MAT1052 · 14. hafta · Double Integrals in Polar Coordinates

Kutupsal koordinatlarda çift katlı integraller

Daire, halka, dilim ve kutupsal eğrilerle sınırlı bölgelerde çift katlı integrali kutupsal koordinata çevirmeyi (dA = r dr dθ), Kartezyen integrali kutupsala dönüştürmeyi ve hacim, alan hesaplamayı öğrenirsin. Gauss integralinin değeri de buradan çıkar.

polar coordinatespolar rectanglearea elementr dr dθpolar regionannuluscardioidrose curveGaussian integralchange of variables

Dersin son haftası. Geçen hafta Kartezyen koordinatlarda çift katlı integral aldın. Ama bölge bir daire, halka ya da daire dilimiyse sınırlar köklü ifadelere (y=1−x2y = \sqrt{1-x^2}) döner ve integral çoğu zaman çirkinleşir, hatta alınamaz hale gelir. Kutupsal koordinatlar (polar coordinates) bu bölgeleri dikdörtgen gibi yapar: “yarıçap 00‘dan 22‘ye, açı 00‘dan 2π2\pi‘ye”. İntegrandda x2+y2x^2+y^2 varsa o da tek bir r2r^2 olur. Sınavda en az bir kutupsal soru, çoğu zaman da “convert to polar and evaluate” sorusu gelir.

Altın kurallar:

  1. dA=r dr dθdA = r\,dr\,d\theta. Fazladan rr çarpanı asla unutulmaz.
  2. Bölge daire, halka, dilim ya da r=f(θ)r = f(\theta) eğrisiyle sınırlıysa ve/veya integrandda x2+y2x^2+y^2 varsa kutupsala geç.
  3. Önce bölgeyi çiz, θ\theta aralığını ve her θ\theta için rr aralığını oku.
  4. Kartezyenden dönüştürürken xx, yy yerine rcos⁡θr\cos\theta, rsin⁡θr\sin\theta koy; sınırları bölgeden yeniden kur.

Kutupsal koordinatlar hatırlatma

Bir nokta, orijine uzaklığı rr ve pozitif xx ekseniyle yaptığı açı θ\theta ile verilir:

x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,x2+y2=r2,tan⁡θ=yx.x = r\cos\theta,\qquad y = r\sin\theta,\qquad x^2+y^2 = r^2,\qquad\tan\theta = \frac yx.

KartezyenKutupsal
x2+y2=a2x^2+y^2 = a^2 (çember)r=ar = a
y=xy = x, x>0x>0 (doğru)θ=π4\theta = \frac\pi4
x2+y2=2axx^2+y^2 = 2axr=2acos⁡θr = 2a\cos\theta (merkez (a,0)(a,0))
x2+y2=2ayx^2+y^2 = 2ayr=2asin⁡θr = 2a\sin\theta (merkez (0,a)(0,a))
x=ax = a (dikey doğru)r=asec⁡θr = a\sec\theta

Neden r dr dθr\,dr\,d\theta?

Kartezyen ızgarada küçük parça bir dikdörtgendi, alanı Δx Δy\Delta x\,\Delta y. Kutupsal ızgarada küçük parça bir halka dilimi: iç yarıçap rr, kalınlık Δr\Delta r, açı genişliği Δθ\Delta\theta. Dış kenarının uzunluğu yaklaşık rΔθr\Delta\theta (yay uzunluğu = yarıçap ×\times açı). Yani alan yaklaşık

ΔA≈(r Δθ)(Δr)=r Δr Δθ.\Delta A\approx(r\,\Delta\theta)(\Delta r) = r\,\Delta r\,\Delta\theta.

Orijinden uzaklaştıkça aynı Δθ\Delta\theta daha geniş bir yay verir; rr çarpanı bunu hesaba katar.

Teorem. D={α≤θ≤β, r1(θ)≤r≤r2(θ)}D = \{\alpha\le\theta\le\beta,\ r_1(\theta)\le r\le r_2(\theta)\} ise

∬Df(x,y) dA=∫αβ ⁣ ⁣∫r1(θ)r2(θ)f(rcos⁡θ, rsin⁡θ) r dr dθ.\iint_Df(x,y)\,dA = \int_\alpha^\beta\!\!\int_{r_1(\theta)}^{r_2(\theta)}f(r\cos\theta,\,r\sin\theta)\,r\,dr\,d\theta.

Bölgeleri kutupsal yazmak

Bölgerrθ\theta
x2+y2≤a2x^2+y^2\le a^20≤r≤a0\le r\le a0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi
Halka a2≤x2+y2≤b2a^2\le x^2+y^2\le b^2a≤r≤ba\le r\le b0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi
Üst yarı disk0≤r≤a0\le r\le a0≤θ≤π0\le\theta\le\pi
Sağ yarı disk0≤r≤a0\le r\le a−π2≤θ≤π2-\frac\pi2\le\theta\le\frac\pi2
Birinci bölge çeyrek0≤r≤a0\le r\le a0≤θ≤π20\le\theta\le\frac\pi2
r=2acos⁡θr = 2a\cos\theta içi0≤r≤2acos⁡θ0\le r\le2a\cos\theta−π2≤θ≤π2-\frac\pi2\le\theta\le\frac\pi2

Şablon: orijinden bölgenin içine doğru bir ışın çiz. Işın bölgeye nerede giriyor (alt sınır r1r_1), nerede çıkıyor (üst sınır r2r_2)? Bölgeyi taramak için ışını hangi açıdan hangi açıya döndürmelisin (α\alpha, β\beta)?

Örnek 1. Yarıçapı 33 olan dairenin alanı: ∫02π ⁣ ⁣∫03r dr dθ=2π⋅92=9π\displaystyle\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^3r\,dr\,d\theta = 2\pi\cdot\frac92 = 9\pi. Kontrol: π⋅32\pi\cdot3^2 ✓.

Örnek 2. ∬Dx2+y2 dA\displaystyle\iint_D\sqrt{x^2+y^2}\,dA, DD birim disk. x2+y2=r\sqrt{x^2+y^2} = r:

∫02π ⁣ ⁣∫01r⋅r dr dθ=2π⋅13=2π3.\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^1r\cdot r\,dr\,d\theta = 2\pi\cdot\frac13 = \frac{2\pi}{3}.

Örnek 3 (halka, çeyrek). 1≤x2+y2≤41\le x^2+y^2\le4 halkasının birinci bölgedeki parçasında ∬x dA\iint x\,dA:

r: 1 → 2,   θ: 0 → π/2,   x = r cos θ
∫_0^{π/2} ∫_1^2 (r cos θ) r dr dθ = (∫_0^{π/2} cos θ dθ)(∫_1^2 r² dr)
                                  = 1 · (8 - 1)/3 = 7/3

Sınırlar sabit ve integrand g(θ)h(r)g(\theta)h(r) biçiminde olduğunda integral iki tek integralin çarpımına ayrılır. Kutupsal sorularda bu çok sık olur.

Örnek 4 (kutupsal eğriyle sınırlı). r=4sin⁡θr = 4\sin\theta çemberinin içindeki alan. Çember θ∈[0,π]\theta\in[0,\pi] aralığında bir kez çizilir.

∫0π ⁣ ⁣∫04sin⁡θr dr dθ=∫0π8sin⁡2θ dθ=8⋅π2=4π.\int_0^\pi\!\!\int_0^{4\sin\theta}r\,dr\,d\theta = \int_0^\pi8\sin^2\theta\,d\theta = 8\cdot\frac\pi2 = 4\pi.

Kontrol: x2+y2=4yx^2+y^2 = 4y, yani x2+(y−2)2=4x^2+(y-2)^2 = 4, yarıçap 22, alan 4π4\pi ✓.

TUZAK · θ\theta aralığı. r=2cos⁡θr = 2\cos\theta çemberi için 0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi yazarsan çemberi iki kez dolaşırsın ve alanı iki katı bulursun. Kutupsal eğrinin bir kez çizildiği aralığı kullan: r≥0r\ge0 olan açılar. Gül eğrilerinde (r=cos⁡2θr = \cos2\theta) bir yaprak için de r≥0r\ge0 aralığını bul.

Kartezyenden kutupsala dönüştürme

Örnek 5. ∫−11 ⁣ ⁣∫01−x2(x2+y2) dy dx\displaystyle\int_{-1}^1\!\!\int_0^{\sqrt{1-x^2}}(x^2+y^2)\,dy\,dx.

1) Bölgeyi oku: -1 ≤ x ≤ 1,  0 ≤ y ≤ √(1-x²)  → birim dairenin ÜST yarısı
2) Kutupsal sınırlar: 0 ≤ r ≤ 1,  0 ≤ θ ≤ π
3) İntegrand: x² + y² = r²;   dy dx → r dr dθ
4) ∫_0^π ∫_0^1 r² · r dr dθ = π · (1/4) = π/4

Kartezyende bu integral y3/3y^3/3 ve (1−x2)3/2(1-x^2)^{3/2} gibi terimlerle uzun bir hesap gerektirirdi.

