Úloha 1(o výpočte plochy krivočiary lichobežník).

V karteziánskom pravouhlom súradnicovom systéme xOy je uvedený údaj (pozri obrázok) ohraničený osou x, priamkami x \u003d a, x \u003d b (krivkový lichobežník. Je potrebné vypočítať plochu \ krivočiary lichobežník.
Riešenie. Geometria nám dáva recepty na výpočet plôch mnohouholníkov a niektorých častí kruhu (sektor, segment). Pomocou geometrických úvah budeme schopní nájsť len približnú hodnotu požadovanej plochy, pričom argumentujeme nasledovne.

Rozdeľme segment [a; b] (základňa krivočiareho lichobežníka) na n rovnakých dielov; toto rozdelenie je realizovateľné pomocou bodov x 1 , x 2 , ... x k , ... x n-1 . Nakreslite čiary cez tieto body rovnobežné s osou y. Potom sa daný krivočiary lichobežník rozdelí na n častí, na n úzkych stĺpikov. Plocha celého lichobežníka sa rovná súčtu plôch stĺpcov.

Uvažujme samostatne k-tý stĺpec, t.j. krivočiary lichobežník, ktorého základňou je segment. Nahradíme ho obdĺžnikom s rovnakou základňou a výškou rovnou f(x k) (pozri obrázok). Oblasť obdĺžnika je \(f(x_k) \cdot \Delta x_k \), kde \(\Delta x_k \) je dĺžka segmentu; je prirodzené považovať zostavený produkt za približnú hodnotu plochy k-tého stĺpca.

Ak teraz urobíme to isté so všetkými ostatnými stĺpcami, dospejeme k nasledovnému výsledku: plocha S daného krivočiareho lichobežníka sa približne rovná ploche S n stupňovitého útvaru zloženého z n obdĺžnikov (pozri obrázok):
\(S_n = f(x_0)\Delta x_0 + \bodky + f(x_k)\Delta x_k + \bodky + f(x_(n-1))\Delta x_(n-1) \)
V záujme jednotnosti zápisu tu uvažujeme, že a \u003d x 0, b \u003d x n; \(\Delta x_0 \) - dĺžka segmentu , \(\Delta x_1 \) - dĺžka segmentu atď.; zatiaľ čo, ako sme sa zhodli vyššie, \(\Delta x_0 = \bodky = \Delta x_(n-1) \)

Takže, \(S \približne S_n \), a táto približná rovnosť je tým presnejšia, čím je n väčšie.
Podľa definície sa predpokladá, že požadovaná oblasť krivočiareho lichobežníka sa rovná limitu sekvencie (S n):
$$ S = \lim_(n \to \infty) S_n $$

Úloha 2(o posunutí bodu)
Pohybuje sa v priamom smere hmotný bod. Závislosť rýchlosti od času vyjadruje vzorec v = v(t). Nájdite posunutie bodu za časový interval [a; b].
Riešenie. Ak by bol pohyb rovnomerný, potom by sa úloha riešila veľmi jednoducho: s = vt, t.j. s = v(b-a). Pre nerovnomerný pohyb treba použiť tie isté myšlienky, na ktorých bolo založené riešenie predchádzajúceho problému.
1) Rozdeľte časový interval [a; b] na n rovnakých častí.
2) Uvažujme časový interval a predpokladajme, že počas tohto časového intervalu bola rýchlosť konštantná, ako napríklad v čase t k . Takže predpokladáme, že v = v(t k).
3) Nájdite približnú hodnotu posunutia bodu za časový interval , túto približnú hodnotu označíme s k
\(s_k = v(t_k) \Delta t_k \)
4) Nájdite približnú hodnotu posunutia s:
\(s \približne S_n \) kde
\(S_n = s_0 + \bodky + s_(n-1) = v(t_0)\Delta t_0 + \bodky + v(t_(n-1)) \Delta t_(n-1) \)
5) Požadované posunutie sa rovná limitu postupnosti (S n):
$$ s = \lim_(n \to \infty) S_n $$

Poďme si to zhrnúť. Riešenia rôznych úloh boli zredukované na rovnaký matematický model. Mnohé problémy z rôznych oblastí vedy a techniky vedú v procese riešenia k rovnakému modelu. Takže toto matematický model treba špeciálne študovať.

Pojem určitého integrálu

Uveďme matematický popis modelu, ktorý bol zostavený v troch uvažovaných úlohách pre funkciu y = f(x), ktorá je spojitá (ale nie nevyhnutne nezáporná, ako sa predpokladalo v uvažovaných úlohách) na segmente [ a; b]:
1) rozdeliť segment [a; b] na n rovnakých častí;
2) súčet $$ S_n = f(x_0)\Delta x_0 + f(x_1)\Delta x_1 + \bodky + f(x_(n-1))\Delta x_(n-1) $$
3) vypočítajte $$ \lim_(n \to \infty) S_n $$

V priebehu matematickej analýzy sa dokázalo, že táto limita existuje v prípade spojitej (alebo po častiach spojitej) funkcie. Volá sa určitý integrál funkcie y = f(x) cez segment [a; b] a sú označené takto:
\(\int\limits_a^b f(x) dx \)
Čísla a a b sa nazývajú hranice integrácie (dolné a horné).

