MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 11: Taso- ja tilavuusintegraalien sovellutuksia

Samankaltaiset tiedostot
MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 1: Moniulotteiset integraalit

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 8: Newtonin iteraatio. Taso- ja avaruusintegraalit

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 10: Napa-, sylinteri- ja pallokoordinaatistot. Pintaintegraali.

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 1: Moniulotteiset integraalit

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 9: Greenin lause

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitusviikkoon 5 /

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

MS-A0202 Di erentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 8: Taso- ja avaruusintegraalit

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 7: Pintaintegraali ja vuointegraali

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) Luento 2: Usean muuttujan funktiot

DYNAMIIKKA II, LUENTO 5 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 2: Usean muuttujan funktiot

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

Luento 4: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

Luento 7: Pyörimisliikkeen dynamiikkaa

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

(ks. kuva) ja sen jälkeen x:n ja y:n suhteen yli xy-tasossa olevan alueen projektion G:

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Ratkaisut viikko 3

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Luento 9: Pyörimisliikkeen dynamiikkaa

DYNAMIIKKA II, LUENTO 6 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 3: Osittaisderivaatta

kertausta Esimerkki I

Luento 7: Pyörimisliikkeen dynamiikkaa

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Antti Rasila. Kevät Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto. Antti Rasila (Aalto-yliopisto) MS-A0204 Kevät / 16

Differentiaali- ja integraalilaskenta

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) MS-A0207 Hakula/Vuojamo Kurssitentti, 12.2, 2018, arvosteluperusteet

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

Differentiaalilaskennan tehtäviä

Gaussin lause eli divergenssilause 1

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Tentti ja välikokeiden uusinta

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

f x da, kun A on tason origokeskinen yksikköympyrä, jonka kehällä funktion f arvot saadaan lausekkeesta f (x, y) = 2x 3y 2.

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 7: Pienimmän neliösumman menetelmä ja Newtonin menetelmä.

= ( F dx F dy F dz).

Fr ( ) Fxyz (,, ), täytyy integroida:

Luento 3: Käyräviivainen liike

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 5: Taylor-polynomi ja sarja

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

Muutoksen arviointi differentiaalin avulla

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 5: Kaarenpituus ja skalaarikentän viivaintegraali

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 6: Vektorikentän viivaintegraali

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Mat Matematiikan peruskurssi S2

Sovellutuksia Pinta-alan ja tilavuuden laskeminen Keskiö ja hitausmomentti

Täydennetään ja kerrataan Fitzpatrickin lukujen 18 ja 19 esitystä.

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 5: Gradientti ja suunnattu derivaatta. Vektoriarvoiset funktiot. Taylor-approksimaatio.

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 11: Lineaarinen differentiaaliyhtälö

4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

MS-A010{2,3,4,5} (SCI, ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

Tilavuusintegroin. f(x,y,z)dxdydz. = f(x,y,z)dx dy

= + + = 4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

Pintaintegraali. i j k cos(θ) sin(θ) 1. = r cos(θ)i r sin(θ)j + rk, r sin(θ) r cos(θ) 0 joten

Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 10: Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö

Korkeammat derivaatat

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 10: Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitusviikko 5 /

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Korkeammat derivaatat

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Analyysi I (sivuaineopiskelijoille)

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus

x (t) = 2t ja y (t) = 3t 2 x (t) + + y (t) Lasketaan pari käyrän arvoa ja hahmotellaan kuvaaja: A 2 A 1

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset

Mat Matematiikan peruskurssi K2

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 4: Derivaatta

Todista suoraan integraalin määritelmään perustuen tasointegraalin ominaisuus. λ f = λ f,

Numeerinen integrointi

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

DYNAMIIKKA II, LUENTO 2 (SYKSY 2015) Arttu Polojärvi

12. Derivointioperaattoreista geometrisissa avaruuksissa

Luento 3: Käyräviivainen liike

Transkriptio:

MS-A25/MS-A26 ifferentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 11: Taso- ja tilavuusintegraalien sovellutuksia Jarmo Malinen Matematiikan ja systeemianalyysin laitos 1 Aalto-yliopisto Kevät 216 1 Perustuu Antti Rasilan luentomonisteeseen vuodelta 215. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A25/MS-A26 Kevät 216 1 / 15

Moninkertaisten integraalien sovelluksia 1/3 Tähän mennessä moninkertaisten integraalien sovelluksina on esiintynyt: Alueen R 2 pinta-ala A() = 1 da. Kappaleen R 3 tilavuus V() = 1 dv. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A25/MS-A26 Kevät 216 2 / 15

Moninkertaisten integraalien sovelluksia 2/3 Mekaniikassa tulevat vastaan nämä: Kappaleen massa m() = ρ(x, y, z) dv. Hitausmomentti kappaleen pyöriessä z-akselin ympäri: I z () = ρ(x, y, z)(x 2 + y 2 ) dv. Tässä ρ(x, y, z) on materiaalin tiheys pisteessä (x, y, z). Millä tavalla kappaleen massa ja hitausmomentti ovat mekaniikassa analogisia? Vastaus hetken kuluttua. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A25/MS-A26 Kevät 216 3 / 15

Moninkertaisten integraalien sovelluksia 3/3 Kaksiulotteisen tasolevyn painopisteen eli massakeskipisteen ( x, ȳ) laskeminen x = 1 x da, ȳ = 1 y da, A() A() jossa pinta-ala A() on laskettu tasointegraalilla jo aiemmin. Jos levyn massa ei ole tasaisesti jakautunut, integraalia korjataan paikasta riippuvalla tiheydellä ρ(x, y) x = 1 xρ(x, y) da, ȳ = 1 yρ(x, y) da. m() m() jossa massa m() = ρ(x, y) da lasketaan tasointegraalilla. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A25/MS-A26 Kevät 216 4 / 15

Massakeskipiste 1/2 Kolmiulotteisen kappaleen massakeskipiste ( x, ȳ, z) x = 1 xρ(x, y, z) dv, m() ȳ = 1 yρ(x, y, z) dv, m() z = 1 zρ(x, y, z) dv, m() missä ρ = ρ(x, y, z) on kappaleen tiheys pisteessä (x, y, z) ja m() on kappaleen massa (tilavuusintegraalilla). Piirrä momenttiehtoa vastaava kuva, joka johtaa ensimmäiseen kaavaan. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A25/MS-A26 Kevät 216 5 / 15

Massakeskipiste 2/2 Kaava voidaan kirjoittaa myös vektorimuodossa rρ dv xi + ȳj + zk = ρ dv, missä r = xi + yj + zk. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A25/MS-A26 Kevät 216 6 / 15

Esimerkki Lasketaan epäyhtälöiden x 1, y 1 ja z 1 määräämän yksikkökuution massakeskipiste, kun tiheys ρ(x, y, z) = z. Huom. Yksikkökuutio voidaan myös määritellä käyttäen nk. karteesista tuloa: = [, 1] [, 1] [, 1] = [, 1] 3. Tämä merkintätapa tarkoittaa samaa kuin ylläoleva määritelmä epäyhtälöiden avulla. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A25/MS-A26 Kevät 216 7 / 15

Ratkaisu 1/2 Lasketaan ensin massa Saadaan x = 1 1 = ρ dv = ˆ 1 ˆ 1 ˆ 1 ˆ 1 z dz = 1 xz dx dy dz 1/2 1 z= = z dx dy dz 1 2 z2 = 1 2. ( 1 x= = (1/2)2 1/2 = 1 2. )( 1 1 2 x2 1/2 ) 1 z= 2 z2 Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A25/MS-A26 Kevät 216 8 / 15

Ratkaisu 2/2 Vastaavasti ȳ = 1 1 1 yz dx dy dz 1/2 = (1/2)2 1/2 = 1 2. Edelleen voidaan laskea z = 1 Massakeskipisteeksi saadaan 1 1 z2 dx dy dz 1/2 = (1/3) (1/2) = 2 3. = ( x, ȳ, z) = (1/2, 1/2, 2/3). 1 1 z= 3 z3 1/2 Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A25/MS-A26 Kevät 216 9 / 15

Hitausmomentti 1/3 Tarkastellaan tilannetta, jossa pistemäiset kappaleet kiertävät origoa xy-tasossa ympyrän muotoista rataa pitkin samalla kulmanopeudella. Nyt tulee liitutaululla kertaava ekskursio massapisteen Newtonin mekaniikkaan! Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A25/MS-A26 Kevät 216 1 / 15

Hitausmomentti 2/3 Voidaan laskea kappaleiden yhteenlaskettu liike-energia saadaan laskemalla summa E = N i=1 1 2 m iv 2 i = 1 2 [ N i=1 ] m i ri 2 ω 2 = 1 2 [ N i=1 ] m i (xi 2 + yi 2 ) ω 2, missä ω on kulmanopeus ja m i, x i sekä y i ovat i:nnen kappaleen massa ja paikka. Summaa N i=1 kutsutaan hitausmomentiksi. m i (x 2 i + y 2 i ) = N i=1 m i r 2 i Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A25/MS-A26 Kevät 216 11 / 15

Hitausmomentti 3/3 Ajattelemalla z-akselin ympäri pyörivä kappale joukoksi infinitesimaalisen pieniä pisteitä, voidaan edelläolevasta summasta päätellä kappaleen liike-energia: E = 1 [ ] (x 2 + y 2 )ρ(x, y, z) dv ω 2 2 missä I z = = 1 2 I zω 2, (x 2 + y 2 )ρ(x, y, z) dv = dm r 2 z on kappaleen hitausmomentti z-akselin suhteen (r 2 z = x 2 + y 2 ja dm = ρ(x, y, z) dv ). Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A25/MS-A26 Kevät 216 12 / 15

Esimerkki z y ω z=1 a x Lasketaan sylinterin = {(x, y, z) : x 2 + y 2 a 2 ja z 1}, a > hitausmomentti z-akselin suhteen, kun tiheys on vakio ρ = ρ. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A25/MS-A26 Kevät 216 13 / 15

Ratkaisu 1/2 Lasketaan I z = (x 2 + y 2 )ρ dv = ρ ˆ 1 ˆ 2π ˆ a r 2 r dr dθ dz ˆ a = 2πρ r 3 dr = 1 2 πρ a 4. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A25/MS-A26 Kevät 216 14 / 15

Ratkaisu 2/2 Toisaalta sylinterin massa on m = ρ dv = ρ V() = ρ πa 2. Siten hitausmomentti voidaan kirjoittaa I z = 1 2 (πρ a 2 )a 2 = 1 2 ma2. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A25/MS-A26 Kevät 216 15 / 15