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L00b · 다변수 미적분

Arfken이 전제로 하는 계산 (책에 없는 선수 과정)

이 레슨이 끝나면 할 수 있는 계산
  1. 편미분과 고계·혼합 편미분 구하기
  2. 전미분으로 오차 어림하기, 기울기 벡터와 방향도함수 구하기, 음함수 미분 공식 쓰기
  3. 트리 그림으로 다변수 연쇄법칙 쓰기 (직교좌표 ↔ 극좌표 포함)
  4. 이중적분을 반복적분으로 계산하고, 영역을 그려 적분 순서 바꾸기
  5. 극좌표 이중적분, 원통·구면좌표 삼중적분 하기
  6. 넓이, 부피, 질량, 무게중심, 관성모멘트 구하기

Arfken은 편미분과 다중적분을 자유롭게 쓴다고 보고 시작합니다. 이 레슨은 그 계산을 처음부터 한 단계씩 익힙니다. 1변수 미분·적분 기법은 L00a의 것을 그대로 씁니다.

이 레슨의 관례

0. 외워 둘 공식

항목공식
편미분다른 변수는 상수로 보고 한 변수로만 미분
혼합 편미분$f_{xy}=f_{yx}$ (2계 편도함수가 연속일 때)
전미분$df=f_x\,dx+f_y\,dy+f_z\,dz$, $\ \Delta f\approx df$
기울기$\nabla f=(f_x,\,f_y,\,f_z)$
방향도함수 $D_{\hat{\mathbf u}}f=\nabla f\cdot\hat{\mathbf u}$
음함수 미분$F(x,y)=0$이면 $\dfrac{dy}{dx}=-\dfrac{F_x}{F_y}$
$F(x,y,z)=0$이면 $\dfrac{\partial z}{\partial x}=-\dfrac{F_x}{F_z}$
연쇄법칙$\dfrac{\partial f}{\partial s}=\dfrac{\partial f}{\partial x}\dfrac{\partial x}{\partial s}+\dfrac{\partial f}{\partial y}\dfrac{\partial y}{\partial s}$
극좌표$x=r\cos\theta$, $y=r\sin\theta$, $x^2+y^2=r^2$
$dA=r\,dr\,d\theta$
원통좌표$x=\rho\cos\varphi$, $y=\rho\sin\varphi$, $z=z$
$dV=\rho\,d\rho\,d\varphi\,dz$
구면좌표$x=r\sin\theta\cos\varphi$, $y=r\sin\theta\sin\varphi$
$z=r\cos\theta$
$dV=r^2\sin\theta\,dr\,d\theta\,d\varphi$
질량·무게중심$M=\iint\sigma\,dA$, $\ \bar x=\dfrac1M\iint x\,\sigma\,dA$
관성모멘트$I=\int d^2\,dm$ ($d$는 회전축까지의 거리)
$z$축이면 $d^2=x^2+y^2$
외워 둘 결과구의 부피 $\frac43\pi R^3$
원판(중심축) $I=\frac12MR^2$, 속이 찬 구 $I=\frac25MR^2$

삼중적분에서 자주 나오는 1차원 적분: $\int_0^\pi\sin\theta\,d\theta=2$, $\ \int_0^\pi\sin^3\theta\,d\theta=\frac43$, $\ \int_0^\pi\cos^2\theta\sin\theta\,d\theta=\frac23$.

1. 편미분과 고계 편미분

레시피
  1. $f_x$를 구할 때는 $y$(와 $z$)를 숫자처럼 봅니다. 그리고 1변수 미분 규칙을 그대로 씁니다. $y$만 있는 항은 상수이므로 미분하면 0입니다.
  2. 고계 편미분은 한 번 편미분한 결과를 다시 편미분합니다. 2변수 함수의 2계 편도함수는 $f_{xx}$, $f_{xy}$, $f_{yx}$, $f_{yy}$ 네 개입니다.
  3. 혼합 편미분의 교환: 매끄러운 함수는 $f_{xy}=f_{yx}$입니다(클레로 정리, Clairaut's theorem). 그래서 둘 다 구해서 같은지 보면 계산 검산이 됩니다. 한쪽 순서가 더 쉬우면 그 순서로 미분해도 됩니다.
왜 되나? (증명 스케치)

작은 직사각형의 네 꼭짓점에서 $f$ 값을 $P=f(x,y)$, $Q=f(x+h,y)$, $R=f(x,y+k)$, $S=f(x+h,y+k)$로 줄여 씁니다. 그리고 더하고 빼는 양 하나를 봅니다.

$$\Delta=S-Q-R+P$$

$x$끼리 먼저 묶기: $\Delta=(S-R)-(Q-P)$. 괄호마다 $x$만 $h$ 바뀌므로 $S-R\approx h\,f_x(x,y+k)$, $Q-P\approx h\,f_x(x,y)$입니다. 그 둘의 차이는 $f_x$에서 $y$만 $k$ 바뀐 것이라 $\Delta\approx hk\,f_{xy}$입니다.

$y$끼리 먼저 묶기: $\Delta=(S-Q)-(R-P)$. 같은 방법으로 $\Delta\approx hk\,f_{yx}$입니다.

같은 $\Delta$를 두 순서로 어림했으므로 $f_{xy}=f_{yx}$입니다. "$\approx$"가 극한에서 정확해지려면 2계 편도함수가 연속이어야 합니다(엄밀한 증명은 생략).

