Tilbake
5.1

5.1 Parametrisering av kurver og flater; det fundamentale vektorproduktet

Parametriser kurver og flater, regn ϕ_u × ϕ_v, og les av flateelement og normalretning — grunnlaget for alle flate- og fluksintegral.

55 min
12 oppgaver
Parametrisering av kurverflater; det fundamentale vektorproduktet
Din fremgang i kapitlet
0 / 12 oppgaver
Forkunnskaper. Dette kapitlet bygger på partiellderivasjon og gradient fra kap. 2.1 — du skal derivere en vektorfunksjon komponentvis. Fra videregående trenger du Kryssproduktet (det er selve motoren i ϕu×ϕv\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v) og Vektorer i tre dimensjoner (vektorregning i R3\mathbb{R}^3).

Sist du var her (kryssproduktet). For a=(a1,a2,a3)\mathbf a=(a_1,a_2,a_3) og b=(b1,b2,b3)\mathbf b=(b_1,b_2,b_3) er
a×b=(a2b3a3b2,  a3b1a1b3,  a1b2a2b1),\mathbf a\times\mathbf b=(a_2b_3-a_3b_2,\;a_3b_1-a_1b_3,\;a_1b_2-a_2b_1),
en vektor som står vinkelrett på både a\mathbf a og b\mathbf b, med lengde absinθ|\mathbf a||\mathbf b|\sin\theta (arealet av parallellogrammet de spenner ut). Rekkefølgen bestemmer retningen: b×a=a×b\mathbf b\times\mathbf a=-\,\mathbf a\times\mathbf b. Grensebegrepet for integraler bygger på enkeltintegralet fra (se MAT1100).

For å integrere langs en kurve eller over en flate må vi først beskrive kurven og flaten med parametere — gjøre dem om til bilder av et enkelt intervall eller et flatt (u,v)(u,v)-område. Da blir buelengde, flateareal og fluks vanlige dobbelt- og enkeltintegral vi allerede kan regne.

Den ene størrelsen som går igjen i alt av flateintegral er det fundamentale vektorproduktet ϕu×ϕv\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v. Den gir på én gang (i) en normalvektor til flaten, (ii) flateelementet dS=ϕu×ϕvdudvdS=|\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v|\,du\,dv, og (iii) retningen vi måler fluks i. Lærer du å sette den opp trygt, har du nøkkelen til resten av delen.

Kapitlet går i tre løkker: (1) parametriserte kurver og buelengde, (2) parametriserte flater og ϕu×ϕv\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v, (3) standardparametriseringene du møter på eksamen. Hver løkke går teori → eksempel → oppgave.

Løkke 1 — Parametriserte kurver og buelengde (~15 min)

Parametrisering av en kurve
En parametrisering av en kurve er en vektorfunksjon som sveiper ut kurven når parameteren tt løper gjennom et intervall:
r(t)=(x(t),y(t),z(t)),atb.\mathbf r(t)=(x(t),\,y(t),\,z(t)),\qquad a\le t\le b.
Hver verdi av tt gir ett punkt på kurven. En sirkel med radius aa i xyxy-planet parametriseres for eksempel ved r(t)=(acost,asint,0)\mathbf r(t)=(a\cos t,\,a\sin t,\,0), 0t2π0\le t\le 2\pi.
Hastighet og fart
Deriverer vi parametriseringen komponentvis, får vi hastighetsvektoren — tangent til kurven i retning økende tt:
r(t)=(x(t),y(t),z(t)).\mathbf r'(t)=(x'(t),\,y'(t),\,z'(t)).
Lengden r(t)=x(t)2+y(t)2+z(t)2|\mathbf r'(t)|=\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2+z'(t)^2} kalles farten. Farten er akkurat den faktoren som gjør om endring i parameter til endring i buelengde.
Buelengde
Lengden av kurven fra t=at=a til t=bt=b er integralet av farten:
L=abr(t)dt(formelsamlingen).L=\int_a^b |\mathbf r'(t)|\,dt \quad(\text{formelsamlingen}).
Intuisjonen: over et lite parameterintervall dtdt tilbakelegger vi buestykket r(t)dt|\mathbf r'(t)|\,dt (fart ×\times tid); summerer vi alle bidragene, får vi hele lengden.
✏️Eksempel 1: Buelengde av en skruelinje

Finn lengden av skruelinjen r(t)=(2cost,2sint,t)\mathbf r(t)=(2\cos t,\,2\sin t,\,t) for 0t2π0\le t\le 2\pi.

Hastighet: r(t)=(2sint,2cost,1)\mathbf r'(t)=(-2\sin t,\,2\cos t,\,1).

Fart: r(t)=(2sint)2+(2cost)2+12=4sin2t+4cos2t+1=4+1=5.|\mathbf r'(t)|=\sqrt{(-2\sin t)^2+(2\cos t)^2+1^2}=\sqrt{4\sin^2 t+4\cos^2 t+1}=\sqrt{4+1}=\sqrt5.

Farten er konstant. Buelengde:
L=02π5dt=2π5.L=\int_0^{2\pi}\sqrt5\,dt=2\pi\sqrt5.
Kurven gjør én omdreining (omkrets 2π2=4π2\pi\cdot2=4\pi) samtidig som den stiger 2π2\pi i høyden; Pythagoras på én vinding gir (4π)2+(2π)2=2π5\sqrt{(4\pi)^2+(2\pi)^2}=2\pi\sqrt5, som stemmer. Svar: L=2π5L=2\pi\sqrt5.

📝Oppgave 1

(Innsteg — ren buelengde.) Finn lengden av kurven r(t)=(3cost,3sint,4t)\mathbf r(t)=(3\cos t,\,3\sin t,\,4t) for 0tπ0\le t\le\pi.

📝Oppgave 2

(Innsteg.) Finn lengden av kurven r(t)=(cost,sint,t)\mathbf r(t)=(\cos t,\,\sin t,\,t) for 0t2π0\le t\le 2\pi.

Løkke 2 — Parametriserte flater og det fundamentale vektorproduktet (~25 min)

Parametrisering av en flate
En flate beskrives med to parametere — en vektorfunksjon av (u,v)(u,v) som løper over et flatt område RR i uvuv-planet:
ϕ(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v)),(u,v)R.\boldsymbol{\phi}(u,v)=(x(u,v),\,y(u,v),\,z(u,v)),\qquad (u,v)\in R.
Holder vi vv fast og varierer uu, får vi en parameterkurve på flaten; tangenten til den er ϕu\boldsymbol{\phi}_u. Tilsvarende gir fast uu tangenten ϕv\boldsymbol{\phi}_v. Disse to tangentvektorene spenner ut tangentplanet i punktet.
Det fundamentale vektorproduktet ϕu×ϕv\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v
Kryssproduktet av de to tangentvektorene til flaten kalles det fundamentale vektorproduktet:
ϕu×ϕv.\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v.
Det står vinkelrett på flaten (er altså en normalvektor), og lengden er arealet av det lille parallellogrammet tangentvektorene spenner ut. Dette éne uttrykket gir både normalretning, flateelement og fluksretning — derfor «fundamentalt». Regn det ut hver gang.
Flateelement dSdS
Arealet av en liten flatebit svarende til dudvdu\,dv er lengden av det fundamentale vektorproduktet:
dS=ϕu×ϕvdudv.dS=|\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v|\,du\,dv.
Dette er flateelementet i skalare flateintegral (areal, masse). Merk absoluttverdien: i skalarintegral teller bare størrelsen, ikke retningen.
Enhetsnormal og fortegnsvalg
Enhetsnormalen til flaten er det fundamentale vektorproduktet normalisert, med et fortegnsvalg:
n=±ϕu×ϕvϕu×ϕv.\mathbf n=\pm\frac{\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v}{|\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v|}.
En flate har to sider, så normalen kan peke to veier. Oppgaven sier hvilken («utadrettet», «oppadrettet» …). Regel: regn ϕu×ϕv\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v, sjekk hvilken vei den peker, og bytt fortegn hvis den peker motsatt av den oppgitte retningen. Denne sjekken er sensorkrav i alle fluksoppgaver.
Rekkefølgen ϕu×ϕv\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v mot ϕv×ϕu\boldsymbol{\phi}_v\times\boldsymbol{\phi}_u
Kryssproduktet er antikommutativt: bytter du rekkefølgen på tangentvektorene, snur normalen:
ϕv×ϕu=(ϕu×ϕv).\boldsymbol{\phi}_v\times\boldsymbol{\phi}_u=-\,(\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v).
Dette er den vanligste kilden til feil normalretning. Hold en fast rekkefølge, regn ut, og korriger fortegnet bevisst etter den oppgitte orienteringen — ikke ved å bytte rekkefølge tilfeldig.

