Matematik I · 8. Ünite: Parametrik ve Kutupsal Denklemler

Parametrik Eğrilerde Türev ve İntegral

Parametrik bir eğri $y = f(x)$ biçiminde yazılamadığında bile teğet doğrusunun eğimi, eğrinin altında kalan alan, yay uzunluğu ve dönel yüzey alanı sorulabilir. Bu konuda zincir kuralı ve değişken değiştirme yardımıyla bütün bu nicelikleri doğrudan $x(t)$ ve $y(t)$ cinsinden hesaplayacağız. Sonunda $dy/dx$ ve $d^2y/dx^2$'yi, yatay, dikey teğetleri ve sivri uçları bulabilir; $\int y\,dx$, $\int\sqrt{x'^2 + y'^2}\,dt$ ve $\int 2\pi y\,ds$ integrallerini kurup hesaplayabilir ve parametrizasyonun tekrar tur atmasının sonuçları nasıl etkilediğini yorumlayabilirsiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Hareket eden noktanın hızı ve teğeti

  2. Teğet eğimi: dy/dx formülünün türetilmesi

  3. İkinci türev ve içbükeylik

  4. Eğrinin altındaki alan

  5. Yay uzunluğu ve dönel yüzey alanı

  6. Simülasyonda gözlem

  7. Sık yapılan hatalar ve kavram yanılgıları

Anahtar terimler

Parametrik türev
$\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{dy/dt}{dx/dt}$; teğet doğrusunun eğimi, hız vektörünün düşey ve yatay bileşenlerinin oranıdır.
Yatay ve dikey teğet
Yatay: $dy/dt = 0$, $dx/dt \ne 0$. Dikey: $dx/dt = 0$, $dy/dt \ne 0$.
Tekil nokta (singular point)
$x'(t) = y'(t) = 0$ olan nokta; hız sıfırdır ve teğet ayrıca incelenmelidir (sivri uç gibi).
Sivri uç (cusp)
Eğrinin hız vektörünün sıfıra gidip yön değiştirdiği, iki kolun aynı doğruya teğet geldiği nokta (ör. $x = t^3$, $y = t^2$).
İkinci türev (parametrik)
$\dfrac{d^2y}{dx^2} = \dfrac{\frac{d}{dt}(dy/dx)}{dx/dt}$; içbükeylik ve büküm noktası analizi için kullanılır.
Parametrik alan
$A = \int y\,dx = \int y(t)\,x'(t)\,dt$; yön ve $t$ aralığına bağlı olarak işaretli sonuç verir.
Yay uzunluğu (arc length)
$L = \int\sqrt{x'^2 + y'^2}\,dt$; sürat integraline eşittir ve eğri bir kez çizilirken geçerlidir.
Dönel yüzey alanı
$S = \int 2\pi y\,ds$; $ds = \sqrt{x'^2 + y'^2}\,dt$ yay uzunluğu elemanıdır.
Sürat (speed)
$|\vec{v}| = \sqrt{x'^2 + y'^2}$; hız vektörünün büyüklüğü.

Örnek soru

$x = t^2$, $y = t^3 - 3t$ eğrisinin $t = 2$ noktasındaki teğetinin eğimi kaçtır?

  1. $\dfrac{4}{9}$
  2. $\dfrac{3}{4}$
  3. $\dfrac{9}{2}$
  4. $\dfrac{9}{4}$
  5. $9$

Doğru cevap: D

Çözüm

1. $\dfrac{dx}{dt} = 2t$, $\dfrac{dy}{dt} = 3t^2 - 3$.
2. $t = 2$ için $x' = 4$, $y' = 9$.
3. Eğim $\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{y'}{x'} = \dfrac{9}{4}$. Sonuç: $9/4$.
Çeldiriciler: $4/9$ oranı ters yazmaktır ($dx/dy$); $9$ yalnızca $dy/dt$'yi alır; $9/2$ ise paydada $x' = 2t$ yerine $2$ kullanmaktan çıkar.

Matematik I: tüm konular