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Calculus · real student question

Calcular la integral triple de x sobre el sólido limitado por el cono x² = y² + z² y el paraboloide x = y² + z².

Question

Calcular

∭Ex dV\iiint_E x\,dV

donde EE es la región sólida limitada por el cono x2=y2+z2x^2=y^2+z^2 y el paraboloide x=y2+z2x=y^2+z^2.

Step-by-step solution

  1. Se aprovecha la simetría: las dos superficies dependen de yy y zz solo a través de y2+z2y^2+z^2. Se toma

    r2=y2+z2r^2=y^2+z^2

    Entonces el cono pasa a ser x2=r2x^2=r^2 y el paraboloide, x=r2x=r^2. El sólido es una superficie de revolución alrededor del eje xx, así que las coordenadas naturales son las cilíndricas construidas en torno a ese eje, y no al habitual eje zz.

  2. Se plantean las coordenadas cilíndricas giradas. Se toma

    y=rcos⁡θ,z=rsin⁡θ,x=xy=r\cos\theta,\qquad z=r\sin\theta,\qquad x=x

    con r≥0r\ge 0 y 0≤θ≤2π0\le\theta\le 2\pi. El jacobiano es el de siempre, de modo que

    dV=r dx dr dθdV=r\,dx\,dr\,d\theta

    Olvidar ese factor extra rr es el error clásico aquí.

  3. Se busca dónde se cortan las dos superficies. La región encerrada está en x≥0x\ge 0, donde el cono es x=rx=r. Igualando las dos:

    r=r2⟹r(r−1)=0⟹r=0  o  r=1r=r^2\qquad\Longrightarrow\qquad r(r-1)=0\qquad\Longrightarrow\qquad r=0\ \text{ o }\ r=1

    Así que el sólido se apoya sobre el disco 0≤r≤10\le r\le 1 del plano yzyz, y las curvas se cortan en el origen y en x=1x=1.

  4. Se decide cuál de las superficies es la frontera inferior. Para 0<r<10<r<1 se tiene r2<rr^2<r, así que el paraboloide x=r2x=r^2 queda a la izquierda del cono x=rx=r. Para un (r,θ)(r,\theta) fijo, la variable xx recorre por tanto desde r2r^2 hasta rr:

    ∭Ex dV=∫02π ⁣ ⁣∫01 ⁣ ⁣∫r2rx r dx dr dθ\iiint_E x\,dV=\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^1\!\!\int_{r^2}^{r} x\,r\,dx\,dr\,d\theta

  5. Se integra en xx y después en rr. La integral interior es

    ∫r2rx r dx=r[x22]r2r=r3−r52\int_{r^2}^{r}x\,r\,dx=r\left[\frac{x^2}{2}\right]_{r^2}^{r}=\frac{r^3-r^5}{2}

    y a continuación

    ∫01r3−r52 dr=12[r44−r66]01=12⋅112=124\int_0^1\frac{r^3-r^5}{2}\,dr=\frac{1}{2}\left[\frac{r^4}{4}-\frac{r^6}{6}\right]_0^1=\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{12}=\frac{1}{24}

  6. Se termina con la integral angular. El integrando no depende de θ\theta, así que la última integración solo multiplica por la vuelta completa:

    ∫02π124 dθ=2π24=π12\int_0^{2\pi}\frac{1}{24}\,d\theta=\frac{2\pi}{24}=\frac{\pi}{12}

    ∭Ex dV=π12≈0.2618\boxed{\iiint_E x\,dV=\frac{\pi}{12}\approx 0.2618}

    Una suma de Riemann numérica sobre la misma región da 0.261800.26180, lo que confirma el resultado. Como x≥0x\ge 0 en todo el sólido, era de esperar una respuesta positiva.

Answer

π12≈0.2618\frac{\pi}{12}\approx 0.2618

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