Luennoitsija: Jukka Maalampi Luennot: , ma 9-10 ja ke Luentoja ei ole viikoilla 15 (pääsiäisviikko).

Samankaltaiset tiedostot
edition). Luennot seuraavat tätä kirjaa, mutta eivät orjallisesti.

= ( F dx F dy F dz).

kaikki ( r, θ )-avaruuden pisteet (0, θ ) - oli θ

Fr ( ) Fxyz (,, ), täytyy integroida:

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

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

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Tällaisessa tapauksessa on usein luontevaa samaistaa (u,v)-taso (x,y)-tason kanssa, jolloin tason parametriesitys on *** VEKTORIANALYYSI.

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

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

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

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

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

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

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

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

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

Polkuintegraali yleistyy helposti paloitain C 1 -poluille. Määritelmä Olkoot γ : [a, b] R m paloittain C 1 -polku välin [a, b] jaon

1.1 Vektorit. MS-A0007 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n. 1. Vektorit ja kompleksiluvut

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

Luento 6: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

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

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

Esim. Liikkuvan kappaleen radiusvektori. on ajan funktio, missä komponentit x, y ja z riippuvat yhdestä muuttujasta, ajasta t.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Ratkaisut viikko 3

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

Vektoriarvoiset funktiot Vektoriarvoisen funktion jatkuvuus ja derivoituvuus

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitusviikkoon 5 /

Gaussin lause eli divergenssilause 1

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.

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

Insinöörimatematiikka D

Vektoreiden A = (A1, A 2, A 3 ) ja B = (B1, B 2, B 3 ) pistetulo on. Edellisestä seuraa

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

Suorat ja tasot, L6. Suuntajana. Suora xy-tasossa. Suora xyzkoordinaatistossa. Taso xyzkoordinaatistossa. Tason koordinaattimuotoinen yhtälö.

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

Luento 4: Suhteellinen liike ja koordinaatistomuunnoksia

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

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

läheisyydessä. Piirrä funktio f ja nämä approksimaatiot samaan kuvaan. Näyttääkö järkeenkäyvältä?

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

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

Tekijä Pitkä matematiikka Poistetaan yhtälöparista muuttuja s ja ratkaistaan muuttuja r.

LUKU 7. Perusmuodot Ensimmäinen perusmuoto. Funktiot E, F ja G ovat tilkun ϕ ensimmäisen perusmuodon kertoimet ja neliömuoto

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

Mb8 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) sivu 1/2

Luento 10: Työ, energia ja teho

Vektorin paikalla avaruudessa ei ole merkitystä. Esimerkiksi yllä olevassa kuvassa kaikki kolme vektoria ovat samoja, ts.

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 4: Taso- ja avaruuskäyrät

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

Matematiikan tukikurssi

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

Tekijä Pitkä matematiikka

Vektorialgebra 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori

Avaruuden kolme sellaista pistettä, jotka eivät sijaitse samalla suoralla, määräävät

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

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

Suorista ja tasoista LaMa 1 syksyllä 2009

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Ristitulolle saadaan toinen muistisääntö determinantin avulla. Vektoreiden v ja w ristitulo saadaan laskemalla determinantti

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

Luento 3: Käyräviivainen liike

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Integraalilaskenta 2 Harjoitus Olkoon A := {(x, y) R 2 0 x π, sin x y 2 sin x}. Laske käyräintegraali

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

A-osio. Tehdään ilman laskinta ja taulukkokirjaa! Valitse tehtävistä A1-A3 kaksi ja vastaa niihin. Maksimissaan tunti aikaa suorittaa A-osiota.

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

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

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

9. Vektorit. 9.1 Skalaarit ja vektorit. 9.2 Vektorit tasossa

Tekijä Pitkä matematiikka b) Kuvasta nähdään, että b = i 4 j. c) Käytetään a- ja b-kohtien tuloksia ja muokataan lauseketta.

Vektorilaskenta, tentti

Luento 3: Käyräviivainen liike

12. Derivointioperaattoreista geometrisissa avaruuksissa

Osoita, että kaikki paraabelit ovat yhdenmuotoisia etsimällä skaalauskuvaus, joka vie paraabelin y = ax 2 paraabelille y = bx 2. VASTAUS: , b = 2 2

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

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

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

0, niin vektorit eivät ole kohtisuorassa toisiaan vastaan.

