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

Bab 15 · Integral Ganda

15.6 Luas Permukaan

⬇ PDF subbab ini⬇ PDF Bab 15 lengkapSemua unduhan

Kita sudah dapat menghitung panjang kurva (10.2, 13.3) dan volume padatan (15.2). Sekarang giliran luas sebuah permukaan lengkung \(S\) di ruang.

1. Permukaan sebagai grafik \(z=f(x,y)\)

Misalkan \(f\) mempunyai turunan parsial kontinu pada \(D\). Bagi \(D\) menjadi persegi panjang kecil \(R_{ij}\) berluas \(\Delta A=\Delta x\Delta y\). Di atas \(R_{ij}\), permukaan kira-kira berupa jajargenjang bagian dari bidang singgung (14.4). Jajargenjang itu dibentangkan oleh vektor \[ \mathbf a=\langle\Delta x,\,0,\,f_x\Delta x\rangle,\qquad\mathbf b=\langle0,\,\Delta y,\,f_y\Delta y\rangle. \] Luasnya \(|\mathbf a\times\mathbf b|\). Hitung \(\mathbf a\times\mathbf b=\Delta x\Delta y\,\langle-f_x,-f_y,1\rangle\), sehingga \[ \Delta S_{ij}\approx\sqrt{f_x^2+f_y^2+1}\;\Delta A. \] Menjumlahkan dan mengambil limit memberi:

Luas permukaan grafik

\[ A(S)=\iint_D\sqrt{1+\Bigl(\frac{\partial z}{\partial x}\Bigr)^2+\Bigl(\frac{\partial z}{\partial y}\Bigr)^2}\;dA=\iint_D\sqrt{1+f_x^2+f_y^2}\;dA. \] (Ini analog dari \(L=\int\sqrt{1+f'(x)^2}\,dx\) untuk kurva.)

Faktor kemiringan

\(\sqrt{1+f_x^2+f_y^2}=\dfrac1{\cos\gamma}\), dengan \(\gamma\) sudut antara bidang singgung dan bidang \(xy\) (sudut antara \(\langle-f_x,-f_y,1\rangle\) dan \(\mathbf k\)). Permukaan yang lebih miring mempunyai luas lebih besar daripada proyeksinya. Bila bidang datar, faktor sama dengan 1.

2. Contoh

Contoh 1 — bidang

Bagian bidang \(z=4-x-2y\) di atas persegi \([0,1]^2\): \(f_x=-1\), \(f_y=-2\), faktor \(\sqrt{1+1+4}=\sqrt6\). Luas \(=\sqrt6\cdot1\approx2{,}449\). (Konstan karena kemiringan konstan.)

Contoh 2 — paraboloid

Luas bagian paraboloid \(z=x^2+y^2\) di bawah bidang \(z=9\). Proyeksinya cakram \(x^2+y^2\le9\). \(f_x=2x\), \(f_y=2y\): \(\sqrt{1+4r^2}\). Dengan kutub: \(A=\int_0^{2\pi}\int_0^3\sqrt{1+4r^2}\,r\,dr\,d\theta=2\pi\Bigl[\tfrac1{12}(1+4r^2)^{3/2}\Bigr]_0^3=\dfrac\pi6\bigl(37\sqrt{37}-1\bigr)\approx117{,}3\).

Contoh 3 — belahan bola

\(z=\sqrt{a^2-x^2-y^2}\): \(f_x=-\dfrac xz\), \(f_y=-\dfrac yz\), \(1+f_x^2+f_y^2=\dfrac{z^2+x^2+y^2}{z^2}=\dfrac{a^2}{z^2}\). Faktor \(=\dfrac a{\sqrt{a^2-r^2}}\). \(A=\int_0^{2\pi}\int_0^a\dfrac{a\,r}{\sqrt{a^2-r^2}}\,dr\,d\theta=2\pi a\bigl[-\sqrt{a^2-r^2}\bigr]_0^a=2\pi a^2\). Seluruh bola: \(4\pi a^2\). (Integralnya takwajar di \(r=a\) tetapi konvergen.)

Contoh 4 — kerucut

\(z=\sqrt{x^2+y^2}\) untuk \(0\le z\le h\): \(f_x=\frac xr\), \(f_y=\frac yr\), faktor \(\sqrt2\). \(A=\sqrt2\cdot\pi h^2\). Untuk \(h=3\): \(9\sqrt2\pi\approx39{,}99\). Cek: luas selimut kerucut \(\pi r s\) dengan \(r=h\), \(s=h\sqrt2\): \(\sqrt2\pi h^2\). Cocok.

