Kerucut 📖 Wikipedia

Dalam geometri, kerucut adalah sebuah limas istimewa yang beralas lingkaran. Kerucut mempunyai 2 sisi, 1 rusuk, dan 1 titik sudut.

Sisi tegak kerucut tidak berupa segitiga tapi berupa bidang miring yang disebut selimut kerucut.

Keliling dasar kerucut disebut "directrix", dan masing-masing segmen garis antara directrix dan apex adalah "generatrix" atau "garis pembangkit" dari permukaan lateral. (Untuk hubungan antara pengertian istilah "directrix" dan directrix dari bagian kerucut, lihat Dandelin spheres .)

"Jari-jari dasar" dari kerucut lingkaran adalah jari - jari alasnya; sering kali ini hanya disebut jari-jari kerucut. The aperture kerucut melingkar tepat adalah sudut maksimum antara dua garis generatrix; jika generatrix membuat sudut θ ke sumbu, aperture adalah 2 θ.

Sebuah kerucut dengan daerah termasuk puncaknya dipotong oleh pesawat disebut " kerucut terpotong "; jika bidang pemotongan sejajar dengan basis kerucut, itu disebut frustum.^[1] "Kerucut elips" adalah kerucut dengan dasar elips.^[1] "Kerucut umum" adalah permukaan yang dibuat oleh sekumpulan garis yang melewati titik dan setiap titik pada batas (juga lihat lambung visual).

${\displaystyle s={\sqrt {r^{2}+t^{2}}}}$

${\displaystyle L=\pi r^{2}}$

${\displaystyle L=\pi rs}$
${\displaystyle =\pi r{\sqrt {r^{2}+t^{2}}}}$

${\displaystyle L=L_{a}+L_{s}}$
${\displaystyle =\pi r^{2}+\pi rs}$, atau
${\displaystyle =\pi r\cdot (r+s)}$
${\displaystyle =\pi r\cdot (r+{\sqrt {r^{2}+t^{2}}})}$

Volume kerucut dapat dirumuskan sebagai berikut

${\displaystyle V={\frac {1}{3}}\cdot \pi r^{2}\cdot t}$

di mana ${\displaystyle r}$ dan ${\displaystyle h}$ masing-masing melambangkan jari-jari dan tinggi kerucut.

Untuk membuktikan rumus volume kerucut di atas, berikut ini merupakan pembuktian di antaranya:

Misal ${\displaystyle y={\frac {rx}{h}}}$ (anggap ${\displaystyle r>0}$, ${\displaystyle h>0}$), sumbu-${\displaystyle x}$, dan ${\displaystyle x=h}$ adalah garis yang membatasi daerah. Daerah tersebut diputar di sumbu-${\displaystyle x}$. Untuk membuktikannya, kita cukup mengiriskan benda yang diputar. Aproksimasikan

${\displaystyle \Delta V=\pi \left({\frac {r}{h}}x\right)^{2}\,\Delta x}$,

lalu, mengintegrasikannya

${\displaystyle V={\frac {\pi r^{2}}{h^{2}}}\int _{0}^{h}x^{2}\,\mathrm {d} x={\frac {\pi r^{2}}{h^{2}}}\left[{\frac {x^{3}}{3}}\right]_{0}^{h}={\frac {1}{3}}\pi r^{2}h}$.^[2]

Kerucut bundar padat yang tepat dengan tinggi ${\displaystyle h}$ dan aperture ${\displaystyle 2\theta }$ , yang porosnya adalah ${\displaystyle z}$ sumbu koordinat dan yang puncaknya adalah asalnya, digambarkan secara parametrik sebagai

${\displaystyle F(s,t,u)=\left(u\tan s\cos t,u\tan s\sin t,u\right)}$

di mana ${\displaystyle s,t,u}$ berkisar ${\displaystyle [0,\theta )}$, ${\displaystyle [0,2\pi )}$, dan ${\displaystyle [0,h]}$, masing-masing.

Dalam bentuk tersirat , padatan yang sama didefinisikan oleh ketidaksetaraan

${\displaystyle \{F(x,y,z)\leq 0,z\geq 0,z\leq h\},}$

di mana

${\displaystyle F(x,y,z)=(x^{2}+y^{2})(\cos \theta )^{2}-z^{2}(\sin \theta )^{2}.\,}$

Lebih umum, kerucut melingkar kanan dengan titik pada asal, sumbu sejajar dengan vektor ${\displaystyle 2\theta }$, diberikan oleh persamaan vektor implisit ${\displaystyle F(u)=0}$ di mana

${\displaystyle F(u)=(u\cdot d)^{2}-(d\cdot d)(u\cdot u)(\cos \theta )^{2}}$   atau   ${\displaystyle F(u)=u\cdot d-|d||u|\cos \theta }$

di mana ${\displaystyle u=(x,y,z)}$, dan ${\displaystyle u\cdot d}$ menunjukkan produk titik.

