Добавил:
researchgate.net Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

978-966-10-2413-6_Matematuka 11_rus

.pdf
Скачиваний:
20
Добавлен:
24.03.2018
Размер:
10.66 Mб
Скачать

Применение интеграла

241

скорость, моль/(с м3); t — время, с. Как изменится концентрация вещества за время от t1 = 0 до t2 = 5 с?

Если c(t) — концентрация вещества в момент времени t, то c′(t) = v(t) = 3t +1 . Нужно найти приращение функции c(t) на про- межутке [0;5] . Согласно приведенной формуле, имеем

c(5) − c(0)

5

5

 

3t

2

 

 

5

 

= v(t)dt =(3t + 1)dt =

 

+ t

 

= 42,5 (моль/м3).g

 

0

0

 

2

 

 

0

Ответ. 42,5 моль/м3.

 

 

 

 

 

 

Вторая схема применения интеграла основывается на том, что интеграл равен пределу интегральных сумм (см. § 10). Исследуемую величину прибли- женно представляют в виде интегральной суммы с

дальнейшим предельным переходом. Это метод мы уже использо- вали при нахождении площади криволинейной трапеции в §10. Теперь с его помощью решим задачу на нахождение работы пере- менной силы.

Задача (работа переменной силы ). Материальная точка движется по оси х под действием силы у = F(x) , направленной

вдоль этой прямой. Найти работу силы по перемещению точки из положения х = а в положение х = b.

Если материальная точка движется по оси х под действием постоянной силы F, то работа А по перемещению точки из положе- ния х = а в положение х = b равна

A = F(b a) .

Если же движение проходит под действием переменной силы, то для решения поставленной задачи применяют интегральные методы.

Разобьем отрезок [a;b] точками a = x0 < x1 < < xn = b на п равных отрезков длиной x = b n a . На каждом из этих отрезков

[xi −1 ,xi ], i = 1,2, ,n , сила изменяется мало. Поэтому приближен-

но ее можно считать постоянной, равной, например, F(xi–1). Тогда работа, совершаемая силой на отрезке [xi −1 , xi ] , приближенно рав-

на F (xi −1 ) x , а работа силы на всем отрезке [a;b] приближенно равна

242 Раздел 4. Интеграл и его приложения

A (F(x0 ) + F(x1 ) + ... + F(xn−1 )) x.

Перейдя в последнем равенстве к пределу при п → ∞, получим:

b

A = F(x)dx . g

Пример 8. Какую работуa надо произвести, чтобы растянуть пружину на 3 см, если сила в 10 Н растягивает пружину на 1 см?

ПозаконуГука,силаF,растягивающаяпружину,пропорцио­ нальна перемещению х свободного конца пружины, то есть F = kx. Для нахождения коэффициента k воспользуемся тем, что сила в 10 Н растягивает пружину на 0,01 м: 10 = 0,01k, k = 1000.

 

 

 

 

 

 

b

Тогда F = 1000x и работу находим по формуле A = F(x)dx :

 

 

 

 

 

 

a

 

0,03

1000x dx = 1000 x

2

 

0,03

 

 

 

A =

 

 

= 0,45 (Дж). g

 

0

2

 

0

 

Ответ. 0,45 Дж.

 

 

 

 

Контрольные вопросы

 

 

 

99

 

 

 

1°.

 

 

 

 

 

b

Каков физический смысл формулы: f (x)dx = f (b) − f (a) ?

 

 

 

 

 

 

2.Первообразной для какой величиныa является: а) закон дви- жения; б) скорость движения?

3.Известно, что сила тока I изменяется со временем t по закону I = I(t). Выразите с помощью интеграла заряд q, проходящий через поперечное сечение проводника за промежуток време- ни [t0; T], если известно, что I(t)= q(t).

Задачи

206°. Найдите площадь фигуры, ограниченной линиями:

1) у =

x , у = 0, х = 4;

 

 

2)

у = х2 + 1, у = 0, х = –2, х = 2;

3)у= (х + 1)2,х= 0,

х= –2,у= 0;

4)

у = ех + 1, у = 0, х = –1, х = 1;

5) у = х2 – 1, у = 0;

 

 

 

6) у = − 6 , х = 1, х = е, у = 0;

 

 

 

π

 

π .

x

7) y = cos x, y = 1,

x = −

, x =

 

 

 

 

2

 

2

 

Применение интеграла

 

 

 

 

243

 

207. Найдите площадь фигуры, ограниченной линиями:

1)

 

π

x

;

 

y = cos x,

2

, y = 0, x =

4

 

 

 

 

4

 

 

2)

y = ex −1, y = 0, x = 1, x = −1 ;

 

 

 

3)

y = −x2 + 2x +10, y = 10 ;

 

 

 

4)

y = sin x, y = 2sin x (0 ≤ x ≤ π) ;

 

 

 

5)y = x2 , x + y = 2 ;

6)y = sin x, y = 2sin x (−π ≤ x ≤ π) ;

7)y = 2x2 , y = x2 +1 ;

8) y = sin x, y = cos x

 

x

π

;

 

4

4

 

 

 

 

 

 

 

9) y = 2x , y = −2x , x = 0, x = 1 ;

10)

y = x , y = 3 x ;

11) y = x2 , x + y = 2, y = 0 ;

12*)

y = sin x, y = x2 − πx .

208*. Найдите

площадь фигуры, ограниченной гиперболой

y = − 1 , касательной к ней, проведенной в точке с абсциссой

x

 

 

 

х = 1, и прямой х = 2.

 

 

209*. Функция

у = F(x) является первообразной для функции

f(x) = 2x – 4. Найдите площадь фигуры, ограниченной гра-

фиками функций у = f(x) и

у = F(x), зная, что график фун-

кции у = F(x) проходит через точку А(0; 4). 210*. Найдите площадь поперечного сече-

ния канала для орошения, имеюще- го форму параболического сегмента

(рис. 165).

211*. Серповидная опора, у которой верх­ ний и нижний контуры являются

параболами (рис. 166), изготовле- на из 10-миллиметрового плоско-

го стального листа. Найдите массу этой опоры по формуле m = rSd, где

r = 7,8 103 кг/м3 — плотность стали, S — площадь сечения опоры, d — ее

толщина.

212.Скорость тела, движущегося прямолинейно, изменяется по за- кону v = 2 + t t2 , где v — скорость, м/с;t — время, с. Найдите:

244 Раздел 4. Интеграл и его приложения

1°) перемещение тела за промежуток времени [1; 3]; 2) путь, пройденный телом за промежуток времени [1; 3].

213°. Колесо вращается с угловой скоростью, изменяющейся по

закону ω = 2t + 3 , где w — угловая скорость, рад/с; t — вре-

мя, с. На какой угол повернется колесо за промежуток вре-

мени [1; 5]?

по закону

214°. Скорость

нагревания жидкости изменяется

v = 0,2t + 1

, где v — скорость нагревания, К/с; t

— время, с.

На сколько кельвинов нагреется жидкость за первые 3 с? 215°. Скорость изменения температуры жидкости v в зависимости

от времени t выражается формулой v = 3t – 2 (температура измеряется в °С, время — в секундах). На сколько градусов изменится температура жидкости за промежуток времени

[1; 4]?

216*. Точка совершает гармоническое колебание со скоростью v = 3sin 8π t , где v — скорость, м/с; t — время, с. Найдите:

1) перемещение точки за промежуток времени [0; 16]; 2) путь, пройденный точкой за промежуток времени [0; 16].

217. При сжатии пружины на 2 см произвели работу в 40 Дж. Какую работу нужно произвести, чтобы растянуть пружину на 3 см?

218*. Два единичных электрических заряда расположены на рас- стоянии 5 см друг от друга. Затем один из зарядов освобо- ждается и удаляется от другого под действием силы оттал-

кивания, которая по закону Кулона имеет вид F = rk2 , где

r — расстояние между зарядами, k – коэффициент пропор- циональности. Какую работу выполняет сила, если заряд удалится на расстояние: 1) 10 см; 2) 15 см?

Применение интеграла

245

 

 

 

 

 

 

 

Итог

 

 

 

Вычисление площадей плоских фигур

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фигура

 

Площадь

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

S = f(x)dx

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

S = −f(x)dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

S = ( f(x) − g(x))dx

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

b

S = f (x)dx + g(x)dx

a

c

1

Готовимся к тематиче -

 

скому оцениванию по

 

теме «Интеграл и его

 

приложения»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задания для самоконтроля

??

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1°.

 

Может ли функция иметь лишь конечное

 

 

 

число первообразных?

 

 

 

 

 

 

 

 

2°.

