\[\newcommand{\N}{\mathbb N} \newcommand{\Z}{\mathbb Z} \newcommand{\Q}{\mathbb Q} \newcommand{\R}{\mathbb R} \newcommand{\C}{\mathbb C} \newcommand{\ba}{\mathbf{a}} \newcommand{\bb}{\mathbf{b}} \newcommand{\bc}{\mathbf{c}} \newcommand{\bd}{\mathbf{d}} \newcommand{\be}{\mathbf{e}} \newcommand{\bff}{\mathbf{f}} \newcommand{\bh}{\mathbf{h}} \newcommand{\bi}{\mathbf{i}} \newcommand{\bj}{\mathbf{j}} \newcommand{\bk}{\mathbf{k}} \newcommand{\bN}{\mathbf{N}} \newcommand{\bn}{\mathbf{n}} \newcommand{\bo}{\mathbf{0}} \newcommand{\bp}{\mathbf{p}} \newcommand{\bq}{\mathbf{q}} \newcommand{\br}{\mathbf{r}} \newcommand{\bs}{\mathbf{s}} \newcommand{\bT}{\mathbf{T}} \newcommand{\bu}{\mathbf{u}} \newcommand{\bv}{\mathbf{v}} \newcommand{\bw}{\mathbf{w}} \newcommand{\bx}{\mathbf{x}} \newcommand{\by}{\mathbf{y}} \newcommand{\bz}{\mathbf{z}} \newcommand{\bzero}{\mathbf{0}} \newcommand{\nv}{\mathbf{0}} \newcommand{\cA}{\mathcal{A}} \newcommand{\cB}{\mathcal{B}} \newcommand{\cC}{\mathcal{C}} \newcommand{\cD}{\mathcal{D}} \newcommand{\cE}{\mathcal{E}} \newcommand{\cF}{\mathcal{F}} \newcommand{\cG}{\mathcal{G}} \newcommand{\cH}{\mathcal{H}} \newcommand{\cI}{\mathcal{I}} \newcommand{\cJ}{\mathcal{J}} \newcommand{\cK}{\mathcal{K}} \newcommand{\cL}{\mathcal{L}} \newcommand{\cM}{\mathcal{M}} \newcommand{\cN}{\mathcal{N}} \newcommand{\cO}{\mathcal{O}} \newcommand{\cP}{\mathcal{P}} \newcommand{\cQ}{\mathcal{Q}} \newcommand{\cR}{\mathcal{R}} \newcommand{\cS}{\mathcal{S}} \newcommand{\cT}{\mathcal{T}} \newcommand{\cU}{\mathcal{U}} \newcommand{\cV}{\mathcal{V}} \newcommand{\cW}{\mathcal{W}} \newcommand{\cX}{\mathcal{X}} \newcommand{\cY}{\mathcal{Y}} \newcommand{\cZ}{\mathcal{Z}} \newcommand{\rA}{\mathrm{A}} \newcommand{\rB}{\mathrm{B}} \newcommand{\rC}{\mathrm{C}} \newcommand{\rD}{\mathrm{D}} \newcommand{\rE}{\mathrm{E}} \newcommand{\rF}{\mathrm{F}} \newcommand{\rG}{\mathrm{G}} \newcommand{\rH}{\mathrm{H}} \newcommand{\rI}{\mathrm{I}} \newcommand{\rJ}{\mathrm{J}} \newcommand{\rK}{\mathrm{K}} \newcommand{\rL}{\mathrm{L}} \newcommand{\rM}{\mathrm{M}} \newcommand{\rN}{\mathrm{N}} \newcommand{\rO}{\mathrm{O}} \newcommand{\rP}{\mathrm{P}} \newcommand{\rQ}{\mathrm{Q}} \newcommand{\rR}{\mathrm{R}} \newcommand{\rS}{\mathrm{S}} \newcommand{\rT}{\mathrm{T}} \newcommand{\rU}{\mathrm{U}} \newcommand{\rV}{\mathrm{V}} \newcommand{\rW}{\mathrm{W}} \newcommand{\rX}{\mathrm{X}} \newcommand{\rY}{\mathrm{Y}} \newcommand{\rZ}{\mathrm{Z}} \newcommand{\pv}{\overline} \newcommand{\iu}{\mathrm{i}} \newcommand{\ju}{\mathrm{j}} \newcommand{\im}{\mathrm{i}} \newcommand{\e}{\mathrm{e}} \newcommand{\real}{\operatorname{Re}} \newcommand{\imag}{\operatorname{Im}} \newcommand{\Arg}{\operatorname{Arg}} \newcommand{\Ln}{\operatorname{Ln}} \DeclareMathOperator*{\res}{res} \newcommand{\re}{\operatorname{Re}} \newcommand{\im}{\operatorname{Im}} \newcommand{\arsinh}{\operatorname{ar\,sinh}} \newcommand{\arcosh}{\operatorname{ar\,cosh}} \newcommand{\artanh}{\operatorname{ar\,tanh}} \newcommand{\sgn}{\operatorname{sgn}} \newcommand{\diag}{\operatorname{diag}} \newcommand{\proj}{\operatorname{proj}} \newcommand{\rref}{\operatorname{rref}} \newcommand{\rank}{\operatorname{rank}} \newcommand{\Span}{\operatorname{span}} \newcommand{\vir}{\operatorname{span}} \renewcommand{\dim}{\operatorname{dim}} \newcommand{\alg}{\operatorname{alg}} \newcommand{\geom}{\operatorname{geom}} \newcommand{\id}{\operatorname{id}} \newcommand{\norm}[1]{\lVert #1 \rVert} \newcommand{\tp}[1]{#1^{\top}} \renewcommand{\d}{\mathrm{d}} \newcommand{\sij}[2]{\bigg/_{\mspace{-15mu}#1}^{\,#2}} \newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert} \newcommand{\pysty}[1]{\left[\begin{array}{@{}r@{}}#1\end{array}\right]} \newcommand{\piste}{\cdot} \newcommand{\qedhere}{} \newcommand{\taumatrix}[1]{\left[\!\!#1\!\!\right]} \newenvironment{augmatrix}[1]{\left[\begin{array}{#1}}{\end{array}\right]} \newenvironment{vaugmatrix}[1]{\left|\begin{array}{#1}}{\end{array}\right|} \newcommand{\trans}{\mathrm{T}} \newcommand{\EUR}{\text{\unicode{0x20AC}}} \newcommand{\SI}[3][]{#2\,\mathrm{#3}} \newcommand{\si}[2][]{\mathrm{#2}} \newcommand{\num}[2][]{#2} \newcommand{\ang}[2][]{#2^{\circ}} \newcommand{\meter}{m} \newcommand{\metre}{\meter} \newcommand{\kilo}{k} \newcommand{\kilogram}{kg} \newcommand{\gram}{g} \newcommand{\squared}{^2} \newcommand{\cubed}{^3} \newcommand{\minute}{min} \newcommand{\hour}{h} \newcommand{\second}{s} \newcommand{\degreeCelsius}{^{\circ}C} \newcommand{\per}{/} \newcommand{\centi}{c} \newcommand{\milli}{m} \newcommand{\deci}{d} \newcommand{\percent}{\%} \newcommand{\Var}{\operatorname{Var}} \newcommand{\Cov}{\operatorname{Cov}} \newcommand{\Corr}{\operatorname{Corr}} \newcommand{\Tasd}{\operatorname{Tasd}} \newcommand{\Ber}{\operatorname{Ber}} \newcommand{\Bin}{\operatorname{Bin}} \newcommand{\Geom}{\operatorname{Geom}} \newcommand{\Poi}{\operatorname{Poi}} \newcommand{\Hyperg}{\operatorname{Hyperg}} \newcommand{\Tas}{\operatorname{Tas}} \newcommand{\Exp}{\operatorname{Exp}} \newcommand{\tdist}{\operatorname{t}} \newcommand{\rd}{\mathrm{d}} \newcommand{\oiint}{\unicode{x222F}}\]