Dalam sistem koordinat Kartesius,sebuah kerucut elips adalah lokus dari persamaan bentuk ^[3]

${\displaystyle {\frac {x^{2}}{a^{2}}}+{\frac {y^{2}}{b^{2}}}=z^{2}.}$

Ini adalah sebuah gambar affine dari unit lingkaran kanan dengan persamaan ${\displaystyle x^{2}+y^{2}=z^{2}\ .}$ Dari fakta, bahwa gambar affine dari bagian kerucut adalah bagian kerucut dari jenis yang sama (elips, parabola, ...) orang mendapat:

• Setiap bagian pesawat kerucut elips adalah bagian kerucut.

Jelas, setiap kerucut melingkar kanan berisi lingkaran. Ini juga benar, tetapi kurang jelas, dalam kasus umum

Representasi parameter kerucut dapat dijelaskan sebagai berikut. Dengan gambar ${\displaystyle {\overrightarrow {P}}}$ koordinat kerucut dapat dikonversi menjadi Koordinat kartesius. Dengan gambar ${\displaystyle {\overrightarrow {Q}}}$ Koordinat kartesius dapat dikonversi menjadi koordinat kerucut.

${\displaystyle {\overrightarrow {P}}(\gamma ,\varphi ,\chi )={\begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}}=\chi \cdot {\begin{pmatrix}\gamma \cos(\varphi )\\\gamma \sin(\varphi )\\1\end{pmatrix}}\quad \quad \quad {\overrightarrow {Q}}(x,y,z)={\begin{pmatrix}\gamma \\\varphi \\\chi \end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}{\frac {1}{z}}{\sqrt {x^{2}+y^{2}}}\\\arctan 2(y,x)\\z\end{pmatrix}}}$

Keliling segmen kerucut diberikan oleh (lihat ilustrasi di bawah):

${\displaystyle r_{1}\leq r\leq r_{2}\quad \quad \quad 0\leq \varphi \leq 2\pi \quad \quad \quad h=z_{2}-z_{1}}$,

Maka batasnya dapat dinyatakan dalam keliling kerucut sebagai berikut:

${\displaystyle \gamma _{1}={\frac {r_{2}-r_{1}}{h}}\quad \quad \chi _{1}={\frac {r_{1}}{\gamma _{1}}}=h\cdot {\frac {r_{1}}{r_{2}-r_{1}}}\quad \quad \chi _{2}={\frac {r_{2}}{\gamma _{1}}}=h\cdot {\frac {r_{2}}{r_{2}-r_{1}}}}$.

Keliling segmen kerucut padat karenanya berkisar:

${\displaystyle 0\leq \gamma \leq \gamma _{1}\quad \quad \quad 0\leq \varphi \leq 2\pi \quad \quad \quad \chi _{1}\leq \chi \leq \chi _{2}}$.

Representasi keliling berikut ini berlaku untuk permukaan lateral yang sesuai dari segmen kerucut ini:

${\displaystyle \gamma =\gamma _{1}\quad \quad \quad 0\leq \varphi \leq 2\pi \quad \quad \quad \chi _{1}\leq \chi \leq \chi _{2}}$.

Vektor normal permukaan adalah ortogonal ke permukaan kerucut. Diperlukan untuk B. melakukan perhitungan aliran melalui permukaan lateral. Luas permukaan lateral dapat dihitung sebagai integral ganda menggunakan norma vektor normal permukaan. ${\displaystyle {\overrightarrow {n}}={\frac {\partial {\overrightarrow {P}}}{\partial \varphi }}\times {\frac {\partial {\overrightarrow {P}}}{\partial \chi }}=\chi \gamma \cdot {\begin{pmatrix}\cos(\varphi )\\\sin(\varphi )\\-\gamma \end{pmatrix}}}$

