Mathematics · Boek 4 · Bachelor Year 2

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2 · Bachelor Year 2

20Lijnintegralen en meervoudige integralen

Dit hoofdstuk breidt de integratie uit van intervallen naar krommen en naar gebieden van het vlak en van de ruimte. Lijnintegralen integreren een differentiaalvorm P ⁣dx+Q ⁣dyP\,\dd x + Q\,\dd y langs een georiënteerde boog; dubbele en drievoudige integralen integreren functies over twee- en driedimensionale gebieden. De twee theorieën ontmoeten elkaar in de stelling van Green–Riemann, de tweedimensionale hoofdstelling van de integraalrekening, en het voornaamste rekengereedschap is overal de formule voor de verandering van veranderlijken, waarvan de vervormingsfactor de absolute waarde van de jacobideterminant is.

20.1 Lijnintegralen

Definitie 20.1 (Differentiaalvorm; lijnintegraal)

Zij UR2U \subseteq \R^2 open. Een differentiaalvorm van graad 11 en van klasse C0\mathcal{C}^0 op UU is een uitdrukking ω=P ⁣dx+Q ⁣dy\omega = P\,\dd x + Q\,\dd y met P,Q ⁣:URP, Q \colon U \to \R continu — formeel een continue afbeelding van UU in de duale ruimte van R2\R^2, ω(M)=P(M)e1+Q(M)e2\omega(M) = P(M)\,e_1^* + Q(M)\,e_2^*. Voor een C1\mathcal{C}^1-boog γ ⁣:[a,b]U\gamma \colon [a, b] \to U, γ(t)=(x(t),y(t))\gamma(t) = (x(t), y(t)), is de lijnintegraal van ω\omega langs γ\gamma

γω=ab(P(γ(t))x(t)+Q(γ(t))y(t)) ⁣dt.\int_\gamma \omega = \int_a^b \Bigl(P(\gamma(t))\,x'(t) + Q(\gamma(t))\,y'(t)\Bigr)\,\dd t .

De definities breiden woordelijk uit tot R3\R^3 (vormen P ⁣dx+Q ⁣dy+R ⁣dzP\,\dd x + Q\,\dd y + R\,\dd z) en tot stuksgewijs C1\mathcal{C}^1-bogen (som over de stukken).

Propositie 20.2 (Invariantie en oriëntatie)

De lijnintegraal verandert niet onder een stijgende C1\mathcal{C}^1-parameterverandering, en verandert van teken onder een dalende. Zij hangt dus alleen van de georiënteerde meetkundige boog af.

Bewijs. Is θ ⁣:[c,d][a,b]\theta \colon [c, d] \to [a, b] een parameterverandering en γ~=γθ\tilde\gamma = \gamma \circ \theta, dan geldt volgens de kettingregel en de verandering van veranderlijke t=θ(u)t = \theta(u) in één veranderlijke

γ~ω=cd(P(γ(θ(u)))x(θ(u))+Q(γ(θ(u)))y(θ(u)))θ(u) ⁣du=±ab(Px+Qy)(t) ⁣dt,\int_{\tilde\gamma}\omega = \int_c^d \bigl(P(\gamma(\theta(u)))\,x'(\theta(u)) + Q(\gamma(\theta(u)))\,y'(\theta(u))\bigr)\,\theta'(u)\,\dd u = \pm\int_a^b \bigl(Px' + Qy'\bigr)(t)\,\dd t ,

met teken ++ als θ\theta stijgt (θ(c)=a\theta(c) = a) en - als zij daalt (de grenzen verwisselen).

Voorbeeld 20.3 (Arbeid van een kracht; circulatie)

Is F=(P,Q)F = (P, Q) een krachtveld, dan is γP ⁣dx+Q ⁣dy=abF(γ(t)),γ(t) ⁣dt\int_\gamma P\dd x + Q\dd y = \int_a^b \langle F(\gamma(t)), \gamma'(t)\rangle\,\dd t de arbeid van FF langs γ\gamma. Voor ω=y ⁣dx+x ⁣dy\omega = -y\,\dd x + x\,\dd y langs de eenheidscirkel tegen de wijzers van de klok in, γ(t)=(cost,sint)\gamma(t) = (\cos t, \sin t):

γω=02π((sint)(sint)+costcost) ⁣dt=2π,\int_\gamma \omega = \int_0^{2\pi}\bigl((-\sin t)(-\sin t) + \cos t\cos t\bigr)\,\dd t = 2\pi ,

tweemaal de omsloten oppervlakte — een eerste hint van Green–Riemann.

Voorbeeld 20.4 (Eén integraal, twee parametriseringen, één tekenval)

Bereken γx ⁣dy\int_\gamma x\,\dd y langs de bovenste eenheidshalfcirkel van (1,0)(1, 0) naar (1,0)(-1, 0). Met γ(t)=(cost,sint)\gamma(t) = (\cos t, \sin t), t[0,π]t \in \intcc0\pi:

0πcostcost ⁣dt=π2.\int_0^\pi\cos t\cdot\cos t\,\dd t = \frac\pi2 .

Met de grafiekparametrisering x(x,1x2)x \mapsto (x, \sqrt{1 - x^2}), xx van 11 naar 1-1 (let op de richting!):

11xx1x2 ⁣dx=11x21x2 ⁣dx=π2\int_1^{-1}x\cdot\frac{-x}{\sqrt{1 - x^2}}\,\dd x = \int_{-1}^{1}\frac{x^2}{\sqrt{1 - x^2}}\,\dd x = \frac\pi2

(x=sinux = \sin u herleidt haar tot een integraal van Wallis). Dezelfde waarde, zoals Propositie 20.2 waarborgt — maar alleen omdat beide doorlopen van (1,0)(1,0) naar (1,0)(-1,0) gaan; de reis omkeren keert het teken om. Het pad sluiten langs de xx-as (waar  ⁣dy=0\dd y = 0) voegt niets toe, en het totaal π2\frac\pi2 is de oppervlakte van de halve schijf: het eerste geval van de randformules voor oppervlakten van Green–Riemann hieronder.

Definitie 20.5 (Exacte en gesloten vormen)

De vorm ω=P ⁣dx+Q ⁣dy\omega = P\,\dd x + Q\,\dd y van klasse C0\mathcal{C}^0 heet exact op UU wanneer er een fC1(U)f \in \mathcal{C}^1(U) bestaat (een potentiaal) met ω= ⁣df\omega = \dd f, dat wil zeggen P=fxP = f_x en Q=fyQ = f_y. Een C1\mathcal{C}^1-vorm heet gesloten wanneer Py=QxP_y = Q_x op UU.

Stelling 20.6 (Hoofdstelling voor lijnintegralen)

Is ω= ⁣df\omega = \dd f exact en γ\gamma een stuksgewijs C1\mathcal{C}^1-boog in UU van AA naar BB, dan is

γω=f(B)f(A).\int_\gamma \omega = f(B) - f(A) .

In het bijzonder is de integraal van een exacte vorm langs elke gesloten boog nul, en is elke exacte C1\mathcal{C}^1-vorm gesloten.

Bewijs.  ⁣d ⁣dtf(γ(t))=fx(γ(t))x(t)+fy(γ(t))y(t)\frac{\dd}{\dd t}f(\gamma(t)) = f_x(\gamma(t))x'(t) + f_y(\gamma(t))y'(t) volgens de kettingregel (Hoofdstuk 15), dus is de integrand in Definitie 20.1 de afgeleide van tf(γ(t))t \mapsto f(\gamma(t)), en de hoofdstelling van de integraalrekening geeft het resultaat op elk stuk; de tussenwaarden telescoperen. Dat exacte C1\mathcal{C}^1-vormen gesloten zijn, is de stelling van Schwarz: Py=fxy=fyx=QxP_y = f_{xy} = f_{yx} = Q_x.

Voorbeeld 20.7 (Een potentiaal reconstrueren)

Zij ω=yexy ⁣dx+(xexy+2y) ⁣dy\omega = y\,\eu^{xy}\,\dd x + (x\,\eu^{xy} + 2y)\,\dd y op R2\R^2. Zij is gesloten: beide gemengde afgeleiden zijn gelijk aan exy(1+xy)\eu^{xy}(1 + xy). Om een potentiaal te vinden, integreer je PP naar xx bij vaste yy:

f(x,y)=yexy ⁣dx=exy+c(y),f(x, y) = \int y\,\eu^{xy}\,\dd x = \eu^{xy} + c(y),

en pas je cc aan door fyf_y te laten kloppen: xexy+c(y)=xexy+2yx\,\eu^{xy} + c'(y) = x\,\eu^{xy} + 2y geeft c(y)=y2c(y) = y^2. Dus f(x,y)=exy+y2f(x,y) = \eu^{xy} + y^2, en voor elke stuksgewijs C1\mathcal C^1-boog van (0,0)(0,0) naar (1,1)(1,1) is

γω=f(1,1)f(0,0)=(e+1)1=e,\int_\gamma\omega = f(1,1) - f(0,0) = (\eu + 1) - 1 = \eu ,

onafhankelijk van het pad — het recept in twee stappen (integreren naar xx, corrigeren in yy) is de praktische omkering van Stelling 20.6 op gebieden waar gesloten vormen exact zijn.

Voorbeeld 20.8 (Gesloten impliceert niet exact)

Op U=R2{0}U = \R^2 \setminus \{0\} is de hoekvorm

ω=y ⁣dx+x ⁣dyx2+y2\omega = \frac{-y\,\dd x + x\,\dd y}{x^2 + y^2}

gesloten (rechtstreekse berekening: zowel PyP_y als QxQ_x is gelijk aan y2x2(x2+y2)2\frac{y^2 - x^2}{(x^2+y^2)^2}), maar haar integraal langs de eenheidscirkel is 2π02\pi \neq 0 (dezelfde berekening als in Voorbeeld 20.3, gedeeld door 11): ω\omega is niet exact op UU. Lokaal is ω= ⁣dθ\omega = \dd\theta voor een bepaling θ\theta van de poolhoek; het falen is globaal — de hoek kan niet continu rond het gat worden gedefinieerd. Op gebieden zonder gaten verdwijnt de pathologie: op een stervormige open verzameling is elke gesloten C1\mathcal{C}^1-vorm exact (het lemma van Poincaré, Oefening 20.8).

20.2 Dubbele integralen

Wij nemen de theorie van de riemann-integraal in één veranderlijke als bekend aan (volume van bachelorjaar 1, en Hoofdstuk 9) en schetsen haar versie met twee veranderlijken. Een functie ff die continu is op een rechthoek R=[a,b]×[c,d]R = [a, b] \times [c, d] heeft een dubbele integraal Rf\iint_R f, gedefinieerd met Riemannsommen over roosters precies als in één veranderlijke, en berekend door iteratie:

Stelling 20.9 (Fubini op een rechthoek)

Voor ff continu op R=[a,b]×[c,d]R = [a,b] \times [c,d] geldt

Rf=ab(cdf(x,y) ⁣dy) ⁣dx=cd(abf(x,y) ⁣dx) ⁣dy.\iint_R f = \int_a^b \Bigl(\int_c^d f(x, y)\,\dd y\Bigr)\dd x = \int_c^d \Bigl(\int_a^b f(x, y)\,\dd x\Bigr)\dd y .

Bewijs. Zet F(x)=cdf(x,y) ⁣dyF(x) = \int_c^d f(x, y)\,\dd y. De uniforme continuïteit van ff op het compacte RR maakt FF continu (gedomineerde schatting: F(x)F(x)(dc)supyf(x,y)f(x,y)\abs{F(x) - F(x')} \leq (d - c)\sup_y\abs{f(x,y) - f(x',y)}). Verdeel nu [a,b][a,b] en [c,d][c,d] elk in nn gelijke delen, wat een rooster van cellen RijR_{ij} met oppervlakte ΔxΔy\Delta x\,\Delta y geeft. Op elke cel is infRijfΔxΔyxi1xiyj1yjf(x,y) ⁣dy ⁣dxsupRijfΔxΔy\inf_{R_{ij}} f \cdot \Delta x \Delta y \leq \int_{x_{i-1}}^{x_i}\int_{y_{j-1}}^{y_j} f(x,y)\,\dd y\,\dd x \leq \sup_{R_{ij}} f \cdot \Delta x \Delta y wegens de monotonie van de integraal in één veranderlijke (tweemaal toegepast). Sommeren over de cellen klemt de herhaalde integraal abF\int_a^b F tussen de onder- en bovensommen van Riemann van het rooster; wegens de uniforme continuïteit convergeren beide sommen naar de gemeenschappelijke waarde die Rf\iint_R f definieert als nn \to \infty. Hetzelfde argument werkt met de rollen van xx en yy verwisseld, dus beide herhaalde integralen zijn gelijk aan Rf\iint_R f.