Käyräviivainen koordinaatisto

Ennen yleisen tapauksen käsittelyä voi olla hyödyllista kerrata pallokoordinaatistoa, jolloin tämän kappaleen käsitteille saadaan hyvin konkreettiset ja ennestään tutut tulkinnat (erityisesti Maapalloon sovellettuna). Pallokoordinaatistoa käsitellään tarkemmin seuraavassa kappaleessa.

Kolmiulotteisen avaruuden alueen \(D\) (joka on yleensä koko \(\R^3\)) esitys käyräviivaisen koordinaatiston (curvilinear coordinates) avulla syntyy jatkuvasta muuttujanvaihdosta \(\mathbf{r}\colon \Omega\to D\), kun \(\Omega\subset\R^3\). Tällöin siis

\[\mathbf{r} (u,v,w) =(x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w))\in D \text{ kaikilla } (u,v,w)\in\Omega.\]

Joukkoa \(\Omega\) kutsutaan yleensä parametrialueeksi.

Muuttujanvaihdon täytyy olla injektiivinen (eri pisteet kuvautuvat eri pisteille) alueen \(\Omega\) sisällä, mutta injektiivisyyttä ei käytännön syistä vaadita sen reunalla \(\partial \Omega\). Edes tärkein esimerkki pallokoordinaatisto ei toteuta injektiivisyysvaatimusta parametrialueen reunalla.

