
- •Часть II
- •I.Функции нескольких переменных
- •Функция двух переменных
- •Предел функции
- •Непрерывность функции двух переменных
- •Производные и дифференциалы функции нескольких переменных
- •Частные производные высших порядков
- •Дифференцируемость и полный дифференциал функции
- •Дифференциалы высших порядков
- •Производная сложной функции. Полная производная
- •8.Инвариантность формы полного дифференциала
- •Дифференцирование неявной функции
- •Производная по направлению
- •Градиент
- •Экстремум функции двух переменных
- •Необходимые и достаточные условия экстремума
- •II. Неопределенный интеграл
- •Понятие неопределенного интеграла
- •2. Свойства неопределенного интеграла
- •3. Таблица основных неопределенных интегралов
- •4. Основные методы интегрирования
- •5. Интегрирование рациональных функций.
- •6. Интегрирование тригонометрических функций
- •7. Интегрирование иррациональных функций
- •III. Определенный интеграл
- •Определение определенного интеграла
- •Геометрический смысл определенного интеграла
- •3) Работа переменной силы
- •Формулы Ньютона-Лейбница
- •Основные свойства определенного интеграла
- •Вычисление определенного интеграла
- •Несобственные интегралы
- •7. Применение определенных интегралов для расчета геометрических и физических величин различного рода
- •7.1. Вычисление площадей плоских фигур
- •7.2 Вычисление длины дуги плоской кривой
- •7.3 Вычисление объема тела
- •8. Приближенное вычисление определенного интеграла
- •8.1. Формулы прямоугольников
- •8.2. Формула трапеций
- •8.3. Формула парабол (Симпсона)
- •IV. Кратные интегралы
- •4.1. Двойной интеграл. Основные понятия
- •4.2. Геометрический смысл двойного интеграла
- •4.3. Основные свойства двойного интеграла
- •4.4.Вычисление двойного интеграла
- •4.5. Приложения двойного интеграла
- •Статические моменты и центр тяжести плоской фигуры
- •4.6. Тройной интеграл. Основные понятия
- •4.7. Вычисление тройного интеграла.
- •4.8. Приложения тройного интеграла
- •V. Числовые ряды
- •5.1. Основные понятия
- •5.2. Необходимый признак сходимости числового ряда
- •5.3. Достаточные признаки сходимости знакопостоянных рядов
- •5.4. Признак Даламбера
- •5.5. Радикальный признак Коши
- •5.6. Интегральный признак Коши. Обобщенный гармонический ряд
- •5.7. Знакочередующиеся и знакопеременные ряды Признак Лейбница
- •5.8. Абсолютная и условная сходимость числовых рядов
- •VI.Степенные ряды
- •1 Функциональные ряды
- •1.1 Основные понятия
- •2. Некоторые приложения степенных рядов
- •2.1. Приближенное вычисление значений функций
- •2.2. Приближенное вычисление определенных интегралов
- •VII. Ряды Фурье
- •7.1. Основные понятия
- •7.2. Тригонометрический ряд Фурье
- •7.3 Разложение в ряд Фурье 2π-периодических функций. Теорема Дирихле
- •7.4. Разложение в ряд Фурье четных и нечетных функций
- •7.5. Разложение в ряд Фурье функций произвольного периода
- •VIII. Дифференциальные уравнения (д.У.)
- •8.1. Общие сведения на основании понятия о д.У.
- •8.2. Дифференциальное уравнение первого порядка
- •3. Линейные уравнения
- •Метод Бернулли
- •8.3.Дифференциальные уравнения высших порядков
- •1.Решение путем понижения порядка уравнения.
- •2.Линейные дифференциальные уравнения высших порядков.
- •8.4. Решение ду второго порядка с постоянными коэффициентами.
- •1.Решение лоду второго порядка с постоянными коэффициентами.
- •2. Решение лоду n –го порядка с постоянными коэффициентами.
- •Линейные неоднородные дифференциальные уравнения (лнду)
- •1.Структура общего решения лнду второго порядка.
- •2.Метод вариации произвольных постоянных.
- •3.Решение лнду второго порядка с постоянными коэффициентами и правой частью специального вида.
- •4.Решение лнду n- го порядка с постоянными коэффициентами и правой специальной частью.
- •Системы дифференциальных уравнений
- •Решение нормальных систем.
- •2.Системы линейных ду с постоянными коэффициентами.
7.1. Вычисление площадей плоских фигур
Как уже говорилось выше площадь
криволинейной трапеции, расположенной
выше оси абсцисс
,
равна определенному интегралу
или
.
Формула получена путем применения
первого способа – метода сумм. Покажем,
что именно это можно получить, используя
приращение
.
При этом
получит
приращение
,
представляющее площадь элементарной
криволинейной трапеции.
в этом случае есть главная часть
приращения
при
и, очевидно он равен произведению
,
как площади прямоугольника с высотой
и
с основанием
.
Интегрируя полученное соотношение в
пределах от
Рис.3.
Рис.1.
до
,
получим
.
Если криволинейная трапеция расположена
ниже оси
,
то ее площадь может быть найдена по
формуле
.
Эти формулы можно объединить в одну
.
Площадь фигуры, ограниченной двумя
кривыми
и
(рис.1) при условии
и прямыми
;
можно найти, используя соотношение:
.
Если плоская фигура имеет сложную форму,
то прямыми, параллельными оси
ее
следует разбить на части так, ч
тобы
можно было применить выше записанные
соотношения (рис.2). Если (Рис. 3.)
к
риволинейная
трапеция ограничена прямыми
,
,
осью
и
кривой
,
то ее площадь находится по формуле
.
И, наконец, если криволинейная т
араметрически:
, прямыми
,
и осью
,
то площадь ее находится по формуле:
,
где α и β определяются из равенств
и
.
7.2 Вычисление длины дуги плоской кривой
П
Рис.2.
Рис.4.
,
где
(рис.4). Под длиной дуги понимается предел,
к которому стремится длина ломаной
линии, вписанной в эту дугу, когда число
звеньев ломаной неограниченно возрастает,
а длина наибольшего звена стремится к
нулю. Покажем, что если функция
и ее производная
непрерывны на отрезке
,
то кривая АВ имеет длину, равную
.
Применим способ №1. Для чего разобьем
отрезок
на n частей
,
каждой точке
соответствуют точки
,
на кривой АВ. Проведем хорды
,
…
длины которых обозначим соответственно
через ∆L1, ∆L2…∆Ln.
Получим ломаную линию M0M1…Mn,
длина которой равна
.
Длину хорды (или звена ломаной) найдем
по теореме Пифагора из треугольника с
катетами ∆xi
и ∆yi:
,
где
,
.
По теореме Лагранжа о конечном приращении
функции
.
Поэтому
,
а длина ломаной линии M0M1…Mn
равна
(1).
Длина ℓ кривой АВ по определению равна
ℓ
.
Заметим, что при
также и
(
и, следовательно,
).
Функция
непрерывна на отрезке
,
так как по условию непрерывна функция
.
Следовательно, существует предел
интегральной суммы, когда
:
ℓ
.
Таким образом,
ℓ
или ℓ
(2).
Если уравнение кривой задано в
параметрической форме
,
где x(t) и
y(t) –
непрерывные функции с непрерывными
производными и
,
,
то длина ℓ находится по формуле: ℓ
.
Это соотношение получается из (2) путем
подстановки
,
,
.
Пример: Найти длину окружности радиуса R.
Если уравнение окружности записать в
параметрической форме
,
то ℓ
.
7.3 Вычисление объема тела
а) Вычисление объема тела по известным площадям параллельных сечений.
Пусть
требуется найти объем тела V при известной
площади S сечений этого тела относительно
плоскости, перпендикулярной некоторой
оси, например, ох;
.
Применим метод 2.
Через произвольную точку
проведем плоскость
,
перпендикулярную оси ох. Обозначим
через
площадь
сечения тела этой плоскостью.
считаем известной и изменяющейся
непрерывно при изменении
.
Через v
обозначим объем части тела, лежащие
левее плоскости
.
Будем считать, что на отрезке
величина v
есть функция от
,
т.е. v
=
v (x)( v
(
)=0,
v
(
)=v.
Теперь найдем дифференциал функции v
=
v (x). Он представляет
собой слой тела, заключенного между
параллельными плоскостями, пересекающими
ось
в точках
и
,
который можно приближено принять за
цилиндр с основанием
и высотой
(рис.5).
поэтому дифференциал объема
.
Тогда для нахождения полного объема
это соотношение надо проинтегрировать
в пределах от
до
.
-
полученная формула называется формулой
объема тела по площади параллельных
сечений.
Пример: Найти объем эллипсоида
.
Если эллипсоид рассечен плоскостью,
параллельной плоскости
и на расстоянии
от нее
получим эллипс (см. рис. 6).
.
Площадь этого эллипса равна
.
Поэтому объем эллипсоида
б) Объем тела вращения
Пусть
вокруг оси
вращается криволинейная трапеция,
ограниченная непрерывной линией
отрезком
и прямыми
и
.
Полученная от вращения фигура, называется
телом вращения. Сечение этого тела -
плоскостью, перпендикулярной оси
,
проведенной через произвольную точку,
есть круг радиуса
.
Следовательно,
.
Поскольку
- выражение для объема тела вращения
вокруг оси
.
Если криволинейная трапеция ограничена
графиком непрерывной функции
и прямыми
при условии
,
то для объема тела, образованного
вращением этой трапеции относительно
оси
,
по аналогии с полученным выше можно
записать:
в) Вычисление координат центра тяжести плоской фигуры
П
Рис. 8.
и прямыми
(рис. 8). Будем считать, что плотность
пластины
есть величина
.
Тогда масса всей пластины равна
,
т.е.
Выделим элементарный участок пластины
в виде бесконечно малой узкой вертикальной
полосы и будем считать его прямоугольником.
Его масса равна
.
Центр тяжести прямоугольника лежит на
пересечении диагоналей прямоугольника.
Это точка
отстоит
от оси
на расстоянии
,
а от оси
на расстоянии
.
Тогда для элементарных статистических
моментов относительно осей
и
получим следующие соотношения:
и
.
Отсюда
;
.
Если обозначим координаты центра тяжести
плоской фигуры
то получим, что
;
,
т.е.
или
и
.