Grafparametrisering — en utledning verdt å kunne

En flate gitt som graf z=g(x,y)z=g(x,y) parametriseres enklest med (x,y)(x,y) selv:
ϕ(x,y)=(x,y,g(x,y)).\boldsymbol{\phi}(x,y)=(x,\,y,\,g(x,y)).
Tangentvektorene blir ϕx=(1,0,gx)\boldsymbol{\phi}_x=(1,0,g_x) og ϕy=(0,1,gy)\boldsymbol{\phi}_y=(0,1,g_y). Intuisjon: å gå én enhet i xx løfter deg gxg_x i høyden; å gå én enhet i yy løfter deg gyg_y. Kryssproduktet blir da
ϕx×ϕy=(gx,gy,1).\boldsymbol{\phi}_x\times\boldsymbol{\phi}_y=(-g_x,\,-g_y,\,1).
Intuisjon: zz-komponenten er +1+1, så denne normalen peker oppover (positiv zz-retning); vil du ha den nedadrettede, bytter du fortegn. Dette éne resultatet dekker alle graf-flater.

✏️Eksempel 2: Fundamentalt vektorprodukt for en paraboloide

Flaten er z=x2+y2z=x^2+y^2 for 0z40\le z\le4. Parametriser den som graf, regn ϕx×ϕy\boldsymbol{\phi}_x\times\boldsymbol{\phi}_y, og finn den oppadrettede enhetsnormalen.

Parametrisering (graf): ϕ(x,y)=(x,y,x2+y2)\boldsymbol{\phi}(x,y)=(x,\,y,\,x^2+y^2), med (x,y)(x,y) i disken x2+y24x^2+y^2\le4 (siden z=x2+y24z=x^2+y^2\le4).

Tangentvektorer: ϕx=(1,0,2x)\boldsymbol{\phi}_x=(1,0,2x), ϕy=(0,1,2y)\boldsymbol{\phi}_y=(0,1,2y).

Fundamentalt vektorprodukt:
ϕx×ϕy=ijk102x012y=(2x,2y,1).\boldsymbol{\phi}_x\times\boldsymbol{\phi}_y=\begin{vmatrix}\mathbf i&\mathbf j&\mathbf k\\1&0&2x\\0&1&2y\end{vmatrix}=(-2x,\,-2y,\,1).

Fortegnskontroll: zz-komponenten er +1>0+1>0, så denne peker oppover — nettopp den oppgitte retningen. Ingen fortegnsbytte nødvendig.

Enhetsnormal: ϕx×ϕy=4x2+4y2+1|\boldsymbol{\phi}_x\times\boldsymbol{\phi}_y|=\sqrt{4x^2+4y^2+1}, så
n=(2x,2y,1)4x2+4y2+1.\mathbf n=\frac{(-2x,\,-2y,\,1)}{\sqrt{4x^2+4y^2+1}}.
Svar: oppadrettet enhetsnormal er n=(2x,2y,1)4x2+4y2+1\mathbf n=\dfrac{(-2x,-2y,1)}{\sqrt{4x^2+4y^2+1}}, og dS=4x2+4y2+1dxdydS=\sqrt{4x^2+4y^2+1}\,dx\,dy.

