2\pi\left[-\frac{x^4}{4}+\frac{2x^3}{3}+\frac{3x^2}{2}\right]_0^3=2\pi\cdot\frac{45}{4}=\frac{45}{2}\pi.$$
- 곡선 $y = \sqrt{x}$, 직선 $x = 4$와 $x$축으로 둘러싸인 영역을 $y$축을 중심으로 회전시킨 회전체의 부피를 구하시오.
- 곡선 $y = \sqrt{x}$, 직선 $x = 4$와 $x$축으로 둘러싸인 영역을 $x$축을 중심으로 회전시킨 회전체의 부피를 구하시오.
풀이. (1) $y$축을 중심으로 회전시키면, $x$에서의 원기둥 껍질은 반지름 $x$, 높이 $\sqrt x$를 가지므로 $$V=2\pi\int_0^4 x\sqrt x\,dx = 2\pi\int_0^4 x^{3/2}\,dx=2\pi\left[\frac25x^{5/2}\right]_0^4=2\pi\cdot\frac25\cdot32=\frac{128}{5}\pi$$ 이다.
(2) $x$축을 중심으로 회전시키면, $y$에서의 원기둥 껍질은 반지름 $y$, 높이 $4-y^2$을 가지므로 ($0\le y\le2$) $$V=2\pi\int_0^2 y(4-y^2)\,dy=2\pi\left[2y^2-\frac{y^4}{4}\right]_0^2=2\pi(8-4)=8\pi$$ 이다.
- Find the volume of the solid generated by revolving the region bounded by the curve $y = \sqrt{x}$, the line $x = 4$, and the $x$-axis about the $y$-axis.
- Find the volume of the solid generated by revolving the region bounded by the curve $y = \sqrt{x}$, the line $x = 4$, and the $x$-axis about the $x$-axis.
Solution. (1) Revolving about the $y$-axis, the shell at $x$ has radius $x$ and height $\sqrt x$, so $$V=2\pi\int_0^4 x\sqrt x\,dx = 2\pi\int_0^4 x^{3/2}\,dx=2\pi\left[\frac25x^{5/2}\right]_0^4=2\pi\cdot\frac25\cdot32=\frac{128}{5}\pi.$$
(2) Revolving about the $x$-axis, the shell at $y$ has radius $y$ and height $4-y^2$ (for $0\le y\le2$), so $$V=2\pi\int_0^2 y(4-y^2)\,dy=2\pi\left[2y^2-\frac{y^4}{4}\right]_0^2=2\pi(8-4)=8\pi.$$
$g(x) = \begin{cases} \dfrac{(\tan x)^2}{x} & (0 \lt x \le \pi/4) \\[2mm] 0 & (x = 0) \end{cases}$라 하자.
곡선 $y = g(x)$와 $x$축 사이의 영역을 $y$축을 중심으로 회전시킨 회전체의 부피를 구하여라.
풀이. $y$축을 중심으로 회전시키면, $x$에서의 원기둥 껍질은 반지름 $x$, 높이 $g(x)=\dfrac{\tan^2x}{x}$을 가지므로 $$V=2\pi\int_0^{\pi/4} x\cdot\frac{\tan^2x}{x}\,dx=2\pi\int_0^{\pi/4}\tan^2x\,dx=2\pi\int_0^{\pi/4}(\sec^2x-1)\,dx$$ $$=2\pi\left[\tan x-x\right]_0^{\pi/4}=2\pi\left(1-\frac\pi4\right)$$ 이다.
Let $g(x) = \begin{cases} \dfrac{(\tan x)^2}{x} & (0 \lt x \le \pi/4) \\[2mm] 0 & (x = 0) \end{cases}$.
Find the volume of the solid generated by revolving the region between the curve $y = g(x)$ and the $x$-axis about the $y$-axis.
