0 Daumen
284 Aufrufe

Aufgabe:

Gegeben sei die Kurve K bestehend aus der Strecke [−7,8] auf der x-Achse und dem Viertelkreisbogen mit x(t)=[2+6cost(t),6sin(t)],0≤t≤π/2.Berechnen Sie das Kurvenintegral =∫KxydK

Avatar von
... besteht aus der Strecke [−7,8] auf der x-Achse ... Kurvenintegral =∫KxydK

das kann man rasend schnell im Kopf berechnen, wenn man diese Frage beantworten kann: wie groß ist der Y-Wert auf dieser Strecke?

2 Antworten

+1 Daumen

Aloha :)

Zur Berechnung des Kurvenintegrals brauchen wir einen Ortsvektor \(\vec r\), der alle Punkte auf der Kurve abtastet. Da uns hier zwei Wege vorgegeben sind, teilen wir diesen Ortsvektor in zwei auf:$$C_1\colon \vec r_1=\binom{x}{0}\;;\;x\in[-7;8]\quad\text{und}\quad C_2\colon\vec r_2=\binom{2+6\cos t}{6\sin t}\;;\;t\in\left[0;\frac\pi2\right]$$Der Weg \(C_1\) führt von \((-7|0)\) nach \((8|0)\). Der Weg \(C_2\) führt von \((8|0)\) nach \((2|6)\). Der Weg ist also nicht geschlossen, aber zumindest fängt \(C_2\) da an, wo \(C_1\) endet.

Das gesuchte Wegintegral ist also:$$\vec E=\int\limits_Kxy\,d\vec r=\int\limits_{(-7;0)}^{(8;0)}(\vec r_1)_x\cdot(\vec r_1)_y\,d\vec r_1+\int\limits_{(8;0)}^{(2;6)}(\vec r_2)_x\cdot(\vec r_2)_y\,d\vec r_2$$

Beachte, dass ich \(\vec E\) geschrieben habe, weil das Kurvenintegral über einem Skalarfeld Vektorcharakter hat. Wir substituieren wie folgt:$$\vec E=\int\limits_{x=-7}^8\underbrace{x\cdot0\cdot\frac{d\vec r_1}{dx}}_{=0}\,dx+\int\limits_{t=0}^{\pi/2}(2+6\cos t)(6\sin t)\,\frac{d\vec r_2}{dt}\,dt$$$$\phantom{\vec E}=\int\limits_{t=0}^{\pi/2}(12\sin t+36\sin t\cos t)\,\binom{-6\sin t}{6\cos t}\,dt$$$$\phantom{\vec E}=72\int\limits_{t=0}^{\pi/2}(\sin t+3\sin t\cos t)\,\binom{-\sin t}{\cos t}\,dt$$$$\phantom{\vec E}=72\int\limits_{t=0}^{\pi/2}\binom{-\pink{\sin^2t}-3\sin^2t\cos t}{\sin t\cos t+3\sin t\cos^2t}dt$$$$\phantom{\vec E}=72\int\limits_{t=0}^{\pi/2}\binom{-\pink{\frac12(1-\cos(2t))}-3\sin^2t\cos t}{\sin t\cos t+3\sin t\cos^2t}dt$$$$\phantom{\vec E}=72\left[\binom{-\frac12\left(t-\frac12\sin(2t)\right)-\sin^3t}{\frac12\sin^2t-\cos^3t}\right]_{t=0}^{\pi/2}$$$$\phantom{\vec E}=72\left[\binom{-\frac\pi4-1}{\frac12}-\binom{0}{-1}\right]=72\binom{-\frac\pi4-1}{\frac32}=\binom{-18(4+\pi)}{108}$$

Ergänzung für Metalhead:

Wenn nicht das Integral über \(d\vec r\), sondern über den Betrag \(dr\) gemeint ist, bleibt die Parametrisierung der Kurven ungeändert, aber das Integral hat keinen Vektorcharakter mehr:$$\vec E=\int\limits_Kxy\,d\vec r=\int\limits_{(-7;0)}^{(8;0)}(\vec r_1)_x\cdot(\vec r_1)_y\,dr_1+\int\limits_{(8;0)}^{(2;6)}(\vec r_2)_x\cdot(\vec r_2)_y\,dr_2$$

Die Substituion erfolgt nun genau wie oben, nur dass jetzt bei den Ableitungen der Ortsvektoren die Beträge zu wählen sind:$$E=\int\limits_{x=-7}^8\underbrace{x\cdot0\cdot\left\|\frac{d\vec r_1}{dx}\right\|\,dx}_{=0}+\int\limits_{t=0}^{\pi/2}(2+6\cos t)(6\sin t)\,\left\|\frac{d\vec r_2}{dt}\right\|\,dt$$$$\phantom{E}=\int\limits_{t=0}^{\pi/2}(12\sin t+36\sin t\cos t)\,\left\|\binom{-6\sin t}{6\cos t}\right\|\,dt$$$$\phantom{E}=12\int\limits_{t=0}^{\pi/2}(\sin t+3\sin t\cos t)\underbrace{\sqrt{36\underbrace{(\sin^2t+\cos^2t)}_{=1}}}_{=6}\,dt$$$$\phantom E=72\int\limits_0^{\pi/2}(\sin t+3\sin t\cos t)\,dt$$$$\phantom E=72\left[-\cos t+\frac32\sin^2t\right]_0^{\pi/2}=72\left(\frac32+1\right)=72\cdot\frac52=180$$

Avatar von 149 k 🚀

Ich denke, diese Lösung ist falsch. Gemeint ist das Kurvenintegral über ein Skalarfeld, gerne auch Kurvenintegral erster Art genannt, also

$$\int_a^b f(r(t))|r'(t)|dt$$

Das passiert, weil Mathematiker gerne die Vektorpfeile weglassen, da weiß man manchmal nicht, was gemeint ist. Ich habe \(dK\) als \(d\vec r\) interpretiert, du interpretierst es als \(dr\).

Aber selbst im zweiten Fall wäre meine Lösung richtig gerechnet, sie würde nur nicht die Frage beantworten (Habeck-Style).

Klarheit kann hier nur Metalhead bringen.

Ich vote nochmal für meine "Interpretation": Wikipedia kennt meine Version als Kurvenintegral erster Art und kennt Deine nicht.

FS ist leider etwas passiv.

Oha, dann hast du eine Lücke in Wikipedia gefunden.

Wikipedia kennt auch nicht \(\int\vec v\times d\vec r\).

Zur Erklärung:

Vektorielle Kurvenintegrale über Skalarfelder treten in der Pyhsik häufig auf, wenn ein Vektorfeld \(\vec v(\vec r)\) eine konstante Richtung \(\vec v^0\) hat. Dann ist \(\vec v(\vec r)=v(\vec r)\cdot\vec v^0\) und es gilt:$$E=\int\limits_C\vec v(\vec r)\,d\vec r=\vec v^0\cdot\int\limits_C v(r)\,d\vec r$$Es gibt aber auch andere praktische Fälle, wo sie gerne verwendet werden.

Jau, danke für die Info

Hallo,Vielen Dank für die Lösungswege.Auf meinem Aufgabenblatt steht als Lösung 108.


Viele Grüsse

Aloha Metalhead ;)

Ich habe meine Antwort um die Rechnung mit dem anderen Integral-Typ ergänzt. Aber da kommt nicht \(108\), sondern \(180\) als Lösung heraus.

0 Daumen

Hallo

der Kreisabschnitt ist ja schon parametrisiert, die Strecke s(t)=(-7+15t t,0) t=0 bis 1 hab ich für dich schon geschrieben, dann musst du das Integral  auf den beiden Teilen einzeln bestimmen, jeweils x*y aus der Kurve einsetzen.

Gruß lul

Avatar von 107 k 🚀

Ein anderes Problem?

Stell deine Frage

Willkommen bei der Mathelounge! Stell deine Frage einfach und kostenlos

x
Made by a lovely community