예제·유제 · Examples & Exercises

예제 01 직사각형에서 이중적분과 부피
한국어
  1. $f(x,y)=100-6x^2y$, $R:0\le x\le 2,\ -1\le y\le 1$일 때 $\displaystyle\iint_R f(x,y)\,dA$를 구하시오.
  2. $xy$평면 위의 직사각형 $R:0\le x\le 1,\ 0\le y\le 2$ 위에 있고 곡면 $z=10+x^2+3y^2$ 아래에 있는 영역의 부피를 구하시오.

풀이. (1) $f$가 $R$ 위에서 연속이므로 푸비니 정리에 의해 반복적분으로 계산할 수 있다.

$$\iint_R f\,dA=\int_{-1}^1\int_0^2(100-6x^2y)\,dx\,dy=\int_{-1}^1\Big[100x-2x^3y\Big]_0^2dy=\int_{-1}^1(200-16y)\,dy=\Big[200y-8y^2\Big]_{-1}^1=400$$

이다.

(2) 구하는 부피는 $\displaystyle V=\iint_R(10+x^2+3y^2)\,dA$이다.

$$V=\int_0^1\int_0^2(10+x^2+3y^2)\,dy\,dx=\int_0^1\Big[10y+x^2y+y^3\Big]_0^2dx=\int_0^1(28+2x^2)\,dx=\Big[28x+\tfrac23x^3\Big]_0^1=\frac{86}{3}$$

이다.

English
  1. Let $f(x,y)=100-6x^2y$ on $R:0\le x\le 2,\ -1\le y\le 1$. Find $\displaystyle\iint_R f(x,y)\,dA$.
  2. Find the volume of the solid that lies above the rectangle $R:0\le x\le 1,\ 0\le y\le 2$ in the $xy$-plane and below the surface $z=10+x^2+3y^2$.

Solution. (1) Since $f$ is continuous on $R$, Fubini's theorem lets us evaluate the double integral as an iterated integral.

$$\iint_R f\,dA=\int_{-1}^1\int_0^2(100-6x^2y)\,dx\,dy=\int_{-1}^1\Big[100x-2x^3y\Big]_0^2dy=\int_{-1}^1(200-16y)\,dy=\Big[200y-8y^2\Big]_{-1}^1=400.$$

(2) The required volume is $\displaystyle V=\iint_R(10+x^2+3y^2)\,dA$.

$$V=\int_0^1\int_0^2(10+x^2+3y^2)\,dy\,dx=\int_0^1\Big[10y+x^2y+y^3\Big]_0^2dx=\int_0^1(28+2x^2)\,dx=\Big[28x+\tfrac23x^3\Big]_0^1=\frac{86}{3}.$$

유제 01-1 반복적분 계산
한국어

다음 적분을 계산하시오.

  1. $\displaystyle\int_0^3\int_0^2 (4-y^2)\,dy\,dx$
  2. $\displaystyle\int_1^4\int_1^e \frac{\ln x}{xy}\,dx\,dy$
  3. $\displaystyle\iint_R \left(\frac{\sqrt{x}}{y^2}\right)dA$, $R:0\le x\le 4,\ 1\le y\le 2$
  4. $\displaystyle\iint_R xye^{xy^2}\,dA$, $R:0\le x\le 2,\ 0\le y\le 1$

풀이. (1) $\displaystyle\int_0^3\int_0^2(4-y^2)\,dy\,dx=\int_0^3\Big[4y-\tfrac{y^3}3\Big]_0^2dx=\int_0^3\frac{16}{3}\,dx=16$이다.

(2) 피적분함수가 $x,y$에 대해 분리되므로 $$\int_1^4\int_1^e\frac{\ln x}{xy}\,dx\,dy=\left(\int_1^e\frac{\ln x}{x}\,dx\right)\left(\int_1^4\frac{1}{y}\,dy\right)=\Big[\tfrac{(\ln x)^2}{2}\Big]_1^e\cdot\Big[\ln y\Big]_1^4=\frac12\cdot\ln4=\frac{\ln4}{2}$$이다.

(3) $R$이 직사각형이고 피적분함수가 분리되므로 $$\iint_R\frac{\sqrt x}{y^2}\,dA=\left(\int_0^4\sqrt x\,dx\right)\left(\int_1^2\frac{1}{y^2}\,dy\right)=\Big[\tfrac23x^{3/2}\Big]_0^4\cdot\Big[-\tfrac1y\Big]_1^2=\frac{16}{3}\cdot\frac12=\frac83$$이다.

(4) $y$에 대해 먼저 적분한다. $w=xy^2$로 치환하면 $dw=2xy\,dy$이므로 $$\int_0^1xye^{xy^2}\,dy=\frac12\int_0^{x}e^{w}\,dw=\frac12(e^x-1)$$이다. 따라서 $$\iint_Rxye^{xy^2}\,dA=\int_0^2\frac12(e^x-1)\,dx=\frac12\Big[e^x-x\Big]_0^2=\frac12\big((e^2-2)-1\big)=\frac{e^2-3}{2}$$이다.

English

Compute the following.

  1. $\displaystyle\int_0^3\int_0^2 (4-y^2)\,dy\,dx$
  2. $\displaystyle\int_1^4\int_1^e \frac{\ln x}{xy}\,dx\,dy$
  3. $\displaystyle\iint_R \left(\frac{\sqrt{x}}{y^2}\right)dA$, $R:0\le x\le 4,\ 1\le y\le 2$
  4. $\displaystyle\iint_R xye^{xy^2}\,dA$, $R:0\le x\le 2,\ 0\le y\le 1$

Solution. (1) $\displaystyle\int_0^3\int_0^2(4-y^2)\,dy\,dx=\int_0^3\Big[4y-\tfrac{y^3}3\Big]_0^2dx=\int_0^3\frac{16}{3}\,dx=16.$

(2) Since the integrand separates in $x$ and $y$, $$\int_1^4\int_1^e\frac{\ln x}{xy}\,dx\,dy=\left(\int_1^e\frac{\ln x}{x}\,dx\right)\left(\int_1^4\frac{1}{y}\,dy\right)=\Big[\tfrac{(\ln x)^2}{2}\Big]_1^e\cdot\Big[\ln y\Big]_1^4=\frac12\cdot\ln4=\frac{\ln4}{2}.$$

(3) Since $R$ is a rectangle and the integrand separates, $$\iint_R\frac{\sqrt x}{y^2}\,dA=\left(\int_0^4\sqrt x\,dx\right)\left(\int_1^2\frac{1}{y^2}\,dy\right)=\Big[\tfrac23x^{3/2}\Big]_0^4\cdot\Big[-\tfrac1y\Big]_1^2=\frac{16}{3}\cdot\frac12=\frac83.$$

(4) Integrate with respect to $y$ first. Substituting $w=xy^2$, $dw=2xy\,dy$, so $$\int_0^1xye^{xy^2}\,dy=\frac12\int_0^{x}e^{w}\,dw=\frac12(e^x-1).$$ Hence $$\iint_Rxye^{xy^2}\,dA=\int_0^2\frac12(e^x-1)\,dx=\frac12\Big[e^x-x\Big]_0^2=\frac12\big((e^2-2)-1\big)=\frac{e^2-3}{2}.$$

유제 01-2 적분값이 3이 되는 상수
한국어

$\displaystyle\int_0^1\int_0^c (2x+y)\,dx\,dy=3$을 만족하는 $c$의 값을 구하여라.

풀이. $c>0$이라 하자. 안쪽 적분을 먼저 계산하면 $$\int_0^c(2x+y)\,dx=\Big[x^2+xy\Big]_0^c=c^2+cy$$이고, 이를 $y$에 대해 적분하면 $$\int_0^1(c^2+cy)\,dy=\Big[c^2y+\tfrac{c}{2}y^2\Big]_0^1=c^2+\frac{c}{2}$$이다. 이 값이 $3$이 되어야 하므로 $$c^2+\frac{c}{2}=3\ \Longleftrightarrow\ 2c^2+c-6=0\ \Longleftrightarrow\ (2c-3)(c+2)=0$$이고 $c=\dfrac32$ 또는 $c=-2$이다. 적분구간이 의미를 가지려면 $c>0$이어야 하므로 $$c=\frac32$$이다.

English

Find the value of $c$ satisfying $\displaystyle\int_0^1\int_0^c (2x+y)\,dx\,dy=3$.

Solution. Let $c>0$. Evaluating the inner integral first, $$\int_0^c(2x+y)\,dx=\Big[x^2+xy\Big]_0^c=c^2+cy,$$ and integrating with respect to $y$, $$\int_0^1(c^2+cy)\,dy=\Big[c^2y+\tfrac{c}{2}y^2\Big]_0^1=c^2+\frac{c}{2}.$$ Setting this equal to $3$ gives $$c^2+\frac{c}{2}=3\ \Longleftrightarrow\ 2c^2+c-6=0\ \Longleftrightarrow\ (2c-3)(c+2)=0,$$ so $c=\dfrac32$ or $c=-2$. For the integration bounds to make sense we need $c>0$, so $$c=\frac32.$$

유제 01-3 대칭성을 이용한 적분
한국어

$\displaystyle\int_{-1}^1\int_0^{\pi/2} x\sin\sqrt{y}\,dy\,dx$의 값을 구하여라.

풀이. 피적분함수 $x\sin\sqrt y$는 $x$만의 인수와 $y$만의 인수의 곱이므로 반복적분을 다음과 같이 분리할 수 있다.

$$\int_{-1}^1\int_0^{\pi/2}x\sin\sqrt y\,dy\,dx=\left(\int_{-1}^1x\,dx\right)\left(\int_0^{\pi/2}\sin\sqrt y\,dy\right)$$

그런데 $\displaystyle\int_{-1}^1x\,dx=\Big[\tfrac{x^2}{2}\Big]_{-1}^1=0$이다 ($x$가 대칭구간 $[-1,1]$에서 기함수이므로). 따라서 뒤쪽 인자의 값과 무관하게 전체 값은 $0$이다.

English

Find the value of $\displaystyle\int_{-1}^1\int_0^{\pi/2} x\sin\sqrt{y}\,dy\,dx$.

Solution. Since the integrand $x\sin\sqrt y$ is a product of a factor in $x$ alone and a factor in $y$ alone, the iterated integral separates as $$\int_{-1}^1\int_0^{\pi/2}x\sin\sqrt y\,dy\,dx=\left(\int_{-1}^1x\,dx\right)\left(\int_0^{\pi/2}\sin\sqrt y\,dy\right).$$

Now $\displaystyle\int_{-1}^1x\,dx=\Big[\tfrac{x^2}{2}\Big]_{-1}^1=0$, since $x$ is an odd function on the symmetric interval $[-1,1]$. Hence the whole value is $0$, regardless of the second factor.

예제 02 삼각형 영역과 적분 순서
한국어

$xy$평면에서 $x$축, $y=x$, $x=1$로 둘러싸인 영역을 $R$이라 하자.

  1. $xy$평면 위의 영역 $R$ 위에 있고 평면 $z=3-x-y$ 아래에 있는 영역의 부피를 구하시오.
  2. $\displaystyle\iint_R \frac{\sin x}{x}\,dA$를 구하시오.

풀이. $R$은 $0\le x\le1,\ 0\le y\le x$로 나타낼 수 있는 삼각형 영역이다.

(1) 구하는 부피는 $$V=\iint_R(3-x-y)\,dA=\int_0^1\int_0^x(3-x-y)\,dy\,dx=\int_0^1\Big[(3-x)y-\tfrac{y^2}{2}\Big]_0^xdx=\int_0^1\left(3x-\frac32x^2\right)dx=\Big[\tfrac32x^2-\tfrac12x^3\Big]_0^1=1$$이다.