Opmerking 20.10

De continuïteit op een compacte rechthoek doet in het bewijs van Fubini echt werk: zij levert de uniforme continuïteit die de Riemannsommen inklemt. Voor wildere integranden faalt de uitspraak werkelijk — er bestaan functies waarvan de twee herhaalde integralen bestaan en verschillen. De eerlijke algemene stelling, met integreerbaarheid als enige hypothese, is de stelling van Fubini voor de lebesgue-integraal, bewezen in het volume van bachelorjaar 3; alles in dit hoofdstuk blijft binnen het continue kader waar het elementaire bewijs hierboven volledig is.

Definitie 20.11 (Elementaire gebieden)

Een gebied DR2D \subseteq \R^2 heet yy-elementair wanneer

D={(x,y):axb, φ1(x)yφ2(x)}D = \{(x, y) : a \leq x \leq b,\ \varphi_1(x) \leq y \leq \varphi_2(x)\}

met φ1φ2\varphi_1 \leq \varphi_2 continu op [a,b][a,b] (xx-elementair: symmetrisch). Voor ff continu op een yy-elementair gebied DD is

Df=ab(φ1(x)φ2(x)f(x,y) ⁣dy) ⁣dx,\iint_D f = \int_a^b\Bigl( \int_{\varphi_1(x)}^{\varphi_2(x)} f(x,y)\,\dd y\Bigr)\dd x ,

en men gaat na (door ff met een benaderingsargument uit te breiden, of door onder te verdelen) dat wanneer DD in beide richtingen elementair is, de twee herhaalde integralen overeenstemmen. Gebieden die in eindig veel elementaire stukken worden gesneden, worden met de additiviteit behandeld, en de oppervlakte van DD is Area(D)=D1\operatorname{Area}(D) = \iint_D 1.

Voorbeeld 20.12

Op de driehoek D={0x1, 0yx}D = \{0 \leq x \leq 1,\ 0 \leq y \leq x\}:

Dxy ⁣dx ⁣dy=01x(0xy ⁣dy) ⁣dx=01xx22 ⁣dx=18.\iint_D xy \,\dd x\,\dd y = \int_0^1 x\Bigl(\int_0^x y\,\dd y\Bigr)\dd x = \int_0^1 x\cdot\frac{x^2}{2}\,\dd x = \frac18 .

De volgorde verwisselen (xx van yy tot 11): 01y(y1x ⁣dx) ⁣dy=01y1y22 ⁣dy=18\int_0^1 y\bigl(\int_y^1 x\,\dd x\bigr)\dd y = \int_0^1 y\,\frac{1 - y^2}{2}\,\dd y = \frac18 — dezelfde waarde, een andere berekening: de volgorde van integreren goed kiezen is de helft van het vak.

Voorbeeld 20.13 (Wanneer maar één volgorde werkt)

Bereken I=01 ⁣ ⁣x1ey2 ⁣dy ⁣dxI = \displaystyle\int_0^1\!\!\int_x^1 \eu^{y^2}\,\dd y\,\dd x. Zoals zij er staat, heeft de binnenste integraal ey2 ⁣dy\int\eu^{y^2}\dd y geen elementaire primitieve: de berekening loopt vast. Maar het gebied is de driehoek 0xy10 \leq x \leq y \leq 1, die in beide richtingen elementair is; de volgorde verwisselen geeft

I=01 ⁣ ⁣0yey2 ⁣dx ⁣dy=01yey2 ⁣dy=[12ey2]01=e12.I = \int_0^1\!\!\int_0^y \eu^{y^2}\,\dd x\,\dd y = \int_0^1 y\,\eu^{y^2}\,\dd y = \Bigl[\tfrac12\eu^{y^2}\Bigr]_0^1 = \frac{\eu - 1}{2} .

De binnenste veranderlijke xx kwam in de integrand nergens voor, dus haar eerst integreren bracht precies de factor yy voort die de buitenste integraal onmiddellijk maakt. Moraal: Fubini is niet alleen een vergunning om te itereren — het is een vergunning om te kiezen, en de juiste volgorde kan van een onmogelijke integraal een regel van één zin maken. Schets altijd het gebied en lees beide beschrijvingen af voordat je begint.

Stelling 20.14 (Verandering van veranderlijken)

Zij Φ ⁣:UU\Phi \colon U' \to U een C1\mathcal{C}^1-diffeomorfisme tussen open verzamelingen van R2\R^2, zij KUK \subseteq U een compact gebied dat in elementaire stukken is gesneden met K=Φ1(K)K' = \Phi^{-1}(K), en zij ff continu op KK. Dan is

Kf(x,y) ⁣dx ⁣dy=Kf(Φ(u,v))detJΦ(u,v) ⁣du ⁣dv.\iint_K f(x, y)\,\dd x\,\dd y = \iint_{K'} f\bigl(\Phi(u, v)\bigr)\, \abs{\det J_\Phi(u, v)}\,\dd u\,\dd v .

Bewijs. Op dit niveau zonder bewijs aangenomen.

Opmerking 20.15

Het volledige bewijs — Φ\Phi door haar differentiaal benaderen op een fijn rooster en de randcellen beheersen — is lang maar niet diep; het wordt volledig uitgevoerd in de maattheorie van bachelorjaar 3, als gevolg van de theorie van Lebesgue. De heuristiek is het beeld dat al voor de oppervlakte van een oppervlak werd gebruikt: een klein vierkant met zijde  ⁣du\dd u in (u,v)(u, v) wordt tot op eerste orde afgebeeld op het parallellogram opgespannen door Φu ⁣du\Phi_u\,\dd u en Φv ⁣dv\Phi_v\,\dd v, waarvan de oppervlakte detJΦ ⁣du ⁣dv\abs{\det J_\Phi}\,\dd u\,\dd v is (Lemma 19.18).

Opmerking 20.16 (Methode: de verandering van veranderlijken kiezen)

Drie reflexen dekken de meeste gevallen. Symmetrie van de integrand: x2+y2x^2 + y^2 roept om poolcoördinaten, een productstructuur roept om het behouden van de cartesische assen. Vorm van de rand: randen u(x,y)=c1u(x,y) = c_1, v(x,y)=c2v(x,y) = c_2 smeken om de coördinaten (u,v)(u, v) zelf, zoals in het voorbeeld met het hyperbolische gebied hieronder — het gebied wordt een rechthoek, en dat is de hele overwinning. Lineaire structuur: uitdrukkingen in x+yx + y en xyx - y nodigen uit tot de rotatie over 4545 graden of tot een afschuiving (Voorbeeld 20.18). In alle gevallen zijn er drie hokjes aan te vinken voordat je integreert: de afbeelding is een bijectie van het nieuwe gebied op het oude; haar jacobideterminant wordt berekend in de richting die werkelijk wordt gebruikt (inverteer op het einde als dat gemakkelijker is); en de jacobideterminant komt binnen met haar absolute waarde.

Voorbeeld 20.17 (Poolcoördinaten)

Φ(ρ,α)=(ρcosα, ρsinα)\Phi(\rho, \alpha) = (\rho\cos\alpha,\ \rho\sin\alpha) heeft

JΦ=(cosαρsinαsinαρcosα),detJΦ=ρ,J_\Phi = \begin{pmatrix} \cos\alpha & -\rho\sin\alpha\\ \sin\alpha & \rho\cos\alpha \end{pmatrix}, \qquad \det J_\Phi = \rho ,

dus  ⁣dx ⁣dy=ρ ⁣dρ ⁣dα\dd x\,\dd y = \rho\,\dd\rho\,\dd\alpha. Voor de schijf DRD_R met straal RR:

DRe(x2+y2) ⁣dx ⁣dy=02π ⁣ ⁣0Reρ2ρ ⁣dρ ⁣dα=π(1eR2)Rπ.\iint_{D_R} e^{-(x^2 + y^2)}\,\dd x\,\dd y = \int_0^{2\pi}\!\!\int_0^R e^{-\rho^2}\rho\,\dd\rho\,\dd\alpha = \pi\bigl(1 - e^{-R^2}\bigr) \xrightarrow[R\to\infty]{} \pi .

Vergelijken met het vierkant [R,R]2[-R, R]^2 (dat tussen de schijven DRD_R en DR2D_{R\sqrt2} geklemd zit, met overal positieve integranden) geeft (ex2 ⁣dx)2=π\bigl(\int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}\dd x\bigr)^2 = \pi:

 +ex2 ⁣dx=π \boxed{\ \int_{-\infty}^{+\infty} e^{-x^2}\,\dd x = \sqrt{\pi}\ }

— opnieuw de integraal van Gauss, nu met haar beroemdste bewijs (vergelijk de afleiding in één veranderlijke in Hoofdstuk 9).

Voorbeeld 20.18 (Affiene veranderingen van veranderlijken)

Voor een affiene afbeelding Φ(u,v)=M(u,v)T+C\Phi(u, v) = M(u, v)^{\mathsf T} + C met MM inverteerbaar is de jacobimatrix de constante matrix MM: oppervlakten worden vermenigvuldigd met de constante factor detM\abs{\det M} — de belofte uit Hoofdstuk 17 is nu een stelling. Twee onmiddellijke toepassingen. De ellips x2a2+y2b21\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} \leq 1 is het beeld van de eenheidsschijf onder (u,v)(au,bv)(u, v) \mapsto (au, bv), dus is haar oppervlakte abπab \cdot \pi — zonder berekening. En voor de integraal van f(x+y)f(x + y) over het vierkant K=[0,1]2K = \intcc01^2 maakt de afschuiving Φ(u,v)=(uv,v)\Phi(u, v) = (u - v, v) (determinant 11) er een integraal van f(u)f(u) over een parallellogram van, dat Fubini bij constante uu in schijven snijdt: met f=expf = \exp,

Kex+y ⁣dx ⁣dy=(01ex ⁣dx)2=(e1)2,\iint_K \eu^{x+y}\,\dd x\,\dd y = \Bigl(\int_0^1 \eu^x\,\dd x\Bigr)^2 = (\eu - 1)^2,

zoals de productstructuur bevestigt. Coördinaten kiezen die bij de integrand passen — niet bij het gebied — is de andere helft van het vak.

Voorbeeld 20.19 (Coördinaten aangepast aan een kromlijnig gebied)

Zij DD het gebied in het eerste kwadrant begrensd door de hyperbolen xy=1xy = 1 en xy=3xy = 3 en de rechten y=xy = x en y=3xy = 3x. In de coördinaten u=xyu = xy, v=y/xv = y/x wordt het gebied het vierkant [1,3]×[1,3]\intcc13 \times \intcc13; inverteren geeft

x=u/v,y=uv,detJ=xuyvxvyu=12vx = \sqrt{u/v}, \qquad y = \sqrt{uv}, \qquad \det J = x_uy_v - x_vy_u = \frac{1}{2v}

(een berekening van twee regels met x=u1/2v1/2x = u^{1/2}v^{-1/2}, y=u1/2v1/2y = u^{1/2}v^{1/2}). Bijgevolg is

Area(D)=13 ⁣ ⁣13 ⁣du ⁣dv2v=2ln32=ln31.10.\operatorname{Area}(D) = \int_1^3\!\!\int_1^3\frac{\dd u\,\dd v}{2v} = 2\cdot\frac{\ln 3}{2} = \ln 3 \approx 1.10 .

DD in cartesische coördinaten in schijven snijden betekent haar in drie stukken met hyperbolische en lineaire randen snijden — haalbaar, vreugdeloos en foutgevoelig. De moraal herhaalt Voorbeeld 20.18 in volle kracht: lees de randvergelijkingen, en laat hen de coördinaten kiezen; de jacobideterminant zet dan de celoppervlakte van het kromlijnige rooster om, precies zoals ρ\rho dat voor poolcoördinaten deed.

Voorbeeld 20.20 (Gemiddelde waarden)

De gemiddelde waarde van ff over een gebied DD is 1Area(D)Df\frac1{\operatorname{Area}(D)}\iint_Df. Voorbeeld: de gemiddelde afstand tot het middelpunt voor een uniform gekozen punt van de schijf met straal RR is

1πR202π ⁣ ⁣0Rρρ ⁣dρ ⁣dα=2πR3/3πR2=2R3,\frac{1}{\pi R^2}\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^R \rho\cdot\rho\,\dd\rho\,\dd\alpha = \frac{2\pi R^3/3}{\pi R^2} = \frac{2R}3 ,

niet R/2R/2: een uniforme oppervlakte legt meer massa bij grote stralen (de ring op straal ρ\rho heeft gewicht evenredig met ρ\rho), zodat het gemiddelde voorbij het halverwegepunt ligt. Deze factor juist krijgen is precies de jacobiaan van de poolcoördinaten aan het werk, en dezelfde weging verklaart het zwaartepunt zˉ=3R/8\bar z = 3R/8 van de halve bol dat verderop in het hoofdstuk wordt berekend, in plaats van R/2R/2.

20.3 De stelling van Green–Riemann

Stelling 20.21 (Green–Riemann)

Zij KR2K \subseteq \R^2 een compact gebied dat in beide richtingen elementair is (of een eindige vereniging van zulke gebieden, langs segmenten aaneengelijmd), met als rand K\partial K een stuksgewijs C1\mathcal{C}^1 gesloten kromme, georiënteerd tegen de wijzers van de klok in (het gebied blijft links). Voor P,QP, Q van klasse C1\mathcal{C}^1 op een omgeving van KK geldt

KP ⁣dx+Q ⁣dy=K(QxPy) ⁣dx ⁣dy.\oint_{\partial K} P\,\dd x + Q\,\dd y = \iint_K \Bigl(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\Bigr)\,\dd x\,\dd y .

Bewijs. Ten eerste zijn beide leden additief wanneer KK langs een segment in twee stukken K1,K2K_1, K_2 wordt gesneden: de dubbele integralen tellen op wegens de additiviteit van \iint; en wat de randintegralen betreft, doorlopen de randen van K1K_1 en K2K_2 tegen de wijzers van de klok in de inwendige snede elk eenmaal, in tegengestelde richtingen, zodat in de som

K1+K2=K+(de snede, in beide richtingen)=K,\oint_{\partial K_1} + \oint_{\partial K_2} = \oint_{\partial K} + (\text{de snede, in beide richtingen}) = \oint_{\partial K},

de twee passages langs de snede elkaar opheffen (Propositie 20.2) en alleen de buitenrand overblijft. Door eindig veel sneden te herhalen, volstaat het een elementair gebied te behandelen. Wij bewijzen P ⁣dx=KPy\oint P\,\dd x = -\iint_K P_y op een yy-elementair gebied D={axb, φ1(x)yφ2(x)}D = \{a \leq x \leq b,\ \varphi_1(x) \leq y \leq \varphi_2(x)\}; de identiteit Q ⁣dy=KQx\oint Q\,\dd y = \iint_K Q_x is symmetrisch (xx-elementair), en de stelling is hun som.

Bereken de dubbele integraal met Fubini en de hoofdstelling in één veranderlijke:

DPy ⁣dx ⁣dy=ab(P(x,φ2(x))P(x,φ1(x))) ⁣dx.\iint_D \frac{\partial P}{\partial y}\,\dd x\,\dd y = \int_a^b \bigl(P(x, \varphi_2(x)) - P(x, \varphi_1(x))\bigr) \,\dd x .

Nu bestaat de rand van DD, tegen de wijzers van de klok in, uit: de onderste grafiek y=φ1(x)y = \varphi_1(x) van links naar rechts doorlopen, het rechtse verticale segment x=bx = b (omhoog), de bovenste grafiek y=φ2(x)y = \varphi_2(x) van rechts naar links doorlopen, en het linkse verticale segment x=ax = a (omlaag). Langs de verticale segmenten is xx constant, dus dragen zij 00 bij aan P ⁣dx\oint P\,\dd x; de grafieken, geparametriseerd met xx, geven

DP ⁣dx=abP(x,φ1(x)) ⁣dxabP(x,φ2(x)) ⁣dx=DPy ⁣dx ⁣dy.\oint_{\partial D} P\,\dd x = \int_a^b P(x, \varphi_1(x))\,\dd x - \int_a^b P(x, \varphi_2(x))\,\dd x = -\iint_D \frac{\partial P}{\partial y}\,\dd x\,\dd y . \qedhere

Gevolg 20.22 (Oppervlakte via de rand)

Onder de hypothesen van Stelling 20.21 is

Area(K)=Kx ⁣dy=Ky ⁣dx=12Kx ⁣dyy ⁣dx.\operatorname{Area}(K) = \oint_{\partial K} x\,\dd y = -\oint_{\partial K} y\,\dd x = \frac12\oint_{\partial K} x\,\dd y - y\,\dd x .

Bewijs. Pas Green–Riemann toe op (P,Q)=(0,x)(P, Q) = (0, x), (y,0)(-y, 0) en 12(y,x)\frac12(-y, x): telkens is QxPy=1Q_x - P_y = 1.

Opmerking 20.23 (Kiezen tussen de drie oppervlakteformules)

De drie randformules zijn gelijk, maar in de praktijk niet onderling verwisselbaar. Gebruik x ⁣dy\oint x\,\dd y wanneer de parametrisering  ⁣dy\dd y eenvoudig maakt (grafieken boven de yy-as), y ⁣dx-\oint y\,\dd x symmetrisch, en de symmetrische halve som wanneer de parametrisering xx en yy gelijk behandelt — voor de ellips leverde zij een constante integrand op, zonder enige goniometrische linearisatie. Op veelhoekige randen wordt de halve som de veterformule van Oefening 20.12, het algoritme van de landmeters. En wordt de rand door de gegeven parametrisering met de wijzers van de klok mee doorlopen, dan geven alle drie de formules min de oppervlakte: een negatief resultaat is geen rekenfout maar een melding over de oriëntatie — keer het teken om, of de parametrisering.

Voorbeeld 20.24 (Oppervlakte van de ellips)

Voor x=acostx = a\cos t, y=bsinty = b\sin t, t[0,2π]t \in [0, 2\pi]:

Area=1202π(acostbcostbsint(asint)) ⁣dt=ab202π ⁣dt=πab.\operatorname{Area} = \frac12\int_0^{2\pi}\bigl(a\cos t \cdot b\cos t - b\sin t\cdot(-a\sin t)\bigr)\,\dd t = \frac{ab}{2}\int_0^{2\pi}\dd t = \pi ab .

Voorbeeld 20.25 (Green–Riemann als kruiscontrole)

Neem P=y3P = -y^3, Q=x3Q = x^3 op de gesloten eenheidsschijf DD. De randkant, met γ(t)=(cost,sint)\gamma(t) = (\cos t, \sin t):

DP ⁣dx+Q ⁣dy=02π(sin4t+cos4t) ⁣dt=2π(38+38)=3π2,\oint_{\partial D}P\,\dd x + Q\,\dd y = \int_0^{2\pi}\bigl(\sin^4 t + \cos^4 t\bigr)\dd t = 2\pi\cdot\Bigl(\frac38 + \frac38\Bigr) = \frac{3\pi}2 ,

door lineariseren (sin4+cos4=34+14cos4t\sin^4 + \cos^4 = \tfrac34 + \tfrac14\cos4t). De inwendige kant:

D(QxPy) ⁣dx ⁣dy=D3(x2+y2) ⁣dx ⁣dy=302π ⁣ ⁣01ρ3 ⁣dρ ⁣dα=3π2.\iint_D(Q_x - P_y)\,\dd x\,\dd y = \iint_D 3(x^2 + y^2)\,\dd x\,\dd y = 3\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^1\rho^3\,\dd\rho\,\dd\alpha = \frac{3\pi}2 .

Hetzelfde getal, twee heel verschillende berekeningen — en dat is het praktische nut: welke kant van de identiteit van Green ook gemakkelijker is, wordt de berekening, en de andere de controle. Voor circulaties van veeltermvelden rond gesloten krommen is de dubbele integraal bijna altijd de gemakkelijke kant.

Opmerking 20.26

Green–Riemann verklaart Voorbeeld 20.8: voor een gesloten vorm (Qx=PyQ_x = P_y) verdwijnt de integraal rond de rand van elk gebied dat in UU bevat is. De hoekvorm faalt alleen omdat het gat in de oorsprong verhindert dat de schijf begrensd door de eenheidscirkel binnen UU ligt — lijnintegralen van gesloten vormen sporen de gaten van het gebied op. (Doorgedreven wordt deze waarneming de cohomologie van de Rham.)

20.4 Drievoudige integralen

De theorie breidt zich zonder enig nieuw idee uit tot drie veranderlijken: Fubini herleidt \iiint tot drie integralen in één veranderlijke (ofwel door in schijven te snijden: Kf=(Kzf) ⁣dz\iiint_K f = \int\bigl(\iint_{K_z} f\bigr)\dd z over de horizontale schijven KzK_z, ofwel door te stapelen: eerst naar zz integreren langs verticale staafjes), en de formule voor de verandering van veranderlijken geldt met de 3×33 \times 3-jacobimatrix.

Voorbeeld 20.27 (Cilinder- en bolcoördinaten)

Cilindrisch (x,y,z)=(ρcosα,ρsinα,z)(x, y, z) = (\rho\cos\alpha, \rho\sin\alpha, z):  ⁣dx ⁣dy ⁣dz=ρ ⁣dρ ⁣dα ⁣dz\dd x\,\dd y\,\dd z = \rho\,\dd\rho\,\dd\alpha\,\dd z. Bolvormig (x,y,z)=(rcosθcosφ, rsinθcosφ, rsinφ)(x, y, z) = (r\cos\theta\cos\varphi,\ r\sin\theta\cos\varphi,\ r\sin\varphi) (θ\theta de lengtegraad, φ[π2,π2]\varphi \in [-\frac\pi2, \frac\pi2] de breedtegraad): de 3×33 \times 3-determinant langs de laatste rij ontwikkelen geeft

detJ=r2cosφ, ⁣dx ⁣dy ⁣dz=r2cosφ   ⁣dr ⁣dθ ⁣dφ.\det J = r^2\cos\varphi , \qquad \dd x\,\dd y\,\dd z = r^2\cos\varphi\;\dd r\,\dd\theta\,\dd\varphi .

Volume van de bol met straal RR:

V=0R ⁣ ⁣02π ⁣ ⁣π/2π/2r2cosφ   ⁣dφ ⁣dθ ⁣dr=R332π2=43πR3,V = \int_0^R\!\!\int_0^{2\pi}\!\!\int_{-\pi/2}^{\pi/2} r^2\cos\varphi\;\dd\varphi\,\dd\theta\,\dd r = \frac{R^3}{3}\cdot 2\pi \cdot 2 = \boxed{\frac43\pi R^3} ,

waarmee eindelijk de formule wordt gekweten die in de volumehoofdstukken van de eerdere boeken werd aangenomen.

Voorbeeld 20.28 (Het viervlak, tweemaal)

Het volume van T={x,y,z0, x+y+z1}T = \{x, y, z \geq 0,\ x + y + z \leq 1\}, door stapelen: voor vaste (x,y)(x, y) in de driehoek x+y1x + y \leq 1 loopt zz over [0,1xy]\intcc0{1 - x - y}, dus

V=01 ⁣ ⁣01x(1xy) ⁣dy ⁣dx=01(1x)22 ⁣dx=16.V = \int_0^1\!\!\int_0^{1-x}(1 - x - y)\,\dd y\,\dd x = \int_0^1\frac{(1 - x)^2}{2}\,\dd x = \frac16 .

Door in schijven te snijden: de doorsnede op hoogte zz is de driehoek {x,y0, x+y1z}\{x, y \geq 0,\ x + y \leq 1 - z\}, met oppervlakte (1z)22\frac{(1-z)^2}2, en V=01(1z)22 ⁣dz=16V = \int_0^1\frac{(1-z)^2}2\,\dd z = \frac16 opnieuw — de twee berekeningen zijn dezelfde integralen in een andere volgorde, en meer beweert Fubini niet. De waarde 16=13121\frac16 = \frac13\cdot\frac12\cdot1 is de kegelformule (Voorbeeld 20.30) met driehoekige grondvlak, en de nn-dimensionale versie 1/n!1/n! wordt in de weekendopgave met precies dit snijden bewezen.

Voorbeeld 20.29 (Zwaartepunt van een halve bol)

Voor de bovenste halve bol HH met straal RR (z0z \geq 0) is de hoogte van het zwaartepunt zˉ=1VHz\bar z = \frac1{V}\iiint_H z, met V=23πR3V = \frac23\pi R^3. In bolcoördinaten (z=rsinφz = r\sin\varphi, φ[0,π/2]\varphi \in \intcc0{\pi/2}):

Hz=0Rr3 ⁣dr02π ⁣dθ0π/2sinφcosφ ⁣dφ=R442π12=πR44,\iiint_H z = \int_0^R r^3\,\dd r\int_0^{2\pi}\dd\theta \int_0^{\pi/2}\sin\varphi\cos\varphi\,\dd\varphi = \frac{R^4}4\cdot2\pi\cdot\frac12 = \frac{\pi R^4}4 ,

dus

zˉ=πR4/42πR3/3=3R8:\bar z = \frac{\pi R^4/4}{2\pi R^3/3} = \frac{3R}8 :

het evenwichtspunt van een massieve halve bol ligt op drie achtste van de straal boven het platte vlak — onder de halve hoogte R/2R/2, zoals het moet, omdat het lichaam nabij het grondvlak dikker is. Elke berekening van een zwaartepunt heeft deze gedaante: één momentintegraal, één volume, één verhouding, en een controle op aannemelijkheid tegen de meetkunde.