Solution. Revolving about the $y$-axis, the shell at $x$ has radius $x$ and height $g(x)=\dfrac{\tan^2x}{x}$, so $$V=2\pi\int_0^{\pi/4} x\cdot\frac{\tan^2x}{x}\,dx=2\pi\int_0^{\pi/4}\tan^2x\,dx=2\pi\int_0^{\pi/4}(\sec^2x-1)\,dx$$ $$=2\pi\left[\tan x-x\right]_0^{\pi/4}=2\pi\left(1-\frac\pi4\right).$$
영역 $\dfrac{y^4}{4} - \dfrac{y^2}{2} \le x \le \dfrac{y^2}{2}$, $0 \le y \le 2$를 $x$축을 중심으로 회전시켜 얻은 회전체의 부피를 구하여라.
풀이. $x$축을 중심으로 회전시키면, $y$에서의 원기둥 껍질은 반지름 $y$, 높이 $$\frac{y^2}{2}-\left(\frac{y^4}{4}-\frac{y^2}{2}\right)=y^2-\frac{y^4}{4}$$ 를 가지므로 $$V=2\pi\int_0^2 y\left(y^2-\frac{y^4}{4}\right)dy=2\pi\int_0^2\left(y^3-\frac{y^5}{4}\right)dy=2\pi\left[\frac{y^4}{4}-\frac{y^6}{24}\right]_0^2=2\pi\left(4-\frac83\right)=\frac83\pi$$ 이다.
Find the volume of the solid obtained by revolving the region $\dfrac{y^4}{4} - \dfrac{y^2}{2} \le x \le \dfrac{y^2}{2}$, $0 \le y \le 2$ about the $x$-axis.
Solution. Revolving about the $x$-axis, the shell at $y$ has radius $y$ and height $$\frac{y^2}{2}-\left(\frac{y^4}{4}-\frac{y^2}{2}\right)=y^2-\frac{y^4}{4},$$ so $$V=2\pi\int_0^2 y\left(y^2-\frac{y^4}{4}\right)dy=2\pi\int_0^2\left(y^3-\frac{y^5}{4}\right)dy=2\pi\left[\frac{y^4}{4}-\frac{y^6}{24}\right]_0^2=2\pi\left(4-\frac83\right)=\frac83\pi.$$
- 시점을 $A = \left(1, \dfrac{13}{12}\right)$로 하는 곡선 $y = \dfrac{x^3}{12} + \dfrac{1}{x}$의 호의 길이 함수를 구하시오.
- 곡선 $y = \dfrac{x^3}{12} + \dfrac{1}{x}$, $1 \le x \le 4$의 길이를 구하시오.
풀이. (1) $y=\dfrac{x^3}{12}+\dfrac1x$이므로 $y'=\dfrac{x^2}{4}-\dfrac{1}{x^2}$이고 $$1+(y')^2 = 1+\left(\frac{x^2}{4}-\frac{1}{x^2}\right)^2=\frac{x^4}{16}+\frac12+\frac{1}{x^4}=\left(\frac{x^2}{4}+\frac{1}{x^2}\right)^2$$ 이다. $x>0$이므로 $\sqrt{1+(y')^2}=\dfrac{x^2}{4}+\dfrac{1}{x^2}$이고, 시점 $A=(1,13/12)$에서 $$s(x)=\int_1^x\left(\frac{t^2}{4}+\frac1{t^2}\right)dt=\left[\frac{t^3}{12}-\frac1t\right]_1^x=\frac{x^3}{12}-\frac1x-\left(\frac1{12}-1\right)=\frac{x^3}{12}-\frac1x+\frac{11}{12}$$ 이다.
(2) (1)에서 구한 피적분함수를 이용하면 $$L=\int_1^4\left(\frac{x^2}{4}+\frac1{x^2}\right)dx=\left[\frac{x^3}{12}-\frac1x\right]_1^4=\left(\frac{64}{12}-\frac14\right)-\left(\frac1{12}-1\right)=\frac{61}{12}+\frac{11}{12}=6$$ 이다.
