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 differentiaalvormPdx+Qdy 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 U⊆R2open. Een differentiaalvorm van graad 1 en van klasse C0 op U is een uitdrukking ω=Pdx+Qdy met P,Q:U→Rcontinu — formeel een continue afbeelding van U in de duale ruimte van R2, ω(M)=P(M)e1∗+Q(M)e2∗. Voor een C1-boog γ:[a,b]→U, γ(t)=(x(t),y(t)), is de lijnintegraal van ω langs γ
∫γω=∫ab(P(γ(t))x′(t)+Q(γ(t))y′(t))dt.
De definities breiden woordelijk uit tot R3 (vormen Pdx+Qdy+Rdz) en tot stuksgewijs C1-bogen (som over de stukken).
Propositie 20.2(Invariantie en oriëntatie)
De lijnintegraal verandert niet onder een stijgende C1-parameterverandering, en verandert van teken onder een dalende. Zij hangt dus alleen van de georiënteerdemeetkundige boog af.
Bewijs. Is θ:[c,d]→[a,b] een parameterverandering en γ~=γ∘θ, dan geldt volgens de kettingregel en de verandering van veranderlijke t=θ(u) in één veranderlijke
met teken + als θ stijgt (θ(c)=a) en − als zij daalt (de grenzen verwisselen). ∎
Voorbeeld 20.3(Arbeid van een kracht; circulatie)
Is F=(P,Q) een krachtveld, dan is ∫γPdx+Qdy=∫ab⟨F(γ(t)),γ′(t)⟩dt de arbeid van F langs γ. Voor ω=−ydx+xdy langs de eenheidscirkel tegen de wijzers van de klok in, γ(t)=(cost,sint):
∫γω=∫02π((−sint)(−sint)+costcost)dt=2π,
tweemaal de omsloten oppervlakte — een eerste hint van Green–Riemann.
Voorbeeld 20.4(Eén integraal, twee parametriseringen, één tekenval)
Bereken ∫γxdy langs de bovenste eenheidshalfcirkel van (1,0) naar (−1,0). Met γ(t)=(cost,sint), t∈[0,π]:
∫0πcost⋅costdt=2π.
Met de grafiekparametrisering x↦(x,1−x2), x van 1 naar −1 (let op de richting!):
∫1−1x⋅1−x2−xdx=∫−111−x2x2dx=2π
(x=sinu herleidt haar tot een integraal van Wallis). Dezelfde waarde, zoals Propositie 20.2 waarborgt — maar alleen omdat beide doorlopen van (1,0) naar (−1,0) gaan; de reis omkeren keert het teken om. Het pad sluiten langs de x-as (waar dy=0) voegt niets toe, en het totaal 2π 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=Pdx+Qdy van klasse C0 heet exact op U wanneer er een f∈C1(U) bestaat (een potentiaal) met ω=df, dat wil zeggen P=fx en Q=fy. Een C1-vorm heet gesloten wanneer Py=Qx op U.
Stelling 20.6(Hoofdstelling voor lijnintegralen)
Is ω=dfexact en γ een stuksgewijs C1-boog in U van A naar B, dan is
∫γω=f(B)−f(A).
In het bijzonder is de integraal van een exacte vorm langs elke gesloten boog nul, en is elke exacte C1-vorm gesloten.
Bewijs.dtdf(γ(t))=fx(γ(t))x′(t)+fy(γ(t))y′(t) volgens de kettingregel (Hoofdstuk 15), dus is de integrand in Definitie 20.1 de afgeleide van t↦f(γ(t)), en de hoofdstelling van de integraalrekening geeft het resultaat op elk stuk; de tussenwaarden telescoperen. Dat exacte C1-vormen gesloten zijn, is de stelling van Schwarz: Py=fxy=fyx=Qx. ∎
Voorbeeld 20.7(Een potentiaal reconstrueren)
Zij ω=yexydx+(xexy+2y)dy op R2. Zij is gesloten: beide gemengde afgeleiden zijn gelijk aan exy(1+xy). Om een potentiaal te vinden, integreer je P naar x bij vaste y:
f(x,y)=∫yexydx=exy+c(y),
en pas je c aan door fy te laten kloppen: xexy+c′(y)=xexy+2y geeft c(y)=y2. Dus f(x,y)=exy+y2, en voor elke stuksgewijs C1-boog van (0,0) naar (1,1) is
∫γω=f(1,1)−f(0,0)=(e+1)−1=e,
onafhankelijk van het pad — het recept in twee stappen (integreren naar x, corrigeren in y) 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} is de hoekvorm
ω=x2+y2−ydx+xdy
gesloten (rechtstreekse berekening: zowel Py als Qx is gelijk aan (x2+y2)2y2−x2), maar haar integraal langs de eenheidscirkel is 2π=0 (dezelfde berekening als in Voorbeeld 20.3, gedeeld door 1): ω is niet exact op U. Lokaal is ω=dθ voor een bepaling θ 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 stervormigeopen verzameling is elke geslotenC1-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 f die continu is op een rechthoek R=[a,b]×[c,d] heeft een dubbele integraal ∬Rf, gedefinieerd met Riemannsommen over roosters precies als in één veranderlijke, en berekend door iteratie:
Bewijs. Zet F(x)=∫cdf(x,y)dy. De uniforme continuïteit van f op het compacteR maakt Fcontinu (gedomineerde schatting: ∣F(x)−F(x′)∣≤(d−c)supy∣f(x,y)−f(x′,y)∣). Verdeel nu [a,b] en [c,d] elk in n gelijke delen, wat een rooster van cellen Rij met oppervlakteΔxΔy geeft. Op elke cel is infRijf⋅ΔxΔy≤∫xi−1xi∫yj−1yjf(x,y)dydx≤supRijf⋅ΔxΔy wegens de monotonie van de integraal in één veranderlijke (tweemaal toegepast). Sommeren over de cellen klemt de herhaalde integraal ∫abF tussen de onder- en bovensommen van Riemann van het rooster; wegens de uniforme continuïteit convergeren beide sommen naar de gemeenschappelijke waarde die ∬Rf definieert als n→∞. Hetzelfde argument werkt met de rollen van x en y verwisseld, dus beide herhaalde integralen zijn gelijk aan ∬Rf. ∎
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 D⊆R2 heet y-elementair wanneer
D={(x,y):a≤x≤b,φ1(x)≤y≤φ2(x)}
met φ1≤φ2continu op [a,b] (x-elementair: symmetrisch). Voor fcontinu op een y-elementair gebied D is
∬Df=∫ab(∫φ1(x)φ2(x)f(x,y)dy)dx,
en men gaat na (door f met een benaderingsargument uit te breiden, of door onder te verdelen) dat wanneer D 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 D is Area(D)=∬D1.
