예제·유제 · Examples & Exercises

예제 01 직교좌표와 극좌표 변환
한국어
  1. 직교좌표로 나타낸 점 $P(2, 1)$을 극좌표로 나타내시오.
  2. 극좌표계로 나타낸 점 $P\left(2, \dfrac{\pi}{3}\right)$을 직교좌표로 나타내시오.

풀이. (1) $P(2,1)$에서 $r=\sqrt{x^2+y^2}=\sqrt{4+1}=\sqrt5$이고, 점이 제1사분면에 있으므로 $\theta=\tan^{-1}\dfrac12$이다. 따라서 극좌표는 $\left(\sqrt5,\ \tan^{-1}\dfrac12\right)$이다.

(2) $P\left(2,\dfrac\pi3\right)$에서 $$x=r\cos\theta=2\cos\frac\pi3=2\cdot\frac12=1,\qquad y=r\sin\theta=2\sin\frac\pi3=2\cdot\frac{\sqrt3}2=\sqrt3$$ 이다. 따라서 직교좌표는 $(1,\sqrt3)$이다.

English
  1. Express the point $P(2, 1)$, given in Cartesian coordinates, in polar coordinates.
  2. Express the point $P\left(2, \dfrac{\pi}{3}\right)$, given in polar coordinates, in Cartesian coordinates.

Solution. (1) For $P(2,1)$, we have $r=\sqrt{x^2+y^2}=\sqrt{4+1}=\sqrt5$, and since the point lies in the first quadrant, $\theta=\tan^{-1}\dfrac12$. Hence the polar coordinates are $\left(\sqrt5,\ \tan^{-1}\dfrac12\right)$.

(2) For $P\left(2,\dfrac\pi3\right)$, $$x=r\cos\theta=2\cos\frac\pi3=2\cdot\frac12=1,\qquad y=r\sin\theta=2\sin\frac\pi3=2\cdot\frac{\sqrt3}2=\sqrt3.$$ Hence the Cartesian coordinates are $(1,\sqrt3)$.

유제 01-1 같은 점의 모든 극좌표
한국어
  1. 극좌표로 나타낸 점 $P\left(2, \dfrac{\pi}{6}\right)$와 같은 점을 나타내는 모든 극좌표를 구하시오.
  2. 직교좌표로 나타낸 점 $P(-2, 0)$를 $-\pi \leq \theta \leq 2\pi$, $r \leq 0$을 만족시키는 가능한 모든 극좌표로 나타내시오.

풀이. (1) 극좌표 $\left(2,\dfrac\pi6\right)$과 같은 점을 나타내는 극좌표는, $r\gt0$인 표현은 각을 $2\pi$의 정수배만큼 돌린 것이고 $r\lt0$인 표현은 각을 $\pi$만큼 더 돌리고 다시 $2\pi$의 정수배를 더한 것이므로, 정수 $n$에 대해 $$\left(2,\ \frac\pi6+2n\pi\right),\qquad\left(-2,\ \frac{7\pi}6+2n\pi\right)$$ 이다.

(2) $P(-2,0)$은 $x=-2$, $y=0$이므로 $r\cos\theta=-2$, $r\sin\theta=0$을 만족해야 한다. $r\le0$이고 $r\ne0$(원점이 아니므로)이니 $\sin\theta=0$, 즉 $-\pi\le\theta\le2\pi$에서 $\theta\in\{-\pi,0,\pi,2\pi\}$이다. 각각에 대해 $r\cos\theta=-2$를 풀면
$\theta=0$: $\cos\theta=1\Rightarrow r=-2$ ($r\le0$ 만족)
$\theta=\pi$: $\cos\theta=-1\Rightarrow r=2$ ($r\le0$ 위배, 제외)
$\theta=2\pi$: $\cos\theta=1\Rightarrow r=-2$ ($r\le0$ 만족)
$\theta=-\pi$: $\cos\theta=-1\Rightarrow r=2$ ($r\le0$ 위배, 제외)
이므로 조건을 만족시키는 극좌표는 $$(-2,\ 0),\qquad(-2,\ 2\pi)$$ 이다.

English
  1. Find all polar coordinates representing the same point as $P\left(2, \dfrac{\pi}{6}\right)$, given in polar coordinates.
  2. Express the point $P(-2, 0)$, given in Cartesian coordinates, in all possible polar coordinates satisfying $-\pi \leq \theta \leq 2\pi$, $r \leq 0$.

Solution. (1) A representation with $r\gt0$ representing the same point as $\left(2,\dfrac\pi6\right)$ is obtained by adding an integer multiple of $2\pi$ to the angle, while a representation with $r\lt0$ is obtained by adding $\pi$ to the angle and then an integer multiple of $2\pi$. So for an integer $n$, $$\left(2,\ \frac\pi6+2n\pi\right),\qquad\left(-2,\ \frac{7\pi}6+2n\pi\right).$$

(2) Since $P(-2,0)$ has $x=-2$, $y=0$, we need $r\cos\theta=-2$, $r\sin\theta=0$. As $r\le0$ and $r\ne0$ (the point is not the origin), we need $\sin\theta=0$, so on $-\pi\le\theta\le2\pi$ we have $\theta\in\{-\pi,0,\pi,2\pi\}$. Solving $r\cos\theta=-2$ at each:
$\theta=0$: $\cos\theta=1\Rightarrow r=-2$ (satisfies $r\le0$)
$\theta=\pi$: $\cos\theta=-1\Rightarrow r=2$ (violates $r\le0$, discard)
$\theta=2\pi$: $\cos\theta=1\Rightarrow r=-2$ (satisfies $r\le0$)
$\theta=-\pi$: $\cos\theta=-1\Rightarrow r=2$ (violates $r\le0$, discard)
so the polar coordinates satisfying the condition are $$(-2,\ 0),\qquad(-2,\ 2\pi).$$

유제 01-2 직교좌표식을 극방정식으로
한국어

다음 직교좌표식을 극좌표식으로 표현하시오.

  1. $x = 2$
  2. $xy = 4$
  3. $x^2 - y^2 = 1$
  4. $x^2 + (y-3)^2 = 9$

풀이. $x=r\cos\theta$, $y=r\sin\theta$를 대입하여 정리한다.

(1) $x=2 \Rightarrow r\cos\theta=2$.

(2) $xy=4 \Rightarrow (r\cos\theta)(r\sin\theta)=4 \Rightarrow r^2\cos\theta\sin\theta=4 \Rightarrow r^2\cdot\dfrac12\sin2\theta=4 \Rightarrow r^2\sin2\theta=8$.

(3) $x^2-y^2=1 \Rightarrow r^2\cos^2\theta-r^2\sin^2\theta=1 \Rightarrow r^2(\cos^2\theta-\sin^2\theta)=1 \Rightarrow r^2\cos2\theta=1$.

(4) $x^2+(y-3)^2=9$을 전개하면 $x^2+y^2-6y+9=9$, 즉 $x^2+y^2=6y$이므로 $r^2=6r\sin\theta$, 곧 $r=6\sin\theta$이다 (원점은 $\theta=0$일 때 이미 이 식을 만족한다).

English

Express the following Cartesian equations as polar equations.

  1. $x = 2$
  2. $xy = 4$
  3. $x^2 - y^2 = 1$
  4. $x^2 + (y-3)^2 = 9$

Solution. Substitute $x=r\cos\theta$, $y=r\sin\theta$ and simplify.

(1) $x=2 \Rightarrow r\cos\theta=2$.

(2) $xy=4 \Rightarrow (r\cos\theta)(r\sin\theta)=4 \Rightarrow r^2\cos\theta\sin\theta=4 \Rightarrow r^2\cdot\dfrac12\sin2\theta=4 \Rightarrow r^2\sin2\theta=8$.

(3) $x^2-y^2=1 \Rightarrow r^2\cos^2\theta-r^2\sin^2\theta=1 \Rightarrow r^2(\cos^2\theta-\sin^2\theta)=1 \Rightarrow r^2\cos2\theta=1$.

(4) Expanding $x^2+(y-3)^2=9$ gives $x^2+y^2-6y+9=9$, i.e., $x^2+y^2=6y$, so $r^2=6r\sin\theta$, that is, $r=6\sin\theta$ (the origin already satisfies this at $\theta=0$).

유제 01-3 극방정식을 직교좌표식으로
한국어

다음 극방정식을 직교좌표식으로 표현하시오.

  1. $r\cos\theta = -4$
  2. $r^2 = 4r\cos\theta$
  3. $r = 1 + 2r\cos\theta$
  4. $r = 1 - \cos\theta$
  5. $\displaystyle r = \frac{4}{2\cos\theta - \sin\theta}$
  6. $r\sin\left(\dfrac{2\pi}{3} - \theta\right) = 5$

풀이. (1) $r\cos\theta=-4 \Rightarrow x=-4$.

(2) $r^2=4r\cos\theta \Rightarrow x^2+y^2=4x$ (양변에 $r$을 곱해 정리). 완전제곱하면 $(x-2)^2+y^2=4$로, 중심 $(2,0)$ 반지름 $2$인 원이다.

(3) $r=1+2r\cos\theta \Rightarrow r=1+2x$이므로 양변을 제곱하면 $$x^2+y^2=(1+2x)^2=1+4x+4x^2 \ \Rightarrow\ y^2=3x^2+4x+1$$ 즉 $3x^2-y^2+4x+1=0$이다. (완전제곱하면 $9\left(x+\dfrac23\right)^2-3y^2=1$인 쌍곡선.)

(4) $r=1-\cos\theta$에서 $\cos\theta=x/r$이므로 $r=1-\dfrac xr$, 곧 $r^2=r-x$이다. $r=\sqrt{x^2+y^2}$이므로 $x^2+y^2+x=\sqrt{x^2+y^2}$, 양변을 제곱하면 $$(x^2+y^2+x)^2=x^2+y^2$$ 이다.

(5) $\displaystyle r=\frac4{2\cos\theta-\sin\theta} \Rightarrow r(2\cos\theta-\sin\theta)=4 \Rightarrow 2r\cos\theta-r\sin\theta=4 \Rightarrow 2x-y=4$.

(6) $r\sin\left(\dfrac{2\pi}3-\theta\right)=5$에서 $$\sin\left(\frac{2\pi}3-\theta\right)=\sin\frac{2\pi}3\cos\theta-\cos\frac{2\pi}3\sin\theta=\frac{\sqrt3}2\cos\theta+\frac12\sin\theta$$ 이므로 $$r\left(\frac{\sqrt3}2\cos\theta+\frac12\sin\theta\right)=5 \Rightarrow \frac{\sqrt3}2r\cos\theta+\frac12r\sin\theta=5 \Rightarrow \frac{\sqrt3}2x+\frac12y=5$$ 즉 $\sqrt3x+y=10$이다.

English

Express the following polar equations as Cartesian equations.

  1. $r\cos\theta = -4$
  2. $r^2 = 4r\cos\theta$
  3. $r = 1 + 2r\cos\theta$
  4. $r = 1 - \cos\theta$
  5. $\displaystyle r = \frac{4}{2\cos\theta - \sin\theta}$
  6. $r\sin\left(\dfrac{2\pi}{3} - \theta\right) = 5$

Solution. (1) $r\cos\theta=-4 \Rightarrow x=-4$.

(2) $r^2=4r\cos\theta \Rightarrow x^2+y^2=4x$ (multiply both sides by $r$ and simplify). Completing the square gives $(x-2)^2+y^2=4$, a circle of center $(2,0)$ and radius $2$.

(3) $r=1+2r\cos\theta \Rightarrow r=1+2x$, so squaring both sides gives $$x^2+y^2=(1+2x)^2=1+4x+4x^2 \ \Rightarrow\ y^2=3x^2+4x+1,$$ that is, $3x^2-y^2+4x+1=0$. (Completing the square gives $9\left(x+\dfrac23\right)^2-3y^2=1$, a hyperbola.)

(4) In $r=1-\cos\theta$, since $\cos\theta=x/r$, we get $r=1-\dfrac xr$, i.e., $r^2=r-x$. Since $r=\sqrt{x^2+y^2}$, this gives $x^2+y^2+x=\sqrt{x^2+y^2}$, and squaring both sides yields $$(x^2+y^2+x)^2=x^2+y^2.$$

(5) $\displaystyle r=\frac4{2\cos\theta-\sin\theta} \Rightarrow r(2\cos\theta-\sin\theta)=4 \Rightarrow 2r\cos\theta-r\sin\theta=4 \Rightarrow 2x-y=4$.

(6) In $r\sin\left(\dfrac{2\pi}3-\theta\right)=5$, $$\sin\left(\frac{2\pi}3-\theta\right)=\sin\frac{2\pi}3\cos\theta-\cos\frac{2\pi}3\sin\theta=\frac{\sqrt3}2\cos\theta+\frac12\sin\theta,$$ so $$r\left(\frac{\sqrt3}2\cos\theta+\frac12\sin\theta\right)=5 \Rightarrow \frac{\sqrt3}2r\cos\theta+\frac12r\sin\theta=5 \Rightarrow \frac{\sqrt3}2x+\frac12y=5,$$ that is, $\sqrt3x+y=10$.

예제 02 극방정식이 나타내는 곡선
한국어

다음 극방정식이 나타내는 곡선을 좌표평면 위에 나타내시오.

  1. $r = 1$
  2. $r = -1$
  3. $\theta = \pi/6$
  4. $\theta = 7\pi/6$

풀이. (1) $r=1$: 원점을 중심으로 하는 반지름 $1$인 단위원이다.

(2) $r=-1$: $\theta$가 모든 실수를 움직일 때 점은 원점에서 거리 $|-1|=1$, 방향 $\theta+\pi$에 위치하므로 역시 원점을 중심으로 하는 반지름 $1$인 단위원 전체를 나타낸다. 즉 (1)과 같은 원이다.

(3) $\theta=\pi/6$: $r$이 모든 실수를 움직이므로, 원점을 지나며 $x$축 양의 방향과 $\pi/6$의 각을 이루는 직선 전체이다 ($r\gt0$인 부분은 각 $\pi/6$ 방향, $r\lt0$인 부분은 반대 방향인 $\pi/6+\pi=7\pi/6$ 방향).

(4) $\theta=7\pi/6$: 마찬가지로 원점을 지나는 직선이며, $7\pi/6=\pi/6+\pi$이므로 (3)과 정확히 같은 직선을 나타낸다.

English

Sketch the curve represented by each of the following polar equations in the coordinate plane.

  1. $r = 1$
  2. $r = -1$
  3. $\theta = \pi/6$
  4. $\theta = 7\pi/6$

Solution. (1) $r=1$: the unit circle of radius $1$ centered at the origin.

(2) $r=-1$: as $\theta$ ranges over all reals, the point is located at distance $|-1|=1$ from the origin in direction $\theta+\pi$, so this again traces the entire unit circle of radius $1$ centered at the origin — the same circle as in (1).

(3) $\theta=\pi/6$: since $r$ ranges over all reals, this is the entire line through the origin making angle $\pi/6$ with the positive $x$-axis (the part with $r\gt0$ lies in direction $\pi/6$, and the part with $r\lt0$ lies in the opposite direction $\pi/6+\pi=7\pi/6$).

(4) $\theta=7\pi/6$: likewise a line through the origin, and since $7\pi/6=\pi/6+\pi$, it represents exactly the same line as in (3).

유제 02 극좌표식이 나타내는 영역
한국어

다음 극좌표식이 나타내는 영역을 좌표평면 위에 나타내시오.

  1. $1 \leq r \leq 2$, $0 \leq \theta \leq \pi/2$
  2. $-3 \leq r \leq 2$, $\theta = \pi/4$
  3. $2\pi/3 \leq \theta \leq 5\pi/6$

풀이. (1) $1\le r\le2$, $0\le\theta\le\pi/2$: 원점 중심 반지름 $1$인 원과 반지름 $2$인 원 사이의 고리 모양 영역 중 제1사분면에 해당하는, 중심각 $\pi/2$인 부채꼴 모양의 영역이다.

(2) $-3\le r\le2$, $\theta=\pi/4$: 직선 $y=x$ 위의 선분이다. $r\in[0,2]$ 부분은 원점에서 $\pi/4$ 방향(제1사분면)으로 거리 $2$까지, $r\in[-3,0]$ 부분은 원점에서 반대 방향인 $5\pi/4$ 방향(제3사분면)으로 거리 $3$까지에 대응하므로, 전체는 점 $\left(-\dfrac{3\sqrt2}2,-\dfrac{3\sqrt2}2\right)$에서 점 $(\sqrt2,\sqrt2)$까지 이어지는 선분이다.

(3) $2\pi/3\le\theta\le5\pi/6$: 각이 $2\pi/3$($120°$)에서 $5\pi/6$($150°$) 사이인 (제2사분면에 속하는) $r\ge0$ 전 범위의 부채꼴 모양 무한 영역이다.

English

Sketch the region represented by each of the following polar expressions in the coordinate plane.

  1. $1 \leq r \leq 2$, $0 \leq \theta \leq \pi/2$
  2. $-3 \leq r \leq 2$, $\theta = \pi/4$
  3. $2\pi/3 \leq \theta \leq 5\pi/6$

Solution. (1) $1\le r\le2$, $0\le\theta\le\pi/2$: the annular sector between the circle of radius $1$ and the circle of radius $2$, both centered at the origin, restricted to the first quadrant — a sector of central angle $\pi/2$.

(2) $-3\le r\le2$, $\theta=\pi/4$: a segment on the line $y=x$. The part with $r\in[0,2]$ lies in direction $\pi/4$ (first quadrant) out to distance $2$, and the part with $r\in[-3,0]$ lies in the opposite direction $5\pi/4$ (third quadrant) out to distance $3$, so together this is the segment from $\left(-\dfrac{3\sqrt2}2,-\dfrac{3\sqrt2}2\right)$ to $(\sqrt2,\sqrt2)$.