- Find the arc length function of the curve $y = \dfrac{x^3}{12} + \dfrac{1}{x}$ with base point $A = \left(1, \dfrac{13}{12}\right)$.
- Find the length of the curve $y = \dfrac{x^3}{12} + \dfrac{1}{x}$, $1 \le x \le 4$.
Solution. (1) Since $y=\dfrac{x^3}{12}+\dfrac1x$, we have $y'=\dfrac{x^2}{4}-\dfrac{1}{x^2}$, and $$1+(y')^2 = 1+\left(\frac{x^2}{4}-\frac{1}{x^2}\right)^2=\frac{x^4}{16}+\frac12+\frac{1}{x^4}=\left(\frac{x^2}{4}+\frac{1}{x^2}\right)^2.$$ Since $x>0$, $\sqrt{1+(y')^2}=\dfrac{x^2}{4}+\dfrac{1}{x^2}$, so with base point $A=(1,13/12)$, $$s(x)=\int_1^x\left(\frac{t^2}{4}+\frac1{t^2}\right)dt=\left[\frac{t^3}{12}-\frac1t\right]_1^x=\frac{x^3}{12}-\frac1x-\left(\frac1{12}-1\right)=\frac{x^3}{12}-\frac1x+\frac{11}{12}.$$
(2) Using the integrand found in (1), $$L=\int_1^4\left(\frac{x^2}{4}+\frac1{x^2}\right)dx=\left[\frac{x^3}{12}-\frac1x\right]_1^4=\left(\frac{64}{12}-\frac14\right)-\left(\frac1{12}-1\right)=\frac{61}{12}+\frac{11}{12}=6.$$
$9x^2 = y(y-3)^2$이라 할 때 $ds^2 = \dfrac{(y+1)^2}{4y}\,dy^2$임을 보여라.
증명. $9x^2=y(y-3)^2=y^3-6y^2+9y$의 양변을 $y$에 대해 미분하면 $$18x\frac{dx}{dy}=3y^2-12y+9=3(y-1)(y-3)$$ 이므로 $$\frac{dx}{dy}=\frac{(y-1)(y-3)}{6x}$$ 이다. 이때 $36x^2=4y(y-3)^2$이므로 $$\left(\frac{dx}{dy}\right)^2=\frac{(y-1)^2(y-3)^2}{36x^2}=\frac{(y-1)^2(y-3)^2}{4y(y-3)^2}=\frac{(y-1)^2}{4y}$$ 이다. 따라서 $$ds^2=\left[\left(\frac{dx}{dy}\right)^2+1\right]dy^2=\left(\frac{(y-1)^2}{4y}+1\right)dy^2=\frac{(y-1)^2+4y}{4y}\,dy^2=\frac{y^2+2y+1}{4y}\,dy^2=\frac{(y+1)^2}{4y}\,dy^2$$ 이다.
Given $9x^2 = y(y-3)^2$, show that $ds^2 = \dfrac{(y+1)^2}{4y}\,dy^2$.
Proof. Differentiating both sides of $9x^2=y(y-3)^2=y^3-6y^2+9y$ with respect to $y$ gives $$18x\frac{dx}{dy}=3y^2-12y+9=3(y-1)(y-3),$$ so $$\frac{dx}{dy}=\frac{(y-1)(y-3)}{6x}.$$ Since $36x^2=4y(y-3)^2$, $$\left(\frac{dx}{dy}\right)^2=\frac{(y-1)^2(y-3)^2}{36x^2}=\frac{(y-1)^2(y-3)^2}{4y(y-3)^2}=\frac{(y-1)^2}{4y}.$$ Therefore $$ds^2=\left[\left(\frac{dx}{dy}\right)^2+1\right]dy^2=\left(\frac{(y-1)^2}{4y}+1\right)dy^2=\frac{(y-1)^2+4y}{4y}\,dy^2=\frac{y^2+2y+1}{4y}\,dy^2=\frac{(y+1)^2}{4y}\,dy^2.$$
곡선 $y = 2\sqrt{x}$, $1 \le x \le 2$를 $x$축을 중심으로 회전시킨 회전면의 넓이를 구하여라.
풀이. $y=2\sqrt x$이므로 $y'=\dfrac{1}{\sqrt x}$이고 $$1+(y')^2=1+\frac1x=\frac{x+1}{x}$$ 이다. $x$축을 중심으로 회전시킨 회전면의 넓이는 $$S=2\pi\int_1^2 y\sqrt{1+(y')^2}\,dx=2\pi\int_1^2 2\sqrt x\cdot\sqrt{\frac{x+1}{x}}\,dx=2\pi\int_1^2 2\sqrt{x+1}\,dx$$ $$=4\pi\left[\frac23(x+1)^{3/2}\right]_1^2=\frac{8\pi}{3}\left(3\sqrt3-2\sqrt2\right)$$ 이다.
Find the area of the surface generated by revolving the curve $y = 2\sqrt{x}$, $1 \le x \le 2$, about the $x$-axis.
Solution. Since $y=2\sqrt x$, we have $y'=\dfrac{1}{\sqrt x}$, and $$1+(y')^2=1+\frac1x=\frac{x+1}{x}.$$ The area of the surface generated by revolving about the $x$-axis is $$S=2\pi\int_1^2 y\sqrt{1+(y')^2}\,dx=2\pi\int_1^2 2\sqrt x\cdot\sqrt{\frac{x+1}{x}}\,dx=2\pi\int_1^2 2\sqrt{x+1}\,dx$$ $$=4\pi\left[\frac23(x+1)^{3/2}\right]_1^2=\frac{8\pi}{3}\left(3\sqrt3-2\sqrt2\right).$$
- 선분 $x = 1 - y$, $0 \le y \le 1$를 $y$축을 중심으로 회전시킨 회전면의 넓이를 구하여라.
- 곡선 $y = \sqrt{2x - x^2}$, $1/2 \le x \le 3/2$를 $x$축을 중심으로 회전시킨 회전면의 넓이를 구하여라.
- 곡선 $y = \dfrac{1}{3}(x^2 + 2)^{3/2}$, $0 \le x \le \sqrt{2}$를 $y$축을 중심으로 회전시킨 회전면의 넓이를 구하여라.
풀이. (1) $x=1-y$이므로 $\dfrac{dx}{dy}=-1$이고 $\sqrt{1+(dx/dy)^2}=\sqrt2$이다. $y$축을 중심으로 회전시킨 회전면의 넓이는 $$S=2\pi\int_0^1 x\sqrt{1+\left(\frac{dx}{dy}\right)^2}\,dy=2\pi\int_0^1(1-y)\sqrt2\,dy=2\sqrt2\pi\left[y-\frac{y^2}{2}\right]_0^1=2\sqrt2\pi\cdot\frac12=\sqrt2\pi$$ 이다.
(2) $y=\sqrt{2x-x^2}$이므로 $y^2=2x-x^2=1-(x-1)^2$이고, $y'=\dfrac{1-x}{\sqrt{2x-x^2}}$이다. 따라서 $$1+(y')^2=1+\frac{(x-1)^2}{2x-x^2}=\frac{2x-x^2+(x-1)^2}{2x-x^2}=\frac{1}{2x-x^2}$$ 이므로 $y\sqrt{1+(y')^2}=\sqrt{2x-x^2}\cdot\dfrac{1}{\sqrt{2x-x^2}}=1$이다. $x$축을 중심으로 회전시킨 회전면의 넓이는 $$S=2\pi\int_{1/2}^{3/2} 1\,dx=2\pi\left(\frac32-\frac12\right)=2\pi$$ 이다.
(3) $y=\dfrac13(x^2+2)^{3/2}$이므로 $y'=x\sqrt{x^2+2}$이고 $$1+(y')^2=1+x^2(x^2+2)=x^4+2x^2+1=(x^2+1)^2$$ 이다. $y$축을 중심으로 회전시킨 회전면의 넓이는 $$S=2\pi\int_0^{\sqrt2} x\sqrt{1+(y')^2}\,dx=2\pi\int_0^{\sqrt2} x(x^2+1)\,dx=2\pi\left[\frac{x^4}{4}+\frac{x^2}{2}\right]_0^{\sqrt2}=2\pi(1+1)=4\pi$$ 이다.
- Find the area of the surface generated by revolving the line segment $x = 1 - y$, $0 \le y \le 1$, about the $y$-axis.
- Find the area of the surface generated by revolving the curve $y = \sqrt{2x - x^2}$, $1/2 \le x \le 3/2$, about the $x$-axis.
- Find the area of the surface generated by revolving the curve $y = \dfrac{1}{3}(x^2 + 2)^{3/2}$, $0 \le x \le \sqrt{2}$, about the $y$-axis.
Solution. (1) Since $x=1-y$, $\dfrac{dx}{dy}=-1$ and $\sqrt{1+(dx/dy)^2}=\sqrt2$. The area of the surface generated by revolving about the $y$-axis is $$S=2\pi\int_0^1 x\sqrt{1+\left(\frac{dx}{dy}\right)^2}\,dy=2\pi\int_0^1(1-y)\sqrt2\,dy=2\sqrt2\pi\left[y-\frac{y^2}{2}\right]_0^1=2\sqrt2\pi\cdot\frac12=\sqrt2\pi.$$
(2) Since $y=\sqrt{2x-x^2}$, we have $y^2=2x-x^2=1-(x-1)^2$ and $y'=\dfrac{1-x}{\sqrt{2x-x^2}}$. Hence $$1+(y')^2=1+\frac{(x-1)^2}{2x-x^2}=\frac{2x-x^2+(x-1)^2}{2x-x^2}=\frac{1}{2x-x^2},$$ so $y\sqrt{1+(y')^2}=\sqrt{2x-x^2}\cdot\dfrac{1}{\sqrt{2x-x^2}}=1$. The area of the surface generated by revolving about the $x$-axis is $$S=2\pi\int_{1/2}^{3/2} 1\,dx=2\pi\left(\frac32-\frac12\right)=2\pi.$$
(3) Since $y=\dfrac13(x^2+2)^{3/2}$, we have $y'=x\sqrt{x^2+2}$, and $$1+(y')^2=1+x^2(x^2+2)=x^4+2x^2+1=(x^2+1)^2.$$ The area of the surface generated by revolving about the $y$-axis is $$S=2\pi\int_0^{\sqrt2} x\sqrt{1+(y')^2}\,dx=2\pi\int_0^{\sqrt2} x(x^2+1)\,dx=2\pi\left[\frac{x^4}{4}+\frac{x^2}{2}\right]_0^{\sqrt2}=2\pi(1+1)=4\pi.$$
- 원판 $x^2 + y^2 \le a^2$을 직선 $x = b$를 축으로 하여 회전시킨 토러스의 겉넓이를 구하여라. (단, $0 \lt a \lt b$)
- 성망형(astroid) $x^{2/3} + y^{2/3} = 1$를 $x$축을 중심으로 회전시킨 회전면의 넓이를 구하여라.
풀이. (1) 파푸스 정리에 의해, 원판의 경계인 원(반지름 $a$, 둘레 $2\pi a$)의 무게중심이 축으로부터 $b$만큼 떨어져 있으므로 토러스의 겉넓이는 $$S=2\pi b\cdot 2\pi a=4\pi^2 ab$$ 이다.
(2) 성망형을 $x=\cos^3\theta$, $y=\sin^3\theta$ ($0\le\theta\le\pi$)로 매개화하면 $$\frac{dx}{d\theta}=-3\cos^2\theta\sin\theta,\qquad \frac{dy}{d\theta}=3\sin^2\theta\cos\theta$$ 이고 $$\sqrt{\left(\frac{dx}{d\theta}\right)^2+\left(\frac{dy}{d\theta}\right)^2}=3|\cos\theta\sin\theta|$$ 이다. $y$축에 대한 대칭성에 의해 $0\le\theta\le\pi/2$인 부분의 기여를 두 배 하면 되므로, $x$축을 중심으로 회전시킨 회전면의 넓이는 $$S=2\cdot2\pi\int_0^{\pi/2}\sin^3\theta\cdot 3\sin\theta\cos\theta\,d\theta=12\pi\int_0^{\pi/2}\sin^4\theta\cos\theta\,d\theta=12\pi\left[\frac{\sin^5\theta}{5}\right]_0^{\pi/2}=\frac{12}{5}\pi$$ 이다.
- Find the surface area of the torus obtained by revolving the disk $x^2 + y^2 \le a^2$ about the line $x = b$ (where $0 \lt a \lt b$).
- Find the area of the surface generated by revolving the astroid $x^{2/3} + y^{2/3} = 1$ about the $x$-axis.
Solution. (1) By Pappus's theorem, since the centroid of the boundary circle (radius $a$, circumference $2\pi a$) is at distance $b$ from the axis, the surface area of the torus is $$S=2\pi b\cdot 2\pi a=4\pi^2 ab.$$
(2) Parametrize the astroid as $x=\cos^3\theta$, $y=\sin^3\theta$ ($0\le\theta\le\pi$). Then $$\frac{dx}{d\theta}=-3\cos^2\theta\sin\theta,\qquad \frac{dy}{d\theta}=3\sin^2\theta\cos\theta,$$ so $$\sqrt{\left(\frac{dx}{d\theta}\right)^2+\left(\frac{dy}{d\theta}\right)^2}=3|\cos\theta\sin\theta|.$$ By symmetry about the $y$-axis, doubling the contribution from $0\le\theta\le\pi/2$, the area of the surface generated by revolving about the $x$-axis is $$S=2\cdot2\pi\int_0^{\pi/2}\sin^3\theta\cdot 3\sin\theta\cos\theta\,d\theta=12\pi\int_0^{\pi/2}\sin^4\theta\cos\theta\,d\theta=12\pi\left[\frac{\sin^5\theta}{5}\right]_0^{\pi/2}=\frac{12}{5}\pi.$$
문제 · Problems
- 동일한 높이에서 동일한 길이를 갖는 두 평면도형은 넓이가 같음을 설명하시오. 또한 동일한 높이에서 동일한 넓이를 갖는 두 입체도형은 부피가 같음을 설명하시오.
- $S$를 반지름의 길이가 $r$인 반구라고 하고 $T$는 밑면의 반지름과 높이가 모두 $r$인 원기둥에서 직원뿔을 잘라낸 입체라고 하자. 이때 카발리에리의 원리를 이용해 반구의 부피가 $2\pi r^3/3$임을 설명하시오.
- Explain why two plane regions with equal lengths at every height have equal areas. Also explain why two solids with equal cross-sectional areas at every height have equal volumes.
- Let $S$ be a hemisphere of radius $r$, and let $T$ be the solid obtained by removing a right circular cone from a cylinder whose base radius and height are both $r$. Using Cavalieri's principle, explain why the volume of the hemisphere is $2\pi r^3/3$.
좌표공간 위의 두 원기둥 $x^2 + z^2 \le 1$, $y^2 + z^2 \le 1$의 공통부분의 부피를 구하시오.
Find the volume of the intersection of the two cylinders $x^2 + z^2 \le 1$ and $y^2 + z^2 \le 1$ in coordinate space.
곡선 $y = \sin x$와 직선 $y = c$ ($0 \le c \le 1$), $x = 0$, $x = \pi$로 둘러싸인 영역을 직선 $y = c$를 중심으로 회전시켰을 때 생기는 회전체의 부피를 $V(c)$라 하자. $V(c)$가 최소가 되도록 하는 $c$의 값을 구하시오.
Let $V(c)$ be the volume of the solid generated by revolving the region bounded by the curve $y = \sin x$ and the lines $y = c$ ($0 \le c \le 1$), $x = 0$, $x = \pi$ about the line $y = c$. Find the value of $c$ that minimizes $V(c)$.
$a \le x \le b$에서 정의된 1사분면 위의 곡선 $y = f(x)$과 $x$축 사이의 영역을 $R$이라 하자.
- $R$을 $x$축을 중심으로 회전시킨 회전체의 부피는 $4\pi$, 직선 $y = -1$을 중심으로 회전시킨 회전체의 부피는 $8\pi$라 할 때 영역 $R$의 넓이를 구하시오.
- $R$을 $y$축을 중심으로 회전시킨 회전체의 부피는 $2\pi$, 직선 $x = -2$를 중심으로 회전시킨 회전체의 부피는 $10\pi$라 할 때 $R$의 넓이를 구하시오.
- $a$가 상수이고 $R$을 $x$축을 중심으로 회전시킨 회전체의 부피가 $b^2 - ab$일 때, $f(x)$를 구하시오.
Let $R$ be the region between the curve $y = f(x)$, defined on $a \le x \le b$ and lying in the first quadrant, and the $x$-axis.
- Suppose the volume of the solid generated by revolving $R$ about the $x$-axis is $4\pi$, and the volume of the solid generated by revolving $R$ about the line $y = -1$ is $8\pi$. Find the area of the region $R$.
- Suppose the volume of the solid generated by revolving $R$ about the $y$-axis is $2\pi$, and the volume of the solid generated by revolving $R$ about the line $x = -2$ is $10\pi$. Find the area of $R$.
- Suppose $a$ is a constant and the volume of the solid generated by revolving $R$ about the $x$-axis is $b^2 - ab$. Find $f(x)$.
- $x \gt 0$에서 정의된 $f(x)$는 연속미분가능하고 양수인 도함수를 갖는다고 하자. $(1, f(1))$을 시점으로 하는 $y = f(x)$의 호의 길이함수가 $\displaystyle s(x) = \int_1^x \sqrt{1 + \frac{1}{4t}}\,dt$일 때 $f(x)$를 구하시오.
- 호의 길이함수가 $s(x) = \sqrt{2}\,x$인 실수 전체 집합에서 정의된 연속미분가능한 함수 $y = f(x)$를 모두 찾으시오.
- Suppose $f(x)$ is defined for $x \gt 0$, continuously differentiable, and has a positive derivative. If the arc length function of $y = f(x)$ with base point $(1, f(1))$ is $\displaystyle s(x) = \int_1^x \sqrt{1 + \frac{1}{4t}}\,dt$, find $f(x)$.
- Find all continuously differentiable functions $y = f(x)$ defined on the set of all real numbers whose arc length function is $s(x) = \sqrt{2}\,x$.
$0 \lt \alpha \le \dfrac{\pi}{2}$일 때 $\displaystyle\int_0^\alpha \sqrt{1 + \cos^2\theta}\,d\theta \gt \sqrt{\alpha^2 + \sin^2\alpha}$가 성립함을 보이시오.
Show that $\displaystyle\int_0^\alpha \sqrt{1 + \cos^2\theta}\,d\theta \gt \sqrt{\alpha^2 + \sin^2\alpha}$ holds for $0 \lt \alpha \le \dfrac{\pi}{2}$.
- 곡면 $y = 2\sqrt{x}$, $0 \le z \le 2\sqrt{x}$, $0 \le x \le 3$의 넓이를 구하시오.
- 곡면 $\{(\cos\theta, \sin\theta, z) \mid 0 \le \theta \le 2\pi,\ 0 \le z \le \theta\}$의 넓이를 구하시오.
- Find the area of the surface $y = 2\sqrt{x}$, $0 \le z \le 2\sqrt{x}$, $0 \le x \le 3$.
- Find the area of the surface $\{(\cos\theta, \sin\theta, z) \mid 0 \le \theta \le 2\pi,\ 0 \le z \le \theta\}$.