예제 1-1 $f(x,y)=x^3y^2+\sin(xy)$의 1계·2계 편도함수

$f_x$: $y$를 상수로 봅니다. $x^3y^2$은 $3x^2y^2$이 됩니다. $\sin(xy)$는 안쪽이 $xy$인 연쇄법칙이고, 안쪽을 $x$로 미분하면 $y$입니다.

$$f_x=3x^2y^2+y\cos(xy)$$

$f_y$: 이번에는 $x$를 상수로 봅니다. 안쪽 $xy$를 $y$로 미분하면 $x$입니다.

$$f_y=2x^3y+x\cos(xy)$$

$f_{xx}$: $f_x$를 다시 $x$로 미분합니다. $y\cos(xy)$에서 $y$는 상수 계수입니다.

$$f_{xx}=6xy^2-y^2\sin(xy)$$

$f_{xy}$: $f_x$를 $y$로 미분합니다. 둘째 항 $y\cos(xy)$는 $y$의 곱이므로 곱의 규칙을 씁니다: $1\cdot\cos(xy)+y\cdot(-\sin(xy))\cdot x$.

$$f_{xy}=6x^2y+\cos(xy)-xy\sin(xy)$$

$f_{yx}$ (검산): $f_y$를 $x$로 미분합니다. $x\cos(xy)$에 곱의 규칙: $1\cdot\cos(xy)+x\cdot(-\sin(xy))\cdot y$.

$$f_{yx}=6x^2y+\cos(xy)-xy\sin(xy)$$

$f_{xy}=f_{yx}$입니다. 마지막으로 $f_{yy}=2x^3-x^2\sin(xy)$입니다.

2. 전미분, 오차 어림, 기울기 벡터, 음함수 미분

레시피
  1. 전미분(total differential): $df=f_x\,dx+f_y\,dy$. 변수가 조금씩($\Delta x$, $\Delta y$) 바뀌면 $\Delta f\approx f_x\Delta x+f_y\Delta y$입니다. 편도함수는 출발점에서 계산합니다.
  2. 오차 어림: 측정값에 오차 $\pm\Delta x$, $\pm\Delta y$가 있으면, 최악의 경우를 위해 절댓값끼리 더합니다: $|\Delta f|\le|f_x||\Delta x|+|f_y||\Delta y|$ (1차 근사).
  3. 곱·거듭제곱 꼴 $f=c\,x^ay^b$이면 상대오차가 간단합니다. 양변에 $\ln$을 취하고 미분한 결과입니다: $$\frac{\Delta f}{f}\approx a\frac{\Delta x}{x}+b\frac{\Delta y}{y}$$
  4. 기울기(gradient) $\nabla f=(f_x,f_y,f_z)$. 단위벡터 $\hat{\mathbf u}$ 방향의 변화율(방향도함수, directional derivative)은 $D_{\hat{\mathbf u}}f=\nabla f\cdot\hat{\mathbf u}$입니다(성분끼리 곱해 더함, 내적은 L00c 2절).
  5. $f$가 가장 빨리 커지는 방향은 $\nabla f$ 방향이고, 그 변화율은 $|\nabla f|$입니다. $\nabla f$는 등고선(등위면)에 수직입니다.
  6. 음함수 미분(implicit differentiation) 공식: 곡선 $F(x,y)=0$ 위에서 $y$를 $x$의 함수로 보면 $$\frac{dy}{dx}=-\frac{F_x}{F_y}\quad(F_y\ne0)$$ 곡면 $F(x,y,z)=0$에서 $z$를 $x$, $y$의 함수로 보면 $\dfrac{\partial z}{\partial x}=-\dfrac{F_x}{F_z}$, $\ \dfrac{\partial z}{\partial y}=-\dfrac{F_y}{F_z}$입니다. 편도함수는 그 점에서 계산하고, 앞의 마이너스를 잊지 않습니다. L00a 2절처럼 양변을 미분해도 같은 답이 나오지만, 이 공식이 더 빠릅니다.
왜 되나? (증명 스케치)

전미분. 점 $P_0=(x,y)$에서 $P_2=(x+\Delta x,\,y+\Delta y)$로 갈 때, 먼저 $x$ 방향으로만 가서 $P_1=(x+\Delta x,\,y)$에 들르고, 다음에 $y$ 방향으로만 간다고 생각합니다.

$$\begin{aligned}\Delta f&=\big[f(P_1)-f(P_0)\big]\\&\quad+\big[f(P_2)-f(P_1)\big]\\&\approx f_x\,\Delta x+f_y\,\Delta y\end{aligned}$$

대괄호마다 한 변수만 바뀌므로 1변수의 접선 근사입니다. (둘째 괄호의 $f_y$는 $P_1$에서 잰 값이지만, $\Delta x$가 작으면 $P_0$에서 잰 값과의 차이를 버립니다.)

기울기. 단위벡터 $\hat{\mathbf u}=(u_1,u_2)$ 방향으로 거리 $s$만큼 가면 $\Delta x=su_1$, $\Delta y=su_2$이므로 $\Delta f\approx s\,(f_xu_1+f_yu_2)=s\,\nabla f\cdot\hat{\mathbf u}$입니다. 내적은 $|\nabla f|\cos\phi$ ($\phi$는 사잇각)이므로 $\phi=0$일 때 가장 크고 $\phi=90^\circ$이면 0입니다. 등고선을 따라가면 $f$가 변하지 않으므로, 등고선 방향이 바로 $\phi=90^\circ$인 방향입니다. 그래서 $\nabla f$는 등고선에 수직입니다.

음함수 미분. 곡선 $F(x,y)=0$ 위를 움직이면 $F$는 계속 0이므로 $dF=F_x\,dx+F_y\,dy=0$입니다. $\dfrac{dy}{dx}$에 대해 풀면 $-\dfrac{F_x}{F_y}$. 곡면에서는 $y$를 고정하고($dy=0$) $F_x\,dx+F_z\,dz=0$을 풀면 $\dfrac{\partial z}{\partial x}=-\dfrac{F_x}{F_z}$입니다.