Vektor satuan dalam komponen kartesius diperoleh dengan normalisasi pada vektor tangen dari parameterisasi tersebut. Vektor tangen dihasilkan dari turunan parsial pertama menurut masing-masing variabel. Ketiga vektor satuan ini membentuk basis normal. Ini bukan basis ortonormal karena tidak semua vektor satuan ortogonal satu sama lain. ${\displaystyle {\overrightarrow {e_{\gamma }}}={\frac {\partial _{\gamma }{\overrightarrow {P}}}{\left\|\partial _{\gamma }{\overrightarrow {P}}\right\|}}={\begin{pmatrix}\cos(\varphi )\\\sin(\varphi )\\0\end{pmatrix}}\quad \quad {\overrightarrow {e_{\varphi }}}={\frac {\partial _{\varphi }{\overrightarrow {P}}}{\left\|\partial _{\varphi }{\overrightarrow {P}}\right\|}}={\begin{pmatrix}-\sin(\varphi )\\\cos(\varphi )\\0\end{pmatrix}}\quad \quad {\overrightarrow {e_{\chi }}}={\frac {\partial _{\chi }{\overrightarrow {P}}}{\left\|\partial _{\chi }{\overrightarrow {P}}\right\|}}={\frac {1}{\sqrt {1+\gamma ^{2}}}}{\begin{pmatrix}\gamma \cos(\varphi )\\\gamma \sin(\varphi )\\1\end{pmatrix}}}$

Matriks fungsional dan kebalikannya diperlukan untuk kemudian mengubah turunan parsial. ${\displaystyle J_{f}={\frac {\partial \left(x,y,z\right)}{\partial \left(\gamma ,\varphi ,\chi \right)}}={\begin{pmatrix}\partial _{\gamma }x&\partial _{\varphi }x&\partial _{\chi }x\\\partial _{\gamma }y&\partial _{\varphi }y&\partial _{\chi }y\\\partial _{\gamma }z&\partial _{\varphi }z&\partial _{\chi }z\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\chi \cos(\varphi )&-\chi \gamma \sin(\varphi )&\gamma \cos(\varphi )\\\chi \sin(\varphi )&\chi \gamma \cos(\varphi )&\gamma \sin(\varphi )\\0&0&1\end{pmatrix}}}$

${\displaystyle J_{f}^{-1}={\frac {\partial \left(\gamma ,\varphi ,\chi \right)}{\partial \left(x,y,z\right)}}={\begin{pmatrix}\partial _{x}\gamma &\partial _{y}\gamma &\partial _{z}\gamma \\\partial _{x}\varphi &\partial _{y}\varphi &\partial _{z}\varphi \\\partial _{x}\chi &\partial _{y}\chi &\partial _{z}\chi \end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}{\frac {\cos(\varphi )}{\chi }}&{\frac {\sin(\varphi )}{\chi }}&-{\frac {\gamma }{\chi }}\\-{\frac {\sin(\varphi )}{\chi \gamma }}&{\frac {\cos(\varphi )}{\chi \gamma }}&0\\0&0&1\end{pmatrix}}}$

Matriks transformasi diperlukan untuk mentransformasikan unit vektor dan bidang vektor. Matriks ini terdiri dari vektor satuan dari parameterisasi sebagai vektor kolom. Rincian lebih lanjut dapat ditemukan di bawah artikel Basiswechsel. ${\displaystyle S={\begin{pmatrix}{\overrightarrow {e_{\gamma }}}&{\overrightarrow {e_{\varphi }}}&{\overrightarrow {e_{\chi }}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\cos(\varphi )&-\sin(\varphi )&{\frac {\gamma \cos(\varphi )}{\sqrt {1+\gamma ^{2}}}}\\\sin(\varphi )&\cos(\varphi )&{\frac {\gamma \sin(\varphi )}{\sqrt {1+\gamma ^{2}}}}\\0&0&{\frac {1}{\sqrt {1+\gamma ^{2}}}}\end{pmatrix}}\quad \quad \quad \quad S^{-1}={\begin{pmatrix}\cos(\varphi )&\sin(\varphi )&-\gamma \\-\sin(\varphi )&\cos(\varphi )&0\\0&0&{\sqrt {1+\gamma ^{2}}}\end{pmatrix}}}$

Turunan parsial dapat ditransformasikan dengan matriks Jacobi terbalik

${\displaystyle {\begin{pmatrix}{\frac {\partial }{\partial x}}&{\frac {\partial }{\partial y}}&{\frac {\partial }{\partial z}}\end{pmatrix}}^{T}=(J_{f}^{-1})^{T}\cdot {\begin{pmatrix}{\frac {\partial }{\partial \gamma }}&{\frac {\partial }{\partial \varphi }}&{\frac {\partial }{\partial \chi }}\end{pmatrix}}^{T}}$

