개념 해석 · Concepts

NOTE 삼중적분의 도입 Setting Up Triple IntegralsEq. (1) · p.1120
한국어

1변수 함수에 정적분이 있고 2변수 함수에 이중적분이 있듯이, 같은 구성을 한 차원 더 밀고 나가면 3변수 함수의 삼중적분을 얻는다.

이중적분에서와 마찬가지로 가장 간단한 정의역에서 시작하는 것이 편리하다. 여기서 그 정의역은 직육면체, 즉 다음과 같은 형태의 집합이다.

$$B=\{(x,y,z)\mid a\le x\le b,\ c\le y\le d,\ r\le z\le s\}.\tag{1}$$

이러한 직육면체 위에서 적분을 이해하고 나면, 일반적인 입체 $E$는 $E$를 어떤 직육면체 안에 넣고 $E$ 밖에서는 피적분함수를 $0$으로 확장하는 방식으로 다룰 수 있다.

English

One-variable functions have definite integrals and two-variable functions have double integrals; the same construction, carried one dimension further, produces the triple integral of a function of three variables.

As with double integrals, it is easiest to start on the simplest possible domain. Here that domain is a rectangular box, that is, a set of the form

$$B=\{(x,y,z)\mid a\le x\le b,\ c\le y\le d,\ r\le z\le s\}.\tag{1}$$

Once the integral is understood on such a box, a general solid $E$ is handled by placing $E$ inside a box and extending the integrand by $0$ outside $E$.

DEF 2 삼중 리만 합 Triple Riemann SumEq. (2) · Figure 1 · p.1121
한국어

$[a,b]$를 폭 $\Delta x$인 $l$개의 부분구간 $[x_{i-1},x_i]$로, $[c,d]$를 폭 $\Delta y$인 $m$개의 부분구간으로, $[r,s]$를 폭 $\Delta z$인 $n$개의 부분구간으로 나눈다. 이 분점들을 지나면서 좌표평면에 평행한 평면들은 직육면체 $B$를 $lmn$개의 부분상자

$$B_{ijk}=[x_{i-1},x_i]\times[y_{j-1},y_j]\times[z_{k-1},z_k],$$

로 잘라내며, 각 부분상자의 부피는 $\Delta V=\Delta x\,\Delta y\,\Delta z$이다.

식 (2) — 삼중 리만 합. 각 부분상자 $B_{ijk}$에서 표본점 $(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*)$를 하나씩 택하면 다음 합을 얻는다.

$$\sum_{i=1}^{l}\sum_{j=1}^{m}\sum_{k=1}^{n} f\!\left(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*\right)\Delta V.\tag{2}$$

이것은 이중적분을 정의할 때 쓴 (15.1.5)의 리만 합을 3차원으로 그대로 확장한 것이다.

English

Cut $[a,b]$ into $l$ subintervals $[x_{i-1},x_i]$ of equal width $\Delta x$, cut $[c,d]$ into $m$ subintervals of width $\Delta y$, and cut $[r,s]$ into $n$ subintervals of width $\Delta z$. Planes through the division points, parallel to the coordinate planes, slice the box $B$ into $lmn$ sub-boxes

$$B_{ijk}=[x_{i-1},x_i]\times[y_{j-1},y_j]\times[z_{k-1},z_k],$$

each of volume $\Delta V=\Delta x\,\Delta y\,\Delta z$.

Equation (2) — the triple Riemann sum. Picking a sample point $(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*)$ in each sub-box $B_{ijk}$ gives the sum

$$\sum_{i=1}^{l}\sum_{j=1}^{m}\sum_{k=1}^{n} f\!\left(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*\right)\Delta V.\tag{2}$$

This is the exact three-dimensional analogue of the Riemann sum used to define the double integral in (15.1.5).

DEF 3 삼중적분의 정의 Definition of the Triple IntegralDefinition 3 · p.1121
한국어

정의 3. 직육면체 $B$ 위에서 $f$의 삼중적분

$$\iiint_B f(x,y,z)\,dV=\lim_{l,m,n\to\infty}\ \sum_{i=1}^{l}\sum_{j=1}^{m}\sum_{k=1}^{n} f\!\left(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*\right)\Delta V,\tag{3}$$

이 극한이 존재할 때 이렇게 정의된다.

$f$가 연속이면 이 극한은 항상 존재하므로, 실제로 필요한 가정은 연속성뿐이다. $B_{ijk}$ 안의 어떤 점이든 표본점으로 쓸 수 있으므로 꼭짓점 $(x_i,y_j,z_k)$를 택해도 무방하며, 이렇게 하면 표기가 간단해진다.

$$\iiint_B f(x,y,z)\,dV=\lim_{l,m,n\to\infty}\ \sum_{i=1}^{l}\sum_{j=1}^{m}\sum_{k=1}^{n} f(x_i,y_j,z_k)\,\Delta V.$$
English

Definition 3. The triple integral of $f$ over the box $B$ is

$$\iiint_B f(x,y,z)\,dV=\lim_{l,m,n\to\infty}\ \sum_{i=1}^{l}\sum_{j=1}^{m}\sum_{k=1}^{n} f\!\left(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*\right)\Delta V,\tag{3}$$

provided this limit exists.

For a continuous $f$ the limit always exists, so continuity is the only hypothesis needed in practice. Since any point of $B_{ijk}$ may serve as the sample point, the corner choice $(x_i,y_j,z_k)$ is legitimate and shortens the notation:

$$\iiint_B f(x,y,z)\,dV=\lim_{l,m,n\to\infty}\ \sum_{i=1}^{l}\sum_{j=1}^{m}\sum_{k=1}^{n} f(x_i,y_j,z_k)\,\Delta V.$$
THM 4 삼중적분에 대한 푸비니 정리 Fubini's Theorem for Triple IntegralsTheorem 4 · p.1121
한국어

정리 4 (삼중적분에 대한 푸비니 정리). $f$가 직육면체 $B=[a,b]\times[c,d]\times[r,s]$에서 연속이라 하자. 그러면 삼중적분은 다음 반복적분과 같다.

$$\iiint_B f(x,y,z)\,dV=\int_r^s\!\!\int_c^d\!\!\int_a^b f(x,y,z)\,dx\,dy\,dz.\tag{4}$$

우변에서는 $y$와 $z$를 고정한 채 먼저 $x$에 대해, 그다음 $z$를 고정한 채 $y$에 대해, 마지막으로 $z$에 대해 적분한다. 세 변수는 가능한 $3!=6$가지 순서 중 어느 것으로 잡아도 되며, 여섯 반복적분은 모두 같은 값을 준다. 예컨대 $y$, $z$, $x$의 순서로 적분하면 다음과 같다.

$$\iiint_B f(x,y,z)\,dV=\int_a^b\!\!\int_r^s\!\!\int_c^d f(x,y,z)\,dy\,dz\,dx.$$

이러한 순서의 자유는 삼중적분을 실제로 계산 가능하게 만드는 핵심이며, 예제 4는 이 자유를 체계적으로 활용한다.

증명은 생략한다. 이중적분에 대한 푸비니 정리와 같은 논법에 근거한다.

English

Theorem 4 (Fubini's Theorem for Triple Integrals). Let $f$ be continuous on the box $B=[a,b]\times[c,d]\times[r,s]$. Then the triple integral equals an iterated integral:

$$\iiint_B f(x,y,z)\,dV=\int_r^s\!\!\int_c^d\!\!\int_a^b f(x,y,z)\,dx\,dy\,dz.\tag{4}$$

On the right-hand side one integrates in $x$ first, with $y$ and $z$ frozen; then in $y$, with $z$ frozen; and last in $z$. The three variables can be taken in any of the $3!=6$ possible orders, and every one of the six iterated integrals has the same value. For instance, integrating in $y$, then $z$, then $x$ gives

$$\iiint_B f(x,y,z)\,dV=\int_a^b\!\!\int_r^s\!\!\int_c^d f(x,y,z)\,dy\,dz\,dx.$$

This freedom of order is what makes triple integrals computable at all, and Example 4 exploits it systematically.

Proof: omitted; it rests on the same argument as Fubini's Theorem for double integrals.

DEF 5 일반 입체영역 위의 삼중적분 Triple Integrals over General Solidsp.1122
한국어

정의(일반 입체영역). $E$를 공간 안의 유계 입체영역이라 하자. $E$를 (1)과 같은 직육면체 $B$ 안에 넣고, $E$ 위의 점에서는 $f$와 같은 값을, $E$ 밖의 $B$의 점에서는 $0$을 갖는 함수 $F$를 만든다. 그러면

$$\iiint_E f(x,y,z)\,dV=\iiint_B F(x,y,z)\,dV.$$

이는 이중적분에서 (15.2.2)에 이미 사용한 방법을 그대로 옮긴 것이다. 이렇게 정의된 적분은 $f$가 연속이고 $E$의 경계면이 적당히 매끄러우면 항상 존재하며, 이중적분과 같은 대수적 성질(§15.2의 성질 5–8) — 선형성, 단조성, 공통 경계를 따라 이어붙인 입체에 대한 가법성 — 을 만족한다.