(3) $2\pi/3\le\theta\le5\pi/6$: the unbounded sector (over all $r\ge0$) between angle $2\pi/3$ ($120°$) and angle $5\pi/6$ ($150°$), lying in the second quadrant.

예제 03 대칭성으로 극곡선 그리기
한국어
  1. 극곡선 $r = 1 - \cos\theta$을 대칭성을 파악하며 좌표평면 위에 나타내시오.
  2. 극곡선 $r^2 = 4\cos\theta$를 대칭성을 파악하며 좌표평면 위에 나타내시오.

풀이. (1) $\cos(-\theta)=\cos\theta$이므로 $\theta$를 $-\theta$로 바꾸어도 방정식이 불변이다. 즉 $r=1-\cos\theta$는 $x$축에 대해 대칭이다. $\theta=0$에서 $r=0$이므로 곡선은 원점에서 첨점(뾰족점)을 갖는다. $\theta$가 $0$에서 $\pi$까지 증가하면 $r$은 $0$에서 $2$까지 증가하며 위쪽 절반을 그린다: $\theta=\pi/2$에서 $r=1$ (점 $(0,1)$), $\theta=\pi$에서 $r=2$ (점 $(-2,0)$). $x$축 대칭에 의해 아래쪽 절반은 이를 반사한 모양이다. 전체적으로 원점에서 첨점을 갖고 $(-2,0)$까지 뻗은 **심장형(cardioid)**이다.

(2) $\theta$를 $-\theta$로 바꾸면 $\cos(-\theta)=\cos\theta$이므로 방정식이 불변 — $x$축에 대해 대칭이다. 또한 $r$을 $-r$로 바꾸어도 $(-r)^2=r^2$이므로 방정식이 불변 — 원점(극)에 대해서도 대칭이다. $x$축 대칭과 원점 대칭을 동시에 가지므로 $y$축에 대해서도 대칭이다. $\cos\theta\ge0$이어야 하므로 (직접 대입하는 표현으로는) $-\pi/2\le\theta\le\pi/2$에서 정의되고, $\theta=0$에서 $r=\pm2$이므로 점 $(2,0)$, $(-2,0)$을 지나며, $\theta=\pm\pi/2$에서 $r=0$이다. 곡선은 원점에서 만나는 두 개의 대칭인 잎 모양이 $x$축을 따라 각각 $(2,0)$, $(-2,0)$ 방향으로 뻗은 모양이다.

English
  1. Sketch the polar curve $r = 1 - \cos\theta$ in the coordinate plane, identifying its symmetries.
  2. Sketch the polar curve $r^2 = 4\cos\theta$ in the coordinate plane, identifying its symmetries.

Solution. (1) Since $\cos(-\theta)=\cos\theta$, the equation is unchanged when $\theta$ is replaced by $-\theta$, so $r=1-\cos\theta$ is symmetric about the $x$-axis. At $\theta=0$, $r=0$, so the curve has a cusp at the origin. As $\theta$ increases from $0$ to $\pi$, $r$ increases from $0$ to $2$, tracing the upper half: $\theta=\pi/2$ gives $r=1$ (point $(0,1)$), and $\theta=\pi$ gives $r=2$ (point $(-2,0)$). By the $x$-axis symmetry, the lower half is the reflection of this. Overall this is a **cardioid**, with a cusp at the origin, extending out to $(-2,0)$.

(2) Replacing $\theta$ by $-\theta$ leaves the equation unchanged since $\cos(-\theta)=\cos\theta$, so the curve is symmetric about the $x$-axis. Replacing $r$ by $-r$ also leaves it unchanged since $(-r)^2=r^2$, so the curve is symmetric about the origin (the pole) as well. Having both $x$-axis symmetry and symmetry about the origin, it is also symmetric about the $y$-axis. Since $\cos\theta\ge0$ is required, the curve (using the direct representation) is defined on $-\pi/2\le\theta\le\pi/2$; at $\theta=0$, $r=\pm2$, giving the points $(2,0)$ and $(-2,0)$, and at $\theta=\pm\pi/2$, $r=0$. The curve consists of two symmetric lobes meeting at the origin, extending along the $x$-axis toward $(2,0)$ and $(-2,0)$ respectively.

유제 03-1 여러 극곡선 그리기
한국어

다음 극곡선을 좌표평면 위에 나타내시오.

  1. $r^2 = \sin 2\theta$
  2. $r = \sin 2\theta$
  3. $\displaystyle r = \frac{1}{2} + \cos\theta$
  4. $r = 1 - 2\sin 3\theta$
  5. $r = \theta$
  6. $r = e^{\theta/10}$

풀이. (1) $r^2=\sin2\theta$: $r$을 $-r$로 바꾸어도 방정식이 불변이므로 원점에 대해 대칭이다. $\theta$를 $\pi/2-\theta$로 바꾸면 $\sin(2(\pi/2-\theta))=\sin(\pi-2\theta)=\sin2\theta$이므로 방정식이 불변 — 직선 $\theta=\pi/4$ ($y=x$)에 대해 대칭이다 (원점 대칭과 결합하면 $\theta=5\pi/4$ 방향으로도 대칭). $\sin2\theta\ge0$이어야 하므로 $\theta\in[0,\pi/2]\cup[\pi,3\pi/2]$에서 정의되고, $\theta=\pi/4$에서 $r=\pm1$로 최대이다. $y=x$ 방향과 그 반대 방향으로 뻗은 두 잎 모양의 **렘니스케이트**이다.

(2) $r=\sin2\theta$: $n=2$인 **장미 곡선**으로, $n$이 짝수이므로 $2n=4$개의 꽃잎을 갖는다. $\theta\in[0,\pi/2]$에서 $r\ge0$이고 $\theta=\pi/4$에서 $r=1$로 최대이므로 $\theta=\pi/4$ 방향(제1사분면 이등분선)에 길이 $1$인 꽃잎이 있고, 마찬가지로 $\theta=3\pi/4,5\pi/4,7\pi/4$ 방향으로도 길이 $1$인 꽃잎이 하나씩 있어 네 대각선 방향으로 뻗은 **4엽 장미**를 이룬다.

(3) $\displaystyle r=\frac12+\cos\theta$: 상수항($1/2$)보다 $\cos\theta$의 계수($1$)가 크므로 안쪽 고리를 갖는 **리마송(limaçon)**이다. $\cos(-\theta)=\cos\theta$이므로 $x$축에 대해 대칭이다. $r=0$은 $\cos\theta=-1/2$, 즉 $\theta=2\pi/3,4\pi/3$에서 성립한다. $\theta\in(-2\pi/3,2\pi/3)$에서는 $r\ge0$이고 $\theta=0$에서 $r=3/2$로 최대인 큰 바깥 고리를 그리며, $\theta\in(2\pi/3,4\pi/3)$에서는 $r\lt0$이 되어 ($\theta=\pi$에서 $r=-1/2$) 원점을 지나 양의 $x$축 방향으로 작게 튀어나온 안쪽 고리를 이룬다.

(4) $r=1-2\sin3\theta$: $\theta$를 $\pi-\theta$로 바꾸면 $\sin(3(\pi-\theta))=\sin(3\pi-3\theta)=\sin3\theta$이므로 방정식이 불변 — $y$축에 대해 대칭이다. $\sin3\theta\in[-1,1]$이므로 $r\in[-1,3]$이다. $\theta=\pi/2$에서 $\sin3\theta=\sin(3\pi/2)=-1$이므로 $r=3$으로 최대이며 이는 $y$축 위의 점 $(0,3)$에 대응한다. $\theta=\pi/6$에서 $\sin3\theta=1$이므로 $r=-1$로 최소이다. $r=0$은 $\sin3\theta=1/2$, 즉 $3\theta=\pi/6+2k\pi$ 또는 $5\pi/6+2k\pi$에서 성립한다. $r$이 음수가 되는 구간에서는 원점을 지나 반대편에 작은 고리가 생기므로, $y$축에 대칭인 큰 바깥 고리와 그 사이사이에 원점을 지나는 작은 안쪽 고리들이 섞인 리마송 계열의 곡선이다.

(5) $r=\theta$: **아르키메데스 나선**이다. $\theta\ge0$에서 $\theta$가 증가하면 $r$도 같은 비율로 증가하므로, 원점에서 출발해 반시계 방향으로 회전하며 점점 바깥으로 멀어지고, 한 바퀴($\Delta\theta=2\pi$) 돌 때마다 나선의 반지름이 일정하게 $2\pi$씩 커져 인접한 나선 사이의 간격이 항상 일정하다. $\theta\lt0$까지 허용하면 $r=\theta\lt0$이 되어 반대 방향(각 $\theta+\pi$)으로 대칭인 나선이 하나 더 생긴다.

(6) $r=e^{\theta/10}$: **로그 나선(등각 나선)**이다. 모든 $\theta$에서 $r\gt0$이고, $\theta\to\infty$이면 $r\to\infty$로 발산하며 $\theta\to-\infty$이면 $r\to0^+$이므로 원점에 한없이 가까워지지만 결코 도달하지 않는다. $\theta$가 $2\pi$만큼 증가할 때마다 $r$은 $e^{\pi/5}$배로 커지는 등비적 확대를 보이며 반시계 방향으로 점점 넓게 감긴다.

