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Aufgabe:

(5) Die Transformation in Zylinderkoordinaten ist gegeben durch die Funktion
\( \psi:(0, \infty) \times(0,2 \pi) \times \mathbb{R} \rightarrow(0, \infty) \times \mathbb{R}^{2} \quad(r, \varphi, z) \mapsto(x, y, z):=(r \cos \varphi, r \sin \varphi, z) . \)
(a) Es seien \( R, H>0 \). Berechnen Sie das Volumen der Menge \( A \).
\( A:=\left\{(x, y, z) \in \mathbb{R}^{3}: x^{2}+y^{2} \leq R^{2}, 0 \leq z \leq H\right\} \)
(b) Berechnen Sie den Inhalt des von der Fläche
\( z^{2}=\left(x^{2}+y^{2}\right)\left(1-x^{2}-y^{2}\right) \)
eingeschlossenen Volumensbereich.

Könnte jemand bitte bei der 5b helfen?

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Aloha :)

Hier geht es darum, die gegebenen Punktmengen mit Zylinderkoordinaten$$\vec r=\begin{pmatrix}r\cos\varphi\\r\sin\varphi\\z\end{pmatrix}\quad;\quad; r\in[0;\infty)\;;\;\varphi\in[0;2\pi]\;;\;z\in(-\infty;\infty)$$in geeigneter Weise abzutasten.

Allerdings wurde der Aufgabenstellungein der entscheidende Punkt verschwiegen. Beim Übergang von kartesischen Koordinaten \((x;y;z)\) zu Zylinderkoordinaten \((r;\varphi;z)\) ändert sich das Volumenelement, über das letztlich integriert werden muss:$$dV=dx\,dy\,dz=r\,dr\,d\varphi\,dz$$

Im Folgenden schauen wir uns an, wie die Bedinungen, die an die Zugehörigkeit zur Menge geknüpft sind, die Zylinderkoordinaten einschränken. Danach berechnen wir die Volumina.


zu a) Die beiden Bedingungen stehen direkt in der Definition von \(A\):

$$x^2+y^2\le R^2\implies(r\cos\varphi)^2+(r\sin\varphi)^2\le R^2\implies r^2(\cos^2\varphi+\sin^2\varphi)\le R^2$$$$\phantom{x^2+y^2\le R^2}\implies r^2\le R^2\implies r\le R\implies r\in[0;R]$$$$0\le z\le H\;\;\;\,\implies z\in[0;H]$$

Damit beträgt das gesuchte Volumen:$$V=\int\limits_{r=0}^R\;\int\limits_{\varphi=0}^{2\pi}\;\int\limits_{z=0}^Hr\,dr\,d\varphi\,dz=\int\limits_{r=0}^Rr\,dr\int\limits_{\varphi=0}^{2\pi}d\varphi\int\limits_{z=0}^Hdz=\frac12R^2\cdot2\pi\cdot H=\pi R^2H$$

zu b) Hier sind die Bedingnugen etwas versteckter:$$z^2=(x^2+y^2)\cdot(1-x^2-y^2)=(x^2+y^2)\cdot(1-(x^2+y^2))=r^2\cdot(1-r^2)$$

Die Bedingungen lauten nun:$$z^2\ge0\implies1-r^2\ge0\implies1\ge r^2\implies r\le1\implies r\in[0;1]$$$$-\sqrt{r^2(1-r^2)}\le z\le\sqrt{r^2(1-r^2)}\implies z\in[-r\sqrt{1-r^2}\,;\;r\sqrt{1-r^2}]$$

In dieser Situation hängen die Integrationsgrenzen für \(dz\) von der Variablen \(r\) ab. Wir müssen daher beim Integrieren unbedingt zuerst über \(dz\) integrieren und dabei \(r\) als Konstante betrachten, bevor wir über \(dr\) integrieren.

$$V=\int\limits_{r=0}^1\;\int\limits_{\varphi=0}^{2\pi}\;\int\limits_{z=-r\sqrt{1-r^2}}^{r\sqrt{1-r^2}}r\,dr\,d\varphi\,dz=\int\limits_{\varphi=0}^{2\pi}d\varphi\int\limits_{r=0}^1\left(\;\;\int\limits_{z=-r\sqrt{1-r^2}}^{r\sqrt{1-r^2}}r\,dz\right)dr$$$$\phantom V=2\pi\int\limits_{r=0}^1\left[r\cdot z\right]_{z=-r\sqrt{1-r^2}}^{r\sqrt{1-r^2}}dr=4\pi\int\limits_0^1r^2\sqrt{1-r^2}\,dr=\cdots=4\pi\cdot\frac{\pi}{16}=\frac{\pi^2}{4}$$

Das letzte Integral zu berechnen ist nicht ganz einfach. Ich habe die Rechnung mit \(\cdots\) abgekürzt, um dir die Freude daran nicht zu nehmen. Wenn du Schwierigkeiten bei der Berechnung haben solltest, schreib hier einfach nochmal ;)

Avatar von 152 k 🚀
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Man kann das Integral bei 5b nach Einführung von Zylinderkoordinaten auch wie folgt berechnen:

Die begrenzenden Flächen sind in Zylinderkoordinaten gegeben durch die Gleichung$$z^2 = r^2(1-r^2) \quad (1)$$Nun ist \(z^2 \geq 0\). Andererseits ist \(r^2(1-r^2)\geq 0\) nur für \(0\leq r^2\leq 1\) und da

\(t(1-t)\) eine nach unten geöffnete Parabel ist mit Scheitel bei \(t=\frac 12\), wissen wir sofort

$$\boxed{0\leq z^2 \leq \frac 14}, \text{ denn }\frac 12(1-\frac 12) = \frac 14 $$

Das gesuchte Volumen \(V\) kann also so berechnet werden:

$$\boxed{V = \int_{-\frac12}^\frac12 A(z)\, dz}$$

Dabei ist \(A(z)\) die Schnittfläche des Körpers mit einer zur xy-Ebene parallelen Ebene in der Höhe z. (Man nennt das auch Prinzip des Cavalieri. Hilft oft bei mehrdimensionalen Integralen.)

Wegen (1) ist \(A(z)\) ein Kreisring mit dem inneren Radius \(r_i\) und dem äußeren Radius \(r_a\):$$\boxed{A(z) = \pi(r_a^2 - r_i^2)}$$Dabei sind \(r_i^2\) und \(r_a^2\) die (positiven) Lösungen der Gleichung (1):$$(1) \Leftrightarrow r^4 - r^2 + z^2 = 0 \Leftrightarrow r^2 =\frac 12 \pm \frac 12\sqrt{1-4z^2}$$$$\Rightarrow r_a^2 - r_i^2 = \sqrt{1-4z^2}$$$$\Rightarrow V = \pi\int_{-\frac12}^\frac12 \sqrt{1-4z^2}\, dz \stackrel{t=2z}{=} \frac{ \pi}{2}\underbrace{\int_{-1}^1 \sqrt{1-t^2}\, dt}_{\text{Halbkreis mit Radius }1}= \frac{ \pi}{2}\cdot \frac{ \pi}{2} = \boxed{\frac{ \pi^2}{4}}$$

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