(2) $y$를 먼저 적분하면 $x$가 고정되어 있는 동안 피적분함수 $\dfrac{\sin x}{x}$가 $y$에 무관하므로 $$\iint_R\frac{\sin x}{x}\,dA=\int_0^1\int_0^x\frac{\sin x}{x}\,dy\,dx=\int_0^1\frac{\sin x}{x}\cdot x\,dx=\int_0^1\sin x\,dx=\Big[-\cos x\Big]_0^1=1-\cos1$$이다. (초등함수로 원시함수를 구할 수 없는 $\dfrac{\sin x}{x}$를 적분 순서를 바꾸어 소거한 것이 핵심이다.)

English

Let $R$ be the region in the $xy$-plane bounded by the $x$-axis, $y=x$, and $x=1$.

  1. Find the volume of the solid that lies above the region $R$ in the $xy$-plane and below the plane $z=3-x-y$.
  2. Find $\displaystyle\iint_R \frac{\sin x}{x}\,dA$.

Solution. $R$ can be written as $0\le x\le1,\ 0\le y\le x$, a triangular region.

(1) The required volume is $$V=\iint_R(3-x-y)\,dA=\int_0^1\int_0^x(3-x-y)\,dy\,dx=\int_0^1\Big[(3-x)y-\tfrac{y^2}{2}\Big]_0^xdx=\int_0^1\left(3x-\frac32x^2\right)dx=\Big[\tfrac32x^2-\tfrac12x^3\Big]_0^1=1.$$

(2) Integrating with respect to $y$ first, the integrand $\dfrac{\sin x}{x}$ does not depend on $y$ while $x$ is held fixed, so $$\iint_R\frac{\sin x}{x}\,dA=\int_0^1\int_0^x\frac{\sin x}{x}\,dy\,dx=\int_0^1\frac{\sin x}{x}\cdot x\,dx=\int_0^1\sin x\,dx=\Big[-\cos x\Big]_0^1=1-\cos1.$$ (The key step is choosing the order of integration so that $\dfrac{\sin x}{x}$, which has no elementary antiderivative, cancels out.)

유제 02-1 적분 순서 바꾸기
한국어

반복적분 $\displaystyle\int_0^2\int_{x^2}^{2x}(4x+2)\,dy\,dx$의 순서를 바꾸어 나타내시오.

풀이. 원래 적분의 적분영역은 $0\le x\le2,\ x^2\le y\le2x$이다. 두 경계 $y=x^2$과 $y=2x$는 $x^2=2x$, 즉 $x=0,2$에서 만난다.

영역을 $y$ 기준으로 다시 쓰면 $y=x^2\Leftrightarrow x=\sqrt y$, $y=2x\Leftrightarrow x=\dfrac y2$이므로, 점 $(x,y)$가 영역에 속할 필요충분조건은 $\dfrac y2\le x\le\sqrt y$이다. 이때 $\dfrac y2\le\sqrt y$가 성립해야 하므로 $y\le4$이고, 따라서 $0\le y\le4$이다. 그러므로 순서를 바꾼 적분은 다음과 같다.

$$\int_0^2\int_{x^2}^{2x}(4x+2)\,dy\,dx=\int_0^4\int_{y/2}^{\sqrt y}(4x+2)\,dx\,dy$$

(두 적분 모두 값은 $8$로 일치한다.)

English

Express the iterated integral $\displaystyle\int_0^2\int_{x^2}^{2x}(4x+2)\,dy\,dx$ with the order of integration reversed.

Solution. The region of the original integral is $0\le x\le2,\ x^2\le y\le2x$. The two boundary curves $y=x^2$ and $y=2x$ meet where $x^2=2x$, i.e., $x=0,2$.

Rewriting the region in terms of $y$: $y=x^2\Leftrightarrow x=\sqrt y$ and $y=2x\Leftrightarrow x=\dfrac y2$, so a point $(x,y)$ lies in the region if and only if $\dfrac y2\le x\le\sqrt y$. This requires $\dfrac y2\le\sqrt y$, i.e., $y\le4$, so $0\le y\le4$. Hence the integral with the order reversed is

$$\int_0^2\int_{x^2}^{2x}(4x+2)\,dy\,dx=\int_0^4\int_{y/2}^{\sqrt y}(4x+2)\,dx\,dy.$$

(Both iterated integrals evaluate to $8$.)

유제 02-2 곡선으로 둘러싸인 영역의 부피
한국어

$xy$평면 위의 $y=2\sqrt{x}$, $y=4x-2$, $x$축으로 둘러싸인 영역 위에 있고 곡면 $z=16-x^2-y^2$ 아래에 있는 영역의 부피를 구하시오.

풀이. 두 곡선 $y=2\sqrt x$ (즉 $x=\dfrac{y^2}{4}$)와 $y=4x-2$ (즉 $x=\dfrac{y+2}{4}$)의 교점을 구하면 $\dfrac{y^2}{4}=\dfrac{y+2}{4}\Leftrightarrow y^2-y-2=0\Leftrightarrow(y-2)(y+1)=0$이므로 (음이 아닌 $y$만 취하여) $y=2$, 즉 교점은 $(1,2)$이다. $x$축은 $y=0$이다.

세 곡선으로 둘러싸인 영역 $R$은 $y=0$부터 $y=2$까지, 왼쪽 경계가 포물선 $x=\dfrac{y^2}{4}$, 오른쪽 경계가 직선 $x=\dfrac{y+2}{4}$이다: $$R:\ 0\le y\le2,\quad\frac{y^2}{4}\le x\le\frac{y+2}{4}$$

구하는 부피는 $$V=\int_0^2\int_{y^2/4}^{(y+2)/4}(16-x^2-y^2)\,dx\,dy$$이다. 안쪽 적분(다항식의 정적분)을 계산하면 $$\int_{y^2/4}^{(y+2)/4}(16-x^2-y^2)\,dx=\frac{y^6}{192}+\frac{y^4}{4}-\frac{49y^3}{192}-\frac{145y^2}{32}+\frac{63y}{16}+\frac{191}{24}$$을 얻고, 이를 $y=0$부터 $2$까지 적분하면 $$V=\frac{20803}{1680}$$이다.

English

Find the volume of the solid that lies above the region in the $xy$-plane bounded by $y=2\sqrt{x}$, $y=4x-2$, and the $x$-axis, and below the surface $z=16-x^2-y^2$.

Solution. The curves $y=2\sqrt x$ (i.e., $x=\dfrac{y^2}{4}$) and $y=4x-2$ (i.e., $x=\dfrac{y+2}{4}$) meet where $\dfrac{y^2}{4}=\dfrac{y+2}{4}\Leftrightarrow y^2-y-2=0\Leftrightarrow(y-2)(y+1)=0$, so (taking $y\ge0$) $y=2$, i.e., at $(1,2)$. The $x$-axis is $y=0$.

The region $R$ enclosed by the three curves runs from $y=0$ to $y=2$, with left boundary the parabola $x=\dfrac{y^2}{4}$ and right boundary the line $x=\dfrac{y+2}{4}$: $$R:\ 0\le y\le2,\quad\frac{y^2}{4}\le x\le\frac{y+2}{4}.$$

The required volume is $$V=\int_0^2\int_{y^2/4}^{(y+2)/4}(16-x^2-y^2)\,dx\,dy.$$ Evaluating the inner integral (a routine polynomial integration) gives $$\int_{y^2/4}^{(y+2)/4}(16-x^2-y^2)\,dx=\frac{y^6}{192}+\frac{y^4}{4}-\frac{49y^3}{192}-\frac{145y^2}{32}+\frac{63y}{16}+\frac{191}{24},$$ and integrating this from $y=0$ to $2$ gives $$V=\frac{20803}{1680}.$$

유제 02-3 적분 순서 바꾸어 계산
한국어

다음 적분을 계산하시오.

  1. $\displaystyle\int_1^{\ln 8}\int_0^{\ln y}e^{x+y}\,dx\,dy$
  2. $\displaystyle\int_0^1\int_0^{\sqrt{1-s^2}}8t\,dt\,ds$
  3. $\displaystyle\int_0^{2\sqrt{\ln 3}}\int_{y/2}^{\sqrt{\ln 3}}e^{x^2}\,dx\,dy$
  4. $\displaystyle\int_0^8\int_{\sqrt[3]{x}}^2 \frac{dy\,dx}{y^4+1}$
  5. $\displaystyle\iint_R (x^2+y^2)\,dA$, $R:0\le x\le 1,\ 0\le y\le 1-x$
  6. $\displaystyle\iint_R (y-2x^2)\,dA$, $R$은 $|x|+|y|=1$로 둘러싸인 영역

풀이. (1) 안쪽 적분을 $x$에 대해 먼저 계산하면 $$\int_0^{\ln y}e^{x+y}\,dx=e^y\Big[e^x\Big]_0^{\ln y}=e^y(y-1)$$이다. 이를 부분적분으로 적분하면 $\int e^y(y-1)\,dy=(y-2)e^y+C$이므로 $$\int_1^{\ln8}e^y(y-1)\,dy=\Big[(y-2)e^y\Big]_1^{\ln8}=(\ln8-2)\cdot8-(-1)e=8\ln8-16+e=24\ln2-16+e$$이다. 따라서 값은 $e-16+24\ln2$이다.

(2) 안쪽 적분은 $$\int_0^{\sqrt{1-s^2}}8t\,dt=\Big[4t^2\Big]_0^{\sqrt{1-s^2}}=4(1-s^2)$$이고, $$\int_0^14(1-s^2)\,ds=4\Big[s-\tfrac{s^3}3\Big]_0^1=4\cdot\frac23=\frac83$$이다.

(3) $e^{x^2}$은 초등함수인 원시함수를 갖지 않으므로 적분 순서를 바꾼다. 원래 영역은 $0\le y\le2\sqrt{\ln3},\ \dfrac y2\le x\le\sqrt{\ln3}$인데, 이는 $0\le x\le\sqrt{\ln3},\ 0\le y\le2x$와 같다. 따라서 $$\int_0^{2\sqrt{\ln3}}\int_{y/2}^{\sqrt{\ln3}}e^{x^2}\,dx\,dy=\int_0^{\sqrt{\ln3}}\int_0^{2x}e^{x^2}\,dy\,dx=\int_0^{\sqrt{\ln3}}2xe^{x^2}\,dx=\Big[e^{x^2}\Big]_0^{\sqrt{\ln3}}=e^{\ln3}-1=3-1=2$$이다.

(4) $\dfrac{1}{y^4+1}$도 초등함수 원시함수가 마땅치 않으므로 순서를 바꾼다. 원래 영역 $0\le x\le8,\ \sqrt[3]x\le y\le2$는 $0\le y\le2,\ 0\le x\le y^3$과 같다. 따라서 $$\int_0^8\int_{\sqrt[3]x}^2\frac{dy\,dx}{y^4+1}=\int_0^2\int_0^{y^3}\frac{dx\,dy}{y^4+1}=\int_0^2\frac{y^3}{y^4+1}\,dy=\Big[\tfrac14\ln(y^4+1)\Big]_0^2=\frac{\ln17}{4}$$이다.

(5) $R:0\le x\le1,\ 0\le y\le1-x$는 $x$와 $y$를 서로 바꾸어도 같은 삼각형이므로 대칭성에 의해 $\iint_Rx^2\,dA=\iint_Ry^2\,dA$이다. $$\iint_Rx^2\,dA=\int_0^1x^2(1-x)\,dx=\int_0^1(x^2-x^3)\,dx=\frac13-\frac14=\frac{1}{12}$$이므로 $$\iint_R(x^2+y^2)\,dA=2\cdot\frac1{12}=\frac16$$이다.