📝Oppgave 3

(Sylinderflate.) Parametriser sideflaten av sylinderen x2+y2=4x^2+y^2=4, 0z50\le z\le5, ved ϕ(θ,z)=(2cosθ,2sinθ,z)\boldsymbol{\phi}(\theta,z)=(2\cos\theta,\,2\sin\theta,\,z). Regn ϕθ×ϕz\boldsymbol{\phi}_\theta\times\boldsymbol{\phi}_z og avgjør om den peker ut fra eller inn mot aksen.

📝Oppgave 4

(Kuleflate.) Kuleflaten med radius 33 parametriseres ved ϕ(φ,θ)=(3sinφcosθ,3sinφsinθ,3cosφ)\boldsymbol{\phi}(\varphi,\theta)=(3\sin\varphi\cos\theta,\,3\sin\varphi\sin\theta,\,3\cos\varphi). Vis at flateelementet er dS=9sinφdφdθdS=9\sin\varphi\,d\varphi\,d\theta.

Løkke 3 — Standardparametriseringene (~15 min)

På eksamen går fire flater igjen. Her er parametriseringen og det ferdige fundamentale vektorproduktet for hver — lær mønsteret, så slipper du å utlede fra grunnen hver gang. Fortegnet justeres alltid etter oppgitt orientering.

Standard: graf z=g(x,y)z=g(x,y)
For en flate gitt som graf over xyxy-planet:
ϕ(x,y)=(x,y,g(x,y)),ϕx×ϕy=(gx,gy,1),dS=1+gx2+gy2dxdy.\boldsymbol{\phi}(x,y)=(x,y,g(x,y)),\qquad \boldsymbol{\phi}_x\times\boldsymbol{\phi}_y=(-g_x,-g_y,1),\qquad dS=\sqrt{1+g_x^2+g_y^2}\,dx\,dy.
Den oppgitte formen peker oppover (+z+z); vil du ha nedadrettet, bruk minustegn.
Standard: sylinderflate radius aa
For sideflaten av en sylinder med radius aa om zz-aksen:
ϕ(θ,z)=(acosθ,asinθ,z),ϕθ×ϕz=(acosθ,asinθ,0),dS=adθdz.\boldsymbol{\phi}(\theta,z)=(a\cos\theta,\,a\sin\theta,\,z),\qquad \boldsymbol{\phi}_\theta\times\boldsymbol{\phi}_z=(a\cos\theta,\,a\sin\theta,\,0),\qquad dS=a\,d\theta\,dz.
Vektoren peker radielt utover; det er den utadrettede normalen for sylinderen.
Standard: kuleflate radius aa
For en kuleflate med radius aa:
ϕ(φ,θ)=(asinφcosθ,asinφsinθ,acosφ),dS=a2sinφdφdθ,\boldsymbol{\phi}(\varphi,\theta)=(a\sin\varphi\cos\theta,\,a\sin\varphi\sin\theta,\,a\cos\varphi),\qquad dS=a^2\sin\varphi\,d\varphi\,d\theta,
med 0φπ0\le\varphi\le\pi, 0θ2π0\le\theta\le2\pi. Det fundamentale vektorproduktet ϕφ×ϕθ\boldsymbol{\phi}_\varphi\times\boldsymbol{\phi}_\theta peker radielt utover (utadrettet).
Standard: plan disk z=cz=c
En flat, horisontal disk x2+y2a2x^2+y^2\le a^2 i høyden z=cz=c parametriseres med polarkoordinater:
ϕ(r,θ)=(rcosθ,rsinθ,c),ϕr×ϕθ=(0,0,r),dS=rdrdθ.\boldsymbol{\phi}(r,\theta)=(r\cos\theta,\,r\sin\theta,\,c),\qquad \boldsymbol{\phi}_r\times\boldsymbol{\phi}_\theta=(0,0,r),\qquad dS=r\,dr\,d\theta.
Normalen (0,0,r)(0,0,r) peker oppover. For en plan flate med konstant normal gjelder den geometriske snarveien i kap. 5.3.
✏️Eksempel 3: Plan disk og tangentplan

