Sia
Ω={(x,y,z)∈R3:0≤z≤4,x2+y2≤16,x2+y2+(z−4)2≥16}.
(a) Descrivere Ω e calcolarne il volume.
(b) Calcolare ∭Ω∣z−4∣3dxdydz.
Soluzione
(a) Geometria e volume
x2+y2≤16, 0≤z≤4: cilindro di raggio 4 e altezza 4, con base sul piano z=0.
x2+y2+(z−4)2≥16: esterno della palla di centro (0,0,4) e raggio 4.
La palla ha centro sul bordo superiore del cilindro e raggio uguale a quello del cilindro: sta nel cilindro con la sua metà inferiore (per z≤4), che tocca il piano z=0 nell'origine. Cilindro e sfera si incontrano solo sulla circonferenza superiore: da 16+(z−4)2=16 segue z=4. Quindi Ω è il cilindro scavato da una cavità semisferica che scende dall'alto.
Volume per differenza:∣Ω∣=πR2h−21⋅34πR3=64π−3128π=364π.
(Metodi alternativi: per fili, ∣Ω∣=∬x2+y2≤16(4−16−x2−y2)dxdy, dove 4−16−ρ2 è la quota fra il piano z=0 e la sfera inferiore z=4−16−ρ2; oppure per strati.)
Grafico interattivo: Sezione con il piano xz: il rettangolo |x| ≤ 4, 0 ≤ z ≤ 4 privato del semicerchio di centro (0,4) e raggio 4. La sezione di Ω è la parte esterna al semicerchio
(b) L'integrale ∭Ω∣z−4∣3
In Ω si ha z≤4, quindi ∣z−4∣3=(4−z)3.
Primo modo: cilindriche, per strati. Per z∈[0,4] la sezione è la corona 16−(z−4)2≤ρ≤4 (dall'esterno della sfera al cilindro). Con ρdρdθdz:
I=∫02πdθ∫04(4−z)3(∫16−(z−4)24ρdρ)dz.
L'integrale radiale è [2ρ2]=216−(16−(z−4)2)=2(4−z)2. Quindi
I=2π∫042(4−z)5dz=π[−6(4−z)6]04=6π⋅46=32048π.Secondo modo: per fili paralleli a z. La proiezione di Ω su xy è il disco ρ≤4; sul filo la quota va da 0 a 4−16−ρ2:
∫04−16−ρ2(4−z)3dz=[−4(4−z)4]04−16−ρ2=64−4(16−ρ2)2.
Integrando sul disco in polari: I=2π∫04(64−4(16−ρ2)2)ρdρ=2π[64⋅8−41⋅6163]=2π(512−3512). Infatti ∫04(16−ρ2)2ρdρ=6163=32048. Dunque I=2π(512−3512)=2π⋅31024=32048π ✓.
Risultati:∣Ω∣=364π, ∭Ω∣z−4∣3=32048π.
Errori tipici
Dimenticare di togliere il valore assoluto con il segno giusto: in Ω è z≤4, quindi ∣z−4∣=4−z.
Scrivere la sezione come un disco invece che come una corona (la cavità è un buco).
Prendere l'intera palla al posto della mezza palla nel calcolo del volume per differenza: la parte per z>4 non è nel cilindro.
Versione ripasso
Testo.Ω={0≤z≤4,x2+y2≤16,x2+y2+(z−4)2≥16}: volume e ∭∣z−4∣3.
Soluzione.
Cilindro R=4, h=4 meno semipalla di raggio 4 (centro (0,0,4)): V=64π−3128π=364π.