(6) $R$은 $|x|+|y|=1$로 둘러싸인 마름모이다. $y$가 $x$를 고정했을 때 대칭구간 $[-(1-|x|),1-|x|]$을 움직이는 기함수이므로 $\iint_Ry\,dA=0$이다. 또한 $$\iint_Rx^2\,dA=\int_{-1}^1x^2\cdot2(1-|x|)\,dx=4\int_0^1x^2(1-x)\,dx=4\cdot\frac1{12}=\frac13$$이므로 $$\iint_R(y-2x^2)\,dA=0-2\cdot\frac13=-\frac23$$이다.

English

Compute the following.

  1. $\displaystyle\int_1^{\ln 8}\int_0^{\ln y}e^{x+y}\,dx\,dy$
  2. $\displaystyle\int_0^1\int_0^{\sqrt{1-s^2}}8t\,dt\,ds$
  3. $\displaystyle\int_0^{2\sqrt{\ln 3}}\int_{y/2}^{\sqrt{\ln 3}}e^{x^2}\,dx\,dy$
  4. $\displaystyle\int_0^8\int_{\sqrt[3]{x}}^2 \frac{dy\,dx}{y^4+1}$
  5. $\displaystyle\iint_R (x^2+y^2)\,dA$, $R:0\le x\le 1,\ 0\le y\le 1-x$
  6. $\displaystyle\iint_R (y-2x^2)\,dA$, $R$ is the region enclosed by $|x|+|y|=1$

Solution. (1) Integrating the inner integral with respect to $x$ first, $$\int_0^{\ln y}e^{x+y}\,dx=e^y\Big[e^x\Big]_0^{\ln y}=e^y(y-1).$$ Integrating by parts, $\int e^y(y-1)\,dy=(y-2)e^y+C$, so $$\int_1^{\ln8}e^y(y-1)\,dy=\Big[(y-2)e^y\Big]_1^{\ln8}=(\ln8-2)\cdot8-(-1)e=8\ln8-16+e=24\ln2-16+e.$$ Hence the value is $e-16+24\ln2$.

(2) The inner integral is $$\int_0^{\sqrt{1-s^2}}8t\,dt=\Big[4t^2\Big]_0^{\sqrt{1-s^2}}=4(1-s^2),$$ and $$\int_0^14(1-s^2)\,ds=4\Big[s-\tfrac{s^3}3\Big]_0^1=4\cdot\frac23=\frac83.$$

(3) Since $e^{x^2}$ has no elementary antiderivative, reverse the order of integration. The original region $0\le y\le2\sqrt{\ln3},\ \dfrac y2\le x\le\sqrt{\ln3}$ is the same as $0\le x\le\sqrt{\ln3},\ 0\le y\le2x$. Hence $$\int_0^{2\sqrt{\ln3}}\int_{y/2}^{\sqrt{\ln3}}e^{x^2}\,dx\,dy=\int_0^{\sqrt{\ln3}}\int_0^{2x}e^{x^2}\,dy\,dx=\int_0^{\sqrt{\ln3}}2xe^{x^2}\,dx=\Big[e^{x^2}\Big]_0^{\sqrt{\ln3}}=e^{\ln3}-1=3-1=2.$$

(4) Since $\dfrac{1}{y^4+1}$ also has no convenient elementary antiderivative in $x$, reverse the order. The original region $0\le x\le8,\ \sqrt[3]x\le y\le2$ equals $0\le y\le2,\ 0\le x\le y^3$. Hence $$\int_0^8\int_{\sqrt[3]x}^2\frac{dy\,dx}{y^4+1}=\int_0^2\int_0^{y^3}\frac{dx\,dy}{y^4+1}=\int_0^2\frac{y^3}{y^4+1}\,dy=\Big[\tfrac14\ln(y^4+1)\Big]_0^2=\frac{\ln17}{4}.$$

(5) The region $R:0\le x\le1,\ 0\le y\le1-x$ is the same triangle when $x$ and $y$ are swapped, so by symmetry $\iint_Rx^2\,dA=\iint_Ry^2\,dA$. Since $$\iint_Rx^2\,dA=\int_0^1x^2(1-x)\,dx=\int_0^1(x^2-x^3)\,dx=\frac13-\frac14=\frac1{12},$$ we get $$\iint_R(x^2+y^2)\,dA=2\cdot\frac1{12}=\frac16.$$

(6) $R$ is the diamond enclosed by $|x|+|y|=1$. For fixed $x$, $y$ ranges over the symmetric interval $[-(1-|x|),1-|x|]$ and is an odd function of $y$, so $\iint_Ry\,dA=0$. Also $$\iint_Rx^2\,dA=\int_{-1}^1x^2\cdot2(1-|x|)\,dx=4\int_0^1x^2(1-x)\,dx=4\cdot\frac1{12}=\frac13,$$ so $$\iint_R(y-2x^2)\,dA=0-2\cdot\frac13=-\frac23.$$

유제 02-4 특이·무한 구간 적분
한국어

다음 적분을 계산하시오.

  1. $\displaystyle\int_1^\infty\int_{e^{-x}}^1 \frac{1}{x^3y}\,dy\,dx$
  2. $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\int_{-\infty}^\infty \frac{1}{(x^2+1)(y^2+1)}\,dx\,dy$
  3. $\displaystyle\int_0^1\int_0^3 \frac{x^2}{(y-1)^{2/3}}\,dy\,dx$

풀이. (1) 안쪽 적분을 $y$에 대해 먼저 계산하면 $$\int_{e^{-x}}^1\frac{dy}{y}=\ln1-\ln(e^{-x})=x$$이므로 $$\int_1^\infty\int_{e^{-x}}^1\frac{1}{x^3y}\,dy\,dx=\int_1^\infty\frac{x}{x^3}\,dx=\int_1^\infty\frac{1}{x^2}\,dx=\Big[-\tfrac1x\Big]_1^\infty=1$$이다.

(2) 피적분함수가 $x,y$에 대해 분리되고 $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{dx}{x^2+1}=\Big[\tan^{-1}x\Big]_{-\infty}^\infty=\pi$이므로 $$\int_{-\infty}^\infty\int_{-\infty}^\infty\frac{dx\,dy}{(x^2+1)(y^2+1)}=\pi\cdot\pi=\pi^2$$이다.

(3) $y=1$에서 피적분함수가 특이점을 가지므로 $u=y-1$로 치환하면 $$\int_0^3\frac{dy}{(y-1)^{2/3}}=\int_{-1}^2\frac{du}{u^{2/3}}$$이다. 여기서 $u^{2/3}=(u^{1/3})^2$이고 세제곱근은 음수에서도 실수로 정의되므로($u\lt0$이면 $u^{1/3}\lt0$) $u^{-2/3}$은 부호에 관계없이 $u\ne0$인 모든 실수에서 양의 값을 가지며, $u\to0$ 근방에서도 지수가 $-\tfrac23\gt-1$이므로 적분은 수렴한다. 원시함수 $3u^{1/3}$ (실수 세제곱근)은 $u=0$을 포함해 연속이므로 $$\int_{-1}^2\frac{du}{u^{2/3}}=\Big[3u^{1/3}\Big]_{-1}^2=3\cdot2^{1/3}-3\cdot(-1)=3(2^{1/3}+1)$$이다. 한편 $\displaystyle\int_0^1x^2\,dx=\frac13$이므로 $$\int_0^1\int_0^3\frac{x^2}{(y-1)^{2/3}}\,dy\,dx=\frac13\cdot3(2^{1/3}+1)=2^{1/3}+1$$이다.

English

Compute the following.

  1. $\displaystyle\int_1^\infty\int_{e^{-x}}^1 \frac{1}{x^3y}\,dy\,dx$
  2. $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\int_{-\infty}^\infty \frac{1}{(x^2+1)(y^2+1)}\,dx\,dy$
  3. $\displaystyle\int_0^1\int_0^3 \frac{x^2}{(y-1)^{2/3}}\,dy\,dx$

Solution. (1) Integrating the inner integral in $y$ first, $$\int_{e^{-x}}^1\frac{dy}{y}=\ln1-\ln(e^{-x})=x,$$ so $$\int_1^\infty\int_{e^{-x}}^1\frac{1}{x^3y}\,dy\,dx=\int_1^\infty\frac{x}{x^3}\,dx=\int_1^\infty\frac{1}{x^2}\,dx=\Big[-\tfrac1x\Big]_1^\infty=1.$$

(2) The integrand separates in $x$ and $y$, and $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\frac{dx}{x^2+1}=\Big[\tan^{-1}x\Big]_{-\infty}^\infty=\pi$, so $$\int_{-\infty}^\infty\int_{-\infty}^\infty\frac{dx\,dy}{(x^2+1)(y^2+1)}=\pi\cdot\pi=\pi^2.$$

(3) The integrand is singular at $y=1$; substituting $u=y-1$, $$\int_0^3\frac{dy}{(y-1)^{2/3}}=\int_{-1}^2\frac{du}{u^{2/3}}.$$ Here $u^{2/3}=(u^{1/3})^2$, and since the real cube root is defined for negative numbers too ($u\lt0\Rightarrow u^{1/3}\lt0$), $u^{-2/3}$ is positive for every real $u\ne0$ regardless of sign, and the integral converges near $u=0$ because the exponent $-\tfrac23\gt-1$. The antiderivative $3u^{1/3}$ (real cube root) is continuous even at $u=0$, so $$\int_{-1}^2\frac{du}{u^{2/3}}=\Big[3u^{1/3}\Big]_{-1}^2=3\cdot2^{1/3}-3\cdot(-1)=3(2^{1/3}+1).$$ Since $\displaystyle\int_0^1x^2\,dx=\frac13$, we obtain $$\int_0^1\int_0^3\frac{x^2}{(y-1)^{2/3}}\,dy\,dx=\frac13\cdot3(2^{1/3}+1)=2^{1/3}+1.$$

예제 03 이중적분으로 넓이 구하기
한국어

다음 영역의 넓이를 이중적분을 이용해 구하시오.

  1. 곡선 $y=x$와 $y=x^2$으로 둘러싸인 영역
  2. 곡선 $y=x^2$과 $y=x+2$로 둘러싸인 영역

풀이. (1) $y=x$와 $y=x^2$의 교점은 $x=x^2\Leftrightarrow x(x-1)=0$에서 $x=0,1$이다. $0\le x\le1$에서 $x\ge x^2$이므로 넓이는 $$A=\int_0^1\int_{x^2}^{x}dy\,dx=\int_0^1(x-x^2)\,dx=\Big[\tfrac{x^2}2-\tfrac{x^3}3\Big]_0^1=\frac12-\frac13=\frac16$$이다.

(2) $y=x^2$와 $y=x+2$의 교점은 $x^2=x+2\Leftrightarrow(x-2)(x+1)=0$에서 $x=-1,2$이다. $-1\le x\le2$에서 $x+2\ge x^2$이므로 넓이는 $$A=\int_{-1}^2\int_{x^2}^{x+2}dy\,dx=\int_{-1}^2(x+2-x^2)\,dx=\Big[\tfrac{x^2}2+2x-\tfrac{x^3}3\Big]_{-1}^2=\frac{10}{3}-\left(-\frac76\right)=\frac92$$이다.

English

Find the area of each of the following regions using a double integral.

