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Aufgabe:

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Aufgabe 1:
(7 Punkte)
Gegeben sei die Oberfläche
\( S=\left\{(x, y, z)^{T} \in \mathbb{R} \mid x^{2}+y^{2}+z^{2}=4, z \leq 0\right\} \)
a) Skizzieren Sie \( S \) und den Flächenrand \( \partial S \).
b) Geben Sie eine Parametrisierung der Fläche \( S \) und eine Parametrisierung des Flächenrandes \( \partial S \) an.
c) Gegeben sei das Vektorfeld
\( V(x, y, z)=\left(\begin{array}{c} 3 z \\ 3 x+y \\ 3 x \end{array}\right) \)
Berechnen Sie
\( \int \limits_{\partial S} V(x) \mathrm{d} x \)
mit einem geeigneten Integralsatz.
\( 2+2+3 \) Punkte



S skizzieren und die Fläche parametrisieren habe ich noch hingekriegt, Kugel mit r = 2 und S(alpha, beta) = (r * sin(alpha)*cos(alpha)) und so weiter.

allerdings habe ich keinen Plan wie man den Flächenrand macht, auch beim Integral bei der c)

Vielen Dank im Voraus!

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Aloha :)

zu a) Die Punktmenge$$S=\left\{(x;y;z)\in\mathbb R^3\,\big|\,x^2+y^2+z^2=4\,,\;z\le0\right\}$$ist die Oberfläche einer Halbkugel mir Radius \(r=2\), deren Mittelpunkt im Ursprung liegt und die unterhalb der \(xy\)-Ebene liegt (die \(xy\)-Ebene selbst wird berührt). Der Rand \(\partial S\) der Fläche ist der Kreis mit Radius \(r=2\), der genau in der \(xy\)-Ebene liegt.

zu b) Für die Parameterdarstellungen wählen wir Kugelkoordinaten:$$S\colon\;\;\;\vec r=\begin{pmatrix}2\cos\varphi\sin\vartheta\\2\sin\varphi\sin\vartheta\\2\cos\vartheta\end{pmatrix}\quad;\quad\varphi\in[0;2\pi]\quad;\quad\vartheta\in\left[\frac\pi2\,;\,\pi\right]$$$$\partial S\colon\;\vec r=\begin{pmatrix}2\cos\varphi\\2\sin\varphi\\0\end{pmatrix}\quad;\quad\varphi\in[0;2\pi]$$

zu c) Zur Berechnung des Wegintegrals verwenden wir den Stokes'schen Satz.$$I=\int\limits_{\partial S}\begin{pmatrix}3z\\3x+y\\3x\end{pmatrix}\,d\vec r=\int\limits_{S}\operatorname{rot}\begin{pmatrix}3z\\3x+y\\3x\end{pmatrix}d\vec f=\int\limits_{S}\begin{pmatrix}0\\0\\3\end{pmatrix}d\vec f$$Das Flächenelement in Kugelkoordinaten lautet$$d\vec f=\begin{pmatrix}\cos\varphi\sin\vartheta\\\sin\varphi\sin\vartheta\\\cos\vartheta\end{pmatrix}R^2\sin\vartheta\,d\varphi\,d\vartheta\stackrel{(R=2)}{=}\begin{pmatrix}\cos\varphi\sin\vartheta\\\sin\varphi\sin\vartheta\\\cos\vartheta\end{pmatrix}4\sin\vartheta\,d\varphi\,d\vartheta$$sodass wir das Integral nun wie folgt berechnen können$$I=\int\limits_{\varphi=0}^{2\pi}\;\,\int\limits_{\vartheta=\frac\pi2}^{\pi}3\cdot\cos\vartheta\cdot 4\sin\vartheta\,d\varphi\,d\vartheta=12\int\limits_{\varphi=0}^{2\pi}d\varphi\int\limits_{\vartheta=\frac\pi2}^{\pi}\sin\vartheta\cos\vartheta\,d\vartheta$$$$\phantom{I}=12\cdot2\pi\cdot\left[\frac12\sin^2\vartheta\right]_{\frac\pi2}^{\pi}=12\pi\left(0-(-1)^2\right)=-12\pi$$

Avatar von 148 k 🚀

Wie kommst du auf die parametisierung von dem Flächenrand gekommen, ich kann den in keiner Formelsammlung finden.

Und nochmal danke für die super Antwort!

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