Voorbeeld 20.12
Op de driehoek D={0≤x≤1,0≤y≤x}:
∬Dxydxdy=∫01x(∫0xydy)dx=∫01x⋅2x2dx=81.
De volgorde verwisselen (x van y tot 1): ∫01y(∫y1xdx)dy=∫01y21−y2dy=81 — 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∫x1ey2dydx. Zoals zij er staat, heeft de binnenste integraal ∫ey2dy geen elementaire primitieve: de berekening loopt vast. Maar het gebied is de driehoek 0≤x≤y≤1, die in beide richtingen elementair is; de volgorde verwisselen geeft
I=∫01∫0yey2dxdy=∫01yey2dy=[21ey2]01=2e−1.
De binnenste veranderlijke x kwam in de integrand nergens voor, dus haar eerst integreren bracht precies de factor y 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:U′→U een C1-diffeomorfisme tussen open verzamelingen van R2, zij K⊆U een compact gebied dat in elementaire stukken is gesneden met K′=Φ−1(K), en zij fcontinu op K. Dan is
∬Kf(x,y)dxdy=∬K′f(Φ(u,v))∣detJΦ(u,v)∣dudv.
Bewijs.Op dit niveau zonder bewijs aangenomen.∎
Opmerking 20.15
Het volledige bewijs — Φ 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 in (u,v) wordt tot op eerste orde afgebeeld op het parallellogram opgespannen door Φudu en Φvdv, waarvan de oppervlakte∣detJΦ∣dudv is (Lemma 19.18).
Opmerking 20.16(Methode: de verandering van veranderlijken kiezen)
Drie reflexen dekken de meeste gevallen. Symmetrie van de integrand: x2+y2 roept om poolcoördinaten, een productstructuur roept om het behouden van de cartesische assen. Vorm van de rand: randen u(x,y)=c1, v(x,y)=c2 smeken om de coördinaten (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+y en x−y nodigen uit tot de rotatie over 45 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.
Vergelijken met het vierkant [−R,R]2 (dat tussen de schijven DR en DR2 geklemd zit, met overal positieve integranden) geeft (∫−∞∞e−x2dx)2=π:
∫−∞+∞e−x2dx=π
— 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 afbeeldingΦ(u,v)=M(u,v)T+C met M inverteerbaar is de jacobimatrix de constante matrix M: oppervlakten worden vermenigvuldigd met de constante factor ∣detM∣ — de belofte uit Hoofdstuk 17 is nu een stelling. Twee onmiddellijke toepassingen. De ellips a2x2+b2y2≤1 is het beeld van de eenheidsschijf onder (u,v)↦(au,bv), dus is haar oppervlakteab⋅π — zonder berekening. En voor de integraal van f(x+y) over het vierkant K=[0,1]2 maakt de afschuiving Φ(u,v)=(u−v,v) (determinant1) er een integraal van f(u) over een parallellogram van, dat Fubini bij constante u in schijven snijdt: met f=exp,
∬Kex+ydxdy=(∫01exdx)2=(e−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 D het gebied in het eerste kwadrant begrensd door de hyperbolen xy=1 en xy=3 en de rechten y=x en y=3x. In de coördinaten u=xy, v=y/x wordt het gebied het vierkant [1,3]×[1,3]; inverteren geeft
x=u/v,y=uv,detJ=xuyv−xvyu=2v1
(een berekening van twee regels met x=u1/2v−1/2, y=u1/2v1/2). Bijgevolg is
Area(D)=∫13∫132vdudv=2⋅2ln3=ln3≈1.10.
D 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 dat voor poolcoördinaten deed.
