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Aufgabe:

Es geht um Integral unter der Verwendung von Polarkoordinanten !


Problem/Ansatz:

mit welche Formen kann damit anfangen, also was sind die Integralgrenzen mit dem gegebenen Bereich ?

Text erkannt:

Berechnen Sie \( \int \limits_{B}(x-y)^{2} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y \) über \( B=\left\{(x, y) \in \mathbb{R}^{2}: x^{2}+y^{2} \leq 4, y \geq 0\right\} \) unter der Verwendung von Polarkoordinaten.

ich wäre dankbar für die Nachhilfe !

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Aloha :)

In Polarkoordinaten wechseln die Koordinaten \((x;y)\to(r;\varphi)\), wobei:$$\binom{x}{y}=\binom{r\cos\varphi}{r\sin\varphi}\quad;\quad r\in[0;\infty)\;;\;\varphi\in[0;2\pi]$$

Damit ein Punkt \((x;y)\) zur Menge \(B\) gehört, muss er zwei Bedingungen erfüllen. Diese beiden Bedinungen schränken die Wertebereiche für \(r\) und \(\varphi\) ein:$$x^2+y^2\le4\implies(r\cos\varphi)^2+(r\sin\varphi)^2=r^2(\cos^2\varphi+\sin^2\varphi)=r^2\le4\implies \pink{r\in[0;2]}$$$$y\ge0\implies r\sin\varphi\ge0\implies\sin\varphi\ge0\implies\pink{\varphi\in[0;\pi]}$$

Das Flächenelement \(df=dx\,dy\) wird durch den Übergang zu Polarkoordinaten verzerrt:$$\frac{dx\,dy}{dr\,d\varphi}=\begin{vmatrix}\frac{\partial x}{\partial r} & \frac{\partial x}{\partial\varphi}\\[1ex]\frac{\partial y}{\partial r} & \frac{\partial y}{\partial\varphi}\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}\cos\varphi & -r\sin\varphi\\\sin\varphi & r\cos\varphi\end{vmatrix}=r\cos^2\varphi+r\sin^2\varphi=r\implies\pink{dx\,dy=r\,dr\,d\varphi}$$

Jetzt brauchst du nur noch das Argument \((x-y)^2\) des Integrals umzuschreiben:$$(x-y)^2=(r\cos\varphi-r\sin\varphi)^2=r^2\cos^2\varphi-2r\cos\varphi\,r\sin\varphi+r^2\sin^2\varphi$$$$\phantom{(x-y)^2}=r^2(\cos^2\varphi+\sin^2\varphi)-r^2\cdot2\cos\varphi\sin\varphi=\pink{r^2(1-2\cos\varphi\sin\varphi)}$$

Damit haben wir nun alles gesammelt, was wir zur Formulierung des Integrals brauchen:$$I=\int\limits_B(x-y)^2\,dx\,dy=\int\limits_{r=0}^2\;\int\limits_{\varphi=0}^\pi r^2(1-2\cos\varphi\sin\varphi)\cdot r\,dr\,d\varphi$$$$\phantom I=\int\limits_{r=0}^2r^3\,dr\int\limits_{\varphi=0}^\pi(1-2\cos\varphi\sin\varphi)\,d\varphi=\left[\frac{r^4}{4}\right]_0^2\left[\varphi-\sin^2\varphi\right]_0^\pi=\frac{16}{4}\,\pi=4\pi$$

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ich danke dir herzlilich

können Sie bitte später meine andere Frage "Gradienten von f gesucht" nachgucken, die ich vor ne Stunde gestellt habe ?

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Hallo

mit x=rcos(φ) y=rsin(φ)  läuft  die Integration von r von 0 bis 2 wegen r^2=4 und φ von 0 bis π wegen y>=0

dA=dxdy wird zu  rdrdφ

Gruß lul

Avatar von 108 k 🚀

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