Skip to content Skip to sidebar Skip to footer

Menentukan Rumus Volume Elipsoida Triaksial dengan Menggunakan Integral Ganda

Elipsoida adalah bentuk tiga dimensi dari bangun datar elips. Secara umum persamaan elipsoida pada dimensi tiga adalah sebagai berikut:

\[\frac{{{x^2}}}{{{a^2}}} + \frac{{{y^2}}}{{{b^2}}} + \frac{{{z^2}}}{{{c^2}}} = 1\]

dimana:

$a$, $b$, dan $c$ adalah sumbu-sumbu pada elipsoida.

Dengan melihat nilai dari $a$, $b$, dan $c$, bangun ruang elipsoida terdiri dari 4 jenis yang berbeda yaitu :

1. Elipsoida triaksial, jika $a > b > c$.

2. Elipsoida oblat, jika $a = b > c$.

3. Elipsoida prolat, jika $a = b < c$.

4. Bola, jika $a = b = c$.

Dari pembagian jenis di atas kita tahu bahwa ternyata bola merupakan bagian dari elipsoida.


Menentukan Rumus volume elipsoida triaksial


Pada elipsoida triaksial berlaku $a > b > c$, sehingga ketiga sumbu pada elipsoida triaksial berbeda panjangnya.

Untuk menentukan rumus volume elipsoida triaksial terlebih dahulu harus mengubah persamaanya dalam $z$ atau dalam bentuk $f(x,y)$.

$\begin{array}{l}  \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}} + \frac{{{y^2}}}{{{b^2}}} + \frac{{{z^2}}}{{{c^2}}} = 1 \\   \Leftrightarrow \frac{{{z^2}}}{{{c^2}}} = 1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}} - \frac{{{y^2}}}{{{b^2}}} \\   \Leftrightarrow {z^2} = {c^2}\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}} - \frac{{{y^2}}}{{{b^2}}}} \right) \\   \Leftrightarrow z =  \pm \sqrt {{c^2}\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}} - \frac{{{y^2}}}{{{b^2}}}} \right)}  \\   \Leftrightarrow z = \sqrt {{c^2}\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}} - \frac{{{y^2}}}{{{b^2}}}} \right)}  \vee z =  - \sqrt {{c^2}\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}} - \frac{{{y^2}}}{{{b^2}}}} \right)}  \\  \end{array}$

Menentukan Batas Pengintegralan

Sebelum menentukan batas pengintegralan, terlebih dahulu kita bisa lihat gambar dari elipsoida triaksial pada bidang kartesius.


Pada gambar tersebut, titik $O(0,0,0)$ adalah pusat elipsoida. Untuk menghitung volume elipsoida di atas kita tidak harus menghitung keseluruhan. Kita bisa menghitung volume salah satu oktan saja kemudian tinggal kita kalikan $8$, sehingga kita peroleh batas-batas pengintegralan sebagai berikut.

Batas pengintegral untuk $x$ adalah $0$ dan $a$.


Batas pengintegral untuk $y$ adalah $0$ dan untuk batas atas dicari dengan cara berikut:


$\begin{array}{l}  \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}} + \frac{{{y^2}}}{{{b^2}}} = 1 \\   \Leftrightarrow \frac{{{y^2}}}{{{b^2}}} = 1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}} \\   \Leftrightarrow {y^2} = {b^2}\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}}} \right) \\   \Leftrightarrow y =  \pm \sqrt {{b^2}\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}}} \right)}  \\   \Leftrightarrow y = \sqrt {{b^2}\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}}} \right)}  \vee y =  - \sqrt {{b^2}\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}}} \right)}  \\  \end{array}$

Rumus Volume Elipsoida triaksial


Sama seperti penjelasan di atas, karena kita hanya menghitung volume $1$ oktan saja, maka untuk volume keseluruhan harus dikalikan dengan $8$.


$\begin{array}{l}  V = 8\int\limits_0^a {\int\limits_0^{\sqrt {{b^2}\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}}} \right)} } {zdydx} }  \\  V = 8\int\limits_0^a {\int\limits_0^{\sqrt {{b^2}\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}}} \right)} } {\sqrt {{c^2}\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}} - \frac{{{y^2}}}{{{b^2}}}} \right)} dydx} }  \\  V = 8c\int\limits_0^a {\int\limits_0^{b\sqrt {\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}}} \right)} } {\sqrt {\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}} - \frac{{{y^2}}}{{{b^2}}}} \right)} dydx} }  \\  \end{array}$

Misalkan:


$\begin{array}{l}  b\sqrt {\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}}} \right)}  = q \\   \Leftrightarrow \sqrt {\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}}} \right)}  = \frac{q}{b} \\   \Leftrightarrow 1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}} = \frac{{{q^2}}}{{{b^2}}} \\  \end{array}$

Diperoleh:


$\begin{array}{l}  V = 8c\int\limits_0^a {\int\limits_0^q {\sqrt {\left( {\frac{{{q^2}}}{{{b^2}}} - \frac{{{y^2}}}{{{b^2}}}} \right)} dydx} }  \\ \end{array}$  $\begin{array}{l} V = 8\frac{c}{b}\int\limits_0^a {\int\limits_0^q {\sqrt {{q^2} - {y^2}} dydx} }  \\  V = 8\frac{c}{b}\int\limits_0^a {\left[ {\frac{1}{2}y\sqrt {{q^2} - {y^2}}  + \frac{1}{2}{q^2}{{\sin }^{ - 1}}\left( {\frac{y}{q}} \right)} \right]_0^qdx}  \\  V = 4\frac{c}{b}\int\limits_0^a {\left[ {y\sqrt {{q^2} - {y^2}}  + {q^2}{{\sin }^{ - 1}}\left( {\frac{y}{q}} \right)} \right]_0^qdx}  \\  V = 4\frac{c}{b}\int\limits_0^a {\left[ {\left( {q\sqrt {{q^2} - {q^2}}  + {q^2}{{\sin }^{ - 1}}\left( {\frac{q}{q}} \right)} \right) - \left( {0\sqrt {{q^2} - {0^2}}  + {q^2}{{\sin }^{ - 1}}\left( {\frac{0}{q}} \right)} \right)} \right]} dx \\  V = 4\frac{c}{b}\int\limits_0^a {\left[ {\left( {0 + {q^2}{{\sin }^{ - 1}}\left( 1 \right)} \right) - \left( {0 + {q^2}{{\sin }^{ - 1}}\left( 0 \right)} \right)} \right]} dx \\  V = 4\frac{c}{b}\int\limits_0^a {\left[ {\left( {{q^2}.\frac{\pi }{2}} \right) - \left( {{q^2}.0} \right)} \right]} dx \\  V = 4\frac{c}{b}\int\limits_0^a {\left( {\frac{\pi }{2}{q^2}} \right)} dx \\  V = 2\pi \frac{c}{b}\int\limits_0^a {{q^2}} dx \\  \end{array}$

Dari sini kembalikan q2 dalam variabel $x$ kembali


$\begin{array}{l}  b\sqrt {\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}}} \right)}  = q \Rightarrow {q^2} = {b^2}\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}}} \right) \\  V = 2\pi \frac{c}{b}\left( {a{b^2}\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}}} \right)} \right) \\  \end{array}$

Diperoleh:


$\begin{array}{l}  V = 2\pi \frac{c}{b}\int\limits_0^a {{b^2}\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}}} \right)} dx \\  V = 2\pi bc\int\limits_0^a {\left( {1 - \frac{{{x^2}}}{{{a^2}}}} \right)} dx \\  V = 2\pi bc\left[ {x - \frac{{{x^3}}}{{3{a^2}}}} \right]_0^a \\  V = 2\pi bc\left[ {\left( {a - \frac{{{a^3}}}{{3{a^2}}}} \right) - \left( {0 - \frac{{{0^3}}}{{3{a^2}}}} \right)} \right] \\  V = 2\pi bc\left[ {\left( {a - \frac{a}{3}} \right) - \left( 0 \right)} \right] \\  V = 2\pi bc\left[ {\frac{2}{3}a} \right] \\  V = \frac{4}{3}\pi abc \\  \end{array}$

Kesimpulan


Dari pembuktian dan perhitungan di atas dapat disimpulkan.Volume elipsoida triaksial dengan panjang sumbu masing-masing a, b, dan c adalah


\[\boxed{V = \frac{4}{3}\pi abc}\] 

Contoh Soal:


Tentukan volume elipsoida yang memiliki panjang sumbu berturut-turut $2$ cm, $3$ cm, dan $4$ cm.


Jawab:


$\begin{array}{l}  V = \frac{4}{3}\pi abc \\  V = \frac{4}{3}\pi .2.3.4 \\  V = \begin{array}{*{20}{c}}    {32\pi } & {c{m^2}}  \\ \end{array} \\  \end{array}$


Demikian semoga bermanfaat

Previous
Prev Post
Next
Next Post
nurhamim86
nurhamim86 A Mathematics Teacher who also likes the IT world.

Post a Comment for "Menentukan Rumus Volume Elipsoida Triaksial dengan Menggunakan Integral Ganda"