예제 2-1 (오차 어림) 원기둥 부피 $V=\pi r^2h$. 반지름 $r=3$ cm, 높이 $h=10$ cm를 쟀고, 오차는 $|\Delta r|\le0.02$ cm, $|\Delta h|\le0.05$ cm입니다. $V$의 최대 오차는?
예제 2-2 (기울기) $f(x,y)=x^2+3xy$, 점 $(1,2)$
예제 2-3 (음함수 미분) (가) L00a 예제 2-1의 곡선 $x^2+xy+y^2=7$, 점 $(1,2)$에서 $\dfrac{dy}{dx}$ (나) 타원면 $x^2+2y^2+3z^2=6$ 위의 점 $(1,1,1)$에서 $\dfrac{\partial z}{\partial x}$, $\dfrac{\partial z}{\partial y}$

(가) 모든 항을 한쪽으로 옮겨 $F=x^2+xy+y^2-7$로 둡니다.

(나) 먼저 점이 곡면 위에 있는지 봅니다: $1+2+3=6$. 맞습니다. $F=x^2+2y^2+3z^2-6$으로 둡니다.

검산: $z=\sqrt{(6-x^2-2y^2)/3}$로 풀어서 직접 미분하면 $\dfrac{\partial z}{\partial x}=-\dfrac{x}{3z}$입니다. 점에서 $-\dfrac13$으로 같습니다.

그림 표기로 보기: G7 4절 — $2\,dx+4\,dy+6\,dz=0$을 닫힌 삼각형으로 그리면 $-F_x/F_z$의 마이너스가 왜 붙는지 보입니다(고정 변수 표기는 L09 6절에서).

3. 다변수 연쇄법칙 — 트리 그림

레시피
  1. 트리 그리기: 맨 위에 $f$, 가운데 줄에 중간 변수($x$, $y$), 맨 아래에 최종 변수($r$, $\theta$)를 적습니다. 무엇이 무엇에 의존하는지 선으로 잇습니다(아래 그림).
  2. 각 선 옆에 그 선의 편도함수를 적습니다. $f$와 $x$ 사이 선에는 $\frac{\partial f}{\partial x}$, $x$와 $r$ 사이 선에는 $\frac{\partial x}{\partial r}$입니다.
  3. $\dfrac{\partial f}{\partial r}$을 구하려면 $f$에서 출발해 $r$에 닿는 모든 경로를 찾습니다. 경로마다 선 위의 도함수를 곱하고, 경로끼리 더합니다.
  4. 최종 변수가 하나($t$)뿐이면 $\partial$ 대신 $d$를 씁니다: $\dfrac{df}{dt}=f_x\dfrac{dx}{dt}+f_y\dfrac{dy}{dt}$.
  5. 마지막에 $x$, $y$를 최종 변수($r$, $\theta$)로 바꿔 둡니다.
fxyrθrθ ∂f/∂x∂f/∂ycosθ−r sinθsinθr cosθ 그림 A
왜 되나? (증명 스케치)

2절의 전미분에서 출발합니다. $f$의 변화는 $df=f_x\,dx+f_y\,dy$입니다. 그런데 $x$, $y$도 $r$, $\theta$의 함수이므로 그 변화도 전미분으로 씁니다.

$$\begin{aligned}dx&=x_r\,dr+x_\theta\,d\theta\\ dy&=y_r\,dr+y_\theta\,d\theta\end{aligned}$$

대입하고 $dr$끼리, $d\theta$끼리 묶습니다.

$$\begin{aligned}df&=(f_xx_r+f_yy_r)\,dr\\&\quad+(f_xx_\theta+f_yy_\theta)\,d\theta\end{aligned}$$

한편 $f$를 처음부터 $r$, $\theta$의 함수로 보면 $df=f_r\,dr+f_\theta\,d\theta$입니다. $dr$의 계수끼리 비교하면 $f_r=f_xx_r+f_yy_r$이고, $d\theta$도 같습니다. 트리 그림의 "경로마다 곱하고, 경로끼리 더하기"가 바로 이 대입과 묶기입니다. (엄밀하게는 $f$가 미분가능해야 하지만 생략합니다.)

예제 3-1 극좌표 $x=r\cos\theta$, $y=r\sin\theta$에서 $f(x,y)$의 $\dfrac{\partial f}{\partial r}$, $\dfrac{\partial f}{\partial\theta}$. 그리고 $f=x^2y$로 확인

아래쪽 선의 도함수를 먼저 구합니다.

경로를 따라 곱하고 더합니다. $f\to x\to r$ 경로와 $f\to y\to r$ 경로가 있습니다.

$$\begin{aligned}\frac{\partial f}{\partial r}&=f_x\cos\theta+f_y\sin\theta\\ \frac{\partial f}{\partial\theta}&=-f_x\,r\sin\theta+f_y\,r\cos\theta\end{aligned}$$

$f=x^2y$로 확인: $f_x=2xy=2r^2\cos\theta\sin\theta$, $\ f_y=x^2=r^2\cos^2\theta$.

$$\begin{aligned}\frac{\partial f}{\partial r}&=2r^2\cos\theta\sin\theta\cdot\cos\theta\\&\quad+r^2\cos^2\theta\cdot\sin\theta\\&=3r^2\cos^2\theta\sin\theta\end{aligned}$$ $$\begin{aligned}\frac{\partial f}{\partial \theta}&=-2r^2\cos\theta\sin\theta\cdot r\sin\theta\\&\quad+r^2\cos^2\theta\cdot r\cos\theta\\&=-2r^3\cos\theta\sin^2\theta\\&\quad+r^3\cos^3\theta\end{aligned}$$

직접 대입해도 같습니다: $f=r^3\cos^2\theta\sin\theta$이므로 $\partial_rf=3r^2\cos^2\theta\sin\theta$이고, $\theta$로 곱의 규칙을 쓰면 $\partial_\theta f=r^3(-2\cos\theta\sin^2\theta+\cos^3\theta)$입니다.