이제부터는 연속인 피적분함수와, 다루기 편한 세 가지 모양의 입체만을 대상으로 삼는다. 이 세 모양은 다음 세 카드에서 소개한다.

English

Definition (general solids). Let $E$ be a bounded solid region in space. Enclose $E$ in a box $B$ as in (1) and let $F$ agree with $f$ at the points of $E$ and equal $0$ at the points of $B$ lying outside $E$. Then

$$\iiint_E f(x,y,z)\,dV=\iiint_B F(x,y,z)\,dV.$$

This copies the device already used for double integrals in (15.2.2). The integral so defined exists whenever $f$ is continuous and the boundary surface of $E$ is reasonably smooth, and it obeys the same algebraic rules as the double integral (Properties 5–8 of Section 15.2): linearity, monotonicity, and additivity over solids glued along a common boundary.

From here on, attention is restricted to continuous integrands and to solids of three convenient shapes, described in the next three cards.

DEF 6 제1형 입체영역 Type 1 Solid RegionEq. (5) · Figure 2 · p.1122
한국어

제1형 입체영역. 입체 $E$가 $x$, $y$의 두 연속함수의 그래프 사이에 놓여 있을 때, 즉

$$E=\{(x,y,z)\mid (x,y)\in D,\ u_1(x,y)\le z\le u_2(x,y)\},\tag{5}$$

$D$가 $E$의 $xy$-평면 정사영일 때, $E$를 제1형이라 한다.

곡면 $z=u_2(x,y)$는 입체의 위 경계를 이루고 $z=u_1(x,y)$는 아래 경계를 이룬다. 두 곡면은 $D$의 경계 위에서 서로 만나거나, 그 자리에서 수직인 벽면이 입체를 막아 준다. 그러므로 제1형 서술을 읽는다는 것은 두 가지 질문에 답하는 일과 같다 — 그림자 $D$는 어떤 모양인가, 그리고 어떤 두 곡면이 입체를 위아래로 덮고 있는가.

z y x 0 D E z = u₂(x, y) z = u₁(x, y)
English

Type 1 solid region. A solid $E$ is of type 1 when it is trapped between the graphs of two continuous functions of $x$ and $y$:

$$E=\{(x,y,z)\mid (x,y)\in D,\ u_1(x,y)\le z\le u_2(x,y)\},\tag{5}$$

where $D$ denotes the projection of $E$ onto the $xy$-plane.

The surface $z=u_2(x,y)$ forms the upper boundary of the solid and $z=u_1(x,y)$ forms the lower boundary; the two agree on the boundary of $D$, or the solid is closed off there by a vertical wall. Reading a type 1 description therefore amounts to answering two questions: what does the shadow $D$ look like, and which two surfaces cap the solid above and below?

z y x 0 D E z = u₂(x, y) z = u₁(x, y)
THM 7 제1형 영역의 반복적분 Iterated Integrals over a Type 1 RegionEq. (6)–(8) · p.1122–1123
한국어

식 (6). $E$가 (5)로 서술된 제1형 입체이면, 다음이 성립한다.

$$\iiint_E f(x,y,z)\,dV=\iint_D\left[\int_{u_1(x,y)}^{u_2(x,y)} f(x,y,z)\,dz\right]dA.\tag{6}$$

안쪽 적분에서는 $x$와 $y$를 모두 고정하므로 $u_1(x,y)$, $u_2(x,y)$는 상수 한계로 작용하고, $f$는 $z$에 대해서만 적분된다. 그 결과는 $(x,y)$의 함수이며, 그림자 $D$ 위의 바깥 이중적분이 나머지 계산을 마무리한다.

$D$가 제1형 평면영역, 즉 $D=\{(x,y)\mid a\le x\le b,\ g_1(x)\le y\le g_2(x)\}$이면 입체는

$$E=\{(x,y,z)\mid a\le x\le b,\ g_1(x)\le y\le g_2(x),\ u_1(x,y)\le z\le u_2(x,y)\},$$

이 되고, (6)은 다음과 같은 진짜 삼중 반복적분으로 펼쳐진다.

$$\iiint_E f(x,y,z)\,dV=\int_a^b\!\!\int_{g_1(x)}^{g_2(x)}\!\!\int_{u_1(x,y)}^{u_2(x,y)} f(x,y,z)\,dz\,dy\,dx.\tag{7}$$

반대로 $D$가 제2형 평면영역, 즉 $D=\{(x,y)\mid c\le y\le d,\ h_1(y)\le x\le h_2(y)\}$이면 같은 논법으로 다음을 얻는다.

$$\iiint_E f(x,y,z)\,dV=\int_c^d\!\!\int_{h_1(y)}^{h_2(y)}\!\!\int_{u_1(x,y)}^{u_2(x,y)} f(x,y,z)\,dz\,dx\,dy.\tag{8}$$

증명은 생략한다. (15.2.3)에 쓴 것과 같은 논법을 한 차원 위로 그대로 적용한 것이다.

English

Equation (6). If $E$ is the type 1 solid described by (5), then

$$\iiint_E f(x,y,z)\,dV=\iint_D\left[\int_{u_1(x,y)}^{u_2(x,y)} f(x,y,z)\,dz\right]dA.\tag{6}$$

In the inner integral both $x$ and $y$ are held fixed, so $u_1(x,y)$ and $u_2(x,y)$ act as constant limits while $f$ is integrated in $z$ alone. The result is a function of $(x,y)$, and the outer double integral over the shadow $D$ finishes the computation.

Whenever $D$ is a plane region of Type I — that is, $D=\{(x,y)\mid a\le x\le b,\ g_1(x)\le y\le g_2(x)\}$ — the solid is

$$E=\{(x,y,z)\mid a\le x\le b,\ g_1(x)\le y\le g_2(x),\ u_1(x,y)\le z\le u_2(x,y)\},$$

and (6) unfolds into a genuine triple iterated integral:

$$\iiint_E f(x,y,z)\,dV=\int_a^b\!\!\int_{g_1(x)}^{g_2(x)}\!\!\int_{u_1(x,y)}^{u_2(x,y)} f(x,y,z)\,dz\,dy\,dx.\tag{7}$$

If instead $D$ is a plane region of Type II, so that $D=\{(x,y)\mid c\le y\le d,\ h_1(y)\le x\le h_2(y)\}$, the same reasoning gives

$$\iiint_E f(x,y,z)\,dV=\int_c^d\!\!\int_{h_1(y)}^{h_2(y)}\!\!\int_{u_1(x,y)}^{u_2(x,y)} f(x,y,z)\,dz\,dx\,dy.\tag{8}$$

Proof: omitted; the argument is the one used for (15.2.3), applied one dimension higher.

DEF 8 제2형 입체영역 Type 2 Solid RegionEq. (10) · Figure 8 · p.1124
한국어

제2형 입체영역. 위와 같은 역할을 $x$가 맡을 때 입체 $E$를 제2형이라 한다.

$$E=\{(x,y,z)\mid (y,z)\in D,\ u_1(y,z)\le x\le u_2(y,z)\},$$

이때 $D$는 이제 $E$의 $yz$-평면 정사영이다. 곡면 $x=u_1(y,z)$는 뒷면, $x=u_2(y,z)$는 앞면이며,

$$\iiint_E f(x,y,z)\,dV=\iint_D\left[\int_{u_1(y,z)}^{u_2(y,z)} f(x,y,z)\,dx\right]dA.\tag{10}$$

안쪽 적분은 이제 $y$와 $z$를 고정한 채 뒷면에서 앞면까지 $x$축에 평행한 선분을 훑는다.

English

Type 2 solid region. A solid $E$ is of type 2 when the roles above are played by $x$:

$$E=\{(x,y,z)\mid (y,z)\in D,\ u_1(y,z)\le x\le u_2(y,z)\},$$

where $D$ is now the projection of $E$ onto the $yz$-plane. The surface $x=u_1(y,z)$ is the back surface and $x=u_2(y,z)$ the front surface, and

$$\iiint_E f(x,y,z)\,dV=\iint_D\left[\int_{u_1(y,z)}^{u_2(y,z)} f(x,y,z)\,dx\right]dA.\tag{10}$$

The inner integration now sweeps a segment parallel to the $x$-axis, from the back surface to the front surface, while $y$ and $z$ stay fixed.

