Càlcul d'àrees de superfícies a l'espai

Primer de tot, parametritzar la regió. Utilitzem la parametrització de l'esfera canviant els paràmetres: $ r(\varphi,\theta)=(\sin\varphi\cos\theta, \sin\varphi\cos\theta, \cos\varphi)$.

L'enunciat ens diu que la regió està delimitada per dos meridians, $\theta_1$ i $\theta_2$. Per tant, l'interval de variació de $\theta$ és $\theta\in\big[ \theta_1,\theta_2 \big]$.

Tenim, a més, que la regió està acotada pels paral·lels $z = 0$ i $z = \dfrac{1}{2}$. És a dir, $0\leqslant\cos\varphi \leqslant \dfrac{1}{2} \Rightarrow \dfrac{\pi}{3}\leqslant\varphi\leqslant\dfrac{\pi}{2}$.

Un cop parametritzada la regió, calculem les derivades d'aquesta parametrització i el mòdul del seu producte vectorial:

$$ \left. \begin{array}{l} r_\varphi=\big(\cos\theta\cos\varphi, \sin\theta\cos\varphi,-\sin\varphi\big) \\ r_\theta=\big(-\sin\theta\sin\varphi, \sin\varphi\cos\theta,0\big) \end{array} \right\} $$

$$\begin{array}{lcl} \Rightarrow \ r_\varphi \times r_\theta &=& \begin{vmatrix} i & j & k \\ \cos\theta\cos\varphi & \sin\theta\cos\varphi & -\sin\varphi \\ -\sin\theta\sin\varphi & \sin\varphi\cos\theta & 0 \end{vmatrix} \\ &=& \big( \sin^2\varphi\cos\theta, \sin^2\varphi\sin\theta, \sin\varphi\cos\theta\big) \\ \Rightarrow \ |r_\varphi \times r_\theta| &=& \sqrt{\sin^4\varphi\sin^2\theta + \sin^4\varphi\cos^2\varphi + \sin^2\varphi\cos^2\theta} \\ &=& \sqrt{\sin^4\varphi + \sin^2\varphi\cos^2\varphi} = \sin\varphi \end{array}$$

Finalment, integrem:

$$\begin{array}{rl} \text{Àrea}(S)=&\int_S dS=\iint |r_\varphi \times r_\theta| \ d\varphi \ d\theta= \int_{\theta_1}^{\theta_2}\int_{\frac{\pi}{3}}^{\frac{\pi}{2}} \sin\varphi \ d\varphi \ d\theta \\ =& \int_{\theta_1}^{\theta_2}[-\cos\varphi]_{\frac{\pi}{3}}^{\frac{\pi}{2}} \ d\theta = \dfrac{1}{2} (\theta_2-\theta_1)= \dfrac{\pi}{4} \end{array} $$