9 29 id 47954 Nieznany (2)

background image

9. Zastosowania całki oznaczonej


9.1. Całka oznaczona jako pole obszaru płaskiego

Niech f będzie funkcją ciągłą, rosnącą i dodatnią zmiennej x określoną na pewnym odcinku
osi R. Przez F oznaczamy funkcję, której wartości F(x) oznaczają pole obszaru zawartego
między krzywą

)

(x

f

y

=

oraz osią x na odcinku

R

x

〈 ,

0

, zgodnie z rys. 1b.

Rys. 1


Nadając zmiennej x przyrost ∆x otrzymujemy przyrost pola

)

(

)

(

)

(

x

F

x

x

F

x

F

+

=

, rys.2.

Rys. 2

Z rysunku 2 wynika nierówność

f(x)·∆x < F(x + ∆x) – F(x) < f(x +∆x)·∆x, (1)
skąd

x

y

a

b

x

+

x

0

x

F(x)

F(a)

F(b)

a

b

x

a

b

x

x

x

x

y

y

y

y

0

0

0

0

F

ab

= F(b) – F(a)

)

(x

f

y

=

)

(x

f

y

=

)

(x

f

y

=

)

(x

f

y

=

)

(x

f

y

=

)

(x

f

f

(x+∆x)

a)

b)

c)

d

)

F(x)

F(x)

background image

2

f(x) <

x

x

F

x

x

F

)

(

)

(

+

< f(x +∆x). (2)

Przechodząc do granicy ∆x → 0 mamy

f(x) ≤

x

x

F

x

x

F

x

)

(

)

(

lim

0

+

f(x),

zatem

)

(

)

(

)

(

lim

0

x

f

x

x

F

x

x

F

x

=

+

. (3)

Gdy funkcja f jest malejąca, to zamiast (1) mamy

f(x +∆x)·∆x < F(x + ∆x) – F(x) < f(x)·∆x

skąd po przejściu do granicy ∆x → 0 również otrzymamy (3).

Równość (3) oznacza, że F jest funkcją pierwotną funkcji f. Na podstawie rys. 1d pole F

ab

obszaru zawartego między krzywą

)

(x

f

y

=

oraz osią x na odcinku

b

a,

jest równe

F

ab

= F(b) – F(a). (4)

Ponieważ F jest funkcją pierwotną funkcji f , zatem z definicji całki oznaczonej mamy

=

b

a

dx

x

f

a

F

b

F

)

(

)

(

)

(

.

Stąd i z (4) wynika, że pole F

ab

obszaru zawartego między krzywą

)

(x

f

y

=

oraz osią x na

odcinku

b

a,

jest równe

F

ab

=

b

a

dx

x

f

)

(

. (5)

Jeżeli funkcja f jest ujemna, to pole F

ab

obszaru zawartego między krzywą

)

(x

f

y

=

oraz osią

x na odcinku

b

a,

jest równe

F

ab

= –

b

a

dx

x

f

)

(

.

Gdy funkcja f zmienia znak, to całka

b

a

dx

x

f

)

(

przedstawia sumę algebraiczną odpowiednich

pól. Pola nad osią x są liczone ze znakiem +, a pola pod osią x ze znakiem – (rys. 3).

Rys. 3

background image

3

9.2. Całka oznaczona jako granica sum

Jeżeli f jest funkcją ciągłą w przedziale

b

a,

, to istnieje taki punkt

)

,

( b

a

ξ

, że całkę ozna-

czoną

b

a

dx

x

f

)

(

można przedstawić w postaci

)

(

)

(

)

(

ξ

f

a

b

dx

x

f

b

a

=

. (6)

Wartość

)

(

ξ

f

nazywamy

wartością średnią funkcji w przedziale

b

a,

. Oznacza to, że do-

wolny obszar między wykresem funkcji f oraz osią x na odcinku od a do b można zamienić na
prostokąt o tym samym polu, co ilustruje rys. 4.

Rys. 4.