  1. The region enclosed by the curves $y=x$ and $y=x^2$
  2. The region enclosed by the curves $y=x^2$ and $y=x+2$

Solution. (1) $y=x$ and $y=x^2$ meet where $x=x^2\Leftrightarrow x(x-1)=0$, i.e., $x=0,1$. Since $x\ge x^2$ on $0\le x\le1$, the area is $$A=\int_0^1\int_{x^2}^{x}dy\,dx=\int_0^1(x-x^2)\,dx=\Big[\tfrac{x^2}2-\tfrac{x^3}3\Big]_0^1=\frac12-\frac13=\frac16.$$

(2) $y=x^2$ and $y=x+2$ meet where $x^2=x+2\Leftrightarrow(x-2)(x+1)=0$, i.e., $x=-1,2$. Since $x+2\ge x^2$ on $-1\le x\le2$, the area is $$A=\int_{-1}^2\int_{x^2}^{x+2}dy\,dx=\int_{-1}^2(x+2-x^2)\,dx=\Big[\tfrac{x^2}2+2x-\tfrac{x^3}3\Big]_{-1}^2=\frac{10}{3}-\left(-\frac76\right)=\frac92.$$

유제 03 이중적분과 기하적 넓이 비교
한국어

영역 $R:-2\le x\le 2,\ -1-\sqrt{4-x^2}\le y\le 1+\sqrt{4-x^2}$의 넓이를 이중적분을 이용해 구하고 기하학적인 방법을 이용해 구한 뒤 비교하시오.

풀이. 이중적분으로 구하면, 각 $x\in[-2,2]$에서 $y$구간의 길이는 $(1+\sqrt{4-x^2})-(-1-\sqrt{4-x^2})=2+2\sqrt{4-x^2}$이므로 $$A=\int_{-2}^2\left(2+2\sqrt{4-x^2}\right)dx=\int_{-2}^22\,dx+2\int_{-2}^2\sqrt{4-x^2}\,dx=8+2\cdot2\pi=8+4\pi$$이다. (여기서 $\int_{-2}^2\sqrt{4-x^2}\,dx$는 반지름 $2$인 반원의 넓이 $2\pi$이다.)

기하학적으로 보면 $R$은 폭 $4$, 높이 $2$인 직사각형($-2\le x\le2,\ -1\le y\le1$)의 위아래에 반지름 $2$인 반원을 하나씩 붙인 모양이고, 두 반원을 합치면 반지름 $2$인 원 전체(넓이 $4\pi$)가 된다. 따라서 $$A=(\text{직사각형 넓이})+(\text{원의 넓이})=4\times2+4\pi=8+4\pi$$이고, 이는 이중적분으로 구한 값과 일치한다.

English

Find the area of the region $R:-2\le x\le 2,\ -1-\sqrt{4-x^2}\le y\le 1+\sqrt{4-x^2}$ using a double integral, find it again using a geometric method, and compare the two results.

Solution. By double integral: for each $x\in[-2,2]$, the length of the $y$-interval is $(1+\sqrt{4-x^2})-(-1-\sqrt{4-x^2})=2+2\sqrt{4-x^2}$, so $$A=\int_{-2}^2\left(2+2\sqrt{4-x^2}\right)dx=\int_{-2}^22\,dx+2\int_{-2}^2\sqrt{4-x^2}\,dx=8+2\cdot2\pi=8+4\pi,$$ where $\int_{-2}^2\sqrt{4-x^2}\,dx$ is the area $2\pi$ of a semicircle of radius $2$.

Geometrically, $R$ is a rectangle of width $4$ and height $2$ ($-2\le x\le2,\ -1\le y\le1$) with a semicircle of radius $2$ attached above and below; the two semicircles together form a full circle of radius $2$ (area $4\pi$). Hence $$A=(\text{area of rectangle})+(\text{area of circle})=4\times2+4\pi=8+4\pi,$$ which agrees with the value obtained by the double integral.

예제 04 함수의 평균값
한국어

영역 $R:0\le x\le\pi,\ 0\le y\le 1$에서 정의된 함수 $f(x,y)=x\cos xy$의 평균값을 구하시오.

풀이. 평균값은 $\operatorname{Avg}(f)=\dfrac{1}{A(R)}\displaystyle\iint_Rf\,dA$이고 $A(R)=\pi\cdot1=\pi$이다. $y$를 먼저 적분하면 $$\int_0^1x\cos(xy)\,dy=\Big[\sin(xy)\Big]_{y=0}^{y=1}=\sin x$$이므로 $$\iint_Rf\,dA=\int_0^\pi\sin x\,dx=\Big[-\cos x\Big]_0^\pi=1-(-1)=2$$이다. 따라서 $$\operatorname{Avg}(f)=\frac{2}{\pi}$$이다.

English

Find the average value of the function $f(x,y)=x\cos xy$ defined on the region $R:0\le x\le\pi,\ 0\le y\le 1$.

Solution. The average value is $\operatorname{Avg}(f)=\dfrac{1}{A(R)}\displaystyle\iint_Rf\,dA$ with $A(R)=\pi\cdot1=\pi$. Integrating with respect to $y$ first, $$\int_0^1x\cos(xy)\,dy=\Big[\sin(xy)\Big]_{y=0}^{y=1}=\sin x,$$ so $$\iint_Rf\,dA=\int_0^\pi\sin x\,dx=\Big[-\cos x\Big]_0^\pi=1-(-1)=2.$$ Hence $$\operatorname{Avg}(f)=\frac{2}{\pi}.$$

유제 04-1 분포함수와 총 개수
한국어

직사각형 영역 $-5\le x\le 5$와 $-2\le y\le 0$에서 세균이 분포하고 있다. (단, 단위는 cm) 세균의 수의 분포함수가 $f(x,y)=(10000e^y)/(1+|x|/2)$(마리/㎠)로 주어질 때, 세균의 총 수를 구하시오.

풀이. 총 개수는 $$N=\int_{-2}^0\int_{-5}^5\frac{10000e^y}{1+|x|/2}\,dx\,dy$$이다. $|x|$가 짝함수이므로 $$\int_{-5}^5\frac{dx}{1+|x|/2}=2\int_0^5\frac{dx}{1+x/2}=2\Big[2\ln\!\left(1+\tfrac x2\right)\Big]_0^5=4\ln\frac72$$이고, $$\int_{-2}^0e^y\,dy=\Big[e^y\Big]_{-2}^0=1-e^{-2}$$이다. 따라서 $$N=10000(1-e^{-2})\cdot4\ln\frac72=40000(1-e^{-2})\ln\frac72\approx43329\ (\text{마리})$$이다.

English

Bacteria are distributed over the rectangular region $-5\le x\le 5$, $-2\le y\le 0$. (Here the unit is cm.) Given that the distribution function for the number of bacteria is $f(x,y)=(10000e^y)/(1+|x|/2)$ (organisms/㎠), find the total number of bacteria.

Solution. The total number is $$N=\int_{-2}^0\int_{-5}^5\frac{10000e^y}{1+|x|/2}\,dx\,dy.$$ Since $|x|$ is even, $$\int_{-5}^5\frac{dx}{1+|x|/2}=2\int_0^5\frac{dx}{1+x/2}=2\Big[2\ln\!\left(1+\tfrac x2\right)\Big]_0^5=4\ln\frac72,$$ and $$\int_{-2}^0e^y\,dy=\Big[e^y\Big]_{-2}^0=1-e^{-2}.$$ Hence $$N=10000(1-e^{-2})\cdot4\ln\frac72=40000(1-e^{-2})\ln\frac72\approx43329\ \text{organisms}.$$

유제 04-2 평균값의 성질
한국어

넓이가 $A(R)$로 정의되는 영역 $R$에서 정의된 연속함수 $f(x,y)$에 대해 $R$에서의 $f$의 평균값을 $\operatorname{Avg}(f)$라 하자. 다음을 보이시오.

  1. 영역 $R$에서 $m\le f(x,y)\le M$이면 $m\le\operatorname{Avg}(f)\le M$
  2. 열린 영역 $R$에서 $f(x,y)\ge 0$이고 $\operatorname{Avg}(f)=0$이면 $f=0$

증명. (1) 가정에 의해 $R$ 위의 모든 점에서 $m\le f(x,y)\le M$이다. $A(R)>0$이므로 이 부등식을 $R$ 위에서 적분하면 (적분의 단조성에 의해) $$\iint_Rm\,dA\le\iint_Rf(x,y)\,dA\le\iint_RM\,dA,$$ 즉 $$m\cdot A(R)\le\iint_Rf\,dA\le M\cdot A(R)$$이다. 양변을 $A(R)>0$으로 나누면 $$m\le\frac{1}{A(R)}\iint_Rf\,dA=\operatorname{Avg}(f)\le M$$을 얻는다.

(2) $R$이 열린 영역이고 $f\ge0$이며 $\operatorname{Avg}(f)=0$이라 하자. $A(R)>0$이므로 $\iint_Rf\,dA=0$이다. 어떤 점 $(x_0,y_0)\in R$에서 $f(x_0,y_0)=c\gt0$이라 가정하고 모순을 이끌어내자. $f$가 $(x_0,y_0)$에서 연속이므로, $\dfrac c2\gt0$에 대응하는 $\delta\gt0$가 존재하여 $(x_0,y_0)$를 중심으로 하는 반지름 $\delta$인 원판 $D$가 $D\subset R$이고 $D$ 위에서 $f\gt\dfrac c2$가 되도록 잡을 수 있다 ($R$이 열린 집합이라는 사실이 $D\subset R$을 보장하는 데 필요하다). $A(D)=\pi\delta^2\gt0$이라 하면, $f\ge0$이 $R$ 전체에서 성립하므로 $$\iint_Rf\,dA=\iint_Df\,dA+\iint_{R\setminus D}f\,dA\ge\iint_Df\,dA\ge\frac c2\cdot A(D)\gt0$$이 되어 $\iint_Rf\,dA=0$에 모순이다. 따라서 그러한 점은 존재하지 않으며, $R$의 모든 점에서 $f(x,y)=0$이다.

$\square$
English

Let $R$ be a region with area $A(R)$, and let $f(x,y)$ be a continuous function defined on $R$. Let $\operatorname{Avg}(f)$ denote the average value of $f$ on $R$. Show that the following hold.

  1. If $m\le f(x,y)\le M$ on $R$, then $m\le\operatorname{Avg}(f)\le M$.
  2. If $f(x,y)\ge 0$ on an open region $R$ and $\operatorname{Avg}(f)=0$, then $f=0$.

Proof. (1) By hypothesis, $m\le f(x,y)\le M$ at every point of $R$. Since $A(R)\gt0$, integrating this inequality over $R$ (by monotonicity of the integral) gives $$\iint_Rm\,dA\le\iint_Rf(x,y)\,dA\le\iint_RM\,dA,$$ that is, $$m\cdot A(R)\le\iint_Rf\,dA\le M\cdot A(R).$$ Dividing by $A(R)\gt0$ yields $$m\le\frac{1}{A(R)}\iint_Rf\,dA=\operatorname{Avg}(f)\le M.$$

(2) Suppose $R$ is open, $f\ge0$ on $R$, and $\operatorname{Avg}(f)=0$. Since $A(R)\gt0$, this forces $\iint_Rf\,dA=0$. Suppose, for contradiction, that $f(x_0,y_0)=c\gt0$ for some $(x_0,y_0)\in R$. Since $f$ is continuous at $(x_0,y_0)$, for $\dfrac c2\gt0$ there is $\delta\gt0$ such that the disk $D$ of radius $\delta$ centered at $(x_0,y_0)$ satisfies $D\subset R$ (here the openness of $R$ guarantees $D\subset R$) and $f\gt\dfrac c2$ on $D$. Writing $A(D)=\pi\delta^2\gt0$ and using $f\ge0$ on all of $R$, $$\iint_Rf\,dA=\iint_Df\,dA+\iint_{R\setminus D}f\,dA\ge\iint_Df\,dA\ge\frac c2\cdot A(D)\gt0,$$ contradicting $\iint_Rf\,dA=0$. Hence no such point exists, and $f(x,y)=0$ at every point of $R$.

$\square$
예제 05 극좌표 영역의 반복적분
한국어

$r=1+\cos\theta$ 내부와 $r=1$ 외부의 공통영역을 $R$이라 하자. $R$에서 정의된 함수 $f(r,\theta)$에 대해 $\displaystyle\iint_R f(r,\theta)\,dA$를 반복적분으로 나타내시오.

