100% tevredenheidsgarantie Direct beschikbaar na je betaling Lees online óf als PDF Geen vaste maandelijkse kosten 4,6 TrustPilot
logo-home
College aantekeningen

Vector Analysis Surface Integrals of Vector Fields, guaranteed and verified 100% Pass

Beoordeling
-
Verkocht
-
Pagina's
12
Geüpload op
28-12-2024
Geschreven in
2024/2025

Vector Analysis Surface Integrals of Vector Fields, guaranteed and verified 100% PassVector Analysis Surface Integrals of Vector Fields, guaranteed and verified 100% PassVector Analysis Surface Integrals of Vector Fields, guaranteed and verified 100% PassVector Analysis Surface Integrals of Vector Fields, guaranteed and verified 100% PassVector Analysis Surface Integrals of Vector Fields, guaranteed and verified 100% PassVector Analysis Surface Integrals of Vector Fields, guaranteed and verified 100% Pass

Meer zien Lees minder
Instelling
Math
Vak
Math

Voorbeeld van de inhoud

Surface Integrals of Vector Fields

The notion of Work motivated the definition of the line integral of a vector field.
The notion of Flux motivates the definition of the surface integral of a vector field.
Flux measures the rate at which a gas or fluid crosses a surface. This is given by the
integral of a velocity vector field 𝐹⃗ over a surface 𝑆.

Def. Let 𝐹⃗ be a vector field defined on a surface 𝑆, parametrized by 𝛷
⃗⃗ then

⃗⃗ = ∬ ⃗𝑭⃗(𝜱
∬𝑺 ⃗𝑭⃗ ∙ 𝒅𝑺 ⃗⃗⃗⃗(𝒖, 𝒗)) ∙ (𝑻
⃗⃗𝒖 × 𝑻
⃗⃗𝒗 )𝒅𝒖𝒅𝒗.
𝑫




Ex. Find the flux of the vector field 𝐹⃗ (𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝑧𝑖⃗ + 𝑦𝑗⃗ + 𝑥𝑘⃗⃗ across the unit
sphere 𝑥 2 + 𝑦 2 + 𝑧 2 = 1 .


Let’s start with a standard parametrization of the sphere (outward pointing normal):

⃗⃗(𝜙, 𝜃) = (𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑖𝑛𝜙 )𝑖⃗ + (𝑠𝑖𝑛𝜃𝑠𝑖𝑛𝜙 )𝑗⃗ + (𝑐𝑜𝑠𝜙 )𝑘⃗⃗;
𝛷
0 ≤ 𝜙 ≤ 𝜋, 0 ≤ 𝜃 ≤ 2𝜋.

⃗⃗𝜙 = (𝑐𝑜𝑠𝜃𝑐𝑜𝑠𝜙)𝑖⃗ + (𝑠𝑖𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜙 )𝑗⃗ − (𝑠𝑖𝑛𝜙 )𝑘⃗⃗
𝑇

⃗⃗𝜃 = −(𝑠𝑖𝑛𝜃𝑠𝑖𝑛𝜙 )𝑖⃗ + (𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑖𝑛𝜙 )𝑗⃗
𝑇

𝑖⃗ 𝑗⃗ 𝑘⃗⃗
⃗⃗𝜙 × 𝑇
𝑇 ⃗⃗𝜃 = | 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑐𝑜𝑠𝜙 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜙 −𝑠𝑖𝑛𝜙 |
−𝑠𝑖𝑛𝜃𝑠𝑖𝑛𝜙 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑖𝑛𝜙 0

= 𝑐𝑜𝑠𝜃(𝑠𝑖𝑛2 𝜙)𝑖⃗ + 𝑠𝑖𝑛𝜃 (𝑠𝑖𝑛2 𝜙)𝑗⃗ + (𝑐𝑜𝑠 2 𝜃 + 𝑠𝑖𝑛2 𝜃)(𝑠𝑖𝑛𝜙𝑐𝑜𝑠𝜙) 𝑘⃗⃗

= 𝑐𝑜𝑠𝜃(𝑠𝑖𝑛2 𝜙)𝑖⃗ + 𝑠𝑖𝑛𝜃 (𝑠𝑖𝑛2 𝜙)𝑗⃗ + (𝑠𝑖𝑛𝜙𝑐𝑜𝑠𝜙) 𝑘⃗⃗

, 2



𝐹⃗ (𝛷 ⃗⃗
⃗⃗(𝜙, 𝜃)) = (𝑐𝑜𝑠𝜙 )𝑖⃗ + (𝑠𝑖𝑛𝜃𝑠𝑖𝑛𝜙 )𝑗⃗ + (𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑖𝑛𝜙 )𝑘

