개념 해석 · Concepts
이중적분의 한 가지 쓰임 — 부피를 구하는 것 — 은 §15.1–§15.3에서 이미 다루었고, 또 다른 기하학적 쓰임인 곡면 넓이는 §15.5에서 다룬다.
이 절에서는 물리량으로 눈을 돌린다. 밀도가 점마다 달라지는 판의 질량, 영역 위의 총 전하, 질량중심, 관성모멘트가 그것이다. 이들은 모두 같은 방식으로 얻어진다 — 밀도를 $D$ 위에서 적분하되, 경우에 따라 거리나 거리의 제곱을 곱한 뒤 적분한다.
절의 마지막 부분에서는 같은 장치가 두 확률변수의 결합확률밀도함수에도 그대로 적용되어, 확률이 마치 연속적으로 분포된 질량처럼 다루어짐을 본다.
One use of the double integral — computing volumes — is already familiar from §15.1–§15.3, and a second geometric use, the area of a surface, is taken up in §15.5.
This section turns instead to physical quantities: the mass of a plate whose density varies from point to point, the total electric charge on a region, the center of mass, and the moment of inertia. Each of them is obtained the same way — integrate a density over $D$, possibly after multiplying by a distance or by the square of a distance.
The last part of the section shows that the same machinery governs the joint density function of a pair of random variables, so that probability behaves like continuously distributed mass.
밀도. 얇은 판(라미나)이 $xy$-평면의 영역 $D$를 차지하고, 점 $(x,y)$에서의 밀도(단위넓이당 질량)가 $D$ 위에서 연속인 함수 $\rho(x,y)$라 하자. $\rho$가 밀도라는 것은 다음을 뜻한다.
여기서 $\Delta m$과 $\Delta A$는 $(x,y)$를 포함하는 작은 직사각형의 질량과 넓이이며, 극한은 그 직사각형의 변의 길이가 $0$으로 갈 때 취한다.
단적분(§8.3)으로는 밀도가 일정한 판만을 다룰 수 있었다. 이중적분은 이 제약을 없애 — 이제 $\rho$는 $D$ 위의 어떤 연속함수라도 될 수 있다.
Density. Let a lamina (a thin plate) occupy a region $D$ of the $xy$-plane, and let its density at $(x,y)$ — mass per unit area — be a continuous function $\rho(x,y)$ on $D$. That $\rho$ is the density means
where $\Delta m$ and $\Delta A$ are the mass and the area of a small rectangle containing $(x,y)$, and the limit is taken as the side lengths of that rectangle tend to $0$.
Single integrals (§8.3) reach only the case of a lamina of constant density. The double integral removes that restriction: $\rho$ may now be any continuous function on $D$.
식 (1) — 얇은 판의 질량. 밀도가 연속함수 $\rho$인 얇은 판이 $D$를 차지할 때, 총 질량은
이 절의 다른 모든 공식은 같은 격자에서 나온다. 항 $\rho(x_{ij}^*,y_{ij}^*)\,\Delta A$를 좌표 하나를 곱한 값이나 거리의 제곱을 곱한 값으로 바꾸기만 하면 된다.
증명. $D$를 포함하는 직사각형 $R$을 잡고, $\rho$를 $D$ 밖에서 $0$으로 확장해 $R$ 전체에서 정의한다. $R$을 변의 길이 $\Delta x,\Delta y$인 $k\times l$개의 부분직사각형 $R_{ij}$ (넓이 $\Delta A=\Delta x\,\Delta y$)로 자르고, 각 $R_{ij}$에서 표본점 $(x_{ij}^*,y_{ij}^*)$을 하나씩 고른다. $\rho$가 연속이므로 $R_{ij}$가 충분히 작으면 그 위에서 밀도는 거의 상수 $\rho(x_{ij}^*,y_{ij}^*)$로 볼 수 있고, 따라서 $R_{ij}$가 담고 있는 질량은
로 근사된다. 판 전체의 질량은 이 조각들의 질량을 모두 더한 것과 같으므로
이고, 분할을 $k,l\to\infty$로 세분화하면 근삿값과 참값의 차는 $0$으로 간다. 우변은 정확히 $\rho$의 $D$ 위 이중적분을 정의하는 리만 합이므로, 그 극한을 취하면
를 얻는다.
Equation (1) — Mass of a Lamina. A lamina occupying $D$ with continuous density $\rho$ has total mass
Every other formula of this section is built from the same grid: replace the summand $\rho(x_{ij}^*,y_{ij}^*)\,\Delta A$ by that quantity times a coordinate, or times the square of a distance.
Proof. Enclose $D$ in a rectangle $R$ and extend $\rho$ to all of $R$ by setting it $0$ outside $D$. Cut $R$ into $k\times l$ subrectangles $R_{ij}$ of side lengths $\Delta x,\Delta y$ (area $\Delta A=\Delta x\,\Delta y$), and pick a sample point $(x_{ij}^*,y_{ij}^*)$ in each. Because $\rho$ is continuous, once the $R_{ij}$ are small enough the density on $R_{ij}$ is nearly the constant $\rho(x_{ij}^*,y_{ij}^*)$, so the mass contained in $R_{ij}$ is approximated by
Summing over all the pieces gives the mass of the whole lamina,
and refining the partition so that $k,l\to\infty$ drives the error in this approximation to $0$. The right-hand side is exactly the Riemann sum defining the double integral of $\rho$ over $D$, so passing to the limit yields
식 (2) — 총 전하. 전하가 영역 $D$ 위에 분포하고, 점 $(x,y)$에서의 전하밀도(단위넓이당 전하)가 $\sigma(x,y)$라 하자. 그러면 $D$ 위의 총 전하는
식 (1)을 이끌어내는 과정에서 분포되는 양이 질량이라는 사실은 전혀 쓰이지 않았다. 그러므로 전하, 인구, 열 등 다른 어떤 종류의 밀도도 정확히 같은 방식으로 다룰 수 있다.
