1 Några elementära operationer.

Relevanta dokument
Vektoranalys I. Anders Karlsson. Institutionen för elektro- och informationsteknik

1.1 Gradienten i kroklinjiga koordinatsystem

3 Parameterframställningar

0. Introduktion, matematisk bakgrund

Vektoranalys II. Anders Karlsson. Institutionen för elektro- och informationsteknik

Integraler av vektorfält Mats Persson

Flervariabelanalys E2, Vecka 5 Ht08

Kroklinjiga koordinater och räkning med vektoroperatorer. Henrik Johanneson/(Mats Persson)

AB2.5: Ytor och ytintegraler. Gauss divergenssats

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

Världshistoriens bästa sammanfattning. Andreas Rejbrand

Repetition, Matematik 2 för lärare. Ï x + 2y - 3z = 1 Ô Ì 3x - y + 2z = a Ô Á. . Beräkna ABT. Beräkna (AB) T

Tentamen i Flervariabelanalys, MVE , π, kl

Outline. TMA043 Flervariabelanalys E2 H09

1.1 Stokes sats. Bevis. Ramgard, s.70

1 Vektorer och tensorer

A = D. r s r t dsdt. [(1 + 4t 2 ) 3/2 1]dt (1) där det sista steget fås genom variabelbytet u = 1 + 4s 2. Integralen. (1 + 4t 2 ) 3/2 dt

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

Appendix A: Differentialoperatorer i olika koordinatsystem

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 12 januari 2016

Institutionen för matematik SF1626 Flervariabelanalys. Lösningsförslag till tentamen Måndagen den 5 juni 2017 DEL A

VEKTORANALYS Kursprogram VT 2018

1 x. SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

1 Koordinattransformationer

Tentamen: Lösningsförslag

TATA44 ösningar till tentamen 13/01/ ) Paraboloiden z = 2 x 2 y 2 skär konen z = x 2 + y 2 då x 2 + y 2 = 2 x 2 y 2. Med

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf

1. Beräkna hastigheten, farten och accelerationen vid tiden t för en partikel vars rörelse beskrivs av r(t) = (2 sin t + cos t, 2 cos t sin t, 2t).

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 21 mars 2016

20 Integralkalkyl i R 3

4 Integrering av vektorfält

= 0. Båda skärningsvinklarna är således π/2 (ortogonala riktningsvektorer).

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 7 juni 2016

Föreläsning 16, SF1626 Flervariabelanalys

{ 1, om i = j, e i e j = 0, om i j.

Y=konstant V 1. x=konstant. TANGENTPLAN OCH NORMALVEKTOR TILL YTAN z = f ( x, LINEARISERING NORMALVEKTOR (NORMALRIKTNING) TILL YTAN.

Lösningsförslag till tentamen TMA043 Flervariabelanalys E2

1. Gradient och riktningsderivata till funktioner av två variabler (2.7) 2. Gradient och riktningsderivata till funktioner av tre variabler (2.

Allmant behover vi tre parametrar u 1 u 2 u 3 for att beskriva engodtycklig punkt i rummet. Vi kan

Tentamen i Flervariabelanalys F/TM, MVE , kl

Integraler av vektorfalt. Exempel: En partikel ror sig langs en kurva r( ) under inverkan av en kraft F(r). Vi vill

TATA44 Lösningar 26/10/2012.

1. Vi skriver upp ekvationssystemet i matrisform och gausseliminerar tills vi når trappstegsform,

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

2 Derivering av fält och nablaoperatorns roll

Vektorgeometri för gymnasister

Lösningsförslag till tentamen Onsdagen den 15 mars 2017 DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Lektion 1. Kurvor i planet och i rummet

kan vi uttrycka med a, b och c. Avsnitt 2, Vektorer SA + AB = SB AB = SB SA = b a, Vi ritar först en figur av hur pyramiden måste se ut.

Lösningsförslag till tentamen TMA043 Flervariabelanalys E2

x ( f u 2y + f v 2x) xy = 24 och C = f

Lösningar till Matematisk analys 4,

SF1626 Flervariabelanalys Bedömningskriterier till tentamen Tisdagen den 7 juni 2016

TATA44 Lösningar 24/8/ ) Låt S vara den del av x 2 + y 2 + z 2 = 2 innanför cylindern x 2 + y 2 = 1. Inför cylinderkoordinater.