DEF 9 제3형 입체영역 Type 3 Solid RegionEq. (11) · Figure 9 · p.1124
한국어

제3형 입체영역. 두 곡면 사이에 $y$가 끼여 있을 때 입체 $E$를 제3형이라 한다.

$$E=\{(x,y,z)\mid (x,z)\in D,\ u_1(x,z)\le y\le u_2(x,z)\},$$

이때 $D$는 $E$의 $xz$-평면 정사영이고, $y=u_1(x,z)$는 왼쪽면, $y=u_2(x,z)$는 오른쪽면이다. 여기서

$$\iiint_E f(x,y,z)\,dV=\iint_D\left[\int_{u_1(x,z)}^{u_2(x,z)} f(x,y,z)\,dy\right]dA.\tag{11}$$

(10)과 (11) 어느 쪽에서든 $D$ 위의 남은 이중적분은 $D$가 제1형인지 제2형인지에 따라 두 가지로 쓸 수 있으며, 이는 (7)과 (8)이 제공한 것과 똑같은 선택지이다. 따라서 각 입체는 최대 여섯 가지 반복적분 형태를 허용하며, 그중 알맞은 것을 고르는 일이 바로 예제 3의 주제이다.

type 2 z y x D E x = u₁(y, z) x = u₂(y, z) type 3 z y x D E y = u₁(x, z) y = u₂(x, z)
English

Type 3 solid region. A solid $E$ is of type 3 when $y$ is the variable caught between two surfaces:

$$E=\{(x,y,z)\mid (x,z)\in D,\ u_1(x,z)\le y\le u_2(x,z)\},$$

with $D$ the projection of $E$ onto the $xz$-plane, $y=u_1(x,z)$ the left surface and $y=u_2(x,z)$ the right surface. Here

$$\iiint_E f(x,y,z)\,dV=\iint_D\left[\int_{u_1(x,z)}^{u_2(x,z)} f(x,y,z)\,dy\right]dA.\tag{11}$$

In both (10) and (11) the remaining double integral over $D$ can itself be written in two ways, according as $D$ is a Type I or a Type II plane region — exactly the alternative offered by (7) and (8). Each solid therefore admits up to six iterated forms, and choosing the right one is what Example 3 is about.

type 2 z y x D E x = u₁(y, z) x = u₂(y, z) type 3 z y x D E y = u₁(x, z) y = u₂(x, z)
REM 10 적분 한계를 세우는 규칙 Rules for the Limits of IntegrationMargin note · p.1126
한국어

삼중적분에서 어려운 부분은 거의 언제나 역도함수를 구하는 계산이 아니라, 예제 2에서 얻은 식 (9)처럼 입체를 나타내는 부등식을 올바르게 세우는 일이다.

대부분의 실수를 잡아내는 값싼 검산법이 하나 있다. 각 적분 한계에 허용되는 변수의 개수를 세어 보면 된다.

  • 가장 안쪽 적분의 한계는 변수를 최대 두 개까지만 포함할 수 있다.
  • 가운데 적분의 한계는 변수를 최대 한 개까지만 포함할 수 있다.
  • 가장 바깥쪽 적분의 한계는 반드시 상수여야 한다.

이 패턴을 어기는 반복적분은 틀린 것이다. 변수가 적분 후에도 살아남아 최종 결과에 남게 되기 때문이다.

English

The hard part of a triple integral is almost never the antidifferentiation: it is producing a correct set of inequalities for the solid, such as the description (9) obtained in Example 2.

One cheap check catches most errors. Count the variables allowed in each pair of limits:

  • the limits of the innermost integral may involve at most two variables;
  • the limits of the middle integral may involve at most one variable;
  • the limits of the outermost integral must be constants.

Any iterated integral violating this pattern is wrong, because a variable would survive integration and appear in the final number.

NOTE 적분 순서 바꾸기 Changing the Order of IntegrationFigures 14–15 · p.1126
한국어

정리 4에 따르면 여섯 가지 적분 순서는 모두 같은 값을 주므로, 주어진 순서로는 계산이 막히는 반복적분도 다른 순서로 바꾸면 수월해질 수 있다. 따라서 순서를 바꾸어 다시 쓰는 것은 우회가 아니라 정당한 기법이다.

이 절차는 세 단계로 이루어진다.

  • 주어진 반복적분을 거꾸로 읽어 그것이 나타내는 입체 $E$를 복원하고, 그림을 그려 본다.
  • $E$를 세 좌표평면에 각각 정사영해 $D_1$($xy$-평면), $D_2$($yz$-평면), $D_3$($xz$-평면)를 얻고, 각 정사영을 제1형·제2형 두 가지 평면 형태로 모두 서술한다.
  • 원하는 순서에 맞는 것이 제1형·제2형·제3형 중 무엇인지 정하고, 그에 대응하는 정사영으로부터 세 쌍의 적분 한계를 읽어 낸다.

예제 4는 하나의 입체에 대해 이 세 단계를 모두 실행해 보인다.

English

Theorem 4 says the six orders of integration all return the same number, so an iterated integral that resists evaluation in the order given may become routine in another order. Rewriting is thus a legitimate technique, not a detour.

The procedure has three steps.

  • Read the given iterated integral backwards to recover the solid $E$ it describes, and sketch it.
  • Project $E$ onto each of the three coordinate planes, obtaining $D_1$ (onto $xy$), $D_2$ (onto $yz$) and $D_3$ (onto $xz$), and describe each projection in both of its plane forms (Type I and Type II).
  • Decide which of type 1, type 2, type 3 matches the desired order, and read off the three pairs of limits from the corresponding projection.

Example 4 carries out all three steps on a single solid.

NOTE 삼중적분의 해석과 부피 Interpretation and VolumeEq. (12) · p.1127
한국어

음이 아닌 함수의 단일적분은 넓이를 재고 음이 아닌 함수의 이중적분은 부피를 재지만, $f\ge0$일 때 $\iiint_E f\,dV$를 같은 방식으로 읽는 것은 아무에게도 쓸모가 없다. $E$는 단지 $f$의 정의역일 뿐이고 $f$의 그래프는 4차원 공간에 놓이므로, 이 값은 시각화할 수 없는 4차원 "초부피"를 재는 셈이기 때문이다. 삼중적분이 쓸모 있는 것은 오히려 $x$, $y$, $z$, $f$가 각각 무엇을 나타내느냐에 따라 $\iiint_E f\,dV$가 서로 다른 물리적 의미를 갖기 때문이다.

그럼에도 기하적으로 살아남는 한 가지 해석은 $f\equiv1$인 경우이다.

$$V(E)=\iiint_E dV.\tag{12}$$

제1형 입체에서는 이것이 §15.2에서 이미 얻은 결과와 일치한다. (6)에 $f=1$을 대입하면

$$\iiint_E 1\,dV=\iint_D\left[\int_{u_1(x,y)}^{u_2(x,y)} dz\right]dA=\iint_D\left[u_2(x,y)-u_1(x,y)\right]dA,$$

가 되어, $D$ 위에서 곡면 $z=u_1(x,y)$와 $z=u_2(x,y)$ 사이에 놓인 부피와 정확히 일치한다.

English

A single integral of a nonnegative function measures an area and a double integral of a nonnegative function measures a volume, but the corresponding reading of $\iiint_E f\,dV$ for $f\ge0$ helps nobody: the number would measure a hypervolume in four dimensions, since $E$ is merely the domain of $f$ while the graph of $f$ sits in four-dimensional space, beyond visualizing. What makes triple integrals useful instead is that $\iiint_E f\,dV$ carries different physical meanings according to what $x$, $y$, $z$ and $f$ stand for.

The one geometric reading that does survive is the case $f\equiv1$:

$$V(E)=\iiint_E dV.\tag{12}$$

For a type 1 solid this is consistent with what Section 15.2 already gave. Putting $f=1$ into (6),

$$\iiint_E 1\,dV=\iint_D\left[\int_{u_1(x,y)}^{u_2(x,y)} dz\right]dA=\iint_D\left[u_2(x,y)-u_1(x,y)\right]dA,$$

which is precisely the volume between the surfaces $z=u_1(x,y)$ and $z=u_2(x,y)$ over $D$.

THM 13 질량과 좌표평면에 대한 모멘트 Mass and MomentsEq. (13)–(14) · Figure 18 · p.1128
한국어

식 (13)과 (14). 어떤 입체가 영역 $E$를 차지하고, 점 $(x,y,z)$에서의 밀도(단위 부피당 질량)를 $\rho(x,y,z)$라 하자. 그러면 이 입체의 총 질량은

$$m=\iiint_E \rho(x,y,z)\,dV,\tag{13}$$

이고, 세 좌표평면에 대한 모멘트는 각각

$$\begin{aligned}M_{yz}&=\iiint_E x\,\rho(x,y,z)\,dV,\\ M_{xz}&=\iiint_E y\,\rho(x,y,z)\,dV,\\ M_{xy}&=\iiint_E z\,\rho(x,y,z)\,dV.\end{aligned}\tag{14}$$

§15.4에서 얇은 판에 대해 다룬 이중적분의 모든 응용은 이런 식으로 입체에도 그대로 옮겨 온다. 얇은 판이 입체로, $dA$가 $dV$로 바뀔 뿐이다. 모멘트의 아래첨자는 그 모멘트를 재는 기준 평면을 가리키므로, $M_{yz}$에서 가중치로 쓰이는 것은 $yz$-평면에서 잰 부호 붙은 거리 $x$이다(평면의 어느 쪽에 있느냐에 따라 부호가 갈리며, 이 부호 덕분에 대칭인 입체에서 모멘트가 상쇄된다).

증명. 정의(일반 입체영역)에서처럼 $E$를 감싸는 직육면체 $B$를 하나 잡고, $\rho$를 $E$ 밖에서는 $0$으로 확장해 $B$ 전체에서 정의한다. 식 (2)에서와 같은 방식으로 $B$를 $\Delta V=\Delta x\,\Delta y\,\Delta z$인 부분상자 $B_{ijk}$들로 나누고, 각 $B_{ijk}$에서 표본점 $(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*)$을 하나씩 택한다. $\rho$가 연속이므로 $B_{ijk}$를 충분히 잘게 나누면 그 위에서 밀도는 거의 상수 $\rho(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*)$이고, 따라서 $B_{ijk}$가 담은 질량은

$$\Delta m_{ijk}\approx\rho(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*)\,\Delta V$$

로 근사된다. 입체 전체의 질량은 이 근사값을 모든 부분상자에 대해 더한 것과 거의 같으므로

$$m\approx\sum_{i=1}^{l}\sum_{j=1}^{m}\sum_{k=1}^{n}\rho(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*)\,\Delta V$$

이며, 우변은 정확히 $\rho$의 삼중 리만 합이다. 분할을 $l,m,n\to\infty$로 세분화하면 각 조각에서 밀도가 상수라는 근사의 오차가 $0$으로 가므로, 정의 3에 의해 이 극한은 삼중적분과 같아져 (13)을 얻는다.

$$m=\iiint_E \rho(x,y,z)\,dV.$$

모멘트도 같은 분할에서 출발한다. $B_{ijk}$가 담은 질량 $\Delta m_{ijk}$가 표본점 $(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*)$ 하나에 모여 있는 입자라고 보면, 이 입자가 $yz$-평면에 대해 갖는 모멘트는 (질량)$\times$($yz$-평면에서 잰 부호 붙은 거리)이고 그 값이 $x_{ijk}^*$이므로

$$\Delta M_{yz,\,ijk}\approx x_{ijk}^*\,\rho(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*)\,\Delta V$$

이다. 같은 논법에서 $xz$-평면, $xy$-평면에 대해서는 그 부호 붙은 거리가 각각 $y_{ijk}^*$, $z_{ijk}^*$로 바뀐다. 세 경우 모두 조각별 기여를 더한 뒤 $l,m,n\to\infty$로 극한을 취하면 각각 $x\rho$, $y\rho$, $z\rho$에 대한 삼중 리만 합의 극한을 얻으므로, 정의 3에 의해 (14)의 세 등식이 모두 성립한다.

$\square$
English

Equations (13) and (14). Let a solid object occupy the region $E$ and let $\rho(x,y,z)$ be its density, in mass per unit volume, at the point $(x,y,z)$. Then its total mass is

$$m=\iiint_E \rho(x,y,z)\,dV,\tag{13}$$

and its moments about the three coordinate planes are

$$\begin{aligned}M_{yz}&=\iiint_E x\,\rho(x,y,z)\,dV,\\ M_{xz}&=\iiint_E y\,\rho(x,y,z)\,dV,\\ M_{xy}&=\iiint_E z\,\rho(x,y,z)\,dV.\end{aligned}\tag{14}$$

Every application of double integrals from Section 15.4 transfers to solids in this way, with the plane lamina replaced by a solid body and $dA$ by $dV$. The subscript on a moment names the plane the moment is taken about, so the weight in $M_{yz}$ is the signed distance $x$ to the $yz$-plane (its sign records which side of the plane the point lies on, and that sign is what makes moments cancel for a symmetric solid).

Proof. As in the definition for general solids, enclose $E$ in a box $B$ and extend $\rho$ to all of $B$ by setting it $0$ outside $E$. Cut $B$ into sub-boxes $B_{ijk}$ of volume $\Delta V=\Delta x\,\Delta y\,\Delta z$, exactly as in Equation (2), and choose a sample point $(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*)$ in each. Because $\rho$ is continuous, once the $B_{ijk}$ are small enough the density on $B_{ijk}$ is nearly the constant $\rho(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*)$, so the mass contained in $B_{ijk}$ is approximated by

$$\Delta m_{ijk}\approx\rho(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*)\,\Delta V.$$

Summing this approximation over every sub-box gives the mass of the whole solid,

$$m\approx\sum_{i=1}^{l}\sum_{j=1}^{m}\sum_{k=1}^{n}\rho(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*)\,\Delta V,$$

and the right-hand side is exactly a triple Riemann sum for $\rho$. Refining the partition so that $l,m,n\to\infty$ drives the error of the constant-density approximation on each piece to $0$, so by Definition 3 the limit equals a triple integral, giving (13):

$$m=\iiint_E \rho(x,y,z)\,dV.$$

The moments start from the same partition. Treating the mass $\Delta m_{ijk}$ contained in $B_{ijk}$ as a single particle located at the sample point $(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*)$, its moment about the $yz$-plane is (mass)$\times$(signed distance to the $yz$-plane), and that signed distance is $x_{ijk}^*$, so

$$\Delta M_{yz,\,ijk}\approx x_{ijk}^*\,\rho(x_{ijk}^*,y_{ijk}^*,z_{ijk}^*)\,\Delta V.$$

The same argument for the $xz$-plane or the $xy$-plane replaces the signed distance $x_{ijk}^*$ by $y_{ijk}^*$ or $z_{ijk}^*$. In all three cases, summing the contributions of the pieces and letting $l,m,n\to\infty$ produces the limit of a triple Riemann sum for $x\rho$, $y\rho$, or $z\rho$, so by Definition 3 all three equations in (14) hold.

$\square$
DEF 14 질량중심과 중심 Center of Mass and CentroidEq. (15) · p.1129
한국어

식 (15) — 질량중심. 질량 $m$인 입체의 질량중심은 세 모멘트를 질량으로 나눈 값을 좌표로 갖는 점 $(\bar x,\bar y,\bar z)$이다.

$$\begin{aligned}\bar x&=\frac{M_{yz}}{m},\\ \bar y&=\frac{M_{xz}}{m},\\ \bar z&=\frac{M_{xy}}{m}.\end{aligned}\tag{15}$$

밀도가 일정하면 이 점은 오직 $E$의 모양에만 의존하며, 이때 이 점을 $E$의 중심(centroid)이라 한다.

밀도가 상수이면 분자와 분모에서 서로 약분되므로, 중심은 순전히 기하적인 대상이 된다. 계산에 앞서 대칭성을 활용할 가치가 있다. $E$와 $\rho$가 어떤 좌표평면에 대해 대칭이면 그에 대응하는 모멘트는 $0$이 되는데, 예제 6에서 $M_{xz}=0$이 되는 것이 바로 이 경우이다.

English

Equation (15) — center of mass. A solid of mass $m$ has its center of mass at the point $(\bar x,\bar y,\bar z)$ whose coordinates are the three moments divided by that mass:

$$\begin{aligned}\bar x&=\frac{M_{yz}}{m},\\ \bar y&=\frac{M_{xz}}{m},\\ \bar z&=\frac{M_{xy}}{m}.\end{aligned}\tag{15}$$

When the density is constant, this point depends only on the shape of $E$ and is called the centroid of $E$.

A constant density cancels between numerator and denominator, which is why the centroid is a purely geometric object. Symmetry is worth exploiting before computing: if $E$ and $\rho$ are symmetric about a coordinate plane, the corresponding moment vanishes, as happens with $M_{xz}=0$ in Example 6.

THM 15 좌표축에 대한 관성모멘트 Moments of InertiaEq. (16) · p.1129
한국어

식 (16) — 관성모멘트. 세 좌표축에 대한 입체의 관성모멘트는 다음과 같다.

$$\begin{aligned}I_x&=\iiint_E \left(y^2+z^2\right)\rho(x,y,z)\,dV,\\ I_y&=\iiint_E \left(x^2+z^2\right)\rho(x,y,z)\,dV,\\ I_z&=\iiint_E \left(x^2+y^2\right)\rho(x,y,z)\,dV.\end{aligned}\tag{16}$$

$\rho\,dV$에 곱해지는 가중치는 그 점에서 해당 축까지 거리의 제곱이다. 예컨대 $z$축까지의 거리는 $\sqrt{x^2+y^2}$이며, 이것이 $I_z$에 인자 $x^2+y^2$가 나타나는 이유이다.

