8.4 Gaussin lause Edellä laskettiin vektorikentän v = rf(r) vuo R-säteisen pallon pinnan läpi, tuloksella



Samankaltaiset tiedostot
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

11. MÄÄRÄTTY INTEGRAALI JA TILAVUUS

Integraalilaskentaa. 1. Mihin integraalilaskentaa tarvitaan? MÄNTÄN LUKIO

2.4 Pienimmän neliösumman menetelmä

Painopiste. josta edelleen. x i m i. (1) m L A TEX 1 ( ) x 1... x k µ x k+1... x n. m 1 g... m n g. Kuva 1. i=1. i=k+1. i=1

10. MÄÄRÄTYN INTEGRAALIN KÄYTTÖ ERÄIDEN PINTA-ALOJEN LASKEMISESSA

Riemannin integraalista

Matematiikan tukikurssi

LINSSI- JA PEILITYÖ TEORIAA. I Geometrisen optiikan perusaksioomat

VEKTOREILLA LASKEMINEN

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 9. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 9 () Numeeriset menetelmät / 29

Viikon aiheet. Pinta-ala

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

Sinilause ja kosinilause

VEKTOREILLA LASKEMINEN

Käydään läpi: ääriarvo tarkastelua, L Hospital, integraalia ja sarjoja.

MS-A010{2,3,4,5} (SCI, ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 8: Integraalifunktio ja epäoleellinen integraali

Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina ylimääräisessä tapaamisessa.

Viivaintegraali: "Pac- Man" - tulkinta. Viivaintegraali: "Pac- Man" - tulkinta. "Perinteisempi" tulkinta: 1D 3/19/13

4 Taso- ja avaruuskäyrät

1. Derivaatan Testi. Jos funktio f on jatkuva avoimella välillä ]a, b[ ja x 0 ]a, b[ on kriit. tai singul. piste niin. { f (x) > 0, x ]a, x 0 [

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM) Laskuharjoitus 4 / vko 47, mallivastaukset

6 Integraalilaskentaa

VALTIOTIETEELLINEN TIEDEKUNTA TILASTOTIETEEN VALINTAKOE Ratkaisut ja arvostelu

Pythagoraan lause. Pythagoras Samoslainen. Pythagoraan lause

Johdnto Numeers rtsumenetelm ytett ess on oltv stys nden mtemttsst perustest se nden soveltuvuudest j truudest. Tetooneohjelmn on oltv vrheet n j robu

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

Sähkömagneettinen induktio

Kertymäfunktio. Kertymäfunktio. Kertymäfunktio: Mitä opimme? 2/2. Kertymäfunktio: Mitä opimme? 1/2. Kertymäfunktio: Esitiedot

= ( F dx F dy F dz).

763333A KIINTEÄN AINEEN FYSIIKKA Ratkaisut 1 Kevät 2014

Matematiikan tukikurssi

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 8: Integraalifunktio ja epäoleellinen integraali

Fr ( ) Fxyz (,, ), täytyy integroida:

Riemannin integraali

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ PISTEYTYSKOKOUS

Analyysin perusteet kauppatieteilijöille P

5 Epäoleellinen integraali

Riemannin integraalista

Tampereen teknillinen yliopisto hum Konstruktiotekniikan laitos. MEC-2430 Elementtimenetelmän perusteet. Luento vk 1 Syksy 2012.

Integraalilaskenta. Määrätty integraali

S Fysiikka IV (ES) Tentti RATKAISUT. 1,0*10 m. Kineettinen energia saadaan kun tästä vähennetään lepoenergia: 2

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 7: Integraali ja analyysin peruslause

MS-A010{2,3,4,5} (SCI,ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 7: Integraali ja analyysin peruslause

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

Ristitulo ja skalaarikolmitulo

Määritelmä Olkoon C R m yksinkertainen kaari ja γ : [a, b] R m sen yksinkertainen parametriesitys, joka on paloittain C 1 -polku.

