Вычисление площади круга с помощью определенного интеграла. Тригонометрическая подстановка
Это очень важная задача, поскольку будет рассмотрен типовой интеграл и приём решения, который неоднократно встретится в будущем. Но сначала небольшое напоминание по уравнению окружности. Уравнение вида задаёт окружность с центром в точке радиуса . В частности, уравнение задаёт окружность радиуса с центром в начале координат, в точке (0; 0).
Пример 4 Вычислить площадь круга, ограниченного окружностью с уравнением . Выполним чертёж:
Сначала вычислим площадь круга с помощью известной школьной формулы. Если радиус круга , то его площадь равна: S = π∙r2 = π∙22 = 4π ед2. Для того, чтобы вычислить площадь круга с помощью определенного интеграла, необходимо из уравнения выразить функцию «игрек» от «икс» в явном виде: Верхняя полуокружность задается уравнением . Нижняя полуокружность задается уравнением . Можно подставить несколько точек окружности в эти уравнения и убедиться в справедливости вышеизложенных утверждений. Как вычислить площадь круга? В данном примере круг симметричен относительно начала координат, поэтому достаточно вычислить площадь одного сектора в 1-ой четверти (заштрихован синим цветом), а затем результат умножить на 4. Таким образом: . Такой же, но неопределенный интеграл рассматривался в Примере 6 раздела Сложные интегралы, он решался длительным и трудоёмким методом сведения интеграла к самому себе. Можно пойти тем же путём, но для определенного интеграла существует удобный и эффективный метод тригонометрической замены: Проведём замену: Почему именно такая замена, очень скоро станет понятно, а пока найдем дифференциал: Выясним, во что превратится корень, который распишем очень подробно: . Если в ходе решения вы не сможете догадаться применить формулу наподобие , то, увы, получите: «Приходите в следующий раз». После преобразования корня отчетливо видно, почему проведена замена , особое внимание обращаем на коэффициент при синусе – «двойке», этот коэффициент нужно подбирать таким образом, чтобы при возведении в квадрат всё хорошо вынеслось за скобки и из-под корня. Осталось вычислить новые пределы интегрирования: Если , то . Новый нижний предел интегрирования: . Новый верхний предел интегрирования: . Таким образом: . Площадь сектора необходимо умножить на 4, следовательно, площадь всей окружности: Вероятно, у некоторых возник вопрос, зачем вообще мучиться с интегралом, если есть короткая школьная формула S = π∙r2? А дело в том, что возможность очень точно вычислить площадь круга появилась только с развитием математического анализа, хотя уже в древности Архимед площадь круга рассчитывал с приличной точностью. Разобранный пример можно решить в общем виде, то есть найти площадь круга, ограниченного окружностью произвольного радиуса: . В результате получится как раз формула S = π∙r2! Следует отметить, что к решению данной задачи можно было применить и другой подход – вычислить площадь верхнего полукруга с помощью интеграла , а затем удвоить результат. Но в силу чётности подынтегральной функции решение сводится к оптимальной версии: . Еще раз подчеркнём важность проведенной тригонометрической замены, она встретится на практике не раз и не два. Поэтому, для закрепления материала, чуть - более сложное задание для самостоятельного решения:
Пример 5 Вычислить определенный интеграл . По условию требуется вычислить определенный интеграл, поэтому чертеж выполнять не нужно. Хорошо подумайте над коэффициентом в замене . Если возникнут трудности с интегралом после замены, вернитесь к уроку Интегралы от тригонометрических функций. Полное решение и ответ в конце урока.
Популярное: Организация как механизм и форма жизни коллектива: Организация не сможет достичь поставленных целей без соответствующей внутренней... Личность ребенка как объект и субъект в образовательной технологии: В настоящее время в России идет становление новой системы образования, ориентированного на вхождение... Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... ©2015-2020 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1880)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |