\[\newcommand{\N}{\mathbb N} \newcommand{\Z}{\mathbb Z} \newcommand{\Q}{\mathbb Q} \newcommand{\R}{\mathbb R} \newcommand{\C}{\mathbb C} \newcommand{\ba}{\mathbf{a}} \newcommand{\bb}{\mathbf{b}} \newcommand{\bc}{\mathbf{c}} \newcommand{\bd}{\mathbf{d}} \newcommand{\be}{\mathbf{e}} \newcommand{\bff}{\mathbf{f}} \newcommand{\bh}{\mathbf{h}} \newcommand{\bi}{\mathbf{i}} \newcommand{\bj}{\mathbf{j}} \newcommand{\bk}{\mathbf{k}} \newcommand{\bN}{\mathbf{N}} \newcommand{\bn}{\mathbf{n}} \newcommand{\bo}{\mathbf{0}} \newcommand{\bp}{\mathbf{p}} \newcommand{\bq}{\mathbf{q}} \newcommand{\br}{\mathbf{r}} \newcommand{\bs}{\mathbf{s}} \newcommand{\bT}{\mathbf{T}} \newcommand{\bu}{\mathbf{u}} \newcommand{\bv}{\mathbf{v}} \newcommand{\bw}{\mathbf{w}} \newcommand{\bx}{\mathbf{x}} \newcommand{\by}{\mathbf{y}} \newcommand{\bz}{\mathbf{z}} \newcommand{\bzero}{\mathbf{0}} \newcommand{\nv}{\mathbf{0}} \newcommand{\cA}{\mathcal{A}} \newcommand{\cB}{\mathcal{B}} \newcommand{\cC}{\mathcal{C}} \newcommand{\cD}{\mathcal{D}} \newcommand{\cE}{\mathcal{E}} \newcommand{\cF}{\mathcal{F}} \newcommand{\cG}{\mathcal{G}} \newcommand{\cH}{\mathcal{H}} \newcommand{\cI}{\mathcal{I}} \newcommand{\cJ}{\mathcal{J}} \newcommand{\cK}{\mathcal{K}} \newcommand{\cL}{\mathcal{L}} \newcommand{\cM}{\mathcal{M}} \newcommand{\cN}{\mathcal{N}} \newcommand{\cO}{\mathcal{O}} \newcommand{\cP}{\mathcal{P}} \newcommand{\cQ}{\mathcal{Q}} \newcommand{\cR}{\mathcal{R}} \newcommand{\cS}{\mathcal{S}} \newcommand{\cT}{\mathcal{T}} \newcommand{\cU}{\mathcal{U}} \newcommand{\cV}{\mathcal{V}} \newcommand{\cW}{\mathcal{W}} \newcommand{\cX}{\mathcal{X}} \newcommand{\cY}{\mathcal{Y}} \newcommand{\cZ}{\mathcal{Z}} \newcommand{\rA}{\mathrm{A}} \newcommand{\rB}{\mathrm{B}} \newcommand{\rC}{\mathrm{C}} \newcommand{\rD}{\mathrm{D}} \newcommand{\rE}{\mathrm{E}} \newcommand{\rF}{\mathrm{F}} \newcommand{\rG}{\mathrm{G}} \newcommand{\rH}{\mathrm{H}} \newcommand{\rI}{\mathrm{I}} \newcommand{\rJ}{\mathrm{J}} \newcommand{\rK}{\mathrm{K}} \newcommand{\rL}{\mathrm{L}} \newcommand{\rM}{\mathrm{M}} \newcommand{\rN}{\mathrm{N}} \newcommand{\rO}{\mathrm{O}} \newcommand{\rP}{\mathrm{P}} \newcommand{\rQ}{\mathrm{Q}} \newcommand{\rR}{\mathrm{R}} \newcommand{\rS}{\mathrm{S}} \newcommand{\rT}{\mathrm{T}} \newcommand{\rU}{\mathrm{U}} \newcommand{\rV}{\mathrm{V}} \newcommand{\rW}{\mathrm{W}} \newcommand{\rX}{\mathrm{X}} \newcommand{\rY}{\mathrm{Y}} \newcommand{\rZ}{\mathrm{Z}} \newcommand{\pv}{\overline} \newcommand{\iu}{\mathrm{i}} \newcommand{\ju}{\mathrm{j}} \newcommand{\im}{\mathrm{i}} \newcommand{\e}{\mathrm{e}} \newcommand{\real}{\operatorname{Re}} \newcommand{\imag}{\operatorname{Im}} \newcommand{\Arg}{\operatorname{Arg}} \newcommand{\Ln}{\operatorname{Ln}} \DeclareMathOperator*{\res}{res} \newcommand{\re}{\operatorname{Re}} \newcommand{\im}{\operatorname{Im}} \newcommand{\arsinh}{\operatorname{ar\,sinh}} \newcommand{\arcosh}{\operatorname{ar\,cosh}} \newcommand{\artanh}{\operatorname{ar\,tanh}} \newcommand{\sgn}{\operatorname{sgn}} \newcommand{\diag}{\operatorname{diag}} \newcommand{\proj}{\operatorname{proj}} \newcommand{\rref}{\operatorname{rref}} \newcommand{\rank}{\operatorname{rank}} \newcommand{\Span}{\operatorname{span}} \newcommand{\vir}{\operatorname{span}} \renewcommand{\dim}{\operatorname{dim}} \newcommand{\alg}{\operatorname{alg}} \newcommand{\geom}{\operatorname{geom}} \newcommand{\id}{\operatorname{id}} \newcommand{\norm}[1]{\lVert #1 \rVert} \newcommand{\tp}[1]{#1^{\top}} \renewcommand{\d}{\mathrm{d}} \newcommand{\sij}[2]{\bigg/_{\mspace{-15mu}#1}^{\,#2}} \newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert} \newcommand{\pysty}[1]{\left[\begin{array}{@{}r@{}}#1\end{array}\right]} \newcommand{\piste}{\cdot} \newcommand{\qedhere}{} \newcommand{\taumatrix}[1]{\left[\!\!#1\!\!\right]} \newenvironment{augmatrix}[1]{\left[\begin{array}{#1}}{\end{array}\right]} \newenvironment{vaugmatrix}[1]{\left|\begin{array}{#1}}{\end{array}\right|} \newcommand{\trans}{\mathrm{T}} \newcommand{\EUR}{\text{\unicode{0x20AC}}} \newcommand{\SI}[3][]{#2\,\mathrm{#3}} \newcommand{\si}[2][]{\mathrm{#2}} \newcommand{\num}[2][]{#2} \newcommand{\ang}[2][]{#2^{\circ}} \newcommand{\meter}{m} \newcommand{\metre}{\meter} \newcommand{\kilo}{k} \newcommand{\kilogram}{kg} \newcommand{\gram}{g} \newcommand{\squared}{^2} \newcommand{\cubed}{^3} \newcommand{\minute}{min} \newcommand{\hour}{h} \newcommand{\second}{s} \newcommand{\degreeCelsius}{^{\circ}C} \newcommand{\per}{/} \newcommand{\centi}{c} \newcommand{\milli}{m} \newcommand{\deci}{d} \newcommand{\percent}{\%} \newcommand{\Var}{\operatorname{Var}} \newcommand{\Cov}{\operatorname{Cov}} \newcommand{\Corr}{\operatorname{Corr}} \newcommand{\Tasd}{\operatorname{Tasd}} \newcommand{\Ber}{\operatorname{Ber}} \newcommand{\Bin}{\operatorname{Bin}} \newcommand{\Geom}{\operatorname{Geom}} \newcommand{\Poi}{\operatorname{Poi}} \newcommand{\Hyperg}{\operatorname{Hyperg}} \newcommand{\Tas}{\operatorname{Tas}} \newcommand{\Exp}{\operatorname{Exp}} \newcommand{\tdist}{\operatorname{t}} \newcommand{\rd}{\mathrm{d}} \newcommand{\oiint}{\unicode{x222F}}\]

