Vectoren, vraagstuk 80

Bereken de volgende integraal:
Vergelijking
Als het vectorveld is:
Vergelijking
En S is het oppervlak met de vergelijking:
Vergelijking
Met (x, y) binnen de eenheidscirkel met de oorsprong als middelpunt. S is georiënteerd volgens de naar buiten/beneden gerichte normaal.
Grafiek
Het vectorveld F
Grafiek
De grafiek van z = x2 + y2
Dit plaatje is waarschijnlijk duidelijker:
Grafiek
De grafiek van z = x2 + y2
Ik ga eerst op zoek naar een parametrisering van S. Hiervoor is de simpelste aanpak ook de juiste door te stellen dat:
Vergelijking
Vergelijking
Waaruit volgt:
Vergelijking
Dit geeft de volgende parametrisering voor S:
Vergelijking
Tevens kan ik hiermee het vectorveld schrijven als:
Vergelijking
Vervolgens bepaal ik de partiële afgeleiden van S:
Vergelijking
Vergelijking
Via het uitwendig product kan ik hiermee dA berekenen:
Vergelijking
Omdat de normaalvector naar buiten/beneden gericht moet zijn (z-component < 0) dien ik dA met −1 te vermenigvuldigen:
Vergelijking
Het inwendig product FdA wordt dan:
Vergelijking
Dit ziet er door die wortel niet bepaald aantrekkelijk uit om te gaan integreren. Ik weet dat het oppervlak S een cirkel is:
Vergelijking
Hiervan neemt de straal toe met z:
Vergelijking
En dit is een parabool. We hebben te maken met een parabool die zich om de z-as wentelt: een paraboloïde. Dit nodigt uit om over te gaan op cilindercoördinaten, dan geldt:
Vergelijking
Vergelijking
Uit het voorgaande kunnen we dan aflezen:
Vergelijking
Vergelijking
Het inwendig product FdA verandert daarmee in:
Vergelijking
De grens van S is de eenheidscirkel, waaruit volgt:
Vergelijking
En een volledige wenteling om de z-as betekent:
Vergelijking
Verder dien ik nog te bedenken dat de overgang naar cilindercoördinaten een extra r oplevert:
Vergelijking
Daarmee wordt de integraal:
Vergelijking
Toch blijf ik dan altijd nieuwsgierig hoe het gelopen zou zijn indien ik niet overgegaan was naar cilindercoördinaten. We gaan het gewoon eens proberen, ik integreer eerst naar u en dan naar v. De integratiegrenzen zijn dan:
Vergelijking
Vergelijking
Dan wordt de integraal:
Vergelijking
De oplossing van de integraal van (a2 + x2)1/2 kun je vinden in de tabel met integralen.

Dat was de eerste stap, en nu het tweede deel:
Vergelijking
De oplossing van de integraal van x2 ln (a + (a2 − x2)1/2) kun je vinden in de tabel met integralen en de oplossing van de integraal van x2 ln (a − (a2 − x2)1/2) kun je ook vinden in de tabel met integralen.

Het klopt (uiteraard), maar de cilindercoördinaten werken toch een stuk prettiger! Dus hoe was het gegaan als ik direct aan het begin overgegaan was naar cilindercoördinaten? Dan komt de parametrisering van S als volgt tot stand:
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking
Hiermee kan ik het vectorveld schrijven als:
Vergelijking
Vervolgens bepaal ik de partiële afgeleiden van S:
Vergelijking
Vergelijking
Via het uitwendig product kan ik hiermee dA berekenen:
Vergelijking
Omdat de normaalvector naar buiten/beneden gericht moet zijn (z-component < 0) dien ik dA met −1 te vermenigvuldigen:
Vergelijking
Het inwendig product FdA wordt dan:
Vergelijking
De integraal wordt dan:
Vergelijking
Ik ben nu op drie manieren tot hetzelfde antwoord gekomen: