3.8. Геометрические приложения определенного интеграла

С использованием определенного интеграла можно находить площади плоских областей, длины дуг плоских кривых, вычислять объем и площади поверхности вращения. Для решения задач такого типа необходимо выполнить грамотный чертеж фигуры или тела.

3.8.1. Вычисление площадей плоских областей в декартовых координатах

Для вычисления площади плоской области в декартовой системе координат применяется известная формула для вычисления площади криволинейной трапеции, ограниченной вертикальными прямыми x=a, x=b, осью ОХ и графиком неотрицательной непрерывной или кусочно непрерывной функции y=f(x) (рис. 5):

Если при (рис.6), то

В более общем случае, если криволинейная трапеция ог­раничена вертикальными прямыми x=a, x=b, и графиками двух не­прерывных или кусочно-непрерывных функций и , причем (рис, 7), то ее площадь вычисляется по формуле: .

Пример 5. Вычислить площадь области, ограниченной линиями и .

Решение. Построим графики функций и . Для того второе уравнение преобразуем, выделив полный квадрат в правой части: . Определим точки пересечения линий, приравняв правые части уравнений: , откуда или .

Решая квадратное уравнение, находим корни .

Изобразим линии на рисунке (рис.8)

Вычислим площадь: (кв. ед.).

3.8.2. Вычисление площади облаете в полярных координатах

Для вычисления площади области в полярной системе координат ( ) за основу берется формула площади криволинейного сектора, ограниченной лучами и и кривой , где непрерывна или кусочно-непрерывна на . (рис. 9). .

В более общем случае (рис.10) применяется формула .

Пример 6. Вычислить площадь, ограниченную кривой (лемниската Бернулли).

Решение. Построим чертёж (рис.11).

Вычислим ¼ часть площади и умножим результат на 4: (кв.ед.)

3.8.3. Вычисление площади области при параметрическом задании ее границ

Пусть задана криволинейная трапеция, ограниченная осью ОХ, вертикальными прямыми и кривой, параметрические уравнения которой , причем . Функции непрерывны или кусочно-непрерывны .

Пусть при этом функции , определяют на некотурую непрерывную или кусочно-непрерывную функцию . Тогда площадь криволинейной трапеции вычисляется по формуле: .

Пример 7. Найти площадь области, ограниченной: (рис.12).

Вычислим ¼ S, результат умножим на 4. Заметим, что когда х меняется от 0 до а, параметр t меняется от до 0, так как при x=0 имеем , откуда и можно взять , а при х=а имеем и можно . Поэтому имеем:

Воспользуемся формулами: .

Получим

3.8.4. Вычисление длины дуги плоской кривой в декартовых координатах

Длина дуги кривой, заданной уравнением y=f(x) на отрезке [a,b], где функция f(x) непрерывно дифференцируема, вычисляется по формуле

Пример 8. Найти длину дуги кривой на отрезке [0;1] (рис.13).

Решение. Имеем : , откуда Поэтому

3.8.5. Вычисление длины дуги плоской кривой в полярных координатах

Длина дуги кривой, заданной уравнением где непрерывно дифференцируема на отрезке , вычисляется по формуле:

.

Пример 9. Найти длину кардиоиды (рис.14)

Решение. В силу симметрии кривой относительно полярной оси вычислим половину её длины, затем удвоим результат. При этом φ меняется от 0 до π.

Имеем: .

3.8.6. Вычисление длины дуги кривой, заданой параметрически

Пусть кривая задана параметричекими уравнениями , где функции и непрерывно дифференцируемы на отрезке . Тогда длины дуги кривой вычисляется по формуле: t причём α<β.

Пример 10. Найти длину первой арки циклоиды: (рис.15).

Решение. Для первой арки циклоиды .

Имеем .

3.8.7. Вычисление объёмов тел вращения

Пусть тело получено вращением вокруг оси ОХ криволинейной трапеции, ограниченной прямыми осью ОХ и графиком функции y=f(x), которая является непрерывной или кусочно-непрерывной (рис.16). Тогда его объём находится по формуле:

Если же тело получено вращением криволинейной трапеции, ограниченной прямыми осью ОУ и графиком непрерывной или кусочно-непрерывной функции x=f(y), то объём этого тела вычисляется по формуле:

Пример 11. Плоская область, ограниченная кривыми , вращается вокруг оси ОХ. Определить объём тела вращения (рис.18).

Решение. Для нахождения требуемого объёма вычтем из объёма тела, образованного вращением кривой вокруг отрезка [0,1] объём тела, образованного вращением кривой вокруг отрезка [0,1]: .