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Aproximating el volumen de una esfera a través de su división infinitesimal en cubos

He pasado horas tratando de resolver por sustitución en dos triángulos rectángulos, pidió a varios maestros, pero ninguno puede responder... Esta no es una tarea, es sólo por pura curiosidad. Hice lo mismo con un círculo (la dividen en infinitesimal plazas y resolver la integral, y obtuvo el área correcta del área de un círculo y quiero extender esta en 3D para obtener el volumen de una esfera. Básicamente, la integral a resolver es :

$$\iint \sqrt{r^2 - x^2 - z^2} dxdz$$

donde $r$ es el radio y $x$ $z$ están en coordenadas Cartesianas

No estoy pidiendo una resolución completa, sólo el thechnique, me gustaría seguir trabajando en mí mismo, yo sólo quiero una mano de ayuda. También he extendido esta integral a $N$-dimensiones, pero ese es un proyecto para el futuro.

En el segundo pensamiento, una resolución completa sería bueno... Gracias!

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jlupolt Puntos 369

Para una esfera de la superficie de la zona:

Divide la esfera en la plaza de parches, como lo haría con infinitesimals: $$dA = \sin \theta R^2\ d\theta\ d\phi$$ $$\Delta A_{ij} = \sin \left(\frac{i\pi}{N}\right) \frac{\pi}{N}\frac{2\pi}{M}R^2$$ Ahora se suma el uso de la siguiente identidad: $$\sum_{j = 1}^{N} \sin{(j \theta)} = \frac{\cos{\left (\frac{\theta}{2} \right)} - \cos{\left ((N + \frac{1}{2})\theta \right )}}{2 \sin{ \left ( \frac{\theta}{2} \right )}}R^2$$ Así que: $$S_{N,M} = \sum_{i=0,j=0}^{N,M}\sin \left(\frac{i\pi}{N}\right) \frac{\pi}{N}\frac{2\pi}{M} = \frac{2\pi^2}{N} \frac{\cos{\left (\frac{\pi}{2N} \right)} - \cos{\left ((1 + \frac{1}{2N})\pi \right )}}{2 \sin{ \left ( \frac{\pi}{2N} \right )}}$$ Por lo tanto, el uso de $\lim_{x\to 0} \sin x/ x = 1$ tenemos: $$S=\lim_{N\to\infty} S_N = 4\pi R^2$$

Addendum:

Aunque esto sucede a dar el resultado correcto, como otros han señalado, la definición correcta de la superficie está dada por la Medida de Lebesgue de la superficie, que involucran a encontrar el infimum de toda posible revisión de las divisiones.

Para una esfera de volumen con cubos:

Para hacer la vida más fácil, empezar con un hemisferio de radio $R$, y se dividen en $N$ discos. El área de cada disco puede ser calculada por la su $2D$ método y, a continuación, resumió.

Tenemos para cada disco a la altura de la $h=i\cdot R/N$, un radio de $\sqrt{R^2−h^2}$, de modo que el volumen de cada disco es: $$V_i = \pi (R^2-h^2)R/N$$ Ahora suma de estos:

$$\frac{V_N}{2}\equiv\text{Hemisphere Vol.}=\sum_{i=1}^N \frac{\pi R^3}{N} \left(1-\frac{i^2} {N^2}\right)$$ utilizando la fórmula para las sumas de las potencias, $$\sum_{k=1}^nk^2 = \frac{2n^3 + 3n^2 + n}{6}$$ Obtenemos: $$V_N=2N\cdot \frac{\pi R^3}{N} + 2N\cdot\frac{\pi R^3}{N^3}\left(\frac{2N^3 + 3N^2 + N}{6}\right)$$ $$= \pi R^3 \cdot\left(\frac{4 N-1/N-3}{3 N}\right)$$ Así que: $$V\equiv \lim_{n\to\infty} V_N = \frac{4\pi R^3}{3}$$

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