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Examen

MAT2615 Assignment 4 (COMPLETE ANSWERS) 2025 - DUE 2025; 100% correct solutions and explanations

Puntuación
-
Vendido
1
Páginas
19
Grado
A+
Subido en
22-02-2025
Escrito en
2024/2025

MAT2615 Assignment 4 (COMPLETE ANSWERS) 2025 - DUE 2025; 100% correct solutions and explanations

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Subido en
22 de febrero de 2025
Número de páginas
19
Escrito en
2024/2025
Tipo
Examen
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,MAT2615 Assignment 4 (COMPLETE ANSWERS) 2025 - DUE 2025; 100%
correct solutions and explanations
1. (Section 14.6, Chapter 17)
Let V be a region in R3 bounded above by the hemisphere z = p1 − x2 − y2 and
below by
the cone z = px2 + y2 − 1. Let S be the surface of V (consisting of the hemisphere
on top
and the paraboloid below).
(a) Compute the volume of V using spherical coordinates. (10)
(b) Sketch S and the XY-projection of S. (3)
(c) Use a surface integral to evaluate the area of S. (
[21]


Let's go step by step to solve this problem:

Given:

 The region VVV is bounded above by the hemisphere: z=p1−x2−y2z = p_1
- x^2 - y^2z=p1−x2−y2
 The region is bounded below by the cone: z=p(x2+y2)−1z = p(x^2 + y^2) -
1z=p(x2+y2)−1

(a) Compute the volume of VVV using spherical coordinates

We use spherical coordinates where:

x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,z=ρcos⁡ϕx = r\cos\theta, \quad y = r\sin\theta, \quad z =
\rho\cos\phix=rcosθ,y=rsinθ,z=ρcosϕ

and the volume element is

dV=ρ2sin⁡ϕ dρ dϕ dθ.dV = \rho^2 \sin\phi \, d\rho \, d\phi \,
d\theta.dV=ρ2sinϕdρdϕdθ.

We need to determine the limits:

 Azimuthal angle: 0≤θ≤2π0 \leq \theta \leq 2\pi0≤θ≤2π (full revolution
around zzz-axis)
 Radial coordinate:

, o The cone is given by z=p(x2+y2)−1z = p(x^2 + y^2) -
1z=p(x2+y2)−1, which in spherical coordinates is:
ρcos⁡ϕ=pρ2sin⁡2ϕ−1.\rho \cos\phi = p\rho^2\sin^2\phi -
1.ρcosϕ=pρ2sin2ϕ−1.
o The hemisphere is given by z=p1−x2−y2z = p_1 - x^2 - y^2z=p1
−x2−y2, which in spherical coordinates is:
ρcos⁡ϕ=p1−ρ2sin⁡2ϕ.\rho \cos\phi = p_1 -
\rho^2\sin^2\phi.ρcosϕ=p1−ρ2sin2ϕ.
 Polar angle ϕ\phiϕ: This is determined by the intersection of the
hemisphere and the cone.

We set up the volume integral in spherical coordinates:

V=∫02π∫0ϕmax⁡∫ρmin⁡ρmax⁡ρ2sin⁡ϕ dρ dϕ dθ.V = \int_0^{2\pi}
\int_0^{\phi_{\max}} \int_{\rho_{\min}}^{\rho_{\max}} \rho^2 \sin\phi \, d\rho \,
d\phi \, d\theta.V=∫02π∫0ϕmax∫ρminρmaxρ2sinϕdρdϕdθ.

(b) Sketch SSS and its XY-projection

 The surface consists of:
o A hemisphere z=p1−x2−y2z = p_1 - x^2 - y^2z=p1−x2−y2.
o A paraboloid z=p(x2+y2)−1z = p(x^2 + y^2) - 1z=p(x2+y2)−1.
 The projection onto the XY-plane will be a circular region where these
surfaces intersect.

(c) Use a surface integral to evaluate the area of SSS

The surface area integral is given by:

A=∬SdS.A = \iint_S dS.A=∬SdS.

For each surface:

1. For the hemisphere: The surface element is:

dS=R2sin⁡ϕ dϕ dθ.dS = R^2 \sin\phi \, d\phi \, d\theta.dS=R2sinϕdϕdθ.

2. For the paraboloid: We use the normal vector and surface element
calculations.

The total surface area is:
$2.50
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