11 класс. Алгебра
 
математика-повторение Закрепляем и систематизируем знания основ школьной математики.
Рубрика "11 класс. Алгебра"

11.1.9.3. Площади криволинейных трапеций, заключенных между двумя кривыми

В алгебре часто решаются задачи на нахождение площади криволинейной трапеции, заключенной между двумя кривыми. Различают два случая: 1) переменная интегрирования х; 2) переменная интегрирования у.

Рассмотрим оба этих случая.

1) переменная интегрирования х. В этом случае трапеция ограничена  сверху и снизу двумя кривыми, а слева и справа прямыми х=а, х=b. (рис. 1). Границы интегрирования a и b, а чтобы получить подынтегральную функцию, мы из уравнения верхней линии вычитаем уравнение нижней линии. Тогда площадь трапеции:

 

2) переменная интегрирования у.  Криволинейная трапеция ограничена справа и слева двумя кривыми, а снизу и сверху прямыми y=a, y=b. (рис. 2). Границы интегрирования a и b. Чтобы получить подынтегральное выражение, мы из уравнения правой линии вычтем уравнение левой линии. Тогда площадь трапеции:

11.1.9.2. Площадь криволинейной трапеции, прилегающей к оси Оу

Если криволинейная трапеция прилегает к оси Оу (рис. 1) и ограничена непрерывной кривой x=f (y), осью ординат (прямой х=0) и прямыми y=a, y=b, то ее площадь вычисляется по той же формуле Ньютона-Лейбница (ф. Н-Л), только переменная интегрирования не х, а у:

 

 

Пример 1. Найти площадь криволинейной трапеции, ограниченной линиями: y=x², y=1, y=4 и осью Оу.

Решение.  Построим данную криволинейную трапецию (рис. 2).  Выразим х через у:

Искомую площадь S находим по формуле Ньютона-Лейбница (ф. Н-Л). У нас a=1, b=4.

 

11.1.9.2. Площадь криволинейной трапеции. Примеры

Площадь криволинейной трапеции, ограниченной сверху графиком функции y=f (x), снизу — осью Ох, слева и справа прямыми х=a, x=b, находят по формуле Ньютона-Лейбница (ф. Н-Л):

Пример 1. Найти площадь криволинейной трапеции, ограниченной линиями: y=4x-x²; y=0; x=0; x=4.

Решение.  Строим графики данных линий.  (рис. 1).
1) y=4x-x² — парабола (вида y=ax²+bx+c). Запишем данное уравнение в общем виде: y=-x²+4x. Ветви этой параболы направлены вниз, так как первый коэффициент а=-1<0.

Вершина параболы находится

в точке O′(m; n), где

О′(2; 4). Нули функции (точки пересечения графика с осью Ох) найдем из уравнения:

4х-х²=0.

Выносим х за скобки, получаем:  х(4-х)=0. Отсюда, х=0 или х=4.  Абсциссы точек найдены, ордината равна нулю — искомые точки: (0; 0) и (4; 0).

2) y=0 — это ось Ох; 3) х=0 — это ось Оy; 4) х=4 — прямая, параллельная оси Оy и отстоящая от нее на 4 единичных отрезка вправо.

Площадь построенной криволинейной трапеции находим по (ф. Н-Л). У нас f (x)=4x-x², a=0, b=4.

Кстати, если Вы подсчитаете все целые заштрихованные клетки и добавите к ним половину всех остальных клеток заштрихованной фигуры, то получите приближенное значение искомой площади. Действительно, если единичный отрезок равен одной клетке, то площадь квадратика со стороной, равной 1 клетке, равна 1·1=1 (кв. ед.). Сколько квадратиков — столько квадратных единиц и составляет площадь фигуры.

Пример 2. Найти площадь криволинейной трапеции, ограниченной линиями:

Решение. Строим графики данных линий. (рис. 2).

Площадь данной криволинейной трапеции:

11.1.9.1. Определенный интеграл. Площадь криволинейной трапеции

Пора познакомиться с мощнейшим средством исследования в математике, физике, механике и других точных дисциплинах. Это средство — определенный интеграл. В средней школе определенный интеграл применяют при вычислениях площадей криволинейных трапеций, объемов тел вращения, нахождении моментов инерции и т.д.

Что такое определенный интеграл? Чем он отличается от неопределенного, с которым мы уже достаточно знакомы.