풀이. 두 곡선 $r=1+\cos\theta$ (심장형)와 $r=1$ (단위원)의 교점은 $1+\cos\theta=1\Leftrightarrow\cos\theta=0\Leftrightarrow\theta=\pm\dfrac{\pi}{2}$에서 생긴다.

영역 $R$은 $r=1+\cos\theta$의 내부이면서 $r=1$의 외부인 점들로 이루어지므로 $1\lt r\lt1+\cos\theta$가 성립해야 한다. 이는 $\cos\theta\gt0$일 때만 가능하므로 $\theta$의 범위는 $-\dfrac{\pi}{2}\le\theta\le\dfrac{\pi}{2}$이고, 이 범위에서 $r$은 $1$부터 $1+\cos\theta$까지 움직인다.

극좌표에서 넓이요소는 $dA=r\,dr\,d\theta$이므로 구하는 반복적분은 다음과 같다.

$$\iint_Rf(r,\theta)\,dA=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\int_1^{1+\cos\theta}f(r,\theta)\,r\,dr\,d\theta$$

English

Let $R$ be the common region inside $r=1+\cos\theta$ and outside $r=1$. For a function $f(r,\theta)$ defined on $R$, express $\displaystyle\iint_R f(r,\theta)\,dA$ as an iterated integral.

Solution. The curves $r=1+\cos\theta$ (a cardioid) and $r=1$ (the unit circle) meet where $1+\cos\theta=1\Leftrightarrow\cos\theta=0\Leftrightarrow\theta=\pm\dfrac{\pi}{2}$.

The region $R$ consists of points inside $r=1+\cos\theta$ and outside $r=1$, so $1\lt r\lt1+\cos\theta$ must hold. This is possible only when $\cos\theta\gt0$, so $\theta$ ranges over $-\dfrac{\pi}{2}\le\theta\le\dfrac{\pi}{2}$, and for such $\theta$, $r$ ranges from $1$ to $1+\cos\theta$.

Since the area element in polar coordinates is $dA=r\,dr\,d\theta$, the required iterated integral is

$$\iint_Rf(r,\theta)\,dA=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\int_1^{1+\cos\theta}f(r,\theta)\,r\,dr\,d\theta.$$

유제 05-1 극좌표로 넓이 구하기
한국어
  1. $r^2=4\cos 2\theta$로 둘러싸인 영역의 넓이를 구하시오.
  2. 곡선 $x^2+y^2=4$ 내부에 있고, 직선 $y=1$, $y=\sqrt{3}\,x$ 위에 있는 영역의 넓이를 구하시오.

풀이. (1) $r^2=4\cos2\theta$가 정의되려면 $\cos2\theta\ge0$이어야 하므로, 오른쪽 잎은 $-\dfrac{\pi}{4}\le\theta\le\dfrac{\pi}{4}$에서 그려진다. 이 잎의 넓이는 $$A_1=\frac12\int_{-\pi/4}^{\pi/4}r^2\,d\theta=\frac12\int_{-\pi/4}^{\pi/4}4\cos2\theta\,d\theta=\Big[\sin2\theta\Big]_{-\pi/4}^{\pi/4}=1-(-1)=2$$이다. 곡선은 원점에 대해 대칭인 두 개의 합동인 잎(오른쪽·왼쪽)으로 이루어지므로 전체 넓이는 $A=2A_1=4$이다.

(2) 곡선 $x^2+y^2=4$는 극좌표에서 $r=2$이고, 직선 $y=1$은 $r=\csc\theta$, 직선 $y=\sqrt3x$는 $\theta=\dfrac{\pi}{3}$이다. $y-\sqrt3x=r\sin\theta-\sqrt3r\cos\theta=2r\sin\!\left(\theta-\dfrac{\pi}{3}\right)$이므로, 직선 $y=\sqrt3x$ 위에 있으려면 $\sin\!\left(\theta-\dfrac{\pi}{3}\right)\ge0$, 즉 $\theta\in\left[\dfrac{\pi}{3},\dfrac{4\pi}{3}\right]$이어야 한다. 또 직선 $y=1$ 위에 있으려면 ($y\ge1\gt0$이므로) $r\ge\csc\theta$이고 $\theta\in(0,\pi)$이어야 한다. 원 내부 조건 $r\le2$는 $\csc\theta\le2\Leftrightarrow\sin\theta\ge\tfrac12\Leftrightarrow\theta\in\left[\dfrac{\pi}{6},\dfrac{5\pi}{6}\right]$을 요구한다. 세 조건을 모두 만족하는 범위는 $\theta\in\left[\dfrac{\pi}{3},\dfrac{5\pi}{6}\right]$이고, 이때 $r$은 $\csc\theta$부터 $2$까지이다.

따라서 구하는 넓이는 $$A=\int_{\pi/3}^{5\pi/6}\frac12\left(2^2-\csc^2\theta\right)d\theta=\Big[2\theta+\tfrac12\cot\theta\Big]_{\pi/3}^{5\pi/6}$$이고, $\cot\dfrac{5\pi}{6}=-\sqrt3$, $\cot\dfrac{\pi}{3}=\dfrac{\sqrt3}{3}$이므로 $$A=\left(\frac{5\pi}{3}-\frac{\sqrt3}{2}\right)-\left(\frac{2\pi}{3}+\frac{\sqrt3}{6}\right)=\pi-\frac{2\sqrt3}{3}$$이다.

English
  1. Find the area of the region enclosed by $r^2=4\cos 2\theta$.
  2. Find the area of the region that lies inside the curve $x^2+y^2=4$ and above the lines $y=1$ and $y=\sqrt{3}\,x$.

Solution. (1) For $r^2=4\cos2\theta$ to be defined we need $\cos2\theta\ge0$, so the right-hand loop is traced for $-\dfrac{\pi}{4}\le\theta\le\dfrac{\pi}{4}$. Its area is $$A_1=\frac12\int_{-\pi/4}^{\pi/4}r^2\,d\theta=\frac12\int_{-\pi/4}^{\pi/4}4\cos2\theta\,d\theta=\Big[\sin2\theta\Big]_{-\pi/4}^{\pi/4}=1-(-1)=2.$$ The curve consists of two congruent loops symmetric about the origin, so the total area is $A=2A_1=4$.

(2) The curve $x^2+y^2=4$ is $r=2$ in polar coordinates, the line $y=1$ is $r=\csc\theta$, and the line $y=\sqrt3x$ is $\theta=\dfrac{\pi}{3}$. Since $y-\sqrt3x=r\sin\theta-\sqrt3r\cos\theta=2r\sin\!\left(\theta-\dfrac{\pi}{3}\right)$, lying above the line $y=\sqrt3x$ requires $\sin\!\left(\theta-\dfrac{\pi}{3}\right)\ge0$, i.e., $\theta\in\left[\dfrac{\pi}{3},\dfrac{4\pi}{3}\right]$. Lying above $y=1$ (with $y\ge1\gt0$) requires $r\ge\csc\theta$ and $\theta\in(0,\pi)$. Being inside the circle requires $r\le2$, i.e., $\csc\theta\le2\Leftrightarrow\sin\theta\ge\tfrac12\Leftrightarrow\theta\in\left[\dfrac{\pi}{6},\dfrac{5\pi}{6}\right]$. All three conditions together give $\theta\in\left[\dfrac{\pi}{3},\dfrac{5\pi}{6}\right]$, with $r$ ranging from $\csc\theta$ to $2$.

Hence the area is $$A=\int_{\pi/3}^{5\pi/6}\frac12\left(2^2-\csc^2\theta\right)d\theta=\Big[2\theta+\tfrac12\cot\theta\Big]_{\pi/3}^{5\pi/6},$$ and since $\cot\dfrac{5\pi}{6}=-\sqrt3$ and $\cot\dfrac{\pi}{3}=\dfrac{\sqrt3}{3}$, $$A=\left(\frac{5\pi}{3}-\frac{\sqrt3}{2}\right)-\left(\frac{2\pi}{3}+\frac{\sqrt3}{6}\right)=\pi-\frac{2\sqrt3}{3}.$$

유제 05-2 극좌표 변환과 부피
한국어
  1. $x$축과 $y=\sqrt{1-x^2}$으로 둘러싸인 영역을 $R$이라 할 때 $\displaystyle\iint_R e^{x^2+y^2}\,dy\,dx$의 값을 구하시오.
  2. $xy$평면 위의 영역 $x^2+y^2\le 1$ 위에 있고 포물면 $z=9-x^2-y^2$ 아래에 있는 영역의 부피를 구하시오.

풀이. (1) $R$은 상반 단위원판($y\ge0$)이므로 극좌표에서 $0\le r\le1,\ 0\le\theta\le\pi$이다. $x^2+y^2=r^2$이므로 $$\iint_Re^{x^2+y^2}\,dA=\int_0^\pi\int_0^1e^{r^2}r\,dr\,d\theta=\pi\cdot\Big[\tfrac12e^{r^2}\Big]_0^1=\pi\cdot\frac{e-1}{2}=\frac{\pi(e-1)}{2}$$이다.

(2) 영역 $x^2+y^2\le1$은 극좌표에서 $0\le r\le1,\ 0\le\theta\le2\pi$이므로, 구하는 부피는 $$V=\iint(9-x^2-y^2)\,dA=\int_0^{2\pi}\int_0^1(9-r^2)r\,dr\,d\theta=2\pi\Big[\tfrac92r^2-\tfrac14r^4\Big]_0^1=2\pi\left(\frac92-\frac14\right)=2\pi\cdot\frac{17}{4}=\frac{17\pi}{2}$$이다.

English
  1. Let $R$ be the region enclosed by the $x$-axis and $y=\sqrt{1-x^2}$. Find the value of $\displaystyle\iint_R e^{x^2+y^2}\,dy\,dx$.
  2. Find the volume of the solid that lies above the region $x^2+y^2\le 1$ in the $xy$-plane and below the paraboloid $z=9-x^2-y^2$.

Solution. (1) $R$ is the upper half of the unit disk ($y\ge0$), so in polar coordinates $0\le r\le1,\ 0\le\theta\le\pi$. Since $x^2+y^2=r^2$, $$\iint_Re^{x^2+y^2}\,dA=\int_0^\pi\int_0^1e^{r^2}r\,dr\,d\theta=\pi\cdot\Big[\tfrac12e^{r^2}\Big]_0^1=\pi\cdot\frac{e-1}{2}=\frac{\pi(e-1)}{2}.$$

(2) The region $x^2+y^2\le1$ is $0\le r\le1,\ 0\le\theta\le2\pi$ in polar coordinates, so the required volume is $$V=\iint(9-x^2-y^2)\,dA=\int_0^{2\pi}\int_0^1(9-r^2)r\,dr\,d\theta=2\pi\Big[\tfrac92r^2-\tfrac14r^4\Big]_0^1=2\pi\left(\frac92-\frac14\right)=2\pi\cdot\frac{17}{4}=\frac{17\pi}{2}.$$

유제 05-3 극좌표를 이용한 적분
한국어

다음 적분을 계산하시오.