Vráťme sa k vyššie uvedeným úlohám. Definícia oblasti uvedená v probléme 1 môže byť teraz prepísaná takto:
\(S = \int\limits_a^b f(x) dx \)
tu S je oblasť krivočiareho lichobežníka znázorneného na obrázku vyššie. To je čo geometrický význam určitého integrálu.

Definíciu posunu s bodu, ktorý sa pohybuje v priamom smere rýchlosťou v = v(t) v časovom intervale od t = a do t = b, uvedenú v úlohe 2, možno prepísať takto:

Newtonov - Leibnizov vzorec

Na začiatok si odpovedzme na otázku: aký je vzťah medzi určitým integrálom a primitívom?

Odpoveď možno nájsť v úlohe 2. Na jednej strane, posunutie s bodu, ktorý sa pohybuje po priamke rýchlosťou v = v(t) za časový interval od t = a do t = b, sa vypočíta ako vzorec
\(S = \int\limits_a^b v(t) dt \)

Na druhej strane súradnica pohybujúceho sa bodu je primitívom pre rýchlosť - označme ju s(t); preto posunutie s je vyjadrené vzorcom s = s(b) - s(a). V dôsledku toho dostaneme:
\(S = \int\limits_a^b v(t) dt = s(b)-s(a) \)
kde s(t) je primitívna derivácia pre v(t).

Nasledujúca veta bola dokázaná v priebehu matematickej analýzy.
Veta. Ak je funkcia y = f(x) spojitá na segmente [a; b], potom vzorec
\(S = \int\limits_a^b f(x) dx = F(b)-F(a) \)
kde F(x) je primitívna derivácia pre f(x).

Tento vzorec sa zvyčajne nazýva Newtonov-Leibnizov vzorec na počesť anglického fyzika Isaaca Newtona (1643-1727) a nemecký filozof Gottfried Leibniz (1646-1716), ktorí ho dostali nezávisle od seba a takmer súčasne.

V praxi namiesto písania F(b) - F(a) používajú zápis \(\left. F(x)\right|_a^b \) (niekedy je tzv. dvojitá substitúcia) a podľa toho prepíšte Newtonov-Leibnizov vzorec do tohto tvaru:
\(S = \int\limits_a^b f(x) dx = \vľavo. F(x)\vpravo|_a^b \)

Pri výpočte určitého integrálu najprv nájdite primitívnu deriváciu a potom vykonajte dvojitú substitúciu.

Na základe Newtonovho-Leibnizovho vzorca možno získať dve vlastnosti určitého integrálu.

Nehnuteľnosť 1. Integrál súčtu funkcií sa rovná súčtu integrály:
\(\int\limits_a^b (f(x) + g(x))dx = \int\limits_a^b f(x)dx + \int\limits_a^b g(x)dx \)

Nehnuteľnosť 2. Konštantný faktor možno vyňať z integrálneho znamienka:
\(\int\limits_a^b kf(x)dx = k \int\limits_a^b f(x)dx \)

Výpočet plôch rovinných útvarov pomocou určitého integrálu

Pomocou integrálu môžete vypočítať plochu nielen krivočiarych lichobežníkov, ale aj plochých tvarov viac ako komplexný typ, ako je znázornené na obrázku. Obrazec P je ohraničený priamkami x = a, x = b a grafmi spojitých funkcií y = f(x), y = g(x) a na úsečke [a; b] platí nerovnosť \(g(x) \leq f(x) \). Na výpočet plochy S takéhoto obrázku budeme postupovať takto:
\(S = S_(ABCD) = S_(aDCb) - S_(aABb) = \int\limits_a^b f(x) dx - \int\limits_a^b g(x) dx = \)
\(= \int\limits_a^b (f(x)-g(x))dx \)

Takže plocha S obrázku ohraničená priamkami x = a, x = b a grafmi funkcií y = f(x), y = g(x), spojité na segmente a také, že pre ľubovoľné x od segment [a; b] nerovnosť \(g(x) \leq f(x) \) je splnená, vypočíta sa podľa vzorca
\(S = \int\limits_a^b (f(x)-g(x))dx \)

Tabuľka neurčitých integrálov (antiderivátov) niektorých funkcií

$$ \int 0 \cdot dx = C $$ $$ \int 1 \cdot dx = x+C $$ $$ \int x^n dx = \frac(x^(n+1))(n+1 ) +C \;\; (n \neq -1) $$ $$ \int \frac(1)(x) dx = \ln |x| +C $$ $$ \int e^x dx = e^x +C $$ $$ \int a^x dx = \frac(a^x)(\ln a) +C \;\; (a>0, \;\; a \neq 1) $$ $$ \int \cos x dx = \sin x +C $$ $$ \int \sin x dx = -\cos x +C $$ $ $ \int \frac(dx)(\cos^2 x) = \text(tg) x +C $$ $$ \int \frac(dx)(\sin^2 x) = -\text(ctg) x +C $$ $$ \int \frac(dx)(\sqrt(1-x^2)) = \text(arcsin) x +C $$ $$ \int \frac(dx)(1+x^2 ) = \text(arctg) x +C $$ $$ \int \text(ch) x dx = \text(sh) x +C $$ $$ \int \text(sh) x dx = \text(ch )x+C $$

Začneme uvažovať o samotnom procese výpočtu dvojitého integrálu a oboznámime sa s jeho geometrickým významom.

Dvojitý integrál numericky rovná ploche rovinný obrazec (regióny integrácie). Ide o najjednoduchší tvar dvojitého integrálu, keď sa funkcia dvoch premenných rovná jednej: .

Najprv sa pozrime na problém všeobecne. Teraz budete prekvapení, aké jednoduché to naozaj je! Vypočítajme plochu plochej postavy ohraničenú čiarami. Pre istotu predpokladáme, že na intervale . Plocha tohto obrázku sa číselne rovná:

Znázornime oblasť na výkrese:

Vyberme si prvý spôsob obídenia oblasti:

Takto:

A hneď dôležitý technický trik: iterované integrály možno posudzovať samostatne. Najprv vnútorný integrál, potom vonkajší integrál. Táto metóda Vrelo odporúčame pre začiatočníkov v téme čajníky.

1) Vypočítajte vnútorný integrál, pričom integrácia sa vykonáva nad premennou "y":

Neurčitý integrál je tu najjednoduchší a potom sa používa banálny Newton-Leibnizov vzorec, len s tým rozdielom, že limitmi integrácie nie sú čísla, ale funkcie. Najprv nahradené za "y" ( primitívna funkcia) horná hranica, potom dolná hranica

2) Výsledok získaný v prvom odseku musí byť dosadený do externého integrálu:

Kompaktnejší zápis celého riešenia vyzerá takto:

Výsledný vzorec - presne tak pracovný vzorec na výpočet plochy plochej postavy pomocou „obyčajného“ určitého integrálu! Pozri lekciu Výpočet plochy pomocou určitého integrálu, tam je na každom kroku!

teda problém výpočtu plochy pomocou dvojitého integrálu trochu inak z problému nájdenia oblasti pomocou určitého integrálu! V skutočnosti sú jedno a to isté!

Preto by nemali vzniknúť žiadne ťažkosti! Nebudem uvažovať o mnohých príkladoch, pretože ste sa s týmto problémom v skutočnosti opakovane stretli.

Príklad 9

Riešenie: Znázornime oblasť na výkrese:

Zvoľme nasledovné poradie prechodu regiónu:

Tu a nižšie sa nebudem zaoberať tým, ako prejsť oblasťou, pretože prvý odsek bol veľmi podrobný.

Takto:

Ako som už poznamenal, pre začiatočníkov je lepšie počítať iterované integrály samostatne, budem dodržiavať rovnakú metódu:

1) Najprv sa pomocou Newtonovho-Leibnizovho vzorca zaoberáme vnútorným integrálom:

2) Výsledok získaný v prvom kroku sa dosadí do vonkajšieho integrálu:

Bod 2 je vlastne nájdenie plochy plochej postavy pomocou určitého integrálu.

odpoveď:

Tu je taká hlúpa a naivná úloha.

Zaujímavý príklad nezávislého riešenia:

Príklad 10

Pomocou dvojitého integrálu vypočítajte plochu rovinného útvaru ohraničeného priamkami , ,

Ukážka Ukážka dokončenie riešenia na konci hodiny.

V príkladoch 9-10 je oveľa výhodnejšie použiť prvý spôsob obchádzania územia, zvedaví čitatelia si mimochodom môžu zmeniť poradie obchvatu a vypočítať plochy druhým spôsobom. Ak neurobíte chybu, prirodzene sa získajú rovnaké hodnoty plochy.

V niektorých prípadoch je však efektívnejší druhý spôsob, ako obísť oblasť, a na záver kurzu mladého hlupáka sa pozrime na niekoľko ďalších príkladov na túto tému:

Príklad 11

Pomocou dvojitého integrálu vypočítajte plochu rovinného útvaru ohraničeného čiarami.

Riešenie: tešíme sa na dve paraboly s vánkom, ktoré ležia na boku. Netreba sa usmievať, s podobnými vecami vo viacerých integráloch sa stretávame často.

Aký je najjednoduchší spôsob, ako urobiť kresbu?

Predstavme si parabolu ako dve funkcie:
- horná vetva a - spodná vetva.

Podobne si predstavte parabolu ako hornú a spodnú pobočky.