English

Sketch each of the following polar curves in the coordinate plane.

  1. $r^2 = \sin 2\theta$
  2. $r = \sin 2\theta$
  3. $\displaystyle r = \frac{1}{2} + \cos\theta$
  4. $r = 1 - 2\sin 3\theta$
  5. $r = \theta$
  6. $r = e^{\theta/10}$

Solution. (1) $r^2=\sin2\theta$: replacing $r$ by $-r$ leaves the equation unchanged, so the curve is symmetric about the origin. Replacing $\theta$ by $\pi/2-\theta$ gives $\sin(2(\pi/2-\theta))=\sin(\pi-2\theta)=\sin2\theta$, unchanged, so the curve is symmetric about the line $\theta=\pi/4$ ($y=x$) (combined with the origin symmetry, it is also symmetric about the direction $\theta=5\pi/4$). Since $\sin2\theta\ge0$ is required, the curve is defined for $\theta\in[0,\pi/2]\cup[\pi,3\pi/2]$, with maximum $r=\pm1$ at $\theta=\pi/4$. This is a two-lobed **lemniscate** extending along the direction $y=x$ and its opposite direction.

(2) $r=\sin2\theta$: a **rose curve** with $n=2$; since $n$ is even, it has $2n=4$ petals. On $\theta\in[0,\pi/2]$, $r\ge0$ with maximum $r=1$ at $\theta=\pi/4$, giving a petal of length $1$ in the direction $\theta=\pi/4$ (the bisector of the first quadrant); likewise there are petals of length $1$ in the directions $\theta=3\pi/4,5\pi/4,7\pi/4$, forming a **four-petaled rose** along the four diagonal directions.

(3) $\displaystyle r=\frac12+\cos\theta$: since the coefficient of $\cos\theta$ ($1$) exceeds the constant term ($1/2$), this is a **limaçon with an inner loop**. Since $\cos(-\theta)=\cos\theta$, it is symmetric about the $x$-axis. $r=0$ occurs when $\cos\theta=-1/2$, i.e., $\theta=2\pi/3,4\pi/3$. On $\theta\in(-2\pi/3,2\pi/3)$, $r\ge0$, tracing a large outer loop with maximum $r=3/2$ at $\theta=0$; on $\theta\in(2\pi/3,4\pi/3)$, $r\lt0$ (e.g. $r=-1/2$ at $\theta=\pi$), tracing a small inner loop that passes through the origin and bulges out along the positive $x$-direction.

(4) $r=1-2\sin3\theta$: replacing $\theta$ by $\pi-\theta$ gives $\sin(3(\pi-\theta))=\sin(3\pi-3\theta)=\sin3\theta$, unchanged, so the curve is symmetric about the $y$-axis. Since $\sin3\theta\in[-1,1]$, we have $r\in[-1,3]$. At $\theta=\pi/2$, $\sin3\theta=\sin(3\pi/2)=-1$, so $r=3$ is maximal, corresponding to the point $(0,3)$ on the $y$-axis. At $\theta=\pi/6$, $\sin3\theta=1$, so $r=-1$ is minimal. $r=0$ occurs when $\sin3\theta=1/2$, i.e., $3\theta=\pi/6+2k\pi$ or $5\pi/6+2k\pi$. Where $r$ is negative, small loops through the origin appear on the opposite side, so this is a limaçon-type curve with a large outer loop symmetric about the $y$-axis interspersed with small inner loops through the origin.

(5) $r=\theta$: an **Archimedean spiral**. For $\theta\ge0$, $r$ increases at the same rate as $\theta$, so the curve starts at the origin, spirals counterclockwise, and moves steadily outward, with the radius increasing by a constant $2\pi$ each full revolution ($\Delta\theta=2\pi$), so consecutive coils are equally spaced. Allowing $\theta\lt0$ gives $r=\theta\lt0$, producing a second spiral symmetric in the opposite direction (angle $\theta+\pi$).

(6) $r=e^{\theta/10}$: a **logarithmic (equiangular) spiral**. We have $r\gt0$ for all $\theta$; as $\theta\to\infty$, $r\to\infty$, and as $\theta\to-\infty$, $r\to0^+$, so the curve approaches the origin arbitrarily closely without ever reaching it. Each time $\theta$ increases by $2\pi$, $r$ scales by a factor of $e^{\pi/5}$, so the spiral winds counterclockwise while expanding geometrically.

유제 03-2 극좌표 영역 그리기
한국어

다음 극좌표식이 나타내는 영역을 좌표평면 위에 나타내시오.

  1. $0 \leq r \leq 2\sec\theta$, $-\pi/2 \lt \theta \lt \pi/2$
  2. $0 \leq r^2 \leq \cos\theta$

풀이. (1) $r=2\sec\theta$는 $r\cos\theta=2$, 즉 직선 $x=2$를 나타낸다. 고정된 $\theta\in(-\pi/2,\pi/2)$에 대해 $r$이 $0$부터 $2\sec\theta$까지 움직이면 대응하는 점의 $x$좌표 $x=r\cos\theta$는 $0$부터 $2$까지 움직인다. $\theta$가 $-\pi/2$ 또는 $\pi/2$에 가까워지면 $y=r\tan\theta$가 각각 $-\infty$, $+\infty$로 발산하므로, $\theta$가 이 구간 전체를 움직이면 $y$는 모든 실수값을 갖는다. 따라서 이 영역은 $y$축과 직선 $x=2$ 사이의 세로띠 $\{(x,y):0\le x\le2\}$ 전체이다 (단, $x=0$인 경계는 원점 한 점만 포함).

(2) $\cos\theta\ge0$이어야 하므로 $\theta\in[-\pi/2,\pi/2]$이고, 이 범위에서 $|r|\le\sqrt{\cos\theta}$이다. 이는 예제 03(2)에서 다룬 곡선 $r^2=4\cos\theta$와 같은 모양이되 최대 반지름이 $1$인 곡선 $r^2=\cos\theta$의 내부를 채운 영역이다. 즉 원점에서 만나는 두 개의 대칭인 잎 모양 영역이 $x$축을 따라 각각 $(1,0)$, $(-1,0)$ 방향으로 뻗은 모양이다.

English

Sketch the region represented by each of the following polar expressions in the coordinate plane.

  1. $0 \leq r \leq 2\sec\theta$, $-\pi/2 \lt \theta \lt \pi/2$
  2. $0 \leq r^2 \leq \cos\theta$

Solution. (1) $r=2\sec\theta$ means $r\cos\theta=2$, i.e., the line $x=2$. For fixed $\theta\in(-\pi/2,\pi/2)$, as $r$ ranges from $0$ to $2\sec\theta$, the $x$-coordinate $x=r\cos\theta$ of the corresponding point ranges from $0$ to $2$. As $\theta$ approaches $-\pi/2$ or $\pi/2$, $y=r\tan\theta$ diverges to $-\infty$ or $+\infty$ respectively, so as $\theta$ ranges over the whole interval, $y$ takes every real value. Hence this region is the entire vertical strip $\{(x,y):0\le x\le2\}$ between the $y$-axis and the line $x=2$ (with the boundary $x=0$ containing only the origin).

(2) Since $\cos\theta\ge0$ is required, $\theta\in[-\pi/2,\pi/2]$, and on this range $|r|\le\sqrt{\cos\theta}$. This is the filled-in interior of the curve $r^2=\cos\theta$, which has the same shape as the curve $r^2=4\cos\theta$ from Example 03(2) but with maximum radius $1$. That is, it consists of two symmetric filled lobes meeting at the origin, extending along the $x$-axis toward $(1,0)$ and $(-1,0)$ respectively.

유제 03-3 두 극곡선의 교점
한국어

두 극곡선 $r = 2\cos(\theta/3)$과 $r = \sqrt{2}$의 교점을 모두 구하시오.

풀이. 먼저 원점(극)에서 만나는지 확인하면, $r=2\cos(\theta/3)=0$은 $\theta=3\pi/2$(및 그 주기적인 값들)에서 성립하지만 $r=\sqrt2$는 결코 $0$이 될 수 없으므로 두 곡선은 원점에서 만나지 않는다.

교점에서는 원점으로부터의 거리가 같아야 하므로 $|2\cos(\theta/3)|=\sqrt2$, 즉 $\cos^2(\theta/3)=\dfrac12$, $\cos(\theta/3)=\pm\dfrac{\sqrt2}2$이다.

한편 $\theta$가 $3\pi$만큼 증가하면 $r=2\cos(\theta/3)$의 부호가 바뀌고 각도 $3\pi\equiv\pi\ (\mathrm{mod}\ 2\pi)$만큼 회전하므로 실제로는 같은 점을 나타낸다. 즉 이 곡선이 나타내는 점의 집합은 길이 $3\pi$인 구간, 예컨대 $\theta\in\left(-\dfrac{3\pi}2,\dfrac{3\pi}2\right]$만 살펴보면 충분하다.