증명. 식 (1)의 증명 과정 어디에서도 $D$ 위에 분포된 양이 질량이라는 사실은 쓰이지 않았다 — 오직 그 양이 연속인 밀도함수를 갖는다는 점만 사용되었다. 그러므로 같은 격자 $\{R_{ij}\}$와 같은 표본점 $(x_{ij}^*,y_{ij}^*)$을 그대로 쓰고 $\rho$ 대신 전하밀도 $\sigma$를 대입하면, $R_{ij}$ 위의 전하는
로 근사되고, 이를 더한 뒤 분할을 세분화하면 $D$ 위의 총 전하는
가 된다.
Equation (2) — Total Charge. Suppose electric charge is spread over a region $D$ and the charge density (charge per unit area) at $(x,y)$ is $\sigma(x,y)$. Then the total charge on $D$ is
Nothing in the derivation of (1) used the fact that the quantity being distributed was mass, so any other kind of density — charge, population, heat — is handled in exactly the same way.
Proof. Nowhere in the proof of Equation (1) was it used that the quantity spread over $D$ is mass — only that it has a continuous density. So reuse the same grid $\{R_{ij}\}$ and the same sample points $(x_{ij}^*,y_{ij}^*)$, replacing $\rho$ by the charge density $\sigma$: the charge on $R_{ij}$ is approximated by
and summing over the pieces and refining the partition gives the total charge on $D$,
입자 하나의 축에 대한 모멘트는 그 질량에 축까지의 부호 있는 거리를 곱한 값이다. 이를 격자의 각 부분직사각형에 적용하고 극한을 취하면 판 전체의 모멘트를 얻는다.
식 (3), (4) — 얇은 판의 모멘트. 밀도 $\rho$인 얇은 판이 $D$를 차지할 때, $x$축에 대한 모멘트는
이고, $y$축에 대한 모멘트는
어느 좌표가 어느 축에 대응하는지 주의해야 한다. 점에서 $x$축까지의 거리는 $y$이므로, $M_x$에는 $x$가 아니라 $y$가 나타난다.
증명. 식 (1)의 증명에서 쓴 것과 같은 격자 $\{R_{ij}\}$와 표본점 $(x_{ij}^*,y_{ij}^*)$을 다시 사용한다. $R_{ij}$가 담은 질량은 여전히 $\rho(x_{ij}^*,y_{ij}^*)\Delta A$로 근사되는데, 이 질량이 표본점 $(x_{ij}^*,y_{ij}^*)$ 하나에 모인 입자라고 보면, 그 입자의 $x$축에 대한 모멘트는 (질량)$\times$(축까지의 부호 있는 거리)이다. $(x_{ij}^*,y_{ij}^*)$에서 $x$축까지의 부호 있는 거리는 $y_{ij}^*$이므로 $R_{ij}$가 기여하는 모멘트는
로 근사된다. 모든 조각에 대해 더한 뒤 분할을 $m,n\to\infty$로 세분화하면, 우변이 $y\rho(x,y)$의 리만 합이므로
를 얻는다. 같은 표본점에서 $y$축까지의 부호 있는 거리는 $x_{ij}^*$이므로, 위 논증을 $y_{ij}^*$ 대신 $x_{ij}^*$로 되풀이하면
가 나온다.
The moment of a single particle about an axis is its mass times its directed distance from that axis. Applying this to each subrectangle of the grid and passing to the limit gives the moments of the whole lamina.
Equations (3), (4) — Moments of a Lamina. A lamina occupying $D$ with density $\rho$ has moment about the $x$-axis
and moment about the $y$-axis
Note which coordinate goes with which axis: the distance from a point to the $x$-axis is $y$, so $y$ — not $x$ — appears in $M_x$.
Proof. Reuse the grid $\{R_{ij}\}$ and sample points $(x_{ij}^*,y_{ij}^*)$ from the proof of Equation (1). The mass on $R_{ij}$ is again approximated by $\rho(x_{ij}^*,y_{ij}^*)\Delta A$; treating this mass as a single particle located at $(x_{ij}^*,y_{ij}^*)$, its moment about the $x$-axis is (mass)$\times$(signed distance to the axis). Since the signed distance from $(x_{ij}^*,y_{ij}^*)$ to the $x$-axis is $y_{ij}^*$, the contribution of $R_{ij}$ to the moment is approximated by
Summing over all the pieces and refining the partition so that $m,n\to\infty$, the right-hand side becomes the Riemann sum for $y\rho(x,y)$, so
At the same sample points, the signed distance to the $y$-axis is $x_{ij}^*$, so repeating the argument with $x_{ij}^*$ in place of $y_{ij}^*$ gives
정의 (5) — 질량중심. 밀도함수 $\rho$를 갖고 $D$를 차지하는 얇은 판의 질량중심은 $m\bar x=M_y$와 $m\bar y=M_x$로 정해지는 점 $(\bar x,\bar y)$이다. 구체적으로
이며, 여기서 질량은 $m=\displaystyle\iint_D \rho(x,y)\,dA$이다.
물리적으로 이 판은 마치 전체 질량이 $(\bar x,\bar y)$ 한 점에 모여 있는 것처럼 행동한다. 그 점 하나로 받치면 판은 수평으로 균형을 이룬다.
