Pintaintegraalilla tarkoitetaan funktion integroimista yli pinnan. Se on määritelty vain :n pinnoille.[1]
Määritelmä
Olkoon yhtenäinen ja eräs :n derivoituva pinta. Olkoon joukko siten, että pinnan kuvaaja . Olkoon nyt funktio sellainen, että funktio ,
,
on integroituva yli joukon D. (huomaa, että koska on :n pinta, niin sen osittaisderivaattojen kaavat ovat :n vektoreita ja siis ristitulo voidaan määritellä niille). Nyt funktion pintaintegraali yli pinnan on luku
.
Sovelluksia
Jos valitsemme nyt funktioksi , niin pintaintegraali antaa pinnan kuvaajan pinta-alan. Saamme siis pinnan kuvaajan pinta-alaksi kaavan
.
Esimerkiksi voimme laskea kolmiulotteisen r-säteisen pallon kuoren pinta-alan tällä kaavalla. Määritellään pinta ,
.
Huomataan, että pinnan kuvaaja on r-säteisen origokeskisen pallon ylempi kupu. Näin ollen koko pallon kuoren pinta-ala saadaan pinnan kaksinkertaisesta pinta-alasta. Lasketaan nyt pinnan osittaisderivaatat:
Näiden vektoreiden ristituloksi saadaan vektori:
ja edelleen sen normiksi
.
Näin ollen
.
(lopun integroinneissa käytetään apuna tasa-arvokäyrien teoriaa).
Vuopintaintegraali
Pääartikkeli: Vuo
Määrittelemme lisäksi toisenlaisen integraalin, jota kutsutaan kirjallisuudessa vuopintaintegraaliksi tai usein vain lyhyesti vuoksi. Olkoon pinta ja joukko kuten edellä määriteltiin. Olkoon nyt funktio sellainen, että funktio ,
,
on integroituva yli joukon D. Nyt funktion vuopintaintegraali eli vuo läpi pinnan on luku
.
Vuopintaintegraaliin liittyy tärkeä ns. divergenssilause, jonka mukaan jos on avoin niin, että sen sulkeuma on kompakti, , missä on avoin ja on :n derivoituva pinta siten, että sen kuvaaja on joukon reuna , niin derivoituvan funktion vuo
.
Lähteet
- ↑ Pitkäranta, Juhani: Calculus Fennicus – TKK:n 1. lukuvuoden laaja matematiikka (2000–2013), s. 951 (pdf) Helsinki: Avoimet oppimateriaalit ry. ISBN 978-952-7010-12-9 ISBN 978-952-7010-6 (pdf). Viitattu 8.7.2019.