Ďalej, bodové vykresľovanie jednotiek, čo vedie k takémuto bizarnému obrázku:

Plocha obrázku sa vypočíta pomocou dvojitého integrálu podľa vzorca:

Čo sa stane, ak zvolíme prvý spôsob obídenia oblasti? Po prvé, táto oblasť bude musieť byť rozdelená na dve časti. A po druhé, uvidíme tento smutný obrázok: . Integrály, samozrejme, nie sú na superkomplexnej úrovni, ale ... hovorí staré matematické príslovie: kto je priateľský s koreňmi, nepotrebuje kompenzovanie.

Preto z nedorozumenia, ktoré je uvedené v podmienke, vyjadrujeme inverzné funkcie:

Inverzné funkcie v tomto príklade majú výhodu, že okamžite nastavia celú parabolu bez akýchkoľvek listov, žaluďov, konárov a koreňov.

Podľa druhej metódy bude prechod oblasti takýto:

Takto:

Ako sa hovorí, cítiť rozdiel.

1) Zaoberáme sa vnútorným integrálom:

Výsledok dosadíme do vonkajšieho integrálu:

Integrácia nad premennou "y" by nemala byť trápna, ak by tam bolo písmeno "zyu" - bolo by skvelé nad ním integrovať. Hoci kto čítal druhý odsek lekcie Ako vypočítať objem rotačného telesa, s integráciou nad „y“ už nezažíva ani najmenšie rozpaky.

Venujte pozornosť aj prvému kroku: integrand je párny a segment integrácie je symetrický okolo nuly. Preto je možné segment rozdeliť na polovicu a výsledok môže byť dvojnásobný. Táto technika je v lekcii podrobne komentovaná. Efektívne metódy výpočet určitého integrálu.

Čo dodať…. Všetky!

odpoveď:

Ak chcete otestovať svoju integračnú techniku, môžete skúsiť vypočítať . Odpoveď by mala byť úplne rovnaká.

Príklad 12

Pomocou dvojitého integrálu vypočítajte plochu rovinného útvaru ohraničeného čiarami

Toto je príklad „urob si sám“. Je zaujímavé poznamenať, že ak sa pokúsite použiť prvý spôsob na obídenie oblasti, postava sa už nerozdelí na dve, ale na tri časti! A podľa toho dostaneme tri páry iterovaných integrálov. Niekedy sa to stane.

Majstrovská trieda sa skončila a je čas prejsť na úroveň veľmajstra - Ako vypočítať dvojitý integrál? Príklady riešení. V druhom článku sa budem snažiť nebyť taký maniak =)

Prajem ti úspech!

Riešenia a odpovede:

Príklad 2:Riešenie: Nakreslite oblasť na výkrese:

Zvoľme nasledovné poradie prechodu regiónu:

Takto:
Prejdime k inverzným funkciám:


Takto:
odpoveď:

Príklad 4:Riešenie: Prejdime k priamym funkciám:


Vykonajte kreslenie:

Zmeňme poradie prechodu oblasti:

odpoveď:

Teraz prejdeme k úvahám o aplikáciách integrálneho počtu. V tejto lekcii budeme analyzovať typickú a najbežnejšiu úlohu. výpočet plochy plochej postavy pomocou určitého integrálu. Nakoniec všetci, ktorí hľadajú zmysel vyššia matematika- nech ho nájdu. Nikdy nevieš. V skutočnom živote budete musieť priblížiť letnú chatu so základnými funkciami a nájsť jej oblasť pomocou určitého integrálu.

Ak chcete úspešne zvládnuť materiál, musíte:

1) pochopiť neurčitý integrál aspoň na priemernej úrovni. Preto by si figuríny mali lekciu najskôr prečítať nie.

2) Byť schopný použiť Newtonov-Leibnizov vzorec a vypočítať určitý integrál. S určitými integrálmi na stránke môžete nadviazať vrúcne priateľské vzťahy Určitý integrál. Príklady riešení. Úloha "vypočítať plochu pomocou určitého integrálu" vždy zahŕňa konštrukciu výkresu, preto budú naliehavou otázkou aj vaše vedomosti a zručnosti v kreslení. Minimálne musí byť človek schopný postaviť priamku, parabolu a hyperbolu.

Začnime s krivočiarym lichobežníkom. Krivkový lichobežník je plochý útvar ohraničený grafom nejakej funkcie r = f(X), os VÔL a linky X = a; X = b.

Plocha krivočiareho lichobežníka sa číselne rovná určitému integrálu

Akýkoľvek určitý integrál (ktorý existuje) má veľmi dobrý geometrický význam. Na lekcii Určitý integrál. Príklady riešení povedali sme, že určitý integrál je číslo. A teraz je čas uviesť ďalšie užitočná skutočnosť. Z hľadiska geometrie je určitým integrálom PLOCHA. teda určitý integrál (ak existuje) geometricky zodpovedá ploche nejakého obrázku. Zvážte určitý integrál

Integrand

definuje krivku v rovine (v prípade potreby ju možno nakresliť) a samotný určitý integrál sa numericky rovná ploche zodpovedajúceho krivočiareho lichobežníka.

Príklad 1

, , , .

