TU Wien:Analysis 2 UE (diverse)/Übungen SS12/Beispiel 18
Man bestimme Volumen und Oberfläche eines Torus. (Dabei beachte man die in Aufgabe 4. angegebene Parametrisierung.)
Lösungsvorschlag
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Da in Aufgabe 4 nur die Parametrisierung der Oberfläche angegeben ist muss diese zunächst für das Volumen formuliert werden. Dies erreicht man durch einen variablen Radius um alle Punkte innerhalb des Torus zu erhalten:
mit
Und die Jakobi Matrix:
Das Volumen erhält man indem man alle Punkte zählt die sich innerhalb des Torus befinden. Das entspricht folgendem Integral:
wobei f(x,y,z)=1 wenn der Punkt (x,y,z) sich im Torus befindet, sonst 0. Das ist aber äquivalent zum Integral einer konstanten funktion g(x,y,z)=1 über dem Bereich mit den gleichen Eigenschaften: sich im Torus befindet. Damit erhält man:
Über dem definierten Bereich lässt sich schwer integrieren, daher substituiert man es in eine einfachere Form. Durch die Parametrisierung ist bekannt, dass Daraus formuliert man folgendes Integral:
Die Funktion lässt sich mit Hilfe der Ableitungen in der Jakobi Matrix herleiten:
Und daher schlussendlich:
Das Integral bei Wolfram alpha: [1]
Frage:
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Soweit sieht es ziemlich gut aus, allerdings ist das Torus-Volumen in Wirklichkeit (laut Wikipedia[2]) .
Das negative Vorzeichen kann man durch Änderung der Bereichsrichtung eliminieren:
[3] aber was ist mit dem konstanten Faktor 4? Sieht jemand den Fehler?
Meine Meinung dazu
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]ich denke da hats was mit der Jakobimatrix, ich hab da andere Werte rausbekommen.
Jedenfalls zerfällt die Determinante der Jakobimatrix, wenn auch etwas umständlich, in die einfache Form: R*r+r^2*cos(theta) (ok, eigentlich mit neg. Vorzeichen, aber das ließe sich mit Grenzenverdrehen ohnehin eliminieren)
Das Integrieren ist dann einfach: über theta integrieren, Grenzen einsetzen: R*r*2pi
über phi integrieren mit Grenzen: (2pi)^2*R*r. Bei der Oberfläche sind wir hier fertig, r ist als Kostante zu betrachten.
beim Volumen ist r als Variable zu betrachten, wir integrieren nochmal über r von 0 bis r' und bekommen 2*(pi^2)*R*r'^2
Pete am 8.3.18
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Da ist ein Fehler in der Jacobimatrix. Es wurde mit vertauscht an den Stellen von und in der 3ten Spalte
Korrekte Jacobi Matrix:
Determinante ist -> Grenzen vertauschen ->