4. 이중적분 — 반복적분

레시피
  1. 영역 $D$를 그립니다. 경계 곡선과 교점을 표시합니다.
  2. $dy\,dx$ 순서라면 세로선을 하나 긋습니다. 세로선이 영역에 들어가는 곡선이 안쪽 적분의 아래 끝 $g_1(x)$, 나가는 곡선이 위 끝 $g_2(x)$입니다. 세로선이 움직이는 $x$ 범위가 바깥 적분의 범위입니다. $$\begin{aligned}&\iint_Df\,dA\\&=\int_a^b\Big[\int_{g_1(x)}^{g_2(x)}f(x,y)\,dy\Big]dx\end{aligned}$$
  3. 안쪽부터 적분합니다. 안쪽 적분 동안 바깥 변수 $x$는 상수입니다.
  4. 안쪽 결과에 위·아래 끝을 넣으면 $x$만 남습니다. 그것을 $a$부터 $b$까지 적분합니다. 바깥 적분의 범위는 언제나 상수입니다.
  5. 영역이 직사각형이고 $f=g(x)h(y)$이면 $\Big(\int g\,dx\Big)\Big(\int h\,dy\Big)$로 쪼개집니다.
y = xy = x²110 그림 B
예제 4-1 곡선 $y=x^2$와 직선 $y=x$로 둘러싸인 영역 $D$에서 $\displaystyle\iint_D xy\,dA$
  1. 교점: $x^2=x$에서 $x(x-1)=0$, 즉 $x=0$, $x=1$.
  2. 위·아래: $0<x<1$에서 어느 쪽이 위인지 한 점으로 확인합니다. $x=\frac12$이면 $x^2=\frac14<\frac12$. 그래서 아래가 $y=x^2$, 위가 $y=x$입니다(그림 B의 굵은 세로선).
  3. 적분 세우기: $$\int_0^1\int_{x^2}^{x}xy\,dy\,dx$$
  4. 안쪽($x$는 상수): $$\begin{aligned}\int_{x^2}^{x}xy\,dy&=x\Big[\frac{y^2}{2}\Big]_{x^2}^{x}\\&=x\cdot\frac{x^2-x^4}{2}\\&=\frac{x^3-x^5}{2}\end{aligned}$$
  5. 바깥: $$\begin{aligned}\int_0^1\frac{x^3-x^5}{2}\,dx&=\frac12\Big(\frac14-\frac16\Big)\\&=\frac12\cdot\frac1{12}=\frac1{24}\end{aligned}$$

5. 적분 순서 바꾸기

레시피
  1. 언제: 안쪽 적분을 기본함수로 할 수 없을 때입니다. 예: $\int e^{y^2}dy$, $\int\frac{\sin y}{y}dy$, $\int\sqrt{1+x^3}\,dx$. 순서를 바꾸면 쉬워지는 경우가 많습니다.
  2. 주어진 범위를 부등식 두 줄로 적습니다. 예: $0\le x\le1$, $\ x\le y\le1$.
  3. 그 부등식으로 영역을 그립니다. 경계선마다 식을 적고, 꼭짓점 좌표를 적습니다.
  4. 이번에는 가로선으로 자릅니다. 바깥 변수 $y$의 전체 범위(상수)를 읽고, 높이 $y$에서 가로선이 들어가는 곡선($x$의 왼쪽 끝)과 나가는 곡선($x$의 오른쪽 끝)을 $y$의 식으로 씁니다.
  5. 범위를 그냥 맞바꾸면 틀립니다. 반드시 그림에서 새로 읽습니다.
y = xy = 1x: 0 → y110 그림 C
왜 되나? (증명 스케치)

영역을 가로 $\Delta x$, 세로 $\Delta y$인 작은 칸으로 나누면, 이중적분은 칸마다 $f(x_i,y_j)\,\Delta x\,\Delta y$를 모두 더한 합의 극한입니다. 같은 칸들을 더하는 것이니 더하는 순서는 결과를 바꾸지 않습니다.

그래서 두 반복적분의 값이 같습니다(푸비니 정리, Fubini's theorem; 조건은 생략). 바뀌는 것은 "같은 영역을 어느 방향으로 잘라 읽는가"뿐입니다. 범위를 그림에서 새로 읽어야 하는 이유입니다.

예제 5-1 $\displaystyle\int_0^1\int_x^1e^{y^2}\,dy\,dx$
  1. $e^{y^2}$의 부정적분은 기본함수로 쓸 수 없습니다. 그래서 순서를 바꿉니다.
  2. 부등식: $0\le x\le1$, $\ x\le y\le1$.
  3. 영역: 직선 $y=x$의 위쪽, 직선 $y=1$의 아래쪽, $x=0$의 오른쪽입니다. 꼭짓점이 $(0,0)$, $(0,1)$, $(1,1)$인 삼각형입니다(그림 C).
  4. 가로로 자릅니다. $y$는 $0$부터 $1$까지입니다. 높이 $y$에서 가로선은 $x=0$에서 들어가 직선 $y=x$, 즉 $x=y$에서 나갑니다. 그래서 $0\le x\le y$. $$\int_0^1\int_0^{y}e^{y^2}\,dx\,dy$$
  5. 안쪽: $x$로 적분하는 동안 $e^{y^2}$는 상수입니다. $\int_0^ye^{y^2}dx=y\,e^{y^2}$.
  6. 바깥: $u=y^2$, $du=2y\,dy$, 범위 $0\to1$. $$\begin{aligned}\int_0^1y\,e^{y^2}\,dy&=\frac12\int_0^1e^u\,du\\&=\frac{e-1}{2}\end{aligned}$$

6. 극좌표 이중적분

레시피
  1. 언제: 영역이 원, 원환(도넛), 부채꼴이거나, 피적분함수에 $x^2+y^2$이 있을 때입니다.
  2. 바꾸기: $x=r\cos\theta$, $y=r\sin\theta$, $x^2+y^2=r^2$, 그리고 $dA=dx\,dy$ 자리에 $r\,dr\,d\theta$. $r$ 하나를 꼭 곱합니다. 작은 조각이 대략 가로 $dr$, 세로 $r\,d\theta$인 직사각형이기 때문입니다(아래 상자, 일반적인 방법은 L09).
  3. 범위: 원점 중심 반지름 $a$인 원판은 $0\le r\le a$, $0\le\theta\le2\pi$. 1사분면만이면 $0\le\theta\le\frac\pi2$. 원환은 $a\le r\le b$.
  4. 범위가 상수이고 피적분함수가 ($r$만의 함수)×($\theta$만의 함수)이면 두 1차원 적분의 곱으로 쪼갭니다.
왜 되나? (증명 스케치)