Toto je typická úloha. Najdôležitejším bodom rozhodnutia je konštrukcia výkresu. Okrem toho musí byť vytvorený výkres SPRÁVNY.

Pri zostavovaní plánu odporúčam nasledujúce poradie: najprv je lepšie zostaviť všetky čiary (ak existujú) a len Potom- paraboly, hyperboly, grafy iných funkcií. Techniku ​​výstavby bod po bode nájdete v referenčnom materiáli Grafy a vlastnosti elementárne funkcie . Nájdete tam aj materiál, ktorý je veľmi užitočný v súvislosti s našou lekciou - ako rýchlo postaviť parabolu.

V tomto probléme môže riešenie vyzerať takto.

Urobme nákres (všimnite si, že rovnica r= 0 určuje os VÔL):

Krivočiary lichobežník šrafovať nebudeme, tu je zrejmé aká oblasť v otázke. Riešenie pokračuje takto:

Na segmente [-2; 1] funkčný graf r = X 2 + 2 sa nachádza cez osVÔL, Preto:

odpoveď: .

Kto má ťažkosti s výpočtom určitého integrálu a aplikáciou Newtonovho-Leibnizovho vzorca

,

odkazovať na prednášku Určitý integrál. Príklady riešení. Po dokončení úlohy je vždy užitočné pozrieť sa na výkres a zistiť, či je odpoveď skutočná. V tomto prípade „od oka“ spočítame počet buniek na výkrese - no, napíše sa asi 9, zdá sa, že je to pravda. Je úplne jasné, že ak by sme mali povedzme odpoveď: 20 štvorcových jednotiek, tak sa, samozrejme, niekde stala chyba – 20 buniek sa do daného čísla zjavne nezmestí, nanajvýš tucet. Ak bola odpoveď záporná, úloha bola tiež vyriešená nesprávne.

Príklad 2

Vypočítajte plochu obrázku ohraničenú čiarami xy = 4, X = 2, X= 4 a os VÔL.

Toto je príklad „urob si sám“. Kompletné riešenie a odpoveď na konci hodiny.

Čo robiť, ak sa nachádza krivočiary lichobežník pod nápravouVÔL?

Príklad 3

Vypočítajte plochu obrázku ohraničenú čiarami r = e-x, X= 1 a súradnicové osi.

Riešenie: Urobme kresbu:

Ak krivočiary lichobežník úplne pod nápravou VÔL , potom jeho oblasť možno nájsť podľa vzorca:

V tomto prípade:

.

Pozor! Tieto dva typy úloh by sa nemali zamieňať:

1) Ak ste požiadaní, aby ste vyriešili len určitý integrál bez akéhokoľvek geometrický zmysel, potom môže byť negatívny.

2) Ak ste požiadaní, aby ste našli plochu obrazca pomocou určitého integrálu, potom je plocha vždy kladná! Preto sa v práve uvažovanom vzorci objavuje mínus.

V praxi sa najčastejšie figúrka nachádza v hornej aj dolnej polrovine, a preto od najjednoduchších školských úloh prechádzame k zmysluplnejším príkladom.

Príklad 4

Nájdite plochu rovinnej postavy ohraničenú čiarami r = 2X – X 2 , r = -X.

Riešenie: Najprv musíte urobiť kresbu. Pri konštrukcii výkresu v plošných úlohách nás najviac zaujímajú priesečníky čiar. Nájdite priesečníky paraboly r = 2X – X 2 a rovno r = -X. Dá sa to urobiť dvoma spôsobmi. Prvý spôsob je analytický. Riešime rovnicu:

Čiže spodná hranica integrácie a= 0, horná hranica integrácie b= 3. Často je výhodnejšie a rýchlejšie konštruovať čiary bod po bode, pričom hranice integrácie sa zistia akoby „sami od seba“. Analytická metóda hľadania limitov sa však stále niekedy musí použiť, ak je napríklad graf dostatočne veľký alebo závitová konštrukcia neodhalila limity integrácie (môžu byť zlomkové alebo iracionálne). Vraciame sa k našej úlohe: racionálnejšie je najprv zostrojiť priamku a až potom parabolu. Urobme si kresbu:

Opakujeme, že pri bodovej konštrukcii sa hranice integrácie najčastejšie zisťujú „automaticky“.

A teraz pracovný vzorec:

Ak na segmente [ a; b] nejaká nepretržitá funkcia f(X) väčší alebo rovný niektoré nepretržitá funkcia g(X), potom oblasť zodpovedajúceho obrázku možno nájsť podľa vzorca:

Tu už nie je potrebné premýšľať, kde sa postava nachádza - nad osou alebo pod osou, ale záleží na tom, ktorý graf je NAD(vo vzťahu k inému grafu), a ktorý je DOLE.

V uvažovanom príklade je zrejmé, že na segmente sa parabola nachádza nad priamkou, a preto od 2. X – X 2 treba odpočítať - X.

Dokončenie riešenia môže vyzerať takto:

Požadovaná hodnota je obmedzená parabolou r = 2X – X 2 horné a rovné r = -X zdola.