증명은 생략한다. §15.4에서 얇은 판에 대해 쓴 것과 같은 리만 합의 극한 논법이다.

English

Equation (16) — moments of inertia. The moments of inertia of the solid about the three coordinate axes are

$$\begin{aligned}I_x&=\iiint_E \left(y^2+z^2\right)\rho(x,y,z)\,dV,\\ I_y&=\iiint_E \left(x^2+z^2\right)\rho(x,y,z)\,dV,\\ I_z&=\iiint_E \left(x^2+y^2\right)\rho(x,y,z)\,dV.\end{aligned}\tag{16}$$

The weight attached to $\rho\,dV$ is the squared distance from the point to the axis in question: for the $z$-axis that distance is $\sqrt{x^2+y^2}$, which explains the factor $x^2+y^2$ in $I_z$.

Proof: omitted; the limit-of-Riemann-sums argument is the one given for laminae in Section 15.4.

REM 16 전하와 세 확률변수 Charge and Trivariate Probabilityp.1129
한국어

§15.4의 두 응용이 그대로 넘어온다. 전하가 전하밀도 $\sigma(x,y,z)$로 입체 $E$에 분포해 있으면, 총전하는

$$Q=\iiint_E \sigma(x,y,z)\,dV.$$

$X$, $Y$, $Z$가 결합확률밀도함수 $f$를 갖는 연속확률변수라면, 순서쌍 $(X,Y,Z)$가 입체 $E$ 안에 들어갈 확률은

$$P\big((X,Y,Z)\in E\big)=\iiint_E f(x,y,z)\,dV,$$

이고, $E$가 직육면체일 때는 이것이 다음 반복적분이 된다.

$$P(a\le X\le b,\ c\le Y\le d,\ r\le Z\le s)=\int_a^b\!\!\int_c^d\!\!\int_r^s f(x,y,z)\,dz\,dy\,dx.$$

결합확률밀도함수는 두 조건으로 특징지어진다. 모든 점에서 $f(x,y,z)\ge0$이고, 전체 확률이 $1$이라는 것, 즉

$$\int_{-\infty}^{\infty}\!\!\int_{-\infty}^{\infty}\!\!\int_{-\infty}^{\infty} f(x,y,z)\,dz\,dy\,dx=1.$$
English

Two further applications carry over from Section 15.4 unchanged. If charge is spread over the solid $E$ with charge density $\sigma(x,y,z)$, the total charge is

$$Q=\iiint_E \sigma(x,y,z)\,dV.$$

If $X$, $Y$, $Z$ are continuous random variables with joint density function $f$, the probability that the triple $(X,Y,Z)$ falls in a solid $E$ is

$$P\big((X,Y,Z)\in E\big)=\iiint_E f(x,y,z)\,dV,$$

and for a box this becomes the iterated integral

$$P(a\le X\le b,\ c\le Y\le d,\ r\le Z\le s)=\int_a^b\!\!\int_c^d\!\!\int_r^s f(x,y,z)\,dz\,dy\,dx.$$

A joint density function is characterized by two conditions: $f(x,y,z)\ge0$ everywhere, and total probability $1$, that is,

$$\int_{-\infty}^{\infty}\!\!\int_{-\infty}^{\infty}\!\!\int_{-\infty}^{\infty} f(x,y,z)\,dz\,dy\,dx=1.$$

예제 답안 · Worked Examples

EXAM 1 직육면체 위의 삼중적분 A Triple Integral over a BoxExample 1 · p.1122
한국어

직육면체 $B=\{(x,y,z)\mid 0\le x\le 1,\ -1\le y\le 2,\ 0\le z\le 3\}$ 위에서 삼중적분 $\displaystyle\iiint_B xyz^2\,dV$의 값을 구하라.

풀이. 피적분함수 $xyz^2$는 한 변수씩만의 함수 $x$, $y$, $z^2$의 곱이고 적분 영역 $B$는 세 좌표축 방향 구간의 곱이므로, 정리 4가 허용하는 순서 중 아무거나 하나를 골라 안쪽부터 적분하면 각 인자가 자신과 무관한 변수의 적분 밖으로 차례로 빠져나온다. 그 결과 삼중적분은 세 단일적분의 곱으로 분리된다.

$$\iiint_B xyz^2\,dV=\left(\int_0^1 x\,dx\right)\left(\int_{-1}^{2} y\,dy\right)\left(\int_0^3 z^2\,dz\right).$$

세 인자를 각각 계산하면

$$\begin{aligned}\int_0^1 x\,dx&=\frac12,\\ \int_{-1}^{2} y\,dy&=\left[\frac{y^2}{2}\right]_{-1}^{2}=2-\frac12=\frac32,\\ \int_0^3 z^2\,dz&=\left[\frac{z^3}{3}\right]_0^3=9\end{aligned}$$

이므로

$$\iiint_B xyz^2\,dV=\frac12\cdot\frac32\cdot9=\frac{27}{4}.$$

따라서 $\displaystyle\iiint_B xyz^2\,dV=\dfrac{27}{4}$이다.

English

Let $B$ be the box $[0,1]\times[-1,2]\times[0,3]$. Compute the value of $\displaystyle\iiint_B xyz^2\,dV$.

Solution. The integrand $xyz^2$ is a product of one-variable factors $x$, $y$, $z^2$, and the domain $B$ is a product of intervals along the three axes, so integrating inward in any order permitted by Theorem 4 lets each factor slide out past the integrals that don't involve it. The triple integral therefore splits into a product of three single integrals.

$$\iiint_B xyz^2\,dV=\left(\int_0^1 x\,dx\right)\left(\int_{-1}^{2} y\,dy\right)\left(\int_0^3 z^2\,dz\right).$$

Evaluating the three factors,

$$\begin{aligned}\int_0^1 x\,dx&=\frac12,\\ \int_{-1}^{2} y\,dy&=\left[\frac{y^2}{2}\right]_{-1}^{2}=2-\frac12=\frac32,\\ \int_0^3 z^2\,dz&=\left[\frac{z^3}{3}\right]_0^3=9,\end{aligned}$$

so

$$\iiint_B xyz^2\,dV=\frac12\cdot\frac32\cdot9=\frac{27}{4}.$$

Hence $\displaystyle\iiint_B xyz^2\,dV=\dfrac{27}{4}$.

EXAM 2 제1팔분공간의 입체 위의 적분 An Integral over a First-Octant SolidExample 2 · p.1123
한국어

입체 $E$가 제1팔분공간에 놓여 있고 곡면 $z=12xy$ 아래에서 두 평면 $y=x$와 $x=1$로 잘려 있다고 하자. 삼중적분 $\displaystyle\iiint_E z\,dV$를 구하라.

풀이. 제1팔분공간이므로 $x,y,z\ge0$이고, 곡면 $z=12xy$ 아래에 놓이므로 이것이 $z$의 위 한계가 된다. 남은 두 조건 $y=x$, $x=1$이 잘라내는 그림자 $D$는 꼭짓점이 $(0,0)$, $(1,0)$, $(1,1)$인 삼각형이며, $x$축(즉 직선 $y=0$, 제1팔분공간의 경계)과 직선 $y=x$ 사이에 놓인다. $y$를 바깥 변수로 잡으면 $D=\{(x,y)\mid 0\le y\le1,\ y\le x\le1\}$이라는 제2형 서술을 얻으므로, $E$는 제1형 입체

$$E=\{(x,y,z)\mid 0\le y\le1,\ y\le x\le1,\ 0\le z\le12xy\}\tag{9}$$

로 쓸 수 있다. 식 (6)에서 안쪽 적분은 $x,y$를 고정한 채 $z$에 대해서만 수행되므로

$$\iiint_E z\,dV=\int_0^1\!\!\int_y^1\left[\int_0^{12xy} z\,dz\right]dx\,dy=\int_0^1\!\!\int_y^1 72x^2y^2\,dx\,dy.$$

안쪽 $x$-적분을 계산하면

$$\int_y^1 72x^2y^2\,dx=72y^2\left[\frac{x^3}{3}\right]_y^1=24y^2\left(1-y^3\right)=24y^2-24y^5$$

이고, 남은 $y$-적분은

$$\int_0^1\left(24y^2-24y^5\right)dy=24\cdot\frac13-24\cdot\frac16=8-4=4.$$

따라서 $\displaystyle\iiint_E z\,dV=4$이다.

English

A solid $E$ lies in the first octant, below the surface $z=12xy$, and is cut off by the two planes $y=x$ and $x=1$. Determine $\displaystyle\iiint_E z\,dV$.

Solution. The first-octant condition gives $x,y,z\ge0$, and lying below $z=12xy$ makes that surface the upper limit for $z$. The remaining conditions $y=x$ and $x=1$ cut out a shadow $D$ with vertices $(0,0)$, $(1,0)$, $(1,1)$, trapped between the $x$-axis (the line $y=0$, where the first-octant condition $y\ge0$ binds) and the line $y=x$. Taking $y$ as the outer variable gives the Type II description $D=\{(x,y)\mid 0\le y\le1,\ y\le x\le1\}$, so $E$ is the type 1 solid

$$E=\{(x,y,z)\mid 0\le y\le1,\ y\le x\le1,\ 0\le z\le12xy\}.\tag{9}$$

In Equation (6) the inner integral treats $x,y$ as fixed and runs over $z$ alone, so

$$\iiint_E z\,dV=\int_0^1\!\!\int_y^1\left[\int_0^{12xy} z\,dz\right]dx\,dy=\int_0^1\!\!\int_y^1 72x^2y^2\,dx\,dy.$$

Evaluating the inner $x$-integral,

$$\int_y^1 72x^2y^2\,dx=72y^2\left[\frac{x^3}{3}\right]_y^1=24y^2\left(1-y^3\right)=24y^2-24y^5,$$

and the remaining $y$-integral is

$$\int_0^1\left(24y^2-24y^5\right)dy=24\cdot\frac13-24\cdot\frac16=8-4=4.$$

Hence $\displaystyle\iiint_E z\,dV=4$.

EXAM 3 포물면과 평면으로 둘러싸인 입체 A Solid Bounded by a Paraboloid and a PlaneExample 3 · p.1124–1126
한국어

포물면 $y=x^2+z^2$과 평면 $y=4$ 사이에 갇힌 입체를 $E$라 하자. 삼중적분 $\displaystyle\iiint_E \sqrt{x^2+z^2}\,dV$의 값을 구하라.

풀이. 포물면 $y=x^2+z^2$은 $x,z$만의 식이어서 $y$축에 대해 회전대칭이고, 피적분함수 $\sqrt{x^2+z^2}$도 $x,z$에서만 대칭식이다. 따라서 $x,z$를 정사영에 남겨 두고 $y$를 두 곡면 사이에 낀 변수로 잡는 제3형 서술이 자연스럽다. 두 경계 $y=x^2+z^2$과 $y=4$가 만나는 자리는 $x^2+z^2=4$이므로, $xz$-평면 정사영은 원판 $D_3=\{(x,z)\mid x^2+z^2\le4\}$이고

$$E=\{(x,y,z)\mid (x,z)\in D_3,\ x^2+z^2\le y\le4\}.$$

(11)에서 안쪽 적분은 $x,z$를 고정한 채 $y$에 대해서만 이루어지고, 피적분함수가 $y$를 포함하지 않으므로

$$\iiint_E \sqrt{x^2+z^2}\,dV=\iint_{D_3}\sqrt{x^2+z^2}\left[\int_{x^2+z^2}^{4}dy\right]dA=\iint_{D_3}\sqrt{x^2+z^2}\left(4-x^2-z^2\right)dA.$$

$D_3$가 원판이고 피적분함수가 원점까지의 거리만의 함수이므로, $xz$-평면에서 극좌표 $x=r\cos\theta$, $z=r\sin\theta$로 바꾼다. $\sqrt{x^2+z^2}=r$, $dA=r\,dr\,d\theta$, $D_3=\{0\le r\le2,\ 0\le\theta\le2\pi\}$이므로

$$\iiint_E \sqrt{x^2+z^2}\,dV=\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^{2} r\left(4-r^2\right)\cdot r\,dr\,d\theta=\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^{2}\left(4r^2-r^4\right)dr\,d\theta.$$

안쪽 $r$-적분을 계산하면

$$\int_0^{2}\left(4r^2-r^4\right)dr=\left[\frac{4r^3}{3}-\frac{r^5}{5}\right]_0^2=\frac{32}{3}-\frac{32}{5}=\frac{64}{15}$$

이고, $\theta$에 대한 적분은 상수 $64/15$에 $2\pi$를 곱하는 것과 같으므로

$$\iiint_E \sqrt{x^2+z^2}\,dV=2\pi\cdot\frac{64}{15}=\frac{128\pi}{15}.$$

따라서 $\displaystyle\iiint_E \sqrt{x^2+z^2}\,dV=\dfrac{128\pi}{15}$이다. (참고로 이 입체를 제1형으로 세우면 안쪽 $z$-적분의 한계가 $\pm\sqrt{y-x^2}$인 무리식이 되어 계산이 사실상 막힌다 — 제3형과 극좌표를 함께 쓰는 것이 대칭성을 살리는 길이다.)

English

Let $E$ be the solid trapped between the paraboloid $y=x^2+z^2$ and the plane $y=4$. Find the value of $\displaystyle\iiint_E \sqrt{x^2+z^2}\,dV$.

Solution. The paraboloid $y=x^2+z^2$ depends only on $x,z$ and is rotationally symmetric about the $y$-axis, and the integrand $\sqrt{x^2+z^2}$ is likewise symmetric in $x,z$ alone. This makes it natural to leave $x,z$ in the projection and let $y$ be the variable caught between the two surfaces — a type 3 description. The two boundaries $y=x^2+z^2$ and $y=4$ meet where $x^2+z^2=4$, so the projection onto the $xz$-plane is the disk $D_3=\{(x,z)\mid x^2+z^2\le4\}$, and

$$E=\{(x,y,z)\mid (x,z)\in D_3,\ x^2+z^2\le y\le4\}.$$

In (11) the inner integral holds $x,z$ fixed and runs over $y$ alone; since the integrand does not involve $y$,

$$\iiint_E \sqrt{x^2+z^2}\,dV=\iint_{D_3}\sqrt{x^2+z^2}\left[\int_{x^2+z^2}^{4}dy\right]dA=\iint_{D_3}\sqrt{x^2+z^2}\left(4-x^2-z^2\right)dA.$$

Since $D_3$ is a disk and the integrand is a function of the distance to the origin alone, switch to polar coordinates in the $xz$-plane: $x=r\cos\theta$, $z=r\sin\theta$. Then $\sqrt{x^2+z^2}=r$, $dA=r\,dr\,d\theta$, and $D_3=\{0\le r\le2,\ 0\le\theta\le2\pi\}$, so

$$\iiint_E \sqrt{x^2+z^2}\,dV=\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^{2} r\left(4-r^2\right)\cdot r\,dr\,d\theta=\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^{2}\left(4r^2-r^4\right)dr\,d\theta.$$

Evaluating the inner $r$-integral,

$$\int_0^{2}\left(4r^2-r^4\right)dr=\left[\frac{4r^3}{3}-\frac{r^5}{5}\right]_0^2=\frac{32}{3}-\frac{32}{5}=\frac{64}{15},$$

and integrating over $\theta$ multiplies this constant by $2\pi$, so

$$\iiint_E \sqrt{x^2+z^2}\,dV=2\pi\cdot\frac{64}{15}=\frac{128\pi}{15}.$$

Hence $\displaystyle\iiint_E \sqrt{x^2+z^2}\,dV=\dfrac{128\pi}{15}$. (Setting $E$ up as a type 1 solid instead would leave the inner $z$-integral with irrational limits $\pm\sqrt{y-x^2}$, which makes the computation all but unworkable — the type 3 description paired with polar coordinates is what exploits the symmetry.)

EXAM 4 적분 순서를 바꾸어 다시 쓰기 Rewriting an Iterated Integral in Other OrdersExample 4 · p.1126–1127
한국어

반복적분

$$\int_0^1\!\!\int_0^{x^2}\!\!\int_0^{y} f(x,y,z)\,dz\,dy\,dx$$

가 $\displaystyle\iiint_E f(x,y,z)\,dV$와 같아지도록 하는 입체 $E$를 찾고, 이 삼중적분을 다음 순서의 반복적분으로 각각 다시 쓰라.

(a) $dx\,dz\,dy$ 순서, 즉 $x$에 대해 먼저, 그다음 $z$, 마지막에 $y$에 대해 적분하는 순서

(b) $dy\,dx\,dz$ 순서, 즉 $y$에 대해 먼저, 그다음 $x$, 마지막에 $z$에 대해 적분하는 순서

x y 1 1 y = x² D₁ y z 1 1 z = y D₂ x z 1 1 z = x² D₃

풀이. 주어진 반복적분의 한계를 안에서 밖으로 읽으면, $x,y$를 고정했을 때 $z$는 $0$에서 $y$까지, $x$를 고정했을 때 $y$는 $0$에서 $x^2$까지, 마지막으로 $x$는 $0$에서 $1$까지 움직인다. 그러므로

$$E=\{(x,y,z)\mid 0\le x\le1,\ 0\le y\le x^2,\ 0\le z\le y\}$$

이며, 이는 $xy$-평면 정사영 $D_1=\{(x,y)\mid 0\le x\le1,\ 0\le y\le x^2\}$ 위에서 $z$가 평면 $z=0$과 $z=y$ 사이에 낀 제1형 입체이다. 순서를 바꾸려면 $E$를 나머지 두 좌표평면에도 정사영해야 하는데, $D_1$의 제2형 서술 $\{0\le y\le1,\ \sqrt y\le x\le1\}$과 함께 위 그림의 $D_2$(=$yz$-평면 정사영), $D_3$(=$xz$-평면 정사영)를 이용한다.