İPUCU · köklü sınır işaret fişeği. Bir sınırda a2−x2\sqrt{a^2-x^2} ya da a2−y2\sqrt{a^2-y^2} görüyorsan bölge büyük ihtimalle bir dairenin parçası. İntegrandda da x2+y2x^2+y^2 varsa soru seni kutupsala çağırıyor.

Gauss integrali

∫e−x2dx\int e^{-x^2}dx‘in temel antitürevi yok; ama tüm doğru üzerindeki değeri kutupsal hileyle bulunur. I=∫−∞∞e−x2dxI = \int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}dx ise

I2=∫−∞∞e−x2dx∫−∞∞e−y2dy=∬R2e−(x2+y2)dA=∫02π ⁣ ⁣∫0∞e−r2r dr dθ=2π⋅12=π.I^2 = \int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}dx\int_{-\infty}^\infty e^{-y^2}dy = \iint_{\mathbb R^2}e^{-(x^2+y^2)}dA = \int_0^{2\pi}\!\!\int_0^\infty e^{-r^2}r\,dr\,d\theta = 2\pi\cdot\frac12 = \pi.

I=πI = \sqrt\pi. Olasılıktaki normal dağılımın formülündeki 2π\sqrt{2\pi} buradan gelir. Hilenin kalbi yine rr çarpanı: e−r2re^{-r^2}r ifadesinin antitürevi var, e−r2e^{-r^2}‘nin yok.

Hacim

Taban bölgesi daire ya da halka olan katılarda hacim ∬(u¨st−alt) dA\iint(\text{üst}-\text{alt})\,dA yine geçerli; sadece kutupsal yazarsın. Tabanı bulmak için iki yüzeyi eşitle ya da yüzeyin z=0z = 0 ile kesişimine bak. Q7’de paraboloit z=0z = 0‘da r=3r = 3 çemberini verir; Q8’de silindir tabanı doğrudan r≤1r\le1 diye belirler.

Sık yapılan hatalar

YanlışDoğrusu
dA=dr dθdA = dr\,d\thetadA=r dr dθdA = r\,dr\,d\theta
İntegranda xx, yy bırakmakx=rcos⁡θx = r\cos\theta, y=rsin⁡θy = r\sin\theta koy
Kutupsal eğriyi [0,2π][0,2\pi]‘de iki kez saymakBir kez çizildiği aralık (r≥0r\ge0)
Üst yarı disk için 0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi0≤θ≤π0\le\theta\le\pi
Sağ yarı için 0≤θ≤π0\le\theta\le\pi−π2≤θ≤π2-\frac\pi2\le\theta\le\frac\pi2
Sıra: dθ drd\theta\,dr ile θ\theta sınırını içe koymakGenelde rr içte (sınırı θ\theta‘ya bağlı olabilir), θ\theta dışta
∫02πcos⁡2θ dθ=0\int_0^{2\pi}\cos^2\theta\,d\theta = 0π\pi (ortalaması 12\frac12)
Kürede yüksekliği tek yarıyla almakÜst eksi alt: 2a2−r22\sqrt{a^2-r^2}

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

Evaluate ∬D(x2+y2) dA\displaystyle\iint_D(x^2+y^2)\,dA where DD is the disk x2+y2≤4x^2+y^2\le4.

Cevabı göster
8π8\pi

Kutupsal: x2+y2=r2x^2+y^2 = r^2, dA=r dr dθdA = r\,dr\,d\theta, 0≤r≤20\le r\le2, 0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi.∫02π ⁣ ⁣∫02r2⋅r dr dθ=2π⋅244=8π\displaystyle\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^2r^2\cdot r\,dr\,d\theta = 2\pi\cdot\frac{2^4}{4} = 8\pi.

Soru 2orta

Use a double integral to find the area of the region inside the circle r=2cos⁡θr = 2\cos\theta.

Cevabı göster
π\pi

r=2cos⁡θr = 2\cos\theta, θ∈[−π2,π2]\theta\in[-\frac\pi2,\frac\pi2] aralığında bir kez çizilir (merkezi (1,0)(1,0), yarıçapı 11 çember).∫−π/2π/2 ⁣ ⁣∫02cos⁡θr dr dθ=∫−π/2π/22cos⁡2θ dθ=π\displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\!\!\int_0^{2\cos\theta}r\,dr\,d\theta = \int_{-\pi/2}^{\pi/2}2\cos^2\theta\,d\theta = \pi.
Kontrol: yarıçapı 11 dairenin alanı π\pi.