Lösningar till utvalda uppgifter i kapitel 1

f(x, y) = ln(x 2 + y 2 + 1). 3. Hitta maximala arean för en rektangel inskriven i en ellips på formen x 2 a 2 + y2

Kursanvisningar. Lektion 1 1 Repetition av vektoranalysens grunder. Skalära fält och vektorfält. KREYSZIG 9: Kapitel Kompendiet: Kapitel 1

Formelsamling. Elektromagnetisk fältteori för F och Pi ETE055 & ETEF01

Föreläsning 2 1. Till varje punkt i rummet tilldelas en vektor. ( ) = T ( x, y, z,t) ( ) = v x

1 Allmänt om vektorer och vektorvärda funktioner

Vektorgeometri. En vektor v kan representeras genom pilar från en fotpunkt A till en spets B.

. b. x + 2 y 3 z = 1 3 x y + 2 z = a x 5 y + 8 z = 1 lösning?

Vektoranalys III. Anders Karlsson. Institutionen för elektro- och informationsteknik

SF1624 Algebra och geometri

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Flervariabelanalys I2 Vintern Översikt föreläsningar vecka 6. ( ) kommer vi att studera ytintegraler, r r dudv

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Torsdagen den 20 augusti 2015

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Onsdagen den 15 mars 2017

Cartesiska kooordinater r = xˆx + yŷ + zẑ är de vanligaste men inte nödvändigtvis. Val av koordinatsystem beror på det problem vi vill studera.

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 08 13

1 Vektorer i koordinatsystem

Lösningar till Matematisk analys

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A. r cos t + (r cos t) 2 + (r sin t) 2) rdrdt.

Veckoblad 1, Linjär algebra IT, VT2010

Vektorgeometri för gymnasister

Vektorer. Vektoriella storheter skiljer sig på ett fundamentalt sätt från skalära genom att de förutom storlek också har riktning.

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 16 mars 2015

Bestäm ekvationen för det plan som går genom punkten (1,1, 2 ) på kurvan och som spänns

Detta cosinusvärde för vinklar i [0, π] motsvarar α = π 4.

Läsanvisningar till Analys B, HT 15 Del 1

SF1649, Vektoranalys och komplexa funktioner Tentamen, måndagen den 19 december Lösningsförslag. F n ds,

Övningar till Matematisk analys III Erik Svensson

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A

6. Räkna ut integralen. z dx dy dz,

! &'! # %&'$# ! # '! &!! #

En normalvektor till g:s nivåyta i punkten ( 1, 1, f(1, 1) ) är gradienten. Lektion 6, Flervariabelanalys den 27 januari z x=y=1.

Vektoranalys, FMFF01. - utökade föreläsningsanteckningar

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till modelltentamen DEL A

Problem inför KS 2. Problem i matematik CDEPR & CDMAT Flervariabelanalys. KTH -matematik

Lösningsskiss för tentamen Vektorfält och klassisk fysik (FFM234 och FFM232)

Tentamen SF1626, Analys i flera variabler, Svar och lösningsförslag. 2. en punkt på randkurvan förutom hörnen, eller

Tentamen (med lösningar) MVE085 Flervariabelanalys

Tentamen: Lösningsförslag

P Q = ( 2, 1, 1), P R = (0, 1, 0) och QR = (2, 2, 1). arean = 1 2 P Q P R

Transkript:

Föreläsning Några elementära operationer. Ett skalärfält är en reellvärd eller komplexvärd funktion Φ(x, y, z). Ett vektorfält är en vektorvärd funktion A(x, y, z). I ett kartesiskt koordinatsystem kan vi skriva A(x, y, z) = A (x, y, z)ˆx + A (x, y, z)ŷ + A 3 (x, y, z)ẑ, där ˆx, ŷ, ẑ är ett ortonormerat system av vektorer. Definition Gradienten av skalärfältet Φ(x, y, z) definieras (i detta kartesiska koordinatsystem) Φ(x, y, z) = Φ x ˆx + Φ y ŷ + Φ z ẑ. Definition Divergensen av vektorfältet A = A (x, y, z)ˆx+a (x, y, z)ŷ+a 3 (x, y, z)ẑ definieras A = A x + A y + A 3 z. Definition 3 Rotationen av vektorfältet A = A (x, y, z)ˆx+a (x, y, z)ŷ+a 3 (x, y, z)ẑ definieras [ A3 A = y A ] [ A ˆx + z z A ] [ 3 A ŷ + x x A ] ẑ. y Vi skriver även ˆx ŷ ẑ rot A = A = x y z A A A 3 Med dessa definitioner kan man lätt verifiera följande resultat: Theorem för alla C skalärfält Φ och vektorfält A. Ett annat resultat i sammanhanget är: ( Φ) = 0 ( A) = 0