$r$을 $dr$만큼, $\theta$를 $d\theta$만큼 늘려 생기는 작은 조각은 부채꼴 두 개의 차이입니다. 반지름 $r$, 중심각 $d\theta$인 부채꼴의 넓이는 $\frac12r^2\,d\theta$이므로

$$\begin{aligned}dA&=\tfrac12(r+dr)^2d\theta-\tfrac12r^2d\theta\\&=r\,dr\,d\theta+\tfrac12(dr)^2d\theta\end{aligned}$$

마지막 항은 작은 양 세 개의 곱이라 버립니다. 그래서 $dA=r\,dr\,d\theta$입니다. 모양으로는 반지름 방향 변이 $dr$, 둘레 방향 변이 호의 길이 $r\,d\theta$인 거의 직사각형입니다. 원점에서 멀수록 같은 $d\theta$가 더 긴 호를 만들어서 $r$이 붙습니다.

확인: 반지름 $a$인 원판에서 $\int_0^{2\pi}\!\int_0^ar\,dr\,d\theta=\pi a^2$입니다. $r$을 빠뜨리면 $2\pi a$가 나와 단위(길이)부터 틀립니다.

예제 6-1 원판 $x^2+y^2\le a^2$에서 $\displaystyle\iint e^{-(x^2+y^2)}\,dA$. 그리고 $a\to\infty$
  1. 원판이고 $x^2+y^2$이 보이므로 극좌표입니다. $e^{-(x^2+y^2)}=e^{-r^2}$. $$\int_0^{2\pi}\int_0^ae^{-r^2}\,r\,dr\,d\theta$$
  2. 안쪽: $u=r^2$, $du=2r\,dr$, 범위 $0\to a^2$. 덧붙은 $r$ 덕분에 치환이 됩니다. $$\begin{aligned}\int_0^ae^{-r^2}r\,dr&=\frac12\int_0^{a^2}e^{-u}\,du\\&=\frac12\big(1-e^{-a^2}\big)\end{aligned}$$
  3. 바깥: $\theta$에 대한 함수가 없으므로 $2\pi$를 곱합니다. 결과는 $\pi\big(1-e^{-a^2}\big)$.
  4. $a\to\infty$이면 $e^{-a^2}\to0$이므로 평면 전체 적분은 $\pi$입니다.

덤: 평면 전체 적분은 직교좌표로 쓰면 $\int\!\!\int e^{-x^2}e^{-y^2}dx\,dy=\Big(\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^2}dx\Big)^2$입니다. 그래서 $\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^2}dx=\sqrt\pi$. L03의 가우스 적분이 이렇게 나옵니다.

7. 삼중적분 — 직교·원통·구면좌표

레시피
  1. 직교좌표: 상자 모양이나 평면으로 둘러싸인 입체. $dV=dx\,dy\,dz$. 범위는 이중적분과 같은 방법으로 안쪽부터 정합니다.
  2. 원통좌표 $(\rho,\varphi,z)$: $z$축 둘레로 둥근 입체(원기둥, 원뿔, 포물면). $dV=\rho\,d\rho\,d\varphi\,dz$. $x^2+y^2=\rho^2$입니다.
  3. 구면좌표 $(r,\theta,\varphi)$: 구, 구 껍질, 원뿔($\theta=$상수). $dV=r^2\sin\theta\,dr\,d\theta\,d\varphi$. 구 전체의 범위는 $0\le r\le R$, $0\le\theta\le\pi$, $0\le\varphi\le2\pi$입니다. $z\ge0$인 반구는 $0\le\theta\le\frac\pi2$입니다.
  4. 이 부피요소가 왜 이런 모양인지는 아래 상자에서 작은 상자의 세 변으로 보입니다. 일반적인 방법(척도인자, 야코비안)은 L09에서 다룹니다.
  5. 범위가 모두 상수이고 피적분함수가 각 변수 함수의 곱이면, 세 1차원 적분의 곱이 됩니다.
왜 되나? (증명 스케치)

세 좌표를 각각 조금씩 늘리면 거의 직육면체인 작은 상자가 생깁니다. 상자의 세 변의 길이를 곱하면 부피요소입니다.

$$\begin{aligned}dV&=dr\cdot r\,d\theta\cdot r\sin\theta\,d\varphi\\&=r^2\sin\theta\,dr\,d\theta\,d\varphi\end{aligned}$$

$\sin\theta$는 북극·남극 근처에서 위선이 짧아지는 효과입니다. 세 변이 서로 수직이라서 그냥 곱하면 됩니다. 확인: 예제 7-1처럼 구의 부피 $\frac43\pi R^3$이 나옵니다.

예제 7-1 (구면좌표) 반지름 $R$인 구의 부피

구 전체이므로 범위가 모두 상수입니다. 피적분함수 1에 부피요소를 곱합니다.

$$V=\int_0^{2\pi}\int_0^\pi\int_0^Rr^2\sin\theta\,dr\,d\theta\,d\varphi$$

세 적분의 곱으로 쪼갭니다.

$$V=\frac{R^3}{3}\cdot2\cdot2\pi=\frac43\pi R^3$$
예제 7-2 (원통좌표) 포물면 $z=x^2+y^2$과 평면 $z=4$ 사이의 부피
  1. $z$축 둘레로 둥근 입체이므로 원통좌표입니다. 포물면은 $z=\rho^2$이 됩니다.
  2. 범위: 두 면이 만나는 곳은 $\rho^2=4$, 즉 $\rho=2$. 그래서 $0\le\rho\le2$, $0\le\varphi\le2\pi$이고, 높이는 포물면에서 평면까지 $\rho^2\le z\le4$입니다. $$V=\int_0^{2\pi}\int_0^2\int_{\rho^2}^4\rho\,dz\,d\rho\,d\varphi$$
  3. $z$ 적분: $\int_{\rho^2}^4\rho\,dz=\rho(4-\rho^2)=4\rho-\rho^3$.
  4. $\rho$ 적분: $\int_0^2(4\rho-\rho^3)\,d\rho=\Big[2\rho^2-\frac{\rho^4}{4}\Big]_0^2=8-4=4$.
  5. $\varphi$ 적분: $2\pi$를 곱합니다. $V=8\pi$.

