重積分について、問題を解いてください。
形状D物体の密度がρ(x,y,z)で与えられているとき、その物体の質量Mと重心(x_g,y_g,z_g)は
M=∮∮∮D ρ(x,y,z)dxdydz
(x_g,y_g,z_g)=(1/M)(∮∮∮D xρ( x,y,z)dxdydz,∮∮∮D yρ(x,y,z)dxdydz,∮∮∮D zρ(x,y,z)dxdydz)
で求めることができる。このことをふまえて、以下の問いに答えよ
1.半径Rの一様な密度を持つ半球の重心を求めよ。ただし、原点を中心とする球のうち、z≧0の部分のを考えること。
2.底面の半径R、高さhの一様な密度を持つ円錐の重心を求めよ。ただし、図のように円錐の頂点を原点にとると、図のようにz軸からの距離r=√(x^2+y^2)とzが、r=Rz/hの関係になることを利用すること。
途中式もお願いします。
No.3ベストアンサー
- 回答日時:
No.2です。
つづいて
2
ρ(x,y,z)=ρ(定数)
対称性から重心G(0,0,z_g)
D={(x,y,z)|0≦(h/R)√(x^2+y^2)≦z≦R}
M=∫∫∫[D] ρdxdydz=ρ∫∫∫[D] dxdydz=(1/3)ρhπR^2
z_g=(1/M)∫∫∫[D] zρdxdydz
=(ρ/M)∫∫∫[D] zdxdydz
円柱座標x=rcosθ,y=rsinθ,z=zに変数変換して置換積分
対称性から
E={(r,θ,z)|0≦r≦zR/h≦R,0≦θ≦π/2,0≦z≦h}として
zdxdydz=z rdrdθdz
z_g=4(ρ/M)∫[0,π/2] dθ∫[0,h] zdz∫[0,zR/h] rdr
=2(ρπ/M)∫[0,h] (1/2)(Rz/h)^2 zdz
=(ρπ/M)(R/h)^2*[z^4/4][0,h]
=(ρπ/((1/3)ρhπR^2))(R/h)^2*(h^4/4)
=(3/4)h
(答) (0,0,3h/4)
No.2
- 回答日時:
「∮」は周回積分(閉路積分)や複素積分の閉路積分の特殊な積分のみに使用する積分記号です。
普通の積分(定積分)の本問では使ってはダメです。普通の積分記号「∫」を使ってください。まず
1だけ
ρ(x,y,z)=ρ(定数)
D={(x,y,z)|x^2+y^2+z^2≦R^2, z≧0}
M=∫∫∫[D] ρdxdydz=ρ∫∫∫[D] dxdydz=(2/3)πρR^3
立体の対称性から
重心G(x_g,y_g,z_g)=G(0,0,z_g)
z_g=(1/M)∫∫∫[D] zρdxdydz=(ρ/M)∫∫∫[D] zdxdydz
x=rsinθcosφ, y=rsinθsinφ, z=rcosθとおいて置換積分する。
D ⇒ E={(r,θ,φ)|0≦r≦R, 0≦θ≦π/2, -π≦φ≦π}
ヤコビアン|J|=r^2*sinθ
zdxdydz=rcosθ|J|drdθdφ=r^3 dr cosθsinθdθdφ
であるから
z_g=(3/(2πR^3))∫∫∫[E] r^3 dr cosθsinθdθdφ
=(3/(2πR^3))∫[0,R] r^3 dr ∫[0,π/2] (1/2)sin(2θ)dθ∫[-π,π] dφ
=(3/(2πR^3))(R^4/4)*(1/2)([-(1/2)cos(2θ)][0,π/2])* (2π)
=(3/8)R
(答) (x_g,y_g,z_g)=(0,0,3R/8)
お探しのQ&Aが見つからない時は、教えて!gooで質問しましょう!
似たような質問が見つかりました
- 数学 微分積分の円錐の体積についての問題がわからないです。 2 2022/07/16 16:26
- 物理学 材料力学の問題です。2問あります。 解き方を教えていただきたいです。 (1)長さl,底面の半径をrの 1 2022/06/09 23:54
- 物理学 電気力線 1 2022/05/17 20:42
- 物理学 電位勾配から電界を求める。 x-y平面上原点を中心とした半径a(m)の円板上に一様に分布した電荷があ 4 2022/05/16 23:10
- 物理学 図のように、内半径aの中空の円筒が、その中心軸が水平になるように固定されており、その中で、 質量 M 7 2023/02/15 09:23
- 物理学 電流の線密度についての質問です 2 2022/09/14 16:10
- 物理学 大学物理 1 2023/01/28 15:15
- 物理学 物理の問題です 2 2022/12/17 22:43
- 数学 問題の答えがわかりません 1 2022/07/15 18:18
- 物理学 物理の問題 1 2022/12/20 13:33
おすすめ情報
デイリーランキングこのカテゴリの人気デイリーQ&Aランキング
-
1 / (x^2+1)^(3/2)の積分について
-
1/5+4cosxの0→2πまでの積分で、...
-
cos π/8 の求め方
-
積分計算(定積分)
-
複素数のn乗根が解けません
-
y=cosx(0≦x≦π/2)のy軸周りの回...
-
xsinx-cosx=0 の解と極限
-
複素数平面の問題について
-
cos(10π/3)は計算可能ですか?
-
半角の公式の使い方
-
絶対値付き三角関数の積分、ラ...
-
回転移動した楕円
-
数学IIIの積分の問題がわかりま...
-
arccos0の値ってなぜπ/2なんで...
-
積分(三角関数)の絶対値の外...
-
極座標θ r φの範囲
-
cosπ/2やcos0ってどのように求...
-
位相がよく分かりません。 cos(...
-
数3の極限について教えてくださ...
-
扇形の図形に長方形が内接
マンスリーランキングこのカテゴリの人気マンスリーQ&Aランキング
-
数3の極限について教えてくださ...
-
1 / (x^2+1)^(3/2)の積分について
-
重積分について
-
位相がよく分かりません。 cos(...
-
複素数のn乗根が解けません
-
∫0→π/2 sin^2x dx
-
極座標θ r φの範囲
-
cos π/8 の求め方
-
複素数の偏角
-
cosπ/2やcos0ってどのように求...
-
1/(sinx+cosx)の積分
-
数学の証明問題です。
-
数学Ⅱ 三角関数のグラフ y=-2co...
-
cosx<0(0≦x≦2π)の範囲を教えて...
-
いろいろな公式
-
この1/2はどこからでてきました...
-
y=cosx(0≦x≦π/2)のy軸周りの回...
-
三角関数の合成です sinθ+√3cos...
-
sinθ・cosθの積分に付いて
-
重積分の変数変換後の積分範囲...
おすすめ情報