Voorbeeld 20.20(Gemiddelde waarden)
De gemiddelde waarde van f over een gebied D is Area(D)1∬Df. Voorbeeld: de gemiddelde afstand tot het middelpunt voor een uniform gekozen punt van de schijf met straal R is
πR21∫02π∫0Rρ⋅ρdρdα=πR22πR3/3=32R,
niet R/2: een uniforme oppervlakte legt meer massa bij grote stralen (de ring op straal ρ heeft gewicht evenredig met ρ), 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 van de halve bol dat verderop in het hoofdstuk wordt berekend, in plaats van R/2.
20.3 De stelling van Green–Riemann
Stelling 20.21(Green–Riemann)
Zij K⊆R2 een compact gebied dat in beide richtingen elementair is (of een eindige vereniging van zulke gebieden, langs segmenten aaneengelijmd), met als rand ∂K een stuksgewijs C1gesloten kromme, georiënteerd tegen de wijzers van de klok in (het gebied blijft links). Voor P,Q van klasse C1 op een omgeving van K geldt
∮∂KPdx+Qdy=∬K(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy.
Bewijs. Ten eerste zijn beide leden additief wanneer K langs een segment in twee stukken K1,K2 wordt gesneden: de dubbele integralen tellen op wegens de additiviteit van ∬; en wat de randintegralen betreft, doorlopen de randen van K1 en K2 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,
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 ∮Pdx=−∬KPy op een y-elementair gebied D={a≤x≤b,φ1(x)≤y≤φ2(x)}; de identiteit ∮Qdy=∬KQx is symmetrisch (x-elementair), en de stelling is hun som.
Bereken de dubbele integraal met Fubini en de hoofdstelling in één veranderlijke:
∬D∂y∂Pdxdy=∫ab(P(x,φ2(x))−P(x,φ1(x)))dx.
Nu bestaat de rand van D, tegen de wijzers van de klok in, uit: de onderste grafiek y=φ1(x) van links naar rechts doorlopen, het rechtse verticale segment x=b (omhoog), de bovenste grafiek y=φ2(x)van rechts naar links doorlopen, en het linkse verticale segment x=a (omlaag). Langs de verticale segmenten is x constant, dus dragen zij 0 bij aan ∮Pdx; de grafieken, geparametriseerd met x, geven
Bewijs. Pas Green–Riemann toe op (P,Q)=(0,x), (−y,0) en 21(−y,x): telkens is Qx−Py=1. ∎
Opmerking 20.23(Kiezen tussen de drie oppervlakteformules)
De drie randformules zijn gelijk, maar in de praktijk niet onderling verwisselbaar. Gebruik ∮xdy wanneer de parametrisering dy eenvoudig maakt (grafieken boven de y-as), −∮ydxsymmetrisch, en de symmetrische halve som wanneer de parametrisering x en y 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.
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=Py) verdwijnt de integraal rond de rand van elk gebied dat in U bevat is. De hoekvorm faalt alleen omdat het gat in de oorsprong verhindert dat de schijf begrensd door de eenheidscirkel binnen U 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 ∭ tot drie integralen in één veranderlijke (ofwel door in schijven te snijden: ∭Kf=∫(∬Kzf)dz over de horizontale schijven Kz, ofwel door te stapelen: eerst naar z integreren langs verticale staafjes), en de formule voor de verandering van veranderlijken geldt met de 3×3-jacobimatrix.
Voorbeeld 20.27(Cilinder- en bolcoördinaten)
Cilindrisch(x,y,z)=(ρcosα,ρsinα,z): dxdydz=ρdρdαdz. Bolvormig(x,y,z)=(rcosθcosφ,rsinθcosφ,rsinφ) (θ de lengtegraad, φ∈[−2π,2π] de breedtegraad): de 3×3-determinant langs de laatste rij ontwikkelen geeft
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,z≥0,x+y+z≤1}, door stapelen: voor vaste (x,y) in de driehoek x+y≤1 loopt z over [0,1−x−y], dus
V=∫01∫01−x(1−x−y)dydx=∫012(1−x)2dx=61.
Door in schijven te snijden: de doorsnede op hoogte z is de driehoek {x,y≥0,x+y≤1−z}, met oppervlakte2(1−z)2, en V=∫012(1−z)2dz=61 opnieuw — de twee berekeningen zijn dezelfde integralen in een andere volgorde, en meer beweert Fubini niet. De waarde 61=31⋅21⋅1 is de kegelformule (Voorbeeld 20.30) met driehoekige grondvlak, en de n-dimensionale versie 1/n! wordt in de weekendopgave met precies dit snijden bewezen.