Voorbeeld 20.30 (Volume door in schijven te snijden: de kegel)

Een kegel met grondvlak van oppervlakte AA en hoogte hh (top boven, grondvlak op z=0z = 0): de schijf op hoogte zz is het grondvlak geschaald met de factor (1z/h)(1 - z/h), met oppervlakte A(1z/h)2A(1 - z/h)^2. Bijgevolg is

V=0hA(1zh)2 ⁣dz=Ah3:V = \int_0^h A\Bigl(1 - \frac zh\Bigr)^2\dd z = \frac{Ah}{3} :

het één derde van de schoolformules, geldig voor elke vorm van het grondvlak — in schijven snijden maakt er de integraal van een kwadraat van.

Voorbeeld 20.31 (Drempels voor integreerbaarheid in het vlak)

Voor welke α>0\alpha > 0 convergeert Dρα ⁣dx ⁣dy\iint_{D}\rho^{-\alpha}\,\dd x\,\dd y op de geperforeerde eenheidsschijf DD (als limiet over ringen ερ1\varepsilon \leq \rho \leq 1)? In poolcoördinaten is

02π ⁣ ⁣ε1ραρ ⁣dρ ⁣dα=2πε1ρ1α ⁣dρ,\int_0^{2\pi}\!\!\int_\varepsilon^1\rho^{-\alpha}\, \rho\,\dd\rho\,\dd\alpha = 2\pi\int_\varepsilon^1\rho^{1-\alpha}\,\dd\rho ,

wat convergeert als ε0\varepsilon \to 0 dan en slechts dan als 1α>11 - \alpha > -1, dat wil zeggen α<2\alpha < 2: in dimensie 22 is de kritieke exponent van de singulariteit de dimensie zelf, waarbij de extra ρ\rho uit de jacobiaan de singulariteit met één macht verzacht. (Evenzo α<3\alpha < 3 voor een puntsingulariteit in de ruimte, via r2r^2.) Deze radiale boekhouding is hoe de integreerbaarheid in het kader van Lebesgue van bachelorjaar 3 in één oogopslag wordt beslist — en zij is de reden waarom 1/r\iiint 1/r in Oefening 20.7 moeiteloos convergeerde.

Opmerking 20.32 (Klassieke valkuilen)

(i) Oriëntatie: een lijnintegraal verandert van teken met de richting van het doorlopen, en Green–Riemann vereist de rand tegen de wijzers van de klok in (het gebied links); voor een gebied met een gat wordt de binnenrand met de wijzers van de klok mee doorlopen. (ii) De jacobiaan komt binnen met een absolute waarde: een verandering van veranderlijken brengt nooit een negatieve oppervlakte voort, en det\abs{\det} vergeten keert gewoonlijk precies de tekens om wanneer de afbeelding de oriëntatie omkeert. (iii) De poolfactor ρ\rho:  ⁣dx ⁣dy=ρ ⁣dρ ⁣dα\dd x\,\dd y = \rho\,\dd\rho\,\dd\alpha, niet  ⁣dρ ⁣dα\dd\rho\,\dd\alpha — de meest voorkomende fout van het hele hoofdstuk; dimensieanalyse vangt haar op, want  ⁣dρ ⁣dα\dd\rho\,\dd\alpha heeft de dimensie van een lengte, niet van een oppervlakte. (iv) Oneigenlijke dubbele integralen: de limieten over groeiende schijven en over groeiende vierkanten stemmen hier overeen omdat de integranden positief zijn (inklemmen); voor integranden die van teken wisselen kan de limiet van de uitputting afhangen, en zonder absolute convergentie wordt niets beweerd. (v) Gebieden tegenover integranden: een productintegrand op een gebied dat geen product is, ontbindt de integraal niet — de ontbinding heeft beide nodig, zoals bij het vierkant van Voorbeeld 20.17.

Opmerking 20.33 (Vooruitblik binnen dit volume)

De integraal van Gauss die hier wordt berekend, zit stilzwijgend overal in de kanshoofdstukken: de constante π\sqrt\pi binnen de formule van Stirling (Stelling 6.13) is de integraal van dit hoofdstuk, en via Stirling legt zij de asymptoten 1/πn1/\sqrt{\pi n} vast van de terugkeerkansen van de toevalswandeling in Hoofdstuk 21. Ook de integralen van Wallis uit de weekendopgave duiken daar op en drijven dezelfde schattingen van de centrale binomiaalcoëfficiënten aan. In de andere richting maken de oppervlakte- en volume-elementen van dit hoofdstuk de meetkunde van Hoofdstuk 19 af, en de formule van Green berekent de oppervlakten van de omhullenden van Hoofdstuk 18 opnieuw (de astroïde, in Oefening 20.5). Eén hoofdstuk, drie diensten: maat voor de meetkunde, constanten voor de kansrekening, en de discipline van de verandering van veranderlijken voor beide.

20.5 Oefeningen

Oefening 20.1

Bereken γy2 ⁣dx+x ⁣dy\int_\gamma y^2\,\dd x + x\,\dd y langs: (a) het segment van (0,0)(0,0) naar (1,1)(1,1); (b) de paraboolboog y=x2y = x^2 van (0,0)(0,0) naar (1,1)(1,1). Is de vorm exact?

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.1.

(a) Segment γ(t)=(t,t)\gamma(t) = (t, t), t[0,1]t \in [0,1]:

γy2 ⁣dx+x ⁣dy=01(t2+t) ⁣dt=13+12=56.\int_\gamma y^2\dd x + x\dd y = \int_0^1 (t^2 + t)\,\dd t = \frac13 + \frac12 = \frac56 .

(b) Parabool γ(t)=(t,t2)\gamma(t) = (t, t^2):

01(t41+t2t) ⁣dt=15+23=1315.\int_0^1 \bigl(t^4\cdot 1 + t\cdot 2t\bigr)\dd t = \frac15 + \frac23 = \frac{13}{15} .

De twee waarden verschillen, dus hangt de integraal van het pad af: de vorm is niet exact — daarmee in overeenstemming is Py=2y1=QxP_y = 2y \neq 1 = Q_x, zodat zij niet eens gesloten is.

Oefening 20.2

Toon aan dat ω=(2xy+y3) ⁣dx+(x2+3xy2+1) ⁣dy\omega = (2xy + y^3)\,\dd x + (x^2 + 3xy^2 + 1)\,\dd y gesloten is op R2\R^2, bepaal een potentiaal, en bereken γω\int_\gamma\omega langs een willekeurige boog van (0,0)(0, 0) naar (1,2)(1, 2).

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.2.

P=2xy+y3P = 2xy + y^3, Q=x2+3xy2+1Q = x^2 + 3xy^2 + 1: Py=2x+3y2=QxP_y = 2x + 3y^2 = Q_x, gesloten op R2\R^2. Zoek ff met fx=Pf_x = P: f=x2y+xy3+g(y)f = x^2y + xy^3 + g(y); dan dwingt fy=x2+3xy2+g(y)=Qf_y = x^2 + 3xy^2 + g'(y) = Q af dat g(y)=1g'(y) = 1, zeg g(y)=yg(y) = y. Dus is

f(x,y)=x2y+xy3+yf(x, y) = x^2y + xy^3 + y

een potentiaal (R2\R^2 is stervormig, dus moest er volgens het lemma van Poincaré een potentiaal bestaan — maar hem aanwijzen gaat sneller). Volgens Stelling 20.6 is voor elke boog van (0,0)(0,0) naar (1,2)(1,2)

γω=f(1,2)f(0,0)=2+8+2=12.\int_\gamma\omega = f(1, 2) - f(0, 0) = 2 + 8 + 2 = 12 .

Oefening 20.3

Bereken D(x+y) ⁣dx ⁣dy\iint_D (x + y)\,\dd x\,\dd y, waarbij DD het gebied is begrensd door y=x2y = x^2 en y=xy = x (0x10 \leq x \leq 1), in beide volgorden van integratie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.3.

Het gebied is {0x1, x2yx}\{0 \leq x \leq 1,\ x^2 \leq y \leq x\}. Eerst yy:

01 ⁣x2x(x+y) ⁣dy ⁣dx=01(x(xx2)+x2x42) ⁣dx=01(3x22x3x42) ⁣dx=1214110=320.\int_0^1\!\int_{x^2}^{x}(x + y)\,\dd y\,\dd x = \int_0^1\Bigl(x(x - x^2) + \frac{x^2 - x^4}{2}\Bigr)\dd x = \int_0^1\Bigl(\frac{3x^2}{2} - x^3 - \frac{x^4}{2}\Bigr)\dd x = \frac12 - \frac14 - \frac1{10} = \frac{3}{20} .

Eerst xx: de schijf op hoogte y[0,1]y \in [0, 1] is yxyy \leq x \leq \sqrt y, dus

01 ⁣yy(x+y) ⁣dx ⁣dy=01(yy22+y(yy)) ⁣dy=1416+2513=320.\int_0^1\!\int_{y}^{\sqrt y}(x + y)\,\dd x\,\dd y = \int_0^1\Bigl(\frac{y - y^2}{2} + y(\sqrt y - y)\Bigr)\dd y = \frac14 - \frac16 + \frac25 - \frac13 = \frac{3}{20} .

Oefening 20.4 ★★

Bereken met poolcoördinaten D ⁣dx ⁣dy(1+x2+y2)2\iint_D \frac{\dd x\,\dd y}{(1 + x^2 + y^2)^2} over het hele vlak (als limiet over schijven), en Dxy ⁣dx ⁣dy\iint_{D'} xy\,\dd x\,\dd y over de kwartschijf D={x,y0, x2+y21}D' = \{x, y \geq 0,\ x^2 + y^2 \leq 1\}.

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.4.

Eerste integraal. Op de schijf DRD_R, in poolcoördinaten:

DR ⁣dx ⁣dy(1+x2+y2)2=02π ⁣ ⁣0Rρ ⁣dρ ⁣dα(1+ρ2)2=2π[12(1+ρ2)]0R=π(111+R2)Rπ.\iint_{D_R}\frac{\dd x\,\dd y}{(1 + x^2 + y^2)^2} = \int_0^{2\pi}\!\!\int_0^R \frac{\rho\,\dd\rho\,\dd\alpha}{(1 + \rho^2)^2} = 2\pi\Bigl[-\frac{1}{2(1 + \rho^2)}\Bigr]_0^R = \pi\Bigl(1 - \frac{1}{1 + R^2}\Bigr) \xrightarrow[R \to \infty]{} \pi .

Tweede integraal. De kwartschijf is 0απ20 \leq \alpha \leq \frac\pi2, 0ρ10 \leq \rho \leq 1, en xy=ρ2cosαsinαxy = \rho^2\cos\alpha\sin\alpha:

Dxy ⁣dx ⁣dy=0π/2 ⁣ ⁣cosαsinα ⁣dα01ρ3 ⁣dρ=1214=18.\iint_{D'}xy\,\dd x\,\dd y = \int_0^{\pi/2}\!\!\cos\alpha\sin\alpha\,\dd\alpha \int_0^1 \rho^3\,\dd\rho = \frac12\cdot\frac14 = \frac18 .

Oefening 20.5 ★★

Bereken de oppervlakte omsloten door de astroïde x=cos3tx = \cos^3 t, y=sin3ty = \sin^3 t, t[0,2π]t \in [0, 2\pi], met Gevolg 20.22. (Lineariseer sin2tcos2t\sin^2 t\cos^2 t.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.5.

Volgens Gevolg 20.22 met x=cos3tx = \cos^3 t, y=sin3ty = \sin^3 t: x=3cos2tsintx' = -3\cos^2 t\sin t, y=3sin2tcosty' = 3\sin^2 t\cos t, dus

xyyx=3cos4tsin2t+3sin4tcos2t=3sin2tcos2t=34sin22t=38(1cos4t).xy' - yx' = 3\cos^4 t\sin^2 t + 3\sin^4 t\cos^2 t = 3\sin^2 t\cos^2 t = \frac{3}{4}\sin^2 2t = \frac{3}{8}(1 - \cos 4t) .

Bijgevolg is

A=1202π38(1cos4t) ⁣dt=3162π=3π8.A = \frac12\int_0^{2\pi}\frac38(1 - \cos 4t)\,\dd t = \frac{3}{16}\cdot 2\pi = \frac{3\pi}{8} .