8. 응용 — 넓이, 부피, 질량, 무게중심, 관성모멘트

레시피
  1. 넓이 $A=\iint_D1\,dA$. 부피 $V=\iiint1\,dV$, 또는 $\iint_D(\text{위 곡면}-\text{아래 곡면})\,dA$.
  2. 질량: 판은 $M=\iint\sigma\,dA$, 입체는 $M=\iiint\mu\,dV$.
  3. 무게중심(center of mass): $\bar x=\dfrac1M\iint x\,\sigma\,dA$, $\bar y$, $\bar z$도 같은 꼴입니다. 밀도가 균일하면 밀도가 약분되어 $\bar x=\dfrac1A\iint x\,dA$입니다.
  4. 대칭을 먼저 봅니다. 균일한 물체의 무게중심은 대칭축(대칭면) 위에 있습니다. 그 좌표는 계산 없이 정해집니다.
  5. 관성모멘트(moment of inertia): $I=\int d^2\,dm$, $d$는 회전축까지의 거리입니다. $z$축이 축이면 $d^2=x^2+y^2$이고, 이것은 극좌표 $r^2$, 원통좌표 $\rho^2$, 구면좌표 $r^2\sin^2\theta$입니다.
  6. 답은 마지막에 질량 $M$으로 나타냅니다. 균일하면 $\sigma=M/A$, $\mu=M/V$를 넣습니다.
왜 되나? (증명 스케치)

가중평균. 점 질량 $m_1,\dots,m_n$이 $x_1,\dots,x_n$에 있으면 무게중심은 $\bar x=\dfrac{\sum m_ix_i}{\sum m_i}$, 곧 질량으로 가중한 평균입니다. 받침점을 $\bar x$에 두면 돌림힘의 합 $\sum m_i(x_i-\bar x)g$가 0이 되어 균형을 이룹니다.

연속체. 작은 조각 $dm=\sigma\,dA$로 나누면 합이 적분이 됩니다: $\sum m_ix_i\to\iint x\,\sigma\,dA$, $\ \sum m_i\to M$.

대칭. 균일한 물체가 $y$축에 대해 대칭이면 $x$에 있는 조각마다 $-x$에 같은 조각이 있습니다. 그래서 $\iint x\,dA$가 짝끼리 지워져 $\bar x=0$입니다.

관성모멘트도 같은 방식입니다. 점 질량의 $I=md^2$를 조각마다 더하면 $\int d^2\,dm$입니다.

예제 8-1 (무게중심) 반지름 $a$인 균일한 반원판($y\ge0$)의 무게중심
  1. 대칭: 반원판은 $y$축에 대해 대칭이므로 $\bar x=0$입니다.
  2. 넓이: $A=\frac12\pi a^2$.
  3. $\iint y\,dA$를 극좌표로 계산합니다. $y=r\sin\theta$, 범위 $0\le r\le a$, $0\le\theta\le\pi$. $$\begin{aligned}&\iint y\,dA=\int_0^\pi\int_0^a(r\sin\theta)\,r\,dr\,d\theta\\&=\Big(\int_0^ar^2dr\Big)\Big(\int_0^\pi\sin\theta\,d\theta\Big)\\&=\frac{a^3}{3}\cdot2=\frac{2a^3}{3}\end{aligned}$$
  4. 나눕니다: $\bar y=\dfrac{2a^3/3}{\pi a^2/2}=\dfrac{4a}{3\pi}\approx0.42a$.

무게중심은 $(0,\ \frac{4a}{3\pi})$입니다. 반지름의 절반보다 조금 아래입니다.

예제 8-2 (관성모멘트, 원판) 반지름 $R$, 질량 $M$인 균일한 원판. 중심을 지나고 판에 수직인 축
  1. 면밀도 $\sigma=\dfrac{M}{\pi R^2}$.
  2. 축까지 거리의 제곱은 $x^2+y^2=r^2$. $$\begin{aligned}I&=\iint r^2\,\sigma\,dA\\&=\sigma\int_0^{2\pi}\int_0^Rr^2\cdot r\,dr\,d\theta\\&=\sigma\cdot\frac{R^4}{4}\cdot2\pi=\frac{\pi\sigma R^4}{2}\end{aligned}$$
  3. $\sigma$를 넣습니다: $I=\dfrac{\pi R^4}{2}\cdot\dfrac{M}{\pi R^2}=\dfrac12MR^2$.
예제 8-3 (관성모멘트, 구) 반지름 $R$, 질량 $M$인 속이 찬 균일한 구. $z$축 둘레
  1. 부피밀도 $\mu=\dfrac{M}{\frac43\pi R^3}=\dfrac{3M}{4\pi R^3}$.
  2. 축까지 거리의 제곱: $x^2+y^2=(r\sin\theta)^2=r^2\sin^2\theta$. 원점까지의 거리 $r^2$이 아닙니다.
  3. 적분을 세웁니다. 부피요소 $r^2\sin\theta$와 곱하면 $r^4\sin^3\theta$입니다. $$\begin{aligned}I&=\mu\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^\pi\!\!\int_0^R r^2\sin^2\theta\cdot r^2\sin\theta\\&\qquad dr\,d\theta\,d\varphi\\&=\mu\Big(\int_0^Rr^4dr\Big)\Big(\int_0^\pi\sin^3\theta\,d\theta\Big)\\&\quad\times\Big(\int_0^{2\pi}d\varphi\Big)\end{aligned}$$
  4. 각각: $\int_0^Rr^4dr=\frac{R^5}{5}$. $\int_0^\pi\sin^3\theta\,d\theta$는 L00a 7절의 홀수 제곱입니다. $u=\cos\theta$로 두면 $\int_{-1}^{1}(1-u^2)\,du=2-\frac23=\frac43$. 마지막은 $2\pi$.
  5. 곱합니다: $I=\mu\cdot\dfrac{R^5}{5}\cdot\dfrac43\cdot2\pi=\dfrac{8\pi}{15}\mu R^5$.
  6. $\mu$를 넣습니다: $I=\dfrac{8\pi R^5}{15}\cdot\dfrac{3M}{4\pi R^3}=\dfrac25MR^2$.