Soru 3orta

Evaluate ∬De−(x2+y2) dA\displaystyle\iint_De^{-(x^2+y^2)}\,dA where DD is the unit disk.

Cevabı göster
π(1−e−1)≈1.986\pi(1-e^{-1})\approx1.986

∫02π ⁣ ⁣∫01e−r2r dr dθ\displaystyle\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^1e^{-r^2}r\,dr\,d\theta. u=r2u = r^2, du=2r drdu = 2r\,dr: iç integral [−12e−r2]01=12(1−e−1)\left[-\tfrac12e^{-r^2}\right]_0^1 = \tfrac12(1-e^{-1}).2π2\pi ile çarp: π(1−e−1)\pi(1-e^{-1}). (rr çarpanı olmasa bu integral alınamazdı.)

Soru 4zor

Use polar coordinates to show that ∫−∞∞e−x2dx=π\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x^2}dx = \sqrt\pi.

Cevabı göster
π\sqrt\pi

I=∫−∞∞e−x2dxI = \int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}dx olsun. I2=∫−∞∞ ⁣ ⁣∫−∞∞e−(x2+y2)dx dyI^2 = \displaystyle\int_{-\infty}^\infty\!\!\int_{-\infty}^\infty e^{-(x^2+y^2)}dx\,dy, bütün düzlem.
Kutupsal: ∫02π ⁣ ⁣∫0∞e−r2r dr dθ=2π⋅12=π\displaystyle\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^\infty e^{-r^2}r\,dr\,d\theta = 2\pi\cdot\frac12 = \pi.I>0I>0 olduğundan I=πI = \sqrt\pi.

Soru 5orta

Convert to polar coordinates and evaluate ∫01 ⁣ ⁣∫01−x2(x2+y2)3/2 dy dx\displaystyle\int_0^1\!\!\int_0^{\sqrt{1-x^2}}(x^2+y^2)^{3/2}\,dy\,dx.

Cevabı göster
π/10\pi/10

Bölge: 0≤x≤10\le x\le1, 0≤y≤1−x20\le y\le\sqrt{1-x^2}, birim çeyrek daire (birinci bölge). 0≤r≤10\le r\le1, 0≤θ≤π20\le\theta\le\frac\pi2.(x2+y2)3/2=r3(x^2+y^2)^{3/2} = r^3. ∫0π/2 ⁣ ⁣∫01r3⋅r dr dθ=π2⋅15=π10\displaystyle\int_0^{\pi/2}\!\!\int_0^1r^3\cdot r\,dr\,d\theta = \frac\pi2\cdot\frac15 = \frac{\pi}{10}.

Soru 6orta

Evaluate ∬D1x2+y2 dA\displaystyle\iint_D\frac{1}{x^2+y^2}\,dA over the annulus 1≤x2+y2≤91\le x^2+y^2\le9.

Cevabı göster
2πln⁡32\pi\ln3

Halka: 1≤r≤31\le r\le3, 0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi. ∫02π ⁣ ⁣∫131r2r dr dθ=2π[ln⁡r]13=2πln⁡3\displaystyle\int_0^{2\pi}\!\!\int_1^3\frac{1}{r^2}r\,dr\,d\theta = 2\pi\left[\ln r\right]_1^3 = 2\pi\ln3.

Soru 7orta

Find the volume of the solid under the paraboloid z=9−x2−y2z = 9-x^2-y^2 and above the xyxy-plane.

Cevabı göster
81π/281\pi/2

z=0z = 0: x2+y2=9x^2+y^2 = 9, taban yarıçapı 33 olan disk.∫02π ⁣ ⁣∫03(9−r2)r dr dθ=2π[9r22−r44]03=2π(812−814)=81π2\displaystyle\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^3(9-r^2)r\,dr\,d\theta = 2\pi\left[\tfrac{9r^2}{2}-\tfrac{r^4}{4}\right]_0^3 = 2\pi\left(\tfrac{81}{2}-\tfrac{81}{4}\right) = \frac{81\pi}{2}.

Soru 8zor

Find the volume of the solid inside the sphere x2+y2+z2=4x^2+y^2+z^2 = 4 and inside the cylinder x2+y2=1x^2+y^2 = 1.