Betrakt disken x2+y29x^2+y^2\le9 i planet z=2z=2, parametrisert ved ϕ(r,θ)=(rcosθ,rsinθ,2)\boldsymbol{\phi}(r,\theta)=(r\cos\theta,\,r\sin\theta,\,2), 0r30\le r\le3. Finn ϕr×ϕθ\boldsymbol{\phi}_r\times\boldsymbol{\phi}_\theta, flateelementet, og den oppadrettede enhetsnormalen.

Tangentvektorer: ϕr=(cosθ,sinθ,0)\boldsymbol{\phi}_r=(\cos\theta,\,\sin\theta,\,0), ϕθ=(rsinθ,rcosθ,0)\boldsymbol{\phi}_\theta=(-r\sin\theta,\,r\cos\theta,\,0).

Fundamentalt vektorprodukt:
ϕr×ϕθ=(sinθ00rcosθ,  0(rsinθ)cosθ0,  cosθrcosθsinθ(rsinθ))=(0,0,r).\boldsymbol{\phi}_r\times\boldsymbol{\phi}_\theta=\big(\sin\theta\cdot0-0\cdot r\cos\theta,\;0\cdot(-r\sin\theta)-\cos\theta\cdot0,\;\cos\theta\cdot r\cos\theta-\sin\theta\cdot(-r\sin\theta)\big)=(0,\,0,\,r).

Fortegnskontroll: zz-komponent r0r\ge0 — peker oppover, som ønsket. Flateelement: dS=(0,0,r)drdθ=rdrdθdS=|(0,0,r)|\,dr\,d\theta=r\,dr\,d\theta (kjent fra polarkoordinater). Enhetsnormal: n=(0,0,1)=k\mathbf n=(0,0,1)=\mathbf k — konstant, fordi disken er flat og horisontal. At normalen er konstant er nettopp det som gir den geometriske snarveien i fluksregning.

📝Oppgave 5

(Kjegle.) Kjeglen z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} for 0z20\le z\le2 parametriseres ved ϕ(r,θ)=(rcosθ,rsinθ,r)\boldsymbol{\phi}(r,\theta)=(r\cos\theta,\,r\sin\theta,\,r). Regn ϕr×ϕθ\boldsymbol{\phi}_r\times\boldsymbol{\phi}_\theta og finn flateelementet dSdS.

📝Oppgave 6

(Fortegnsvalg — sensorkravet.) Paraboloiden z=x2+y2z=x^2+y^2, 0z40\le z\le4, avgrenser et område. Finn den utadrettede enhetsnormalen på selve paraboloideflaten (den som peker bort fra området inne i paraboloiden).

Blandede eksamensoppgaver

📝Oppgave 7

(Ren gjengivelse.) Skriv opp det fundamentale vektorproduktet og flateelementet dSdS for en graf-flate z=g(x,y)z=g(x,y).

📝Oppgave 8

(Buelengde med variabel fart.) Finn lengden av kurven r(t)=(13(2t+1)3/2,t,0)\mathbf r(t)=\big(\tfrac{1}{3}(2t+1)^{3/2},\,t,\,0\big) for 0t40\le t\le4.

📝Oppgave 9

(Fluks-forberedelse.) Halvkuleflaten x2+y2+z2=4x^2+y^2+z^2=4, z0z\ge0, parametriseres i kulekoordinater med radius 22. a) Skriv opp ϕ(φ,θ)\boldsymbol{\phi}(\varphi,\theta) og domenet. b) Finn den utadrettede enhetsnormalen i punktet der φ=π2\varphi=\tfrac{\pi}{2}, θ=0\theta=0 (altså punktet (2,0,0)(2,0,0)).