Theorem (i) Om A är ett C -vektorfält med A = 0 i ett enkelt sammanhängande område D R 3 då finns det ett vektorfält B sådant att inom området D. A = B (ii) Om A är ett C -vektorfält med A = 0 i ett enkelt sammanhängande område D R 3 då finns det ett skalärfält Φ sådant att inom området D. A = Φ Resultatet kommer att bevisas vid ett senare tillfälle. Vi har följande vektorformler:. a (b c) = (a b) c. a (b c) = (a c)b (a b)c 3. (αφ + βψ) = α Φ + β Ψ 4. (αa + βb) = α A + β B 5. (αa + βb) = α A + β B 6. (ΦΨ) = ( Φ)Ψ + Φ( Ψ) 7. (ΦA) = ( Φ) A + Φ( A) 8. (ΦA) = ( Φ) A + Φ( A) 9. (A B) = B ( A) A ( B) 0. ( Φ) = Φ x + Φ y + Φ z. ( Φ) = 0 för alla Φ. ( A) = 0 i kartesiska koordinater Dessa formler gäller för alla konstanter α, β, alla deriverbara skalärfält Φ, Ψ och alla deriverbara vektorfält A, B. Ytor och areor. En yta i R 3 är ett två-dimensionellt geometriskt objekt. Till exempel, enhetssfären x +y +z =. Ett annat sätt att beskriva denna sfär är att införa sfäriska koordinater: x = r sin θ cos φ, y = r sin θ sin φ, z = r cos θ. Då beskrivs enhetssfären av den (något lakoniska) ekvationen r =. Varje punkt på denna sfär har en ortsvektor r och vi har då

r(θ, φ) = (sin θ cos φ, sin θ sin φ, cos θ). Om vi fixar φ, säg φ = π/4 då uppstår en kurva på sfären: med tangent vektor r(θ, π/4) = ( sin θ, sin θ, cos θ) r θ(θ, π/4) = ( cos θ, cos θ, sin θ). Om vi istället fixar θ, säg θ = π/4, så erhåller vi en annan kurva med tangent vektor r(π/4, φ) = ( cos φ, sin φ, ) r φ(π/4, φ) = ( sin φ, cos φ, 0). Dessa två tangentvektorer tangerar även sfären. I punkten (θ, φ) = (π/4, π/4) har vi två tangentvektorer: r θ(π/4, π/4) = (,, ) r φ(π/4, π/4) = (,, 0). Deras kryssprodukt r θ(π/4, π/4) r φ(π/4, π/4) är alltså vinkelrät mot sfären, d.v.s. den är en normalvektor till sfären. Vi har: r θ(π/4, π/4) r φ(π/4, π/4) = (,, ). Vi ser i detta exempel att ytan x +y 3 +z = är ett tvådimensionellt geometriskt objekt. Detta betyder att vi behöver endast två parametrar för att beskriva var vi är på denna yta.. Parameterbeskrivning av ytor: Om vi har att göra med en yta S parametriseras av två parametrar (u, v) där (u, v) D för något område D R, då anges varje punkt på S genom sin ortsvektor r(u, v). I cartesiska koordinater kan vi då skriva r(u, v) = x(u, v) ˆx + y(u, v) ŷ + z(u, v) ẑ. Vi ska anta att r(u, v) är två gånger kontinuerligt deriverbar. Detta betyder att derivatorna r u(u, v) och r v(u, v) ska existera och ska vara kontinuerliga funktioner av sina argument ((u, v) i det här fallet). Att säga att r(u, v) är kontinuerligt deriverbar betyder (definitionsmässigt) att var och en av komponentfunktionerna x(u, v), y(u, v), z(u, v) ska vara två gånger kontinuerligt deriverbara funktioner. 3

