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1. Satz von Gauß 1
Berechnen Sie mit Hilfe des Satzes von Gauß das Flächenintegral
für das Vektorfeld \( \vec{v}(x, y, z)=\left(\begin{array}{c}z^{2}-x \\ -x y+z \\ 3 z-x\end{array}\right) \).
Dabei ist \( \phi \) die Oberfläche des Gebietes \( B \), welches durch die Fläche \( z=4-y^{2} \) und die drei Ebenen \( x=0, x=2 \) und \( z=0 \) begrenzt ist.

Ich verstehe nicht, wie ich die Aufgabe machen kann

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Kennst du den Satz von Gauß nicht, dann schlag ihn nach!

lul

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Aloha :)

Mit Hilfe des Gauß'schen Satzes \((dV\cdot\vec \nabla=d\vec f)\) führst du das Integral über ein vektorielles Flächenelement \(d\vec f\) auf ein Integral über ein Volumenelement \(dV\) zurück:$$I=\oiint\limits_{\phi}\vec v\,d\vec f=\oiint\limits_{\phi}d\vec f\,\vec v=\iiint\limits_{V(\phi)}dV\cdot\vec\nabla\vec v=\int\limits_{x=0}^2\;\,\int\limits_{y=-2}^2\!\!\int\limits_{z=0}^{\sqrt{4-y^2}}\operatorname{div}\begin{pmatrix}z^2-x\\-xy+z\\3z-x\end{pmatrix}\,dx\,dy\,dz$$

Bei der Berechnung des Integral über \(dz\) von \(z=0\) bis \(\sqrt{4-y^2}\) muss der Wert von \(y\in[-2;2]\) fest gewählt sein. Das heißt, wir müssen zuerst über \(dz\) integrieren, erhalten ein Ergebnis, das von \(y\) abhängt, und können erst danach über \(dy\) integrieren.

Das Ausrechnen der Divergenz liefert uns einen sehr friedlichen Integranden:$$I=\int\limits_{x=0}^2\;\,\int\limits_{y=-2}^2\!\!\int\limits_{z=0}^{\sqrt{4-y^2}}(-1-x+3)\,dx\,dy\,dz=\int\limits_{x=0}^2\;\,\int\limits_{y=-2}^2\!\!\int\limits_{z=0}^{\sqrt{4-y^2}}(2-x)\,dx\,dy\,dz$$$$\phantom{I}=\int\limits_{x=0}^2(2-x)\,dx\int\limits_{y=-2}^2\left(\int\limits_{z=0}^{\sqrt{4-y^2}}dz\right)\,dy=\left[2x-\frac{x^2}{2}\right]_{x=0}^2\int\limits_{y=-2}^2\sqrt{4-y^2}\,dy$$Das Integral über die Wurzel können wir ohne Rechnung angeben, es beschreibt die Bogenlänge \(2\pi\) eines Halbkreises mit Radius \(2\):$$\phantom I=\left(2-0\right)\cdot2\pi=4\pi$$

Avatar von 152 k 🚀

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