Muuttujanvaihto avaruusintegraalissa

Avaruusintegraalin yleinen muuttujanvaihto (change of variables) liittyy kolmiulotteisiin koordinaatistoihin, mutta ortogonaalisuutta ei voi aina vaatia. Jos kappale \(K\subset\R^3\) voidaan esittää (reunaa lukuun ottamatta yksikäsitteisellä tavalla) parametrien \((u,v,w)\in \Omega\) avulla ja \(f\colon K\to {\bf R}\) on jatkuva, niin

\[\iiint_K f(x,y,z) \, dV = \iiint_{\Omega}f(x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w)) \left| \frac{\partial (x,y,z)}{\partial (u,v,w)}\right| \, du \, dv\, dw.\]

Tässä tilavuuden paikallinen suurennussuhde on Jacobin determinantin itseisarvo

(1)\[\begin{split} \left| \frac{\partial (x,y,z)}{\partial (u,v,w)}\right| =\text{abs} \left| \begin{matrix} x_u & x_v & x_w \\ y_u & y_v & y_w \\ z_u & z_v & z_w\\ \end{matrix} \right|.\end{split}\]

Perustelu: Tarkoituksena on siis esittää intuitiivinen perustelu (symbolisessa muodossa esitetylle) kaavalle

\[dV= \left| \frac{\partial (x,y,z)}{\partial (u,v,w)}\right|\, du\, dv\, dw.\]

Olkoon \(\mathbf{r}\colon \Omega\to K\) tutkittava muuttujanvaihto, ja tarkastellaan parametrialueen pistettä \((u_0,v_0,w_0)\in \Omega\). Vastaavan \(xyz\)-avaruuden pisteen \(\mathbf{r}(u_0,v_0,w_0)\) kautta kulkee kolme käyrää, joilla on parametrisoinnit

\[\overline{\alpha} (t)= \mathbf{r}(t,v_0,w_0),\ \overline{\beta} (t)= \mathbf{r}(u_0,t,w_0) \ \text{ ja }\ \overline{\gamma} (t)= \mathbf{r}(u_0,v_0,t),\]

Niiden tangenttivektorit

\[\begin{split}\begin{array}{rcl} \overline{\alpha}\, ' (t) &=&\mathbf{r}_u=\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial u} =x_u\, \bi+y_u\, \bj +z_u\, \bk,\nonumber\\ \overline{\beta}\, ' (t)&=&\mathbf{r}_v=\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial v} =x_v\, \bi+y_v\, \bj +z_v\, \bk \ \text{ ja } \nonumber\\ \overline{\gamma}\, ' (t)&=&\mathbf{r}_w=\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial w} =x_w\, \bi+y_w\, \bj +z_w\, \bk\nonumber \end{array}\end{split}\]

ovat koordinaattiviivojen tangentteja.

Tutkitaan tarkemmin pienen parametrisärmiön (coordinate box)

\[u_0\le u\le u_0+\Delta u,\ v_0\le v\le v_0+\Delta v,\ w_0\le w\le w_0+\Delta w\]

kuvautumista ja sen tilavuuden \(\Delta u\, \Delta v\, \Delta w\) muutosta. Särmiön kuvajoukkoa voidaan approksimoida suuntaissärmiöllä (parallelepiped) (joka ei siis välttämättä ole suorakulmainen), jonka virittävät kolme tangenttivektoria

\[\begin{split}\begin{array}{rcl} \mathbf{a} &=& \overline{\alpha}\, ' (u_0)\Delta u=\mathbf{r}_u \Delta u,\nonumber\\ \mathbf{b}&=& \overline{\beta}\, ' (v_0)\Delta v=\mathbf{r}_v \Delta v,\nonumber\\ \mathbf{c}&=& \overline{\gamma}\, ' (w_0)\Delta v=\mathbf{r}_w \Delta w.\nonumber \end{array}\end{split}\]
../_images/mvavar.svg

Suuntaissärmion tilavuus saadaan skalaarikolmitulon avulla muodossa

\[\begin{split}\Delta V = |\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b} \times \mathbf{c})| = \text{abs} \left| \begin{matrix} x_u\Delta u & y_u \Delta u & z_u \Delta u\\ x_v \Delta v& y_v \Delta v& z_v \Delta v \\ x_w \Delta w& y_w\Delta w & z_w\Delta w\\ \end{matrix} \right| = \text{abs} \left| \begin{matrix} x_u & x_v & x_w \\ y_u & y_v & y_w \\ z_u & z_v & z_w\\ \end{matrix} \right| \Delta u\,\Delta v\, \Delta w\end{split}\]

determinantin ominaisuuksien nojalla. Väite seuraa tästä.