= + + = 4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

Transkriptio:

1 VEKTORIANALYYSI FYSA114 (3 op), kevät 2017 Luennoitsija: Jukka Maalampi Luennot: 63 35, ma 9-10 ja ke 12-14 Luentoja ei ole viikoilla 15 (pääsiäisviikko) Harjoitusassistentit: Petri Kuusela ja Tapani Stylman Laskuharjoitukset: 7 harjoituskertaa (ke), max 18 p Ex tempore harjoitukset: 14 kertaa (ma + ke luennon toinen tunti), max 18 p Tentti: pe 55 klo 1200-1600 (tentti 1) tai pe 26 klo 1200-1600 (tentti 2), max 36 p Oletetut esitiedot: FYSP111 ja FYSP112 Matematiikan perusopintokurssit eivät ole suureksi haitaksi Kirja: Adams & Essex, Calculus a complete course (8 th edition) Luennot seuraavat tätä kirjaa, mutta eivät orjallisesti Koppa: Luentomuistiinpanot ja tehtävät ilmestyvät Koppaan

2 Kurssin tavoitteet Kurssilla käsitellään paikka-avaruudessa määriteltyjen funktioiden eli kenttien differentiaali- ja integraalilaskentaan, keskittyen vektoriarvoisiin kenttiin Esimerkkejä fysiikassa käytetyistä vektorikentistä ovat sähkökenttä, gravitaatiokenttä ja virtaavan nesteen nopeuskenttä Opittavilla menetelmillä selvitään fysiikan aineopintokursseilla ja useimmilla syventävillä kursseilla Asioita ei käsitellä matemaatikon pedanttisuudella (vrt matematiikan aineopintokurssit) vaan fyysikon hennompaa otetta käyttäen Jotkut kurssilla käsiteltävistä asioista käydään perusteellisemmin läpi elektrodynamiikan kurssilla Oppikirjana on Adams&Essex, Calculus a complete course Kirjaa ei seurata orjallisesti, eikä esitysjärjestys ole sama, eivätkä ihan kaikki merkinnätkään Luennoilla kerrotaan, mistä kohtaa kirjasta kulloinkin käsitetävä asia löytyy Kirjaa pitää lukea! Kurssilla on tarkoitus oppia laskemaan kolmiulotteiseen avaruuteen liittyviä, fysiikan kannalta tähdellisiä laskuja Siksi harjoituksia on kohtalaisen runsaasti Kun laskee ahkerasti kurssin aikana, tentistä suoriutuu kevyesti

3

4 1 Kertausta vektoreista A 102 & 103 Jos vektorin A alkupää on origossa, sen loppupään koordinaatit A, A, A kertovat vektorista kaiken Vektori voidaan siis samaistaa lukukolmikon kanssa: A ( A, A, A ) 1 2 3 Lukuja A1, A2, A 3 sanotaan vektorin komponenteiksi Tutussa kotiavaruudessa eli x,y,zavaruudessa vektori A voidaan esittää koordinaatti-akseleiden suuntaisten yksikkövektoreiden iˆ, ˆj, k ˆ avulla muodossa A A iˆ A ˆ j A kˆ Vektorin komponentit labeloidaan silloin koordinaattiakselien nimien mukaisesti eli A ( A, A, A ) x,y,z-koordinaatisto tai i,j,k-koordinaatisto on suorakulmainen eli karteesinen koordinaatisto Kantavektoreille käytetään usein myös merkintöjä iˆ eˆ uˆ, ˆj eˆ uˆ, kˆ eˆ uˆ x x y y z z

5 Kahden vektorin summa on A B ( A B, A B, A B ) x x y y z z ( A B ) iˆ ( A B ) ˆj ( A B ) kˆ x x y y z z Vektoreiden pistetulo eli skalaaritulo määritellään A B A xbx AyBy Az Bz Vektorin pituus on Jos vektoreiden A A A A A A 2 A ja B välinen kulma on θ, on niiden pistetulo A B A B cos Jos vektorit ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan eli 2 niiden pistetulo häviää eli AB 0 Vektoreiden ristitulo A B on vektori, jolle pätee i) ( A B) A 0 ja ( A B) B 0 eli se on kohtisuorassa molempia osiaan vastaan, ii) A B A B sin iii) Vektorit A, B ja A B muodostavat oikeakätisen systeemin,

