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Wir sitzen gerade mit mehreren Leuten an einer Aufgabe und schon beim Ansatz haben wir große Probleme. Die Aufgabe lautet:


Berechnen Sie das folgende Oberflächenintegral

\( \int\limits_{δ}^{} \)\( \int\limits_{V}^{} \) \( \vec{K} \) d\( \vec{A} \)     mit     \( \vec{K} \) = \( \begin{pmatrix} x+exp(z^2)\\x^2-y^2+z^2\\1-xyz \end{pmatrix} \)

wobei das Volumen V durch die beiden Kegel z = \( \sqrt{x^2+y^2} \) und z = 1-\( \sqrt{x^2+y^2} \) begrenzt wird.


Zuerst haben wir versucht, die Integrationsgrenzen zu finden, scheiterten aber schon daran.

Gibt es Lösungsansätze bzw. gute Ideen wie wir die Aufgabe bearbeiten sollten?

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Aloha :)

Der Kegel \(z=\sqrt{x^2+y^2}\) hat seine Spitze am Koordinatenursprung und öffnet sich nach oben entlang der \(z\)-Achse. Der Kegel \(z=1-\sqrt{x^2+y^2}\) hat seine Spitze am Punkt \((0|0|1)\) und öffnet sich nach unten entgegen der \(z\)-Achse. Beide Kegel schneiden sich aus Symmetriegründen bei \(z=\frac{1}{2}\). Das eingeschlossene Volumen \(V\) können wir daher mit Hilfe von Zylinder-Koordinanten wie folgt parametrisieren:

$$V_1:\;\vec r=\left(\begin{array}{c}r\cos\varphi\\r\sin\varphi\\z\end{array}\right)\;;\;z\in\left[0\,;\,\frac{1}{2}\right]\;;\;r\in[0\;;\;z]\;;\;\varphi\in[0;2\pi[$$$$V_2:\;\vec r=\left(\begin{array}{c}r\cos\varphi\\r\sin\varphi\\z\end{array}\right)\;;\;z\in\left]\frac{1}{2}\;;\;1\right]\;;\;r\in[0\;;\;1-z]\;;\;\varphi\in[0;2\pi[$$\(V_1\) beschreibt die untere Hälfte des Volumens, \(V_2\) die obere Hälfte. Wenn wir uns nur für den Rand \(\partial V\) interessieren, muss \(r=z\) bzw. \(r=1-z\) festgehalten werden.

Der Integrand sieht fürchterlich aus. Daher nutzen wir aus, dass der Rand \(\partial V\) des Volumens geschlossen ist und wir deswegen den Gauß'schen Integralsatz \(d\vec A=dV\cdot\nabla\) anwenden können. Wir integrieren also nicht den Integranden über die Oberfläche, sondern die Divergenz des Integranden über das Volumen.

$$I:=\oint\limits_{\partial V}\vec K\,d\vec A=\int\limits_{V}\text{div}\vec K\,dV=\int\limits_{V}\left(\begin{array}{c}\partial_x\\\partial_y\\\partial_z\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x+e^{(z^2)}\\x^2-y^2+z^2\\1-xyz\end{array}\right)\,dV$$$$\phantom{I}=\int\limits_V\left(1-2y-xy\right)\,dV$$Da wir oben das Volumen \(V\) mittels Zylinder-Koordinaten parametrisiert haben, gehen wir bei der Berechnung des Integrals auch dazu über. Dann wird das Volumenelement \(dV=r\,dr\,d\varphi\,dz\) und das Integral spaltet sich, wegen \(V=V_1+V_2\) in 2 Volumenintegrale auf:

$$I=\int\limits_0^{2\pi}d\varphi\int\limits_0^{1/2}dz\int\limits_0^zdr\,r\left(1-2r\sin\varphi-r^2\sin\varphi\cos\varphi\right)$$$$\phantom{I}+\int\limits_0^{2\pi}d\varphi\int\limits_{1/2}^1dz\int\limits_0^{1-z}dr\,r\left(1-2r\sin\varphi-r^2\sin\varphi\cos\varphi\right)$$Es bietet sich an, zuerst die Integration über \(d\varphi\) durchzuführen. Dieser Schritt ist für beide Integrale gleich:$$\int\limits_0^{2\pi}r\left(1-2r\sin\varphi-r^2\sin\varphi\cos\varphi\right)\,d\varphi=\left[r\varphi+2r^2\cos\varphi+\frac{1}{2}r^3\cos^2\varphi\right]_{\varphi=0}^{2\pi}$$$$=\left(2\pi r+2r^2+\frac{r^3}{2}\right)-\left(0+2r^2+\frac{r^3}{2}\right)=2\pi r$$Damit vereinfachen sich die beiden Integrale von oben drastisch:

$$I=\int\limits_0^{1/2}dz\int\limits_0^zdr\,2\pi r+\int\limits_{1/2}^1dz\int\limits_0^{1-z}dr\,2\pi r=2\pi\int\limits_0^{1/2}dz\left[\frac{r^2}{2}\right]_0^z+2\pi\int\limits_{1/2}^1dz\left[\frac{r^2}{2}\right]_0^{1-z}$$$$\phantom{I}=2\pi\int\limits_0^{1/2}\frac{z^2}{2}dz+2\pi\int\limits_{1/2}^1\frac{(1-z)^2}{2}dz=\pi\left[\frac{z^3}{3}\right]_0^{1/2}+\pi\left[-\frac{(1-z)^3}{3}\right]_{1/2}^1$$$$\phantom{I}=\frac{\pi}{24}+\frac{\pi}{24}=\frac{\pi}{12}$$

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Hallo Tschaka

Darf ich dich mal fragen, wie lange du für eine solche Aufgabe einschließlich Tippen mit Latex brauchst?

Gruß Wolfgang

Tausend Dank :)

Eine Frage bleibt uns noch offen: Wie kann ich mir grafisch vorstellen was hier gerechnet wird?

Ansonsten vielen Dank für das Lösen und die viele Arbeit!

Hallo Wolfgang :)

Ich rechne die Aufgaben vorher nicht auf Papier. Ich schaue mir das Problem an, und falls ich eine Lösungsidee habe, tippe ich direkt im Latex-Stil los. Für diese Aufgabe habe ich etwa 40 Minunten gebraucht, weil ich mich zuerst noch bei der Parametrisierung verfummelt hatte.

Am Ende lese ich mir die Lösung dann nochmal komplett durch, ob nicht vielleicht irgendwas vom Probieren stehengeblieben ist und ob sie halbwegs verständlich ist. Das kostet auch nochmal ein paar Minuten, besonders weil die Vorschau-Funktion für lange Formeln schlecht ist. Die werden beim fertigen Posting oft über 2 Zeilen zerstückelt. Die manuelle Nachkorrektur und die dazu eventuell nötige Anpassung der Formeln ist die nervigste Korrektur.

Stefan (aka Tschakabumba)

@SyntaxError:

Stell dir das Vektorfeld als Geschwindigkeitsfeld einer strömenden Flüssigkeit vor. Du berechnest mit einem Oberflächenintegral über ein solches Vektorfeld, wie viel Volumen der Flüssigkeit pro Zeiteinheit durch die vorgegebene Oberfläche fließt.

Wenn du im Internet unter "Oberflächenintegral 2. Art" nachschaust, wirst du bestimmt einige schöne Darstellung dafür finden.

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