Tärkeimmät Jacobin determinantit (Jacobian determinant) eli tilavuuden suurennussuhteet on käsitelty jo ortogonaalisten koordinaatistojen yhteydessä, mutta voidaan myös laskea erikseen kaavaa (1) käyttämällä:

  • Pallokoordinaatisto :math:`r ge 0,0le varphi le pi,0le theta <2pi `:

    \(x=r \sin \varphi \cos \theta,\ y=r \sin \varphi \sin \theta, \ z=r \cos \varphi\);

    \[\begin{split} \frac{\partial (x,y,z)}{\partial (r ,\varphi ,\theta )}= \left| \begin{matrix} \sin \varphi \cos \theta & r \cos \varphi \cos \theta & -r\sin \varphi\sin\theta \\ \sin \varphi \sin \theta & r \cos \varphi \sin \theta & r \sin \varphi\cos \theta \\ \cos \varphi & -r \sin \varphi & 0\\ \end{matrix} \right| = r^2\sin \varphi.\end{split}\]
  • Sylinterikoordinaatisto \(r_{\perp}\ge 0,\ 0\le \theta <2\pi,\ z\in {\bf R}\):

    \(x=r_{\perp}\cos \theta,\ y= r_{\perp}\sin \theta, \ z=z\);

    \[\begin{split}\frac{\partial (x,y,z)}{\partial (r_{\perp},\theta,z )}= \left| \begin{matrix} \cos\theta & -r_{\perp}\sin \theta & 0 \\ \sin\theta & r_{\perp}\cos \theta & 0 \\ 0 & 0 & 1\\ \end{matrix} \right|= r_{\perp}.\end{split}\]

Esimerkki 6.4.1

Laske \(R\)-säteisen umpinaisen pallon hitausmomentti sen keskipisteen kautta kulkevan akselin suhteen, kun pallon tiheys on vakio.

Piilota/näytä ratkaisu

Symmetrian perusteella pallon \(B\) keskipiste voidaan asettaa origoon ja laskea hitausmomentti \(z\)-akselin suhteen. Pallokoordinaatistossa on

\[x^2+y^2 = r^2(\sin^2\varphi\cos^2\theta + \sin^2\varphi\sin^2\theta) =r^2\sin^2\varphi(\cos^2\theta + \sin^2\theta) =r^2\sin^2\varphi,\]

joten

\[\begin{split}\begin{array}{rcl} J_z &=& \rho \iiint_B (x^2+y^2) \, dV = \rho \int_0^{2\pi}\int_0^{\pi}\int_0^R r^2\sin^2\varphi\cdot r^2\sin\varphi\, dr\, d\varphi\, d\theta\nonumber\\ &= & 2\pi \rho \int_0^{\pi}\sin^3\varphi\, d\varphi \int_0^R r^4\, dr = 2\pi\rho \cdot \frac{4}{3}\cdot \frac{1}{5}R^5\nonumber\\ &=& \frac{8\pi\rho R^5}{15}.\nonumber \end{array}\end{split}\]

Pallon massa on

\[m=\rho V =\frac{4\pi\rho R^3}{3},\]

joten \(\rho = 3m/4\pi R^3\). Sijoittamalla tämä edelliseen tulokseen saadaan hitausmomentiksi

\[J_z= \frac{2}{5}mR^2.\]

pallon massan avulla lausuttuna (Tuloksen voi tarkistaa esimerkiksi sivulta List of moments of inertia, jossa on lueteltu muitakin hitausmomentteja.).

Esimerkki 6.4.2

Kuinka paksu puolipallon kuori pysyy stabiilissa tasapainossa, kun se tuetaan sisäpinnan keskipisteestä?

Piilota/näytä ratkaisu

Luennolla/harjoitukset.

Palautusta lähetetään...