$D_2$는 $E$의 조건 $0\le z\le y\le1$에서 바로 읽히며, $D_2=\{(y,z)\mid 0\le y\le1,\ 0\le z\le y\}$이다(위 그림). $D_3$는 $y$를 소거해 얻는다: $0\le z\le y\le x^2$이려면 $z\le x^2$이면 충분하므로 $D_3=\{(x,z)\mid 0\le x\le1,\ 0\le z\le x^2\}$이다(위 그림).

(a) $dx\,dz\,dy$ 순서는 $y$가 가장 바깥, $z$가 가운데이므로 $D_2$를 $y$가 바깥인 형태 $D_2=\{0\le y\le1,\ 0\le z\le y\}$로 쓴다. 가장 안쪽 $x$의 한계는 $D_1$의 조건 $y\le x^2$(즉 $x\ge\sqrt y$)과 $x\le1$에서 나오며 $z$에는 의존하지 않는다. 따라서 $E$는 제2형 입체 $\{(y,z)\in D_2,\ \sqrt y\le x\le1\}$로도 쓸 수 있고

$$\int_0^1\!\!\int_0^{x^2}\!\!\int_0^{y} f(x,y,z)\,dz\,dy\,dx=\int_0^1\!\!\int_0^{y}\!\!\int_{\sqrt y}^{1} f(x,y,z)\,dx\,dz\,dy.$$

(b) $dy\,dx\,dz$ 순서는 $z$가 가장 바깥, $x$가 가운데이므로 $D_3$를 $z$가 바깥인 형태 $D_3=\{0\le z\le1,\ \sqrt z\le x\le1\}$로 쓴다. 가장 안쪽 $y$의 한계는 $E$의 원래 조건 $z\le y\le x^2$에서 곧바로 나온다. 따라서 $E$는 제3형 입체 $\{(x,z)\in D_3,\ z\le y\le x^2\}$로도 쓸 수 있고

$$\int_0^1\!\!\int_0^{x^2}\!\!\int_0^{y} f(x,y,z)\,dz\,dy\,dx=\int_0^1\!\!\int_{\sqrt z}^{1}\!\!\int_{z}^{x^2} f(x,y,z)\,dy\,dx\,dz.$$
English

Identify the solid $E$ for which

$$\int_0^1\!\!\int_0^{x^2}\!\!\int_0^{y} f(x,y,z)\,dz\,dy\,dx=\iiint_E f(x,y,z)\,dV,$$

and then express that triple integral as an iterated integral in each of the following orders.

(a) The order $dx\,dz\,dy$: integrate in $x$ first, then in $z$, and last in $y$.

(b) The order $dy\,dx\,dz$: integrate in $y$ first, then in $x$, and last in $z$.

x y 1 1 y = x² D₁ y z 1 1 z = y D₂ x z 1 1 z = x² D₃

Solution. Reading the limits of the given iterated integral from the inside out: with $x,y$ fixed, $z$ runs from $0$ to $y$; with $x$ fixed, $y$ runs from $0$ to $x^2$; and finally $x$ runs from $0$ to $1$. Hence

$$E=\{(x,y,z)\mid 0\le x\le1,\ 0\le y\le x^2,\ 0\le z\le y\},$$

a type 1 solid in which $z$ is trapped between the planes $z=0$ and $z=y$ over the $xy$-projection $D_1=\{(x,y)\mid 0\le x\le1,\ 0\le y\le x^2\}$. Rewriting the order requires projecting $E$ onto the other two coordinate planes as well; together with the Type II description $\{0\le y\le1,\ \sqrt y\le x\le1\}$ of $D_1$, this uses $D_2$ (the $yz$-projection) and $D_3$ (the $xz$-projection) shown in the figure above.

$D_2$ is read off directly from the condition $0\le z\le y\le1$ that defines $E$: $D_2=\{(y,z)\mid 0\le y\le1,\ 0\le z\le y\}$ (figure above). $D_3$ comes from eliminating $y$: since $0\le z\le y\le x^2$ requires only $z\le x^2$, $D_3=\{(x,z)\mid 0\le x\le1,\ 0\le z\le x^2\}$ (figure above).

(a) The order $dx\,dz\,dy$ has $y$ outermost and $z$ in the middle, so write $D_2$ with $y$ outer: $D_2=\{0\le y\le1,\ 0\le z\le y\}$. The innermost limits for $x$ come from the condition $y\le x^2$ (that is, $x\ge\sqrt y$) together with $x\le1$, neither of which involves $z$. So $E$ is also the type 2 solid $\{(y,z)\in D_2,\ \sqrt y\le x\le1\}$, and

$$\int_0^1\!\!\int_0^{x^2}\!\!\int_0^{y} f(x,y,z)\,dz\,dy\,dx=\int_0^1\!\!\int_0^{y}\!\!\int_{\sqrt y}^{1} f(x,y,z)\,dx\,dz\,dy.$$

(b) The order $dy\,dx\,dz$ has $z$ outermost and $x$ in the middle, so write $D_3$ with $z$ outer: $D_3=\{0\le z\le1,\ \sqrt z\le x\le1\}$. The innermost limits for $y$ come directly from the original condition $z\le y\le x^2$ on $E$. So $E$ is also the type 3 solid $\{(x,z)\in D_3,\ z\le y\le x^2\}$, and

$$\int_0^1\!\!\int_0^{x^2}\!\!\int_0^{y} f(x,y,z)\,dz\,dy\,dx=\int_0^1\!\!\int_{\sqrt z}^{1}\!\!\int_{z}^{x^2} f(x,y,z)\,dy\,dx\,dz.$$
EXAM 5 사면체의 부피 Volume of a TetrahedronExample 5 · p.1128
한국어

네 평면 $x+2y+z=2$, $x=2y$, $x=0$, $z=0$으로 둘러싸인 사면체를 $T$라 하자. $T$의 부피를 삼중적분으로 세워 구하라.

풀이. 평면 $x+2y+z=2$를 $z$에 대해 풀면 $z=2-x-2y$가 되고, 이것이 사면체의 위 경계이며 아래 경계는 $z=0$이다. 밑면(그림자) $D$는 위 경계와 아래 경계가 만나는 직선 $x+2y=2$와 나머지 두 옆면 $x=0$, $x=2y$가 $xy$-평면 위에서 둘러싸는 삼각형이다. $x=2y$는 $y=x/2$, $x+2y=2$는 $y=1-x/2$이므로 이 두 직선은 $x/2=1-x/2$, 즉 $x=1$(이때 $y=1/2$)에서 만난다. 따라서 $D$는

$$D=\{(x,y)\mid 0\le x\le1,\ \tfrac{x}{2}\le y\le1-\tfrac{x}{2}\}$$

이고 (꼭짓점은 $(0,0)$, $(0,1)$, $(1,\tfrac12)$), $T$는 제1형 입체 $\{(x,y,z)\mid (x,y)\in D,\ 0\le z\le2-x-2y\}$이다. 식 (12)에 의해

$$V(T)=\iiint_T dV=\iint_D\left(2-x-2y\right)dA=\int_0^1\!\!\int_{x/2}^{1-x/2}\left(2-x-2y\right)dy\,dx.$$

안쪽 적분에서 $b=1-\tfrac x2$, $a=\tfrac x2$라 하면 $b-a=1-x$, $a+b=1$이므로

$$\int_{a}^{b}(2-x-2y)\,dy=(2-x)(b-a)-(b^2-a^2)=(2-x)(1-x)-(1-x)(a+b)=(1-x)\big[(2-x)-1\big]=(1-x)^2.$$

남은 $x$-적분은

$$\int_0^1(1-x)^2\,dx=\left[-\frac{(1-x)^3}{3}\right]_0^1=\frac13.$$

따라서 $V(T)=\dfrac13$이다.

English

Let $T$ be the tetrahedron whose four faces lie in the planes $x+2y+z=2$, $x=2y$, $x=0$ and $z=0$. Set up a triple integral for the volume of $T$ and evaluate it.