Muuttujanvaihtoon liittyvät koordinaattipinnat (coordinate surface) saadaan kiinnittämällä yksi koordinaatti ja antamalla kahden muun vaihdella:

\(uv\)-koordinaattipinta \((u,v)\mapsto\mathbf{r} (u,v,w_0)\),

\(uw\)-koordinaattipinta \((u,w)\mapsto\mathbf{r} (u,v_0,w)\) ja

\(vw\)-koordinaattipinta \((v,w)\mapsto\mathbf{r} (u_0,v,w)\).

Kun kaksi koordinaattia kiinnitetään, niin saadaan (coordinate curve) koordinaattiviivoja:

\(u\)-koordinaattiviiva \(u\mapsto\mathbf{r} (u,v_0,w_0)\),

\(v\)-koordinaattiviiva \(v\mapsto\mathbf{r} (u_0,v,w_0)\), ja

\(w\)-koordinaattiviiva \(w\mapsto\mathbf{r} (u_0,v_0,w)\).

Nämä ovat myös sopivien koordinaattipintojen leikkauskäyriä.

Mieti, millaisia nämä joukot ovat pallokoordinaatistossa \((r,\varphi,\theta)\), jota käsitellään tarkemmin seuraavassa kohdassa.

Määritelmä 4.2.1

Tarkastellaan derivoituvaa muuttujanvaihtoa \(\mathbf{r}\colon \Omega\to D\).

Koordinaattien \((u,v,w)\) venytyssuhteet ovat

\[h_u = \left\| \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial u}\right\|,\ h_v = \left\| \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial v}\right\| \text{ ja } h_w = \left\| \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial w}\right\|.\]

Tässä pisteen \(\mathbf{r}=(x,y,z)\) osittaisderivaatat lasketaan koordinaateittain eli esimerkiksi

\[\frac{\partial \mathbf{r}}{\partial u}=\mathbf{r}_u=x_u\,\bi+y_u\,\bj+z_u\,\bk.\]

Uuteen koordinaatistoon liittyvät yksikkövektorit ovat

\[\mathbf{e}_u=\frac{1}{h_u}\mathbf{r}_u = \frac{1}{h_u}\frac{\partial\mathbf{r}}{\partial u},\ \mathbf{e}_v=\frac{1}{h_v}\mathbf{r}_v\ \text{ ja }\ \mathbf{e}_w=\frac{1}{h_w}\mathbf{r}_w,\]

jos venytyssuhteet ovat \(\neq 0\).

Määritelmä 4.2.2

Koordinaatisto \((u,v,w)\) on suorakulmainen (eli ortogonaalinen) käyräviivainen koordinaatisto, jos \(\mathbf{e}_u\perp\mathbf{e}_v\), \(\mathbf{e}_u\perp\mathbf{e}_w\) ja \(\mathbf{e}_v\perp\mathbf{e}_w\).

Suorakulmainen koordinaatisto \((u,v,w)\) on oikeakätinen, jos

\[\mathbf{e}_w=\mathbf{e}_u\times \mathbf{e}_v;\]

vertaa kaavaan \(\mathbf{k}=\mathbf{i}\times \mathbf{j}\). Jos yksikkövektoreista muodostetaan \(3\times 3\)-matriisi asettamalla ne matriisin sarakkeiksi, niin oikeakätisyys on yhtäpitävää ehdon

\[\det \big( [\mathbf{e}_u | \mathbf{e}_v | \mathbf{e}_w]\big) = 1\]

kanssa.

Kaikki tärkeimmät avaruuden koordinaatistot ovat ortogonaalisia ja oikeakätisiä. Jos ortogonaalinen koordinaatisto ei toteuta oikeakätisyysehtoa, niin se saadaan korjattua esimerkiksi vaihtamalla \(u\)- ja \(v\)-muuttujien järjestys.

Pienessä muutoksessa \(u\)-koordinaatin suuntaan välillä \([u,u+\Delta u]\) on

\[\Delta \mathbf{r} = \mathbf{r}(u+\Delta u,v,w)-\mathbf{r}(u,v,w) \approx \frac{\partial \mathbf{r}}{\partial u}\, \Delta u,\]

(vrt. approksimaatio (1)) joten \(\|\Delta \mathbf{r}\|\approx h_u\Delta u\). Näin saadaan koordinaattiviivojen kaarenpituusdifferentiaalit (arc length element) venytyssuhteiden avulla lausuttuina:

\[ds_u= h_u\, du, \ ds_v= h_v\, dv \text{ ja } ds_w= h_w\, dw.\]

Suorakulmion pinta-ala ja suorakulmaisen särmiön tilavuus saadaan kertomalla keskenään sivujen pituudet. Tämän vuoksi ortogonaalisessa tapauksessa saadaan koordinaattitasojen pinta-aladifferentiaalit (area element)

\[dS_u= h_vh_w\, dv\, dw, dS_v= h_uh_w\, du\, dw \text{ ja } dS_w= h_uh_v\, du\, dv\]

sekä tilavuusalkio (volume element)

\[dV= h_uh_vh_w\, du\, dv\, dw.\]

Nämä kaavat täytyy tulkita rajatapauksina approksimaatioista kuten

\[\Delta V \approx h_uh_vh_w\, \Delta u\, \Delta v\, \Delta w,\]

kun \(\Delta u, \Delta v, \Delta w\to 0\). Differentiaalien edessä olevat kertoimet kuvaavat pinta-alan ja tilavuuden suurennussuhteita, kun siirrytään parametrialueesta \(xyz\)-koordinaatistoon. Näihin palataan vielä tarkemmin pinta- ja avaruusintegraalien kohdalla luvuissa 4 ja 5.

Kaarenpituus

Ortogonaalisessa tapauksessa välillä \([a,b]\) parametrisoidun käyrän

\[C\colon t\mapsto \mathbf{r}(u(t),v(t),w(t)),\ a\le t\le b,\]

kaarenpituusdifferentiaali (arc length differential) on

\[ds^2=h_u^2\, du^2+h_v^2\, dv^2+h_w^2\, dw^2,\]

ts. käyrän kaarenpituus on muotoa

\[\ell = \int_C 1\, ds = \int_a^b\sqrt{h_u^2u'(t)^2+h_v^2v'(t)^2+h_w^2w'(t)^2}\, dt.\]

Tulkinta ja perustelu: \(ds=\| \frac{d}{dt} \mathbf{r}(u(t),v(t),w(t))\| \, dt\) on symbolinen merkintä kaarenpituusdifferentiaalille, jota integroimalla saadaan kaarenpituus. Symbolisessa muodossa tulkitaan myös \(du=u'(t)\, dt\), jne., joka vastaa yleistä funktion differentiaalin määritelmää (vrt. Diff-int-2). Derivoitava vektori on muotoa

\[\mathbf{r}(u(t),v(t),w(t)) = x(u(t),v(t),w(t))\mathbf{i}+ y(u(t),v(t),w(t))\mathbf{j}+ z(u(t),v(t),w(t))\mathbf{k},\]

joten ketjusäännön avulla saadaan

\[\begin{split}\begin{array}{rcl} \frac{d}{dt} \mathbf{r}(u(t),v(t),w(t)) &=& \left(\frac{\partial x}{\partial u}u'(t)+ \frac{\partial x}{\partial v}v'(t)+ \frac{\partial x}{\partial w}w'(t)\right) \mathbf{i}\nonumber \\ &+& \left(\frac{\partial y}{\partial u}u'(t)+ \frac{\partial y}{\partial v}v'(t)+ \frac{\partial y}{\partial w}w'(t)\right) \mathbf{j}\nonumber \\ &+& \left(\frac{\partial z}{\partial u}u'(t)+ \frac{\partial z}{\partial v}v'(t)+ \frac{\partial z}{\partial w}w'(t)\right) \mathbf{k}\nonumber \\ &=& u'(t) \left(\frac{\partial x}{\partial u}\mathbf{i}+\frac{\partial y}{\partial u}\mathbf{j} +\frac{\partial z}{\partial u}\mathbf{k}\right) \nonumber\\ &+& v'(t) \left(\frac{\partial x}{\partial v}\mathbf{i}+\frac{\partial y}{\partial v}\mathbf{j} +\frac{\partial z}{\partial v}\mathbf{k}\right)\nonumber\\ &+& w'(t) \left(\frac{\partial x}{\partial w}\mathbf{i}+\frac{\partial y}{\partial w}\mathbf{j} +\frac{\partial z}{\partial w}\mathbf{k}\right)\nonumber\\ &=& u'(t)\mathbf{r}_u + v'(t)\mathbf{r}_v + w'(t)\mathbf{r}_w.\nonumber \end{array}\end{split}\]

Koska koordinaatisto on ortogonaalinen, niin tämän vektorin pituuden neliö saadaan laskemalla kunkin kolmen vektorin pituuksien neliöt yhteen. Vaadittu lopputulos saadaan ottamalla huomioon venytyssuhteiden määritelmät \(h_u=\|\mathbf{r}_u\|\) jne.

Palautusta lähetetään...