9. 자주 하는 실수

10. 연습문제

종이에 먼저 풀고 답을 여세요. 모든 답은 SymPy로 검산했습니다.

A. 편미분

A1. $f=x^2y^3-4xy$의 $f_x$, $f_y$

답$f_x=2xy^3-4y$, $\ f_y=3x^2y^2-4x$

A2. $f=e^x\cos y$일 때 $f_{xx}+f_{yy}$

답$0$ — $f_{xx}=e^x\cos y$, $f_{yy}=-e^x\cos y$. 이런 함수를 라플라스 방정식의 해(조화함수)라고 합니다.

A3. $f=\ln(x^2+y^2)$의 $f_{xy}$와 $f_{yx}$

답둘 다 $-\dfrac{4xy}{(x^2+y^2)^2}$ — $f_x=\frac{2x}{x^2+y^2}$를 $y$로 미분(몫의 규칙, 위는 $y$에 대해 상수).

A4. $f=\dfrac1r$, $r=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$일 때 $f_x$, $f_{xx}$, 그리고 $f_{xx}+f_{yy}+f_{zz}$ ($r\ne0$)

답$f_x=-\dfrac{x}{r^3}$, $\ f_{xx}=\dfrac{3x^2-r^2}{r^5}$, 합은 $0$ — $\frac{\partial r}{\partial x}=\frac xr$를 씁니다. 세 개를 더하면 분자가 $3(x^2+y^2+z^2)-3r^2=0$.

B. 전미분·기울기·음함수 미분

B1. $f=x^2y$. 점 $(2,3)$에서 $(2.01,\ 2.98)$로 갈 때 $\Delta f$를 전미분으로 어림

답$0.04$ — $f_x=2xy=12$, $f_y=x^2=4$. $12(0.01)+4(-0.02)=0.12-0.08$. 실제 값은 $0.039498$.

B2. 진자의 주기 $T=2\pi\sqrt{L/g}$. $L$의 상대오차가 1%, $g$의 상대오차가 0.5%일 때 $T$의 최대 상대오차

답$0.75\%$ — $T\propto L^{1/2}g^{-1/2}$이므로 $\frac12(1\%)+\frac12(0.5\%)$. 최대 오차는 절댓값을 더합니다.

B3. $f=xe^y$, 점 $(2,0)$: $\nabla f$, 방향 $(1,1)$의 방향도함수, 최대 증가율

답$\nabla f=(e^y,\ xe^y)=(1,\ 2)$, 방향도함수 $(1,2)\cdot\frac{(1,1)}{\sqrt2}=\dfrac{3}{\sqrt2}$, 최대 증가율 $|\nabla f|=\sqrt5$.

B4. 곡선 $x^3+y^3=6xy$ 위의 점 $(3,3)$에서 $\dfrac{dy}{dx}$ (음함수 미분 공식으로)

답$-1$ — 점 확인 $27+27=54=6\cdot9$. $F=x^3+y^3-6xy$, $F_x=3x^2-6y=9$, $F_y=3y^2-6x=9$. $-\frac{F_x}{F_y}=-1$.

B5. 곡면 $xyz+z^3=10$ 위의 점 $(1,1,2)$에서 $\dfrac{\partial z}{\partial x}$, $\dfrac{\partial z}{\partial y}$

답둘 다 $-\dfrac{2}{13}$ — 점 확인 $2+8=10$. $F_x=yz=2$, $F_y=xz=2$, $F_z=xy+3z^2=13$.

C. 연쇄법칙

C1. $f=x^2+y^2$, $x=t\cos t$, $y=t\sin t$일 때 $\dfrac{df}{dt}$

답$2t$ — $2x(\cos t-t\sin t)+2y(\sin t+t\cos t)$를 정리하면 교차항이 지워집니다. 직접 대입하면 $f=t^2$이므로 확인됩니다.

C2. $f=xy$, $x=r\cos\theta$, $y=r\sin\theta$일 때 $\dfrac{\partial f}{\partial r}$, $\dfrac{\partial f}{\partial\theta}$

답$\dfrac{\partial f}{\partial r}=2r\sin\theta\cos\theta=r\sin2\theta$, $\ \dfrac{\partial f}{\partial\theta}=r^2(\cos^2\theta-\sin^2\theta)=r^2\cos2\theta$ — $f_x=y$, $f_y=x$를 예제 3-1의 식에 넣습니다.

C3. $u=g(x-ct)$ ($g$는 미분가능한 아무 함수, $c$는 상수)일 때 $u_{tt}=c^2u_{xx}$임을 보이기

답$s=x-ct$로 두면 트리는 $u\to s\to(x,t)$. $u_x=g'(s)$, $u_{xx}=g''(s)$, $u_t=-c\,g'(s)$, $u_{tt}=c^2g''(s)$. 파동방정식(L26)의 해입니다.