Begrepsbank til eksamen

Kjernebegrepene fra kapitlet i eksamensrettet kortform.

Begrepsbanken er flashcard-/repetisjonsstoff — det gjentar det du nettopp har lest. Hopp trygt over ved førstegangslesing; tidsanslaget for kapitlet gjelder kjernestoffet.

Kryssproduktet (repetisjon)

For a,bR3\mathbf a,\mathbf b\in\mathbb{R}^3 er a×b\mathbf a\times\mathbf b en vektor vinkelrett på begge, med lengde absinθ|\mathbf a||\mathbf b|\sin\theta (parallellogramarealet). Antikommutativ: b×a=a×b\mathbf b\times\mathbf a=-\mathbf a\times\mathbf b. Regnes greiest som en 3×33\times3-determinant med i,j,k\mathbf i,\mathbf j,\mathbf k i øverste rad.

Tangentplan fra ϕu,ϕv\boldsymbol{\phi}_u,\boldsymbol{\phi}_v

Tangentplanet til en parametrisert flate i et punkt spennes ut av de to tangentvektorene ϕu\boldsymbol{\phi}_u og ϕv\boldsymbol{\phi}_v, med normalvektor ϕu×ϕv\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v. Planets likning: (xϕ(u0,v0))(ϕu×ϕv)=0(\mathbf x-\boldsymbol{\phi}(u_0,v_0))\cdot(\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v)=0.

Regulær (glatt) parametrisering

En parametrisering er regulær i et punkt der ϕu×ϕv0\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v\ne\mathbf 0 — da har flaten et veldefinert tangentplan og en normalvektor der. I singulære punkter (f.eks. kjeglespissen) er kryssproduktet null og normalen udefinert.

Orientert flate

En orientert flate har et konsekvent valg av hvilken side normalen peker mot («utadrettet», «oppadrettet»). Fluks måles alltid relativt til en orientering. En Möbius-strimmel kan ikke orienteres — men alle flatene på eksamen kan.

Parameterkurve på en flate

Holder du én parameter fast på ϕ(u,v)\boldsymbol{\phi}(u,v) og varierer den andre, sveiper du ut en parameterkurve som ligger på flaten. Tangenten til uu-kurven er ϕu\boldsymbol{\phi}_u; til vv-kurven er ϕv\boldsymbol{\phi}_v. Disse to gir tangentplanet.

Flateareal

Arealet av en parametrisert flate er det skalare flateintegralet av 11: Areal=Rϕu×ϕvdudv\text{Areal}=\displaystyle\iint_R|\boldsymbol{\phi}_u\times\boldsymbol{\phi}_v|\,du\,dv. Utregnes videre i kap. 5.3.

Tangentlinje til en kurve

Tangentlinjen til kurven r(t)\mathbf r(t) i punktet r(t0)\mathbf r(t_0) har retningsvektor r(t0)\mathbf r'(t_0) (hastighetsvektoren) og likning x=r(t0)+sr(t0)\mathbf x=\mathbf r(t_0)+s\,\mathbf r'(t_0). Er r(t0)=0\mathbf r'(t_0)=\mathbf 0, er punktet singulært og tangenten udefinert.

Parameterdomenet RR

Å parametrisere en flate krever både uttrykket ϕ(u,v)\boldsymbol{\phi}(u,v) og området RR parameterne løper over. For grafen z=x2+y2z=x^2+y^2 opp til z=4z=4 er domenet disken x2+y24x^2+y^2\le4; for øvre halvkule er 0φπ/20\le\varphi\le\pi/2. Feil domene gir feil integrasjonsgrenser.

Repetisjonsoppgaver
Din fremgang
0 / 3 oppgaver
Symbol- og formelliste

Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.

Skolesaga er en uavhengig læringsressurs og er ikke tilknyttet eller godkjent av Universitetet i Oslo. Dette er ikke offisielt studiemateriell. Les mer.