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Aufgabe:

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Berechnen Sie das Oberflächenintegral \( \oiint_{K} \vec{F}(\vec{x}) \cdot \mathrm{d} \vec{A} \) des Vektorfeldes \( \vec{F}(\vec{x})=\left(x^{3}, y^{3}, z^{3}\right)^{T} \) über die Kugeloberfläche \( x^{2}+y^{2}+z^{2}=2 \). Nutzen Sie hierfür den Satz von Gauß.

Problem/Ansatz:

Wieso sieht das Integral so komisch aus xD ?

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Da sind zwei Integralzeichen, weil die Oberfläche einer Kugel 2dimensional ist.

Der Kreis um die Integralzeichen heißt, dass die Integrationsfläche geschlossen ist. Das ist bei einer Kugeloberfläche der Fall.

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Aloha :)

Es soll ein Oberflächenintegral über eine Kugeloberfläche bestimmt werden:$$I=\oiint\limits_{\partial K}\vec F(\vec r)\,d\vec f$$Der Kreis um die beiden Integrale zeigt an, dass es sich um eine geschlossene Oberfläche handelt. Der Index an dem Integral muss in der Aufgabenstellung eigentlich \(\partial K\) heißen, denn \(K\) ist in der Konvention die Kugel und \(\partial K\) ist der Rand der Kugel, also die Oberfläche.

Bei Integralen über geschlossene Oberflächen kann man mittels des Integralsatzes von Gauß zu einem Volumenintegral übergehen. Merke dir dazu: \(\left(d\vec f=dV\,\vec\nabla\right)\)$$I=\oiint\limits_{\partial K}d\vec f\,\vec F(\vec r)=\iiint\limits\limits_K(dV\,\vec\nabla)\vec F(\vec r)=\iiint\limits\limits_KdV\operatorname{div}\vec F(\vec r)$$

Wir beschreiben das Volumen(!) der Kugel mit Radius \(\sqrt2\) durch Kugelkoordinaten:$$dV=r^2\sin\vartheta\,dr\,d\varphi\,d\vartheta\quad;\quad r\in[0;\sqrt2]\;;\;\varphi\in[0;2\pi]\;;\;\vartheta\in[0;\pi]$$und bestimmen die Divergenz des Vektorfeldes:$$\operatorname{div}\vec F(\vec r)=3x^2+3y^2+3z^2=3r^2$$Damit haben wir alles zusammen, was wir brauchen:$$I=\int\limits_{r=0}^{\sqrt2}\;\int\limits_{\varphi=0}^{2\pi}\,\int\limits_{\vartheta=0}^\pi\underbrace{3r^2}_{=\operatorname{div}\vec F}\,\underbrace{r^2\,\sin\vartheta\,dr\,d\varphi\,d\vartheta}_{=dV}=3\int\limits_{r=0}^{\sqrt2}r^4\,dr\int\limits_{\varphi=0}^{2\pi}d\varphi\int\limits_{\vartheta=0}^{\pi}\sin\vartheta\,d\vartheta$$$$\phantom I=3\cdot\left[\frac{r^5}{5}\right]_{r=0}^{\sqrt2}\cdot\left[\varphi\right]_0^{2\pi}\cdot\left[-\cos\vartheta\right]_{\vartheta=0}^\pi=3\cdot\frac{4\sqrt2}{5}\cdot2\pi\cdot(1+1)=\frac{48\sqrt2}{5}\,\pi$$

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