- •Практикум з вищої математики. Визначений інтеграл та його застосування
- •1. Визначений інтеграл та його властивості
- •1.1. Означення визначеного інтеграла
- •1.2. Основні властивості визначеного інтеграла Властивості, що виражаються рівностями
- •Властивості, що виражаються нерівностями
- •2. Інтеграл зі змінною верхньою межею. Формула ньютона-лейбниця
- •3. Методи обчислення визначених інтегралів
- •3.1. Метод заміни змінної (підстановки)
- •3.1.1. Підстановка
- •3.1.2. Підстановка
- •2) ; 3).
- •3.1.3. Інтегрування по симетричному проміжку
- •4.1.2. Параметричне задання кривої
- •4.1.3 Задання кривої в полярній системі координат
- •4.2.Обчислення довжин дуг кривих
- •4.2.1.Декартова система координат
- •4.2.2. Параметричне задання кривої
- •4.2.3. Задання кривої в полярній системі координат
- •4.3. Обчислення об’ємів тіл обертання
- •4.3.1 Декартова система координат
- •4.4. Обчислення площ поверхонь тіл обертання
- •1. Якщо криву задано рівняннями в параметричній формі:
- •5. Застосування визначеного інтеграла до розв’язання прикладних задач
- •5.1. Загальна схема застосування визначеного інтеграла
- •5.2. Задача про пройдений шлях
- •5.3. Задача про масу неоднорідного стержня і координати центра мас
- •5.4. Задача про роботу змінні сили
- •6. Завдання для самостійної роботи
- •Варіант 1
- •Практикум з вищої математики.
4.2.2. Параметричне задання кривої
Якщо криву задано рівняннями в параметричній формі

де x(t),
y(t)
є неперервно диференційованими функціями
на відрізку
,
то довжина дуги кривої дорівнює
(4.10)
де
– значення параметра
,
що відповідають кінцям дуги
.
Приклад 4.11. Обчислити довжину дуги однієї арки циклоїди

Розв’язання.
Циклоїду (рис. 12) задано в параметричній
формі, тому скористаємось формулою
(4.10). Продиференцюємо по
параметричні рівняння циклоїди

і обчислимо підинтегральну функцію:

Одна
арка утворюється при зміні параметра
від 0 до
.
Отже
.
Маємо

Приклад 4.12. Знайти довжину дуги кривої
.
Розв’язання. Продиференцюємо по t параметричні рівняння кривої:
![]()
і обчислимо підинтегральну функцію:

Отже


4.2.3. Задання кривої в полярній системі координат
Якщо
криву задано рівнянням
в полярній системі координат, де функція
є неперервна диференційованою на
відрізку
,
то довжина дуги кривої дорівнює
(4.11)
де
є значеннями кута на кінцях дуги
.
Приклад 4.13. Знайти довжину кардіоїди
![]()
Розв’язання.
Побудуємо графік кривої, рівняння якої
задано у полярних координатах. Зазначимо,
що у разі заміни
на
рівняння не змінюється. Отже крива
розташована симетрично відносно полярної
осі. Якщо
змінюється від 0 до
,
то
спадає від 6 до 0. Складемо таблицю значень
аргументна
і функції
:
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
6 |
3 |
0 |
3 |
6 |

Рис. 20
Для
обчислення довжини дуги
застосуємо формулу (4.11).
![]()
тому

Кардіоїда
симетрична відносно полярної осі, тому
знайдемо довжину її верхньої половини
і помножимо на 2. Оскільки

Маємо

Приклад 4.14. Знайти довжину дуги кривої

Розв’язання.


Зауваження. Формули (4.9), (4.10)., (4.11) можна об’єднати в одну

де
– диференціал дуги, причому

4.3. Обчислення об’ємів тіл обертання
4.3.1 Декартова система координат
Об’єм
тіла, утвореного обертанням криволінійної
трапеції, обмеженої кривою
віссю Ох
і прямими
навколо осей Ох
і Оy
виражається відповідно, формулами

Рис. 21
(4.12)
х х+dx


Рис. 22
(4.13)
Зауваження. На рис. 22 елемент тіла обертання утворюється обертанням навколо осі Оy прямокутника зі сторонами y і dx, що відстоїть від осі Оy на величину х. Тоді елемент об’єму
.
Приклад
4.15.
Обчислити об’єми тіл, утворених
обертанням фігури, обмеженої однією
півхвилею синусоїди
і відрізком
осі Ох
навколо
а) осі Ох; б) осі Оy.
Розв’язання.


Якщо
тіло утворюється обертанням фігури,
обмеженої кривими
і прямими
відповідно, навколо осей Ох
і Оу,
то об’єми тіл обертання виражаються
формулами:
(4.14)
(4.15)
Приклад
4.16.
Знайти об’єм тіла, утворенного обертанням
фігури, обмеженої кривими
,
навколо осі Ох.
Розв’язання.
Знайдемо абсциси точок, в яких перетинаються
графіки функцій
,
розв’язуючи систему рівнянь.

![]()
![]()
Рис 23

Застосуємо формулу (4.14):

Приклад 4.17. Знайти об’єм тіла, утворенного обертанням фігури, обмеженої кривими xy = 4 i x + y = 5, навколо осі Oy.
Розв’зання.

Рис. 24
Знайдемо
абсциси точок перетину гіперболи
і прямої
,
розв’язуючи систему рівнянь,
Маємо

Застосуємо формулу (4.15):

Якщо
тіло утворюється обертанням навколо
осі Оy
криволінійної трапеції, обмеженої
кривою
,
віссю Оу
і прямими у=с,
у=d(c<d)
то об’єм тіла обертання (рис. 25)
виражається формулой (4.16)

Рис 25
.
(4.16)
Приклад
4.18. Знайти
об’єм тіла, утвореного обертанням
навколо осі Оу
фігури, обмеженої віссю Оу,
кривою
і прямою
.
Розв’язання.

![]()
Рис 26

Якщо
тіло утворюється обертанням навколо
осі Оу
фігури, обмеженої кривими
![]()
і прямими
то об’єм тіла обертання дорівнює
. (4.17)
Приклад
4.19.
Знайти об’єм тіла, утвореного при
обертанні навколо осі Оу
фігури, обмеженої кривою
![]()

Рис. 27
Розв’язання.
Виконаємо (рис. 27). Оскільки
![]()
,
маємо коло радіуса 1 с центром в точці
(2;0). Об’єм тіла обертання (об’єм шини)
є різницею об’ємів тіл, що утворюється
обертанням двох криволінійних трапецій
навколо осіОу.
Одна з трапецій обмежена лініями х
=
0, у
=
– 1, у
=1,
.
Друга трапеція обмежена лініями –х = 0,
у = – 1,
у = 1,
![]()
Інакше
кажучи, в данному прикладі тіло утворене
обертанням навколо осі Оу
фігури, обмеженої кривими
![]()
і прямими
,
.
Тому за формулою (4.17) маємо

Інтеграл
,
оскільки він дорівнює площі півкола
радіуса 1, тому![]()
Зауваження.
1. Якщо тіло утворене обертанням навколо осі Ох або Оу кривої, заданої в параметричному вигляді, то в формулах (4.12) – (4.15) слід виконати відповідну заміну змінної.
2. Якщо
тіло утворене обертанням навколо
полярної осі криволінійного сектора,
обмеженого кривою
і променями
,
то об’єм тіла
.
(4.18)
