формула площади плоской области интеграл (5 видео)

Содержание

Формула Грина. Площадь плоской области. Масса кривой
1.8. Как вычислить площадь с помощью определённого интеграла?
Вычисление площадей плоских фигур
🔍 Видео

Видео:Математика без Ху!ни. Определенные интегралы, часть 3. Площадь фигуры.Скачать

Формула Грина. Площадь плоской области. Масса кривой

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по математике:

Выведем формулу Грина, связывающую криволинейный интеграл по границе L некоторой плоской области D с двойным интегралом по этой области. Теорема 3. Если в замкнутой области D, ограниченной кусочно-гладким контуром L, функции Р(х, у) и Q(x, у) непрерывны и имеют непрерывные частные производные ^ и то справедливо равенство <формула Грина): есь символ § означает интегрирование по границе L области D, причем граница L проходится так, что область D остается слева (рис. 7).

Граница L плоской области D может состоять из одной или нескольких простых замкнутых кривых (компонент). В первом случае она называется односвязной, а во втором — многосвязной. Если граница L состоит из конечного числа кусочно-гладких замкнутых кривых L,-, то кривые Li называются связными компонентами границы. На рис. 8 изображена трехсвязная область.

Односвязная область D (область «без дырок») обладаеттем свойством, чтолюбая лежащая в ней замкнутая кривая может быть стянута в точку Р G D, оставаясь в процессе стягивания в области D. Доказательство теоремы проведем для односвязной области. М В силу свойства линейности достаточно доказать, что Формула Грина Площадь плоской области Масса кривой Площадь цилиндрической поверхности Площадь плоской фигуры Обобщение случай пространственной кривой Докажем первую из этих формул.

Предположим сначала, что кривая L пересекается каждой прямой, параллельной оси Оу, не более чем в двух точках или по целому отрезку (рис. 9). Если каждая такая прямая пересекает кривую L не более чем в двух точках, то кривую L можно разбить на две части L и Ь2 (верхнюю и нижнюю), каждая из которых проектируется взаимно однозначно на некоторый отрезок [а, Ь оси Ох.

Всилуаддитивности криволинейного интеграла имеем На каждой из кривых L и Li возьмем в качестве параметра абсциссу х и запишем уравнения этих кривых сояветстве нно в виде Тогда По предположению производная непрерывна в D, и значит, в силу известной формулы интегрального исчисления, приращение функции можно записать через интеграл от производной этой функции: Из формул получаем Повторный интеграл в правой части последнего соотношения равен двойному инте-фалу от функции ^ по области D, так что окончательно имеем Формула (2) доказана.

Соотношение (3) доказывается аналогично. Складывая почленно соотношения (2) и (3), получаем формулу Грина (1). Отметим, что формула Грина имеет место и для более сложных контуров L, и для неодносвязных областей D. Рассмотрим, например, случай двухсвязной области (рис. 10). Сделаем разрез А В этой области, превращающий ее в односвязную. Тогда Отсюда, учитывая, что получим где интегрирование по кривой L ведется в направлении против движения часовой стрелки, а по кривой Ь2 — в направлении движения часовой стрелки.

Отметим, что при этом кривые L и Ь2 проходятся так, что область D остается слева. Такое направление обхода контура принимается за положительное. Площадь плоской области Возьмем Тогда по формуле Грина (1) получаем где 5 — площадь области D. Отсюда получаем формулу для вычисления площади 5 плоской области D с помощью криволинейного интеграла по границе L этой области: (7) Прммр. Вычислить площадь области, ограниченной эллипсом L: Запишем уравнение эллипса в параметрической форме .

Искомая площадь находится по формуле (7), где криволинейный интеграл берется по эллипсу при обходе контура в положительном направлении, что соответствует изменен ик> параметра t от 0 до 2я. Так как то отсюда получаем, что Замечание. Пусть в пространстве задана ориентированная кусочно-гладкая кривая AD и пусть, кроме того, в некоторой области П, содержащей кривую AD, задана вектор-функция — непрерывные в О функции.

Аналогично плоскому случаю криволинейный интеграл от вектор-функции F по ориентированной кривой АВ определим выражением Масса кривой В примере 1 из § 1 было показано, что масса кривой L вычисляется с помощью интеграла 1-го рода где /(М) — переменная линейная плотность на кривой L. (Мы предполагаем, что f(M) — непрерывная фунмция на АВ.) 4.2. Площадь цилиндрической поверхности Пусть в плоскости хОу задана некоторая спрямляемая (т. е. имеющая длину) кривая АВ и на этой кривой определена непрерывная функция f(M) ^ 0.

Тогда совокупность точек (х, у, f(x, у)), или (М, /(М)), составит некоторую кривую, лежащую на цилиндрической поверхности, для которой кривая АВ является направляющей, а ее образующая параллельна оси Oz.

Требуется определить площадь цилиндрической поверхности ABDC, о»раниченной снизу кривой АВУ сверху — кривой z — f(M), где М € АВ, и вертикальными прямыми АС и BD (рис. 11). Для решения этой задачи поступим так: 1) разобьем кривую АВ на п частей точками так, как показано на рис. 11; 2) из каждой точки Мк проведем перпендикуляр к плоскости хОу высотой f(Mk) (при этом цилиндрическая поверхность А В DC разобьется на п полосок);

3) кажаую полоску заменим прямоугольником с основанием — длина дуги МкМк+, и высотой, равной значению функции /(М) в какой-нибудь точке этой дуги, например, в точке Мк. Тогда площадь fc-ой полоски будет приближенно равна. а площадь всей поверхности ABDC Это приближенное равенство будет тем точнее, чем мельче будут частичные дуги , на которые разбита кривая АВ. Пусть Д/ — наибольшая из длин А1к частичных .цт .

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Тогда при 0 в пределе получим точное значение искомой площади Предел справа по определению есть криволинейный интеграл первого рода от функции /(Af) по кривой АВ. Итак, (2) Пример 1. Вычислить площадь части боковой поверхности цилиндра срезанного сверху поверхностью Сведем задачу к вычислению криволинейного интеграла t-ro рода от функции вдоль дуги окружности, расположенной в первой четверти. Будем иметь Параметрические уравнения линии Формула Грина Площадь плоской области Масса кривой.

Площадь цилиндрической поверхности Площадь плоской фигуры Обобщение случай пространственной кривой Площадь плоской фигуры Ранее мы установили, что площадь 5 плоской фигуры D, ограниченной линией L, вычисляется по формуле Правая часть есть криволинейный интеграл 2-го рода. 4.4. Работа силы Пусть в некоторой плоской области D, содержащей кривую АВУ задана сила где функции , а следовательно, и F(М) предполагаются непрерывными функциями точки ЛГ.

Требуется найти работу силы F, если под действием этой силы материальная точка М, имеющая единичную массу, переместилась из точки А в точку В по кривой АВ. Для решения этой задачи разделим кривую АВ на п частей точками (рис. 12), заменим каждую дугу хордой , предполагая для простоты , что на участке кривой (а значит, и на хорде сила Ffc имеет постоянное значение, например, равное ее значению в точке получим приближенное выражение работы силы на участке пути где — длина вектора — длина вектора.

Из формулы (4) с учетом (5) получим или Так как правая частьформулы (6) есть скалярное произведение векторов то, учитывая (7) и (8), будем иметь Суммируя по всем значениям , получим величину принимают за точное значение работы. Но с другой стороны, предел этой суммы есть криволинейный интеграл 2-го рода от вектор-функции F(M) по кривой АВ.

Итак, работа силы вычисляется по формуле Рис. 12 ( Пример 2. Найти работу силы при перемещении единичной массы по параболе 4 Применим формулу (9), положив в ней Так как то искомую работу можо вычислить так: Обобщение на случай пространственной кривой (рис. 14). Если в некоторой пространственной области П, содержащей пространственную кривую АВ, задана сила — непрерывные функции в области П, то рабога, совершаемая силой F(M) по перемещению материальной точки М с единичной массой из точки А в точку В по пространственной кривой АВ, равна Упражнения.