Sähköstaattinen potentiaalienergia lasketaan jatkuville varausjakaumille käyttäen energiatiheyden

a = x 0 < x 1 < x 2 < < x n = b f(x) dx = I. lim f(x k ) x k=1

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

x k 1 Riemannin summien käyttö integraalin approksimointiin ei ole erityisen tehokasta; jatkuvasti derivoituvalle funktiolle f virhe b

Numeerinen integrointi

II.1. Suppeneminen., kun x > 0. Tavallinen lasku

Tasogeometriassa käsiteltiin kuvioita vain yhdessä tasossa. Avaruusgeometriassa tasoon tulee kolmas ulottuvuus, jolloin saadaan kappaleen tilavuus.

TEHTÄVÄ 1. Olkoon (f n ) jono jatkuvia funktioita f n : [a, b] R, joka suppenee välillä [a, b] tasaisesti kohti funktiota f : [a, b] R.

5 Riemann-integraali ANALYYSI B, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Ala- ja yläintegraali

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

5 ( 1 3 )k, c) AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

Matematiikan perusteet taloustieteilijöille P

OSA 1: POLYNOMILASKENNAN KERTAUSTA, BINOMIN LASKUSÄÄNTÖJÄ JA YHTÄLÖNRATKAISUA

Sisältö. Integraali 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 20

Viivaintegraali: "Pac- Man" - tulkinta

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT Funktiojonot 1

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

Tasapainojen määrittäminen tasapainovakiomenetelmällä

3.5 Kosinilause. h a c. D m C b A

Lisää määrätystä integraalista Integraalin arvioimisesta. Osoita: VASTAUS: Osoita: Osoita:

Mikrotalousteoria 2, 2008, osa III

3.3 KIELIOPPIEN JÄSENNYSONGELMA Ratkaistava tehtävä: Annettu yhteydetön kielioppi G ja merkkijono x. Onko

MATRIISILASKENNAN PERUSTEET. Timo Mäkelä

Johdatus fraktaaliderivaattoihin ja niiden sovelluksiin

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

θ 1 θ 2 γ γ = β ( n 2 α + n 2 β = l R α l s γ l s 22 LINSSIT JA LINSSIJÄRJESTELMÄT 22.1 Linssien kuvausyhtälö

Esimerkki 8.1 Määritellään operaattori A = x + d/dx. Laske Af, kun f = asin(bx). Tässä a ja b ovat vakioita.

Analyysi 2. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Kevät Anna sellainen välillä ] 2, 2[ jatkuva ja rajoitettu funktio f, että

4 DETERMINANTTI JA KÄÄNTEISMATRIISI

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

( ) Pyramidi 4 Analyyttinen geometria tehtävien ratkaisut sivu 321 Päivitetty Saadaan yhtälö. 801 Paraabeli on niiden pisteiden ( x,

5 Jatkuvan funktion integraali

TYÖ 30. JÄÄN TIHEYDEN MÄÄRITYS. Tehtävänä on määrittää jään tiheys.

S Fysiikka III (EST), Tentti

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

missä t on matkaan raosta varjostimelle kuluva aika. Jos suihkun elektronien liikemäärä x- sunnassa on p x,on min y0min 0min

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3

MATEMATIIKAN HARJOITTELUMATERIAALI

Teoriaa tähän jaksoon on talvikurssin luentomonisteessa luvussa 10. Siihen on linkki sivulta

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

4 Pinta-alasovelluksia

766319A Sähkömagnetismi, 7 op Kertaustehtäviä, 1. välikokeen alue Vastaukset tehtävien jälkeen

Neliömatriisin A determinantti on luku, jota merkitään det(a) tai A. Se lasketaan seuraavasti: determinantti on

Syksyn 2015 Pitkän matematiikan YO-kokeen TI-Nspire CAS -ratkaisut

4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

766328A Termofysiikka Harjoitus no. 12, ratkaisut (syyslukukausi 2014)

