Autor Tema: Cálculo de integral triple

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29 Mayo, 2021, 02:04 am
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Asdfgh

  • $$\Large \color{#5e8d56}\pi\,\pi\,\pi$$
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Buenas tardes.

Cómo podría realizar el siguiente cálculo integral?

\[ \int_A \sqrt{x^2+y^2+z^2} \ d(x,y,z), \ A=\{(x,y,z)\in \mathbb{R}^3; \sqrt{x^2+y^2}\leq z \leq 4\} \]

Supongo que tendré que hacer algún cambio a coordenadas polares o cilíndricas.

Agradezco vuestra ayuda.

29 Mayo, 2021, 02:26 am
Respuesta #1

Masacroso

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Supongo que tendré que hacer algún cambio a coordenadas polares o cilíndricas.

Efectivamente. En cilíndricas se simplifica enormemente, en esféricas no tanto.

Edición: bueno, no es tan sencillo, en cilíndricas se simplifica la región de integración pero no demasiado el integrando, y en esféricas pasa al revés. Al final parece más sencillo resolver la integral en coordenadas esféricas ya que si bien la región de integración no es sencilla no es intratable ni mucho menos.

P.D.: ¿buenas tardes a las 2 de la madrugada?  :o

Solución usando esféricas
Usando coordenadas esféricas la integral te queda

\( \displaystyle{
\int_{A}r^2\sin \beta \mathop{}\!d (r,\alpha ,\beta ),\quad A=\{(r,\alpha ,\beta ):r|\sin \beta |\leqslant r \cos \beta \leqslant 4\}
} \)

De la condición que define \( A \) vemos que \( \beta\in [0,\pi/2] \) ya que si \( \beta >\pi/2 \) entonces \( \cos \beta <0 \). Por otra parte la desigualdad \( |\sin \beta |\leqslant \cos \beta  \) reduce el rango anterior a \( [0,\pi/4] \), y éste parece ser el rango máximo para \( \beta  \).

A partir del rango anterior de \( \beta  \) definimos el rango de valores posibles para \( r \), ya que se tiene que cumplir que \( r\leqslant 4\sec \beta  \), por tanto la integral nos queda como

\( \displaystyle{
\int_{A}r^2\sin \beta \mathop{}\!d (r,\alpha ,\beta )=2\pi\int_{0}^{\pi/4}\int_{0}^{4\sec \beta }r^2 \sin \beta  \mathop{}\!d r\mathop{}\!d \beta =\frac{2\pi\cdot 4^3}3\int_{0}^{\pi/4}\frac{\sin \beta }{(\cos \beta )^3}\mathop{}\!d \beta \\
=\frac{128\pi}{3}\int_{0}^{\pi/4}\tan \beta (\tan \beta )'\mathop{}\!d \beta =\frac{64\pi}{3}\left[(\tan \beta )^2\right]^{\beta =\pi/4}_{\beta =0}=\frac{64\pi}3
} \)
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29 Mayo, 2021, 02:11 pm
Respuesta #2

Abdulai

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Buenas tardes.

Cómo podría realizar el siguiente cálculo integral?

\[ \int_A \sqrt{x^2+y^2+z^2} \ d(x,y,z), \ A=\{(x,y,z)\in \mathbb{R}^3; \sqrt{x^2+y^2}\leq z \leq 4\} \]

Supongo que tendré que hacer algún cambio a coordenadas polares o cilíndricas.

Agradezco vuestra ayuda.

Si no se me ha escapado algo, pasando a coordenadas cilíndricas:
\( x=r \cos \theta \;,\;y=r \sin \theta  \;,\;z=z \;\;\longrightarrow\;\;J=r \)(el jacobiano)
Resultando la región:  \( 0\leq\theta\leq 2\pi\;,\; 0\leq r \leq z \leq 4  \)

\( \;\;\longrightarrow\;\; \displaystyle\int_{0}^{4}\displaystyle\int_{0}^{z}\displaystyle\int_{0}^{2\pi}\displaystyle\sqrt{r^2+z^2}\;r \;d\theta\; dr\; dz = 2\pi \displaystyle\int_{0}^{4}\displaystyle\int_{0}^{z}\displaystyle\sqrt{r^2+z^2}\;r \; dr \;dz \)   (mas simple de resolver)