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 на большое число малых слагаемых элементов :
2. Найти приближенное значение каждого элемента в виде произведения и затем приближенное значение в виде интегральной суммы
где — один из параметров величины который по условию задачи изменяется в известном интервале ; - данная или определяемая из условия задачи функция от ; — точки интервала , которые при разбиении на элементов разбивают этот интервал на равных частей .
Здесь при нахождении приближенного значения малого элемента 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 погрешность приближенного равенства (*) стремится к нулю, то искомая величина будет численно равна определенному интегралу .
Многие величины можно выразить посредством определенного интеграла, пользуясь другой схемой (II):
1. Полагаем, что некоторая часть искомой величины есть неизвестная функция , где — один из параметров величины , который изменяется в известном из условия задачи интервале .
2. Найдем дифференциал функции , т. е. приближенную величину (главную часть) ее приращения при изменении на малую величину в виде произведения , где данная или определяемая из условия задачи функция от .
При этом здесь также используются различные допущения, которые в общем сводятся к тому, что при изменении аргумента на малую величину изменение функции считается пропорциональным .
3. Убедившись, что дифференциал найден верно, что при бесконечно малые и будут эквивалентны, найдем искомую величину , интегрируя в пределах от до :
Рис. 1
Так, согласно схеме II:
а) Для криволинейной трапеции, прилежащей к оси , рис.1, дифференциал переменной площади есть площадь прямоугольника со сторонами и , т. е. .
Площадь если вся трапеция расположена над осью выражается интегралом
Рис. 2
б) Для криволинейной трапеции, прилежащей к оси , рис.2, дифференциал переменной площади есть площадь прямоугольника со сторонами и , т. е. .
Площадь , если вся трапеция расположена справа от оси , выражается интегралом
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.
Рис. 3
в) Дифференциал переменной площади , рис.3, есть площадь кругового сектора с центральным углом и радиусом , т. е.
Площадь криволинейного сектора выражается формулой
В частности точка или или обе они могут совпасть с полюсом .
Площадь всякой плоской фигуры, отнесенной к полярной системе координат, может быть составлена из площадей криволинейных секторов.