Avaruusintegraalin laskeminen sylinteri- ja pallokoordinaateilla¶
Sylinterikoordinaatit¶
Ilmaistaan määritelmän 8.1.6 \(xy\)-projisoituvan joukon \(T\subset\R^3\) projektiojoukon \(R\subset\R^2\) pisteet \((x,y)\) napakoordinaattien \((r,\theta)\) avulla, ts. \(x=r\cos\theta\) ja \(y=r\sin\theta\). Tällöin esitystä \((r,\theta,z)\) joukon \(T\subset\R^3\) pisteille \((x,y,z)\) kutsutaan sylinterikoordinaateiksi (cylindrical coordinates):
\(\begin{aligned}&r=\sqrt{x^2+y^2}\ge0\\&\theta\in[0,2\pi]\text{ tai }[-\pi,\pi]\\&z\in\R\end{aligned}\) |
Jos pisteitä \((x,y)\in R\) vastaavat napakoordinaatit \((r,\theta)\in S\), niin siirtymällä napakoordinaatteihin lauseen 7.4.1 mukaisesti saadaan
missä pisteitä \((x,y,z)\in T\) vastaavat sylinterikoordinaatit \((r,\theta,z)\in U\). Saatiin perusteltua:
Lause 8.2.1
Olkoon \(T\subset\R^3\) \(xy\)-projisoituva joukko, \(f\colon T\to\R\) jatkuva ja pisteitä \((x,y,z)\in T\) vastaavat sylinterikoordinaatit \((r,\theta,z)\in U\). Tällöin
Siirryttäessä integroimaan sylinterikoordinaateissa
sijoita \(f(x,y,z)\):n lausekkeeseen muunnokset (1),
kerro integroitava funktio \(r\):llä,
määritä \(T\):n rajat sylinterikoordinaateissa (joukko \(U\)).
Tässä \(r\) on tilavuuden suurennussuhde (ks. luku ??).
Sylinterikoordinaatteja kannattaa kokeilla tapauksissa, joissa integroimisjoukko \(T\) on sylinterisymmetrinen tai funktiossa esiintyy lauseke \(x^2+y^2=r^2\).
Esimerkki 8.2.2
Lasketaan esimerkki 8.1.9 käyttäen sylinterikoordinaatteja: funktio on \(x^2+y^2=r^2\) ja \(T\):n rajat ovat \(0\le\theta\le2\pi\), \(0\le r\le3\) ja \(1\le z\le5-x=5-r\cos\theta\), joten voidaan kirjoittaa suoraan
Esimerkki 8.2.3
Laske \(\displaystyle\iiint_T(x^2+y^2)\,dV\), missä
\(T\) on \(1\)-säteisen sylinterin ensimmäisessä koordinaattikahdeksanneksessa oleva osa, jota rajoittaa alhaalta \(xy\)-taso \(z=0\) ja ylhäältä pinta \(z=2-x^2-y^2=2-r^2\). Piirrä kuva! Lisäksi \(x^2+y^2=r^2\), joten
Pallokoordinaatit¶
Merkitään paikkavektorin \((x,y,z)\) pituutta \(\rho\):lla, positiivisen \(z\)-akselin ja paikkavektorin \((x,y,z)\) välistä kulmaa \(\phi\):llä sekä positiivisen \(x\)-akselin ja projektiovektorin \((x,y)\) välistä kulmaa \(\theta\):lla kuvan mukaisesti.
Alla olevan kuvan suorakulmaisesta kolmiosta päätellään, että
\((r,\theta)\) on projektiovektorin \((x,y)\) napakoordinaattiesitys, joten
Esitystä \((\rho,\phi,\theta)\) pisteelle \((x,y,z)\in\R^3\) kutsutaan pallokoordinaateiksi (spherical coordinates):
Lause 8.2.4
Olkoon \(T\subset\R^3\) ”riittävän siisti” joukko, jolle pisteitä \((x,y,z)\in T\) vastaavat pallokoordinaatit \((\rho,\phi,\theta)\in U\), ja olkoon \(f\colon T\to\R\) jatkuva. Tällöin
Siirryttäessä integroimaan pallokoordinaateissa
sijoita \(f(x,y,z)\):n lausekkeeseen muunnokset (2),
kerro integroitava funktio luvulla \(\rho^2\sin\phi\),
määritä \(T\):n rajat pallokoordinaateissa (joukko \(U\)).
Tässä \(\rho^2\sin\phi\) on tilavuuden suurennussuhde (ks. luku ??).
Pallokoordinaatteja kannattaa kokeilla tapauksissa, joissa integroimisjoukko \(T\) on pallosymmetrinen tai funktiossa esiintyy lauseke \(x^2+y^2+z^2=\rho^2\).
Esimerkki 8.2.5
Laske \(a\)-säteisen pallon \(T\) tilavuus.
Olkoon \(a\)-säteisen pallon \(T\) keskipiste origossa. Tällöin \(T\):n rajat pallokoordinaateissa ovat \(0\le\rho\le a\), \(0\le\phi\le\pi\) ja \(0\le\theta\le2\pi\), joten
Esimerkki 8.2.6
Laske \(\displaystyle\iiint_T(x^2+y^2+z^2)\,dV\), missä
\(T\) on \(\sqrt2\)-säteisen pallon neljännes (piirrä kuva!) ja \(x^2+y^2+z^2=\rho^2\), joten