 

Могут ли функции, графики которых изо-

 

 

 

 

 

 

 

бражены на рис. 167, быть первообразны-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ми для одной функции?

 

 

 

 

3°.

 

Найдите первообразные для функции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у = 1 на промежутке (0; ∞).

 

 

 

x

4°.

 

Найдите первообразную для функции у = x , график которой

 

 

 

проходит через точку А(9; 1).

5°.

 

Скорость тела, движущегося прямолинейно, задается форму-

 

 

 

лой v = 2sin t + 1. Найдите закон движения этого тела, если в

 

 

 

начальный момент времени (t = 0) тело имело координату –1.

6.

 

 

Известно, что функция у = F(x) является первообразной для

 

 

 

функции у = f(x). Какие из функций: а) у = F(x + 2); б) у = F(x) +

 

 

 

+ 2; в) у = 2F(x); г) у = F(2x) обязательно являются первообраз-

 

 

 

ными для данной функции?

7°.

 

Какие из фигур, изображенных на рис. 168, а)–г), являются

 

 

 

криволинейными трапециями?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Готовимся к тематическому оцениванию по теме

247

8.Чему равен интеграл:

 

 

3

0

 

b

если f (b) = f (a) ;

а°) ò f (x)dx , если f (x)dx = −1 ; б)

f (x)dx,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

3

 

a

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

в)

sin2 xdx ?

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

9°. Верно ли равенство:

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

−1

 

 

 

а)

dx = 1;

б)

ex dx = e−1

e ; в)

dx

= ln x

 

−1e ?

 

 

0

 

 

−1

3

e x

 

 

 

10.Каков геометрический смысл интеграла ò2dx ?

11.Какой путь прошла материальная точка 0за промежуток вре- мени [0; 4], если она движется вдоль координатной прямой со скоростью v = v(t), график которой изображен на: 1) рис. 169; 2) рис. 170?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12°.Точка движется прямолинейно со скоростью v = t2

+ 1. Какой

 

путь она прошла за промежуток времени [0; 3]?

 

 

 

 

13.

Изобразите фигуру, ограниченную линиями:

 

 

 

 

 

а) у = 2х, у = 2, х = 0;

 

 

б) у = х2, у = х + 1.

 

 

 

 

14.

Чему равна площадь фи-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

гуры, изображенной на:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а°) рис. 171; б°) рис. 172;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в°) рис. 173; г) рис. 174?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

248

Раздел 4. Интеграл и его приложения

Ответы к заданиям для самоконтроля

 

1. Нет. 2. Нет. 3.

у = ln x + C. 4. y =

2

3

 

3

x 2 −17 . 5. x = –2cos t +

+ t – 1. 6. б). 7. б), г). 8. а) 1; б) 0; в) 0.

Правильным является

9.

лишь равенство а).10. Площадь прямоугольника, изображен-

ного на рис. 175.11. а) 4; б) 6.12. 12.

14. а) 2 ; б)

1 ; в) 2; г) 3.

 

 

 

3

3

Образец контрольной работы №4

1.Вычислите интеграл:

 

π

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

4

1

 

 

 

2

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1°)

0

 

 

 

 

 

 

dx ;

2°)

 

 

 

 

+

 

dx ;

 

 

 

2

x

 

 

x

x

 

 

2cos

 

 

 

π

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

4

 

x x + 2

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3)

 

dx ;

 

4*)

(1 + tg2 2x )dx .

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2°. Скорость мяча, брошенного с поверхности земли вертикально

вверх, изменяется по закону v = 15 – gt, где v — скорость, м/с;

t — время, с; g ≈ 10 м/с2 — ускорение свободного падения. На

какую высоту поднимется мяч за первую секунду?

 

3. Вычислите площадь фигуры, ограниченной линиями:

1°)

у = х2 – 1,

у =

0, х = 1, х = 3;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) у = х2

– 1, у = 0, х = 3;

 

 

0.

 

 

 

 

 

 

 

3*) у = х2 – 1,

у = sin px (0 ≤ х ≤ 1), х =

 

 

 

 

 

 

 

Интеграл, его геометрический и физический смысл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 36

Определение

 

Геометрический

 

 

 

Физический

интеграла

 

 

смысл

 

 

 

 

 

 

 

 

смысл

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если f(x)

0,

 

то

Если

f(t)

≥ 0, то

f(x)dx = F(b) − F(a) ,

b

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ò f (x)dx — площадь

 

ò f (t)dt — путь, про­

где у = F(x) — перво­

a

 

 

тра-

 

 

t0

 

 

 

образная

для

 

функ-

криволинейной

 

йденный точкой, дви-

ции у = f(x).