Ciąg punktów (x

0

, x

1

, x

2

, ... , x

n

) takich, że a = x

0

< x

1

< x

2

< ... < x

i-1

< x

i

< ... < x

n-1

< x

n

= b

nazywamy

podziałem przedziału

b

a,

. Oznaczamy

1

=

i

i

i

x

x

. Wtedy przedział

b

a,

jest sumą przedziałów

i

i

x

x ,

1

. Podział (x

0

, x

1

, x

2

, ... , x

n

) przedziału

b

a,

nazywamy

podziałem normalnym, jeśli n → ∞ oraz

0

max

i

przy n → ∞.

Niech f będzie funkcją ciągłą w przedziale

b

a,

oraz niech (x

0

, x

1

, x

2

, ... , x

n

) będzie po-

działem normalnym przedziału

b

a,

. Wtedy dla dowolnego ciągu punktów

)

,

(

1

i

i

i

x

x

ξ

,

gdzie i = 1, 2, ... n, zachodzi równość (rys. 5)

=

=

n

i

i

i

n

b

a

f

dx

x

f

1

)

(

lim

)

(

ξ

. (7)

Rys. 5


Wzór (7) można traktować jako definicję całki oznaczonej.

f(ξ)

)

(x

f

y

=

a

b

0

x

1

x

i-1

x

i

ξ

i

x

n-1

y

x

ξ

1

)

(x

f

y

=

y

x

a

b

ξ

0

background image

4

9.3. Obliczanie pola

Przykład 1. Obliczyć pole zawarte między łukiem sinusoidy i osią x w przedziale

π

,

0

.


Rozwiązanie. Szukane pole określone jest całką

2

)

1

1

(

)

0

cos

(cos

cos

sin

0

0

=

=

=

=

=

=
=

π

π

π

x

x

x

xdx

F



Przykład 2. Obliczyć pole ograniczone łukiem paraboli w prostokącie a × b.

Rozwiązanie. Równanie paraboli określone jest wzorem

γ

β

α

+

+

=

x

x

y

2

. Współczynniki α,

β , γ wyznaczamy z warunków:

γ

β

α

+

+

=

0

0

0

2

,

γ

β

α

+

+

=

2

2

2

b

b

a

,

γ

β

α

+

+

=

b

b

2

0

.

Po rozwiązaniu tych równań mamy:

2

4

b

a

=

α

,

b

a

4

=

β

,

0

=

γ

, zatem parabola jest opisana

równaniem

x

b

a

x

b

a

y

4

4

2

2

+

=

.


Pole obszaru ograniczonego parabolą jest równe

ab

b

b

a

b

b

a

x

b

a

x

b

a

dx

x

b

a

x

b

a

F

b

x

x

b

3

2

2

3

4

2

3

4

4

4

2

3

2

0

2

3

2

0

2

2

=

+

=

+

=

+

=

=

=

.


Przykład 3. Obliczyć pole obszaru ograniczonego parabolami

4

2

1

+

=

x

y

,

x

x

y

2

2

2

=

.

Rozwiązanie. Szukamy punkty A i B przecięcia parabol

4

2

1

+

=

x

y

oraz

x

x

y

2

2

2

=

. W

tym celu rozwiązujemy równanie

2

1

y

y

=

, czyli równanie

x

x

x

2

4

2

2

=

+

, które po prze-

kształceniu ma postać

0

2

2

=

x

x

. Rozwiązaniami tego równania są

1

=

A

x

,

2

=

B

x

.

Rzędne wynoszą

3

)

1

(

2

)

1

(

4

)

1

(

2

2

=

=

+

=

A

y

oraz

0

)

2

(

2

)

2

(

4

)

2

(

2

2

=

=

+

=

B

y

.

Szukane punkty to

)

3

,

1

(

)

,

(

=

=

A

A

y

x

A

oraz

)

0

,

2

(

)

,

(

=

=

B

B

y

x

B

. Obszar ograniczony para-

bolami

1

y

i

2

y

pokazany jest na rysunku

x

y

F = 2

ab

F

3

2

=

y

x

a

b

parabola

background image

5


Szukane pole F jest sumą algebraiczną pól trapezów krzywoliniowych:

0

0

1

1

A

A

DB

ACB

A

F

F

F

F

=

,

gdzie:

(

)

=

+

=

+

=

=

=

=

2

1

3

2

1

2

2

1

1

4

3

1

4

)

(

1

x

x

ACB

A

x

x

dx

x

dx

x

y

F

9

)

1

(

4

)

1

(

3

1

2

4

2

3

1

3

3

=

+

+

=

,

(

)

=

=

=

=

=

=

2

0

2

3

2

0

2

2

0

2

0

3

1

2

)

(

x

x

DB

x

x

dx

x

x

dx

x

y

F

3

4

)

0

(

)

0

(

3

1

2

2

3

1

2

3

2

3

=

=

,

(

)

=

=

=

=

=

=

0

1

2

3

0

1

2

0

1

2

0

3

1

2

)

(

1

x

x

A

A

x

x

dx

x

x

dx

x

y

F

3

4

)

1

(

)

1

(

3

1

)

0

(

)

0

(

3

1

2

3

2

3

=

=

.

Stąd

9

3

4

3

4

9

0

0

1

1

=

=

=

A

A

DB

ACB

A

F

F

F

F

.

–1

2

0

F

4

)

(

2

1

+

=

x

x

y

x

x

x

y

2

)

(

2

2

=

dx

y

1

(x

)

y

2

(x

)

dS(x)

background image

6

Pole F można obliczyć inaczej jako sumę elementów pola dS(x) w granicach od –1 do 2:

(

)

9

4

3

2

)

4

2

2

(

)

(

)

(

)

(

2

1

2

3

2

1

2

2

1

2

1

2

1

=

+

+

=

+

+

=

=

=

=

=

x

x

x

x

x

dx

x

x

dx

x

y

x

y

dx

x

dS

F

.


Przykład 4. Obliczyć pole elipsy o osiach a i b.








Równanie elipsy ma postać

1

2

2

2

2

=

+

b

y

a

x

. Rozwiązując względem y otrzymamy równanie gór-

nego łuku elipsy

2

2

)

(

x

a

a

b

x

y

=

. Ze względu na symetrię wystarczy obliczyć pole pierw-

szej ćwiartki elipsy i wynik pomnożyć przez 4:

=

=

a

a

dx

x

a

a

b

dx

x

y

F

0

2

2

0

4

)

(

4

. (*)

Całkę

a

dx

x

a

0

2

2

obliczamy przez podstawienie

t

a

x

sin

=

, skąd

tdt

a

dx

cos

=

. Wraz ze

zmiana zmiennej należy również zmienić granice całkowania:

dla x = 0 mamy

t

a sin

0

=

, zatem t = 0,

dla x = a mamy

t

a

a

sin

=

, zatem

1

sin

=

t

, skąd

2

π

=

t

.

=

=

2

0

2

2

2

0

2

2

0

2

2

cos

cos

sin

1

π

π

dt

t

a

dt

t

t

a

dx

x

a

a

.

Stosujemy teraz podstawienie

)

2

cos

1

(

2

1

cos

2

t

t

+

=

i otrzymujemy

4

2

sin

2

1

2

)

2

cos

1

(

2

cos

2

2

0

2

2

0

2

2

0

2

2

0

2

2

a

t

t

a

dt

t

a

dt

t

a

dx

x

a

t

t

a

π

π

π

π

=

+

=

+

=

=

=

=

.

Wracając do wzoru (*) mamy

ab

a

a

b

dx

x

a

a

b

F

a

π

π

=

=

=

4

4

4

2

0

2

2

.

x

y

a

b

background image

7

9.4. Obliczanie objętości

Jeżeli znane jest pole S(x), jako funkcja zmiennej x, dowolnego przekroju bryły płaszczyzną
równoległą do pewnej ustalonej płaszczyzny P (płaszczyzna P nie musi być prostopadła do
osi x), to element objętości bryły jest równy

dx

x

S

x

dV

)

(

)

(

=

.



Wtedy objętość bryły określona jest wzorem

=

b

a

dx

x

S

V

)

(

.

Przykład 5. Obliczyć objętość elipsoidy trójosiowej

1

2

2

2

2

2

2

=

+

+

c

z

b

y

a

x

.

