Subjects cálculo vectorial

Area Semiesfera 0014Ab

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Question: En el diseño de una estructura para un domo geodésico se necesita calcular el área de la superficie semiesférica de radio $R=3$, con $z \geq 0$. \na) Parametriza la semiesfera. \nb) Calcula el área de la superficie utilizando la integral $\iint_S 1 \, dS$
1. **Planteamiento del problema:** Queremos calcular el área de la superficie de una semiesfera de radio $R=3$ con $z \geq 0$. 2. **Parametrización de la semiesfera:** La semiesfera puede parametrizarse usando coordenadas esféricas: $$\vec{r}(\theta, \phi) = (R \sin \phi \cos \theta, R \sin \phi \sin \theta, R \cos \phi)$$ con $\theta \in [0, 2\pi]$ y $\phi \in [0, \frac{\pi}{2}]$ para cubrir la semiesfera superior. 3. **Fórmula para el área de superficie:** El área de superficie se calcula con la integral de la magnitud del producto cruzado de las derivadas parciales: $$A = \iint_S dS = \int_0^{2\pi} \int_0^{\frac{\pi}{2}} \left| \frac{\partial \vec{r}}{\partial \theta} \times \frac{\partial \vec{r}}{\partial \phi} \right| d\phi d\theta$$ 4. **Cálculo de las derivadas parciales:** $$\frac{\partial \vec{r}}{\partial \theta} = (-R \sin \phi \sin \theta, R \sin \phi \cos \theta, 0)$$ $$\frac{\partial \vec{r}}{\partial \phi} = (R \cos \phi \cos \theta, R \cos \phi \sin \theta, -R \sin \phi)$$ 5. **Producto cruzado:** $$\frac{\partial \vec{r}}{\partial \theta} \times \frac{\partial \vec{r}}{\partial \phi} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ -R \sin \phi \sin \theta & R \sin \phi \cos \theta & 0 \\ R \cos \phi \cos \theta & R \cos \phi \sin \theta & -R \sin \phi \end{vmatrix}$$ Calculando el determinante: $$= (-R^2 \sin^2 \phi \cos \theta, -R^2 \sin^2 \phi \sin \theta, -R^2 \sin \phi \cos \phi)$$ 6. **Magnitud del producto cruzado:** $$\left| \frac{\partial \vec{r}}{\partial \theta} \times \frac{\partial \vec{r}}{\partial \phi} \right| = R^2 \sin \phi$$ 7. **Integral para el área:** $$A = \int_0^{2\pi} \int_0^{\frac{\pi}{2}} R^2 \sin \phi \, d\phi d\theta = R^2 \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin \phi \, d\phi$$ 8. **Evaluando las integrales:** $$\int_0^{2\pi} d\theta = 2\pi$$ $$\int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin \phi \, d\phi = [-\cos \phi]_0^{\frac{\pi}{2}} = 1$$ 9. **Resultado final:** $$A = R^2 \times 2\pi \times 1 = 2\pi R^2$$ Sustituyendo $R=3$: $$A = 2\pi (3)^2 = 18\pi$$ **Respuesta:** El área de la superficie de la semiesfera es $18\pi$ unidades cuadradas.