Додаток інтеграла до вирішення прикладних завдань

Обчислення площі

Певний інтеграл безперервної невід'ємної функції f(x) чисельно дорівнюєплощі криволінійної трапеції, обмеженої кривою y = f(x), віссю Ох і прямими х = а і х = b. Відповідно до цього формула площі записується так:

Розглянемо деякі приклади на обчислення площ плоских фігур.

Завдання № 1. Обчислити площу, обмежену лініями y = x 2 +1, y = 0, x = 0, x = 2.

Рішення.Побудуємо фігуру, площу якої ми маємо обчислити.

y = x 2 + 1 – це парабола гілки якої спрямовані вгору, і парабола зміщена щодо осі O y вгору одну одиницю (рисунок 1).

Малюнок 1. Графік функції y = x 2 + 1

Завдання № 2. Обчислити площу, обмежену лініями y = x 2 – 1, y = 0 у межах від 0 до 1.

Рішення.Графіком даної функції є парабола гілки, якої спрямовані вгору, і парабола зміщена щодо осі O y вниз одну одиницю (рисунок 2).

Малюнок 2. Графік функції y = x 2 – 1

Завдання № 3. Зробіть креслення та обчисліть площу фігури, обмеженою лініями

y = 8 + 2x - x 2 і y = 2x - 4.

Рішення.Перша з цих двох ліній – парабола, спрямована гілками вниз, оскільки коефіцієнт при x 2 негативний, а друга лінія – пряма, що перетинає обидві осі координат.

Для побудови параболи знайдемо координати її вершини: y=2 – 2x; 2 – 2x = 0, x = 1 – абсцис вершини; y(1) = 8 + 2∙1 – 1 2 = 9 – її ордината, N(1;9) – вершина.

Тепер знайдемо точки перетину параболи та прямий, розв'язавши систему рівнянь:

Прирівнюючи праві частини рівняння, ліві частини яких рівні.

Отримаємо 8 + 2x - x 2 = 2x - 4 або x 2 - 12 = 0, звідки .

Отже, точки – точки перетину параболи та прямий (рисунок 1).

Малюнок 3 Графіки функцій y = 8 + 2x – x 2 та y = 2x – 4

Побудуємо пряму y = 2x - 4. Вона проходить через точки (0; -4), (2; 0) на осях координат.

Для побудови параболи можна ще її точки перетину з віссю 0x, тобто коріння рівняння 8 + 2x – x 2 = 0 або x 2 – 2x – 8 = 0. За теоремою Вієта легко знайти його коріння: x 1 = 2, x 2 = 4.

На малюнку 3 зображено фігуру (параболічний сегмент M 1 N M 2), обмежений даними лініями.

Друга частина завдання полягає у знаходженні площі цієї фігури. Її площу можна знайти за допомогою певного інтегралу за формулою .

Стосовно цієї умови отримаємо інтеграл:

2 Обчислення об'єму тіла обертання

Обсяг тіла, отриманого від обертання кривої y = f(x) навколо осі Ох, обчислюється за формулою:

При обертанні навколо осі О y формула має вигляд:

Завдання №4. Визначити об'єм тіла, отриманого від обертання криволінійної трапеції, обмеженої прямими х = 0 х = 3 та кривою y = навколо осі О х.

Рішення.Побудуємо рисунок (рисунок 4).

Малюнок 4. Графік функції y =

Обсяг, що шукається, дорівнює

Завдання №5. Обчислити обсяг тіла, отриманого від обертання криволінійної трапеції, обмеженою кривою y = x 2 і прямими y = 0 і y = 4 навколо осі O y .