𝐹⃗ ∙ (𝑇
⃗⃗𝜙 × 𝑇
⃗⃗𝜃 ) = 𝑐𝑜𝑠 𝜃 (sin2 𝜙)𝑐𝑜𝑠 𝜙 + sin2 𝜃 (sin3 𝜙) + 𝑐𝑜𝑠𝜃(sin2 𝜙)𝑐𝑜𝑠𝜙
= 2𝑐𝑜𝑠 𝜃 (sin2 𝜙)𝑐𝑜𝑠 𝜙 + sin2 𝜃 (sin3 𝜙)



∬𝑆 𝐹⃗ ∙ 𝑑𝑆⃗ = ∬𝐷 𝐹⃗ (𝛷
⃗⃗(𝜙, 𝜃)) ∙ (𝑇
⃗⃗𝜙 × 𝑇
⃗⃗𝜃 )𝑑𝜙𝑑𝜃

𝜃=2𝜋 𝜙=𝜋
= ∫𝜃=0 ∫𝜙=0 [2𝑐𝑜𝑠 𝜃 (sin2 𝜙)𝑐𝑜𝑠 𝜙 + sin2 𝜃 (sin3 𝜙)] 𝑑𝜙𝑑𝜃

𝜃=2𝜋 𝜙=𝜋
= 2 ∫𝜃=0 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑑𝜃 ∫𝜙=0 sin2 𝜙 (𝑐𝑜𝑠𝜙 )𝑑𝜙
𝜃=2𝜋 𝜙=𝜋
+ ∫𝜃=0 sin2 𝜃𝑑𝜃 ∫𝜙=0 sin3 𝜙𝑑𝜙.


𝜃=2𝜋
∫𝜃=0 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑑𝜃 = 0, so the first term is equal to 0.
𝜃=2𝜋 𝜃=2𝜋 1 1 1 1 2𝜋
∫𝜃=0 sin2 𝜃𝑑𝜃 = ∫𝜃=0 (2 − 2 𝑐𝑜𝑠2𝜃) 𝑑𝜃 = (2 𝜃 − 4 𝑠𝑖𝑛2𝜃)| =𝜋
0
𝜙=𝜋 𝜙=𝜋
∫𝜙=0 sin3 𝜙𝑑 𝜙 = ∫𝜙=0 𝑠𝑖𝑛𝜙 (1 − cos 2 𝜙)𝑑 𝜙 ; now let 𝑢 = 𝑐𝑜𝑠𝜙 to get
𝑢=−1 4
= − ∫𝑢=1 (1 − 𝑢2 )𝑑𝑢 = 3.



Putting these three integrals together we have:
4𝜋
𝐹𝑙𝑢𝑥 = ∬𝑆 𝐹⃗ ∙ 𝑑𝑆⃗ = 3 .

Geschreven voor

Instelling
Math
Vak
Math

Documentinformatie

Geüpload op
28 december 2024
Aantal pagina's
12
Geschreven in
2024/2025
Type
College aantekeningen
Docent(en)
Auroux, denis
Bevat
Alle colleges

Onderwerpen

€10,65
Krijg toegang tot het volledige document:

100% tevredenheidsgarantie
Direct beschikbaar na je betaling
Lees online óf als PDF
Geen vaste maandelijkse kosten

Maak kennis met de verkoper
Seller avatar
sudoexpert119

Ook beschikbaar in voordeelbundel

Maak kennis met de verkoper

Seller avatar
sudoexpert119 Harvard University
Volgen Je moet ingelogd zijn om studenten of vakken te kunnen volgen
Verkocht
-
Lid sinds
1 jaar
Aantal volgers
0
Documenten
411
Laatst verkocht
-
A+ Smart Scholars Studio

Ace your exams with trusted, expertly crafted resources built for top-tier results.

0,0

0 beoordelingen

5
0
4
0
3
0
2
0
1
0

Populaire documenten

Recent door jou bekeken

Waarom studenten kiezen voor Stuvia

Gemaakt door medestudenten, geverifieerd door reviews

Kwaliteit die je kunt vertrouwen: geschreven door studenten die slaagden en beoordeeld door anderen die dit document gebruikten.

Niet tevreden? Kies een ander document

Geen zorgen! Je kunt voor hetzelfde geld direct een ander document kiezen dat beter past bij wat je zoekt.

Betaal zoals je wilt, start meteen met leren

Geen abonnement, geen verplichtingen. Betaal zoals je gewend bent via Bancontact, iDeal of creditcard en download je PDF-document meteen.

Student with book image

“Gekocht, gedownload en geslaagd. Zo eenvoudig kan het zijn.”

Alisha Student

Veelgestelde vragen