V segmente 2 X – X 2 ≥ -X. Podľa zodpovedajúceho vzorca:

odpoveď: .

V skutočnosti, školská formula pre oblasť krivočiareho lichobežníka v dolnej polrovine (pozri príklad č. 3) - špeciálny prípad vzorce

.

Od os VÔL je dané rovnicou r= 0 a graf funkcie g(X) sa nachádza pod osou VÔL, To

.

A teraz pár príkladov pre nezávislé riešenie

Príklad 5

Príklad 6

Nájdite oblasť obrázku ohraničenú čiarami

Pri riešení úloh na výpočet plochy pomocou určitého integrálu sa občas stane vtipná príhoda. Výkres bol urobený správne, výpočty boli správne, ale v dôsledku nepozornosti ... našiel oblasť nesprávnej postavy.

Príklad 7

Najprv nakreslíme:

Postava, ktorej oblasť potrebujeme nájsť, je vytieňovaná modrou farbou.(pozorne sa pozrite na stav - ako je postava obmedzená!). V praxi sa však kvôli nepozornosti často rozhodnú, že musia nájsť oblasť postavy, ktorá je zatienená v zelenej farbe!

Tento príklad je užitočný aj v tom, že sa v ňom plocha obrázku počíta pomocou dvoch určitých integrálov. naozaj:

1) Na segmente [-1; 1] nad nápravou VÔL graf je rovný r = X+1;

2) Na segmente nad osou VÔL nachádza sa graf hyperboly r = (2/X).

Je celkom zrejmé, že oblasti sa môžu (a mali by) pridať, preto:

odpoveď:

Príklad 8

Vypočítajte plochu obrázku ohraničenú čiarami

Uveďme rovnice v „školskom“ tvare

a nakreslite čiaru:

Z nákresu je vidieť, že naša horná hranica je „dobrá“: b = 1.

Aká je však spodná hranica? Je jasné, že to nie je celé číslo, ale čo?

Možno, a= (-1/3)? Ale kde je záruka, že výkres je vyrobený s dokonalou presnosťou, môže sa to ukázať a= (-1/4). Čo ak sme ten graf vôbec nepochopili?

V takýchto prípadoch je potrebné venovať viac času a analyticky spresniť hranice integrácie.

Nájdite priesečníky grafov

Aby sme to dosiahli, riešime rovnicu:

.

teda a=(-1/3).

Ďalšie riešenie je triviálne. Hlavnou vecou nie je zmiasť sa v zámenách a znakoch. Výpočty tu nie sú najjednoduchšie. Na segmente

, ,

podľa zodpovedajúceho vzorca:

odpoveď:

Na záver lekcie zvážime dve ťažšie úlohy.

Príklad 9

Vypočítajte plochu obrázku ohraničenú čiarami

Riešenie: Nakreslite tento obrázok na výkres.

Pre bodové kreslenie potrebujete vedieť vzhľad sínusoidy. Vo všeobecnosti je užitočné poznať grafy všetkých elementárnych funkcií, ako aj niektoré hodnoty sínusu. Nájdete ich v tabuľke hodnôt goniometrické funkcie . V niektorých prípadoch (napríklad v tomto prípade) je dovolené zostaviť schematický výkres, na ktorom musia byť grafy a integračné limity zobrazené v zásade správne.

Problémy s integračnými limitmi tu nie sú, vyplývajú priamo z podmienky:

- "x" sa zmení z nuly na "pi". Robíme ďalšie rozhodnutie:

Na segmente je graf funkcie r= hriech 3 X umiestnený nad osou VÔL, Preto:

(1) V lekcii môžete vidieť, ako sú sínusy a kosínusy integrované do nepárnych mocnín Integrály goniometrických funkcií. Odštipneme jeden sínus.

(2) Vo formulári používame základnú goniometrickú identitu

(3) Zmeňme premennú t= cos X, potom: umiestnené nad osou , takže:

.

.

Poznámka: všimnite si, ako sa berie integrál dotyčnice v kocke, tu dôsledok hlavnej trigonometrická identita

.

A)

Riešenie.

Najprv a rozhodujúci moment riešenia - zostavenie výkresu.

Urobme si kresbu:

Rovnica y=0 nastavuje os x;

- x = -2 A x=1 - rovný, rovnobežný s osou OU;

- y \u003d x 2 +2 - parabola, ktorej vetvy smerujú nahor, s vrcholom v bode (0;2).

Komentujte. Na zostrojenie paraboly stačí nájsť body jej priesečníka so súradnicovými osami, t.j. uvedenie x=0 nájsť priesečník s osou OU a rozhodovanie o vhodnom kvadratická rovnica, nájdite priesečník s osou Oh .

Vrchol paraboly možno nájsť pomocou vzorcov:

Môžete kresliť čiary a bod po bode.