(De astroïde past in de eenheidsschijf met oppervlakte π\pi; drie achtste van π\pi is aannemelijk voor haar stervorm met vier keerpunten.)

Oefening 20.6 ★★

Bereken het volume van het lichaam dat onder wordt begrensd door de paraboloïde z=x2+y2z = x^2 + y^2 en boven door het vlak z=1z = 1, met beide methoden: stapelen (integreer 1x2y21 - x^2 - y^2 over de eenheidsschijf, poolcoördinaten) en in schijven snijden (de horizontale schijven zijn schijven met straal z\sqrt z).

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.6.

Stapelen: boven elke (x,y)(x, y) van de eenheidsschijf DD loopt zz van x2+y2x^2 + y^2 tot 11:

V=D(1x2y2) ⁣dx ⁣dy=02π ⁣ ⁣01(1ρ2)ρ ⁣dρ ⁣dα=2π(1214)=π2.V = \iint_D \bigl(1 - x^2 - y^2\bigr)\dd x\,\dd y = \int_0^{2\pi}\!\!\int_0^1 (1 - \rho^2)\rho\,\dd\rho\,\dd\alpha = 2\pi\Bigl(\frac12 - \frac14\Bigr) = \frac\pi2 .

In schijven snijden: de schijf op hoogte z[0,1]z \in [0, 1] is de schijf x2+y2zx^2 + y^2 \leq z, met oppervlakte πz\pi z:

V=01πz ⁣dz=π2.V = \int_0^1 \pi z\,\dd z = \frac\pi2 .

Oefening 20.7 ★★

(Zwaartekrachtige aantrekking van een bol — de stelling van Newton, bijzonder geval) Toon aan dat het volume van de bolschil arba \leq r \leq b gelijk is aan 43π(b3a3)\frac43\pi(b^3 - a^3) en bereken B ⁣dx ⁣dy ⁣dzr\iiint_{B} \frac{\dd x\,\dd y\,\dd z}{r} over de bol BB met straal RR (rr de afstand tot de oorsprong). (Bolcoördinaten.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.7.

In bolcoördinaten is het volume-element r2cosφ ⁣dr ⁣dθ ⁣dφr^2\cos\varphi\,\dd r\,\dd\theta\,\dd\varphi (Voorbeeld 20.27), en het hoekgedeelte integreert tot 4π4\pi (2π2\pi uit θ\theta, π/2π/2cos=2\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos = 2). Het volume van de schil is

ab4πr2 ⁣dr=43π(b3a3).\int_a^b 4\pi r^2\,\dd r = \frac43\pi\bigl(b^3 - a^3\bigr).

Voor de tweede integraal hangt de integrand 1/r1/r alleen van rr af:

B ⁣dx ⁣dy ⁣dzr=0R4πr21r ⁣dr=4πR22=2πR2.\iiint_B \frac{\dd x\,\dd y\,\dd z}{r} = \int_0^R 4\pi r^2\cdot\frac1r\,\dd r = 4\pi\,\frac{R^2}{2} = 2\pi R^2 .

(De integrand explodeert in de oorsprong, maar onschadelijk: r2/r=rr^2/r = r is continu — de integraal over de schillen εrR\varepsilon \leq r \leq R convergeert als ε0\varepsilon \to 0, en dat is de precieze zin van de uitspraak. Dit soort berekening is de eerste stap naar de stelling van Newton dat een homogene bol aantrekt als een puntmassa in haar middelpunt.)

Oefening 20.8 ★★★

(Lemma van Poincaré, stervormig geval) Zij UU stervormig ten opzichte van 00 (dat wil zeggen MU[0,M]UM \in U \Rightarrow [0, M] \subseteq U) en ω=P ⁣dx+Q ⁣dy\omega = P\dd x + Q\dd y een gesloten C1\mathcal{C}^1-vorm op UU. Definieer

f(x,y)=01(xP(tx,ty)+yQ(tx,ty)) ⁣dt.f(x, y) = \int_0^1 \bigl(x\,P(tx, ty) + y\,Q(tx, ty)\bigr)\dd t .

Toon met differentiatie onder het integraalteken (Hoofdstuk 9) en Py=QxP_y = Q_x aan dat fx=Pf_x = P en fy=Qf_y = Q: elke gesloten vorm op een stervormige open verzameling is exact.

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.8.

De integrand g(t;x,y)=xP(tx,ty)+yQ(tx,ty)g(t; x, y) = xP(tx, ty) + yQ(tx, ty) is C1\mathcal{C}^1 in (x,y)(x, y) en continu in tt, met partiële afgeleiden die continu zijn op [0,1]×U[0,1] \times U; differentiatie onder het integraalteken (Hoofdstuk 9, toegepast op het compacte tt-interval [0,1][0,1], waar de dominatie vanzelf geldt) geeft

fx(x,y)=01(P(tx,ty)+txPx(tx,ty)+tyQx(tx,ty)) ⁣dt.f_x(x, y) = \int_0^1 \bigl(P(tx, ty) + tx\,P_x(tx, ty) + ty\,Q_x(tx, ty)\bigr)\dd t .

Met de geslotenheid Qx=PyQ_x = P_y:

txPx(tx,ty)+tyPy(tx,ty)=t ⁣d ⁣dt[P(tx,ty)],tx\,P_x(tx, ty) + ty\,P_y(tx, ty) = t\,\frac{\dd}{\dd t}\bigl[P(tx, ty)\bigr] ,

dus is de integrand P(tx,ty)+t ⁣d ⁣dtP(tx,ty)= ⁣d ⁣dt[tP(tx,ty)]P(tx, ty) + t\frac{\dd}{\dd t}P(tx, ty) = \frac{\dd}{\dd t}\bigl[t\,P(tx, ty)\bigr] en

fx(x,y)=[tP(tx,ty)]01=P(x,y).f_x(x, y) = \Bigl[t\,P(tx, ty)\Bigr]_0^1 = P(x, y) .

Symmetrisch is fy=Qf_y = Q (dezelfde berekening met Py=QxP_y = Q_x in de andere richting gebruikt). Merk op waar de hypothese binnenkomt: ff is gedefinieerd door langs het segment [0,M][0, M] te integreren, dat precies in UU ligt omdat UU stervormig is.

Oefening 20.9 ★★★

(De integraal van Dirichlet via dubbele integratie) Verantwoord en buit uit

0 ⁣ ⁣0exysinx   ⁣dy ⁣dxtegenover0 ⁣ ⁣0exysinx   ⁣dx ⁣dy\int_0^\infty\!\!\int_0^\infty e^{-xy}\sin x\;\dd y\,\dd x \quad\text{tegenover}\quad \int_0^\infty\!\!\int_0^\infty e^{-xy}\sin x\;\dd x\,\dd y

op [0,A]×[0,)[0, A] \times [0, \infty): toon aan dat 0Asinxx ⁣dx=π20eAyysinA+cosA1+y2 ⁣dy\int_0^A \frac{\sin x}{x}\dd x = \frac\pi2 - \int_0^\infty e^{-Ay}\frac{y\sin A + \cos A}{1 + y^2}\dd y en vind 0sinxx ⁣dx=π2\int_0^\infty \frac{\sin x}{x}\,\dd x = \frac\pi2 terug, in vergelijking met het bewijs via parameterintegralen uit Hoofdstuk 9.

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.9.

Op de strook [0,A]×[0,)[0, A] \times [0, \infty) is de functie (x,y)exysinx(x, y) \mapsto e^{-xy}\sin x niet in naïeve zin uniform absoluut integreerbaar tot y=y = \infty, maar elke herhaalde integraal convergeert en hun gelijkheid volgt uit Fubini op [0,A]×[0,B][0, A] \times [0, B] plus een limiet BB \to \infty (de staart 0ABexysinx ⁣dy ⁣dx0AeBxsinxx ⁣dx0AeBx ⁣dx0\int_0^A\int_B^\infty e^{-xy}\abs{\sin x}\,\dd y\,\dd x \leq \int_0^A \frac{e^{-Bx}\abs{\sin x}}{x}\dd x \leq \int_0^A e^{-Bx} \dd x\to 0, met sinxx\abs{\sin x} \leq x).

Eerst yy: 0exy ⁣dy=1x\int_0^\infty e^{-xy}\,\dd y = \frac1x voor x>0x > 0, dus is de eerste integraal 0Asinxx ⁣dx\int_0^A \frac{\sin x}{x}\,\dd x.

Eerst xx: twee partiële integraties (of het imaginaire deel van 0Ae(iy)x ⁣dx\int_0^A e^{(i - y)x}\dd x nemen) geven

0Aexysinx ⁣dx=1eAy(ysinA+cosA)1+y2.\int_0^A e^{-xy}\sin x\,\dd x = \frac{1 - e^{-Ay}(y\sin A + \cos A)}{1 + y^2} .

Naar yy integreren over [0,)[0, \infty) zondert de term 0 ⁣dy1+y2=π2\int_0^\infty \frac{\dd y}{1 + y^2} = \frac\pi2 af:

0Asinxx ⁣dx=π20eAyysinA+cosA1+y2 ⁣dy.\int_0^A \frac{\sin x}{x}\,\dd x = \frac{\pi}{2} - \int_0^\infty e^{-Ay}\,\frac{y\sin A + \cos A}{1 + y^2}\,\dd y .

De rest wordt begrensd door 0eAyy+11+y2 ⁣dy0eAy1+y1+y2 ⁣dy0\int_0^\infty e^{-Ay}\frac{y + 1}{1 + y^2}\dd y \leq \int_0^\infty e^{-Ay}\cdot\frac{1+y}{1+y^2} \,\dd y \to 0 als AA \to \infty (gedomineerde convergentie, of de ruwe grens 1+y1+y232\frac{1 + y}{1 + y^2} \leq \frac32 die 32A\frac{3}{2A} geeft). Bijgevolg is 0sinxx ⁣dx=π2\int_0^\infty\frac{\sin x}{x}\dd x = \frac\pi2 — dezelfde waarde als die in Hoofdstuk 9 werd verkregen door een parameterintegraal te differentiëren; hier doet Fubini het werk.

Oefening 20.10 ★★★

(Isoperimetrische ongelijkheid via Wirtinger) Zij γ\gamma een enkelvoudige gesloten C1\mathcal{C}^1-kromme met lengte 2π2\pi, geparametriseerd naar booglengte op [0,2π][0, 2\pi], die de oppervlakte AA omsluit. Bewijs met Gevolg 20.22, Parseval en de ongelijkheid van Wirtinger (oefeningen van Hoofdstuk 14) dat AπA \leq \pi, met gelijkheid voor de cirkel. (Normaliseer 02πx(s) ⁣ds=0\int_0^{2\pi} x(s)\dd s = 0; schrijf 2A=x ⁣dyy ⁣dx2A = \oint x\,\dd y - y\,\dd x en begrens 2A(x2+y2)2A \leq \int (x^2 + y'^2) zorgvuldig via 2A=02π(xyyx) ⁣ds2A = \int_0^{2\pi}(xy' - yx')\dd s en x2+y22xyx^2 + y'^2 \geq 2xy'.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.10.

Parametriseer naar booglengte s[0,2π]s \in [0, 2\pi], zodat x2+y2=1x'^2 + y'^2 = 1, en transleer zo dat 02πx(s) ⁣ds=0\int_0^{2\pi} x(s)\,\dd s = 0. Volgens Gevolg 20.22 is

2A=x ⁣dyy ⁣dx=02π(xyyx) ⁣ds.2A = \oint x\,\dd y - y\,\dd x = \int_0^{2\pi}\bigl(xy' - yx'\bigr)\dd s .

y ⁣dx\oint y\,\dd x partieel integreren over de periode (de randtermen heffen elkaar op wegens de periodiciteit) geeft yx=yx-\int yx' = \int y'x, dus is in feite 2A=202πxy ⁣ds2A = 2\int_0^{2\pi}xy'\,\dd s. Dan geeft 2xyx2+y22xy' \leq x^2 + y'^2 dat

2A02π(x2+y2) ⁣ds=02πx2+02π(1x2)=2π02π(x2x2) ⁣ds.2A \leq \int_0^{2\pi}\bigl(x^2 + y'^2\bigr)\dd s = \int_0^{2\pi} x^2 + \int_0^{2\pi}\bigl(1 - x'^2\bigr) = 2\pi - \int_0^{2\pi}\bigl(x'^2 - x^2\bigr)\dd s .