Contoh 5 — pelana di atas cakram

\(z=xy\) di atas \(x^2+y^2\le1\): \(\sqrt{1+y^2+x^2}\). \(A=\int_0^{2\pi}\int_0^1\sqrt{1+r^2}\,r\,dr\,d\theta=2\pi\cdot\tfrac13\bigl(2\sqrt2-1\bigr)\approx3{,}829\) (cakram datar luas \(\pi\approx3{,}142\)).

Contoh 6 — integral Kartesius

\(z=\tfrac23\bigl(x^{3/2}+y^{3/2}\bigr)\) di atas \([0,1]^2\): \(f_x=\sqrt x\), \(f_y=\sqrt y\). \(A=\int_0^1\int_0^1\sqrt{1+x+y}\,dy\,dx=\int_0^1\tfrac23\bigl[(2+x)^{3/2}-(1+x)^{3/2}\bigr]dx=\tfrac4{15}\bigl(9\sqrt3-8\sqrt2+1\bigr)\approx1{,}4066\).

3. Permukaan parametrik

Bila permukaan diberikan oleh \(\mathbf r(u,v)=\langle x(u,v),y(u,v),z(u,v)\rangle\), \((u,v)\in D\), vektor \(\mathbf r_u=\frac{\partial\mathbf r}{\partial u}\), \(\mathbf r_v\) menyinggung permukaan, dan \[ A(S)=\iint_D|\mathbf r_u\times\mathbf r_v|\,dA. \] Grafik \(z=f(x,y)\) adalah kasus khusus \(\mathbf r=\langle x,y,f(x,y)\rangle\), \(\mathbf r_x\times\mathbf r_y=\langle-f_x,-f_y,1\rangle\).

Contoh 7 — bola lewat parametrisasi

Bola jari-jari \(a\): \(\mathbf r(\phi,\theta)=\langle a\sin\phi\cos\theta,\ a\sin\phi\sin\theta,\ a\cos\phi\rangle\), \(0\le\phi\le\pi\), \(0\le\theta\le2\pi\). \(\mathbf r_\phi=\langle a\cos\phi\cos\theta,a\cos\phi\sin\theta,-a\sin\phi\rangle\), \(\mathbf r_\theta=\langle-a\sin\phi\sin\theta,a\sin\phi\cos\theta,0\rangle\). \(\mathbf r_\phi\times\mathbf r_\theta=a^2\sin\phi\,\langle\sin\phi\cos\theta,\sin\phi\sin\theta,\cos\phi\rangle\), panjang \(a^2\sin\phi\). \(A=\int_0^{2\pi}\int_0^\pi a^2\sin\phi\,d\phi\,d\theta=4\pi a^2\). Faktor \(a^2\sin\phi\) ini akan muncul lagi di koordinat bola (15.9).

Contoh 8 — silinder

Silinder \(x^2+y^2=a^2\), \(0\le z\le h\): \(\mathbf r(\theta,z)=\langle a\cos\theta,a\sin\theta,z\rangle\). \(\mathbf r_\theta\times\mathbf r_z=\langle a\cos\theta,a\sin\theta,0\rangle\), panjang \(a\). \(A=\int_0^{2\pi}\int_0^ha\,dz\,d\theta=2\pi ah\), yaitu keliling kali tinggi.

Contoh 9 — paraboloid kedua

\(z=\tfrac12(x^2+y^2)\) untuk \(x^2+y^2\le3\): faktor \(\sqrt{1+r^2}\). \(A=2\pi\int_0^{\sqrt3}r\sqrt{1+r^2}\,dr=2\pi\cdot\tfrac13\bigl(4^{3/2}-1\bigr)=\tfrac{14\pi}3\approx14{,}66\).

4. Kesalahan umum

  • Memakai \(\iint_Dz\,dA\) atau luas \(D\) sebagai luas permukaan. Luas \(D\) hanya luas proyeksi.
  • Lupa faktor \(r\) ketika berpindah ke kutub setelah membentuk \(\sqrt{1+f_x^2+f_y^2}\).
  • Menggunakan rumus grafik pada permukaan yang tidak berupa grafik terhadap \(D\) yang dipilih (mis. bola penuh): gunakan parametrisasi.

5. Ringkasan

  • Grafik: \(A=\iint_D\sqrt{1+f_x^2+f_y^2}\,dA\).
  • Parametrik: \(A=\iint_D|\mathbf r_u\times\mathbf r_v|\,dA\).
  • Pengujian: bola \(4\pi a^2\), silinder \(2\pi ah\), kerucut \(\pi rs\).

Berikutnya 15.7 Integral Rangkap Tiga.

Web by: Steven Paulus Siahaan