Сравните:

 a и b — это границы, в которых изменяется переменная интегрирования х.

Сравниваем далее:

Неопределенный интеграл графически представляет собой семейство кривых, совмещаемых параллельным переносом (11.1.9).

Определенный интеграл (см. рисунок слева) представляет собой криволинейную трапецию, ограниченную сверху графиком функции y=f (x), снизу — осью Ох, а слева и справа прямыми x=a и х=b.

Значение определенного интеграла есть площадь S этой криволинейной трапеции:

Рассмотрим примеры на вычисление определенного интеграла.

Пример 1.

 

Найдем первообразную F (x) для подынтегральной функции f (x)=3x²-2x+1, а затем применим формулу Ньютона-Лейбница (ф. Н-Л).

Пример 2.

Возникает вопрос: раз определенный интеграл выражает собой площадь криволинейной трапеции, то нельзя ли увидеть эту криволинейную трапецию? А можно! Проиллюстрируем пример 2.

Полученный результат

выражает площадь криволинейной трапеции, ограниченной графиком функции y=(x+1)4, осью Ох и прямыми: х=0 (осью Оy) и х=1.

График функции y=(x+1)4 - парабола, ветви которой направлены вверх,

а вершина находится в точке О′(-1; 0).

Площадь этой криволинейной трапеции:

11.1.9. Нахождение первообразной по начальным условиям

Вспомним определения:

1. Дифференцируемая функция F (x) называется первообразной для функции f (x) на заданном промежутке, если для всех х из этого промежутка справедливо равенство:

F′(x)=f (x).

2. Совокупность всех первообразных F (x)+C функции f (x) на рассматриваемом промежутке называется неопределенным интегралом.

Как можно представить себе неопределенный интеграл

где F (x) - первообразная функции f (x), а С - некоторая постоянная величина?

Если в данном примере или задаче не даются начальные условия для нахождения величины С, то мы получаем неоднозначную функцию F (x)+С - семейство интегральных кривых. Графики этих кривых можно совместить с помощью параллельного переноса. Из семейства этих кривых нам нужно уметь выделять ту, которая проходит через данную точку.

Пример 1. Найти для функции f (x)=1-2x первообразную, график которой проходит через точку М(3; 2).

Решение.

F (x)=∫(1-2x) dx=∫dx-2∫xdx=x-x²+C.

Так как F (3)=2 по условию, то получаем равенство:

2=3-3²+С;

2=3-9+С;

2=-6+С → С=8.

Тогда F (x)=x-x²+8.

Пример 2. Найти ∫(sinx-cosx) dx, если при π/2 первообразная равна 6.

Решение.

∫(sinx-cosx) dx=∫sinxdx-∫cosxdx=-cosx-sinx+C.

По условию F (π/2)=6. Получаем равенство: -cos (π/2) -sin (π/2)+C=6;

0-1+C=6 → C=6+1; C=7.

Искомая функция F (x)=-cosx-sinx+7.

Пример 3. Найти первообразную для функции

принимает значение, равное нулю.

Решение.

11.1.8. Техника интегрирования тригонометрических функций

На предыдущем занятии (11.1.7.) мы рассмотрели простые примеры интегралов тригонометрических функций, когда подынтегральное выражение можно было упростить, используя подходящее тригонометрическое тождество, а затем применить соответствующую формулу интеграла тригонометрической функции. Кроме того, во всех примерах предыдущего занятия (11.1.7) мы интегрировали путем подведения под знак интеграла той линейной функции, которая являлась аргументом полученной тождественными преобразованиями тригонометрической функции.

Примеры этого занятия чуть сложнее, так как подынтегральное выражение нельзя будет упростить с помощью тригонометрического тождества. А как же будем решать? Мы продолжим применять тот же метод подведения под знак дифференциала, но уже подводить под знак дифференциала будем не просто линейную функцию, а тригонометрическую функцию, зависящую от линейной функции.

Пример 1. ∫sin7xcosxdx.

Подынтегральное выражение представляет собой произведение степени синуса на производную основания степени – синуса икс: (sinx)' = cosx.

Воспользуемся способом подведения под знак дифференциала и формулой интеграла степенной функции (формула 1) лист Интегралы). Заменяем cosxdx на d (sinx).

∫sin7xcosxdx =∫sin7xd (sinx) =(1/8) sin8x  + C.

Пример 2. (аналогичный). ∫sin7(4x + 5) cos (4x + 5) dx =(¼)∫sin7(4x + 5) d (sin (4x + 5)) =

=(¼)·(1/8)·sin8(4x+5)+C=(1/32) sin8(4x+5)+C.

Пример 3. ∫sin3xcos43xdx.  Воспользуемся способом подведения под знак дифференциала и формулой интеграла степени. Один множитель подынтегрального выражения cos43x оставим, а sin3xdx запишем в виде: d (cos3x).

Проверка: d (cos3x) = — 3sin3x. Следовательно, перед знаком интеграла поставим коэффициент: — (1/3).

∫sin3xcos43xdx= — (1/3)∫cos43xd (cos3x) = — (1/3)·(1/5)·cos53x+C = — (1/15) cos53x+C.

Пример 4. 

Увидели формулу 4) (лист Интегралы):

В самом деле, u = sinx, du = d (sinx) = cosxdx. Тогда:

Пример 5. (такой же пример со сложным аргументом у тригонометрических функций).

А теперь пример на ту же формулу 4) (лист Интегралы), только в качестве u будет использована функция косинуса, а именно: u=cosx, отсюда du=-sinxdx.

Пример 6. 

Пример 7.

В следующих примерах мы также будем подводить функцию под знак интеграла, а затем применять формулу 2) (лист Интегралы):

Пример 8.

Пример 9.

И примеры чуть сложнее:

Пример 10.

Пример 11.

11.1.7. Интегрирование тригонометрических функций-2

Продолжаем интегрировать тригонометрические функции по простейшим формулам 6) — 9) таблицы интегралов (лист "Интегралы") Но вот незадача — у нас всего 4 формулы, и нужная формула не всегда сразу «видна»! Как же следует поступать в таких случаях? Нужно постараться упростить подынтегральное выражение, используя подходящие тригонометрические тождества.

Пример 1. ∫(cos²x-sin²x) dx. Такой формулы интегрирования у нас нет, но мы можем упростить подынтегральное выражение, используя тригонометрическую формулу для косинуса двойного аргумента: cos2α=cos²α-sin²α.

Решение.

∫(cos²x-sin²x) dx=∫cos2xdx=½∫cos2xd (2x)=1/2sin2x+C.

При решении мы применяем метод подведения под знак дифференциала (смотрите предыдущие занятия). Так как мы подвели под знак дифференциала и получили выражение под знаком интеграла в 2 раза больше: d (2x)=2dx, то перед знаком интеграла ставим множитель ½. Сделаем проверку.

(F (x)+C)'=(1/2sin2x+C)'=½·cos2x·2=cos2x=cos²x-sin²x=f (x).

Пример 2. ∫(cos²4x-sin²4x) dx (аналогичный).

Решение.

∫(cos²4x-sin²4x) dx=∫cos8xdx=1/8∫cos8xd (8x)=1/8sin8x+C.

Пример 3. ∫(cos²x/2-sin²x/2) dx.

Решение.

∫(cos²x/2-sin²x/2) dx=∫сosxdx=sinx+C.

В примерах 2 и 3 мы так же, как и в примере 1, упрощали подынтегральное выражение по формуле для косинуса двойного аргумента,

а затем применяли формулу 6)∫cosudu=sinu+C (лист Интегралы).

Пример 4. ∫(sin²x+cos²x) dx.

Решение.

Применяем основное тригонометрическое тождество: sin²α+cos²α=1. (*)

∫(sin²x+cos²x) dx=∫1·dx=∫dx=x+C.

Пример 5. ∫2sinxcosxdx.

Решение.

Используем формулу синуса двойного аргумента: sin2α=2sinαcosα (**) и упростим подынтегральное выражение.

∫2sinxcosxdx=∫sin2xdx=½∫sin2xd (2x)=-1/2cos2x+C.

Пример 6. ∫sin3xcos3xdx. Решаем аналогично примеру 5.

Решение.

∫sin3xcos3xdx=∫1/2sin6xdx=½∫sin6xdx=(½)·(1/6)∫sin6xd (6x)=- (1/12) cos6x+C.

В примерах 5 и 6 мы использовали формулу 7)∫sinudu=-cosu+C (лист Интегралы), причем, интегрировали путем подведения под знак дифференциала.

Пример 7. ∫(sinx+cosx)²dx.

Решение.

Раскроем скобки, используя формулу квадрата суммы двух выражений: (a+b)²=a²+2ab+b².