Cevabı göster
4π3(8−33)≈11.74\dfrac{4\pi}{3}(8-3\sqrt3)\approx11.74

Üst yarı z=4−r2z = \sqrt{4-r^2}, alt yarı −4−r2-\sqrt{4-r^2}; yükseklik 24−r22\sqrt{4-r^2}. Taban r≤1r\le1.∫02π ⁣ ⁣∫0124−r2 r dr dθ\displaystyle\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^12\sqrt{4-r^2}\,r\,dr\,d\theta. u=4−r2u = 4-r^2: iç integral [−23(4−r2)3/2]01=23(8−33)\left[-\tfrac23(4-r^2)^{3/2}\right]_0^1 = \tfrac23(8-3\sqrt3).2π2\pi ile çarp: 4π3(8−33)≈11.745\tfrac{4\pi}{3}(8-3\sqrt3)\approx11.745.

Soru 9orta

Evaluate ∬Dx dA\displaystyle\iint_Dx\,dA where DD is the right half of the disk x2+y2≤4x^2+y^2\le4.

Cevabı göster
16/316/3

Sağ yarı: −π2≤θ≤π2-\frac\pi2\le\theta\le\frac\pi2, 0≤r≤20\le r\le2. x=rcos⁡θx = r\cos\theta.∫−π/2π/2cos⁡θ dθ∫02r2 dr=2⋅83=163\displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos\theta\,d\theta\int_0^2r^2\,dr = 2\cdot\frac83 = \frac{16}{3}.

Soru 10zor

Find the area of one petal of the rose r=cos⁡2θr = \cos2\theta.

Cevabı göster
π/8\pi/8

Bir yaprak r≥0r\ge0 olduğu −π4≤θ≤π4-\frac\pi4\le\theta\le\frac\pi4 aralığında çizilir.∫−π/4π/4 ⁣ ⁣∫0cos⁡2θr dr dθ=12∫−π/4π/4cos⁡22θ dθ=12⋅π4=π8\displaystyle\int_{-\pi/4}^{\pi/4}\!\!\int_0^{\cos2\theta}r\,dr\,d\theta = \frac12\int_{-\pi/4}^{\pi/4}\cos^22\theta\,d\theta = \frac12\cdot\frac\pi4 = \frac\pi8.

Soru 11orta

Find the area enclosed by the cardioid r=1+cos⁡θr = 1+\cos\theta.

Cevabı göster
3π/23\pi/2

∫02π ⁣ ⁣∫01+cos⁡θr dr dθ=12∫02π(1+2cos⁡θ+cos⁡2θ) dθ\displaystyle\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^{1+\cos\theta}r\,dr\,d\theta = \frac12\int_0^{2\pi}(1+2\cos\theta+\cos^2\theta)\,d\theta.=12(2π+0+π)=3π2= \frac12(2\pi+0+\pi) = \frac{3\pi}{2}.

Soru 12kolay

Evaluate ∬Dxy dA\displaystyle\iint_Dxy\,dA where DD is the part of the disk x2+y2≤9x^2+y^2\le9 in the first quadrant.

Cevabı göster
81/881/8

xy=r2cos⁡θsin⁡θxy = r^2\cos\theta\sin\theta. ∫0π/2cos⁡θsin⁡θ dθ∫03r3 dr=12⋅814=818\displaystyle\int_0^{\pi/2}\cos\theta\sin\theta\,d\theta\int_0^3r^3\,dr = \frac12\cdot\frac{81}{4} = \frac{81}{8}.

Doğrulama: Bütün kutupsal integraller node'da iç içe Simpson ile (r ve θ üzerinde) hesaplandı; mümkün olanlar ayrıca aynı bölgede Kartezyen iç içe Simpson ile, Gauss integrali tanh-sinh ile tüm doğru üzerinde bağımsız olarak doğrulandı (verify/MAT1052/14.mjs).

Deftere not kartı

x = r cos θ, y = r sin θ, x² + y² = r², tan θ = y/x dA = r dr dθ (r'yi UNUTMA!) ∬_D f dA = ∫_α^β ∫_{r1(θ)}^{r2(θ)} f(r cos θ, r sin θ) r dr dθ Ne zaman kutupsal? Bölge daire/halka/dilim; integrandda x²+y² Disk r≤a: 0≤r≤a, 0≤θ≤2π. Halka: a≤r≤b. Çeyrek: 0≤θ≤π/2 Sağ yarı: -π/2≤θ≤π/2. Üst yarı: 0≤θ≤π r = 2a cos θ: merkez (a,0), -π/2≤θ≤π/2. r = 2a sin θ: merkez (0,a), 0≤θ≤π Alan = ∫∫ r dr dθ = (1/2)∫ r(θ)² dθ cos²θ ortalaması 1/2: ∫_0^{2π} cos²θ dθ = π Gauss: ∫_{-∞}^{∞} e^{-x²} dx = √π Hacim: üst - alt yüzey; taban = kesişimin xy izdüşümü