Yläkoulun geometriaa. Yläkoulun geometriaa

VEKTORILASKENTA. Timo Mäkelä SISÄLTÖ: 1 VEKTORIN KÄSITE...1

Matemaattiset menetelmät II

601 Olkoon tuntematon kateetti a ja tuntemattomat kulmat α ja β Ratkaistaan kulmat. 8,4 = 12. Ratkaistaan varjon pituus x. 14 x = 44,

7.lk matematiikka. Geometria 1

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa II

Transkriptio:

H 8.3.2 uontegrlt: vektoreden pntntegrlt Tvllsn tpus pntntegrlest on lske vektorkentän vuo pnnn läp: Trkstelln pnt j sllä psteessä P (x, y, z olev pnt-lkot d. Määrtellään vektorlnen pnt-lko d sten, että d n d, mssä n on psteessä P lskettu pnnn normln suuntnen ykskkövektor. Olkoon F(x, y, z jokn (ntegrotuv vektorkenttä. Eräs vektorkentän F pntntegrl on F d F n d. (8.12 Tämä ntegrl kuv vektorn F vuot pnnn läp. Huom: jos kyseessä on suljettu pnt, ntegrl merktään F d. Jos pnt e ole suljettu, sllä on luonnollsest reunvv. Esm. Nesteen vrtus Jos ρ on nesteen theys j v sen nopeus, nn ρv d ρv n d on pntelementn d läp kykskössä kulkevn nesteen määrä. ektorn µ ρv vuo pnnn läp, µ d, on kykskössä pnnn läp kulkevn nesteen määrä. Muunls pntntegrlej ovt esm. F d F n d; φ d; φ d. Esm. dlkenttä pllokuoren yl: Olkoon v rf(r, j pllonkuor r 2 r 2 2. Nyt n r/r, j v d f(r r/d f( d 4π 3 f( mssä käytettn teto pllon l 4π 2. Esm. I ( F d, kun F y + xj + zk, j on puolpllon x 2 + y 2 + z 2 2 ; z pnt Nyt j k F x y z y x z 2k. Pnnn yhtälö on g x 2 + y 2 + z 2 2, g 2x + 2yj + 2zk 2r. Pllopnnn ykskkönorml n on ss n g g r r x + yj + zk, r el rdusvektorn suuntnen ykskkövektor. Edelleen F d 2k n d 2 cos θ d, mssä θ on rdusvektorn j z-kseln välnen kulm. H I E G @ B G @ G @ H @ G H I E G @ B Kuv 8.13 Pntelementt plloll Kuvss φ rdusvektorn xy-tsoll olevn projekton j x-kseln välnen kulm. Kuten kuvst nähdään, pllon pnnll pllokoordntten θ j φ dfferentls muutoks dθ j dφ vstv pntelementt d on d r 2 sn θ dθ dφ. (8.13 Puolpllon pnnll kulmt θ j φ svt rvot Integrl I on ss I π/2 θ π 2 φ 2π. F n d dθ 2π dφ 2 cos θ 2 sn θ π/2 4π 2 cos θ sn θ dθ 4π 2 π/2 / sn 2 θ 2 2π 2. 8.4 Gussn luse Edellä lskettn vektorkentän v rf(r vuo -sätesen pllon pnnn läp, tuloksell v d 4π 3 f( Lsketn nyt v ntegrotun pllon tlvuuden yl: nyt v (rf(r f(r r+r f (r r 3f(r+rf (r 67

