В этом разделе мы продолжим разбирать тему вычисления площадей плоских фигур. Рекомендуем тем, кто изучает темы не по порядку, сначала обратиться к статье «Геометрический смысл определенного интеграла» и разобрать способы вычисления площади криволинейной трапеции. Нам понадобится вычислять площади фигур, которые ограничены ограничены линиями y=f(x), x=g(y) в прямоугольной системе координат. А также раздел «Свойства площади фигур», где была разобрана квадрируемость плоских фигур.
Краткий обзор статьи
- Начнем с определения понятия криволинейного сектора, получим формулу для вычисления его площади. Для этого мы используем понятие определенного интеграла Дарбу.
- Подробно разберем решения задач с использованием таких кривых как кардиоида, архимедова спираль и лемниската Бернулли.
- В отдельную подтему мы выделили нахождение площади фигуры, которая представлена как разность двух криволинейных секторов.
Полярная система координат и криволинейный сектор
Точка, расположенная в полярной системе координат, имеет полярный угол φ0 и полярный радиус r0≥0. Полярный угол φ0 отсчитывается от полярной оси по часовой стрелке, а r0 – это расстояние от заданной точки до начала координат.
На рисунке мы отметили начало координат (полюс) жирной черной точкой, полярная ось имеет вид луча черного цвета, а красная точка определяется углом φ0=3π4 и расстоянием до полюса r0=4.
Мы можем рассматривать полярную систему координат одновременно с прямоугольной декартовой. Для этого необходимо совместить начала координат обеих систем, а ось абсцисс и полярной осью.
Задать связь полярных и декартовых координат можно соотношениями r=x2+y2φ=arctgyx, x≠0 и обратно x=r·cosφy=r·sinφ.
Координаты красной точки на чертеже 23; 2. Положение этой точки задается углом φ0=arctg223=π6 и расстоянием r0=232+22=4.
В полярной системе координат равенство φ=α задает луч, который выходит из точки начала координат и составляет угол α с полярной осью. При этом, угол α может быть задан как в радианах, так и в градусах. Полярную ось мы можем задать уравнением вида φ=0. Равенство r=C>0 задает окружность с центром в начале координат, где – это радиус.
Функция r=p(φ), φ∈α; β определяет некоторую линию в полярных координатах.
Следует учитывать тот факт, что с позиции геометрии функция r=p(φ), φ∈α; β во всех случаях будет неотрицательной. Связано это с тем, что она задает расстояние от начала координат до точки для заданного значения угла φ=φ0∈α; β. Однако мы будем встречать и отрицательные значенияr=p(φ) функции, что зависит от отношения к данному вопросу конкретных исследователей и преподавателей.
На рисунке мы изобразили несколько примеров линий в полярной системе координат.
Дадим определение криволинейному сектору.
Криволинейный сектор представляет собой фигуру, которая ограничена лучами φ=α, φ=β и некоторой линией r=p(φ)≥0, непрерывной на участке α; β.
На рисунке мы привели несколько примеров криволинейных секторов.
На последнем рисунке мы рассмотрели случай, когда фигура располагается между лучами φ=-π6, φ=π6, которые не являются ее границами.
Площадь криволинейного сектора – вывод формулы
Для вычисления площади криволинейного сектора мы можем вывести формулу. Для этого мы можем использовать формулу площади кругового сектора радиуса R с внутренним углом γ из школьного курса геометрии: Sкругового сектора=γ·R22. Задаем внутренний угол γ в радианах.
Разобьем криволинейный сектор на n частей такими лучами
φ=φ1, φ=φ2,…, φ=φn-1, что α=φ0<φ1<φ2<…<φn-1<β и λ=maxi=1, 2,…, nφi-φi-1→0 при n→+∞.
Учитывая свойства площади фигуры, мы можем представить площадь исходного криволинейного сектора S(G) как сумму площадей секторов S(Gi) на каждом из участков разбиения:
S(G)=∑i=1nS(Gi)
Обозначим наибольшее и наименьшее значения функции r=p(φ) на i-ом отрезке φi-1; φi, i=1, 2,…, n как Rmini и Rmaxi . На каждом из отрезков построим по два круговых сектора Pi и Qi с максимальным и минимальным радиусами Rmini и Rmaxi соответственно.
Фигуры, которые являются объединением круговых секторов Qi, i=1, 2,…, n; Pi, i=1, 2,…, n , обозначим как P и Q соответственно.
Их площади будут равны S(P)=∑i=1nS(Pi)=∑i=1n12(Rmini)2·φi-φi-1 и S(Q)=∑i=1nS(Qi)=∑i=1n12(Rmaxi)2·φi-φi-1, причем S(P)≤S(G)≤S(Q).