$\cos(\theta/3)=\dfrac{\sqrt2}2$이면 $\dfrac\theta3=\pm\dfrac\pi4+2n\pi$, 즉 $\theta=\pm\dfrac{3\pi}4+6n\pi$이고, 이 구간 안의 값은 $\theta=\dfrac{3\pi}4,-\dfrac{3\pi}4$이다. $\cos(\theta/3)=-\dfrac{\sqrt2}2$이면 $\dfrac\theta3=\pm\dfrac{3\pi}4+2n\pi$, 즉 $\theta=\pm\dfrac{9\pi}4+6n\pi$이고, 구간 안의 값을 찾으면 $\theta=\dfrac{9\pi}4-3\pi=-\dfrac{3\pi}4$, $\theta=-\dfrac{9\pi}4+3\pi=\dfrac{3\pi}4$로, 이때 $r=2\cos(\theta/3)=-\sqrt2\lt0$이므로 실제 위치(거리 $\sqrt2$, 각 $\theta+\pi$)를 확인하면 앞서 얻은 두 점과 정확히 일치한다.

따라서 서로 다른 교점은 두 개뿐이다. $\theta=3\pi/4$에서 $r=2\cos(\pi/4)=\sqrt2$이고 $\theta=-3\pi/4$에서 $r=2\cos(-\pi/4)=\sqrt2$이므로, 교점은 $$\left(\sqrt2,\ \frac{3\pi}4\right),\qquad\left(\sqrt2,\ -\frac{3\pi}4\right)$$ 이다. (직교좌표로는 각각 $(-1,1)$, $(-1,-1)$.)

English

Find all points of intersection of the polar curves $r = 2\cos(\theta/3)$ and $r = \sqrt{2}$.

Solution. First check whether the curves meet at the origin (the pole): $r=2\cos(\theta/3)=0$ holds at $\theta=3\pi/2$ (and its periodic values), but $r=\sqrt2$ is never $0$, so the two curves do not meet at the origin.

At an intersection point the distances from the origin must agree, so $|2\cos(\theta/3)|=\sqrt2$, i.e., $\cos^2(\theta/3)=\dfrac12$, $\cos(\theta/3)=\pm\dfrac{\sqrt2}2$.

Now, when $\theta$ increases by $3\pi$, the sign of $r=2\cos(\theta/3)$ flips and the angle rotates by $3\pi\equiv\pi\ (\mathrm{mod}\ 2\pi)$, so the same point is traced. Hence it suffices to consider an interval of length $3\pi$, say $\theta\in\left(-\dfrac{3\pi}2,\dfrac{3\pi}2\right]$.

If $\cos(\theta/3)=\dfrac{\sqrt2}2$, then $\dfrac\theta3=\pm\dfrac\pi4+2n\pi$, i.e., $\theta=\pm\dfrac{3\pi}4+6n\pi$, giving $\theta=\dfrac{3\pi}4,-\dfrac{3\pi}4$ within this interval. If $\cos(\theta/3)=-\dfrac{\sqrt2}2$, then $\dfrac\theta3=\pm\dfrac{3\pi}4+2n\pi$, i.e., $\theta=\pm\dfrac{9\pi}4+6n\pi$; within the interval this gives $\theta=\dfrac{9\pi}4-3\pi=-\dfrac{3\pi}4$ and $\theta=-\dfrac{9\pi}4+3\pi=\dfrac{3\pi}4$, where $r=2\cos(\theta/3)=-\sqrt2\lt0$; checking the actual location (distance $\sqrt2$, angle $\theta+\pi$) shows these coincide exactly with the two points already found.

Hence there are exactly two distinct intersection points. At $\theta=3\pi/4$, $r=2\cos(\pi/4)=\sqrt2$, and at $\theta=-3\pi/4$, $r=2\cos(-\pi/4)=\sqrt2$, so the intersection points are $$\left(\sqrt2,\ \frac{3\pi}4\right),\qquad\left(\sqrt2,\ -\frac{3\pi}4\right).$$ (In Cartesian coordinates, $(-1,1)$ and $(-1,-1)$ respectively.)

예제 04 극곡선의 접선의 기울기
한국어

다음 극곡선의 주어진 점에서의 접선의 기울기를 구하시오.

  1. $r = -1 + \cos\theta$, $\theta = \pi/2$
  2. $r = \cos 2\theta$, $\theta = 0$

풀이. 극곡선의 접선의 기울기 공식 $$\frac{dy}{dx}=\frac{\dfrac{dr}{d\theta}\sin\theta+r\cos\theta}{\dfrac{dr}{d\theta}\cos\theta-r\sin\theta}$$ 을 사용한다.

(1) $r=-1+\cos\theta$이면 $\dfrac{dr}{d\theta}=-\sin\theta$이다. $\theta=\pi/2$에서 $r=-1+\cos\dfrac\pi2=-1$, $\dfrac{dr}{d\theta}=-\sin\dfrac\pi2=-1$이므로 $$\frac{dy}{dx}=\frac{(-1)\sin\frac\pi2+(-1)\cos\frac\pi2}{(-1)\cos\frac\pi2-(-1)\sin\frac\pi2}=\frac{-1+0}{0+1}=-1$$ 이다. 즉 접선의 기울기는 $-1$이다.

(2) $r=\cos2\theta$이면 $\dfrac{dr}{d\theta}=-2\sin2\theta$이다. $\theta=0$에서 $r=\cos0=1$, $\dfrac{dr}{d\theta}=-2\sin0=0$이므로 $$\frac{dy}{dx}=\frac{0\cdot\sin0+1\cdot\cos0}{0\cdot\cos0-1\cdot\sin0}=\frac10$$ 이다. 분모가 $0$이고 분자가 $0$이 아니므로 접선은 수직이다. 이 점은 $(r,\theta)=(1,0)$, 즉 직교좌표로 $(1,0)$이므로 접선의 방정식은 $x=1$이다.

English

Find the slope of the tangent line to each of the following polar curves at the given point.

  1. $r = -1 + \cos\theta$, $\theta = \pi/2$
  2. $r = \cos 2\theta$, $\theta = 0$

Solution. We use the tangent-slope formula for polar curves, $$\frac{dy}{dx}=\frac{\dfrac{dr}{d\theta}\sin\theta+r\cos\theta}{\dfrac{dr}{d\theta}\cos\theta-r\sin\theta}.$$

(1) For $r=-1+\cos\theta$, $\dfrac{dr}{d\theta}=-\sin\theta$. At $\theta=\pi/2$, $r=-1+\cos\dfrac\pi2=-1$ and $\dfrac{dr}{d\theta}=-\sin\dfrac\pi2=-1$, so $$\frac{dy}{dx}=\frac{(-1)\sin\frac\pi2+(-1)\cos\frac\pi2}{(-1)\cos\frac\pi2-(-1)\sin\frac\pi2}=\frac{-1+0}{0+1}=-1.$$ So the slope of the tangent line is $-1$.

(2) For $r=\cos2\theta$, $\dfrac{dr}{d\theta}=-2\sin2\theta$. At $\theta=0$, $r=\cos0=1$ and $\dfrac{dr}{d\theta}=-2\sin0=0$, so $$\frac{dy}{dx}=\frac{0\cdot\sin0+1\cdot\cos0}{0\cdot\cos0-1\cdot\sin0}=\frac10.$$ Since the denominator is $0$ while the numerator is not, the tangent line is vertical. This point is $(r,\theta)=(1,0)$, i.e., $(1,0)$ in Cartesian coordinates, so the tangent line is $x=1$.

유제 04-1 극곡선의 볼록성 판정
한국어

극곡선 $r = \sin\theta$가 $\theta = \pi/6$에서 위로 볼록인지 아래로 볼록인지 판정하시오.

풀이. $r=\sin\theta$이면 $$x=r\cos\theta=\sin\theta\cos\theta=\frac12\sin2\theta,\qquad y=r\sin\theta=\sin^2\theta=\frac{1-\cos2\theta}2$$ 이므로 $$\frac{dx}{d\theta}=\cos2\theta,\qquad\frac{dy}{d\theta}=\sin2\theta$$ 이고, 따라서 $$\frac{dy}{dx}=\frac{\sin2\theta}{\cos2\theta}=\tan2\theta$$ 이다. 이를 다시 $\theta$로 미분하면 $\dfrac d{d\theta}\left(\dfrac{dy}{dx}\right)=2\sec^22\theta$이므로 $$\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{\dfrac d{d\theta}\left(\dfrac{dy}{dx}\right)}{dx/d\theta}=\frac{2\sec^22\theta}{\cos2\theta}=\frac2{\cos^32\theta}$$ 이다. $\theta=\pi/6$에서 $\cos\dfrac{2\pi}6=\cos\dfrac\pi3=\dfrac12$이므로 $$\left.\frac{d^2y}{dx^2}\right|_{\theta=\pi/6}=\frac2{(1/2)^3}=\frac2{1/8}=16\gt0$$ 이다. $d^2y/dx^2\gt0$이므로 극곡선 $r=\sin\theta$는 $\theta=\pi/6$에서 **아래로 볼록**이다.

English

Determine whether the polar curve $r = \sin\theta$ is concave up or concave down at $\theta = \pi/6$.

Solution. For $r=\sin\theta$, $$x=r\cos\theta=\sin\theta\cos\theta=\frac12\sin2\theta,\qquad y=r\sin\theta=\sin^2\theta=\frac{1-\cos2\theta}2,$$ so $$\frac{dx}{d\theta}=\cos2\theta,\qquad\frac{dy}{d\theta}=\sin2\theta,$$ and hence $$\frac{dy}{dx}=\frac{\sin2\theta}{\cos2\theta}=\tan2\theta.$$ Differentiating this with respect to $\theta$ gives $\dfrac d{d\theta}\left(\dfrac{dy}{dx}\right)=2\sec^22\theta$, so $$\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{\dfrac d{d\theta}\left(\dfrac{dy}{dx}\right)}{dx/d\theta}=\frac{2\sec^22\theta}{\cos2\theta}=\frac2{\cos^32\theta}.$$ At $\theta=\pi/6$, $\cos\dfrac{2\pi}6=\cos\dfrac\pi3=\dfrac12$, so $$\left.\frac{d^2y}{dx^2}\right|_{\theta=\pi/6}=\frac2{(1/2)^3}=\frac2{1/8}=16\gt0.$$ Since $d^2y/dx^2\gt0$, the polar curve $r=\sin\theta$ is **concave up** at $\theta=\pi/6$.

유제 04-2 극곡선의 길이
한국어

극곡선 $r = 1 - \cos\theta$의 길이를 구하시오.

풀이. 극곡선의 길이 공식 $L=\displaystyle\int\sqrt{r^2+\left(\dfrac{dr}{d\theta}\right)^2}\,d\theta$를 사용한다. 심장형 $r=1-\cos\theta$는 $\theta\in[0,2\pi]$에서 한 번 완전히 그려지고 $\dfrac{dr}{d\theta}=\sin\theta$이므로 $$r^2+\left(\frac{dr}{d\theta}\right)^2=(1-\cos\theta)^2+\sin^2\theta=1-2\cos\theta+\cos^2\theta+\sin^2\theta=2-2\cos\theta=4\sin^2\frac\theta2$$ 이다 ($1-\cos\theta=2\sin^2(\theta/2)$ 이용). $\theta\in[0,2\pi]$에서 $\sin(\theta/2)\ge0$이므로 $\sqrt{4\sin^2(\theta/2)}=2\sin(\theta/2)$이고, $$L=\int_0^{2\pi}2\sin\frac\theta2\,d\theta=\left[-4\cos\frac\theta2\right]_0^{2\pi}=-4\cos\pi-(-4\cos0)=4+4=8$$ 이다.

English

Find the length of the polar curve $r = 1 - \cos\theta$.

Solution. We use the arc length formula for polar curves, $L=\displaystyle\int\sqrt{r^2+\left(\dfrac{dr}{d\theta}\right)^2}\,d\theta$. The cardioid $r=1-\cos\theta$ is traced once completely on $\theta\in[0,2\pi]$, and $\dfrac{dr}{d\theta}=\sin\theta$, so $$r^2+\left(\frac{dr}{d\theta}\right)^2=(1-\cos\theta)^2+\sin^2\theta=1-2\cos\theta+\cos^2\theta+\sin^2\theta=2-2\cos\theta=4\sin^2\frac\theta2$$ (using $1-\cos\theta=2\sin^2(\theta/2)$). Since $\sin(\theta/2)\ge0$ on $\theta\in[0,2\pi]$, we have $\sqrt{4\sin^2(\theta/2)}=2\sin(\theta/2)$, so $$L=\int_0^{2\pi}2\sin\frac\theta2\,d\theta=\left[-4\cos\frac\theta2\right]_0^{2\pi}=-4\cos\pi-(-4\cos0)=4+4=8.$$

예제 05 극곡선으로 둘러싸인 넓이
한국어
  1. 극곡선 $r = 2(1 + \cos\theta)$로 둘러싸인 영역의 넓이를 구하시오.
  2. 극곡선 $r = \theta$ $(0 \leq \theta \leq \pi)$와 $x$축으로 둘러싸인 영역의 넓이를 구하시오.

풀이. 극좌표에서의 넓이 공식 $A=\dfrac12\displaystyle\int r^2\,d\theta$를 사용한다.

(1) $r=2(1+\cos\theta)$는 $\theta\in[0,2\pi]$에서 한 번 그려지므로 $$A=\frac12\int_0^{2\pi}4(1+\cos\theta)^2\,d\theta=2\int_0^{2\pi}(1+2\cos\theta+\cos^2\theta)\,d\theta$$ 이다. $\displaystyle\int_0^{2\pi}1\,d\theta=2\pi$, $\displaystyle\int_0^{2\pi}2\cos\theta\,d\theta=0$, $\displaystyle\int_0^{2\pi}\cos^2\theta\,d\theta=\pi$이므로 $$A=2(2\pi+0+\pi)=2\cdot3\pi=6\pi$$ 이다.

(2) $r=\theta$ $(0\le\theta\le\pi)$와 $x$축으로 둘러싸인 영역은 $\theta\in[0,\pi]$에 대응하므로 $$A=\frac12\int_0^\pi\theta^2\,d\theta=\frac12\left[\frac{\theta^3}3\right]_0^\pi=\frac12\cdot\frac{\pi^3}3=\frac{\pi^3}6$$ 이다.

English
  1. Find the area of the region enclosed by the polar curve $r = 2(1 + \cos\theta)$.
  2. Find the area of the region enclosed by the polar curve $r = \theta$ $(0 \leq \theta \leq \pi)$ and the $x$-axis.

Solution. We use the polar area formula $A=\dfrac12\displaystyle\int r^2\,d\theta$.

(1) $r=2(1+\cos\theta)$ is traced once on $\theta\in[0,2\pi]$, so $$A=\frac12\int_0^{2\pi}4(1+\cos\theta)^2\,d\theta=2\int_0^{2\pi}(1+2\cos\theta+\cos^2\theta)\,d\theta.$$ Since $\displaystyle\int_0^{2\pi}1\,d\theta=2\pi$, $\displaystyle\int_0^{2\pi}2\cos\theta\,d\theta=0$, and $\displaystyle\int_0^{2\pi}\cos^2\theta\,d\theta=\pi$, $$A=2(2\pi+0+\pi)=2\cdot3\pi=6\pi.$$

(2) The region enclosed by $r=\theta$ $(0\le\theta\le\pi)$ and the $x$-axis corresponds to $\theta\in[0,\pi]$, so $$A=\frac12\int_0^\pi\theta^2\,d\theta=\frac12\left[\frac{\theta^3}3\right]_0^\pi=\frac12\cdot\frac{\pi^3}3=\frac{\pi^3}6.$$

유제 05-1 원과 극곡선의 공통부분 넓이
한국어

원 $r = 1$ 내부와 극곡선 $r = 1 - \cos\theta$ 외부의 공통부분의 넓이를 구하시오.

풀이. 원 $r=1$과 심장형 $r=1-\cos\theta$의 교점을 구하면 $1=1-\cos\theta$, 즉 $\cos\theta=0$에서 $\theta=\pm\pi/2$이다. $\theta\in\left(-\dfrac\pi2,\dfrac\pi2\right)$에서는 $1-\cos\theta\lt1$이므로 원이 심장형보다 바깥에 있고, $\theta\in\left(\dfrac\pi2,\dfrac{3\pi}2\right)$에서는 $1-\cos\theta\gt1$이므로 심장형이 원보다 바깥에 있어 "원 내부이면서 심장형 외부"인 영역이 존재하지 않는다. 따라서 구하는 영역은 $\theta\in\left[-\dfrac\pi2,\dfrac\pi2\right]$에서 원 $r=1$ 내부이고 심장형 $r=1-\cos\theta$ 외부인 부분이며, 넓이는 $$A=\frac12\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\Big[1^2-(1-\cos\theta)^2\Big]\,d\theta$$ 이다. $1-(1-\cos\theta)^2=1-(1-2\cos\theta+\cos^2\theta)=2\cos\theta-\cos^2\theta$이므로 $$A=\frac12\int_{-\pi/2}^{\pi/2}(2\cos\theta-\cos^2\theta)\,d\theta=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos\theta\,d\theta-\frac12\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^2\theta\,d\theta$$ 이다. $\displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos\theta\,d\theta=\big[\sin\theta\big]_{-\pi/2}^{\pi/2}=1-(-1)=2$이고 $\displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^2\theta\,d\theta=\left[\frac\theta2+\frac{\sin2\theta}4\right]_{-\pi/2}^{\pi/2}=\frac\pi4-\left(-\frac\pi4\right)=\frac\pi2$이므로 $$A=2-\frac12\cdot\frac\pi2=2-\frac\pi4$$ 이다.

English

Find the area of the region that lies inside the circle $r = 1$ and outside the polar curve $r = 1 - \cos\theta$.

Solution. The circle $r=1$ and the cardioid $r=1-\cos\theta$ meet where $1=1-\cos\theta$, i.e., $\cos\theta=0$, so $\theta=\pm\pi/2$. On $\theta\in\left(-\dfrac\pi2,\dfrac\pi2\right)$, $1-\cos\theta\lt1$, so the circle lies outside the cardioid, while on $\theta\in\left(\dfrac\pi2,\dfrac{3\pi}2\right)$, $1-\cos\theta\gt1$, so the cardioid lies outside the circle, leaving no region that is "inside the circle and outside the cardioid." Hence the desired region occurs on $\theta\in\left[-\dfrac\pi2,\dfrac\pi2\right]$, where it lies inside the circle $r=1$ and outside the cardioid $r=1-\cos\theta$, with area $$A=\frac12\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\Big[1^2-(1-\cos\theta)^2\Big]\,d\theta.$$ Since $1-(1-\cos\theta)^2=1-(1-2\cos\theta+\cos^2\theta)=2\cos\theta-\cos^2\theta$, $$A=\frac12\int_{-\pi/2}^{\pi/2}(2\cos\theta-\cos^2\theta)\,d\theta=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos\theta\,d\theta-\frac12\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^2\theta\,d\theta.$$ Since $\displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos\theta\,d\theta=\big[\sin\theta\big]_{-\pi/2}^{\pi/2}=1-(-1)=2$ and $\displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^2\theta\,d\theta=\left[\frac\theta2+\frac{\sin2\theta}4\right]_{-\pi/2}^{\pi/2}=\frac\pi4-\left(-\frac\pi4\right)=\frac\pi2$, $$A=2-\frac12\cdot\frac\pi2=2-\frac\pi4.$$

유제 05-2 극곡선의 점근선과 넓이
한국어
  1. 극곡선 $r = \tan\theta$ $(-\pi/2 \lt \theta \lt \pi/2)$의 그래프를 그리고 점근선을 모두 구하시오.
  2. 극곡선 $r = \tan\theta$ $(-\pi/2 \lt \theta \lt \pi/2)$와 그 위의 점 $(1, \pi/4)$를 지나고 $x$축과 평행한 직선으로 둘러싸인 영역의 넓이를 구하시오.

풀이. (1) $r=\tan\theta$에서 $x=r\cos\theta=\sin\theta$, $y=r\sin\theta=\dfrac{\sin^2\theta}{\cos\theta}$이다. $\theta\to\dfrac\pi2^-$이면 $x=\sin\theta\to1$이고 $\cos\theta\to0^+$, $\sin^2\theta\to1$이므로 $y\to+\infty$가 되어 직선 $x=1$이 점근선이다. $\tan\theta$는 기함수이므로 $x(-\theta)=-x(\theta)$, $y(-\theta)=y(\theta)$가 성립해 곡선은 $y$축에 대해 대칭이고, 따라서 $\theta\to-\dfrac\pi2^+$일 때 $x\to-1$, $y\to+\infty$가 되어 직선 $x=-1$도 점근선이다. $\theta=0$에서 곡선은 원점을 지나며 $y=\sin^2\theta/\cos\theta\ge0$이므로 곡선 전체가 $x$축 위쪽(또는 위)에 있다. 곡선은 원점에서 출발해 좌우로 갈라져 각각 $x=1$, $x=-1$에 점근하며 위로 뻗어나가는 대칭인 두 갈래 모양이다. 점근선은 $x=1$, $x=-1$이다.

(2) 점 $(1,\pi/4)$는 $\theta=\pi/4$에서 $r=\tan\dfrac\pi4=1$이므로 실제로 곡선 위의 점이고, 직교좌표로는 $x=\cos\dfrac\pi4=\dfrac{\sqrt2}2$, $y=\sin\dfrac\pi4=\dfrac{\sqrt2}2$이다. 이 점을 지나고 $x$축과 평행한 직선은 $y=\dfrac{\sqrt2}2$이다.

곡선은 (1)에 의해 $y$축에 대해 대칭이고, $\dfrac{dy}{d\theta}=\dfrac{\sin\theta(1+\cos^2\theta)}{\cos^2\theta}\gt0$ ($0\lt\theta\lt\pi/2$)이므로 $y=\sin^2\theta/\cos\theta$는 $\theta\in[0,\pi/2)$에서 단조증가한다. 따라서 $\theta\in[0,\pi/4]$에서 곡선은 원점 $(0,0)$부터 $\left(\dfrac{\sqrt2}2,\dfrac{\sqrt2}2\right)$까지 이어지고, 대칭인 $\theta\in[-\pi/4,0]$ 구간이 $\left(-\dfrac{\sqrt2}2,\dfrac{\sqrt2}2\right)$부터 원점까지 이어진다. 직선 $y=\dfrac{\sqrt2}2$가 이 두 곡선 조각의 끝점을 이어 위쪽 경계를 이루므로, 원점에서 첨점을 이루고 위쪽이 선분 $y=\dfrac{\sqrt2}2$ $\left(-\dfrac{\sqrt2}2\le x\le\dfrac{\sqrt2}2\right)$로 닫힌 영역을 얻는다.

대칭성에 의해 오른쪽 절반의 넓이를 두 배 하여 구한다. $x=\sin\theta$이므로 $dx=\cos\theta\,d\theta$이고, $$\int_0^{\sqrt2/2}y\,dx=\int_0^{\pi/4}\frac{\sin^2\theta}{\cos\theta}\cos\theta\,d\theta=\int_0^{\pi/4}\sin^2\theta\,d\theta=\left[\frac\theta2-\frac{\sin2\theta}4\right]_0^{\pi/4}=\frac\pi8-\frac14$$ 이다. $x\in\left[0,\dfrac{\sqrt2}2\right]$에서 직선 아래 직사각형의 넓이는 $\dfrac{\sqrt2}2\cdot\dfrac{\sqrt2}2=\dfrac12$이므로, 오른쪽 절반에서 곡선과 직선 사이의 넓이는 $$\frac12-\left(\frac\pi8-\frac14\right)=\frac34-\frac\pi8$$ 이다. 대칭성에 의해 전체 넓이는 $$A=2\left(\frac34-\frac\pi8\right)=\frac32-\frac\pi4$$ 이다.

English
  1. Sketch the graph of the polar curve $r = \tan\theta$ $(-\pi/2 \lt \theta \lt \pi/2)$ and find all its asymptotes.
  2. Find the area of the region enclosed by the polar curve $r = \tan\theta$ $(-\pi/2 \lt \theta \lt \pi/2)$ and the line through the point $(1, \pi/4)$ on it that is parallel to the $x$-axis.

Solution. (1) For $r=\tan\theta$, $x=r\cos\theta=\sin\theta$ and $y=r\sin\theta=\dfrac{\sin^2\theta}{\cos\theta}$. As $\theta\to\dfrac\pi2^-$, $x=\sin\theta\to1$ while $\cos\theta\to0^+$ and $\sin^2\theta\to1$, so $y\to+\infty$, giving the vertical asymptote $x=1$. Since $\tan\theta$ is odd, $x(-\theta)=-x(\theta)$ and $y(-\theta)=y(\theta)$, so the curve is symmetric about the $y$-axis, and hence as $\theta\to-\dfrac\pi2^+$, $x\to-1$ and $y\to+\infty$, so $x=-1$ is also an asymptote. At $\theta=0$ the curve passes through the origin, and since $y=\sin^2\theta/\cos\theta\ge0$, the entire curve lies on or above the $x$-axis. The curve starts at the origin and splits into two symmetric branches rising toward the asymptotes $x=1$ and $x=-1$. The asymptotes are $x=1$ and $x=-1$.

(2) The point $(1,\pi/4)$ has $r=\tan\dfrac\pi4=1$ at $\theta=\pi/4$, so it is indeed on the curve, with Cartesian coordinates $x=\cos\dfrac\pi4=\dfrac{\sqrt2}2$, $y=\sin\dfrac\pi4=\dfrac{\sqrt2}2$. The line through this point parallel to the $x$-axis is $y=\dfrac{\sqrt2}2$.

By (1) the curve is symmetric about the $y$-axis, and since $\dfrac{dy}{d\theta}=\dfrac{\sin\theta(1+\cos^2\theta)}{\cos^2\theta}\gt0$ for $0\lt\theta\lt\pi/2$, $y=\sin^2\theta/\cos\theta$ is strictly increasing on $\theta\in[0,\pi/2)$. So on $\theta\in[0,\pi/4]$ the curve runs from the origin $(0,0)$ to $\left(\dfrac{\sqrt2}2,\dfrac{\sqrt2}2\right)$, and the symmetric branch on $\theta\in[-\pi/4,0]$ runs from $\left(-\dfrac{\sqrt2}2,\dfrac{\sqrt2}2\right)$ to the origin. The line $y=\dfrac{\sqrt2}2$ joins the endpoints of these two branches to form the upper boundary, giving a region with a cusp at the origin and closed above by the segment $y=\dfrac{\sqrt2}2$ $\left(-\dfrac{\sqrt2}2\le x\le\dfrac{\sqrt2}2\right)$.