 

 

 

 

 

 

пеции, ограниченной

 

жущейся

прямоли-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

графиком

функции

 

нейно

со

скоростью

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у = f(x) и отрезками­

 

v =f(t), за промежуток

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

прямых у = 0,

х = а,

 

времени [t0;T].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х= b.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Готовимся к тематическому оцениванию по теме

 

 

 

249

 

 

 

Свойства интеграла

Таблица 37

 

 

 

 

 

 

 

Словесная формулировка

Символическая запись

 

Интеграл от суммы функций

b

 

 

b

b

 

 

равен сумме

интегралов

от

( f (x) + g(x))dx = f (x)dx +g(x)dx

 

этих функций.

 

a

 

 

a

a

 

Постоянный множитель мож­

b

 

b

 

 

 

но выносить за знак интегра-

kf (x)dx = kf (x)dx

 

ла.

 

 

a

 

a

 

 

 

Если с — некоторая точка

b

c

 

 

b

 

 

отрезка [a;b] , то интеграл от

f (x)dx =

f (x)dx + f (x)dx

 

функции на

промежутке

a

a

 

 

c

 

[a;b] равен сумме интегра-

 

 

 

 

 

 

 

лов от той же функции на

 

 

 

 

 

 

 

промежутках [a; c] и [c;b] .

 

 

 

 

 

 

 

 

Производная и интеграл в прикладных задачах

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 38

Величина

Производная

 

Интеграл

 

s — перемещение

 

ds

 

 

 

t2

 

 

v — скорость

 

 

v(t) = dt

 

 

 

s = v(t)dt

 

 

 

 

 

 

 

 

t1

 

q — электрический заряд

 

I(t) = dq

 

 

 

t2

 

 

I — сила тока

 

 

 

 

 

q = I(t)dt

 

j — угол поворота шкива

 

dt

 

 

 

t

 

 

dϕ

 

 

 

t21

 

w — угловая скорость

 

ω(t) = dt

 

 

 

ϕ = ω(t)dt

 

 

 

 

 

 

 

 

t1

 

А — работа

 

 

dA

 

 

x2

 

 

F — сила

 

 

F(x) = dx

 

 

A = F(x)dx

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

Исторический комментарий

Идеи интегрирования возникли при вычислении площадей произвольных плоских фигур и площадей поверхностей и объе- мов тел почти 2,5 тыс. лет тому назад. Наибольших успехов при решении таких задач достиг Архимед (ок. 287–212 гг. до н. э.). Его рассуждения связаны с решением конкретных геометрических задач. Например, Архимед вычислил площадь параболическо- го сегмента, площадь поверхности и объем шара, сегментов тел, ограниченных поверхностью вращения параболы, гиперболы и плоскостью, и много др. И хотя с позиций современной математи- ки некоторые вычисления почти тождественны, то есть сводятся к похожим интегралам, Архимед их различает, проводя рассужде- ния в каждом конкретном случае сначала. То есть Архимед не создал исчисления, а лишь построил основы для его создания.

Творцами учения об интеграле были И. Ньютон (1643–1727) и независимо от него Г. Лейбниц (1646–1716). Они объединили дифференциальное и интегральное исчисление, доказав форму- лу, носящую их имена, показали могущество своих методов, ре- шив большое количество физических и геометрических задач.

В течение трех веков учение об интеграле развивалось и совер- шенствовалось. Усложнялись, исходя из практических проблем, множества, на которых определялась подынтегральная функция, расширялся класс интегрируемых функций. Все это вело к обобще- нию понятия интеграла, увеличению класса задач, где он приме- нялся. Так, с введением в математику переменных величин, введе- нием производной и первообразной функции появился новый тип уравнений, дающих возможность устанавливать различные виды функциональных зависимостей между величинами. Речь идет о дифференциальных уравнениях, рассмотрение которых началось в XVII ст. Главным «потребителем» таких уравнений была физика.

Большой вклад в развитие дифференциальных уравнений внесли выдающиеся украинские математики М.П. Кравчук

(1892–1942), Н.Н. Боголюбов (1909–1992), Ю.А. Митропольский (1917–2008), Я.Б. Лопатинский (1906–1981) и многие другие.