De ongelijkheid van Wirtinger (oefeningen van Hoofdstuk 14: voor een 2π2\pi-periodieke C1\mathcal{C}^1-functie met gemiddelde nul is x2x2\int x^2 \leq \int x'^2) maakt de laatste integraal niet-negatief: AπA \leq \pi. Gelijkheid vereist gelijkheid in Wirtinger (x(s)=acoss+bsinsx(s) = a\cos s + b\sin s) en in 2xyx2+y22xy' \leq x^2 + y'^2 (y=xy' = x puntsgewijs), wat y=asinsbcoss+cy = a\sin s - b\cos s + c afdwingt: de kromme is de eenheidscirkel (passend gecentreerd). Omdat een kromme met lengte LL tot lengte 2π2\pi herschaalt, luidt de algemene uitspraak AL24πA \leq \frac{L^2}{4\pi}: van alle gesloten krommen met gegeven omtrek omsluit de cirkel de grootste oppervlakte.

Oefening 20.11 ★★

(Momenten van de bol) Bereken voor de bol BB met straal RR in R3\R^3 de integraal Bz2 ⁣dx ⁣dy ⁣dz\iiint_B z^2\,\dd x\,\dd y\,\dd z in bolcoördinaten, en leid met de symmetrie B(x2+y2+z2) ⁣dx ⁣dy ⁣dz\iiint_B (x^2 + y^2 + z^2)\,\dd x\,\dd y\,\dd z af. Toets de laatste aan de berekening met schillen 0Rr24πr2 ⁣dr\int_0^R r^2\cdot4\pi r^2\,\dd r.

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.11.

In bolcoördinaten is z=rsinφz = r\sin\varphi en  ⁣dx ⁣dy ⁣dz=r2cosφ ⁣dr ⁣dθ ⁣dφ\dd x\,\dd y\,\dd z = r^2\cos\varphi\,\dd r\,\dd\theta\,\dd\varphi:

Bz2=0Rr4 ⁣dr02π ⁣dθπ/2π/2sin2φcosφ ⁣dφ=R552π[sin3φ3]π/2π/2=4πR515.\iiint_B z^2 = \int_0^R r^4\,\dd r\int_0^{2\pi}\dd\theta \int_{-\pi/2}^{\pi/2}\sin^2\varphi\cos\varphi\,\dd\varphi = \frac{R^5}5\cdot2\pi\cdot \Bigl[\frac{\sin^3\varphi}3\Bigr]_{-\pi/2}^{\pi/2} = \frac{4\pi R^5}{15}.

Wegens de symmetrie van de bol onder het permuteren van de coördinaten is Bx2=By2=Bz2\iiint_B x^2 = \iiint_B y^2 = \iiint_B z^2, dus B(x2+y2+z2)=34πR515=4πR55\iiint_B(x^2 + y^2 + z^2) = 3\cdot\frac{4\pi R^5}{15} = \frac{4\pi R^5}5. Controle met schillen: 0Rr24πr2 ⁣dr=4πR55\int_0^R r^2\cdot 4\pi r^2\,\dd r = \frac{4\pi R^5}5 — de integrand r2r^2 is constant op de bol met straal rr, die oppervlakte 4πr24\pi r^2 heeft.

Oefening 20.12 ★★

(Veterformule) Zij KK een veelhoek met hoekpunten (x1,y1),,(xm,ym)(x_1, y_1), \dots, (x_m, y_m) tegen de wijzers van de klok in geordend (indices modulo mm). Leid uit Gevolg 20.22 af dat

Area(K)=12i=1m(xiyi+1xi+1yi),\operatorname{Area}(K) = \frac12\sum_{i=1}^m \bigl(x_iy_{i+1} - x_{i+1}y_i\bigr) ,

en ga de formule na op de driehoek (0,0)(0,0), (1,0)(1,0), (0,1)(0,1).

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.12.

Parametriseer de zijde van (xi,yi)(x_i, y_i) naar (xi+1,yi+1)(x_{i+1}, y_{i+1}) met γ(t)=((1t)xi+txi+1, (1t)yi+tyi+1)\gamma(t) = \bigl((1-t)x_i + tx_{i+1},\ (1-t)y_i + ty_{i+1}\bigr). Haar bijdrage aan 12(x ⁣dyy ⁣dx)\frac12\oint(x\,\dd y - y\,\dd x) is

1201(((1t)xi+txi+1)(yi+1yi)((1t)yi+tyi+1)(xi+1xi)) ⁣dt,\frac12\int_0^1\Bigl(\bigl((1-t)x_i + tx_{i+1}\bigr)(y_{i+1} - y_i) - \bigl((1-t)y_i + ty_{i+1}\bigr)(x_{i+1} - x_i)\Bigr)\dd t ,

en omdat 01((1t)u+tv) ⁣dt=u+v2\int_0^1\bigl((1-t)u + tv\bigr)\dd t = \frac{u + v}2, is dit gelijk aan

14((xi+xi+1)(yi+1yi)(yi+yi+1)(xi+1xi))=12(xiyi+1xi+1yi),\frac14\Bigl((x_i + x_{i+1})(y_{i+1} - y_i) - (y_i + y_{i+1})(x_{i+1} - x_i)\Bigr) = \frac12\bigl(x_iy_{i+1} - x_{i+1}y_i\bigr),

waarbij de kruistermen wegvallen. Sommeren over de mm zijden geeft volgens Gevolg 20.22 de veterformule. Driehoek (0,0),(1,0),(0,1)(0,0), (1,0), (0,1): 12((0010)+(1100)+(0001))=12\frac12\bigl((0\cdot0 - 1\cdot0) + (1\cdot1 - 0\cdot0) + (0\cdot0 - 0\cdot1)\bigr) = \frac12, de juiste oppervlakte.

20.6 Probleem: het volume van de bol in dimensie nn

Probleem 20.1

Weekendopgave — Vn=πn/2/Γ(n2+1)V_n = \pi^{n/2}/\Gamma(\frac n2 + 1), en de vreemdheid van hoge dimensies

De schijf heeft oppervlakte π\pi, de bol volume 43π\frac43\pi — en dan? Deze opgave berekent het volume van de eenheidsbol van Rn\R^n voor elke nn, tweemaal (met een recursie door in schijven te snijden, aangedreven door de integralen van Wallis, en daarna met de Γ\Gamma-functie en de integraal van Gauss uit Voorbeeld 20.17), en leest daarna de meetkunde af: de volumes pieken in dimensie vijf en snellen naar nul, en bijna heel een hoogdimensionale bol verbergt zich in een dunne schil nabij haar rand. Voor een continue functie op een bol van Rn\R^n wordt de integraal opgevat als de nn-voudig herhaalde integraal (één coördinaat tegelijk in schijven gesneden, als in het hoofdstuk voor n3n \leq 3); wij schrijven Bn(R)B_n(R) voor de gesloten bol met straal RR en middelpunt 00, vn(R)v_n(R) voor haar volume, en Vn=vn(1)V_n = v_n(1), met V0=1V_0 = 1 per afspraak.

Deel I — De recursie door in schijven te snijden.

  1. Toon met de substitutie xi=Ruix_i = Ru_i in elk van de nn herhaalde integralen aan dat vn(R)=VnRnv_n(R) = V_nR^n.
  2. Toon, door Bn(1)B_n(1) langs haar laatste coördinaat in schijven te snijden, aan dat

    Vn=Vn111(1t2)n12 ⁣dt.V_n = V_{n-1}\int_{-1}^{1}(1 - t^2)^{\frac{n-1}2}\,\dd t .
  3. Identificeer met t=sinθt = \sin\theta de integraal als een integraal van Wallis: 11(1t2)n12 ⁣dt=2Wn\int_{-1}^1(1 - t^2)^{\frac{n-1}2}\dd t = 2W_n, met Wn=0π/2cosnθ ⁣dθ=0π/2sinnθ ⁣dθW_n = \int_0^{\pi/2}\cos^n\theta\,\dd\theta = \int_0^{\pi/2}\sin^n\theta\,\dd\theta.
  4. Bewijs de twee identiteiten van Wallis (partieel integreren; dan nWnWn1nW_nW_{n-1} telescoperen):

    Wn=n1nWn2(n2),WnWn1=π2n(n1).W_n = \frac{n-1}nW_{n-2} \quad (n \geq 2), \qquad W_nW_{n-1} = \frac{\pi}{2n} \quad (n \geq 1).

Deel II — De recursie opgelost.

  1. Combineer de vragen 2–4 tot de recursie met twee stappen

    Vn=2πnVn2(n2).V_n = \frac{2\pi}{n}\,V_{n-2} \qquad (n \geq 2).
  2. Leid de gesloten vormen af, voor k0k \geq 0:

    V2k=πkk!,V2k+1=2k+1πk135(2k+1).V_{2k} = \frac{\pi^k}{k!}, \qquad V_{2k+1} = \frac{2^{k+1}\pi^k}{1\cdot3\cdot5\cdots (2k+1)} .
  3. Zet V1,,V7V_1, \dots, V_7 numeriek in een tabel. Bewijs met de verhouding Vn/Vn2=2π/nV_n/V_{n-2} = 2\pi/n en de waarden van 2W52W_5 en 2W62W_6 dat de rij (Vn)(V_n) stijgt tot haar maximum V5=8π2155.26V_5 = \frac{8\pi^2}{15} \approx 5.26 en daarna daalt.
  4. Toon aan dat Vn0V_n \to 0 sneller dan elke meetkundige rij, en dat n1Vn\sum_{n\geq1} V_n convergeert: alle eenheidsbollen samen hebben een eindig totaal volume.
  5. Bewijs de voortbrengende identiteit

    k0V2kx2k=eπx2(xR),\sum_{k\geq0} V_{2k}\,x^{2k} = \eu^{\pi x^2} \qquad (x \in \R),

    en leid af dat k0V2k=eπ23.14\sum_{k\geq0}V_{2k} = \eu^\pi \approx 23.14.

Deel III — Tweede weg: Γ\Gamma en de integraal van Gauss.

  1. Toon met Fubini aan (de integrand is een product) dat

    In=Rnex2 ⁣dx=(+et2 ⁣dt) ⁣n=πn/2,I_n = \int_{\R^n}\eu^{-\norm x^2}\dd x = \Bigl(\int_{-\infty}^{+\infty} \eu^{-t^2}\dd t\Bigr)^{\!n} = \pi^{n/2},

    de nn-dimensionale integraal van Gauss, opgevat als een limiet over kubussen [R,R]n\intcc{-R}{R}^n.

  2. Herinner je Γ(s)=0ts1et ⁣dt\Gamma(s) = \int_0^\infty t^{s-1}\eu^{-t}\dd t (Definitie 9.17). Bereken uit Γ(s+1)=sΓ(s)\Gamma(s+1) = s\,\Gamma(s) (Stelling 9.18) en Γ(12)=π\Gamma(\tfrac12) = \sqrt\pi (substitueer t=u2t = u^2 en roep de integraal van Gauss in):

    Γ(k+1)=k!,Γ(k+32)=13(2k+1)2k+1π.\Gamma(k + 1) = k!, \qquad \Gamma\Bigl(k + \frac32\Bigr) = \frac{1\cdot3\cdots(2k+1)}{2^{k+1}}\,\sqrt\pi .
  3. Bewijs met inductie via de recursie van vraag 5 de ene formule

    Vn=πn/2Γ(n2+1)(n1),V_n = \frac{\pi^{n/2}}{\Gamma\bigl(\frac n2 + 1\bigr)} \qquad (n \geq 1),

    en ga na dat zij beide gesloten vormen van vraag 6 reproduceert.

  4. Toon aan dat 0er2rn1 ⁣dr=12Γ(n2)\int_0^\infty \eu^{-r^2}r^{n-1}\dd r = \tfrac12\Gamma\bigl(\tfrac n2\bigr) en leid de identiteit

    In=nVn0er2rn1 ⁣drI_n = n\,V_n\int_0^\infty \eu^{-r^2}\,r^{n-1}\,\dd r

    af. Interpreteer haar: de gaussische massa van Rn\R^n wordt verzameld langs bolschillen waarvan de “(n1)(n-1)-dimensionale oppervlakte” op straal rr gelijk is aan nVnrn1nV_nr^{n-1} — beide leden zijn nu onafhankelijk bewezen, dus de interpretatie kost niets.

  5. Zet sn1=nVns_{n-1} = nV_n (de oppervlakte van de eenheidssfeer Sn1S^{n-1}, in overeenstemming met vn(R)=0Rsn1rn1 ⁣drv_n(R) = \int_0^R s_{n-1}r^{n-1}\dd r). Zet s0,,s3s_0, \dots, s_3 in een tabel en ga na dat s1=2πs_1 = 2\pi, s2=4πs_2 = 4\pi, s3=2π2s_3 = 2\pi^2.

Deel IV — Hoge dimensies zijn vreemd.