Definition (5) — Center of Mass. The center of mass of a lamina occupying $D$ with density function $\rho$ is the point $(\bar x,\bar y)$ determined by $m\bar x=M_y$ and $m\bar y=M_x$; explicitly,
where the mass is $m=\displaystyle\iint_D \rho(x,y)\,dA$.
Physically, the lamina behaves as though its whole mass were concentrated at $(\bar x,\bar y)$: supported at that single point, it balances horizontally.
질량 $m$인 입자의 축에 대한 관성모멘트(2차 모멘트)는 $mr^2$으로 정의된다. 여기서 $r$은 입자에서 축까지의 거리이다. $M_x$, $M_y$에서 썼던 것과 같은 격자 논법을 얇은 판에 적용하되, 이번에는 각 부분직사각형에 거리의 제곱을 가중치로 곱하면 다음을 얻는다.
식 (6), (7) — 얇은 판의 관성모멘트. 밀도 $\rho$인 얇은 판이 $D$를 차지할 때
는 $x$축에 대한 관성모멘트이고,
는 $y$축에 대한 관성모멘트이다.
For a single particle, the second moment — the usual name for it is the moment of inertia — about a chosen axis is taken to be $mr^2$, the product of the particle's mass $m$ with the square of its distance $r$ away from that axis. Carrying this over to a lamina by the grid argument used for $M_x$ and $M_y$ — but now weighting each subrectangle by the square of its distance — gives the following.
Equations (6), (7) — Moments of Inertia of a Lamina. For a lamina occupying $D$ with density $\rho$,
is the moment of inertia about the $x$-axis, and
is the moment of inertia about the $y$-axis.
식 (8) — 극관성모멘트. 원점에 대한 얇은 판의 관성모멘트를 극관성모멘트라고도 하며, 이는
피적분함수가 $x^2\rho+y^2\rho$로 나뉘므로 적분도 그렇게 나뉘어
가 항상 성립한다. 실제로는 세 값 중 계산하기 쉬운 두 개를 구하고 나머지 하나는 이 관계식으로부터 얻는 경우가 많다.
Equation (8) — Polar Moment of Inertia. The moment of inertia of the lamina about the origin, also called the polar moment of inertia, is
Because the integrand splits as $x^2\rho+y^2\rho$, the integral splits as well, so
always holds. In practice one usually computes whichever two of the three are easiest and reads off the third.
예제 4의 원판을 다시 살펴보자. 그 질량은 $m=\rho\cdot(\text{넓이})=\rho\pi a^2$이므로, 극관성모멘트를 오직 $m$과 $a$만으로 다시 쓸 수 있다.
따라서 질량이나 반지름을 키우면 관성모멘트도 커진다.
더 일반적으로, 관성모멘트는 회전운동에서 직선운동의 질량과 같은 역할을 한다. 바퀴의 관성모멘트는 그 회전을 시작하거나 멈추기 어렵게 만드는 양이며, 이는 자동차의 질량이 자동차를 출발시키거나 멈추기 어렵게 만드는 것과 같은 이치이다.
Read the disk of Example 4 again. Its mass is $m=\rho\cdot(\text{area})=\rho\pi a^2$, so the polar moment of inertia can be rewritten purely in terms of $m$ and $a$:
Increasing either the mass or the radius therefore increases the moment of inertia.
More generally, in rotational motion the moment of inertia takes over the part played by mass in linear motion. Spinning a wheel up from rest, or bringing it back to a halt, is resisted by its moment of inertia in just the way a car's mass resists being set moving or brought to a stop.
식 (9) — 회전반지름. 주어진 축에 대한 얇은 판의 회전반지름은 다음을 만족하는 수 $R$이다.
여기서 $m$은 판의 질량이고 $I$는 그 축에 대한 관성모멘트이다.
다시 말해, 전체 질량이 축에서 거리 $R$인 곳에 모여 있다면 그 점질량은 판과 같은 관성모멘트를 갖는다.
식 (10). $x$축에 대한 회전반지름을 $\bar{\bar y}$, $y$축에 대한 회전반지름을 $\bar{\bar x}$로 적으면, 이 두 수는 다음 두 식으로 정해진다.
따라서 $(\bar{\bar x},\bar{\bar y})$는 좌표축에 대한 관성모멘트를 바꾸지 않으면서 판의 질량을 집중시킬 수 있는 점이다 — 1차 모멘트에 대해 같은 역할을 하는 질량중심 $(\bar x,\bar y)$의 2차 모멘트 버전인 셈이다.
Equation (9) — Radius of Gyration. The radius of gyration of a lamina about a given axis is the number $R$ satisfying
where $m$ is the mass of the lamina and $I$ is its moment of inertia about that axis.
Equivalently: if the entire mass were concentrated at distance $R$ from the axis, that point mass would have the same moment of inertia as the lamina.
Equation (10). Write $\bar{\bar y}$ for the radius of gyration about the $x$-axis and $\bar{\bar x}$ for the one about the $y$-axis. These two numbers are fixed by the equations
So $(\bar{\bar x},\bar{\bar y})$ is the point at which the mass of the lamina may be concentrated without changing either moment of inertia about the coordinate axes — the second-moment analogue of the center of mass $(\bar x,\bar y)$, which does the same job for the first moments.
결합확률밀도함수. $X$, $Y$를 연속확률변수라 하자. 두 변수의 함수 $f$가 이 쌍의 결합확률밀도함수라는 것은, 모든 영역 $D$에 대해
를 만족한다는 뜻이다. $D$가 직사각형이면 이는
가 된다.
확률은 결코 음이 아니고 전체 확률은 $1$이므로, 결합확률밀도함수는 어디서나 $f(x,y)\ge 0$이어야 하고 또한 다음을 만족해야 한다.