Вычислите криволинейные интегралы 1-го рода: 1. — четверть элл ипса ^ + = 1, л ежащая в первом квадранте. — окружность — отрезок прямой, соединяющий точки отреэо к прямой, соединяющий точки (— дуга параболы у2 = 2х от точки (0,0) до точки (I, первый виток винтовой линии Найдите длину дуги конической винтовой линии х — ас* cost, у = от точки .до точки 2?(а,0,а). Указание: точке А соответствует- значение параметра t( = -оо, а точке В — значение t2 = 0. 8. Найдите площадь боковой поверхности кругового цилиндра, находящейся под первым витком винтовой линии и выше плоскости z = 0. 9.

Найдите координаты центра тяисести

однородной полуарки циклоиды Вычислите криволинейные интегралы 2-го рода: дуга кривой у = х3 отточки (0,0) до точки верхняя половина эллипса , пробегаемая против хода часовой стрелки. где точки соединены кривой Ч2Г при . — дуга первой арки циклоиды пробегаемая в направлении возрастания параметра t. — окружность , пробегаемая против хода часовой стрелки. Указание . Используйте параметрические уравнения окружности. — виток винтовой линии — ломаная с вершинами 17.

Найдите массу дуги AB кривой у = lnz, если в каждой ее точке линейная плотность пропорциональна квадрату абсциссы точки, причем . 18. Найдите длину дуги кривой j между ее точками пересечения с осями координат. 19. Найдите площадь, ограниченную астроидой 20. Найдите работу силового поля j, когда точка массы m описывает окружность х = а соs t, у = a sin t, двигаясь по ходу часовой стрелки. 21. Поле образовано силой .

Вычислите работу при перемещении единицы массы по контуру квадрата со сторонами Применив формулу Пэина, вычислите интегралы в задачах 22-24: по контуру ЬАВС с вершинами по контуру фигуры, ограниченной линиями у вдоль единичной окружности в положительном направлении Формула Грина Площадь плоской области Масса кривой Площадь цилиндрической поверхности.

Площадь плоской фигуры Обобщение случай пространственной кривой — вдоль контура квадрата с вершинами в точках Л(1,0), при положительном направлении обхода. Ответы Указание. Перейдите к полярным координатам. Указание. Воспользуйтесь формулами (в зависимости от направления обхода).. Указание. Данный интеграл несобстве нный, так как в точках пересечения контура интегрирования с прямой х + у = 0 подынтегральн ос выражение принимает вид g. Формулу фина применять нельзя.

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Видео:Найти площадь фигуры, ограниченной линиями. Пример 1.Скачать

1.8. Как вычислить площадь с помощью определённого интеграла?

Задачка это школьная, но, несмотря на то, почти 100% встретится в вашем курсе высшей математики. Поэтому со всей серьёзностью отнесёмся ко ВСЕМ примерам, и первое, что нужно сделать – это ознакомиться с Приложением Графики функций, чтобы освежить в памяти технику построения элементарных графиков. …Есть? Отлично! Типовая формулировка задания звучит так:

Пример 10
Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями .

И первый важнейший этап решения состоит как раз в построении чертежа. При этом я рекомендую следующий порядок: сначала лучше построить все прямые (если они есть) и только потом – параболы, гиперболы, графики других функций.

В нашей задаче: прямая определяет ось , прямые параллельны оси и парабола симметрична относительно оси , для неё находим несколько опорных точек:

Искомую фигуру желательно штриховать:

Второй этап состоит в том, чтобы правильно составить и правильно вычислить определённый интеграл. На отрезке график функции расположен над осью , поэтому искомая площадь:

Ответ:

После того, как задание выполнено, полезно взглянуть на чертёж
и прикинуть, реалистичный ли получился ответ.

И мы «на глазок» подсчитываем количество заштрихованных клеточек – ну, примерно 9 наберётся, похоже на правду. Совершенно понятно, что если бы у нас получилось, скажем, 20 квадратных единиц, то, очевидно, где-то допущена ошибка – в построенную фигуру 20 клеток явно не вмещается, от силы десяток. Если ответ получился отрицательным, то задание тоже решено некорректно.

Пример 11
Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями и осью

Быстренько разминаемся (обязательно!) и рассматриваем «зеркальную» ситуацию – когда криволинейная трапеция расположена под осью :

Пример 12
Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями , и координатными осями.

Решение: найдём несколько опорных точек для построения экспоненты:

и выполним чертёж, получая фигуру площадью около двух клеток:

Если криволинейная трапеция расположена не выше оси , то её площадь можно найти по формуле: .
В данном случае:

Ответ: – ну что же, очень и очень похоже на правду.

На практике чаще всего фигура расположена и в верхней и в нижней полуплоскости, а поэтому от простейших школьных задачек мы переходим к более содержательным примерам:

Пример 13
Найти площадь плоской фигуры, ограниченной линиями , .

Решение: сначала нужно выполнить чертеж, при этом нас особо интересуют точки пересечения параболы и прямой , поскольку здесь будут находиться пределы интегрирования. Найти их можно двумя способами. Первый способ – аналитический. Составим и решим уравнение:

таким образом:

Достоинство аналитического способа состоит в его точности, а недостаток – в длительности (и в этом примере нам ещё повезло). Поэтому во многих задачах бывает выгоднее построить линии поточечно, при этом пределы интегрирования выясняются как бы «сами собой».

С прямой всё понятно, а вот для построения параболы удобно найти её вершину, для этого возьмём производную и приравняем её к нулю:
– именно в этой точке и будет находиться вершина. И, в силу симметрии параболы, остальные опорные точки найдём по принципу «влево-вправо»:

Выполним чертеж:

А теперь рабочая формула: если на отрезке некоторая непрерывная функция больше либо равна непрерывной функции , то площадь фигуры, ограниченной графиками этих функций и отрезками прямых , можно найти по формуле:

Здесь уже не надо думать, где расположена фигура – над осью или под осью, а, грубо говоря, важно, какой из двух графиков ВЫШЕ.

В нашем примере очевидно, что на отрезке парабола располагается выше прямой, а поэтому из нужно вычесть

Завершение решения может выглядеть так:

На отрезке : , по соответствующей формуле:

Ответ:

Следует отметить, что простые формулы, рассмотренные в начале параграфа – это частные случаи формулы . Поскольку ось задаётся уравнением , то одна из функций будет нулевой, и в зависимости от того, выше или ниже лежит криволинейная трапеция, мы получим формулу либо

А сейчас пара типовых задач для самостоятельного решения

Пример 14
Найти площадь фигур, ограниченных линиями:

а) , .

б) , ,

Решение с чертежами и краткими комментариями в конце книги

В ходе решения рассматриваемой задачи иногда случается забавный казус. Чертеж выполнен правильно, интеграл решён правильно, но по невнимательности… найдена площадь не той фигуры, именно так несколько раз ошибался ваш покорный слуга. Вот реальный случай из жизни:

Пример 15
Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями

Решение: выполним бесхитростный чертёж,

хитрость которого состоит в том, что искомая площадь заштрихована зелёным цветом (внимательно смотрИте на условие – чем ограничена фигура!). Но на практике по невнимательности нередко возникает «глюк», что нужно найти площадь фигуры, которая заштрихована серым цветом! Особое коварство состоит в том, что прямую можно недочертить до оси , и тогда мы вовсе не увидим нужную фигуру.

Этот пример ещё и полезен тем, что в нём площадь фигуры считается с помощью двух определённых интегралов. Действительно:

1) на отрезке над осью расположен график прямой ;
2) на отрезке над осью расположен график гиперболы .

Совершенно понятно, что площади можно (и нужно) сложить:

Ответ:

И познавательный пример для самостоятельного решения:

Пример 16
Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями , , и координатными осями.

Итак, систематизируем важные моменты этой задачи:

На первом шаге ВНИМАТЕЛЬНО изучаем условие – КАКИЕ функции нам даны? Ошибки бывают даже здесь, в частности, арккотангенс зачастую принимают за арктангенс. Это, кстати, относится и к другим заданием, где встречается арккотангенс.