Exempel: För ytan x + y + z = 4 har vi parametriseringen r(θ, φ) = cos φ sin θ ˆx + sin φ sin θ, ŷ + cos θ ẑ med (θ, φ) D där D : 0 θ π, 0 φ π. Vi ser att komponentfunktionerna x(θ, φ) = cos φ sin θ, y(θ, φ) = sin φ sin θ, z(θ, φ) = cos θ är två gånger kontinuerligt deriverbara funktioner av sina argument. Med parametriseringen r(u, v) av ytan S kan vi bilda två kurvor på S: i en godtycklig punkt på S med ortsvektorn r(u 0, v 0 ) har vi två olika kurvor går genom den punkten: dels är det u-kurvan ges genom ortsvektorn r(u, v 0 ) då parametern s varierar, medan v = v 0 hålls fix; och dels är det v-kurvan ges genom ortsvektorn r(u 0, v) då parametern s varierar, medan u = u 0 hålls fix. Både u-kurvan och v-kurvan är kurvor på ytan S. Tangentvektorn till u-kurvan i punkten med ortsvektorn r(u 0, v 0 ) ges av derivatan r u(u 0, v 0 ) och tangenvektorn till v-kurvan i punkten med ortsvektorn r(u 0, v 0 ) ges av derivatan r v(u 0, v 0 ). Antagandet: Vi ska alltid anta att r u(u 0, v 0 ) 0 och att r v(u 0, v 0 ) 0. Med detta antagande, vet vi att vektorerna r u(u 0, v 0 ) och r v(u 0, v 0 ) tangerar ytan i punkten r(u 0, v 0 ) och att de därmed tillhör tangentplanet till ytan S i punkten r(u 0, v 0 ). De spänner upp detta tangentplan efter de är linjärt oberoende. Av detta följer att r u(u 0, v 0 ) r v(u 0, v 0 ) måste vara vinkelrät mot detta tangentplan. Detta betyder att i varje punkt på ytan S, vektorn ger en normalriktning till ytan S. n = r u r v. Arean av en yta: Vi ska härleda en formel för arean av en parametriserad yta. Symbolen för denna area är A = ds där ds är (det infinitesimala) areamåttet. Vi ska nu få fram en formel för att beräkna denna area. Vi behöver ett uttryck för areamåttet ds i termer av parametrarna (u, v) då (u, v) D. Tag först en liten rektangel i området D med hörn i (u 0, v 0 ), (u 0 + u, v 0 ), (u 0, v 0 + v), (u 0 + u, v 0 + v). Denna rektangel avbildas på en kroklinjig rektangelmed hörn i S Vi har r(u 0, v 0 ), r(u 0 + u, v 0 ), r(u 0, v 0 + v), r(u 0 + u, v 0 + v). 4

och att r(u 0 + u, v 0 ) = r(u 0, v 0 ) + r u(u 0, v 0 ) u + O(( u) ) r(u 0, v 0 + v) = r(u 0, v 0 ) + r v(u 0, v 0 ) v + O(( v) ). Denna kroklinjiga rektangels kantvektorer är då samt r u(u 0, v 0 ) u + O(( u) ) r v(u 0, v 0 ) v + O(( v) ) och arean av den parallellogram dessa två kantvektorer bildar är (r u (u 0, v 0 ) u + O(( u) )) (r v(u 0, v 0 ) v + O(( v) )) = r u (u 0, v 0 ) r v(u 0, v 0 ) u v +R där R är en restterm med produkter av formen ( u) ( v) och av högre ordning. Arean av den ursprungliga rektangeln i området D är u v. Vi ser nu att den vektorvärda funktionen r(u, v) avbildar ett område i D med area u v på en kroklinjig rektanglepå ytan S med area r u(u 0, v 0 ) r v(u 0, v 0 ) u v + R och när u 0, v 0, areamåttet dudv i D blir areamåttet ds = r u(u 0, v 0 ) r v(u 0, v 0 ) dudv. Vi definierar nu arean av ytan S på följande sätt: Definition 4 Arean A av den parametriserade ytan S ges genom ortsvektorn r(u, v) med (u, v) D, där D är något område D R, definieras A = ds = r u r v dudv. S D 5