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Aufgabe:

Welches Integral ist zu berechnen, wenn der Flächeninhalt I der Fläche von der Kurve [0,2π] → ℝ2 : γ(t) = (1+ cost , sin^3(t)) eingeschlossen wird?

Problem/Ansatz:

Eigentlich sollte sowas ja durch ein Bereichsintegral lösbar sein. Ich habe aber kein Plan, wie ich da dann aus der Kurve die Integrationsgrenzen für dx und dy herauslesen kann? Oder brauch man hier doch ein skalares Flächenintegral mit einer parametrisierten Fläche?

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Hallo

skizziere die Kurve , dann kannst du die Grenzen ablesen. und cos in sin verwandeln oder umgekehrt.Bildschirmfoto 2023-08-04 um 11.56.44.png

Hi, danke für die schnelle Antwort. Leider habe ich überhaupt keine ahnung wie ich hier vorgehen würde und diese Kurve skizzieren würde. Das ist eine Altklausuraufgabe und die muss ich ohne Wolframalpha und co lösen. Wie würde man nur mit "Stift und Papier" vorgehen und diese Kurve skizzieren?

Alternative zum Vorgehen in der Lösung: Sektorformel von Leibniz. Evtl ist es ja das, was Du üben / wissen sollst

3 Antworten

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Aloha :)

Die Raumkurve \(\vec r(t)\) bescheibt den Rand des Integrationsbereichs:$$\vec r(t)=\binom{1+\cos t}{\sin^3t}=\binom{1}{0}+\binom{\cos t}{\sin^3t}=\binom{1}{0}+\binom{\cos t}{\sin t\cdot(1-\cos^2t)}$$

Für die Bestimmung der von \(\vec r(t)\) eingeschlossenen Fläche ist die Verschiebung \(\binom{1}{0}\) irrelevant. Für den relevanten Teil \(\vec r_0(t)\) stellen wir folgende Symmetrie fest:$$\vec r_0(t)=\binom{\cos t}{\sin t\cdot(1-\cos^2t)}=\left\{\begin{array}{cl}\binom{\cos t}{\sqrt{1-\cos^2t}\cdot(1-\cos^2t)} & \text{für }t\in\left[0;\pi\right]\\[1ex]\binom{\cos t}{-\sqrt{1-\cos^2t}\cdot(1-\cos^2t)} & \text{für }t\in\left[\pi;2\pi\right]\end{array}\right.$$

Für \(t\in[0;\pi]\) verläuft \(\vec r_0(t)\) oberhalb der \(x\)-Achse und für \(t\in[\pi;2\pi]\) symmetrisch dazu unterhalb der \(x\)-Achse. Es reicht also aus, die Fläche zwischen \(\vec r_0(t)\) und der \(x\)-Achse im Bereich von \(t\in[0;\pi]\) zu bestimmen, wenn wir dafür das Ergebnis verdoppeln.

Und wir können uns die Rechnung sogar noch weiter vereinfachen, weil für \(t\in[0;\frac\pi2]\) die \(x\)-Koordinate \(\cos t\) positiv ist und für \(t\in[\frac\pi2;\pi]\) negativ. Wir haben also eine weitere Symmetrie der zu bestimmenden Fläche, diesmal bezüglich der \(y\)-Achse. Wir können daher das Integrationsintervall auf \(t\in[0;\frac\pi2]\) reduzieren, wenn wir dafür das Ergebnis ein weiteres Mal verdoppeln.

Im Intervall \(t\in[0;\frac\pi2]\) nimmt \(\cos t\) die Werte von \([0;1]\) an, sodass wir \(\cos(t)\) durch \(x\in[0;1]\) ersetzen und das Integral für die Fläche formulieren können:$$F=4\cdot\int\limits_0^1\sqrt{1-x^2}\cdot(1-x^2)\,dx=4\int\limits_0^1(1-x^2)^{\frac32}=\cdots=\frac34\pi$$

Die Freude beim Berechnen des Integrals möchte ich dir nicht nehmen, daher nur \((\cdots)\) statt des vollständigen Rechenwegs.

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Die begrenzende Kurve lässt sich auch so beschreiben: f(x)=±(2x-x2)2/3.

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Das kann man mit dem Satz von Green (siehe Anwendungsbeispiele) schnell ausrechnen.

$$A = \int_{\gamma}-y\,dx = \int_0^{2\pi}\sin^4 t\, dt$$

Jetzt nur noch einfache trigonometrische Formeln anwenden:

$$\int_0^{2\pi}\sin^4 t\, dt = \frac 12 \int_0^{2\pi}(1-\cos 2t)\, dt - \frac 14 \int_0^{2\pi}\sin^2 2t\, dt = \pi - \frac 14 \pi = \frac 34 \pi$$

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Das war die Antwort, nach der ich gesucht habe! Vielen Dank, ich war sicher dass das viel einfacher geht. Ich habe das auf dem Formelzettel als vektorielles Kurvenintegral geschrieben:

Screenshot 2023-08-06 125002.png

Text erkannt:

\( A=\frac{1}{2} \int \limits_{\gamma}\left(\begin{array}{c}-y \\ x\end{array}\right) \cdot d s \)


damit ich nicht noch den Betrag des Vektors berechnen muss sondern direkt ein Skalarprodukt mache. Stimmt das so?

Deine Formel passt, solange dir klar ist, dass \(ds\) hier \(\binom{dx}{dy}\) ist und nicht das herkömmliche Linienelement zur Berechnung der Länge einer Kurve.


Ich hatte dir in meiner Antwort einen Link gegeben. Dort findest du verschiedene Formeln zur Berechnung des gesuchten Flächeninhaltes, die alle auf dem Satz von Green beruhen. Deine Formel ist jedenfalls eine davon: (gelb markiert)


Bereichsintegral_02.JPG

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