By symmetry, we compute the area of the right half and double it. Since $x=\sin\theta$, $dx=\cos\theta\,d\theta$, so $$\int_0^{\sqrt2/2}y\,dx=\int_0^{\pi/4}\frac{\sin^2\theta}{\cos\theta}\cos\theta\,d\theta=\int_0^{\pi/4}\sin^2\theta\,d\theta=\left[\frac\theta2-\frac{\sin2\theta}4\right]_0^{\pi/4}=\frac\pi8-\frac14.$$ The rectangle under the line for $x\in\left[0,\dfrac{\sqrt2}2\right]$ has area $\dfrac{\sqrt2}2\cdot\dfrac{\sqrt2}2=\dfrac12$, so the area between the curve and the line on the right half is $$\frac12-\left(\frac\pi8-\frac14\right)=\frac34-\frac\pi8.$$ By symmetry, the total area is $$A=2\left(\frac34-\frac\pi8\right)=\frac32-\frac\pi4.$$

유제 05-3 극곡선에서 r의 평균값
한국어

극곡선 $r = a(1 - \cos\theta)$에서 $\theta$에 대한 $r$의 평균값을 구하시오. (단, $a \gt 0$)

풀이. $\theta$에 대한 $r$의 평균값은 $\operatorname{av}(r)=\dfrac1{\beta-\alpha}\displaystyle\int_\alpha^\beta r\,d\theta$이다. 심장형 $r=a(1-\cos\theta)$는 $\theta\in[0,2\pi]$에서 한 번 완전히 그려지므로 $$\operatorname{av}(r)=\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}a(1-\cos\theta)\,d\theta=\frac a{2\pi}\Big[\theta-\sin\theta\Big]_0^{2\pi}=\frac a{2\pi}\big[(2\pi-0)-(0-0)\big]=\frac a{2\pi}\cdot2\pi=a$$ 이다.

English

Find the average value of $r$ with respect to $\theta$ for the polar curve $r = a(1 - \cos\theta)$. (Here, $a \gt 0$.)

Solution. The average value of $r$ with respect to $\theta$ is $\operatorname{av}(r)=\dfrac1{\beta-\alpha}\displaystyle\int_\alpha^\beta r\,d\theta$. The cardioid $r=a(1-\cos\theta)$ is traced once completely on $\theta\in[0,2\pi]$, so $$\operatorname{av}(r)=\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}a(1-\cos\theta)\,d\theta=\frac a{2\pi}\Big[\theta-\sin\theta\Big]_0^{2\pi}=\frac a{2\pi}\big[(2\pi-0)-(0-0)\big]=\frac a{2\pi}\cdot2\pi=a.$$

문제 · Problems

문제 01 매개곡선의 극좌표 표현
한국어

매개화된 곡선 $x = e^{2t}\cos t$, $y = e^{2t}\sin t$ $(-\infty \lt t \lt \infty)$를 극좌표로 나타내시오.

English

Express the parametrized curve $x = e^{2t}\cos t$, $y = e^{2t}\sin t$ $(-\infty \lt t \lt \infty)$ in polar coordinates.

문제 02 극곡선의 접선각 ψ
한국어

극곡선 $r = f(\theta)$ 위의 점 $P(r, \theta)$에 대해 $P$에서의 접선이 $x$축과 이루는 각의 크기를 $\phi_f$라 하고 $\psi_f = \phi_f - \theta$라 정의하자. (단, $f \gt 0$)

  1. $\displaystyle \tan\psi_f = \frac{r}{dr/d\theta}$임을 보이시오.
  2. $r = f(\theta) = \sin^4(\theta/4)$에 대해 $\tan\psi_f$를 구하시오.
  3. 두 극곡선 $r = f(\theta)$, $r = g(\theta)$가 점 $P(r, \theta)$에서 만날 때 $P$에서의 두 접선이 이루는 각의 크기를 $\beta$라 하자. 이때 다음을 보이시오. $$\tan\beta = \frac{\tan\psi_g - \tan\psi_f}{1 + \tan\psi_g \tan\psi_f}$$
  4. 두 곡선 $r = \sqrt{3}\cos\theta$, $r = \sin\theta$의 교점 $(\sqrt{3}/2, \pi/3)$에서 두 접선이 이루는 각의 크기를 구하시오.
English

For a point $P(r, \theta)$ on the polar curve $r = f(\theta)$, let $\phi_f$ denote the measure of the angle that the tangent line at $P$ makes with the $x$-axis, and define $\psi_f = \phi_f - \theta$. (Here, $f \gt 0$.)

  1. Show that $\displaystyle \tan\psi_f = \frac{r}{dr/d\theta}$.
  2. Find $\tan\psi_f$ for $r = f(\theta) = \sin^4(\theta/4)$.
  3. Suppose the two polar curves $r = f(\theta)$, $r = g(\theta)$ meet at the point $P(r, \theta)$, and let $\beta$ denote the measure of the angle between their two tangent lines at $P$. Show that $$\tan\beta = \frac{\tan\psi_g - \tan\psi_f}{1 + \tan\psi_g \tan\psi_f}$$
  4. Find the measure of the angle between the two tangent lines at the intersection point $(\sqrt{3}/2, \pi/3)$ of the curves $r = \sqrt{3}\cos\theta$, $r = \sin\theta$.
문제 03 두 극곡선의 길이·넓이 비교
한국어

두 극곡선 $C_1 : r = f(\theta)$, $C_2 : r = 2f(\theta)$에 대해 다음 물음에 답하시오. (단, $f \geq 0$는 $\pi/6 \leq \theta \leq \pi/3$에서 연속미분가능한 함수이다.)

  1. 극곡선의 길이를 비교하시오.
  2. 극곡선과 $\theta = \pi/6$, $\theta = \pi/3$로 둘러싸인 영역의 넓이를 비교하시오.
English

For the two polar curves $C_1 : r = f(\theta)$, $C_2 : r = 2f(\theta)$, answer the following. (Here, $f \geq 0$ is a continuously differentiable function on $\pi/6 \leq \theta \leq \pi/3$.)

  1. Compare the lengths of the two polar curves.
  2. Compare the areas of the regions enclosed by each polar curve and the lines $\theta = \pi/6$, $\theta = \pi/3$.
문제 04 거북이 추격 곡선
한국어

거북이 1, 2, 3, 4가 한 변의 길이가 $a(\gt 0)$인 정사각형의 각 꼭짓점에 시계 반대 방향으로 놓여 있다. 거북이 1은 거북이 2를 향해, 거북이 2는 거북이 3을 향해, 거북이 3은 거북이 4를 향해, 거북이 4는 거북이 1을 향해 같은 속력으로 항상 움직인다. 다음 물음에 답하시오.

  1. 정사각형의 중심을 원점으로 할 때 거북이 1의 경로를 극좌표계에서 표현하시오.
  2. 거북이 1이 원점으로 가기까지 움직인 거리를 구하시오.
English

Four turtles, numbered 1, 2, 3, 4, are placed counterclockwise at the vertices of a square of side length $a$ ($a \gt 0$). Turtle 1 always moves toward turtle 2, turtle 2 toward turtle 3, turtle 3 toward turtle 4, and turtle 4 toward turtle 1, each at the same constant speed. Answer the following.

  1. Taking the center of the square as the origin, express the path of turtle 1 in polar coordinates.
  2. Find the distance turtle 1 travels before reaching the origin.
문제 05 극좌표에서 직선의 방정식
한국어
  1. 원점을 지나지 않는 직선 $L$에 대해 원점에서 직선 $L$로 내린 수선의 발을 극좌표계로 나타내면 $P_0(r_0, \theta_0)$라고 하자. 이때 직선 $L$을 극좌표로 나타내면 $r\cos(\theta - \theta_0) = r_0$임을 보이시오.
  2. 직교좌표계로 나타내어진 점 $P(\sqrt{3}, 1)$을 지나고 선분 $\overline{OP}$와 수직인 직선을 극좌표계로 나타내시오.
English
  1. For a line $L$ not passing through the origin, let $P_0(r_0, \theta_0)$ denote the polar coordinates of the foot of the perpendicular dropped from the origin to $L$. Show that $L$ is represented in polar coordinates by $r\cos(\theta - \theta_0) = r_0$.
  2. Express in polar coordinates the line that passes through the point $P(\sqrt{3}, 1)$, given in Cartesian coordinates, and is perpendicular to the segment $\overline{OP}$.
문제 06 극좌표에서 원의 방정식
한국어

극좌표계에서 중심이 $P_0(r_0, \theta_0)$이고 반지름의 길이가 $a$인 원의 방정식은

$$a^2 = r_0^2 + r^2 - 2r_0 r\cos(\theta - \theta_0)$$

임을 보이시오.

English

In polar coordinates, the equation of the circle with center $P_0(r_0, \theta_0)$ and radius $a$ is

$$a^2 = r_0^2 + r^2 - 2r_0 r\cos(\theta - \theta_0)$$

Show that this holds.