∫(sinx+cosx)²dx=∫(sin²x+2sinxcosx+cos²x) dx. Теперь в подынтегральном выражении можно увидеть сразу 2 тригонометрические формулы (*) и  (**). 

∫(sinx+cosx)²dx=∫(sin²x+2sinxcosx+cos²x) dx=∫(1+sin2x) dx=

=∫dx+∫sin2xdx=∫dx+½∫sin2xd (2x)=x-1/2cos2x+C.

Пример 8. ∫2sin²xdx.

Решение.

Применим тригонометрическую формулу понижения степени для квадрата синуса данного аргумента: 2sin²α=1-cos2α.

∫2sin²xdx=∫(1-cos2x) dx=∫dx-∫cos2xdx=∫dx-½∫cos2xd (2x)=x-1/2sin2x+C.

Пример 9. ∫2cos²xdx.

Решение.

Применяем формулу понижения степени для квадрата косинуса аргумента: 2cos²α=1+cos2α. Тогда:

∫2cos²xdx=∫(1+cos2x) dx=∫dx+∫cos2xdx=∫dx+½∫cos2xd (2x)=x+1/2sin2x+C.

Пример 10 (аналогичный примеру 8). ∫2sin²5xdx.

Решение.

∫2sin²5xdx=∫(1-cos10x) dx=∫dx- (1/10)∫cos10xd (10x)=x- (1/10) sin10x+C.

Пример 11 (аналогичный примеру 9). ∫2cos²(x/2) dx.

Решение.

∫2cos²(x/2) dx=∫(1+cosx) dx=∫dx+∫cosxdx=x+sinx+C.

Пример 12. ∫8sinxcosxcos2xcos4xdx.

Решение.

Преобразуем подынтегральное выражение по формуле (**) — синуса двойного аргумента:

8sinxcosxcos2xcos4x=2·2·2·sinx·cosx·cos2x·cos4x=

=2sinxcosx·2·2·cos2x·cos4x=sin2x·2·2·cos2x·cos4x=

=2sin2xcos2x·2·cos4x=sin4x·2cos4x=sin8x.

Итак, ∫8sinxcosxcos2xcos4xdx=∫sin8xdx=1/8∫sin8xd (8x)=- (1/8) cos8x+C.

11.1.6. Интегрирование тригонометрических функций

Пример 1. ∫sin3xdx.

У нас есть формула 7). Интегралы:  ∫sinudu= — cos u + C.

Из этой формулы следует, что какой аргумент у синуса – такой же должна быть и переменная интегрирования. Будем считать, что в нашем случае u = 3x, тогда du = 3dx. Подведем под знак дифференциала 3х, не забыв уравнять обе части равенства.

∫sin3xdx=(1/3)∫sin3xd (3x) = — (1/3) cos 3x + C.

Проверка.

(F (x)+C)' = ( — 1/3 cos 3x + C)' = — (1/3) · (cos 3x)' = — (1/3) · (-3sin 3x) = sin 3x = f (x).

Пример 2. ∫cos (4x+3) dx.

Используем формулу 6). Интегралы:  ∫cosudu=sinu+C.

Подводим под знак дифференциала (4х + 3). Так как d (4x + 3) = 4dx, то

∫cos (4x+3) dx=(¼)∫cos (4x+3) d (4x+3) =(¼)  sin (4x + 3) + C.

Проверка.

(F (x)+C)'= ( (¼) sin (4x + 3) + C)' = (¼) · 4 cos (4x + 3) = cos (4x + 3) = f (x).

Пример 3.

 

Какую формулу напоминает этот пример? Правильно, формулу 8). Интегралы.

Подводим под знак дифференциала (3х+π/4).  Тогда d (3x+π/4) = 3dx, значит, чтобы значение данного выражения не изменилось, поставим перед знаком интеграла 1/3.

Пример 4.  

Чтобы применить формулу 9). Интегралы, нужно подвести под знак дифференциала (4х- π/5). Отсюда следует: d (4х-π/5)=4dx. Перед знаком интеграла поставим множитель ¼.

11.1.5. Непосредственное интегрирование-2

При интегрировании путем подведения под знак дифференциала, в предыдущих занятиях, мы подводили под знак дифференциала линейную функцию. На самом деле, вместо переменной u мы каждый раз подразумевали выражение вида kx+b, т.е. полагали: u-kx+b, получали du=kdx, а затем перед знаком интеграла ставили коэффициент 1/k, чтобы не изменилось значение данного интеграла. При решении использовали свойства и таблицу интегралов — лист Интегралы.