$\mathbb R^2$ 위의 이 이중적분은 이상적분이다. 연습문제 15.3.50에서처럼, 팽창하는 원판이나 정사각형 위의 이중적분의 극한으로 정의된다.
Joint Density Function. Let $X$ and $Y$ be continuous random variables. A function $f$ of two variables is a joint density function for the pair if, for every region $D$,
When $D$ is a rectangle this reads
Since probabilities are never negative and the total probability is $1$, a joint density function must be nonnegative everywhere, $f(x,y)\ge 0$, and must in addition satisfy
The double integral over $\mathbb R^2$ is improper: as in Exercise 15.3.50, it is the limit of double integrals over expanding disks or squares.
독립확률변수. $X$의 확률밀도함수를 $f_1$, $Y$의 확률밀도함수를 $f_2$라 하자. 이때 $X$와 $Y$의 결합밀도함수가 각 밀도함수의 곱
이면 $X$와 $Y$를 독립이라 한다.
대기시간은 (§8.5에서처럼) 지수분포 밀도함수
로 모형화되며, 여기서 $\mu$는 평균 대기시간이다. 따라서 독립인 두 대기시간의 결합밀도는 이런 지수분포 두 개를 곱한 것일 뿐이다.
Independent Random Variables. Let $X$ have probability density function $f_1$ and let $Y$ have probability density function $f_2$. Then $X$ and $Y$ are called independent when their joint density function is the product of the individual ones:
Waiting times are modeled (as in §8.5) by exponential density functions
where $\mu$ is the mean waiting time. Two independent waiting times therefore have a joint density that is simply the product of two such exponentials.
밀도 $f$를 갖는 확률변수 $X$ 하나에 대해 평균은 $\mu=\int_{-\infty}^{\infty}x f(x)\,dx$이다(§8.5). 두 변수 버전은 결합밀도에 한 번에 좌표 하나씩을 곱해 가중치를 준다.
식 (11) — 기댓값. $X$, $Y$가 결합밀도함수 $f$를 가질 때, $X$-평균과 $Y$-평균 — 곧 $X$와 $Y$의 기댓값 — 은
이다.
For a single random variable $X$ with density $f$, the mean is $\mu=\int_{-\infty}^{\infty}x f(x)\,dx$ (§8.5). The two-variable version weights the joint density by one coordinate at a time.
Equation (11) — Expected Values. If $X$ and $Y$ have joint density function $f$, the $X$-mean and $Y$-mean — the expected values of $X$ and $Y$ — are
식 (11)의 $\mu_1$, $\mu_2$를 각각 식 (4)의 $M_y$, 식 (3)의 $M_x$와 비교해 보면 모양이 정확히 같다. 질량밀도 $\rho$가 있던 자리에 결합밀도 $f$가 그대로 들어선 것이다.
그러므로 확률은 연속적으로 분포된 질량처럼 그려볼 수 있다. 질량을 구할 때처럼 — 밀도를 적분해서 — 계산되며, 총 “확률질량”은 $1$이다.
질량중심 공식 (5)에서 $m=1$로 두면 바로 (11)이 된다. 따라서 $\mu_1$, $\mu_2$는 확률분포의 “질량중심” 좌표라 할 수 있다.
Compare the expressions for $\mu_1$ and $\mu_2$ in (11) with the moment $M_y$ of (4) and the moment $M_x$ of (3): they have exactly the same shape, with the joint density $f$ standing where the mass density $\rho$ stood.
So probability may be pictured as continuously distributed mass. It is computed the way mass is computed — by integrating a density — and the total "probability mass" is $1$.
Setting $m=1$ in the center-of-mass formulas (5) then turns them into (11). Hence $\mu_1$ and $\mu_2$ are the coordinates of the "center of mass" of the probability distribution.
§8.5에서와 같이, 확률변수가 정규분포를 따른다는 것은 확률밀도함수가 다음 꼴을 갖는다는 뜻이다.
여기서 $\mu$는 평균, $\sigma$는 표준편차이다.
정규분포를 따르는 두 확률변수가 독립이면 결합밀도는 이런 두 인자의 곱이 된다. 그 그래프는 점 $(\mu_1,\mu_2)$ 위에서 봉우리를 이루는 종 모양의 이변량정규 곡면이다.
As in §8.5, a single random variable is said to be normally distributed when its probability density function has the form
where $\mu$ is the mean and $\sigma$ the standard deviation.
If two normally distributed variables are independent, the joint density is the product of two such factors; its graph is the bell-shaped bivariate normal surface, peaked above the point $(\mu_1,\mu_2)$.
예제 답안 · Worked Examples
세 직선 $y=1-x$, $y=1$, $x=1$로 둘러싸인 삼각영역 $D$(꼭짓점 $(0,1)$, $(1,0)$, $(1,1)$) 위에 전하가 분포하고, 점 $(x,y)$에서의 전하밀도가 $\sigma(x,y)=xy$ (단위: C/m²)라 하자. $D$ 위의 총 전하를 구하라.
풀이. 삼각영역 $D$는 아래쪽 경계 $y=1-x$와 위쪽 경계 $y=1$ 사이에서 $x$가 $0$부터 $1$까지 움직이므로, 제1형 영역으로
로 쓸 수 있다. 식 (2)에 $\sigma(x,y)=xy$를 대입하면
안쪽 적분에서 $x$는 상수로 취급되므로
이다($1-(1-x)^2=2x-x^2$을 사용). 이를 $x$에 대해 적분하면
따라서 $D$ 위의 총 전하는 $Q=\dfrac{5}{24}$ C이다.
