Matematik I · 5. Ünite: İntegralin Uygulamaları

Eğri Uzunluğu (Yay Uzunluğu)

Düz bir doğru parçasının uzunluğunu bir cetvelle ölçeriz; eğri bir yolun uzunluğu ise ancak onu çok küçük doğru parçalarına bölerek tanımlanabilir. Yay uzunluğu integrali, yolun her noktasındaki yatay ve düşey değişimi Pisagor teoremiyle birleştirip toplar. Bu konunun sonunda $L=\int_a^b\sqrt{1+[f'(x)]^2}\,dx$ formülünü poligon yaklaşımından türetebilir, hem $y=f(x)$ hem $x=g(y)$ biçiminde uygulayabilir ve integrali kapalı biçimde çözülebilir hâle getiren durumları (tam kare yapısı) tanıyabilirsiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: eğri bir yolu nasıl ölçeriz?

  2. Tanım ve teorem: yay uzunluğu formülünün türetilmesi

  3. Çözümlü örnekler

  4. Sınır durumları ve dikkat edilecek yerler

  5. Simülasyonla keşif

  6. Sık yapılan hatalar ve kavram yanılgıları

Anahtar terimler

Yay uzunluğu (arc length)
Bir eğri parçasının uzunluğu; $f'$ sürekli iken $L=\int_a^b\sqrt{1+[f'(x)]^2}\,dx$.
Poligon yaklaşımı (polygonal approximation)
Eğriyi uç uca eklenmiş doğru parçalarıyla yaklaşıklama; uzunluk $\sum\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}$ ve $n\to\infty$ için yay uzunluğuna aşağıdan yakınsar.
Yay uzunluğu elemanı (arc length element)
$ds=\sqrt{dx^2+dy^2}=\sqrt{1+(y')^2}\,dx$; eğri boyunca sonsuz küçük parçanın uzunluğu.
Kiriş (chord)
Eğrinin iki noktasını birleştiren doğru parçası; yay uzunluğu için alt sınırdır.
Sürekli türevlenebilir (continuously differentiable)
$f'$ var ve süreklidir; yay uzunluğu formülünün geçerlilik koşuludur.
Zincir eğrisi (catenary)
$y=a\cosh(x/a)$; asılı kablonun biçimi; $1+y'^2=\cosh^2(x/a)$ olduğundan yay uzunluğu $a\sinh(x/a)$ farkıdır.
Tam kare yapısı
$1+[f'(x)]^2$ ifadesinin bir ifadenin karesi olması; kökü kaldırır ve integrali kapalı biçimde çözer.

Örnek soru

$y=\tfrac23x^{3/2}$, $0\le x\le3$ eğrisinin uzunluğu kaçtır?

  1. $\dfrac{16}{3}$
  2. $\dfrac{2\sqrt{3}}{3}$
  3. $\dfrac{28}{9}$
  4. $\dfrac{14}{3}$
  5. $6$

Doğru cevap: D

Çözüm

1. $y'=x^{1/2}$, $1+y'^2=1+x$.
2. $L=\int_0^3\sqrt{1+x}\,dx=\tfrac23(1+x)^{3/2}\Big|_0^3=\tfrac23(8-1)=\tfrac{14}{3}$.
3. Kontrol: kiriş $\sqrt{9+(2\sqrt3)^2}=\sqrt{21}\approx4{,}58\le L\approx4{,}67$ ✓.
Doğru cevap: $\tfrac{14}{3}$. $\tfrac{16}{3}=\tfrac23\cdot8$ değeri, alt sınırdaki katkı $\tfrac23\cdot1$'in çıkarılmamasının sonucudur.

Matematik I: tüm konular