Схема применения определенного интеграла к вычислению различных величин. Урок 83

Схема применения определенного интеграла к вычислению различных величин. Урок 83

Схема применения определенного интеграла к вычислению различных величин. Площадь плоской фигуры. Практикум по математическому анализу. Урок 83
Понятие определенного интеграла вследствие его абстрактности широко применяется для вычисления различных геометрических и физических величин.
Для вычисления некоторой величины и при помощи определенного интеграла можно руководствоваться следующей общей схемой (I):
1. Разбить u на большое число n малых слагаемых элементов \Delta u_{i}:

\displaystyle u=\Delta u_{1}+\Delta u_{2}+...+\Delta u_{n}=\sum_{i=1}^{n}\Delta u_{i}.


2. Найти приближенное значение каждого элемента \Delta u_{i} в виде произведения \Delta u_{i}\approx f(x_{i})\cdot \Delta x и затем приближенное значение u в виде интегральной суммы

\displaystyle u\approx \sum_{i=1}^{n}f(x_{i})\Delta x,\; \; \; \; \; (*)


где x — один из параметров величины который по условию задачи изменяется в известном интервале \displaystyle a\leq x\leq b; f(x) - данная или определяемая из условия задачи функция от x; x_{0}=a,x_{1},x_{2},...,x_{n}=b — точки интервала \left [ a;b \right ], которые при разбиении u на n элементов разбивают этот интервал на n равных частей \Delta x=\frac{b-a}{n}.
Здесь при нахождении приближенного значения малого элемента \Delta u_{i} используются различные допущения. Например, здесь допустимо малые криволинейные отрезки заменять стягивающими их хордами; переменную силу (или скорость) на малых участках пути здесь можно заменять постоянной силой (или скоростью),— допуская, что она неизменно сохраняет на всем малом участке пути ту величину и то направление, которые она имела в начальной или конечной точке этого малого участка; переменную температуру непрерывно нагреваемого или охлаждаемого тела в течение малых промежутков времени здесь можно считать постоянной, допуская, что в течение каждого малого промежутка времени она неизменно сохраняет то значение, которое имела в начале или в конце этого промежутка.
3. Если из условия задачи следует, что при n\rightarrow + \infty погрешность приближенного равенства (*) стремится к нулю, то искомая величина u будет численно равна определенному интегралу \displaystyle u=\int_{a}^{b}f(x)dx.
Многие величины можно выразить посредством определенного интеграла, пользуясь другой схемой (II):
1. Полагаем, что некоторая часть искомой величины U есть неизвестная функция u(x), где x — один из параметров величины U, который изменяется в известном из условия задачи интервале \displaystyle a\leq x\leq b.
2. Найдем дифференциал du функции u(x), т. е. приближенную величину (главную часть) ее приращения \Delta u при изменении x на малую величину \Delta x в виде произведения du=f(x)dx, где f(x) данная или определяемая из условия задачи функция от x.
При этом здесь также используются различные допущения, которые в общем сводятся к тому, что при изменении аргумента x на малую величину dx изменение функции u(x) считается пропорциональным dx.
3. Убедившись, что дифференциал du найден верно, что при dx\rightarrow 0 бесконечно малые \Delta u и du будут эквивалентны, найдем искомую величину U, интегрируя du в пределах от x=a до x=b:

\displaystyle U=\int_{a}^{b}f(x)dx.


Схема применения определенного интеграла к вычислению различных величин. Урок 83

Рис. 1

Так, согласно схеме II:
а) Для криволинейной трапеции, прилежащей к оси Ox, рис.1, дифференциал переменной площади \displaystyle S(x)=S_{x_{1}AMx} есть площадь прямоугольника со сторонами y и dx, т. е. dS=ydx.
Площадь \displaystyle S(x)=S_{x_{1}ABx_{2}} если вся трапеция расположена над осью Ox выражается интегралом

\displaystyle S=\int_{x_{1}}^{x_{2}}ydx.\; \; \; \; \; \; \; \; (1)


Схема применения определенного интеграла к вычислению различных величин. Урок 83

Рис. 2

б) Для криволинейной трапеции, прилежащей к оси Oy, рис.2, дифференциал переменной площади \displaystyle S(y)=S_{y_{1}AMy} есть площадь прямоугольника со сторонами x и dy, т. е. dS=xdy.
Площадь \displaystyle S(y)=S_{y_{1}ABy_{2}}, если вся трапеция расположена справа от оси Oy, выражается интегралом

\displaystyle S=\int_{y_{1}}^{y_{2}}xdy.\; \; \; \; \; \; \; (2)


В частности каждая из параллельных сторон трапеции может свестись к точке.
Площадь всякой плоской фигуры, отнесенной к прямоугольной системе координат, может быть составлена из площадей криволинейных трапеций, прилежащих к оси Ох или к оси Оу.
Схема применения определенного интеграла к вычислению различных величин. Урок 83

Рис. 3

в) Дифференциал переменной площади S(\varphi )=S_{OAM}, рис.3, есть площадь кругового сектора с центральным углом d\varphi и радиусом \rho, т. е.

\displaystyle dS=\frac{1}{2}\rho ^{2}d\varphi.


Площадь криволинейного сектора OAB выражается формулой

\displaystyle S=\frac{1}{2}\int_{\varphi _{1}}^{\varphi _{2}}\rho ^{2}d\varphi.\; \; \; \; \; \; \; \; \; (3)


В частности точка A или B или обе они могут совпасть с полюсом O.
Площадь всякой плоской фигуры, отнесенной к полярной системе координат, может быть составлена из площадей криволинейных секторов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

13 − 3 =