The triangular region $D$ with vertices $(0,1)$, $(1,0)$ and $(1,1)$ is cut out by the lines $y=1-x$, $y=1$ and $x=1$. Charge sits on $D$ so that its density at the point $(x,y)$ equals $\sigma(x,y)=xy$ coulombs per square meter. Find the total charge on $D$.
Solution. The triangular region $D$ lies between the lower boundary $y=1-x$ and the upper boundary $y=1$ as $x$ runs from $0$ to $1$, so as a type I region,
Substituting $\sigma(x,y)=xy$ into Equation (2) gives
Treating $x$ as constant in the inner integral,
using $1-(1-x)^2=2x-x^2$. Integrating this over $x$,
Hence the total charge on $D$ is $Q=\dfrac{5}{24}$ C.
꼭짓점이 $(0,0)$, $(1,0)$, $(0,2)$인 삼각형 모양의 얇은 판이 밀도함수 $\rho(x,y)=1+3x+y$를 가진다. 이 판의 질량과 질량중심을 구하라.
풀이. 세 꼭짓점 $(0,0)$, $(1,0)$, $(0,2)$ 가운데 빗변은 $(1,0)$과 $(0,2)$를 잇는 직선이며, 그 방정식은 $\dfrac{x}{1}+\dfrac{y}{2}=1$, 즉 $y=2-2x$이다. 따라서 삼각형은 제1형 영역
로 기술된다. 질량은
$u=2-2x$로 놓으면 안쪽 적분은
이다(두 항을 전개하면 $x$의 일차항이 서로 상쇄된다). 그러므로
모멘트 $M_y$는 같은 안쪽 적분 결과에 $x$를 곱해 얻는다.
모멘트 $M_x$는 안쪽 적분에 $y$를 곱해 다시 계산해야 한다.
이고, 이를 $x$에 대해 $0$부터 $1$까지 적분하면
질량중심은 $\bar x=M_y/m$, $\bar y=M_x/m$이므로
따라서 질량은 $m=\dfrac83$이고, 질량중심은 $(\bar x,\bar y)=\left(\dfrac38,\dfrac{11}{16}\right)$이다.
A triangular lamina has vertices $(0,0)$, $(1,0)$ and $(0,2)$, and its density function is $\rho(x,y)=1+3x+y$. Find the mass and the center of mass of this lamina.
Solution. Of the three vertices $(0,0)$, $(1,0)$, $(0,2)$, the hypotenuse joins $(1,0)$ and $(0,2)$ and has equation $\dfrac{x}{1}+\dfrac{y}{2}=1$, i.e. $y=2-2x$. So the triangle is the type I region
The mass is
Writing $u=2-2x$, the inner integral is
(expanding the two terms, the linear terms in $x$ cancel). So
The moment $M_y$ comes from multiplying the same inner-integral result by $x$:
The moment $M_x$ requires recomputing the inner integral with an extra factor $y$:
and integrating over $x$ from $0$ to $1$,
Since $\bar x=M_y/m$ and $\bar y=M_x/m$,
Hence the mass is $m=\dfrac83$, and the center of mass is $(\bar x,\bar y)=\left(\dfrac38,\dfrac{11}{16}\right)$.
반원 모양의 얇은 판 위의 각 점에서 밀도가 원의 중심까지의 거리에 비례한다. 이 판을 원 $x^2+y^2=a^2$의 위쪽 반원판으로 놓고, 판의 질량중심을 구하라.
풀이. 원의 중심을 원점에 두면 밀도는 원점까지의 거리에 비례하므로 $\rho(x,y)=K\sqrt{x^2+y^2}$ ($K$는 비례상수)이고, 영역은 상반 원판
이다. 밀도가 원점으로부터의 거리만의 함수이고 $D$도 원점을 중심으로 한 원호로 둘러싸여 있으므로, 극좌표 $D=\{(r,\theta)\mid 0\le r\le a,\ 0\le\theta\le\pi\}$를 쓰는 것이 자연스럽다. $\rho=Kr$, $dA=r\,dr\,d\theta$이므로 질량은
$D$가 $y$축에 대해 대칭이고 밀도 $Kr$도 $x\mapsto-x$에 대해 불변이므로 $M_y=0$, 곧 $\bar x=0$이다. $M_x$는
따라서 질량중심은
이고, 질량은 $m=\dfrac{K\pi a^3}{3}$, 질량중심은 $(\bar x,\bar y)=\left(0,\dfrac{3a}{2\pi}\right)$이다. 이는 균일밀도(예 8.3.4)일 때의 질량중심 $\left(0,\dfrac{4a}{3\pi}\right)$보다 원점에서 더 먼 위치이다 — 밀도가 $r$에 비례해 커지므로 질량이 바깥쪽으로 더 쏠려 있기 때문이다.
The density at each point of a semicircular lamina is proportional to the distance from that point to the center of the circle. Take the lamina to be the upper half of the disk $x^2+y^2\le a^2$ and locate its center of mass.
Solution. Place the center of the circle at the origin. Since the density is proportional to the distance from the origin, $\rho(x,y)=K\sqrt{x^2+y^2}$ for a proportionality constant $K$, and the region is the upper half-disk
Because the density depends only on the distance from the origin and $D$ is bounded by an arc centered there, it is natural to switch to polar coordinates, $D=\{(r,\theta)\mid 0\le r\le a,\ 0\le\theta\le\pi\}$. With $\rho=Kr$ and $dA=r\,dr\,d\theta$, the mass is
Since $D$ is symmetric about the $y$-axis and the density $Kr$ is unchanged under $x\mapsto-x$, $M_y=0$, so $\bar x=0$. For $M_x$,
The center of mass is therefore
so the mass is $m=\dfrac{K\pi a^3}{3}$ and the center of mass is $(\bar x,\bar y)=\left(0,\dfrac{3a}{2\pi}\right)$. This lies farther from the origin than the center of mass $\left(0,\dfrac{4a}{3\pi}\right)$ of the uniform-density case, since density growing with $r$ shifts more of the mass toward the outer part of the disk.