C4. 예제 3-1의 결과로 $f_r^2+\dfrac{1}{r^2}f_\theta^2=f_x^2+f_y^2$임을 보이기

답$f_r^2=f_x^2\cos^2\theta+2f_xf_y\sin\theta\cos\theta+f_y^2\sin^2\theta$, $\ \frac{1}{r^2}f_\theta^2=f_x^2\sin^2\theta-2f_xf_y\sin\theta\cos\theta+f_y^2\cos^2\theta$. 더하면 교차항이 지워지고 $\cos^2\theta+\sin^2\theta=1$. (극좌표의 $|\nabla f|^2$, L09)

D. 이중적분

D1. $\displaystyle\int_0^2\int_0^1(x^2+y)\,dy\,dx$

답$\dfrac{11}{3}$ — 안쪽 $\big[x^2y+\frac{y^2}{2}\big]_0^1=x^2+\frac12$. 바깥 $\frac83+1$.

D2. 꼭짓점이 $(0,0)$, $(1,0)$, $(1,1)$인 삼각형에서 $\displaystyle\iint xy\,dA$

답$\dfrac18$ — 세로선은 $y=0$에서 $y=x$까지. $\int_0^1\int_0^xxy\,dy\,dx=\int_0^1\frac{x^3}{2}dx$.

D3. 순서를 바꿔서: $\displaystyle\int_0^1\int_{\sqrt y}^{1}\sqrt{1+x^3}\,dx\,dy$

답$\dfrac29\big(2\sqrt2-1\big)$ — 영역은 $0\le x\le1$, $0\le y\le x^2$ ($x\ge\sqrt y$를 $y\le x^2$로 읽음). $\int_0^1x^2\sqrt{1+x^3}\,dx$에서 $u=1+x^3$.

D4. 순서를 바꿔서: $\displaystyle\int_0^\pi\int_x^\pi\frac{\sin y}{y}\,dy\,dx$

답$2$ — 영역은 $0\le y\le\pi$, $0\le x\le y$. 안쪽 $\int_0^y\frac{\sin y}{y}dx=\sin y$, 바깥 $\int_0^\pi\sin y\,dy=2$.

D5. 원환 $1\le x^2+y^2\le4$에서 $\displaystyle\iint\frac{dA}{x^2+y^2}$

답$2\pi\ln2$ — $\int_0^{2\pi}\int_1^2\frac{1}{r^2}\,r\,dr\,d\theta=2\pi\,[\ln r]_1^2$.

D6. 1사분면의 사분원 $x^2+y^2\le4$ ($x,y\ge0$)에서 $\displaystyle\iint xy\,dA$

답$2$ — $xy=r^2\cos\theta\sin\theta$, $dA=r\,dr\,d\theta$. $\int_0^{\pi/2}\cos\theta\sin\theta\,d\theta\cdot\int_0^2r^3dr=\frac12\cdot4$.

E. 삼중적분

E1. 정육면체 $0\le x,y,z\le1$에서 $\displaystyle\iiint(x+y+z)\,dV$

답$\dfrac32$ — 항마다 $\int_0^1x\,dx=\frac12$ (나머지 두 적분은 1). 세 항이므로 $3\cdot\frac12$.

E2. 원기둥 $\rho\le a$, $0\le z\le h$에서 $\displaystyle\iiint(x^2+y^2)\,dV$

답$\dfrac{\pi a^4h}{2}$ — $\int_0^h\int_0^{2\pi}\int_0^a\rho^2\cdot\rho\,d\rho\,d\varphi\,dz=\frac{a^4}{4}\cdot2\pi\cdot h$.

E3. 단위구 $r\le1$에서 $\displaystyle\iiint z^2\,dV$

답$\dfrac{4\pi}{15}$ — $z^2=r^2\cos^2\theta$. $\int_0^1r^4dr\cdot\int_0^\pi\cos^2\theta\sin\theta\,d\theta\cdot2\pi=\frac15\cdot\frac23\cdot2\pi$.

F. 응용

F1. $y=x^2$과 $y=2x$로 둘러싸인 영역의 넓이

답$\dfrac43$ — 교점 $x=0,\,2$. 위가 $2x$이므로 $\int_0^2(2x-x^2)\,dx=4-\frac83$.

F2. 정사각형 $0\le x,y\le1$, 면밀도 $\sigma=x+y$인 판의 질량과 무게중심

답$M=1$, $(\bar x,\bar y)=\big(\frac{7}{12},\frac{7}{12}\big)$ — $\iint x(x+y)\,dA=\frac13+\frac14=\frac7{12}$. 밀도가 $x$와 $y$에 대해 대칭이므로 $\bar y=\bar x$.

F3. 반지름 $a$인 균일한 반구($r\le a$, $z\ge0$)의 무게중심

답$\big(0,\,0,\,\frac{3a}{8}\big)$ — $\iiint z\,dV=\int_0^{2\pi}\int_0^{\pi/2}\int_0^a(r\cos\theta)\,r^2\sin\theta\,dr\,d\theta\,d\varphi=\frac{a^4}{4}\cdot\frac12\cdot2\pi=\frac{\pi a^4}{4}$. 부피 $\frac23\pi a^3$으로 나눕니다.

F4. 안쪽 반지름 $a$, 바깥 반지름 $b$, 질량 $M$인 균일한 원환판의 중심축(판에 수직) 관성모멘트

답$\dfrac12M(a^2+b^2)$ — $\sigma=\frac{M}{\pi(b^2-a^2)}$, $I=\sigma\cdot2\pi\cdot\frac{b^4-a^4}{4}$. $b^4-a^4=(b^2-a^2)(b^2+a^2)$로 약분합니다. $a=0$이면 원판의 $\frac12MR^2$.

F5. 반지름 $a$, 높이 $h$, 질량 $M$인 균일한 원기둥의 중심축 관성모멘트

답$\dfrac12Ma^2$ — E2의 결과에 $\mu=\frac{M}{\pi a^2h}$를 곱합니다. 높이와 무관하게 원판과 같습니다.

11. 다음

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