Rozwiązanie. Przekrój S(y) elipsoidy równoległy do płaszczyzny xz w odległości y jest elipsą

o równaniu

2

2

2

2

2

2

1

b

y

c

z

a

x

=

+

, które po przekształceniu przyjmuje postać

1

)

(

)

(

2

2

2

2

=

+

y

c

z

y

a

x

,

gdzie

2

2

)

(

y

b

b

a

y

a

=

oraz

2

2

)

(

y

b

b

c

y

c

=

. Pole elipsy S(y) jest równe

)

(

)

(

)

(

)

(

2

2

2

y

b

b

ac

y

c

y

a

y

S

=

=

π

π

.

S(x)

)

(x

dV

y

S(y)

y

background image

8

Objętość elipsoidy jest równa

abc

y

y

b

b

ac

dy

y

b

b

ac

dy

y

S

V

b

y

y

b

b

π

π

π

3

4

3

1

2

)

(

2

)

(

2

0

3

2

2

0

2

2

0

2

=

=

=

=

=

=

.


W przypadku bryły obrotowej, która powstaje przez obrót krzywej y = f(x) wokół osi x prze-
krój S(x) jest kołem, którego pole jest równe

2

)

(

)

(

x

f

x

S

π

=

.


Objętość bryły obrotowej jest równa

=

b

a

dx

x

f

V

2

)

(

π

.

Przykład 6. Obliczyć objętość stożka obrotowego ściętego o wysokości h i promieniach pod-
staw r oraz R.

Rozwiązanie. Stożek traktuje się jako bryłę ograniczoną powierzchnią powstałą przez obrót
odcinka AB wokół osi x.

Funkcję f(x) wyznaczmy z proporcji

h

x

r

R

r

x

f

=

)

(

, skąd

r

x

h

r

R

x

f

+

=

)

(

.

x

S(x)

f(x)

y = f(x)

x

y

0

A

B

y = f(x)

x

f(x)

background image

9

Stosując wzór na powierzchnię bryły obrotowej mamy

=





+

+

=

+

=

=

h

h

h

dx

r

x

h

r

R

r

x

h

r

R

dx

r

x

h

r

R

dx

x

f

V

0

2

2

2

2

2

0

0

2

2

)

(

)

(

π

π

π

)

(

3

1

)

(

3

)

(

2

2

0

2

2

3

2

2

r

Rr

R

h

x

r

x

h

r

r

R

x

h

r

R

h

x

x

+

+

=





+

+

=

=

=

π

π

.


9.5. Długość łuku krzywej płaskiej

Niech dana będzie krzywa płaska

y = f(x), o której zakładamy że jest różniczkowalna.



Długość łuku ∆

l(x) na przyroście ∆x jest w przybliżeniu równa

x

x

x

f

x

f

x

x

l

)

(

1

))

(

(

)

(

)

(

2

2

2

+

=

+

,

zatem

2

)

(

1

)

(

+

x

x

f

x

x

l

.

Przechodząc obustronnie do granicy ∆

x → 0 mamy

2

2

)

(

1

)

(

1

)

(

x

f

dx

x

df

dx

x

dl

+

=

+

=

.

Stąd element łuku jest równy

dx

x

f

x

dl

2

)

(

1

)

(

+

=

, zatem długość krzywej od A do B jest

równa

dx

x

f

x

dl

l

b

a

b

a

+

=

=

2

)

(

1

)

(

.

y = f(x)

y

f(x)

f(x)

x

l(x)

x

x

0

A

B

a

b

background image

10

Przykład 7. Obliczyć długość łuku paraboli z przykładu 2.

Rozwiązanie. Obliczenia będą łatwiejsze, jeśli oś y układu współrzędnych będzie osią syme-
trii paraboli. Przy tym przesunięciu długość łuku paraboli oczywiście nie ulegnie zmianie.