Voorbeeld 20.29(Zwaartepunt van een halve bol)
Voor de bovenste halve bol H met straal R (z≥0) is de hoogte van het zwaartepunt zˉ=V1∭Hz, met V=32πR3. In bolcoördinaten (z=rsinφ, φ∈[0,π/2]):
het evenwichtspunt van een massieve halve bol ligt op drie achtste van de straal boven het platte vlak — onder de halve hoogte R/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 oppervlakteA en hoogte h (top boven, grondvlak op z=0): de schijf op hoogte z is het grondvlak geschaald met de factor (1−z/h), met oppervlakteA(1−z/h)2. Bijgevolg is
V=∫0hA(1−hz)2dz=3Ah:
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 convergeert ∬Dρ−αdxdy op de geperforeerde eenheidsschijf D (als limiet over ringen ε≤ρ≤1)? In poolcoördinaten is
∫02π∫ε1ρ−αρdρdα=2π∫ε1ρ1−αdρ,
wat convergeert als ε→0 dan en slechts dan als 1−α>−1, dat wil zeggen α<2: in dimensie 2 is de kritieke exponent van de singulariteit de dimensie zelf, waarbij de extra ρ uit de jacobiaan de singulariteit met één macht verzacht. (Evenzo α<3 voor een puntsingulariteit in de ruimte, via r2.) 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 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∣ vergeten keert gewoonlijk precies de tekens om wanneer de afbeelding de oriëntatie omkeert. (iii) De poolfactor ρ: dxdy=ρdρdα, niet dρdα — de meest voorkomende fout van het hele hoofdstuk; dimensieanalyse vangt haar op, want dρdα 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 binnen de formule van Stirling (Stelling 6.13) is de integraal van dit hoofdstuk, en via Stirling legt zij de asymptoten 1/πn 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 ∫γy2dx+xdy langs: (a) het segment van (0,0) naar (1,1); (b) de paraboolboog y=x2 van (0,0) naar (1,1). Is de vorm exact?
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.1.
(a) Segment γ(t)=(t,t), t∈[0,1]:
∫γy2dx+xdy=∫01(t2+t)dt=31+21=65.
(b) Parabool γ(t)=(t,t2):
∫01(t4⋅1+t⋅2t)dt=51+32=1513.
De twee waarden verschillen, dus hangt de integraal van het pad af: de vorm is nietexact — daarmee in overeenstemming is Py=2y=1=Qx, zodat zij niet eens gesloten is.
Oefening 20.2★
Toon aan dat ω=(2xy+y3)dx+(x2+3xy2+1)dygesloten is op R2, bepaal een potentiaal, en bereken ∫γω langs een willekeurige boog van (0,0) naar (1,2).
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.2.
P=2xy+y3, Q=x2+3xy2+1: Py=2x+3y2=Qx, gesloten op R2. Zoek f met fx=P: f=x2y+xy3+g(y); dan dwingt fy=x2+3xy2+g′(y)=Q af dat g′(y)=1, zeg g(y)=y. Dus is
f(x,y)=x2y+xy3+y
een potentiaal (R2 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) naar (1,2)
∫γω=f(1,2)−f(0,0)=2+8+2=12.
Oefening 20.3★
Bereken ∬D(x+y)dxdy, waarbij D het gebied is begrensd door y=x2 en y=x (0≤x≤1), in beide volgorden van integratie.
(De astroïde past in de eenheidsschijf met oppervlakteπ; drie achtste van π 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+y2 en boven door het vlak z=1, met beide methoden: stapelen (integreer 1−x2−y2 over de eenheidsschijf, poolcoördinaten) en in schijven snijden (de horizontale schijven zijn schijven met straal z).
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.6.
Stapelen: boven elke (x,y) van de eenheidsschijf D loopt z van x2+y2 tot 1:
In schijven snijden: de schijf op hoogte z∈[0,1] is de schijf x2+y2≤z, met oppervlakteπz:
V=∫01πzdz=2π.
Oefening 20.7★★
(Zwaartekrachtige aantrekking van een bol — de stelling van Newton, bijzonder geval) Toon aan dat het volume van de bolschil a≤r≤b gelijk is aan 34π(b3−a3) en bereken ∭Brdxdydz over de bol B met straal R (r de afstand tot de oorsprong). (Bolcoördinaten.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.7.
In bolcoördinaten is het volume-element r2cosφdrdθdφ (Voorbeeld 20.27), en het hoekgedeelte integreert tot 4π (2π uit θ, ∫−π/2π/2cos=2). Het volume van de schil is
∫ab4πr2dr=34π(b3−a3).
Voor de tweede integraal hangt de integrand 1/r alleen van r af:
∭Brdxdydz=∫0R4πr2⋅r1dr=4π2R2=2πR2.
(De integrand explodeert in de oorsprong, maar onschadelijk: r2/r=r is continu — de integraal over de schillen ε≤r≤R convergeert als ε→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 U stervormig ten opzichte van 0 (dat wil zeggen M∈U⇒[0,M]⊆U) en ω=Pdx+Qdy een geslotenC1-vorm op U. Definieer
f(x,y)=∫01(xP(tx,ty)+yQ(tx,ty))dt.
Toon met differentiatie onder het integraalteken (Hoofdstuk 9) en Py=Qx aan dat fx=P en fy=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) is C1 in (x,y) en continu in t, met partiële afgeleiden die continu zijn op [0,1]×U; differentiatie onder het integraalteken (Hoofdstuk 9, toegepast op het compactet-interval [0,1], waar de dominatie vanzelf geldt) geeft
dus is de integrand P(tx,ty)+tdtdP(tx,ty)=dtd[tP(tx,ty)] en
fx(x,y)=[tP(tx,ty)]01=P(x,y).
Symmetrisch is fy=Q (dezelfde berekening met Py=Qx in de andere richting gebruikt). Merk op waar de hypothese binnenkomt: f is gedefinieerd door langs het segment [0,M] te integreren, dat precies in U ligt omdat U stervormig is.
Oefening 20.9★★★
(De integraal van Dirichlet via dubbele integratie) Verantwoord en buit uit
∫0∞∫0∞e−xysinxdydxtegenover∫0∞∫0∞e−xysinxdxdy
op [0,A]×[0,∞): toon aan dat ∫0Axsinxdx=2π−∫0∞e−Ay1+y2ysinA+cosAdy en vind ∫0∞xsinxdx=2π terug, in vergelijking met het bewijs via parameterintegralen uit Hoofdstuk 9.
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.9.
Op de strook [0,A]×[0,∞) is de functie (x,y)↦e−xysinx niet in naïeve zin uniform absoluut integreerbaar tot y=∞, maar elke herhaalde integraal convergeert en hun gelijkheid volgt uit Fubini op [0,A]×[0,B] plus een limiet B→∞ (de staart ∫0A∫B∞e−xy∣sinx∣dydx≤∫0Axe−Bx∣sinx∣dx≤∫0Ae−Bxdx→0, met ∣sinx∣≤x).
Eerst y:∫0∞e−xydy=x1 voor x>0, dus is de eerste integraal ∫0Axsinxdx.
Eerst x: twee partiële integraties (of het imaginaire deel van ∫0Ae(i−y)xdx nemen) geven
∫0Ae−xysinxdx=1+y21−e−Ay(ysinA+cosA).
Naar y integreren over [0,∞) zondert de term ∫0∞1+y2dy=2π af:
∫0Axsinxdx=2π−∫0∞e−Ay1+y2ysinA+cosAdy.
De rest wordt begrensd door ∫0∞e−Ay1+y2y+1dy≤∫0∞e−Ay⋅1+y21+ydy→0 als A→∞ (gedomineerde convergentie, of de ruwe grens 1+y21+y≤23 die 2A3 geeft). Bijgevolg is ∫0∞xsinxdx=2π — 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 een enkelvoudige geslotenC1-kromme met lengte2π, geparametriseerd naar booglengte op [0,2π], die de oppervlakteA omsluit. Bewijs met Gevolg 20.22, Parseval en de ongelijkheid van Wirtinger (oefeningen van Hoofdstuk 14) dat A≤π, met gelijkheid voor de cirkel. (Normaliseer ∫02πx(s)ds=0; schrijf 2A=∮xdy−ydx en begrens 2A≤∫(x2+y′2) zorgvuldig via 2A=∫02π(xy′−yx′)ds en x2+y′2≥2xy′.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.10.
Parametriseer naar booglengtes∈[0,2π], zodat x′2+y′2=1, en transleer zo dat ∫02πx(s)ds=0. Volgens Gevolg 20.22 is
2A=∮xdy−ydx=∫02π(xy′−yx′)ds.
∮ydx partieel integreren over de periode (de randtermen heffen elkaar op wegens de periodiciteit) geeft −∫yx′=∫y′x, dus is in feite 2A=2∫02πxy′ds. Dan geeft 2xy′≤x2+y′2 dat
De ongelijkheid van Wirtinger (oefeningen van Hoofdstuk 14: voor een 2π-periodieke C1-functie met gemiddelde nul is ∫x2≤∫x′2) maakt de laatste integraal niet-negatief: A≤π. Gelijkheid vereist gelijkheid in Wirtinger (x(s)=acoss+bsins) en in 2xy′≤x2+y′2 (y′=x puntsgewijs), wat y=asins−bcoss+c afdwingt: de kromme is de eenheidscirkel (passend gecentreerd). Omdat een kromme met lengteL tot lengte2π herschaalt, luidt de algemene uitspraak A≤4πL2: van alle gesloten krommen met gegeven omtrek omsluit de cirkel de grootste oppervlakte.
Oefening 20.11★★
(Momenten van de bol) Bereken voor de bol B met straal R in R3 de integraal ∭Bz2dxdydz in bolcoördinaten, en leid met de symmetrie ∭B(x2+y2+z2)dxdydz af. Toets de laatste aan de berekening met schillen ∫0Rr2⋅4πr2dr.
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.11.
In bolcoördinaten is z=rsinφ en dxdydz=r2cosφdrdθdφ:
Wegens de symmetrie van de bol onder het permuteren van de coördinaten is ∭Bx2=∭By2=∭Bz2, dus ∭B(x2+y2+z2)=3⋅154πR5=54πR5. Controle met schillen: ∫0Rr2⋅4πr2dr=54πR5 — de integrand r2 is constant op de bol met straal r, die oppervlakte4πr2 heeft.
Oefening 20.12★★
(Veterformule) Zij K een veelhoek met hoekpunten (x1,y1),…,(xm,ym) tegen de wijzers van de klok in geordend (indices modulo m). Leid uit Gevolg 20.22 af dat
Area(K)=21i=1∑m(xiyi+1−xi+1yi),
en ga de formule na op de driehoek (0,0), (1,0), (0,1).
Oplossing
Oplossing van Oefening 20.12.
Parametriseer de zijde van (xi,yi) naar (xi+1,yi+1) met γ(t)=((1−t)xi+txi+1,(1−t)yi+tyi+1). Haar bijdrage aan 21∮(xdy−ydx) is
waarbij de kruistermen wegvallen. Sommeren over de m zijden geeft volgens Gevolg 20.22 de veterformule. Driehoek (0,0),(1,0),(0,1): 21((0⋅0−1⋅0)+(1⋅1−0⋅0)+(0⋅0−0⋅1))=21, de juiste oppervlakte.