  1. $\displaystyle\int_0^1\int_0^{\sqrt{1-x^2}}(x^2+y^2)\,dy\,dx$
  2. $\displaystyle\int_{-1}^0\int_{-\sqrt{1-x^2}}^0 \frac{2}{1+\sqrt{x^2+y^2}}\,dy\,dx$
  3. $\displaystyle\iint_R \frac{\ln(x^2+y^2)}{\sqrt{x^2+y^2}}\,dA$, $R:1\le x^2+y^2\le e^2$
  4. $\displaystyle\int_0^\infty\int_0^\infty \frac{1}{(1+x^2+y^2)^2}\,dx\,dy$

풀이. (1) 영역은 제1사분면의 단위 사분원판이므로 극좌표에서 $0\le r\le1,\ 0\le\theta\le\dfrac{\pi}{2}$이다. $$\int_0^1\int_0^{\sqrt{1-x^2}}(x^2+y^2)\,dy\,dx=\int_0^{\pi/2}\int_0^1r^2\cdot r\,dr\,d\theta=\frac{\pi}{2}\cdot\Big[\tfrac14r^4\Big]_0^1=\frac{\pi}{2}\cdot\frac14=\frac{\pi}{8}$$이다.

(2) 영역은 제3사분면의 단위 사분원판이므로 극좌표에서 $0\le r\le1,\ \pi\le\theta\le\dfrac{3\pi}{2}$이다. $$\int_{-1}^0\int_{-\sqrt{1-x^2}}^0\frac{2}{1+\sqrt{x^2+y^2}}\,dy\,dx=\int_\pi^{3\pi/2}\int_0^1\frac{2r}{1+r}\,dr\,d\theta=\frac{\pi}{2}\int_0^1\left(2-\frac{2}{1+r}\right)dr=\frac{\pi}{2}\Big[2r-2\ln(1+r)\Big]_0^1=\frac{\pi}{2}\cdot2(1-\ln2)=\pi(1-\ln2)$$이다.

(3) $R:1\le x^2+y^2\le e^2$는 극좌표에서 $1\le r\le e,\ 0\le\theta\le2\pi$이고, $\ln(x^2+y^2)=2\ln r$이므로 $$\iint_R\frac{\ln(x^2+y^2)}{\sqrt{x^2+y^2}}\,dA=\int_0^{2\pi}\int_1^e\frac{2\ln r}{r}\cdot r\,dr\,d\theta=2\pi\int_1^e2\ln r\,dr=2\pi\cdot2\Big[r\ln r-r\Big]_1^e=2\pi\cdot2\cdot1=4\pi$$이다.

(4) 영역은 제1사분면 전체이므로 극좌표에서 $0\le r\lt\infty,\ 0\le\theta\le\dfrac{\pi}{2}$이다. $$\int_0^\infty\int_0^\infty\frac{1}{(1+x^2+y^2)^2}\,dx\,dy=\int_0^{\pi/2}\int_0^\infty\frac{r}{(1+r^2)^2}\,dr\,d\theta=\frac{\pi}{2}\cdot\left[-\frac{1}{2(1+r^2)}\right]_0^\infty=\frac{\pi}{2}\cdot\frac12=\frac{\pi}{4}$$이다.

English

Compute the following.

  1. $\displaystyle\int_0^1\int_0^{\sqrt{1-x^2}}(x^2+y^2)\,dy\,dx$
  2. $\displaystyle\int_{-1}^0\int_{-\sqrt{1-x^2}}^0 \frac{2}{1+\sqrt{x^2+y^2}}\,dy\,dx$
  3. $\displaystyle\iint_R \frac{\ln(x^2+y^2)}{\sqrt{x^2+y^2}}\,dA$, $R:1\le x^2+y^2\le e^2$
  4. $\displaystyle\int_0^\infty\int_0^\infty \frac{1}{(1+x^2+y^2)^2}\,dx\,dy$

Solution. (1) The region is the unit quarter-disk in the first quadrant, so $0\le r\le1,\ 0\le\theta\le\dfrac{\pi}{2}$ in polar coordinates. $$\int_0^1\int_0^{\sqrt{1-x^2}}(x^2+y^2)\,dy\,dx=\int_0^{\pi/2}\int_0^1r^2\cdot r\,dr\,d\theta=\frac{\pi}{2}\cdot\Big[\tfrac14r^4\Big]_0^1=\frac{\pi}{2}\cdot\frac14=\frac{\pi}{8}.$$

(2) The region is the unit quarter-disk in the third quadrant, so $0\le r\le1,\ \pi\le\theta\le\dfrac{3\pi}{2}$. $$\int_{-1}^0\int_{-\sqrt{1-x^2}}^0\frac{2}{1+\sqrt{x^2+y^2}}\,dy\,dx=\int_\pi^{3\pi/2}\int_0^1\frac{2r}{1+r}\,dr\,d\theta=\frac{\pi}{2}\int_0^1\left(2-\frac{2}{1+r}\right)dr=\frac{\pi}{2}\Big[2r-2\ln(1+r)\Big]_0^1=\frac{\pi}{2}\cdot2(1-\ln2)=\pi(1-\ln2).$$

(3) $R:1\le x^2+y^2\le e^2$ is $1\le r\le e,\ 0\le\theta\le2\pi$ in polar coordinates, and $\ln(x^2+y^2)=2\ln r$, so $$\iint_R\frac{\ln(x^2+y^2)}{\sqrt{x^2+y^2}}\,dA=\int_0^{2\pi}\int_1^e\frac{2\ln r}{r}\cdot r\,dr\,d\theta=2\pi\int_1^e2\ln r\,dr=2\pi\cdot2\Big[r\ln r-r\Big]_1^e=2\pi\cdot2\cdot1=4\pi.$$

(4) The region is the entire first quadrant, so $0\le r\lt\infty,\ 0\le\theta\le\dfrac{\pi}{2}$. $$\int_0^\infty\int_0^\infty\frac{1}{(1+x^2+y^2)^2}\,dx\,dy=\int_0^{\pi/2}\int_0^\infty\frac{r}{(1+r^2)^2}\,dr\,d\theta=\frac{\pi}{2}\cdot\left[-\frac{1}{2(1+r^2)}\right]_0^\infty=\frac{\pi}{2}\cdot\frac12=\frac{\pi}{4}.$$

유제 05-4 반구면 높이의 평균값
한국어

영역 $x^2+y^2\le a^2$에서 정의된 곡면 $z=\sqrt{a^2-x^2-y^2}$의 높이의 평균값을 구하시오. (단, $a>0$)

풀이. 평균값은 $$\operatorname{Avg}(z)=\frac{1}{\pi a^2}\iint_{x^2+y^2\le a^2}\sqrt{a^2-x^2-y^2}\,dA$$이다. 극좌표로 바꾸면 $$\iint\sqrt{a^2-r^2}\,r\,dr\,d\theta=\int_0^{2\pi}\int_0^a\sqrt{a^2-r^2}\,r\,dr\,d\theta=2\pi\left[-\frac13(a^2-r^2)^{3/2}\right]_0^a=2\pi\cdot\frac{a^3}{3}=\frac{2\pi a^3}{3}$$이므로 $$\operatorname{Avg}(z)=\frac{1}{\pi a^2}\cdot\frac{2\pi a^3}{3}=\frac{2a}{3}$$이다.

English

Find the average value of the height of the surface $z=\sqrt{a^2-x^2-y^2}$ on the region $x^2+y^2\le a^2$. (Here $a>0$.)

Solution. The average value is $$\operatorname{Avg}(z)=\frac{1}{\pi a^2}\iint_{x^2+y^2\le a^2}\sqrt{a^2-x^2-y^2}\,dA.$$ Converting to polar coordinates, $$\iint\sqrt{a^2-r^2}\,r\,dr\,d\theta=\int_0^{2\pi}\int_0^a\sqrt{a^2-r^2}\,r\,dr\,d\theta=2\pi\left[-\frac13(a^2-r^2)^{3/2}\right]_0^a=2\pi\cdot\frac{a^3}{3}=\frac{2\pi a^3}{3},$$ so $$\operatorname{Avg}(z)=\frac{1}{\pi a^2}\cdot\frac{2\pi a^3}{3}=\frac{2a}{3}.$$

예제 06 변수변환을 이용한 적분
한국어

변환 $u=\dfrac{2x-y}{2}$, $v=\dfrac{y}{2}$를 이용해 다음 적분을 계산하시오.

$$\int_0^4\int_{x=y/2}^{x=1+(y/2)}\frac{2x-y}{2}\,dx\,dy$$

풀이. $u=\dfrac{2x-y}{2}=x-\dfrac{y}{2}$, $v=\dfrac{y}{2}$이므로 $y=2v$, $x=u+v$이다. 야코비안은 $$\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}=\begin{vmatrix}x_u&x_v\\y_u&y_v\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}1&1\\0&2\end{vmatrix}=2$$이다.

원래 영역은 $0\le y\le4,\ \dfrac y2\le x\le1+\dfrac y2$인데, $x=\dfrac y2\Leftrightarrow u=0$, $x=1+\dfrac y2\Leftrightarrow u=1$이고 $y=2v$이므로 $y:0\to4$는 $v:0\to2$에 대응한다. 즉 $(u,v)$-영역은 $0\le u\le1,\ 0\le v\le2$인 직사각형이다.

피적분함수는 $\dfrac{2x-y}{2}=u$이므로 $$\int_0^4\int_{y/2}^{1+y/2}\frac{2x-y}{2}\,dx\,dy=\int_0^2\int_0^1u\cdot|2|\,du\,dv=2\int_0^2\left(\int_0^1u\,du\right)dv=2\cdot\frac12\cdot2=2$$이다.

English

Using the transformation $u=\dfrac{2x-y}{2}$, $v=\dfrac{y}{2}$, compute the following integral.

$$\int_0^4\int_{x=y/2}^{x=1+(y/2)}\frac{2x-y}{2}\,dx\,dy$$

Solution. Since $u=\dfrac{2x-y}{2}=x-\dfrac{y}{2}$ and $v=\dfrac{y}{2}$, we have $y=2v$ and $x=u+v$. The Jacobian is $$\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}=\begin{vmatrix}x_u&x_v\\y_u&y_v\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}1&1\\0&2\end{vmatrix}=2.$$

The original region is $0\le y\le4,\ \dfrac y2\le x\le1+\dfrac y2$. Since $x=\dfrac y2\Leftrightarrow u=0$ and $x=1+\dfrac y2\Leftrightarrow u=1$, and $y=2v$ so $y:0\to4$ corresponds to $v:0\to2$, the $(u,v)$-region is the rectangle $0\le u\le1,\ 0\le v\le2$.

Since the integrand is $\dfrac{2x-y}{2}=u$, $$\int_0^4\int_{y/2}^{1+y/2}\frac{2x-y}{2}\,dx\,dy=\int_0^2\int_0^1u\cdot|2|\,du\,dv=2\int_0^2\left(\int_0^1u\,du\right)dv=2\cdot\frac12\cdot2=2.$$

유제 06 변수변환·야코비안 적분
한국어

다음 적분을 계산하시오.

  1. $\displaystyle\int_0^1\int_0^{1-x}\sqrt{x+y}\,(y-2x)^2\,dy\,dx$
  2. $\displaystyle\int_1^2\int_{1/y}^y \sqrt{\frac{y}{x}}\,e^{\sqrt{xy}}\,dx\,dy$
  3. $\displaystyle\int_0^1\int_0^{2\sqrt{1-x}}\sqrt{x^2+y^2}\,dy\,dx$ (Hint. $x=u^2-v^2$, $y=2uv$)

풀이. (1) $s=x+y,\ t=y-2x$로 치환하면 $x=\dfrac{s-t}{3},\ y=\dfrac{2s+t}{3}$이고 야코비안은 $$\frac{\partial(x,y)}{\partial(s,t)}=\begin{vmatrix}\frac13&-\frac13\\[2pt]\frac23&\frac13\end{vmatrix}=\frac19+\frac29=\frac13$$이다. 영역 $0\le x,\ 0\le y,\ x+y\le1$에서, 고정된 $s=x+y\in[0,1]$에 대해 $x$가 $0$부터 $s$까지 움직일 때 $t=s-3x$는 $s$($x=0$)부터 $-2s$($x=s$)까지 움직이므로 $-2s\le t\le s$이다.