W przyjętym układzie współrzędnych parabola dana jest wzorem

2

2

4

)

(

x

b

a

x

f

y

=

=

. Stąd

x

b

a

x

f

2

8

)

(

=

. Korzystając z symetrii, długość łuku paraboli wynosi

dx

x

k

k

dx

x

a

b

b

a

dx

x

b

a

dx

x

f

l

b

b

b

b

+

=

+

=

+

=

+

=

2

0

2

2

2

0

2

2

4

2

2

0

2

2

2

0

2

2

64

8

2

8

1

2

)

(

1

2

, (**)

gdzie

a

b

k

8

2

=

. Obliczamy teraz całkę

+

=

dx

x

k

I

2

2

. Całkujemy przez części stosując wzór

=

g

df

g

f

dg

f

.

Przyjmujemy

2

2

)

(

x

k

x

f

+

=

oraz

dx

x

dg

=

)

(

. Stąd

dx

x

k

x

x

df

2

2

)

(

+

=

oraz

x

x

g

=

)

(

.

=

+

+

+

=

+

+

=

+

=

dx

x

k

k

x

k

x

k

x

dx

x

k

x

x

k

x

dx

x

k

I

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

=

+

+

+

+

=

+

+

+

+

+

=

dx

x

k

k

dx

x

k

x

k

x

dx

x

k

k

dx

x

k

x

k

x

k

x

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

dx

x

k

k

I

x

k

x

+

+

+

=

2

2

2

2

2

1

Otrzymaliśmy zatem równanie względem I

dx

x

k

k

I

x

k

x

I

+

+

+

=

2

2

2

2

2

1

,

skąd obliczamy

dx

x

k

k

x

k

x

I

+

+

+

=

2

2

2

2

2

1

2

2

. (#)

x

y

2

b

2

b

a

0

2

2

4

)

(

x

b

a

x

f

y

=

=

background image

11

Całkę

dx

x

k

+

2

2

1

obliczamy stosując podstawienie

2

t

t

e

e

k

x

=

. Stąd

dt

e

e

k

dx

t

t

2

+

=

.

Po podstawieniu

x oraz dx do całki i wykonaniu rachunków otrzymuje się

=

=

+

t

dt

dx

x

k

2

2

1

.

Rozwiązując równanie

2

t

t

e

e

k

x

=

względem

t otrzymamy

k

x

k

x

t

ln

)

ln(

2

2

+

+

=

, za-

tem

k

x

k

x

t

dt

dx

x

k

ln

)

ln(

1

2

2

2

2

+

+

=

=

=

+

.

Stąd i ze wzoru (#) mamy

k

k

x

k

x

k

x

k

x

dx

x

k

I

ln

2

)

ln(

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

+

+

+

+

=

+

=

.

Powracając do wzoru (**) obliczamy długość łuku paraboli (w całce oznaczonej pomijamy

składnik

k

k

ln

2

2

, gdyż nie zależy on od zmiennej

x)

=





+

+

+

+

=

+

=

=

=

2

0

2

2

2

2

2

2

0

2

2

)

ln(

2

2

2

2

b

x

x

b

x

k

x

k

x

k

x

k

dx

x

k

k

l

=

+

+

+

+

=

=

=

2

0

2

2

2

2

2

)

ln(

b

x

x

x

k

x

x

k

k

x

k





+

+

+

+

=

k

b

k

b

b

k

k

b

k

ln

4

2

ln

4

2

2

2

2

2

2

, gdzie

a

b

k

8

2

=

.

9.6. Pole powierzchni bocznej bryły obrotowej

Rozważamy bryłę obrotową, która powstaje przez obrót krzywej

y = f(x) wokół osi x


y = f(x)

x

y

0

f(x)

x

dS(x)

dl(x)

a

b

background image

12

Pole elementarnego paska powierzchni bocznej bryły obrotowej jest równe

dx

x

f

x

f

x

dl

x

f

x

dS

+

=

=

2

)

(

1

)

(

2

)

(

)

(

2

)

(

π

π

.

Stąd pole powierzchni bocznej bryły obrotowej jest równe

+

=

=

b

a

b

a

dx

x

f

x

f

x

dS

S

2

)

(

1

)

(

2

)

(

π

.


Przykład 7. Obliczyć pole powierzchni bocznej stożka obrotowego z przykładu 6.