20.6 Probleem: het volume van de bol in dimensie n
Probleem 20.1
Weekendopgave — Vn=πn/2/Γ(2n+1), en de vreemdheid van hoge dimensies
De schijf heeft oppervlakteπ, de bol volume 34π — en dan? Deze opgave berekent het volume van de eenheidsbol van Rn voor elke n, tweemaal (met een recursie door in schijven te snijden, aangedreven door de integralen van Wallis, en daarna met de Γ-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 wordt de integraal opgevat als de n-voudig herhaalde integraal (één coördinaat tegelijk in schijven gesneden, als in het hoofdstuk voor n≤3); wij schrijven Bn(R) voor de gesloten bol met straal R en middelpunt 0, vn(R) voor haar volume, en Vn=vn(1), met V0=1 per afspraak.
Deel I — De recursie door in schijven te snijden.
Toon met de substitutie xi=Rui in elk van de n herhaalde integralen aan dat vn(R)=VnRn.
Toon, door Bn(1) langs haar laatste coördinaat in schijven te snijden, aan dat
Vn=Vn−1∫−11(1−t2)2n−1dt.
Identificeer met t=sinθ de integraal als een integraal van Wallis: ∫−11(1−t2)2n−1dt=2Wn, met Wn=∫0π/2cosnθdθ=∫0π/2sinnθdθ.
Bewijs de twee identiteiten van Wallis (partieel integreren; dan nWnWn−1 telescoperen):
Wn=nn−1Wn−2(n≥2),WnWn−1=2nπ(n≥1).
Deel II — De recursie opgelost.
Combineer de vragen 2–4 tot de recursie met twee stappen
Vn=n2πVn−2(n≥2).
Leid de gesloten vormen af, voor k≥0:
V2k=k!πk,V2k+1=1⋅3⋅5⋯(2k+1)2k+1πk.
Zet V1,…,V7 numeriek in een tabel. Bewijs met de verhouding Vn/Vn−2=2π/n en de waarden van 2W5 en 2W6 dat de rij (Vn) stijgt tot haar maximum V5=158π2≈5.26 en daarna daalt.
Toon aan dat Vn→0 sneller dan elke meetkundige rij, en dat ∑n≥1Vn convergeert: alle eenheidsbollen samen hebben een eindig totaal volume.
Bewijs de voortbrengende identiteit
k≥0∑V2kx2k=eπx2(x∈R),
en leid af dat ∑k≥0V2k=eπ≈23.14.
Deel III — Tweede weg: Γ en de integraal van Gauss.
Toon met Fubini aan (de integrand is een product) dat
In=∫Rne−∥x∥2dx=(∫−∞+∞e−t2dt)n=πn/2,
de n-dimensionale integraal van Gauss, opgevat als een limiet over kubussen [−R,R]n.
Herinner je Γ(s)=∫0∞ts−1e−tdt (Definitie 9.17). Bereken uit Γ(s+1)=sΓ(s) (Stelling 9.18) en Γ(21)=π (substitueer t=u2 en roep de integraal van Gauss in):
Γ(k+1)=k!,Γ(k+23)=2k+11⋅3⋯(2k+1)π.
Bewijs met inductie via de recursie van vraag 5 de ene formule
Vn=Γ(2n+1)πn/2(n≥1),
en ga na dat zij beide gesloten vormen van vraag 6 reproduceert.
Toon aan dat ∫0∞e−r2rn−1dr=21Γ(2n) en leid de identiteit
In=nVn∫0∞e−r2rn−1dr
af. Interpreteer haar: de gaussische massa van Rn wordt verzameld langs bolschillen waarvan de “(n−1)-dimensionale oppervlakte” op straal r gelijk is aan nVnrn−1 — beide leden zijn nu onafhankelijk bewezen, dus de interpretatie kost niets.
Zet sn−1=nVn (de oppervlakte van de eenheidssfeer Sn−1, in overeenstemming met vn(R)=∫0Rsn−1rn−1dr). Zet s0,…,s3 in een tabel en ga na dat s1=2π, s2=4π, s3=2π2.
Deel IV — Hoge dimensies zijn vreemd.
Toon met de formule van Stirling (Stelling 6.13) toegepast op k! aan dat voor even n=2k
Vn∼πn1(n2πe)n/2(n→∞,n even),
en leg uit waarom dezelfde grens van supermeetkundig verval zich via de recursie uitbreidt tot oneven n.
De eenheidsbol ligt in de kubus [−1,1]n met volume 2n. Bereken de vulverhouding Vn/2n voor n=2,3,10, en toon aan dat zij naar 0 streeft: in hoge dimensie ligt vrijwel de hele kubus in haar hoeken.
Toon aan dat het aandeel van vn(1) dat binnen afstand ε van de randsfeer ligt, gelijk is aan 1−(1−ε)n→1; welk aandeel van een bol in 100 dimensies ligt numeriek in de buitenschil met dikte 1%?
Bewijs de asymptotiek van Wallis Wn∼2nπ(de monotonie van (Wn), de verhouding Wn/Wn−2→1, en WnWn−1=2nπ), en de ondergrens Wn≥2(n+1)π voor alle n.