  1. Toon met de formule van Stirling (Stelling 6.13) toegepast op k!k! aan dat voor even n=2kn = 2k

    Vn1πn(2πen)n/2(n, n even),V_n \sim \frac{1}{\sqrt{\pi n}} \Bigl(\frac{2\pi\eu}{n}\Bigr)^{n/2} \qquad (n \to \infty, \ n \text{ even}),

    en leg uit waarom dezelfde grens van supermeetkundig verval zich via de recursie uitbreidt tot oneven nn.

  2. De eenheidsbol ligt in de kubus [1,1]n\intcc{-1}1^n met volume 2n2^n. Bereken de vulverhouding Vn/2nV_n/2^n voor n=2,3,10n = 2, 3, 10, en toon aan dat zij naar 00 streeft: in hoge dimensie ligt vrijwel de hele kubus in haar hoeken.
  3. Toon aan dat het aandeel van vn(1)v_n(1) dat binnen afstand ε\varepsilon van de randsfeer ligt, gelijk is aan 1(1ε)n11 - (1 - \varepsilon)^n \to 1; welk aandeel van een bol in 100100 dimensies ligt numeriek in de buitenschil met dikte 1%1\%?
  4. Bewijs de asymptotiek van Wallis Wnπ2nW_n \sim \sqrt{\dfrac{\pi}{2n}} (de monotonie van (Wn)(W_n), de verhouding Wn/Wn21W_n/W_{n-2} \to 1, en WnWn1=π2nW_nW_{n-1} = \frac\pi{2n}), en de ondergrens Wnπ2(n+1)W_n \geq \sqrt{\dfrac{\pi}{2(n+1)}} voor alle nn.
  5. (Concentratie op een plak) Het aandeel van de eenheidsbol met eerste coördinaat voorbij δ\delta is δ1(1x2)n12 ⁣dx/(2Wn)\int_\delta^1(1 - x^2)^{\frac{n-1}2}\dd x \,\big/\, (2W_n). Toon met 1ueu1 - u \leq \eu^{-u} en de staartgrens δeax2 ⁣dxeaδ22aδ\int_\delta^\infty \eu^{-a x^2}\dd x \leq \frac{\eu^{-a\delta^2}}{2a\delta} aan dat dit aandeel hoogstens

    e(n1)δ2/2(n1)δ/2πn+1\frac{\eu^{-(n-1)\delta^2/2}}{(n-1)\,\delta} \Big/ \sqrt{\frac{2\pi}{n+1}}

    is, en besluit: voor δ=s/n1\delta = s/\sqrt{n-1} ligt op een aandeel O(es2/2/s)O(\eu^{-s^2/2}/s) na de hele bol in de plak x1s/n1\abs{x_1} \leq s/\sqrt{n-1}. Een bol van hoge dimensie is statistisch een dunne pannenkoek, in alle richtingen tegelijk.

  6. Zet de vragen 16–19 in elkaar tot één alinea: waar het volume van Bn(1)B_n(1) zit (nabij de randsfeer, en toch binnen plakken van dikte O(1/n)O(1/\sqrt n) van elk hypervlak door het middelpunt), en waarom deze twee uitspraken elkaar niet tegenspreken.

Deel V — Andere lichamen, en synthese.

  1. (Simplex) Zij Δn={xRn:xi0, xi1}\Delta_n = \{x \in \R^n : x_i \geq 0,\ \sum x_i \leq 1\}. Toon met in schijven snijden en inductie aan dat vol(Δn)=1n!\operatorname{vol}(\Delta_n) = \frac1{n!}.
  2. (Kruispolytoop) Leid af dat Cn={x:xi1}C_n = \{x : \sum\abs{x_i} \leq 1\} volume 2nn!\frac{2^n}{n!} heeft, en ga de insluiting CnBn(1)[1,1]nC_n \subseteq B_n(1) \subseteq \intcc{-1}1^n op het niveau van de volumes na: 2nn!Vn2n\frac{2^n}{n!} \leq V_n \leq 2^n.
  3. Bereken V4V_4 op een derde manier: snijd R4=R2×R2\R^4 = \R^2 \times \R^2 in schijven, integreer de oppervlakte van de (z,w)(z, w)-schijf over de (x,y)(x, y)-schijf in poolcoördinaten, en vind V4=π22V_4 = \frac{\pi^2}2 terug.
  4. (Monte Carlo in moeilijkheden) Er wordt uniform een punt getrokken in de kubus [1,1]20\intcc{-1}1^{20}. Toon aan dat de kans dat het in de ingeschreven bol belandt gelijk is aan V20/2202.5108V_{20}/2^{20} \approx 2.5\cdot10^{-8}, zodat er ongeveer veertig miljoen trekkingen nodig zijn voordat de eerste treffer wordt verwacht: VnV_n schatten met verwerpende steekproeven stort in hoge dimensie in (de vloek van de dimensionaliteit).
  5. Synthese. Twee onafhankelijke afleidingen ontmoetten elkaar in Vn=πn/2/Γ(n2+1)V_n = \pi^{n/2}/\Gamma(\frac n2 + 1): som op welke stelling van dit hoofdstuk elk ervan gebruikte (Fubini, de verandering van veranderlijken, de integraal van Gauss in poolcoördinaten), en welke ingrediënten uit één veranderlijke (Wallis, Γ\Gamma, Stirling). Waar doet het volume van bachelorjaar 3 deze berekening opnieuw met de theorie van Lebesgue, en wat voegt zij toe?
Oplossing

Oplossing van Probleem 20.1.

1. De bol Bn(R)B_n(R) wordt beschreven door de herhaalde grenzen RxnR-R \leq x_n \leq R, dan xn1R2xn2\abs{x_{n-1}} \leq \sqrt{R^2 - x_n^2}, enzovoort; xi=Ruix_i = Ru_i substitueren in elk van de nn integralen in één veranderlijke vermenigvuldigt elke met RR en beeldt de grenzen af op die van Bn(1)B_n(1): vn(R)=Rnvn(1)=VnRnv_n(R) = R^n\,v_n(1) = V_nR^n.

2. In schijven snijden langs xn=tx_n = t: de schijf van Bn(1)B_n(1) is de bol Bn1(1t2)B_{n-1}\bigl(\sqrt{1 - t^2}\bigr), dus is volgens vraag 1

Vn=11vn1(1t2) ⁣dt=Vn111(1t2)n12 ⁣dt.V_n = \int_{-1}^1 v_{n-1}\bigl(\sqrt{1 - t^2}\bigr)\,\dd t = V_{n-1}\int_{-1}^{1}(1 - t^2)^{\frac{n-1}2}\,\dd t .

3. Met t=sinθt = \sin\theta,  ⁣dt=cosθ ⁣dθ\dd t = \cos\theta\,\dd\theta en (1t2)n12=cosn1θ(1 - t^2)^{\frac{n-1}2} = \cos^{n-1}\theta op [π/2,π/2]\intcc{-\pi/2}{\pi/2}:

11(1t2)n12 ⁣dt=π/2π/2cosnθ ⁣dθ=20π/2cosnθ ⁣dθ=2Wn,\int_{-1}^1(1 - t^2)^{\frac{n-1}2}\dd t = \int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^n\theta\,\dd\theta = 2\int_0^{\pi/2}\cos^n\theta\,\dd\theta = 2W_n,

en θπ2θ\theta \mapsto \frac\pi2 - \theta verwisselt de sinus- en de cosinusvorm van WnW_n.

4. Schrijf sinn=sinn2(1cos2)\sin^n = \sin^{n-2}(1 - \cos^2) en integreer sinn2coscos\int\sin^{n-2}\cos\cdot\cos partieel (v=sinn1n1v = \frac{\sin^{n-1}}{n-1}):

Wn=Wn2Wnn1Wn=n1nWn2.W_n = W_{n-2} - \frac{W_n}{n-1} \quad\Longrightarrow\quad W_n = \frac{n-1}{n}W_{n-2}.

Bijgevolg is nWnWn1=(n1)Wn1Wn2nW_nW_{n-1} = (n-1)W_{n-1}W_{n-2}: de rij (nWnWn1)(nW_nW_{n-1}) is constant, gelijk aan 1W1W0=1π21\cdot W_1W_0 = 1\cdot\frac\pi2, dus WnWn1=π2nW_nW_{n-1} = \frac{\pi}{2n}.

5. De vragen 2–3 geven Vn=2WnVn1V_n = 2W_nV_{n-1}, tweemaal:

Vn=2Wn2Wn1Vn2=4π2nVn2=2πnVn2.V_n = 2W_n\cdot 2W_{n-1}\,V_{n-2} = 4\,\frac{\pi}{2n}\,V_{n-2} = \frac{2\pi}n\,V_{n-2}.

6. Uit V0=1V_0 = 1: V2k=2π2kV2k2=πkV2k2V_{2k} = \frac{2\pi}{2k}V_{2k-2} = \frac\pi kV_{2k-2}, dus V2k=πkk!V_{2k} = \frac{\pi^k}{k!} met inductie. Uit V1=2V_1 = 2: V2k+1=2π2k+1V2k1V_{2k+1} = \frac{2\pi}{2k+1}V_{2k-1}, dus

V2k+1=2j=1k2π2j+1=2k+1πk135(2k+1).V_{2k+1} = 2\prod_{j=1}^k\frac{2\pi}{2j+1} = \frac{2^{k+1}\pi^k}{1\cdot3\cdot5\cdots(2k+1)} .

7. V1=2V_1 = 2, V2=π3.142V_2 = \pi \approx 3.142, V3=4π34.189V_3 = \frac{4\pi}3 \approx 4.189, V4=π224.935V_4 = \frac{\pi^2}2 \approx 4.935, V5=8π2155.264V_5 = \frac{8\pi^2}{15} \approx 5.264, V6=π365.168V_6 = \frac{\pi^3}6 \approx 5.168, V7=16π31054.725V_7 = \frac{16\pi^3}{105} \approx 4.725. De verhouding met één stap is Vn/Vn1=2WnV_n/V_{n-1} = 2W_n, en (Wn)(W_n) is dalend (sinnsinn1\sin^n \leq \sin^{n-1} puntsgewijs). Nu is 2W5=24523=1615>12W_5 = 2\cdot\frac45\cdot\frac23 = \frac{16}{15} > 1 terwijl 2W6=2563412π2=5π16<12W_6 = 2\cdot\frac56\cdot\frac34\cdot\frac12\cdot\frac\pi2 = \frac{5\pi}{16} < 1: de verhoudingen zijn groter dan 11 tot en met n=5n = 5 en kleiner dan 11 vanaf n=6n = 6(Vn)(V_n) stijgt tot haar maximum V5V_5 en daalt daarna.

8. Voor n13>4πn \geq 13 > 4\pi is Vn/Vn2=2π/n<12V_n/V_{n-2} = 2\pi/n < \tfrac12, dus VnC2n/2V_{n} \leq C\cdot 2^{-n/2} met een vaste constante; sterker nog, voor elke q>0q > 0 is 2π/n<q22\pi/n < q^2 voor grote nn, dus Vn/qn0V_n/q^n \to 0: het verval verslaat elke meetkundige rij. De convergentie van Vn\sum V_n volgt uit de verhouding Vn/Vn20V_n/V_{n-2} \to 0 (vanaf een zekere rang met een meetkundige reeks vergelijken).

9. k0V2kx2k=k0(πx2)kk!=eπx2\sum_{k\geq0}V_{2k}x^{2k} = \sum_{k\geq0}\frac{(\pi x^2)^k}{k!} = \eu^{\pi x^2}, de exponentiële reeks (Hoofdstuk 11), convergent voor elke xx. In x=1x = 1: kV2k=eπ23.14\sum_kV_{2k} = \eu^\pi \approx 23.14.

10. Op de kubus [R,R]n\intcc{-R}R^n is de integrand het product iexi2\prod_i\eu^{-x_i^2}, dus ontbindt de herhaalde integraal: (RRet2 ⁣dt)n\bigl(\int_{-R}^R\eu^{-t^2}\dd t\bigr)^n. Met RR \to \infty en Ret2 ⁣dt=π\int_\R\eu^{-t^2}\dd t = \sqrt\pi (Voorbeeld 20.17): In=πn/2I_n = \pi^{n/2}.

11. t=u2t = u^2 geeft Γ(12)=0t1/2et ⁣dt=20eu2 ⁣du=π\Gamma(\tfrac12) = \int_0^\infty t^{-1/2}\eu^{-t}\dd t = 2\int_0^\infty\eu^{-u^2}\dd u = \sqrt\pi. Γ(s+1)=sΓ(s)\Gamma(s+1) = s\Gamma(s) herhalen: Γ(k+1)=k!Γ(1)=k!\Gamma(k+1) = k!\,\Gamma(1) = k!, en

Γ(k+32)=(k+12)(k12)12Γ(12)=(2k+1)(2k1)12k+1π.\Gamma\Bigl(k + \frac32\Bigr) = \Bigl(k + \frac12\Bigr)\Bigl(k - \frac12\Bigr)\cdots \frac12\cdot\Gamma\Bigl(\frac12\Bigr) = \frac{(2k+1)(2k-1)\cdots1}{2^{k+1}}\,\sqrt\pi .