Na intervale [-2;1] graf funkcie y=x2+2 Nachádza cez os Vôl , Preto:

odpoveď: S \u003d 9 štvorcových jednotiek

Po dokončení úlohy je vždy užitočné pozrieť sa na výkres a zistiť, či je odpoveď skutočná. V tomto prípade "od oka" počítame počet buniek na výkrese - dobre, asi 9 bude napísaných, zdá sa, že je to pravda. Je úplne jasné, že ak by sme mali povedzme odpoveď: 20 štvorcových jednotiek, tak sa, samozrejme, niekde stala chyba – 20 buniek sa do daného čísla zjavne nezmestí, nanajvýš tucet. Ak bola odpoveď záporná, úloha bola tiež vyriešená nesprávne.

Čo robiť, ak sa nachádza krivočiary lichobežník pod nápravou Oh?

b) Vypočítajte plochu obrázku ohraničenú čiarami y=-e x , x=1 a súradnicové osi.

Riešenie.

Urobme si kresbu.

Ak krivočiary lichobežník úplne pod nápravou Oh , potom jeho oblasť možno nájsť podľa vzorca:

odpoveď: S=(e-1) sq. unit" 1,72 sq. unit

Pozor! Nezamieňajte si tieto dva typy úloh:

1) Ak ste požiadaní, aby ste vyriešili len určitý integrál bez akéhokoľvek geometrického významu, potom môže byť záporný.

2) Ak ste požiadaní, aby ste našli plochu obrazca pomocou určitého integrálu, potom je plocha vždy kladná! Preto sa v práve uvažovanom vzorci objavuje mínus.

V praxi sa najčastejšie postava nachádza v hornej aj dolnej polrovine.

s) Nájdite plochu rovinnej postavy ohraničenú čiarami y \u003d 2x-x 2, y \u003d -x.

Riešenie.

Najprv musíte urobiť kresbu. Všeobecne povedané, pri konštrukcii výkresu v plošných úlohách nás najviac zaujímajú priesečníky čiar. Nájdite priesečníky paraboly a priamy Dá sa to urobiť dvoma spôsobmi. Prvý spôsob je analytický.

Riešime rovnicu:

Čiže spodná hranica integrácie a=0 , horná hranica integrácie b = 3 .

Dané priamky postavíme: 1. Parabola - vrchol v bode (1;1); priesečník osí oh - body (0;0) a (0;2). 2. Priamka - os 2. a 4. súradnicového uhla. A teraz Pozor! Ak na segmente [ a;b] nejaká nepretržitá funkcia f(x) väčšia alebo rovná nejakej spojitej funkcii g(x), potom oblasť zodpovedajúceho obrázku možno nájsť podľa vzorca: . A nezáleží na tom, kde sa obrázok nachádza - nad osou alebo pod osou, ale je dôležité, ktorý graf je VYŠŠIE (v porovnaní s iným grafom) a ktorý je POD. V uvažovanom príklade je zrejmé, že na segmente sa parabola nachádza nad priamkou, a preto je potrebné odpočítať od

Je možné konštruovať čiary bod po bode, pričom hranice integrácie sa zisťujú akoby „sami od seba“. Analytická metóda hľadania limitov sa však stále niekedy musí použiť, ak je napríklad graf dostatočne veľký alebo závitová konštrukcia neodhalila limity integrácie (môžu byť zlomkové alebo iracionálne).

Požadovaný údaj je ohraničený parabolou zhora a priamkou zdola.

Na segmente , podľa zodpovedajúceho vzorca:

odpoveď: S \u003d 4,5 štvorcových jednotiek

Útvar ohraničený grafom spojitej nezápornej funkcie $f(x)$ na intervale $$ a priamkami $y=0, \ x=a$ a $x=b$ sa nazýva krivočiary lichobežník.

Plocha zodpovedajúceho krivočiareho lichobežníka sa vypočíta podľa vzorca:

$S=\int\limits_(a)^(b)(f(x)dx).$ (*)

Problémy s nájdením oblasti krivočiareho lichobežníka podmienečne rozdelíme na typy 4 $. Zvážme každý typ podrobnejšie.

Typ I: krivočiary lichobežník je uvedený výslovne. Potom okamžite použite vzorec (*).

Napríklad nájdite oblasť krivočiareho lichobežníka ohraničenú grafom funkcie $y=4-(x-2)^(2)$ a čiarami $y=0, \ x=1$ a $x = 3 doláre.

Nakreslíme tento krivočiary lichobežník.

Použitím vzorca (*) nájdeme oblasť tohto krivočiareho lichobežníka.

$S=\int\limits_(1)^(3)(\left(4-(x-2)^(2)\right)dx)=\int\limits_(1)^(3)(4dx)- \int\limits_(1)^(3)((x-2)^(2)dx)=4x|_(1)^(3) – \left.\frac((x-2)^(3) )(3)\vpravo|_(1)^(3)=$

$=4(3-1)-\frac(1)(3)\left((3-2)^(3)-(1-2)^(3)\right)=4 \cdot 2 - \frac (1)(3)\vľavo((1)^(3)-(-1)^(3)\vpravo) = 8 – \frac(1)(3)(1+1) =$

$=8-\frac(2)(3)=7\frac(1)(3)$ (jednotka $^(2)$).

