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Aufgabe:

Man soll das Volumen des Körpers berechnen, der durch die Flächen z=x, z= -y und

(x-2)^2+(y-1)^2= 1 begrenzt wird.



Problem/Ansatz:

Ich weiß, dass ich Zylinderkoordninaten verwenden soll. (x-2)^2+(y-1)^2= 1 ist ein Kreis um den Punkt (2|1) mit Radius 1.

Wie lauten die Grenzen für mein Dreiffachintegral?

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Verlangt die Aufgabenstellung ausdrücklich die Berechnung eines Integrals ?

Als Tipp steht man solle das Koordinatensystem so verschieben, dass man Zylinderkoordinaten verwenden kann.

Nimm doch die Trafo u := x - 2, v := y - 1 und w := z

Das Ergebnis sollte 3π sein (Zylinder mit Radius 1 und Länge 3, Man kann bspw die "Spitze" unten abschneiden, drehen und oben wieder draufkleben)

blob.png

Rot ist der Zylinder, Türkis die beiden Ebenen. die gelb-grünen Ebenen sind z=0 und z=3

Vielen Dank!

1 Antwort

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Aloha :)

Wir überlegen uns einen Ortsvektor \(\vec r\), der das beschriebene Volumen \(V\) abstatet. Parallel zur xy-Ebene finden wir einen Kreis mit Mittelpunkt \((2|1)\) und Radius \(1\):$$\vec r=\begin{pmatrix}2+r\,\cos\varphi\\1+r\sin\varphi\\z\end{pmatrix}\quad;\quad r\in[0;1]\;;\;\varphi\in[0;2\pi]\;;\;z\in[-(1+r\sin\varphi)\;;\;2+r\cos\varphi]$$Das Volumenelement \(dV=dx\,dy\,dz\) müssen wir durch die Variablen \(r,\varphi,z\) ausdrücken:

$$dV=\begin{vmatrix}\frac{\partial r_x}{\partial r} & \frac{\partial r_x}{\partial \varphi} & \frac{\partial r_x}{\partial z}\\[1ex]\frac{\partial r_y}{\partial r} & \frac{\partial r_y}{\partial \varphi} & \frac{\partial r_y}{\partial z}\\[1ex]\frac{\partial r_z}{\partial r} & \frac{\partial r_z}{\partial \varphi} & \frac{\partial r_z}{\partial z}\end{vmatrix}\,dr\,d\varphi\,dz=\begin{vmatrix}\cos\varphi & -r\sin\varphi & 0\\[1ex]\sin\varphi & r\cos\varphi & 0\\[1ex]0 & 0 & 1\end{vmatrix}\,dr\,d\varphi\,dz=r\,dr\,d\varphi\,dz$$

Das gesuchte Volumen lautet daher:$$V=\int\limits_{r=0}^1\;\,\int\limits_{\varphi=0}^{2\pi}\;\,\int\limits_{z=-(1+r\sin\varphi)}^{2+r\cos\varphi}r\,dr\,d\varphi\,dz=\int\limits_{r=0}^1\;\,\int\limits_{\varphi=0}^{2\pi}r\left(2+r\cos\varphi+1+r\sin\varphi\right)\,dr\,d\varphi$$$$\phantom{V}=\int\limits_{r=0}^1\left[r\left(3\varphi+r\sin\varphi-r\cos\varphi\right)\right]_{\varphi=0}^{2\pi}\,dr=\int\limits_{r=0}^16\pi r\,dr=\left[3\pi r^2\right]_{r=0}^1=3\pi$$

Avatar von 152 k 🚀

Vielen Dank für die ausführliche Antwort!

Habe alles verstanden.

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