중심이 원점이고 반지름이 $a$이며 밀도가 상수 $\rho(x,y)=\rho$인 균질한 원판 $D$에 대하여, 관성모멘트 $I_x$, $I_y$와 극관성모멘트 $I_0$을 구하라.
풀이. $D=\{(x,y)\mid x^2+y^2\le a^2\}$이고 밀도 $\rho$는 상수이다. 극관성모멘트 $I_0$를 먼저 구한 뒤 대칭성으로 $I_x,I_y$를 얻는 순서로 계산한다. 극좌표 $D=\{(r,\theta)\mid 0\le r\le a,\ 0\le\theta\le2\pi\}$에서 $x^2+y^2=r^2$이므로
원판을 직선 $y=x$에 대해 뒤집으면(즉 $x$와 $y$를 맞바꾸면) $D$도 상수밀도 $\rho$도 그대로이므로, 피적분함수 $x^2\rho$와 $y^2\rho$는 $D$ 위에서 같은 적분값을 준다. 곧 $I_x=I_y$이다. 식 (8) $I_0=I_x+I_y$에 이를 대입하면
따라서 $I_x=I_y=\dfrac{\rho\pi a^4}{4}$이고 $I_0=\dfrac{\rho\pi a^4}{2}$이다.
Let $D$ be a homogeneous disk of radius $a$ centered at the origin, with constant density $\rho(x,y)=\rho$. Compute the moments of inertia $I_x$ and $I_y$ and the polar moment of inertia $I_0$.
Solution. Here $D=\{(x,y)\mid x^2+y^2\le a^2\}$ and the density $\rho$ is constant. Compute the polar moment of inertia $I_0$ first and recover $I_x,I_y$ from symmetry. In polar coordinates $D=\{(r,\theta)\mid 0\le r\le a,\ 0\le\theta\le2\pi\}$ and $x^2+y^2=r^2$, so
Reflecting the disk in the line $y=x$ — that is, swapping $x$ and $y$ — leaves both $D$ and the constant density $\rho$ unchanged, so the integrands $x^2\rho$ and $y^2\rho$ give the same integral over $D$: $I_x=I_y$. Substituting into Equation (8), $I_0=I_x+I_y$, gives
Hence $I_x=I_y=\dfrac{\rho\pi a^4}{4}$ and $I_0=\dfrac{\rho\pi a^4}{2}$.
예제 4의 원판(중심 원점, 반지름 $a$, 밀도 상수 $\rho$)에 대하여 $x$축에 관한 회전반지름 $\bar{\bar y}$를 구하라.
풀이. 예제 4의 원판은 넓이 $\pi a^2$이고 밀도가 상수 $\rho$이므로 질량은 $m=\rho\pi a^2$이다. 앞서 구한 $x$축에 대한 관성모멘트는 $I_x=\dfrac{\rho\pi a^4}{4}$이다. 식 (10) $m\bar{\bar y}^{\,2}=I_x$에 이 두 값을 대입하면
$\bar{\bar y}\gt0$이므로 양의 제곱근을 취하면
따라서 $x$축에 대한 회전반지름은 $\bar{\bar y}=\dfrac{a}{2}$이다 — 원판 전체의 질량이 $x$축에서 반지름의 절반만큼 떨어진 곳에 모여 있어도 같은 $I_x$를 낸다는 뜻이다.
For the disk of Example 4 — center the origin, radius $a$, constant density $\rho$ — find the radius of gyration $\bar{\bar y}$ about the $x$-axis.
Solution. The disk of Example 4 has area $\pi a^2$ and constant density $\rho$, so its mass is $m=\rho\pi a^2$. Its moment of inertia about the $x$-axis was found to be $I_x=\dfrac{\rho\pi a^4}{4}$. Substituting these into Equation (10), $m\bar{\bar y}^{\,2}=I_x$, gives
Taking the positive square root, since $\bar{\bar y}\gt0$,
Hence the radius of gyration about the $x$-axis is $\bar{\bar y}=\dfrac{a}{2}$ — concentrating the entire mass of the disk at half its radius from the $x$-axis reproduces the same $I_x$.
확률변수 $X$와 $Y$의 결합확률밀도함수가
으로 주어질 때, 상수 $C$의 값을 구하라. 이어서 $P(X\le 7,\ Y\ge 2)$를 구하라.
풀이. $f$가 결합확률밀도함수가 되려면 평면 전체 위의 적분이 $1$이어야 하는데, $f$는 정사각형 $[0,10]\times[0,10]$ 밖에서 $0$이므로
안쪽 적분을 계산하면
이고, 이를 $x$에 대해 적분하면
따라서 $1500C=1$에서 $C=\dfrac{1}{1500}$이다.
이제 $x\le7$, $y\ge2$인 부분을 $[0,10]\times[0,10]$ 안에서 잘라내면 직사각형 $0\le x\le7$, $2\le y\le10$이 되므로
안쪽 적분은
이고,
이므로
따라서 $C=\dfrac{1}{1500}$이고, $P(X\le7,\,Y\ge2)=\dfrac{868}{1500}\approx0.5787$이다.
Suppose $X$ and $Y$ have joint density function
Determine the value of the constant $C$, and then evaluate $P(X\le 7,\ Y\ge 2)$.