Далее следует ПРАВИЛЬНО выполнить чертёж. Сначала лучше построить прямые (если они есть), затем графики других функций (если они есть J). Последние во многих случаях выгоднее строить поточечно – найти несколько опорных точек и аккуратно соединить их линией.

Но здесь могут подстерегать следующие трудности. Во-первых, из чертежа не всегда понятны пределы интегрирования – так бывает, когда они дробные. На mathprofi.ru в соответствующей статье я рассмотрел пример с параболой и прямой , где из чертежа не понятна одна из точек их пересечения. В таких случаях следует использовать аналитический метод, составляем уравнение:

и находим его корни:
– нижний предел интегрирования, – верхний предел.

Во-вторых, не всегда понятен «внешний вид» линии, и функция (Пример 16) – яркий тому пример. Я и сам «с ходу» не представляю, как выглядит график этой функции. Здесь можно воспользоваться специализированными программами или онлайн сервисами (а-ля «построить график онлайн»), а в экстремальной ситуации найти побольше опорных точек (штук 10-15), чтобы поточнее провести «неизвестную» кривую.
Ну и, конечно, я призываю вас повышать свои знания и навыки в графиках, в частности, приведу прямую ссылку на особо полезную статью:
http://mathprofi.ru/kak_postroit_grafik_funkcii_s_pomoshyu_preobrazovanii.html

После того, как чертёж построен, анализируем полученную фигуру – ещё раз окидываем взглядом предложенные функции и перепроверяем, ТА ЛИ это фигура. Затем анализируем её форму и расположение, бывает, что площадь достаточно сложнА и тогда её следует разделить на две, а то и на три части.

Составляем определённый интеграл или несколько интегралов по формуле , все основные вариации мы разобрали выше.

Решаем определённый интеграл (ы). При этом он может оказаться достаточно сложным, и тогда применяем поэтапный алгоритм: 1) находим первообразную и проверяем её дифференцированием, 2) используем формулу Ньютона-Лейбница.

Результат полезно проверить с помощью программного обеспечения / онлайн сервисов или просто «прикинуть» по чертежу по клеточкам. Но и то, и другое не всегда осуществимо, поэтому крайне внимательно относимся к каждому этапу решения!

Полную и свежую версию данного курса в pdf-формате ,
а также курсы по другим темам можно найти здесь.

Также вы можете изучить эту тему подробнее – просто, доступно, весело и бесплатно!

С наилучшими пожеланиями, Александр Емелин

Видео:Интегралы №12 Вычисление площадейСкачать

Вычисление площадей плоских фигур

Площадь плоских фигур определяется через определённый интеграл от неотрицательной функции и равна площади криволинейной трапеции. В этом также заключается и геометрический смысл определённого интеграла.

Криволинейной трапецией называется фигура, которая ограничена графиком непрерывной функции f(x)≥0, прямыми x=a, y=b и осью OX.

I. Площадь криволинейной трапеции на оси OX вычисляется по формуле:

II. Если функция f(x) , то криволинейная трапеция находится ниже оси OX и тогда её площадь определяется по формуле:

III. Если функция f₂(x)≥f₁(x), f₂(x)-f₁(x)≥0 то площадь фигуры находится по формуле:

Читается так: из верхней функции вычитаем нижнюю.

IV. Площадь криволинейной трапеции на оси OY определяется по формуле:

V. Если криволинейная трапеция расположена левее оси OY, то её площадь находится по формуле:

VI. Если функция φ₂(x)≥φ₁(x), φ₂(x)-φ₁(x)≥0, то площадь криволинейной трапеции ограниченна графиками x=φ₁(x), x=φ₂(x) и прямыми y=d, y=c и определяется по формуле:

Если плоская фигура не относится к криволинейной трапеции вышеперечисленных видов, то её разбивают прямыми на криволинейные трапеции, которые параллельны оси OX или OY. Затем используют приведённые формулы выше.

Найти площадь S фигуры, ограниченной функцией f(x)=e x и линиями x =0 и x=e

Построим график функции f(x)=e x