Solution. Solving $x+2y+z=2$ for $z$ gives $z=2-x-2y$, which is the top of the tetrahedron; the bottom is $z=0$. The shadow $D$ is the triangle enclosed in the $xy$-plane by the line $x+2y=2$, along which the top and the bottom meet, together with the two remaining faces $x=0$ and $x=2y$. Now $x=2y$ gives $y=x/2$ and $x+2y=2$ gives $y=1-x/2$; the two lines meet where $x/2=1-x/2$, i.e. at $x=1$ (where $y=1/2$). So

$$D=\{(x,y)\mid 0\le x\le1,\ \tfrac{x}{2}\le y\le1-\tfrac{x}{2}\}$$

(with vertices $(0,0)$, $(0,1)$, $(1,\tfrac12)$), and $T$ is the type 1 solid $\{(x,y,z)\mid (x,y)\in D,\ 0\le z\le2-x-2y\}$. By Equation (12),

$$V(T)=\iiint_T dV=\iint_D\left(2-x-2y\right)dA=\int_0^1\!\!\int_{x/2}^{1-x/2}\left(2-x-2y\right)dy\,dx.$$

For the inner integral, write $b=1-\tfrac x2$, $a=\tfrac x2$, so $b-a=1-x$ and $a+b=1$, and

$$\int_{a}^{b}(2-x-2y)\,dy=(2-x)(b-a)-(b^2-a^2)=(2-x)(1-x)-(1-x)(a+b)=(1-x)\big[(2-x)-1\big]=(1-x)^2.$$

The remaining $x$-integral is

$$\int_0^1(1-x)^2\,dx=\left[-\frac{(1-x)^3}{3}\right]_0^1=\frac13.$$

Hence $V(T)=\dfrac13$.

EXAM 6 밀도가 일정한 입체의 질량중심 Center of Mass of a Solid of Constant DensityExample 6 · p.1129–1130
한국어

밀도가 상수 $\rho$로 일정한 입체 $E$가 포물기둥 $x=y^2$과 세 평면 $z=x$, $z=0$, $x=1$로 둘러싸여 있다. 이 입체의 질량중심 $(\bar x,\bar y,\bar z)$를 구하라.

풀이. $z$는 $z=0$과 $z=x$ 사이에 놓이므로 $xy$-평면 정사영 $D$ 위에서 $E$는 제1형 입체 $\{(x,y,z)\mid (x,y)\in D,\ 0\le z\le x\}$이고, $D$는 포물기둥의 자취 $x=y^2$과 평면 $x=1$이 $xy$-평면에서 잘라내는 영역, 즉 $D=\{(x,y)\mid -1\le y\le1,\ y^2\le x\le1\}$이다.

$m$, $M_{yz}$, $M_{xy}$를 계산할 때마다 $z$에 대한 안쪽 적분이 먼저 실행되어 각각 $\rho x$, $\rho x^2$, $\tfrac12\rho x^2$가 남고, 그다음 $D$ 위에서 $x$의 거듭제곱을 적분하게 된다. 이 공통 패턴을 이용해 $n=1,2$에 대해 한 번에

$$\iint_D x^n\,dA=\int_{-1}^{1}\!\!\int_{y^2}^{1} x^n\,dx\,dy=\int_{-1}^{1}\frac{1-y^{2n+2}}{n+1}\,dy=\frac{1}{n+1}\left[y-\frac{y^{2n+3}}{2n+3}\right]_{-1}^{1}=\frac{4}{2n+3}$$

임을 미리 확인해 둔다(마지막 등식은 대괄호 안의 값이 $y=1$에서 $1-\tfrac1{2n+3}$, $y=-1$에서 $-1+\tfrac1{2n+3}$이므로 그 차가 $2-\tfrac2{2n+3}=\tfrac{4n+4}{2n+3}$이고 여기에 $\tfrac1{n+1}$을 곱한 결과이다). 이제 질량은 안쪽 $z$-적분 $\int_0^x\rho\,dz=\rho x$를 이용해

$$m=\iint_D \rho x\,dA=\rho\iint_D x\,dA=\rho\cdot\frac{4}{2\cdot1+3}=\frac{4\rho}{5}.$$

$yz$-평면에 대한 모멘트는 $\int_0^x x\rho\,dz=x^2\rho$를 써서

$$M_{yz}=\iint_D \rho x^2\,dA=\rho\cdot\frac{4}{2\cdot2+3}=\frac{4\rho}{7}.$$

$xz$-평면에 대한 모멘트는 안쪽 적분이 $\int_0^x y\rho\,dz=xy\rho$가 되어 $D$ 위에서 $xy$를 적분해야 하는데, $D$가 $y\mapsto-y$에 대해 대칭(경계가 $y^2$으로만 나타남)이고 $xy$는 이 대칭 아래 부호를 바꾸므로 적분은 상쇄되어

$$M_{xz}=\rho\iint_D xy\,dA=0.$$

$xy$-평면에 대한 모멘트는 $\int_0^x z\rho\,dz=\tfrac12x^2\rho$를 써서

$$M_{xy}=\frac{\rho}{2}\iint_D x^2\,dA=\frac{\rho}{2}\cdot\frac{4}{7}=\frac{2\rho}{7}.$$

따라서 질량중심의 좌표는 식 (15)에 의해

$$\begin{aligned}\bar x&=\frac{M_{yz}}{m}=\frac{4\rho/7}{4\rho/5}=\frac57,\\ \bar y&=\frac{M_{xz}}{m}=0,\\ \bar z&=\frac{M_{xy}}{m}=\frac{2\rho/7}{4\rho/5}=\frac{5}{14}\end{aligned}$$

이다. 따라서 질량중심은 $\left(\dfrac57,\,0,\,\dfrac5{14}\right)$이다.

English

A solid $E$ of constant density $\rho$ is bounded by the parabolic cylinder $x=y^2$ together with the three planes $z=x$, $z=0$ and $x=1$. Locate the center of mass $(\bar x,\bar y,\bar z)$ of this solid.

Solution. Since $z$ lies between $z=0$ and $z=x$, $E$ is the type 1 solid $\{(x,y,z)\mid (x,y)\in D,\ 0\le z\le x\}$ over its $xy$-projection $D$, where $D$ is what the trace $x=y^2$ of the parabolic cylinder and the plane $x=1$ cut out of the $xy$-plane: $D=\{(x,y)\mid -1\le y\le1,\ y^2\le x\le1\}$.

Computing $m$, $M_{yz}$ and $M_{xy}$ each begins with an inner integral in $z$ that leaves $\rho x$, $\rho x^2$, or $\tfrac12\rho x^2$ respectively, followed by integrating a power of $x$ over $D$. Exploiting this common pattern, record once and for all, for $n=1,2$,

$$\iint_D x^n\,dA=\int_{-1}^{1}\!\!\int_{y^2}^{1} x^n\,dx\,dy=\int_{-1}^{1}\frac{1-y^{2n+2}}{n+1}\,dy=\frac{1}{n+1}\left[y-\frac{y^{2n+3}}{2n+3}\right]_{-1}^{1}=\frac{4}{2n+3}$$

(the last step follows because the bracket equals $1-\tfrac1{2n+3}$ at $y=1$ and $-1+\tfrac1{2n+3}$ at $y=-1$, whose difference is $2-\tfrac2{2n+3}=\tfrac{4n+4}{2n+3}$, times $\tfrac1{n+1}$). The mass now uses the inner $z$-integral $\int_0^x\rho\,dz=\rho x$:

$$m=\iint_D \rho x\,dA=\rho\iint_D x\,dA=\rho\cdot\frac{4}{2\cdot1+3}=\frac{4\rho}{5}.$$

The moment about the $yz$-plane uses $\int_0^x x\rho\,dz=x^2\rho$:

$$M_{yz}=\iint_D \rho x^2\,dA=\rho\cdot\frac{4}{2\cdot2+3}=\frac{4\rho}{7}.$$

The moment about the $xz$-plane has inner integral $\int_0^x y\rho\,dz=xy\rho$, requiring $\iint_D xy\,dA$; but $D$ is symmetric under $y\mapsto-y$ (its boundary involves only $y^2$), while $xy$ changes sign under that symmetry, so the integral cancels:

$$M_{xz}=\rho\iint_D xy\,dA=0.$$

The moment about the $xy$-plane uses $\int_0^x z\rho\,dz=\tfrac12x^2\rho$:

$$M_{xy}=\frac{\rho}{2}\iint_D x^2\,dA=\frac{\rho}{2}\cdot\frac{4}{7}=\frac{2\rho}{7}.$$

By Equation (15), the coordinates of the center of mass are

$$\begin{aligned}\bar x&=\frac{M_{yz}}{m}=\frac{4\rho/7}{4\rho/5}=\frac57,\\ \bar y&=\frac{M_{xz}}{m}=0,\\ \bar z&=\frac{M_{xy}}{m}=\frac{2\rho/7}{4\rho/5}=\frac{5}{14}.\end{aligned}$$

Hence the center of mass is $\left(\dfrac57,\,0,\,\dfrac5{14}\right)$.

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