Solution. For $f$ to be a joint density function, its integral over the whole plane must equal $1$; since $f$ vanishes outside $[0,10]\times[0,10]$,
The inner integral is
and integrating over $x$,
So $1500C=1$, giving $C=\dfrac{1}{1500}$.
For the probability, intersecting $x\le7$, $y\ge2$ with $[0,10]\times[0,10]$ leaves the rectangle $0\le x\le7$, $2\le y\le10$, so
The inner integral is
and
so
Hence $C=\dfrac{1}{1500}$ and $P(X\le7,\,Y\ge2)=\dfrac{868}{1500}\approx0.5787$.
어느 영화관에서 관객이 표를 사기 위해 줄에서 기다리는 시간 $X$의 평균은 10분이고, 팝콘을 사기 위해 기다리는 시간 $Y$의 평균은 5분이다. 두 대기시간이 각각 지수분포를 따르고 서로 독립이라 할 때, 관객이 자리에 앉기까지 기다리는 총 시간이 20분 미만일 확률 $P(X+Y\lt 20)$을 구하라.
풀이. $X$, $Y$가 독립이고 평균이 각각 $10$분, $5$분인 지수분포를 따르므로, 개별 밀도함수는 $f_1(x)=\tfrac1{10}e^{-x/10}$ ($x\ge0$), $f_2(y)=\tfrac15e^{-y/5}$ ($y\ge0$)이고, 결합밀도는 그 곱
이다(다른 곳에서는 $0$). 구하려는 확률은 $D=\{(x,y)\mid x\ge0,\ y\ge0,\ x+y\lt20\}$ — 직각을 낀 두 변의 길이가 $20$인 삼각영역 — 위에서 $f$를 적분한 값이다. $D$를 제1형 영역 $0\le x\le20$, $0\le y\le20-x$로 놓으면
안쪽 적분은
이므로, $e^{-(20-x)/5}=e^{-4}e^{x/5}$로 다시 쓰면
이다. 첫 항은 $\Big[-e^{-x/10}\Big]_0^{20}=1-e^{-2}$이고, 둘째 항의 적분은 $\Big[e^{x/10}\Big]_0^{20}=e^2-1$이므로
수치로는 $e^{-2}\approx0.1353$, $e^{-4}\approx0.0183$이므로 $P(X+Y\lt20)\approx1-0.2707+0.0183=0.7476$이다. 따라서 $P(X+Y\lt20)=1+e^{-4}-2e^{-2}\approx0.7476$, 곧 약 $75\%$이다.
At a movie theater the time $X$ spent waiting in line to buy a ticket averages 10 minutes, and the time $Y$ spent waiting in line to buy popcorn averages 5 minutes. Assume both waiting times are exponentially distributed and independent of each other. Determine the probability $P(X+Y\lt 20)$ that one moviegoer's combined wait, from joining the ticket line to sitting down, comes to under 20 minutes.
Solution. Since $X$ and $Y$ are independent and exponentially distributed with means $10$ and $5$ minutes, their individual densities are $f_1(x)=\tfrac1{10}e^{-x/10}$ ($x\ge0$) and $f_2(y)=\tfrac15e^{-y/5}$ ($y\ge0$), so the joint density is their product
(and $0$ elsewhere). The probability sought is the integral of $f$ over $D=\{(x,y)\mid x\ge0,\ y\ge0,\ x+y\lt20\}$, the triangular region with legs of length $20$. Writing $D$ as the type I region $0\le x\le20$, $0\le y\le20-x$,
The inner integral is
so writing $e^{-(20-x)/5}=e^{-4}e^{x/5}$,
The first term is $\Big[-e^{-x/10}\Big]_0^{20}=1-e^{-2}$, and the second integral is $\Big[e^{x/10}\Big]_0^{20}=e^2-1$, so
Numerically $e^{-2}\approx0.1353$ and $e^{-4}\approx0.0183$, so $P(X+Y\lt20)\approx1-0.2707+0.0183=0.7476$. Hence $P(X+Y\lt20)=1+e^{-4}-2e^{-2}\approx0.7476$, about $75\%$.
어느 공장이 지름 4.0 cm, 길이 6.0 cm로 판매되는 원기둥 모양의 롤러 베어링을 생산한다. 실제로는 지름 $X$가 평균 4.0 cm, 표준편차 0.01 cm인 정규분포를 따르고, 길이 $Y$가 평균 6.0 cm, 표준편차 0.01 cm인 정규분포를 따른다.
(a) $X$와 $Y$가 독립이라 가정하고 결합확률밀도함수 $f(x,y)$를 구하라.
(b) 생산 라인에서 임의로 고른 베어링의 지름 또는 길이 가운데 적어도 하나가 평균에서 0.02 cm보다 많이 벗어날 확률을 구하라.
풀이. (a) $X$, $Y$가 각각 평균 $4.0$, $6.0$이고 표준편차 $\sigma=0.01$인 정규분포를 따르며 서로 독립이므로, 결합밀도는 각 밀도함수의 곱
이다. $\sigma=0.01$이면 $2\sigma^2=0.0002=1/5000$이고 $2\pi\sigma^2=2\pi\cdot0.0001$이므로 $1/(2\pi\sigma^2)=5000/\pi$가 되어
(b) “지름 또는 길이가 평균에서 $0.02$ cm보다 많이 벗어난다”의 여사건은 “지름과 길이 모두 평균에서 $0.02$ cm 이내에 있다”이므로, 구하는 확률은 $1-P(3.98\lt X\lt4.02,\ 5.98\lt Y\lt6.02)$이다. $X$를 표준화하면 $Z_1=(X-4)/0.01$은 표준정규변수이고 $0.02=2\sigma$이므로
여기서 $\Phi$는 표준정규분포의 누적분포함수이다. $Y$도 표준편차가 같으므로 같은 확률 $2\Phi(2)-1$을 얻고, $X$와 $Y$가 독립이므로 두 사건의 결합확률은 곱이다.