6 Ristitulo voidaan esittää determinanttina: iˆ ˆj kˆ A B A A A B B B Ay Az A x y ˆ z A A A x i ˆj kˆ B B B B B B y z z x x y ( A B A B ) iˆ ( A B A B ) ˆj ( A B A B ) kˆ y z z y z x x z x y y x Tästä näkee, että A B B A Kantavektoreille iˆ, ˆj, k ˆ pätee iˆ ˆj kˆ, ˆj kˆ iˆ, kˆ iˆ ˆj Paikkavektori r Origosta pisteeseen P ( x, y, z) piirrettyä vektoria sanotaan paikkavektoriksi r Komponenttimuodossa se on r xiˆ yj ˆ zkˆ Paikkavektorin pituus on r x y z 2

7 Käyräviivaiset koordinaatistot Avaruuden piste voidaan esittää myös muiden kuin suorakulmaisten koordinaattien x, y, z avulla Sylinterikoordinaatistossa koordinaatteina ovat r (sylinterin säde, merkitään joskus ρ), ϕ (napakulma) ja z: r x y, 0 2 x rcos, y rsin, z z Pallokoordinaatistossa koordinaatteina ovat r (pisteen etäisyys origosta), ϕ (atsimuuttikulma) ja θ (polaarikulma): x rsin cos, y rsin sin, z rcos 2 r x y z, 0 2, 0

2 Vektorin derivaatta A 111 Vektorin derivoiminen ajan suhteen on mekaniikasta tuttu asia Vektori voi olla esimerkiksi nopeusvektori vt, () 8 v( t) v ( t) iˆ v ( t) ˆj v ( t) kˆ Nopeus on yhden muuttujan ajan - vektoriarvoinen funktio eli se kuvataan kolmen toisistaan riippumattoman komponentin avulla Huomaa, että karteesisen koordinaatiston kantavektorit iˆ, ˆj, k ˆ eivät riipu ajasta, ne ovat aina ja jokaisessa avaruuden pisteessä samaan suuntaan osoittavia vakiovektoreita Ainoastaan vektorin komponentit ovat ajasta riippuvia (On olemassa myös ajasta riippuvia kantavektoreita, mutta ei puhuta niistä nyt) Vektorin vtderivaatta () ajan suhteen on dv() t dv () () x t dv ˆ y t ˆ dvz () t i j kˆ dt dt dt dt = v' ( t) iˆ v ' ( t) ˆj v' ( t) kˆ Tämä on hiukkasen kiihtyvyys, a( t) v '( t) Koska yleensä dvi vi, kiihtyvyys at () ei tavallisesti ole nopeuden vt () dt suuntainen eikä pituinen

9 Nopeus vtpuolestaan () saadaan derivoimalla liikkuvan kappaleen ajasta riippuva paikkavektori rt (): dr ( t) dx( t) ˆ dy( t) ˆ dz( t) v() t i j k ˆ dt dt dt dt x'( t) iˆ y'( t) ˆj z '( t) kˆ Esimerkki Sähköstatiikassa sähkökenttä E( r) E( x, y, z) on vektorimuuttujasta (paikasta r ) riippuva vektoriarvoinen funktio (vektorikenttä, kolme lukua Ex( x, y, z), Ey ( x, y, z), Ez ( x, y, z ) ) Siihen liittyvä sähköinen potentiaali V( r) V( x, y, z) on puolestaan vektorimuuttujasta riippuva skalaarifunktio (skalaarikenttä, yksi luku) Sähköopista tiedämme, että sähkökenttä saadaan potentiaalista seuraavalla tavalla derivoimalla: (,, ) ˆ (,, ) ˆ (,, ) (,, ) V V E i j V k ˆ x y z Tässä derivaatat ovat osittaisderivaattoja (d:n sijasta käytetään :ta eli doota, kuten jotkut sanovat), joissa derivointi kohdistuu vain yhteen funktion useasta muuttujasta Dynaamisessa tapauksessa sähkökenttä riippuu paikan lisäksi ajasta eli se on neljän muuttujan funktio, E( x, y, z, t ) Yhden pistevarauksen tapauksessa potentiaali riippuu symmetrian takia vain yhdestä muuttujasta, paikkavektorin pituudesta r r