Rozwiązanie. Funkcja tworząca powierzchnię obrotową określona jest równaniem

r

x

h

r

R

x

f

+

=

)

(

. Pochodna jest równa

h

r

R

x

f

=

)

(

. Powierzchnia boczna stożka wynosi

=

+

+

=

+

=

dx

h

r

R

r

x

h

r

R

dx

x

f

x

f

S

b

a

b

a

2

2

1

2

)

(

1

)

(

2

π

π

=

+

+

=

+

+

=

b

a

b

a

rx

x

h

r

R

h

r

R

dx

r

x

h

r

R

h

r

R

2

2

2

2

1

2

1

2

π

π

+

+

=

)

(

)

(

2

1

2

2

2

2

a

b

r

a

b

h

r

R

h

r

R

π

.

Całkowita powierzchnia stożka ściętego jest równa sumie powierzchni bocznej i powierzchni
podstaw.


9.7. Droga w ruchu zmiennym

Niech ciało porusza się po linii prostej ze zmienną prędkością

)

(t

υ

. Jeśli prędkość ciała w

chwili

t jest równa

)

(

t

υ

, to w dowolnie krótkim czasie

dt przyrost drogi wynosi

dt

t

x

ds

)

(

)

(

υ

=

. Stąd droga przebyta od chwili

t

1

do chwili

t

2

jest równa

=

2

1

)

(

t

t

dt

t

s

υ

.

Przykład 8. Prędkość ruchu ciała poruszającego się wzdłuż linii prostej dana jest wzorem

1

2

3

)

(

2

+

=

t

t

t

υ

m/s. Obliczyć drogę jaką ciało przebywa w czasie od 2 do 10 s.

Rozwiązanie. Droga przebyta przez ciało jest równa

1088

)

1

4

8

(

)

1

100

1000

(

)

1

(

)

1

2

3

(

10

2

10

2

2

3

2

=

+

+

=

+

=

+

=

=

=

t

t

t

t

dt

t

t

s

m/s.

background image

13

9.8. Praca wykonana przez zmienną siłę

Niech na ciało wzdłuż linii prostej działa zmienna siła F(x). Jeśli w punkcie x siła jest równa
F
(x), to praca wykonana przez tę siłę na przyroście przesunięcia dx jest równa dL(x) = F(x)dx.
Wtedy praca wykonana przez siłę F(x) na drodze od punktu x = a do punktu x = b jest równa

=

b

a

dx

x

F

L

)

(

.

Przykład 9. Jaką pracę należy wykonać, aby ciało o masie m w polu grawitacyjnym podnieść
na wysokość h ?

Rozwiązanie. Na wysokości x nad powierzchnią Ziemi na ciało o masie m działa siła grawita-

cji równa

2

)

(

)

(

x

R

GmM

x

F

+

=

, gdzie M oznacza masę Ziemi, R jaj promień, a G jest stałą grawi-

tacji. Praca wykonana przy podnoszeniu ciała o masie m na wysokość h jest równa

+

=

+

=

+

=

=

=

=

h

R

R

GmM

x

R

GmM

x

R

dx

GmM

dx

x

F

L

h

x

x

h

h

1

1

1

)

(

)

(

0

0

2

0

.


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
ATMiA 29 1 3 id 71755 Nieznany (2)
BBN NR 29 id 81911 Nieznany
5 29 id 39528 Nieznany (2)
29 2 id 32097 Nieznany (2)
29 5 id 32110 Nieznany (2)
29 id 32084 Nieznany
29 8 id 32114 Nieznany (2)
I 29 id 208109 Nieznany
29 4 id 32107 Nieznany (2)
4 29 id 36996 Nieznany (2)
29 9 id 32115 Nieznany (2)
7 29 id 44753 Nieznany (2)
ATMiA 29 1 3 id 71755 Nieznany (2)
lekcja 29 str 2 id 265129 Nieznany
Cw 29 szablon id 97632 Nieznany
lekcja 29 str 5 id 265132 Nieznany
29 PE Events id 32202 Nieznany (2)
DYREKTYWA 2001 29 WE id 145671 Nieznany
Cw 29 zaliczone id 121743 Nieznany

więcej podobnych podstron