피적분함수 $\sqrt{x+y}(y-2x)^2=\sqrt s\,t^2$이므로 $$\int_0^1\int_0^{1-x}\sqrt{x+y}(y-2x)^2\,dy\,dx=\int_0^1\int_{-2s}^{s}\sqrt s\,t^2\cdot\frac13\,dt\,ds=\frac13\int_0^1\sqrt s\cdot\frac{s^3-(-8s^3)}{3}\,ds=\int_0^1s^{7/2}\,ds=\Big[\tfrac29s^{9/2}\Big]_0^1=\frac29$$이다.

(2) $y$를 고정하고 $w=\sqrt{xy}$로 치환하면 $x=\dfrac{w^2}{y}$, $dx=\dfrac{2w}{y}\,dw$이고 $\sqrt{\dfrac{y}{x}}=\dfrac{y}{w}$이다. $x=\dfrac1y$일 때 $w=1$, $x=y$일 때 $w=y$이므로 $$\int_{1/y}^{y}\sqrt{\frac yx}\,e^{\sqrt{xy}}\,dx=\int_1^{y}\frac yw\,e^w\cdot\frac{2w}{y}\,dw=2\int_1^ye^w\,dw=2(e^y-e)$$이다. 따라서 $$\int_1^2\int_{1/y}^y\sqrt{\frac yx}\,e^{\sqrt{xy}}\,dx\,dy=\int_1^22(e^y-e)\,dy=2\Big[e^y-ey\Big]_1^2=2\big((e^2-2e)-0\big)=2e^2-4e=2e(e-2)$$이다.

(3) 힌트대로 $x=u^2-v^2,\ y=2uv$ $(u,v\ge0)$로 치환하면 $x^2+y^2=(u^2+v^2)^2$이므로 $\sqrt{x^2+y^2}=u^2+v^2$이고, 야코비안은 $$\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}=\begin{vmatrix}2u&-2v\\2v&2u\end{vmatrix}=4u^2+4v^2=4(u^2+v^2)$$이다.

경계 곡선 $y=2\sqrt{1-x}$, 즉 $y^2=4(1-x)$를 대입하면 $$4u^2v^2+4(u^2-v^2)=4\ \Longleftrightarrow\ u^2(v^2+1)=v^2+1\ \Longleftrightarrow\ u^2=1\ \Longleftrightarrow\ u=1$$이 되어, 이 곡선 전체가 $u=1$에 대응한다. 또 $y=0$은 $v=0$에, $x=0$은 $u=v$에 대응한다. 따라서 원래 영역 $\{0\le x\le1,\ 0\le y\le2\sqrt{1-x}\}$은 $(u,v)$-평면에서 세 꼭짓점이 $(0,0),(1,0),(1,1)$인 삼각형 $0\le v\le u\le1$에 대응한다.

피적분함수와 야코비안의 곱은 $(u^2+v^2)\cdot4(u^2+v^2)=4(u^2+v^2)^2$이므로 $$\int_0^1\int_0^{2\sqrt{1-x}}\sqrt{x^2+y^2}\,dy\,dx=\int_0^1\int_0^u4(u^2+v^2)^2\,dv\,du$$이다. 안쪽 적분은 $$\int_0^u4(u^4+2u^2v^2+v^4)\,dv=4\left(u^5+\frac23u^5+\frac15u^5\right)=4\cdot\frac{28}{15}u^5=\frac{112}{15}u^5$$이므로 $$\int_0^1\frac{112}{15}u^5\,du=\frac{112}{15}\cdot\frac16=\frac{56}{45}$$이다.

English

Compute the following.

  1. $\displaystyle\int_0^1\int_0^{1-x}\sqrt{x+y}\,(y-2x)^2\,dy\,dx$
  2. $\displaystyle\int_1^2\int_{1/y}^y \sqrt{\frac{y}{x}}\,e^{\sqrt{xy}}\,dx\,dy$
  3. $\displaystyle\int_0^1\int_0^{2\sqrt{1-x}}\sqrt{x^2+y^2}\,dy\,dx$ (Hint. $x=u^2-v^2$, $y=2uv$)

Solution. (1) Substituting $s=x+y,\ t=y-2x$, so $x=\dfrac{s-t}{3},\ y=\dfrac{2s+t}{3}$, the Jacobian is $$\frac{\partial(x,y)}{\partial(s,t)}=\begin{vmatrix}\frac13&-\frac13\\[2pt]\frac23&\frac13\end{vmatrix}=\frac19+\frac29=\frac13.$$ On the region $0\le x,\ 0\le y,\ x+y\le1$, for fixed $s=x+y\in[0,1]$, as $x$ ranges from $0$ to $s$, $t=s-3x$ ranges from $s$ (at $x=0$) to $-2s$ (at $x=s$), so $-2s\le t\le s$.

Since the integrand is $\sqrt{x+y}(y-2x)^2=\sqrt s\,t^2$, $$\int_0^1\int_0^{1-x}\sqrt{x+y}(y-2x)^2\,dy\,dx=\int_0^1\int_{-2s}^{s}\sqrt s\,t^2\cdot\frac13\,dt\,ds=\frac13\int_0^1\sqrt s\cdot\frac{s^3-(-8s^3)}{3}\,ds=\int_0^1s^{7/2}\,ds=\Big[\tfrac29s^{9/2}\Big]_0^1=\frac29.$$

(2) Fixing $y$ and substituting $w=\sqrt{xy}$, so $x=\dfrac{w^2}{y}$, $dx=\dfrac{2w}{y}\,dw$, and $\sqrt{\dfrac{y}{x}}=\dfrac{y}{w}$. When $x=\dfrac1y$, $w=1$; when $x=y$, $w=y$. So $$\int_{1/y}^{y}\sqrt{\frac yx}\,e^{\sqrt{xy}}\,dx=\int_1^{y}\frac yw\,e^w\cdot\frac{2w}{y}\,dw=2\int_1^ye^w\,dw=2(e^y-e).$$ Hence $$\int_1^2\int_{1/y}^y\sqrt{\frac yx}\,e^{\sqrt{xy}}\,dx\,dy=\int_1^22(e^y-e)\,dy=2\Big[e^y-ey\Big]_1^2=2\big((e^2-2e)-0\big)=2e^2-4e=2e(e-2).$$

(3) Following the hint, substitute $x=u^2-v^2,\ y=2uv$ $(u,v\ge0)$. Then $x^2+y^2=(u^2+v^2)^2$, so $\sqrt{x^2+y^2}=u^2+v^2$, and the Jacobian is $$\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}=\begin{vmatrix}2u&-2v\\2v&2u\end{vmatrix}=4u^2+4v^2=4(u^2+v^2).$$

Substituting into the boundary curve $y=2\sqrt{1-x}$, i.e., $y^2=4(1-x)$, gives $$4u^2v^2+4(u^2-v^2)=4\ \Longleftrightarrow\ u^2(v^2+1)=v^2+1\ \Longleftrightarrow\ u^2=1\ \Longleftrightarrow\ u=1,$$ so this entire curve corresponds to $u=1$. Also $y=0$ corresponds to $v=0$, and $x=0$ corresponds to $u=v$. Hence the original region $\{0\le x\le1,\ 0\le y\le2\sqrt{1-x}\}$ corresponds, in the $(u,v)$-plane, to the triangle $0\le v\le u\le1$ with vertices $(0,0),(1,0),(1,1)$.

Since the product of the integrand and the Jacobian is $(u^2+v^2)\cdot4(u^2+v^2)=4(u^2+v^2)^2$, $$\int_0^1\int_0^{2\sqrt{1-x}}\sqrt{x^2+y^2}\,dy\,dx=\int_0^1\int_0^u4(u^2+v^2)^2\,dv\,du.$$ The inner integral is $$\int_0^u4(u^4+2u^2v^2+v^4)\,dv=4\left(u^5+\frac23u^5+\frac15u^5\right)=4\cdot\frac{28}{15}u^5=\frac{112}{15}u^5,$$ so $$\int_0^1\frac{112}{15}u^5\,du=\frac{112}{15}\cdot\frac16=\frac{56}{45}.$$

문제 · Problems

문제 01 반복적분과 이계 편도함수
한국어

$f(x,y)$가 직사각형 영역 $R:a\le x\le b,\ c\le y\le d$에서 연속이라고 하자. 함수

$$F(x,y)=\int_a^x\int_c^y f(u,v)\,dv\,du$$

에 대해 $F_{xy}$와 $F_{yx}$를 구하시오.

English

Suppose $f(x,y)$ is continuous on the rectangular region $R:a\le x\le b,\ c\le y\le d$. For the function

$$F(x,y)=\int_a^x\int_c^y f(u,v)\,dv\,du$$

find $F_{xy}$ and $F_{yx}$.

문제 02 최댓값 지수함수의 적분
한국어

다음을 계산하시오. (단, $a,b>0$이고 $\max(X,Y)$는 $X,Y$ 중 작지 않은 수)

$$\int_0^a\int_0^b e^{\max(b^2x^2,\,a^2y^2)}\,dy\,dx$$
English

Compute the following. (Here $a,b>0$, and $\max(X,Y)$ denotes the larger of $X$ and $Y$.)

$$\int_0^a\int_0^b e^{\max(b^2x^2,\,a^2y^2)}\,dy\,dx$$
문제 03 특이적분 계산
한국어

다음 적분을 계산하시오.

  1. $\displaystyle\int_0^2 (\tan^{-1}\pi x-\tan^{-1}x)\,dx$
  2. $\displaystyle\int_0^\infty \frac{e^{-ax}-e^{-bx}}{x}\,dx$ $(0\lt a\lt b)$
English

Compute the following.

  1. $\displaystyle\int_0^2 (\tan^{-1}\pi x-\tan^{-1}x)\,dx$
  2. $\displaystyle\int_0^\infty \frac{e^{-ax}-e^{-bx}}{x}\,dx$ $(0\lt a\lt b)$
문제 04 합성곱 적분 항등식
한국어

다음이 성립함을 보이시오.

$$\int_0^1 f(x)\left(\int_0^x g(x-y)f(y)\,dy\right)dx=\frac{1}{2}\int_0^1\int_0^1 g(|x-y|)f(x)f(y)\,dx\,dy$$
English

Show that the following holds.

$$\int_0^1 f(x)\left(\int_0^x g(x-y)f(y)\,dy\right)dx=\frac{1}{2}\int_0^1\int_0^1 g(|x-y|)f(x)f(y)\,dx\,dy$$
문제 05 적분을 최대로 하는 영역
한국어

적분 $\displaystyle\iint_R(4-x^2-2y^2)\,dA$의 값이 최대가 되도록 하는 영역 $R$을 구하시오.

English

Find the region $R$ that maximizes the value of the integral $\displaystyle\iint_R(4-x^2-2y^2)\,dA$.

문제 06 가우스 적분
한국어

$\displaystyle I=\int_0^\infty e^{-x^2}\,dx$라 하자.

  1. $\displaystyle I^2=\int_0^\infty\int_0^\infty e^{-(x^2+y^2)}\,dx\,dy$임을 보이시오.
  2. $I$의 값을 계산하시오.
English

Let $\displaystyle I=\int_0^\infty e^{-x^2}\,dx$.

  1. Show that $\displaystyle I^2=\int_0^\infty\int_0^\infty e^{-(x^2+y^2)}\,dx\,dy$.
  2. Compute the value of $I$.
문제 07 감마함수의 값
한국어

감마함수(Gamma function)은 $\displaystyle\Gamma(x)=\int_0^\infty t^{x-1}e^{-t}\,dt$로 정의된다. $\Gamma(1/2)$의 값을 구하시오.

English

The Gamma function is defined by $\displaystyle\Gamma(x)=\int_0^\infty t^{x-1}e^{-t}\,dt$. Find the value of $\Gamma(1/2)$.