10 Tavalliset summan ja tulon derivoimissäännöt pätevät vektoreille: d du dv ( u v), dt dt dt d dc du ( cu) u c, dt dt dt d du dv ( u v) v u, dt dt dt d du dv ( u v) v u dt dt dt Ristitulon derivoinnissa pitää kuitenkin vektoreiden u keskinäinen järjestys säilyttää, koska ristitulo vaihtaa merkkiään kertomisjärjestyksen vaihtuessa ja v 3 Parametrisoitu käyrä ja käyräintegraali A 82 & 104 31 Käyrän parametrisointi Olkoon c kolmiavaruuden vektori, jonka komponentit riippuvat parametrista t, c( t) c ( t) iˆ c ( t) ˆj c ( t) kˆ Parametri t ei ole välttämättä aika tai mikään muukaan fysikaalinen suure vaan jokin reaaliarvoinen muuttuva luku Oletetaan, että komponentit ci () t ovat jatkuvia, kun t saa arvoja R 1 :n jollakin välillä [a,b] Kun t:n annetaan vaihdella tällä välillä, vektorin ct () kärki piirtää R 3 -avaruuteen käyrän Käyrän pisteiden koordinaatit ovat ( x, y, z) ( c ( t), c ( t), c ( t)), a t b

11 Tätä sanotaan kyseisen käyrän parametriesitykseksi Sama käyrä voidaan esittää muutenkin, esimerkiksi antamalla koordinaatteja toisiinsa sitovat yhtälöt tai se voi olla vaikka kahden annetun pinnan leikkaus Parametriesityksessä käyrään liitetään suunta Voidaan sanoa, että käyrän alkupiste on ca ( ) ja loppupiste cb () Käyrän sanotaan olevan suunnistettu Käyrä on umpinainen, jos sen alkupiste ja loppupiste ovat samat: c( a) c( b) Voi olla, että tällöin sama lenkki on voitu kiertää moneen kertaan ympäri parametrin käydessä läpi arvoalueensa Esimerkki Tutki (x,y)-tason käyrää c( t) c ( t) iˆ c ( t) ˆj 2cost iˆ 2sin t ˆj, 0 t 3 / 2 x y Alkupiste on c(0) 2cos0 iˆ 2sin 0 ˆj 2 iˆ eli piste (2,0) Loppupiste on c(3 / 2) 2cos(3 / 2) iˆ 2sin(3 / 2) ˆj 2 ˆj eli piste (0,-2) Koska x y c ( t) c ( t) 4cos t 4sin t 4, x käyrän pisteet ovat ympyrän kaarella, jonka säde on 4 Käyrä muodostaa kolme neljäsosaa ympyrän kehästä Parametrilla t on tässä geometrinen merkitys: se on kulma, jonka verran vektori ct () on kääntynyt alkuasemastaan c (0) y

12 Ratkaisemalla y saadaan yhdistämällä kahden funktion y 2 4 x (-2 x 0) kuvaajat y 2 4 x Käyrä saadaan siis myös 2 y 4 x (-2 x 2) ja Esimerkki Yksikköympyrän yhtälö on x y 1 On lukemattomia eri tapoja esittää tämä käyrä parametrimuodossa Tässä muutamia: x cos t, y sin t (0 t 2 ), x sin( ), y cos( ) (0 2 ), x t y t t t 1, 2 ( ) Esimerkiksi viimeisessä tapauksessa 2 4 2 4 x y (1 t ) ( t 2 t ) 1 2t t 2t t 1 Piste (x,y) liikkuu arvosta ( 1,0) pisteeseen (0, 1) ja siitä edelleen pisteeseen (1,0), kun t muuttuu arvosta 2 arvon 1 kautta arvoon 0 Kun t muuttuu arvosta 0 arvon 1 kautta arvoon 2, piste (x,y) liikkuu (0,1):n kautta takaisin arvoon ( 1,0) Kun käyrän parametriesityksestä eliminoidaan parametri, saadaan käyrän karteesinen yhtälö Edellisissä esimerkeissä parametri t eliminoitui, kun laskettiin komponenttien neliöt yhteen Yleisesti eliminointi voidaan tehdä niin, että esimerkiksi x:n parametriesityksestä ratkaistaan t x:n funktiona ja sijoitetaan se y:n parametriesitykseen Tuloksena on yhtälö, joka sitoo x:n ja y:n toisiinsa eli karteesinen yhtälö