표에서 $\Phi(2)\approx0.97725$이므로 $2\Phi(2)-1\approx0.95450$이고, 그 제곱은 $\approx0.91107$이다. 따라서
두 자리로 반올림하면 $\approx0.09$이다 — 계산기로 결합확률을 $0.91$까지만 반올림한 뒤 여사건을 취해도 같은 $0.09$를 얻는다.
A factory turns out cylindrical roller bearings advertised as having a diameter of 4.0 cm and a length of 6.0 cm. The diameter $X$ of an actual bearing follows a normal distribution whose mean is 4.0 cm and whose standard deviation is 0.01 cm; its length $Y$ follows a normal distribution whose mean is 6.0 cm, with the same standard deviation 0.01 cm.
(a) Assuming $X$ and $Y$ are independent, write down the joint density function $f(x,y)$.
(b) Find the probability that a bearing chosen at random from the production line has either its diameter or its length differing from the mean by more than 0.02 cm.
Solution. (a) Since $X$ and $Y$ are independent and normally distributed with means $4.0$ and $6.0$ and the same standard deviation $\sigma=0.01$, the joint density is the product of the individual densities,
With $\sigma=0.01$, $2\sigma^2=0.0002=1/5000$ and $2\pi\sigma^2=2\pi\cdot0.0001$, so $1/(2\pi\sigma^2)=5000/\pi$ and
(b) The complement of “the diameter or the length deviates from its mean by more than $0.02$ cm” is “both the diameter and the length stay within $0.02$ cm of their means,” so the desired probability is $1-P(3.98\lt X\lt4.02,\ 5.98\lt Y\lt6.02)$. Standardizing $X$ gives a standard normal $Z_1=(X-4)/0.01$, and since $0.02=2\sigma$,
where $\Phi$ is the standard normal cumulative distribution function. $Y$ has the same standard deviation, so it gives the same probability $2\Phi(2)-1$, and independence turns the joint event into a product:
From tables $\Phi(2)\approx0.97725$, so $2\Phi(2)-1\approx0.95450$ and its square is $\approx0.91107$. Hence
Rounded to two decimals this is $\approx0.09$ — the same value obtained by rounding the joint probability to $0.91$ first, as a calculator would, and then taking the complement.
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(a) 강의 노트 대응 — 미적분학 2 단원 09
§15.4는 강의 교안에 대응 단원이 없는 절이다. 교안 U09는 Stewart §15.1·15.2·15.3·15.9에 걸쳐 있고, 이 절의 주제인 밀도·질량·전하·모멘트·질량중심·관성모멘트·회전반지름·결합확률밀도·기댓값은 교안 어디에도 나오지 않는다. 그러므로 아래 두 항목을 뺀 나머지는 모두 대응 없음이다.
- 질량 $m=\iint_D\rho\,dA$ (식 1) — yu04-1 (부분 대응: 분포함수를 직사각형 위에서 적분해 총 개수를 얻는 문제로, 식의 꼴은 같으나 밀도·질량이라는 용어도 개념도 없음)
- 관성모멘트 $I_x,I_y,I_0$ (식 6–8) — pr08 (개념적 인접: 원 내부 한 점까지의 거리의 제곱의 평균을 구하는 문제로 피적분함수는 닮았으나 "평균값" 문제로만 서술됨)
- 전하 (식 2), 모멘트 (식 3·4), 질량중심 (식 5), 회전반지름 (식 9·10), 결합확률밀도함수, 독립확률변수, 기댓값 (식 11) — 대응 없음
참고: 교안에서 "질량중심"이 등장하는 유일한 곳은 ch11(선적분)의 유제이며, 그것은 곡선 위의 선적분으로 정의한 질량중심이라 이 절의 얇은 판과 다르다.
(b) 공통과제 (§15.4)
제출 문항: 7, 12, 18 / 학습 참고: 3–4, 5–12, 13–22, 23–26
(c) 이웃 절 — 이전: §15.3 극좌표에서의 이중적분 / 다음: §15.5 곡면 넓이
(a) Corresponding lecture notes — Calculus II, Unit 09
§15.4 is a section with no counterpart in the lecture notes. Unit 09 spans Stewart §15.1, §15.2, §15.3 and §15.9, and none of this section's topics — density, mass, charge, moments, center of mass, moment of inertia, radius of gyration, joint density, expected value — appears anywhere in those notes. Apart from the two entries below, every item here is unmatched.
- Mass $m=\iint_D\rho\,dA$ (Eq. 1) — yu04-1 (partial: a distribution function is integrated over a rectangle to get a total count; the formula has the same shape, but neither the word nor the notion of density or mass occurs)
- Moments of inertia $I_x,I_y,I_0$ (Eq. 6–8) — pr08 (adjacent in spirit: the average of the squared distance to a point inside a circle has a similar integrand, but it is posed purely as an average-value problem)
- Charge (Eq. 2), moments (Eq. 3, 4), center of mass (Eq. 5), radius of gyration (Eq. 9, 10), joint density functions, independent random variables, expected values (Eq. 11) — no match
For reference, the only place the lecture notes mention a center of mass is an exercise in ch11 on line integrals, where it is defined along a curve rather than for a lamina.
(b) Assignment (§15.4)
Problems to submit: 7, 12, 18 / Recommended practice: 3–4, 5–12, 13–22, 23–26
(c) Neighboring sections — Previous: §15.3 Double Integrals in Polar Coordinates / Next: §15.5 Surface Area