∫∂ Kalkulus Multivariabel
Kalkulus Multivariabel · web by: Steven Paulus Siahaan
Web by: Steven Paulus Siahaan

Bab 15 · Integral Ganda

15.5 Penerapan Integral Ganda Dua

⬇ PDF subbab ini⬇ PDF Bab 15 lengkapSemua unduhan

Integral ganda dua mengukur lebih dari volume. Dengan memilih integran yang tepat kita menghitung massa lamina, pusat massa, momen inersia, probabilitas, dan nilai harapan.

1. Kerapatan dan massa

Lamina (keping tipis) menempati daerah \(D\) di bidang dengan rapat massa (massa per satuan luas) \(\rho(x,y)\) kontinu. Massa potongan kecil \(\Delta A\) di \((x,y)\) adalah \(\approx\rho\,\Delta A\); menjumlahkan: \[ m=\iint_D\rho(x,y)\,dA. \] Hal yang sama berlaku untuk muatan listrik (kerapatan muatan \(\sigma\)): \(Q=\iint_D\sigma\,dA\).

2. Momen dan pusat massa

Momen dan pusat massa

Momen terhadap sumbu \(x\) dan \(y\): \[ M_x=\iint_Dy\,\rho\,dA,\qquad M_y=\iint_Dx\,\rho\,dA. \] Pusat massa \((\bar x,\bar y)\): \[ \bar x=\frac{M_y}m,\qquad\bar y=\frac{M_x}m. \] Bila \(\rho\) konstan, pusat massa disebut sentroid dan hanya bergantung pada bentuk \(D\).

Contoh 1 — segitiga dengan kerapatan \(x+y\)

Lamina segitiga \(D:\ 0\le x\le1,\ 0\le y\le1-x\), \(\rho=x+y\). \(m=\int_0^1\int_0^{1-x}(x+y)\,dy\,dx=\int_0^1\bigl[x(1-x)+\tfrac{(1-x)^2}2\bigr]dx=\tfrac12-\tfrac16=\tfrac13\). \(M_y=\iint x(x+y)\,dA=\tfrac18\), \(M_x=\tfrac18\) (simetri antara \(x\) dan \(y\)). Pusat massa: \(\bar x=\bar y=\dfrac{1/8}{1/3}=\dfrac38\). Bandingkan sentroid segitiga \((\frac13,\frac13)\): massa lebih terkonsentrasi menjauhi asal karena \(\rho\) naik ke arah itu.

Contoh 2 — setengah cakram

Sentroid setengah cakram \(D:\ x^2+y^2\le a^2,\ y\ge0\) (\(\rho=1\)): \(A=\frac{\pi a^2}2\); \(\bar x=0\) (simetri). \(M_x=\iint y\,dA=\int_0^\pi\int_0^ar\sin\theta\cdot r\,dr\,d\theta=\tfrac{a^3}3\cdot2=\tfrac{2a^3}3\). \(\bar y=\dfrac{2a^3/3}{\pi a^2/2}=\dfrac{4a}{3\pi}\approx0{,}424a\).

3. Momen inersia

Momen inersia mengukur kesulitan memutar benda. Partikel bermassa \(m\) pada jarak \(d\) dari sumbu mempunyai momen inersia \(md^2\). Untuk lamina: \[ I_x=\iint_Dy^2\rho\,dA,\qquad I_y=\iint_Dx^2\rho\,dA,\qquad I_0=\iint_D(x^2+y^2)\rho\,dA=I_x+I_y. \] \(I_0\) adalah momen inersia polar terhadap titik asal. Jari-jari girasi \(R\) terhadap sumbu: \(mR^2=I\), jadi \(R=\sqrt{I/m}\).

Contoh 3 — cakram homogen

Cakram \(x^2+y^2\le a^2\), \(\rho\) konstan, massa \(m=\rho\pi a^2\). \(I_0=\rho\int_0^{2\pi}\int_0^ar^2\cdot r\,dr\,d\theta=\rho\cdot2\pi\cdot\tfrac{a^4}4=\tfrac12m a^2\). Karena simetri, \(I_x=I_y=\tfrac14ma^2\). Jari-jari girasi terhadap sumbu \(x\): \(R=\tfrac a2\).