N D O Ss vd dω Smme ss tuloksen v d drr 2 (3f(r+rf (r 4π vd (8.14 mssä on lueen pnt. Tämä tulos pätee ylesest, kklle vektorkentlle j tlvuukslle, j stä snotn Gussn lks: vektorn v normlkomponentn ntegrl yl suljetun pnnn on sm kun sen dvergenssn ntegrl pnnn sulkemn tlvuuden yl. Tosn: kentän v vuo suljetun pnnn läp kentän v lähteet pnnn ssällä! Gussn lk on 3-ulottenen ylestys 1-ulottes ntegrlej koskevlle totuudelle b df dx f(b f( dx Gussn luseen trkemp todstus Krjotetn vektor F komponentettn: j trkstelln ntegrl F F x + F yj + F zk, @ N @ O 4 z d. Kuv 8.14 Gussn luseen todstus Olkoot 1 j 2 tlvuutt ympärövän suljetun pnnn lj yläpnt, jot esttävät yhtälöt 1 : z f 1 (x, y 2 : z f 2 (x, y. Olkoon pnnn (t 1 t 2 projekto xy-tsoll. Tällön z d z dzdxdy [ f2 (x,y f 1 (x,y z dz ] dxdy [F z(x, y, f 2 F z(x, y, f 1 ] dxdy Olkoon n pnnn ykskkönorml, n 1 lpnnn 1 ykskkönorml j n 2 yläpnnn 2 ykskkönorml. Nyt dr r (r 3 f(r 4π 3 f( lpnnll: dxdy k n 1 d 1 yläpnnll: dxdy k n 2 d 2 pnnll: dxdy k n d, 68 Smme ss [F z(x, y, f 2 F z(x, y, f 1 ] dxdy F zk n 2 d 2 + 2 F zk n d. 1 F zk n 1 d 1 z d F zk n d. stvst vodn osott, että F y y d F yj n d F x x d F x n d, kken kkkn on el ( Fx x + Fy y F d + Fz d z ( Fx + F yj + F zk n d, F n d F d. Esm. ektorn r vuo -sätesen j h-korkusen sylntern pnnn läp Olkoon sylnterä rjottv pnt (mukn luken pohjt j sylntern tlvuus. Kuv 8.15 Sylnter Dvergenssluseen perusteell vuo I on I r d r d.

Kosk on r x + yj + zk, r x x + y y + z z 3, I 3 d 3 3π 2 h. b Lsketn vuo pntntegrln. ( Yläpnnll n k j yläpnt ( Pohjll n k j r n r k z h, r n d h d π 2 h. r n z, pohj r n d. ( pll ykskkönorml on sllä vpn yhtälö on j nn ollen vektor n x + yj, f x 2 + y 2 2, f 2x + 2yj on kohtsuorss vpp vstn. Nyt vpp r n x2 + y 2 r n d 2, Lskemll kkk vuot yhteen sdn I 3π 2 h. d 2πh. Esm. Newtonn grvttopotentl φ toteutt yhtälön 2 φ 4πGρ, mssä G on grvttovko j ρ msstheys. Määrtetään grvttokenttävomkkuus pllosymmetrsessä tpuksess Merktään K φ, jollon K 2 φ 4πGρ. Jos tlvuudess olev kokonsmss on M, nn K d 4πG ρ d 4πGM. Toslt Gussn luseen mukn on K d K d, kun on tlvuutt rjottv pnt. Oletetn, että M-mssnen kpple on pllosymmetrnen j otetn tlvuudeks ko. kppleen ssäänsä sulkev r-sätenen kpplekesknen pllo. Tällön lmesestkn K on vko pllon pnnll j K on rdusvektorn suuntnen (t vstkkssuuntnen, ts. vodn krjott K K(re r, mssä e r on rdusvektorn suuntnen ykskkövektor. ektor e r on tetystkn myös ykskkönorml ko. pllon pnnll, r-sätenen pllo K d K(re r e r d K(r d K(r 4πr 2 4πGM. Smme ss tutun Newtonn grvttoln t vektorlsest K(r GM r 2, K(r GM r 2 e r. 8.5 Stokesn luse oottorn fysklst tulknt etsessämme smme tuloksen (7.18, jonk mukn xy-tsoss psteen (x, y ympär kertyvä vrtus ol ds z µ x (x, y dy/2, zdx + µ y (x + dx/2, y, zdy µ x (x, y + dy/2, zdx µ y (x dx/2, y, zdy [ µy x µ ] x dx dy. y 69