(Concentratie op een plak) Het aandeel van de eenheidsbol met eerste coördinaat voorbij δ is ∫δ1(1−x2)2n−1dx/(2Wn). Toon met 1−u≤e−u en de staartgrens ∫δ∞e−ax2dx≤2aδe−aδ2 aan dat dit aandeel hoogstens
(n−1)δe−(n−1)δ2/2/n+12π
is, en besluit: voor δ=s/n−1 ligt op een aandeel O(e−s2/2/s) na de hele bol in de plak ∣x1∣≤s/n−1. Een bol van hoge dimensie is statistisch een dunne pannenkoek, in alle richtingen tegelijk.
Zet de vragen 16–19 in elkaar tot één alinea: waar het volume van Bn(1) zit (nabij de randsfeer, en toch binnen plakken van dikte O(1/n) van elk hypervlak door het middelpunt), en waarom deze twee uitspraken elkaar niet tegenspreken.
Deel V — Andere lichamen, en synthese.
(Simplex) Zij Δn={x∈Rn:xi≥0,∑xi≤1}. Toon met in schijven snijden en inductie aan dat vol(Δn)=n!1.
(Kruispolytoop) Leid af dat Cn={x:∑∣xi∣≤1} volume n!2n heeft, en ga de insluiting Cn⊆Bn(1)⊆[−1,1]n op het niveau van de volumes na: n!2n≤Vn≤2n.
Bereken V4 op een derde manier: snijd R4=R2×R2 in schijven, integreer de oppervlakte van de (z,w)-schijf over de (x,y)-schijf in poolcoördinaten, en vind V4=2π2 terug.
(Monte Carlo in moeilijkheden) Er wordt uniform een punt getrokken in de kubus [−1,1]20. Toon aan dat de kans dat het in de ingeschreven bol belandt gelijk is aan V20/220≈2.5⋅10−8, zodat er ongeveer veertig miljoen trekkingen nodig zijn voordat de eerste treffer wordt verwacht: Vn schatten met verwerpende steekproeven stort in hoge dimensie in (de vloek van de dimensionaliteit).
Synthese. Twee onafhankelijke afleidingen ontmoetten elkaar in Vn=πn/2/Γ(2n+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, 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) wordt beschreven door de herhaalde grenzen −R≤xn≤R, dan ∣xn−1∣≤R2−xn2, enzovoort; xi=Rui substitueren in elk van de n integralen in één veranderlijke vermenigvuldigt elke met R en beeldt de grenzen af op die van Bn(1): vn(R)=Rnvn(1)=VnRn.
2. In schijven snijden langs xn=t: de schijf van Bn(1) is de bol Bn−1(1−t2), dus is volgens vraag 1
Vn=∫−11vn−1(1−t2)dt=Vn−1∫−11(1−t2)2n−1dt.
3. Met t=sinθ, dt=cosθdθ en (1−t2)2n−1=cosn−1θ op [−π/2,π/2]:
en θ↦2π−θ verwisselt de sinus- en de cosinusvorm van Wn.
4. Schrijf sinn=sinn−2(1−cos2) en integreer ∫sinn−2cos⋅cos partieel (v=n−1sinn−1):
Wn=Wn−2−n−1Wn⟹Wn=nn−1Wn−2.
Bijgevolg is nWnWn−1=(n−1)Wn−1Wn−2: de rij (nWnWn−1) is constant, gelijk aan 1⋅W1W0=1⋅2π, dus WnWn−1=2nπ.
5. De vragen 2–3 geven Vn=2WnVn−1, tweemaal:
Vn=2Wn⋅2Wn−1Vn−2=42nπVn−2=n2πVn−2.
6. Uit V0=1: V2k=2k2πV2k−2=kπV2k−2, dus V2k=k!πk met inductie. Uit V1=2: V2k+1=2k+12πV2k−1, dus
V2k+1=2j=1∏k2j+12π=1⋅3⋅5⋯(2k+1)2k+1πk.
7.V1=2, V2=π≈3.142, V3=34π≈4.189, V4=2π2≈4.935, V5=158π2≈5.264, V6=6π3≈5.168, V7=10516π3≈4.725. De verhouding met één stap is Vn/Vn−1=2Wn, en (Wn) is dalend (sinn≤sinn−1 puntsgewijs). Nu is 2W5=2⋅54⋅32=1516>1 terwijl 2W6=2⋅65⋅43⋅21⋅2π=165π<1: de verhoudingen zijn groter dan 1 tot en met n=5 en kleiner dan 1 vanaf n=6 — (Vn) stijgt tot haar maximum V5 en daalt daarna.
8. Voor n≥13>4π is Vn/Vn−2=2π/n<21, dus Vn≤C⋅2−n/2 met een vaste constante; sterker nog, voor elke q>0 is 2π/n<q2 voor grote n, dus Vn/qn→0: het verval verslaat elke meetkundige rij. De convergentie van ∑Vn volgt uit de verhouding Vn/Vn−2→0 (vanaf een zekere rang met een meetkundige reeks vergelijken).
9.∑k≥0V2kx2k=∑k≥0k!(πx2)k=eπx2, de exponentiële reeks (Hoofdstuk 11), convergent voor elke x. In x=1: ∑kV2k=eπ≈23.14.
10. Op de kubus [−R,R]n is de integrand het product ∏ie−xi2, dus ontbindt de herhaalde integraal: (∫−RRe−t2dt)n. Met R→∞ en ∫Re−t2dt=π (Voorbeeld 20.17): In=πn/2.