Hasilnya adalah:

${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial x}}={\frac {\cos(\varphi )}{\chi }}{\frac {\partial }{\partial \gamma }}-{\frac {\sin(\varphi )}{\gamma \chi }}{\frac {\partial }{\partial \varphi }}}$

${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial y}}={\frac {\sin(\varphi )}{\chi }}{\frac {\partial }{\partial \gamma }}+{\frac {\cos(\varphi )}{\gamma \chi }}{\frac {\partial }{\partial \varphi }}}$

${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial z}}={\frac {\partial }{\partial \chi }}-{\frac {\gamma }{\chi }}{\frac {\partial }{\partial \gamma }}}$

Vektor satuan dapat ditransformasikan dengan matriks transformasi terbalik. ${\displaystyle {\begin{pmatrix}{\overrightarrow {e_{x}}}&{\overrightarrow {e_{y}}}&{\overrightarrow {e_{z}}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}{\overrightarrow {e_{\gamma }}}&{\overrightarrow {e_{\varphi }}}&{\overrightarrow {e_{\chi }}}\end{pmatrix}}\cdot S^{-1}}$

Hasilnya adalah:

${\displaystyle {\overrightarrow {e_{x}}}=\cos(\varphi )\cdot {\overrightarrow {e_{\gamma }}}-\sin(\varphi )\cdot {\overrightarrow {e_{\varphi }}}}$

${\displaystyle {\overrightarrow {e_{y}}}=\sin(\varphi )\cdot {\overrightarrow {e_{\gamma }}}+\cos(\varphi )\cdot {\overrightarrow {e_{\varphi }}}}$

${\displaystyle {\overrightarrow {e_{z}}}={\sqrt {1+\gamma ^{2}}}\cdot {\overrightarrow {e_{\chi }}}-\gamma \cdot {\overrightarrow {e_{\gamma }}}}$

Bidang vektor dapat ditransformasikan oleh perkalian matriks dengan matriks transformasi. ${\displaystyle {\begin{pmatrix}F_{x}\\F_{y}\\F_{z}\end{pmatrix}}=S\cdot {\begin{pmatrix}F_{\gamma }\\F_{\varphi }\\F_{\chi }\end{pmatrix}}}$

Hasilnya adalah:

${\displaystyle F_{x}=\cos(\varphi )\cdot F_{\gamma }-\sin(\varphi )\cdot F_{\varphi }+{\frac {\gamma \cos(\varphi )}{\sqrt {1+\gamma ^{2}}}}\cdot F_{\chi }}$

${\displaystyle F_{y}=\sin(\varphi )\cdot F_{\gamma }+\cos(\varphi )\cdot F_{\varphi }+{\frac {\gamma \sin(\varphi )}{\sqrt {1+\gamma ^{2}}}}\cdot F_{\chi }}$

${\displaystyle F_{z}={\frac {1}{\sqrt {1+\gamma ^{2}}}}\cdot F_{\chi }}$

Diferensial volume dapat ditentukan menggunakan determinan dari matriks Jacobi. Ini menawarkan kemungkinan z. B. untuk menghitung volume kerucut menggunakan triple integral. ${\displaystyle dV=\det J_{f}\cdot d\gamma d\chi d\varphi =\chi ^{2}\gamma \cdot d\gamma d\chi d\varphi }$

Diferensial permukaan dapat ditentukan dengan norma dari vektor normal permukaan. Jadi kamu bisa z. B. tentukan luas permukaan lateral dengan integral ganda. ${\displaystyle dA=\|{\overrightarrow {n}}\|\cdot d\chi d\varphi =\chi \gamma {\sqrt {1+\gamma ^{2}}}\cdot d\chi d\varphi \quad {\text{atau}}\quad \gamma ={\text{const.}}}$

Representasi Operator Nabla dalam koordinat kerucut dapat diperoleh dengan memasukkan vektor satuan transformasi dan turunan parsial dalam operator kartesius Nabla:

${\displaystyle \nabla =\left({\frac {1+\gamma ^{2}}{\chi }}{\frac {\partial }{\partial \gamma }}-\gamma {\frac {\partial }{\partial \chi }}\right)\cdot {\overrightarrow {e_{\gamma }}}+\left({\frac {1}{\gamma \chi }}{\frac {\partial }{\partial \varphi }}\right)\cdot {\overrightarrow {e_{\varphi }}}+{\sqrt {1+\gamma ^{2}}}\left({\frac {\partial }{\partial \chi }}-{\frac {\gamma }{\chi }}{\frac {\partial }{\partial \gamma }}\right)\cdot {\overrightarrow {e_{\chi }}}}$

Gradien dalam koordinat kerucut diperoleh dengan menerapkan transformasi Operator Nabla ke medan skalar dalam koordinat kerucut.