13 Esimerkki Käyrän parametriesitys on x t y t t t 2 3, 2 (- ) Mistä käyrästä on kyse? Ensimmäisestä yhtälöstä saadaan t x 3 Sijoitetaan tämä jälkimmäiseen yhtälöön: y ( x 3) ( x 3) 2 x 7x 14 Tämä on käyrän karteesinen yhtälö, ylös aukeavan paraabelin yhtälö (pohja pisteessä (7/2,7/4)) Suoran esittäminen parametrimuodossa Oletetaan, että suora kulkee pisteen P0 ( x0, y0, z0) (paikkavektori r 0 ) kautta ja on yhdensuuntainen vektorin v v iˆ v ˆj v kˆ kanssa Silloin suoran mielivaltaisen pisteen P ( x, y, z) paikkavektori r saadaan lisäämällä vektoriin r 0 vektori v sopivalla reaaliluvulla t kerrottuna (ks kuva) Näin saadaan suoralle parametriesitys r r0 tv ( t ) eli komponenttimuodossa x x tv, y y tv, z z tv 0 x 0 y 0 z Ratkaisemalla kustakin yhtälöstä t, saadaan suoralle karteesinen esitys x x y y z z v v v 0 0 0

14 32 Käyrän pituus Jos siirrymme tasossa pisteestä (x,y) pisteeseen (x+dx, y+dy), kuljemme Pythagoraan lauseen mukaan matkan ds ( dx) ( dy) Jos kuljemme funktion y(x) kuvaajaa pitkin, on dy=(dy/dx)dx = y (x)dx Jos lähdemme pisteestä ( x1, y( x 1)) ja päädymme pisteeseen ( x2, y( x 2)), on kulkemamme kokonaismatka x dy x 2 s ds dx dy dx y x dx dx ( ) ( ) 1 1 '( ) x 1 x1 Tämän mallin mukaan on helppo kirjoittaa parametrisoidun käyrän pituus (a t b ): 2 b s ds ( dx) ( dy) ( dz) x'( t) y'( t) z'( t) dt b dr = dt, a dt sillä parametrin t avulla esitetylle käyrälle on esimerkiksi dx( t) dx dt x'( t) dt dt a

15 Esimerkki Lasketaan ruuviviivan x acos t, y asin t, z bt käyränpituus yhtä kierrosta (0 t 2 ) kohti Yllä olevaa kaavaa soveltaen saadaan 2 2 0 0 2 0 x'( t) y'( t) z '( t) dt ( asin t) ( acos t) b dt a b dt 2 a b 33 Viivaintegraali A 153 Käyrän pituuden laskeminen on yksi esimerkki viivaintegraalista Sitä yleisempi tilanne on funktion viivaintegraali Jos funktiona on skalaarikenttä f(x,y,z), tehtävänä on laskea b dr f ( x, y, z) ds f ( r( t)) dt, a dt jossa on jokin parametrisoitu käyrä eli käyrän pisteiden paikkavektori on annettu parametrin t avulla, r r( t) Integraalin arvo ei riipu siitä, miten käyrä on parametrisoitu

16 Esimerkki (A, s 876) Lasketaan viivaintegraali I ( x y ) ds, kun käyrä on suora viiva origosta pisteeseen (2,1) Parametrisoidaan seuraavasti: x 2 t, y t, 0 t 1, toisin sanoen r( t) 2 t iˆ t ˆj, 0 t 1 Silloin dr ds dt i j dt dt dt dt 1 5 Integraalista saadaan 1 1 2 1 3 5 5 I (4 t t ) 5 dt 5 5 t dt 5 5 t 0 0 3 3 1 0 Jos r *( u) ( u ) on jokin toinen :n parametrisaatio, on b a dr dr * f ( r( t)) dt f ( r *( u)) du dt du