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3重積分 重心 密度、一様、物体、極座標、三角関数、正弦と余弦、累乗、曲線、板状領域、原点からの距離、比例、質量

続 解析入門 (原書第2版) (S.ラング(著)、松坂 和夫(翻訳)、片山 孝次(翻訳)、岩波書店)の第9章(3重積分)、3(重心)の練習問題9の解答を求めてみる。

a

質量。

m = 0 π 0 2 ( 1 + cos θ ) ( k r ) r d r d θ = k 0 π 0 2 ( 1 + cos θ ) r 2 d r d θ = k 3 0 π ( 2 ( 1 + cos θ ) ) 3 d θ = 8 k 3 0 π ( 1 + 3 cos θ + 3 cos 2 θ + cos 3 θ ) d θ = 8 k 3 ( π + 3 0 π cos 2 θ d θ ) = 8 k 3 ( π + 6 0 π 2 cos 2 θ d θ ) = 8 k 3 ( π + 6 · π 2 · 1 2 ) = 8 k 3 ( π + 3 π 2 ) = 8 k 3 · 5 π 2 = 20 k π 3

b

重心。

各座標。

x - = 1 m 0 π 0 2 ( 1 + cos θ ) x ( k r ) r d r d θ = k m 0 π 0 2 ( 1 + cos θ ) ( r cos θ ) r 2 d r d θ = k m 0 π 0 2 ( 1 + cos θ ) r 3 cos θ d r d θ = k 4 m 0 π ( 2 ( 1 + cos θ ) ) 4 cos θ d θ = 4 k m 0 π ( cos θ + 4 cos 2 θ + 6 cos 3 θ + 4 cos 4 θ + cos 5 θ ) d θ = 4 k m 0 π ( 4 cos 2 θ + 4 cos 4 θ ) d θ = 4 · 4 k m · 2 0 π 2 ( cos 2 θ + cos 4 θ ) d θ = 3 · 4 · 4 · 2 k 20 k π ( π 2 · 1 2 + π 2 · 3 4 · 2 ) = 3 · 4 · 2 20 ( 1 + 3 4 ) = 3 · 4 · 2 20 · 7 4 = 21 10

また、

y - = 1 m 0 π 0 2 ( 1 + cos θ ) y ( k r ) r d r d θ = k m 0 π 0 2 ( 1 + cos θ ) ( r sin θ ) r 2 d r d θ = k m 0 π 0 2 ( 1 + cos θ ) r 3 sin θ d r d θ = k 4 m 0 π ( 2 ( 1 + cos θ ) ) 4 sin θ d θ = 4 k m 0 π ( 1 + 4 cos θ + 6 cos 2 θ + 4 cos 3 θ + cos 4 θ ) sin θ d θ = 4 k m ( + 0 π sin θ d θ + 2 0 π sin 2 θ d θ + 6 0 π ( sin θ - sin 3 θ ) d θ + 4 0 π sin θ cos 3 θ d θ + 0 π ( 1 - sin 2 θ ) 2 sin θ d θ ) = 4 k m ( + [ - cos θ ] 0 π + [ - cos 2 θ ] 0 π + 6 ( [ - cos θ ] 0 π - 2 0 π 2 sin 3 θ d θ ) + 4 0 π sin θ cos 3 θ d θ + 0 π ( sin θ - 2 sin 3 θ + sin 5 θ ) d θ ) = 4 k m ( 2 + 6 ( 2 - 2 · 2 3 ) + 2 ( 1 - 2 · 2 3 + 4 · 2 5 · 3 ) + 4 0 π sin θ cos 3 θ d θ ) = 4 k m ( 6 + 2 ( 1 - 4 3 + 8 15 ) + 4 0 π sin θ cos 3 θ d θ )

分けて計算。

sin θ cos 3 θ d θ = - cos 4 θ + cos θ ( 3 cos 2 θ ) ( - sin θ ) d θ = - cos 4 θ - 3 sin θ cos 3 θ d θ sin θ cos 3 θ d θ = - 3 4 cos 4 θ

よって、

y - = 4 k m ( 6 + 2 · 15 - 20 + 8 15 - 3 [ cos 4 θ ] 0 π ) = 4 k m ( 6 + 2 · 3 15 ) = 4 k m ( 6 + 2 5 ) = 3 20 k π · 4 k · 32 5 = 96 25 π