O " N! @ N Kuv 8.16 xy-tson pnt-lko @ @ O Kuvn muksest vomme krjott tämän muotoon µ dr ( µ z dx dy, 1 mssä vektorlset dfferentlt ovt dr 1 dx, dr 2 dy j, dr 3 dx sekä dr 4 dy j j vrttheys on lskettv n vstvll nfntesmlsen suorkteen svull. Yhtälön okekn puol on lusuttvss kompktmmn, kun otmme käyttöön vektorlsen pnt-lkon d dx dy k. Nän päädymme reltoon µ dr ( µ d, 1 mssä nyt sekä dr että µ on lskettv summusndeksn lttyvällä suorkteen svull. Tämä yhtälö on tok vomss melvltsellekn (dfferentotuvlle vektorkentälle F j mten thns orentotuneelle pntelementlle d: F dr ( F d, (8.15 1 mssä vsemmll puolen kerretään d vstpävään. Trkstelln nyt melvltst pnt. Jetn nfntesmlsn plsn d. Kusskn pnt-lkoss on vomss ( F d F dr, j1 mssä vsemmll puolen roottor lsketn lueen d keskpsteessä j okell puolen sek F että dfferentlt lueen d summusndeksstä j rppuvll reunll. Summtn yl kkken plsten, jollon ( F d F dr. (8.16 j1 Trkstelln kht verekkästä pnt-lkot, snotn lkot 1 j 2. Näden yhtesellä reunll tosen suorkteen dr on vstkknen tosen suorkteen vstvlle dfferentllle kun ts kenttä F on sm. Summss (8.16 yhtesn reunohn lttyvät termt kumoutuvt, jäljelle jäävät vn lueen reunohn rjottuven pnt-lkoden ulkoreunt el ( F d F dr. :n ulkoreun Yhtälön vsen puol on suureen F pntntegrl yl pnnn j oke puol vvntegrl pnt rjottvn reunkäyrän ympär. Kosk joknen pnt-elementt yhtälön (8.15 j kuvn 8.16 muksest kerrettn postvseen kertosuuntn, smn suuntn kerretään myös pnt. Olemme nän päätyneet Stokesn luseen tunnettuun pnt- j vvntegrlej stovn reltoon F dr ( F d. (8.17 Snllsest Stokesn luse on lmstvss muodoss ektorkentän F vvntegrl pnnn reunkäyrän ympär on sm kun kentän F roottorn normlkomponentn pntntegrl pnnn yl. Huom. Integrln rvo e muutu sellsss ntegrontpnnn deformtoss, joss reunkäyrä sälyy muuttumttomn. Esm. F d kun F y + xj + zk j on puolpllon x 2 + y 2 + z 2 2 ; z pnt 1 Suorn pntntegrln. Ktso edellä (pntntegrlt. 2 vntegrln Stokesn lusett sovelten. Nyt F dr ( y + xj + zk (dx + dy j + dz k y dx + x dy + z dz. Puolpllon pnnn reunkäyrä on xy-tson ympyrä Tällä käyrällä x 2 + y 2 2 ; z. x cos θ y sn θ z, kun θ on vektorn r (x, y, j x-kseln välnen kulm. Tällön käyrällä dx sn θ dθ dy cos θ dθ dz, F dr y dx + x dy 2 sn 2 θ dθ + 2 cos 2 θ dθ 2 dθ. 7

Stokesn luseen mukn on ( F d 2π 2. F dr 2π 2 dθ 3 Pntntegrl on sm mlle thns käyrän rjottmlle pnnlle. ltn xy-tson ympyrä. Kosk F 2k, on ( F d x 2 +y 2 2 2k k d x 2 +y 2 2 2 2π 2. Stokesn luseen perusteell pyörteettömälle kentälle F on vomss F dr ( F d, olp mkä thns suljettu käyrä j sen ssäänsä sulkem pnt. Tähän tulokseen päädymme jo vvntegrlen yhteydessä konservtvs vektorkenttä trkstellessmme (ks. kv (8.4. 71