11.t=u2 geeft Γ(21)=∫0∞t−1/2e−tdt=2∫0∞e−u2du=π. Γ(s+1)=sΓ(s) herhalen: Γ(k+1)=k!Γ(1)=k!, en
12. Zet Fn=πn/2/Γ(2n+1). Omdat Γ(2n+1)=2nΓ(2n)=2nΓ(2n−2+1), is Fn=n2πFn−2: dezelfde recursie als voor Vn (vraag 5). Basisgevallen: F1=π/Γ(23)=π/(2π)=2=V1 en F2=π/Γ(2)=π=V2. Met inductie is Vn=Fn voor alle n; vraag 11 zet dit terug om in de twee gesloten vormen van vraag 6.
13. Met r=t: ∫0∞e−r2rn−1dr=21∫0∞t2n−1e−tdt=21Γ(2n). Bijgevolg is
Omdat beide leden bewezen zijn, kan de identiteit worden gelezen als de ontbinding in schillen van de integraal van Gauss: de sfeer met straal r draagt oppervlaktenVnrn−1, en het gaussische gewicht e−r2 wordt over de schillen geïntegreerd.
14.s0=V1=2 (de 0-sfeer bestaat uit twee punten), s1=2V2=2π, s2=3V3=4π, s3=4V4=2π2; en ∫0Rsn−1rn−1dr=VnRn=vn(R): de oppervlakte is de radiale afgeleide van het volume.
15. Voor n=2k geeft Stirling (Stelling 6.13) dat k!∼2πk(k/e)k, dus
V2k=k!πk∼2πk(πe/k)k=πn1(n2πe)n/2(n=2k).
Voor oneven n: V2k+1=2W2k+1V2k≤2V2k, dus gelden dezelfde grenzen van supermeetkundig verval (op een factor 2 en een verschuiving van één in de exponent na) — voor elke q>0 is Vn=o(qn).
16.V2/4=π/4≈0.785; V3/8=π/6≈0.524; V10/210=120⋅1024π5≈0.0025. In het algemeen is Vn−2/2n−2Vn/2n=4n2π=2nπ→0: de verhouding streeft (supermeetkundig) naar 0. 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 1−ε volume Vn(1−ε)n, dus draagt de buitenschil het aandeel 1−(1−ε)n→1. Voor n=100 en ε=0.01: (0.99)100=e100ln0.99≈e−1.005≈0.366: ongeveer 63% van de bol ligt binnen 1% van haar oppervlak.
18.(Wn) daalt, dus Wn≤Wn−1≤Wn−2=n−1nWn: inklemmen geeft Wn−1/Wn→1. Vermenigvuldigen met WnWn−1=2nπ: Wn2∼2nπ, dat wil zeggen Wn∼π/(2n). Ondergrens: Wn2≥WnWn+1=2(n+1)π, dus Wn≥π/(2(n+1)) voor elke n.
19. Teller: 1−x2≤e−x2 geeft (1−x2)2n−1≤e−(n−1)x2/2, en met a=2n−1 is
Noemer: 2Wn≥2π/(n+1) volgens vraag 18. Delen geeft de getoonde grens. Voor δ=s/n−1 wordt zij 2π(n−1)n+1e−s2/2/s=O(e−s2/2/s), uniform in n: buiten de plak ∣x1∣≤s/n−1 zit vrijwel geen volume, voor matig grote s — 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) heeft een norm dicht bij 1 (vraag 17: radiale concentratie nabij de sfeer), en toch is elk van zijn n coördinaten klein, van de orde 1/n (vraag 19), wat verenigbaar is omdat n coördinaten van grootte 1/n een norm van de orde 1 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 in schijven bij xn=t∈[0,1]: de schijf is {x′∈Rn−1:xi≥0,∑xi≤1−t}=(1−t)Δn−1, met volume (1−t)n−1vol(Δn−1) wegens de homogeniteit. Dus
22. De 2n tekenorthanten snijden Cn in 2n kopieën van Δn (met verwaarloosbare overlappingen op de coördinaathypervlakken): vol(Cn)=n!2n. Geldt ∑∣xi∣≤1, dan is ∑xi2≤(∑∣xi∣)2≤1: Cn⊆Bn(1); en Bn(1)⊆[−1,1]n omdat ∣xi∣≤∥x∥. Bijgevolg is n!2n≤Vn≤2n — in overeenstemming met vraag 15, die Vn tussen de faculteits- en de meetkundige schaal plaatst.
23. Voor (x,y) in de eenheidsschijf is de schijf van B4(1) de schijf met straal 1−x2−y2 in het (z,w)-vlak, met oppervlakteπ(1−x2−y2). In poolcoördinaten:
24. De kans is de volumeverhouding 220V20=10!⋅220π10≈10485760.0258≈2.5⋅10−8. Het aantal trekkingen tot de eerste treffer is van de orde van het omgekeerde, ongeveer 4⋅107: een verwerpende steekproef die voor de schijf prachtig werkte (π/4 van de treffers) is nutteloos in dimensie 20 — 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 In, de verandering naar poolcoördinaten via de integraal van Gauss uit Voorbeeld 20.17, en de functionaalvergelijking van de Γ-functie. Zij ontmoeten elkaar in Vn=πn/2/Γ(2n+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.