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Aufgabe:

Es bezeichnen \( Z_{y} \) und \( Z_{z} \) (unendlich lange) Zylinder zentriert um die \( y \) - beziehungsweise \( z \)-Achse mit Radius 1. Bestimmen Sie das Volumen des Schnittes von \( Z_{y} \) und \( Z_{z} \).


Problem/Ansatz:

Ist das nicht einfach die Kugel mit Radius eins?

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Ist das nicht einfach die Kugel

Nein, denn die Schnitte des gesuchten Körpers mit Ebenen x=a (-1<a<1) sind immer Quadrate.

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Es gilt
\(\begin{aligned}   Z_{ y}  = \{ ( x, y, z) \in \mathbf{R}^{3} \mid x^{ 2} + z^{ 2}\leqslant 1 \}, \quad       Z_{ z} \{ ( x, y, z) \in \mathbf{R}^{3} \mid x^{ 2} + y^{ 2}\leqslant 1\} \end{aligned}\)
und
\(\begin{aligned} Z_{ y}  \cap Z_{ z} &= \{ ( x, y, z) \in \mathbf{R}^{3} \mid x^{ 2} + z^{ 2}\leqslant 1, \: x^{ 2}+ y^{ 2}\leqslant 1\} \\ &= \{ ( x, y, z) \in \mathbf{R}^{3} \mid x ^{ 2} \leqslant 1 - z^{ 2}, \: y^{ 2}\leqslant 1 - x^{ 2},\: z \in [ -1, 1] \} .\end{aligned}\)
Ich mache es jetzt mal ganz ausfĂŒhrlich mittels Indikatorfunktionen und Fubini, dann weisst du fĂŒr die Zukunft, wie es funktioniert:
\(\begin{aligned} \int_{ Z_{ y} \cap Z_{ z} } 1 \,\mathrm{d}( x, y, z) &= \int_{ [ -1, 1] ^{ 3}} \mathbf{1}_{ \left\{ x ^{ 2} \leqslant 1 - z^{ 2}, \: y^{ 2}\leqslant 1 - x^{ 2},\: z \in [ -1, 1] \right\}} \,\mathrm{d}( x, y, z) \\ &= \int_{ -1}^{ 1} \int_{ -1}^{ 1} \int_{ -1}^{ 1} \mathbf{1}_{ \left\{ x^{ 2}\leqslant 1 - z^{ 2}\right\}} \mathbf{1}_{ \left\{ y^{ 2}\leqslant 1 - x^{ 2}\right\}} \mathbf{1}_{ \{ z \in [ -1, 1] \} } \,\mathrm{d}y \,\mathrm{d}x \,\mathrm{d}z \\ &= \int_{ -1}^{ 1} \mathbf{1}_{ \left\{ z \in [ -1, 1] \right\}} \int_{ -1}^{ 1} \mathbf{1}_{ \left\{ x^{ 2}\leqslant 1 - z^{ 2}\right\}} \int_{ -1}^{ 1} \mathbf{1}_{\{ y^{ 2} \leqslant 1 - x^{ 2}\}} \,\mathrm{d}y \,\mathrm{d}x \,\mathrm{d}z \\ &= \int_{ -1}^{ 1} \int_{ -\sqrt{ 1 - z^{ 2}}}^{ \sqrt{ 1 - z^{ 2}} } \int_{ - \sqrt{ 1 - x^{ 2}} }^{ \sqrt{ 1 - x^{ 2}} } 1 \,\mathrm{d}y \,\mathrm{d}x \,\mathrm{d}z = \frac{ 16}{ 3} .\end{aligned}\)
Ich ĂŒberlasse es dir, das Mehrfachintegral im letzten Schritt auszurechnen, das ist normale eindimensionale Integration.

Avatar von 4,8 k

Da die SeitenlĂ€nge des Quadrats, von dem ich oben sprach, nach Pythagoras 2*√(1-a^2) und seine FlĂ€che also 4*(1-a^2) ist, ergibt sich das gesuchte Volumen einfach zu
V = 4*-1∫1 1-a^2 da = 16/3.

reicht das wirklich als BegrĂŒndung und Rechnung mit den Quadraten

Es hat mir gereicht, um mir die Lösung zu berechnen. Ob es deinem Übungsleiter reicht weiß ich nicht. Du kannst es ja gerne noch mit ein paar Skizzen und etwas Text ausschmĂŒcken.

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