Typ II: krivočiary lichobežník je špecifikovaný implicitne. V tomto prípade priame čiary $x=a, \ x=b$ zvyčajne nie sú špecifikované alebo sú špecifikované čiastočne. V tomto prípade musíte nájsť priesečníky funkcií $y=f(x)$ a $y=0$. Tieto body budú body $a$ a $b$.

Napríklad nájdite plochu obrázku ohraničenú grafmi funkcií $y=1-x^(2)$ a $y=0$.

Poďme nájsť priesečníky. Aby sme to dosiahli, porovnávame správne časti funkcií.

Takže $a=-1$ a $b=1$. Nakreslíme tento krivočiary lichobežník.

Nájdite oblasť tohto krivočiareho lichobežníka.

$S=\int\limits_(-1)^(1)(\left(1-x^(2)\right)dx)=\int\limits_(-1)^(1)(1dx)-\int \limits_(-1)^(1)(x^(2)dx)=x|_(-1)^(1) – \left.\frac(x^(3))(3)\right|_ (-1)^(1)=$

$=(1-(-1))-\frac(1)(3)\left(1^(3)-(-1)^(3)\right)=2 – \frac(1)(3) \left(1+1\right) = 2 – \frac(2)(3) = 1\frac(1)(3)$ (jednotka$^(2)$).

Typ III: plocha obrazca ohraničená priesečníkom dvoch súvislých nezáporných funkcií. Toto číslo nebude krivočiary lichobežník, čo znamená, že pomocou vzorca (*) nemôžete vypočítať jeho plochu. Ako byť? Ukazuje sa, že oblasť tohto obrázku možno nájsť ako rozdiel medzi plochami krivočiarych lichobežníkov ohraničených hornou funkciou a $y=0$ ($S_(uf)$) a spodná funkcia a $y=0$ ($S_(lf)$), kde $x=a, \ x=b$ sú súradnice $x$ priesečníkov týchto funkcií, t.j.

$S=S_(uf)-S_(lf)$. (**)

Najdôležitejšou vecou pri výpočte takýchto plôch je „neprehliadnuť“ výber hornej a dolnej funkcie.

Nájdite napríklad oblasť obrázku ohraničenú funkciami $y=x^(2)$ a $y=x+6$.

Nájdite priesečníky týchto grafov:

Podľa Vietovej vety,

$x_(1)=-2, \ x_(2)=3,$

To znamená $a=-2, \b=3$. Nakreslíme postavu:

Takže horná funkcia je $y=x+6$ a spodná je $y=x^(2)$. Ďalej nájdite $S_(uf)$ a $S_(lf)$ pomocou vzorca (*).

$S_(uf)=\int\limits_(-2)^(3)((x+6)dx)=\int\limits_(-2)^(3)(xdx)+\int\limits_(-2 )^(3)(6dx)=\vľavo.\frac(x^(2))(2)\vpravo|_(-2)^(3) + 6x|_(-2)^(3)= 32 ,5$ (jednotka $^(2)$).

$S_(lf)=\int\limits_(-2)^(3)(x^(2)dx)=\vľavo.\frac(x^(3))(3)\vpravo|_(-2) ^(3) = \frac(35)(3)$ (jednotka$^(2)$).

Náhradu nájdete v (**) a získate:

$S=32,5-\frac(35)(3)= \frac(125)(6)$ (jednotka $^(2)$).

IV typ: oblasť postavy, obmedzená funkcia(-s), ktorý nespĺňa podmienku nezápornosti. Aby ste našli oblasť takejto postavy, musíte byť symetrická okolo osi $Ox$ ( inými slovami, dať „mínusy“ pred funkcie) zobrazte oblasť a pomocou metód popísaných v typoch I - III nájdite oblasť zobrazenej oblasti. Táto oblasť bude požadovaná oblasť. Najprv možno budete musieť nájsť priesečníky grafov funkcií.

Napríklad nájdite oblasť obrázku ohraničenú grafmi funkcií $y=x^(2)-1$ a $y=0$.

Nájdite priesečníky grafov funkcií:

tie. $a=-1$ a $b=1$. Nakreslíme oblasť.

Zobrazme oblasť symetricky:

$y=0 \ \Šípka doprava \ y=-0=0$

$y=x^(2)-1 \ \Šípka doprava \ y= -(x^(2)-1) = 1-x^(2)$.

Získate krivočiary lichobežník ohraničený grafom funkcie $y=1-x^(2)$ a $y=0$. Toto je problém nájsť krivočiary lichobežník druhého typu. Už sme to vyriešili. Odpoveď bola: $S= 1\frac(1)(3)$ (jednotky $^(2)$). Takže plocha požadovaného krivočiareho lichobežníka sa rovná:

$S=1\frac(1)(3)$ (jednotka$^(2)$).