Inženýrská matematika Robert Mařík © 2007-2009 

4.4 Polární souřadnice

Dosud jsme používali pouze kartézské souřadnice: dvojici čísel udávající vzdálenost bodu od osy \DS{y} a od osy \DS{x}, která jednoznačně určuje polohu bodu v rovině1 . V praxi je někdy výhodnější použít i jiný způsob jak pomocí dvojice čísel charakterizovat polohu bodu v rovině – takové souřadnice potom nazýváme křivočaré souřadnice.

Z křivočarých souřadnic jsou nejdůležitější polární souřadnice. Při jejich použití polohu bodu \DS{A} zadáváme tak, že určíme vzdálenost \DS{r} bodu od počátku soustavy souřadnic \DS{O} a úhel \DS{\varphi }, který svírá spojnice bodů \DS{O} a \DS{A} s kladnou částí osy \DS{x}.


y
                 A
                       r ∈ [0,∞ ), φ ∈ [0,2π)
        r
                       x = rcosφ
      φ                y = rsinφ
                     x
O

Obrázek 4.1: Polární souřadnice

Chceme-li převést dvojný integrál do polárních souřadnic, provádíme v něm vlastně substituci \DS{x = r\cos \varphi } a \DS{y = r\sin \varphi }. Přitom se transformují i diferenciály \DS{\, \mathrm{d}x} a \DS{\, \mathrm{d}y} a výsledný vzorec má tvar!!!

\int\int _{\Omega }f(x,y)\, \mathrm{d}x\, \mathrm{d}y =\int\int _{\Omega }f(r\cos \varphi ,r\sin \varphi )\, \cdot r\, \mathrm{d}\varphi \, \mathrm{d}r.

V diferenciálním počtu polární souřadnice používáme především tam, kde má problém radiální symetrii. Například při studiu ochlazování nebo kmitů kruhových desek či válcovitých součástek. V integrálním počtu tyto souřadnice použijeme zejména v případě, kdy integrujeme přes kružnici nebo její část (např. mezikruží či kruhová výseč). V takovém případě mají totiž integrály které vzniknou po aplikaci Fubiniovy věty pevné meze a výpočet druhého integrálu je zpravidla jednodušší. V následujícím příkladě pro srovnání vypočteme tentýž integrál v polárních i v kartézských souřadnicích.

Příklad 4.6. Vypočtěte \DS{\int\int _{\Omega }x\, \mathrm{d}x\, \mathrm{d}y}, kde \DS{\Omega } je čtvrtina jednotkového kruhu, ležící v prvním kvadrantu.

y

            r ∈ (0,π1]
           φ ∈ [0,2]

     Ω


                  x

Výpočet v polárních souřadnicích:

\eqalignno{ \int\int _{\Omega }x\, \mathrm{d}x\, \mathrm{d}y & =\int _{ 0}^{1}{\Bigl (\int _{ 0}^{\pi ∕2}\underbrace{ \ r\cos \varphi \ }_{ \text{funkce}}\underbrace{r}_{\text{Jakobián}}\, \mathrm{d}\varphi \Bigr )}\, \mathrm{d}r =\int _{ 0}^{1}{\Bigl [r^{2}\sin \varphi \Bigr ]}_{ 0}^{\pi ∕2}\, \mathrm{d}r\kern 0em & & \kern 0em \kern 0em \cr & =\int _{ 0}^{1}{\Bigl [r^{2}\sin { \pi \over 2} - r\sin 0\Bigr ]}\, \mathrm{d}r =\int _{ 0}^{1}{\Bigl [r^{2}\Bigr ]}\, \mathrm{d}r\kern 0em & & \kern 0em \kern 0em \cr & ={\Bigl [{ r^{3} \over 3} \Bigr ]}_{0}^{1} ={ 1 \over 3} -{ 0 \over 3} ={ 1 \over 3} \kern 0em & & \kern 0em \kern 0em }

Výpočet v kartézských souřadnicích:

\eqalignno{ \int\int _{\Omega }x\, \mathrm{d}x\, \mathrm{d}y & =\int _{ 0}^{1}{\Bigl (\int _{ 0}^{\sqrt{1-x^{2}} }x\, \mathrm{d}y\Bigr )}\, \mathrm{d}x\kern 0em & & \kern 0em \kern 0em \cr & =\int _{ 0}^{1}{\Bigl [xy\Bigr ]}_{ 0}^{\sqrt{1-x^{2}} }\, \mathrm{d}x\kern 0em & & \kern 0em \kern 0em \cr & =\int _{ 0}^{1}x\sqrt{1 - x^{2}}\, \mathrm{d}x\kern 0em & & \kern 0em \kern 0em \cr & = \text{substituční metodou …}\kern 0em & & \kern 0em \kern 0em \cr & ={\Bigl [ -{ 1 \over 3} (1 - x^{2})^{{ 3 \over 2} }\Bigr ]}_{0}^{1}\kern 0em & & \kern 0em \kern 0em \cr & = -{ 1 \over 3} (0)^{{ 3 \over 2} } -{\Bigl (-{ 1 \over 3} (1)^{{ 3 \over 2} }\Bigr )}\kern 0em & & \kern 0em \kern 0em \cr & ={ 1 \over 3} \kern 0em & & \kern 0em \kern 0em }

   Robert Mařík, Ústav matematiky, Lesnická a dřevařská fakulta MZLU v Brně © 2007-2009