문제 08 거리 제곱의 평균값
한국어

반지름의 길이가 $a$인 원 내부에 점 $P_0$가 고정되어 있다. 원의 중심으로부터 점 $P_0$까지의 거리를 $h$라 하자. 원 내부의 점 $P$와 $P_0$ 까지의 거리를 $d$라 할 때 $d^2$의 평균값을 구하시오.

English

A point $P_0$ is fixed inside a circle of radius $a$. Let $h$ be the distance from the center of the circle to the point $P_0$. For a point $P$ inside the circle, let $d$ be the distance from $P$ to $P_0$. Find the average value of $d^2$.

문제 09 극좌표 로그적분 증명
한국어

상수 $a>0$, $0\lt\beta\lt\pi/2$에 대해 다음이 성립함을 보이시오.

$$\int_0^{a\sin\beta}\int_{y\cot\beta}^{\sqrt{a^2-y^2}}\ln(x^2+y^2)\,dx\,dy=a^2\beta\left(\ln a-\frac{1}{2}\right)$$
English

Show that the following holds for a constant $a>0$ and $0\lt\beta\lt\pi/2$.

$$\int_0^{a\sin\beta}\int_{y\cot\beta}^{\sqrt{a^2-y^2}}\ln(x^2+y^2)\,dx\,dy=a^2\beta\left(\ln a-\frac{1}{2}\right)$$
문제 10 이차형식 가우스 적분
한국어

$\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\int_{-\infty}^\infty e^{-(ax^2+2hxy+cy^2)}\,dx\,dy=1$을 만족하기 위한 $a,b,c$ 사이의 관계식을 찾으시오.

English

Find the relation among $a,b,c$ such that $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty\int_{-\infty}^\infty e^{-(ax^2+2hxy+cy^2)}\,dx\,dy=1$.

문제 11 적분으로 정의된 함수의 미분 (임용12-23)
한국어

양의 실수 $t$에 대하여 함수 $f$를 $\displaystyle f(t)=\int_0^{\sqrt{t}}\int_y^{\sqrt{t}}\frac{1}{2+\sin(x^2)}\,dx\,dy$로 정의할 때, $f'\left(\dfrac{\pi}{2}\right)$의 값은?

① $\dfrac{1}{6}$     ② $\dfrac{1}{5}$     ③ $\dfrac{1}{4}$     ④ $\dfrac{1}{3}$     ⑤ $\dfrac{1}{2}$

English

For a positive real number $t$, define the function $f$ by $\displaystyle f(t)=\int_0^{\sqrt{t}}\int_y^{\sqrt{t}}\frac{1}{2+\sin(x^2)}\,dx\,dy$. What is the value of $f'\left(\dfrac{\pi}{2}\right)$?

① $\dfrac{1}{6}$     ② $\dfrac{1}{5}$     ③ $\dfrac{1}{4}$     ④ $\dfrac{1}{3}$     ⑤ $\dfrac{1}{2}$

문제 12 적분 순서를 바꾸는 계산 (임용14A-기7)
한국어

반복적분 $\displaystyle\int_0^1\int_{\sqrt{y}}^1 7y^2\sin(x^7)\,dx\,dy$의 값을 구하시오.

English

Find the value of the iterated integral $\displaystyle\int_0^1\int_{\sqrt{y}}^1 7y^2\sin(x^7)\,dx\,dy$.

문제 13 조각함수의 반복적분 (임용16A-5)
한국어

좌표평면에서 영역 $D$가 $D=\{(x,y)\in\mathbb{R}^2\mid 0\le x\le 2,\ 0\le y\le 9\}$일 때, 함수 $f:D\to\mathbb{R}$를 다음과 같이 정의하자.

$$f(x,y)=\begin{cases}y & (y\ge\sin\sqrt{x})\\[4pt] \sin\sqrt{x} & (y\lt\sin\sqrt{x})\end{cases}$$

두 반복적분의 합 $\displaystyle\int_0^2\int_0^9 f(x,y)\,dy\,dx+\int_0^2\int_0^{\sin\sqrt{x}}(y-\sin\sqrt{x})\,dy\,dx$의 값을 구하시오.

English

In the coordinate plane, let the region $D$ be $D=\{(x,y)\in\mathbb{R}^2\mid 0\le x\le 2,\ 0\le y\le 9\}$, and define the function $f:D\to\mathbb{R}$ by the following.

$$f(x,y)=\begin{cases}y & (y\ge\sin\sqrt{x})\\[4pt] \sin\sqrt{x} & (y\lt\sin\sqrt{x})\end{cases}$$

Find the value of the sum of the two iterated integrals $\displaystyle\int_0^2\int_0^9 f(x,y)\,dy\,dx+\int_0^2\int_0^{\sin\sqrt{x}}(y-\sin\sqrt{x})\,dy\,dx$.

문제 14 극좌표와 바닥함수 적분 (임용21A-5)
한국어

함수 $f(x,y)=\dfrac{x^2}{\left(\sqrt{x^2+y^2}\right)^3}$에 대하여 다음 적분의 값을 풀이 과정과 함께 쓰시오.

$$\int_{\frac{1}{\sqrt{2}}}^1\int_{\sqrt{1-y^2}}^y \left(f(x,y)-\lfloor x+y\rfloor\right)dx\,dy+\int_1^{\sqrt{2}}\int_0^y f(x,y)\,dx\,dy+\int_{\sqrt{2}}^2\int_0^{\sqrt{4-y^2}}f(x,y)\,dx\,dy$$

(단, $\lfloor x\rfloor$는 $x$보다 크지 않은 최대 정수이다.)

English

For the function $f(x,y)=\dfrac{x^2}{\left(\sqrt{x^2+y^2}\right)^3}$, write the value of the following integral together with the solution process.

$$\int_{\frac{1}{\sqrt{2}}}^1\int_{\sqrt{1-y^2}}^y \left(f(x,y)-\lfloor x+y\rfloor\right)dx\,dy+\int_1^{\sqrt{2}}\int_0^y f(x,y)\,dx\,dy+\int_{\sqrt{2}}^2\int_0^{\sqrt{4-y^2}}f(x,y)\,dx\,dy$$

(Here $\lfloor x\rfloor$ denotes the greatest integer not exceeding $x$.)

문제 15 적분 순서 바꾸기 (임용17A-4)
한국어

좌표평면에서 영역 $D$가 $D=\{(x,y)\in\mathbb{R}^2\mid 0\le x\le 1,\ 0\le y\le x^2\}$일 때, 중적분 $\displaystyle\iint_D 3\cos(x^3)\,dA$의 값을 구하시오.

English

In the coordinate plane, let the region $D$ be $D=\{(x,y)\in\mathbb{R}^2\mid 0\le x\le 1,\ 0\le y\le x^2\}$. Find the value of the multiple integral $\displaystyle\iint_D 3\cos(x^3)\,dA$.

문제 16 극좌표 이중적분 (임용11-28)
한국어

좌표평면에서 영역 $D=\{(x,y)\mid x^2+y^2\le 1\}$일 때, 다음 이중적분의 값은?

$$\iint_D \frac{|y|}{\sqrt{(x-2)^2+y^2}}\,dx\,dy$$

① $\dfrac{1}{6}$     ② $\dfrac{1}{3}$     ③ $\dfrac{1}{2}$     ④ $\dfrac{2}{3}$     ⑤ $\dfrac{5}{6}$

English

In the coordinate plane, let the region $D$ be $D=\{(x,y)\mid x^2+y^2\le 1\}$. What is the value of the following double integral?

$$\iint_D \frac{|y|}{\sqrt{(x-2)^2+y^2}}\,dx\,dy$$

① $\dfrac{1}{6}$     ② $\dfrac{1}{3}$     ③ $\dfrac{1}{2}$     ④ $\dfrac{2}{3}$     ⑤ $\dfrac{5}{6}$

문제 17 바닥함수 적분의 극한 (임용19A-4)
한국어

좌표평면에서 자연수 $n$에 대하여 영역 $D_n$이 $D_n=\{(x,y)\in\mathbb{R}^2\mid (x-y)^2+x^2\le n\}$일 때, 다음 극한값을 구하시오.

$$\lim_{n\to\infty}\iint_{D_n}e^{-\lfloor(x-y)^2+x^2\rfloor}\,dx\,dy$$

(단, $\lfloor x\rfloor$는 $x$보다 크지 않은 최대 정수이다.)

English

In the coordinate plane, for a natural number $n$, let the region $D_n$ be $D_n=\{(x,y)\in\mathbb{R}^2\mid (x-y)^2+x^2\le n\}$. Find the value of the following limit.

$$\lim_{n\to\infty}\iint_{D_n}e^{-\lfloor(x-y)^2+x^2\rfloor}\,dx\,dy$$

(Here $\lfloor x\rfloor$ denotes the greatest integer not exceeding $x$.)

문제 18 극좌표 적분과 극한 (임용22A-2)
한국어

실수 $t$에 대하여 $\displaystyle g(t)=\frac{1}{\pi}\iint_D (x^2+y^2+1)^t\,dx\,dy$라 할 때, $g(-2)$와 $\displaystyle\lim_{t\to 0}g(t)^{\frac{1}{t}}$의 값을 순서대로 쓰시오. (단, $D=\{(x,y)\in\mathbb{R}^2:x^2+y^2\le 1\}$이다.)

English

For a real number $t$, let $\displaystyle g(t)=\frac{1}{\pi}\iint_D (x^2+y^2+1)^t\,dx\,dy$. Write the values of $g(-2)$ and $\displaystyle\lim_{t\to 0}g(t)^{\frac{1}{t}}$, in that order. (Here $D=\{(x,y)\in\mathbb{R}^2:x^2+y^2\le 1\}$.)

문제 19 영역의 넓이와 미분 (임용24A-7)
한국어

좌표평면의 영역 $D(t)=\{(x,y):x\ge 0,\ y\ge 0,\ x^2+y^2\le 1,\ x+y\ge t\}$ $(0\le t\le 1)$과 함수 $f(x,y)=\sqrt{|8x^2+8y^2-1|}$에 대하여 $\displaystyle g(t)=\iint_{D(t)}f(x,y)\,dx\,dy$라 하자. $g(0)$과 $g'\left(\dfrac{1}{2}\right)$의 값을 풀이 과정과 함께 쓰시오.

English

In the coordinate plane, let the region $D(t)=\{(x,y):x\ge 0,\ y\ge 0,\ x^2+y^2\le 1,\ x+y\ge t\}$ $(0\le t\le 1)$ and the function $f(x,y)=\sqrt{|8x^2+8y^2-1|}$. Let $\displaystyle g(t)=\iint_{D(t)}f(x,y)\,dx\,dy$. Write the values of $g(0)$ and $g'\left(\dfrac{1}{2}\right)$ together with the solution process.

문제 20 변수변환 이중적분 (임용18A-4)
한국어

좌표평면에서 영역 $A$가 $A=\{(x,y)\in\mathbb{R}^2\mid x\ge 0,\ y\ge 0,\ 1\le x+y\le 3\}$일 때, 변수변환 $2x=u+v,\ 2y=u-v$를 사용하여 중적분 $\displaystyle\iint_A \frac{1}{x+y}e^{\frac{x-y}{x+y}}\,dx\,dy$의 값을 구하시오.

English

In the coordinate plane, let the region $A$ be $A=\{(x,y)\in\mathbb{R}^2\mid x\ge 0,\ y\ge 0,\ 1\le x+y\le 3\}$. Using the transformation $2x=u+v,\ 2y=u-v$, find the value of the multiple integral $\displaystyle\iint_A \frac{1}{x+y}e^{\frac{x-y}{x+y}}\,dx\,dy$.