А можно ли под знак дифференциала подводить нелинейную функцию? Да, если подынтегральное выражение представляет собой произведение двух множителей: один множитель — сложная функция от какой-то нелинейной функции, а другой множитель есть производная от этой нелинейной функции. Рассмотрим сказанное на примерах.

Найти неопределенные интегралы.

Пример 1. ∫(2x + 1)(x2 + x + 2)5 dx = ∫(x2 + x + 2)5 d (x2 + x + 2) =(x²+x+2)6:6  + C.

Что представляет собой данное подынтегральное выражение? Произведение степенной функции от (х2 + х + 2) и множителя (2х + 1), который равен производной от основания степени: (х2 + х + 2)' = 2х + 1.

Это и позволило нам подвести (2х + 1) под знак дифференциала:

(2x + 1) dx =  d (x2 + x + 2). А далее мы применили формулу:

∫u5du=u6:6+ C.   (Формула 1). Интегралы)

Проверка. (F (x)+ C)' =((x²+x+2)6:6  + C)′=1/6 · 6 (x2 + x + 2)5 · (x2 + x + 2)' =

=(x2 + x + 2)5 · (2x + 1) = (2x + 1)(x2 + x + 2)5 = f (x).

Пример 2. ∫(3x2 – 2x + 3)(x3 -  x2 + 3x + 1)5 dx = ∫(x3 – x2 + 3x + 1)5 d (x3 – x2 + 3x + 1) =

=(x³- x²+3x+1)6:6  + C

И чем этот пример отличается от примера 1? Да ничем! Та же пятая степень с основанием  (х3 – х2 + 3х + 1) умножается на трехчлен (3х2 – 2х + 3), который является производной основания степени: (х3 – х2 + 3х + 1)' = 3х2 – 2х + 3. Это основание степени мы и подвели под знак дифференциала, от чего значение подынтегрального выражения не изменилось, а затем применили ту же формулу 1). (Интегралы)

Пример 3.  

Здесь производная от (2х3 – 3х) даст (6х2 – 3), а у нас

имеется (12х2 – 6), то есть выражение в 2 раза большее, значит, подведем (2х3 – 3х) под знак дифференциала, а перед интегралом поставим множитель 2. Применим формулу 2) (лист Интегралы).

Вот что получится:

Сделаем проверку, учитывая, что:

Итак,

11.1.4. Непосредственное интегрирование

Что такое непосредственное интегрирование? Это интегрирование с использованием свойств и простейшей таблицы интегралов (Интегралы). Рассмотренный метод подведения под знак дифференциала (занятие 11.1.3) также относится к непосредственному интегрированию, так как нашей новой переменной служила линейная функция вида u=kx+b, но никаких новых букв мы не использовали, а просто применяли свойство VI (Интегралы), а именно:

 Это свойство значительно расширяет таблицу простейших интегралов, так как в силу этого свойства таблица интегралов оказывается справедливой независимо от того, является переменная интегрирования независимой переменной или дифференцируемой функцией. В занятии 11.1.3. мы учились применять метод подведения переменной под знак дифференциала, используя формулы 1) и 2) (Интегралы), причем, прежде чем использовать тот или иной табличный интеграл, мы приводили данный интеграл к виду:

∫f (φ(x))φ′(x) dx=∫f (u) du, где u=φ(x).     

Далее, продолжим непосредственное интегрирование с помощью остальных формул таблицы интегралов.

Рассмотрим пример на применение формулы 5) (Интегралы), а именно формулы:

В примере 1 неявно подразумевалось u=9x-2, что и позволило нам применить свойство VI и формулу 5), в результате чего под знак дифференциала мы подвели (9х-2). Перед знаком интеграла стоит множитель 1/9, так как d (9x-2)=9dx.

Рассмотрим пример на применение формулы 4) (Интегралы), а именно, формулы:

В примере 2 неявно подразумевается u=25x-1, поэтому, под знак дифференциала подвели 25х-1, отсюда du=25dx. Вот почему перед интегралом стоит множитель 1/25.

Страница 1 из 41234
Скайп-репетитор
ЕНТ в картинках
Instagram
Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ
Instagram
Мои обучающие видео
Архивы
Репетиторство по математике
Наверх