${\displaystyle \operatorname {grad} \phi =\nabla \phi =\left({\frac {1+\gamma ^{2}}{\chi }}{\frac {\partial \phi }{\partial \gamma }}-\gamma {\frac {\partial \phi }{\partial \chi }}\right)\cdot {\overrightarrow {e_{\gamma }}}+\left({\frac {1}{\gamma \chi }}{\frac {\partial \phi }{\partial \varphi }}\right)\cdot {\overrightarrow {e_{\varphi }}}+{\sqrt {1+\gamma ^{2}}}\left({\frac {\partial \phi }{\partial \chi }}-{\frac {\gamma }{\chi }}{\frac {\partial \phi }{\partial \gamma }}\right)\cdot {\overrightarrow {e_{\chi }}}}$

Operator untuk divergensi bidang vektor dapat diperoleh dengan menerapkan operator Nabla ke bidang vektor dalam koordinat kerucut:

${\displaystyle \operatorname {div} {\overrightarrow {F}}=\nabla \cdot {\overrightarrow {F}}={\frac {1}{\gamma \chi }}\cdot \left({\frac {\partial \left(F_{\gamma }\cdot \gamma \right)}{\partial \gamma }}+{\frac {\partial F_{\varphi }}{\partial \varphi }}\right)+{\frac {1}{\chi ^{2}{\sqrt {1+\gamma ^{2}}}}}{\frac {\partial \left(F_{\chi }\cdot \chi ^{2}\right)}{\partial \chi }}}$

Definisi kerucut dapat diperluas ke dimensi yang lebih tinggi (lihat kerucut cembung ). Dalam hal ini, salah satu mengatakan bahwa cembung set C di nyata vektor ruang R _n adalah kerucut (dengan puncaknya pada titik asal) jika untuk setiap vektor x di C dan setiap non-negatif bilangan real a , vektor kapak di C.^[4] Dalam konteks ini, analog kerucut bundar biasanya tidak istimewa; bahkan orang sering tertarik pada kerucut polihedral.

Frustum adalah sebuah tabung besar dikurangi sebuah tabung kecil.

${\displaystyle V={\frac {1}{3}}\cdot \pi (r^{2}+rR+R^{2})\cdot t}$

Bukti:

Andaikan sebuah tabung besar memiliki jari-jari r serta potongan tinggi t sedangkan kecil jari-jari R dan tinggi T.

${\displaystyle V=V_{b}-V_{k}}$

${\displaystyle V={\frac {1}{3}}\cdot \pi (r^{2}\cdot (t+T)-R^{2}\cdot T)}$

untuk mencari h dengan membandingkan sbb:

${\displaystyle {\frac {t+T}{T}}={\frac {r}{R}}}$

${\displaystyle t+T={\frac {rT}{R}}}$

lalu

${\displaystyle V={\frac {1}{3}}\cdot \pi (r^{2}\cdot ({\frac {rT}{R}})-R^{2}\cdot T)}$

${\displaystyle V={\frac {1}{3}}\cdot \pi \cdot T({\frac {r^{3}-R^{3}}{R}})}$

untuk mencari T sbb:

${\displaystyle {\frac {t+T}{T}}={\frac {r}{R}}}$

${\displaystyle R\cdot t+R\cdot T=r\cdot T}$

${\displaystyle R\cdot t=(r-R)\cdot T}$

${\displaystyle T={\frac {R\cdot t}{r-R}}}$

di mana ${\displaystyle r^{3}-R^{3}=(r-R)(r^{2}+rR+R^{2})}$

${\displaystyle V={\frac {1}{3}}\cdot \pi \cdot {\frac {R\cdot t}{r-R}}\cdot ({\frac {(r-R)(r^{2}+rR+R^{2})}{R}})}$

${\displaystyle V={\frac {1}{3}}\cdot \pi (r^{2}+rR+R^{2})\cdot t}$

• Pi (${\displaystyle \pi }$)
• Alas (geometri)
• Persamaan parametrik
• Integral Fresnel