Рішення.Маємо:

Запитання для повторення

Розглянемо криволінійну трапецію, обмежену віссю Ох, кривою y=f(x) та двома прямими: х=а та х=Ь (рис. 85). Візьмемо довільне значення х (тільки не а і не Ь). Дамо йому приріст h = dx і розглянемо смужку, обмежену прямими АВ і CD, віссю Ох і дугою BD, що належить кривою, що розглядається. Цю смужку називатимемо елементарною смужкою. Площа елементарної смужки відрізняється від площі прямокутника ACQB на криволінійний трикутник BQD, а площа останнього менша за площу прямокутника BQDM зі сторонами BQ = =h=dx) QD=Ay і площею, що дорівнює hAy = Ay dx. Зі зменшенням сторони h сторона Ду також зменшується і одночасно з h прагне нуля. Тому площа BQDM є нескінченно малою другого порядку. Площа елементарної смужки є збільшення площі, а площа прямокутника ACQB, рівна АВ-АС==((х) dx> є диференціал площі. Отже, саму площу знайдемо, інтегруючи її диференціал. У межах аналізованої фігури незалежне змінне л: змінюється від а до b, тому шукана площа 5 дорівнюватиме 5= \f(x) dx. (I) Приклад 1. Обчислимо площу, обмежену параболою у - 1 -х *, прямими X = - Fj-, х = 1 і віссю О * (рис. 86). у Мал. 87. Мал. 86. 1 Тут f(x)= 1 - л?, межі інтегрування а = - і £=1, тому J [*-т]\- -fl -- Г -1-±Л_ 3) |_ 2 3V 2 / J 3 24 24* Приклад 2. Обчислимо площу, обмежену синусоїдою y = sinXy віссю Ох і прямою (рис. 87). Застосовуючи формулу (I), отримуємо Л 2 S= J sinxdx = [-cos x] Q =0 -(-1) = lf Приклад 3. Обчислимо площу, обмежену дугою синусоїди ^у = sin jc, укладеної між двома сусідніми точками перетину з віссю Ох (наприклад, між початком координат і крапкою з абсцисою я). Зауважимо, що з геометричних міркувань ясно, що ця площа буде вдвічі більшою за площу попереднього прикладу. Однак зробимо обчислення: я 5 = | s\nxdx= [ - cosх)* - - cos я-(-cos 0)= 1 + 1 = 2. о Дійсно, наше припущення виявилося справедливим. Приклад 4. Обчислити площу, обмежену синусоїдою і віссю Ох на одному періоді (рис. 88). Попередні розрис судження дозволяють припустити, що площа вийде в чотири рази більше, ніж у пр. 2. Однак, зробивши обчислення, отримаємо «я Г, * я S - \ sin х dx = [ - cos х] 0 = = - cos 2л -(-cos 0) = - 1 + 1 = 0. Цей результат потребує роз'яснень. Для з'ясування суті справи обчислюємо ще площу, обмежену тією самою синусоїдою у = sin л: і віссю Ох не більше від л до 2я. Застосовуючи формулу (I), отримуємо 2л $2л sin хdx=[ - cosх]л =-cos 2я~)-с05я=- 1-1 =-2. Таким чином, бачимо, що ця площа вийшла негативною. Порівнюючи її з площею, обчисленою в пр. 3, отримуємо, що їх абсолютні величини однакові, а різні знаки. Якщо застосувати властивість V (див. гл. XI, § 4), то отримаємо 2л я 2л J sin xdx = J sin * dx [ sin x dx = 2 + (- 2) = 0 Те, що вийшло в цьому прикладі, не є випадковістю. Завжди площа, розташована нижче осі Ох, за умови, що незалежне змінне змінюється ліворуч, виходить при обчисленні за допомогою інтегралів негативною. У цьому курсі ми завжди розглядатимемо площі без знаків. Тому відповідь у щойно розібраному прикладі буде такою: площа, що шукається, дорівнює 2 + |-2| = 4. Приклад 5. Обчислимо площу ОАВ, вказану на рис. 89. Ця площа обмежена віссю Ох параболою у = - хг і прямий у - =-х + \. Площа криволінійної трапеції Шукана площа ОАВ складається з двох частин: ОАМ та МАВ. Так як точка А є точкою перетину параболи та прямою, то її координати знайдемо, розв'язуючи систему рівнянь 3 2 У = тх. (Нам потрібно знайти тільки абсцис точки А). Вирішуючи систему, знаходимо л; = ~. Тому площу доводиться обчислювати частинами, спочатку пл. ОАМ, та був пл. МАВ: .... Г 3 2 , 3 Г хП 3 1/2 У 2 . QAM-^х = [Заміна:

] =

Отже, невласний інтеграл сходиться та його значення одно .