Trovare il volume dell'intersezione fra il cono x2+y2<z2 e la sfera x2+y2+z2<2az, con a>0.
Soluzione
Il solido. La disuguaglianza x2+y2<z2 (con z>0, necessario per la sfera) descrive il cono circolare con vertice nell'origine, asse z e semi-apertura 45∘ (z>x2+y2). La sfera: x2+y2+(z−a)2<a2 ha centro (0,0,a), raggio a, passa per l'origine ed è tangente al piano z=0 in O. Cono e sfera si intersecano dove z=ρ (ρ2=x2+y2) e ρ2+z2=2az, cioè 2ρ2=2aρ, ρ=a e z=a: la circonferenza di raggio a a quota a. Il solido è la parte di palla che sta dentro il cono: il "gelato" con vertice in O.
Grafico interattivo: Sezione del solido con il piano xz (a = 1): il cerchio ρ² + (z − 1)² ≤ 1 e la retta z = |ρ| (cono). Il solido è la parte del cerchio sopra le rette z = ±ρ; le rette incontrano il cerchio in (0,0) e (±1,1)
Metodo 1: coordinate sferiche
Il cono è φ<4π (colatitudine, z=ρcosφ>ρsinφ equivale a tanφ<1). La sfera: ρ2<2aρcosφ, cioè ρ<2acosφ. Con il fattore ρ2sinφ:
V=∫02πdθ∫0π/4sinφ(∫02acosφρ2dρ)dφ=2π⋅38a3∫0π/4cos3φsinφdφ.
Con ∫cos3φsinφdφ=−4cos4φ: il valore fra 0 e 4π è 41−(22)4=41−41=163. Quindi
V=316πa3⋅163=πa3.
Metodo 2: coordinate cilindriche
Con x=ρcosθ, y=ρsinθ: cono z>ρ; sfera a−a2−ρ2<z<a+a2−ρ2 con ρ<a. Il limite inferiore è la quota più alta fra ρ (cono) e a−a2−ρ2 (calotta inferiore della sfera): per ρ∈[0,a] si ha a−a2−ρ2≤ρ (per ρ=a sono uguali; per ρ piccolo il primo è ≈2aρ2<ρ). Quindi ρ≤z≤a+a2−ρ2:
V=2π∫0aρ(a+a2−ρ2−ρ)dρ=2π[2a3+3a3−3a3]=πa3,
usando ∫0aρa2−ρ2dρ=3a3 e ∫0aρ2dρ=3a3.
Metodo 3: per strati orizzontali
A quota z la sezione è un disco, di raggio il minore fra quello del cono e quello della sfera:
0≤z≤a: il cono è più stretto (ρ<z), area πz2;
a≤z≤2a: la sfera è più stretta (ρ2<2az−z2), area π(2az−z2).
V=π∫0az2dz+π∫a2a(2az−z2)dz=3πa3+π[az2−3z3]a2a=3πa3+π⋅32a3=πa3.
Metodo 4: Pappo-Guldino
Il solido si ottiene ruotando di 2π attorno all'asse z la regione piana (nel semipiano ρ≥0)
A={(ρ,z):ρ≤z,ρ2+z2≤2az}.V=2π∬Aρdρdz (cioè 2πρB∣A∣). Si ha ∬Aρdρdz=∫0aρ(a+a2−ρ2−ρ)dρ=2a3, quindi V=2π2a3=πa3 ✓. Inoltre l'area di A è 4(π+2)a2 (semicerchio meno un segmento circolare) e ρB=(π+2)a2/4a3/2=π+22a.
Risultato:V=πa3 con tutti e quattro i metodi.
Errori tipici
Nelle sferiche, scrivere ρ<2acosφ senza limitare φ: per φ>2π è negativo.
Nei strati, dimenticare che oltre z=a il disco è quello della sfera, non del cono.
Versione ripasso
Testo. Volume di {x2+y2<z2}∩{x2+y2+z2<2az}.
Soluzione. Cono z>ρ (semi-apertura 4π), sfera di centro (0,0,a), raggio a; si incontrano in ρ=z=a.