12. Zet Fn=πn/2/Γ(n2+1)F_n = \pi^{n/2}/\Gamma(\frac n2 + 1). Omdat Γ(n2+1)=n2Γ(n2)=n2Γ(n22+1)\Gamma(\frac n2 + 1) = \frac n2\,\Gamma(\frac n2) = \frac n2\,\Gamma(\frac{n-2}2 + 1), is Fn=2πnFn2F_n = \frac{2\pi}nF_{n-2}: dezelfde recursie als voor VnV_n (vraag 5). Basisgevallen: F1=π/Γ(32)=π/(π2)=2=V1F_1 = \sqrt\pi/\Gamma(\frac32) = \sqrt\pi/(\frac{\sqrt\pi}2) = 2 = V_1 en F2=π/Γ(2)=π=V2F_2 = \pi/\Gamma(2) = \pi = V_2. Met inductie is Vn=FnV_n = F_n voor alle nn; vraag 11 zet dit terug om in de twee gesloten vormen van vraag 6.

13. Met r=tr = \sqrt t: 0er2rn1 ⁣dr=120tn21et ⁣dt=12Γ(n2)\int_0^\infty \eu^{-r^2}r^{n-1}\dd r = \frac12\int_0^\infty t^{\frac n2 - 1}\eu^{-t}\dd t = \frac12\Gamma(\frac n2). Bijgevolg is

nVn0er2rn1 ⁣dr=Vnn2Γ(n2)=VnΓ(n2+1)=πn/2=In.n\,V_n\int_0^\infty\eu^{-r^2}r^{n-1}\dd r = V_n\cdot\frac n2\,\Gamma\Bigl(\frac n2\Bigr) = V_n\,\Gamma\Bigl(\frac n2 + 1\Bigr) = \pi^{n/2} = I_n .

Omdat beide leden bewezen zijn, kan de identiteit worden gelezen als de ontbinding in schillen van de integraal van Gauss: de sfeer met straal rr draagt oppervlakte nVnrn1nV_nr^{n-1}, en het gaussische gewicht er2\eu^{-r^2} wordt over de schillen geïntegreerd.

14. s0=V1=2s_0 = V_1 = 2 (de 00-sfeer bestaat uit twee punten), s1=2V2=2πs_1 = 2V_2 = 2\pi, s2=3V3=4πs_2 = 3V_3 = 4\pi, s3=4V4=2π2s_3 = 4V_4 = 2\pi^2; en 0Rsn1rn1 ⁣dr=VnRn=vn(R)\int_0^R s_{n-1}r^{n-1}\dd r = V_nR^n = v_n(R): de oppervlakte is de radiale afgeleide van het volume.

15. Voor n=2kn = 2k geeft Stirling (Stelling 6.13) dat k!2πk(k/e)kk! \sim \sqrt{2\pi k}\,(k/\eu)^k, dus

V2k=πkk!(πe/k)k2πk=1πn(2πen)n/2(n=2k).V_{2k} = \frac{\pi^k}{k!} \sim \frac{(\pi\eu/k)^k}{\sqrt{2\pi k}} = \frac1{\sqrt{\pi n}}\Bigl(\frac{2\pi\eu}n\Bigr)^{n/2} \qquad (n = 2k).

Voor oneven nn: V2k+1=2W2k+1V2k2V2kV_{2k+1} = 2W_{2k+1}V_{2k} \leq 2V_{2k}, dus gelden dezelfde grenzen van supermeetkundig verval (op een factor 22 en een verschuiving van één in de exponent na) — voor elke q>0q > 0 is Vn=o(qn)V_n = o(q^n).

16. V2/4=π/40.785V_2/4 = \pi/4 \approx 0.785; V3/8=π/60.524V_3/8 = \pi/6 \approx 0.524; V10/210=π512010240.0025V_{10}/2^{10} = \frac{\pi^5}{120\cdot1024} \approx 0.0025. In het algemeen is Vn/2nVn2/2n2=2π4n=π2n0\frac{V_n/2^n}{V_{n-2}/2^{n-2}} = \frac{2\pi}{4n} = \frac{\pi}{2n} \to 0: de verhouding streeft (supermeetkundig) naar 00. De ingeschreven bol neemt een verdwijnend aandeel in: het volume van de kubus verhuist naar haar hoeken.

17. Volgens vraag 1 heeft de binnenste bol met straal 1ε1 - \varepsilon volume Vn(1ε)nV_n(1-\varepsilon)^n, dus draagt de buitenschil het aandeel 1(1ε)n11 - (1 - \varepsilon)^n \to 1. Voor n=100n = 100 en ε=0.01\varepsilon = 0.01: (0.99)100=e100ln0.99e1.0050.366(0.99)^{100} = \eu^{100\ln0.99} \approx \eu^{-1.005} \approx 0.366: ongeveer 63%63\% van de bol ligt binnen 1%1\% van haar oppervlak.

18. (Wn)(W_n) daalt, dus WnWn1Wn2=nn1WnW_n \leq W_{n-1} \leq W_{n-2} = \frac{n}{n-1}W_n: inklemmen geeft Wn1/Wn1W_{n-1}/W_n \to 1. Vermenigvuldigen met WnWn1=π2nW_nW_{n-1} = \frac\pi{2n}: Wn2π2nW_n^2 \sim \frac\pi{2n}, dat wil zeggen Wnπ/(2n)W_n \sim \sqrt{\pi/(2n)}. Ondergrens: Wn2WnWn+1=π2(n+1)W_n^2 \geq W_nW_{n+1} = \frac{\pi}{2(n+1)}, dus Wnπ/(2(n+1))W_n \geq \sqrt{\pi/(2(n+1))} voor elke nn.

19. Teller: 1x2ex21 - x^2 \leq \eu^{-x^2} geeft (1x2)n12e(n1)x2/2(1 - x^2)^{\frac{n-1}2} \leq \eu^{-(n-1)x^2/2}, en met a=n12a = \frac{n-1}2 is

δ1(1x2)n12 ⁣dxδeax2 ⁣dxδxδeax2 ⁣dx=eaδ22aδ=e(n1)δ2/2(n1)δ.\int_\delta^1(1 - x^2)^{\frac{n-1}2}\dd x \leq \int_\delta^\infty\eu^{-ax^2}\dd x \leq \int_\delta^\infty\frac x\delta\,\eu^{-ax^2}\dd x = \frac{\eu^{-a\delta^2}}{2a\delta} = \frac{\eu^{-(n-1)\delta^2/2}}{(n-1)\delta}.

Noemer: 2Wn2π/(n+1)2W_n \geq \sqrt{2\pi/(n+1)} volgens vraag 18. Delen geeft de getoonde grens. Voor δ=s/n1\delta = s/\sqrt{n-1} wordt zij n+12π(n1)  es2/2/s=O(es2/2/s)\sqrt{\tfrac{n+1}{2\pi(n-1)}}\;\eu^{-s^2/2}/s = O\bigl( \eu^{-s^2/2}/s\bigr), uniform in nn: buiten de plak x1s/n1\abs{x_1} \leq s/\sqrt{n-1} zit vrijwel geen volume, voor matig grote ss — en wegens de symmetrie geldt hetzelfde in elke richting.

20. De twee uitspraken bestaan naast elkaar omdat zij verschillende coördinaten van hetzelfde punt beschrijven. Vrijwel elk punt van Bn(1)B_n(1) heeft een norm dicht bij 11 (vraag 17: radiale concentratie nabij de sfeer), en toch is elk van zijn nn coördinaten klein, van de orde 1/n1/\sqrt n (vraag 19), wat verenigbaar is omdat nn coördinaten van grootte 1/n1/\sqrt n een norm van de orde 11 hebben. Het volume in hoge dimensie concentreert zich waar alle coördinaten het normbudget gelijk delen — nabij de sfeer, maar ver van elke pool op een coördinaatas.

21. Snijd Δn\Delta_n in schijven bij xn=t[0,1]x_n = t \in \intcc01: de schijf is {xRn1:xi0, xi1t}=(1t)Δn1\{x' \in \R^{n-1} : x_i \geq 0,\ \sum x_i \leq 1 - t\} = (1-t)\Delta_{n-1}, met volume (1t)n1vol(Δn1)(1-t)^{n-1}\operatorname{vol}(\Delta_{n-1}) wegens de homogeniteit. Dus

vol(Δn)=vol(Δn1)01(1t)n1 ⁣dt=vol(Δn1)nvol(Δn)=1n!.\operatorname{vol}(\Delta_n) = \operatorname{vol}(\Delta_{n-1})\int_0^1(1 - t)^{n-1}\dd t = \frac{\operatorname{vol}(\Delta_{n-1})}{n} \quad\Longrightarrow\quad \operatorname{vol}(\Delta_n) = \frac1{n!}\,.

22. De 2n2^n tekenorthanten snijden CnC_n in 2n2^n kopieën van Δn\Delta_n (met verwaarloosbare overlappingen op de coördinaathypervlakken): vol(Cn)=2nn!\operatorname{vol}(C_n) = \frac{2^n}{n!}. Geldt xi1\sum\abs{x_i} \leq 1, dan is xi2(xi)21\sum x_i^2 \leq \bigl(\sum\abs{x_i}\bigr)^2 \leq 1: CnBn(1)C_n \subseteq B_n(1); en Bn(1)[1,1]nB_n(1) \subseteq \intcc{-1}1^n omdat xix\abs{x_i} \leq \norm x. Bijgevolg is 2nn!Vn2n\frac{2^n}{n!} \leq V_n \leq 2^n — in overeenstemming met vraag 15, die VnV_n tussen de faculteits- en de meetkundige schaal plaatst.

23. Voor (x,y)(x, y) in de eenheidsschijf is de schijf van B4(1)B_4(1) de schijf met straal 1x2y2\sqrt{1 - x^2 - y^2} in het (z,w)(z, w)-vlak, met oppervlakte π(1x2y2)\pi(1 - x^2 - y^2). In poolcoördinaten:

V4=x2+y21π(1x2y2) ⁣dx ⁣dy=π02π ⁣ ⁣01(1ρ2)ρ ⁣dρ ⁣dα=π2π14=π22,V_4 = \iint_{x^2+y^2\leq1}\pi(1 - x^2 - y^2)\,\dd x\,\dd y = \pi\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^1(1 - \rho^2)\rho\, \dd\rho\,\dd\alpha = \pi\cdot2\pi\cdot\frac14 = \frac{\pi^2}2 ,

in overeenstemming met vraag 6.

24. De kans is de volumeverhouding V20220=π1010!2200.025810485762.5108\dfrac{V_{20}}{2^{20}} = \dfrac{\pi^{10}}{10!\cdot2^{20}} \approx \dfrac{0.0258}{1\,048\,576} \approx 2.5\cdot10^{-8}. Het aantal trekkingen tot de eerste treffer is van de orde van het omgekeerde, ongeveer 41074\cdot10^7: een verwerpende steekproef die voor de schijf prachtig werkte (π/4\pi/4 van de treffers) is nutteloos in dimensie 2020 — de vloek van de dimensionaliteit in één regel.

25. Weg één (Delen I–II) gebruikte: het in schijven snijden van de herhaalde integraal in de stijl van Fubini, de substitutie in één veranderlijke in elke coördinaat (homogeniteit) en de integralen van Wallis — zuivere analyse in één veranderlijke plus inductie. Weg twee (Deel III) gebruikte: Fubini voor de productstructuur van InI_n, de verandering naar poolcoördinaten via de integraal van Gauss uit Voorbeeld 20.17, en de functionaalvergelijking van de Γ\Gamma-functie. Zij ontmoeten elkaar in Vn=πn/2/Γ(n2+1)V_n = \pi^{n/2}/\Gamma(\frac n2 + 1), waarbij Stirling (Stelling 6.13) de formule in asymptotiek omzet. Het volume van bachelorjaar 3 bouwt dit alles opnieuw op met de integraal van Lebesgue: daar zijn Fubini en de verandering van veranderlijken stellingen voor algemene integreerbare functies, bestaan bolcoördinaten in elke dimensie, en duiken dezelfde volumes van de bol op als de uitgewerkte dividenden van de opgaven over productmaten en Stirling — met de gedomineerde convergentie in de plaats van onze zelfgemaakte insluitingen.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 395 begrippen in de begrippenlijst