Contoh 4 — momen inersia segitiga Contoh 1

Untuk lamina Contoh 1: \(I_x=\iint y^2(x+y)\,dA=\tfrac1{15}\), \(I_y=\tfrac1{15}\) (simetri), \(I_0=\tfrac2{15}\). Jari-jari girasi \(R_x=\sqrt{I_x/m}=\sqrt{\tfrac{1/15}{1/3}}=\sqrt{\tfrac15}\approx0{,}447\).

4. Probabilitas

Dua peubah acak kontinu \(X,Y\) mempunyai fungsi kerapatan gabungan \(f(x,y)\ge0\) dengan \(\iint_{\mathbb R^2}f\,dA=1\). Peluang titik \((X,Y)\) jatuh di \(D\): \[ P\bigl((X,Y)\in D\bigr)=\iint_Df(x,y)\,dA. \] Nilai harapan: \(\mu_1=E[X]=\iint x f\,dA\), \(\mu_2=E[Y]=\iint yf\,dA\).

Contoh 5 — kerapatan polinomial

\(f(x,y)=x+y\) pada \([0,1]^2\) (nol di tempat lain). Cek: \(\int_0^1\int_0^1(x+y)\,dy\,dx=\int_0^1(x+\tfrac12)dx=1\). \(P(X+Y\le1)=\int_0^1\int_0^{1-x}(x+y)\,dy\,dx=\tfrac13\). \(E[X]=\iint x(x+y)\,dA=\tfrac13+\tfrac14=\tfrac7{12}\approx0{,}583\) (sama untuk \(Y\)).

Contoh 6 — kerapatan eksponensial

\(f(x,y)=2e^{-x-2y}\) untuk \(x,y\ge0\). Cek: \(\int_0^\infty e^{-x}dx\cdot\int_0^\infty2e^{-2y}dy=1\cdot1\). Karena \(f\) terpisah, \(X\) dan \(Y\) bebas. \(P(X\gt Y)=\int_0^\infty\int_y^\infty2e^{-x-2y}dx\,dy=\int_0^\infty2e^{-3y}dy=\tfrac23\). \(E[X]=1\), \(E[Y]=\tfrac12\).

5. Muatan dan nilai rata-rata

Contoh 7 — muatan total

Muatan terdistribusi pada cakram \(x^2+y^2\le1\) dengan kerapatan \(\sigma=\sqrt{x^2+y^2}\) C/m². \(Q=\int_0^{2\pi}\int_0^1r\cdot r\,dr\,d\theta=2\pi\cdot\tfrac13=\tfrac{2\pi}3\approx2{,}094\) C.

Contoh 8 — suhu rata-rata

Suhu \(T=100-x^2-y^2\) pada cakram \(x^2+y^2\le4\). \(\iint T\,dA=\int_0^{2\pi}\int_0^2(100-r^2)r\,dr\,d\theta=2\pi(200-4)=392\pi\). Luas \(4\pi\). Suhu rata-rata \(=\dfrac{392\pi}{4\pi}=98\).

6. Kesalahan umum

  • Lupa membagi momen dengan massa saat mencari \(\bar x,\bar y\).
  • Menyamakan sentroid dan pusat massa saat \(\rho\) tidak konstan.
  • Menulis \(I_x=\iint x^2\rho\,dA\): momen terhadap sumbu \(x\) memakai \(y^2\).
  • Kerapatan peluang yang tidak berintegral 1.

7. Ringkasan

  • \(m=\iint\rho\,dA\); \(\bar x=M_y/m\), \(\bar y=M_x/m\).
  • \(I_x=\iint y^2\rho\), \(I_y=\iint x^2\rho\), \(I_0=I_x+I_y\).
  • Peluang \(=\iint_Df\,dA\); \(E[X]=\iint xf\,dA\).

Berikutnya 15.6 Luas Permukaan.

Web by: Steven Paulus Siahaan