Так как функция r=pφ непрерывна на отрезке α; β, то функция 12p2φ будет непрерывна на этом отрезке. Если рассматривать S(P) и S(Q) для этой функции как нижнюю и верхнюю суммы Дарбу, то мы можем прийти к равенству:
limλ→0S(P)=limλ→0S(Q)=S(G)⇒S(G)=limλ→0∑ i=1n12(Rmini)2·φi-φi-1==limλ→0∑ i=1n12(Rmaxi)·φi-φi-1=12∫βαp2φdφ
Формула для определения площади криволинейного сектора имеет вид:
S(G)=12∫βαp2φdφ
Примеры вычисления площади криволинейного сектора
Рассмотрим алгоритмы вычисления площади криволинейного сектора с полярной системе координат на конкретных примерах.
Необходимо вычислить площадь плоской фигуры в полярных координатах, которая ограничена линией r=2sin2φи лучами φ=π6, φ=π3.
Решение
Для начала, изобразим описанную в условии задачи фигуру в полярной системе координат. Функция r=2sin(2φ)положительна и непрерывна на отрезке φ∈π6, π3.
Полученная фигура является криволинейным сектором, что позволяет нам применить формулу для нахождения площади этого сектора.
S(G)=12∫π6π3(2sin(2φ)2dφ=∫π6π32(sin(2φ)2dφ=∫π6π32·1-cos4φ2dφ=∫π6π3(1-cos(4φ))dφ=φ-14sin(4φ)π6π3==π3-14sin4π3-π6-14sin4π6=π6+34
Ответ: S(G)=π6+34
Задача упрощается в тех случаях, когда лучи φ=φ1, φ=φ2, ограничивающие фигуру, заданы. Тогда нам не нужно задумываться о пределах интегрирования при проведении вычисления площади.
Чаще встречаются задачи, где фигуру ограничивает лишь кривая r=p(φ). В этих случаях применить формулу S(G)=12∫αβp2(φ)dφ сразу не получится. Для начала придется решить неравенство p(φ)≥0 для нахождения пределов интегрирования. Так мы можем поступить в тех случаях, когда функция r=pφ неотрицательная. В противном случае нам придется ориентироваться только на область определения и период функции.
Необходимо вычислить площадь фигуры, которая ограничена кривой в полярных координатах r=-3·cos3φ.
Решение
Функция определена для всех действительных значений аргумента. Решим неравенство -3·cos3φ≥0:
-3·cos3φ≥0⇔cos3φ≤0⇔cos φ≤0⇔⇔π2+2πk≤φ≤3π2+2πk, k∈Z
Построим функцию в полярных координатах на отрезке φ∈π2; 3π2 (при k=0). Для других значений k в силу периодичности косинуса мы будем получать ту же самую кривую.
Применим формулу для вычисления площади фигуры в полярных координатах. В качестве нижнего и верхнего предела можно брать π2+2πk и 3π2+2πk соответственно для любого целого значения k.
S(G)=12∫π23π2(-3·cos3φ)dφ=92∫π23π2cos6φdφ
Для того, чтобы получить ответ, нам необходимо вычислить полученный определенный интеграл. Для этого мы можем использовать формулу Ньютона-Лейбница. Первообразную для формулы Ньютона-Лейбница мы можем с помощью рекуррентной формулы вида Kn(x)=sin x·cosn-1(x)n+n-1nKn-2(x), где Kn(x)=∫cosn(x)dx.
∫cos6φdφ=sin φ·cos5φ6+56∫cos4φdφ==sin φ·cos5φ6+56sin φ·cos3φ4+34cos2φdφ==sin φ·cos5φ6+5sin φ·cos3φ24+1524sin φ·cos φ2+12∫cos0φdφ==∫π23π2cos6φdφ=sin φ·cos5φ6+5sin φ·cos3φ24+15sin φ·cos φ48+15φ48π23π2==1548·3π2-1548·π2=5π16
Таким образом, искомая площадь фигуры, ограниченной линией в полярной системе координат, равна S(G)=92∫π23π2cos6φdφ=92·5π16=45π32.
Ответ: S(G)=45π32
В тех случаях, когда в полярной системе координат задается множество кривых, которые по форме напоминают листья клевера или цветка, площадь фигур, ограниченных этими кривыми, часто одинаковы. В этих случаях можно вычислить площадь одного «лепестка» и умножить ее на количество криволинейных фигур.
Необходимо вычислить площадь плоской фигуры в полярной системе координат, которая ограничена линией r=3·cos(3φ).
Решение
Найдем область определения, исходя из того, что эта функция неотрицательна для любого φ из области определения.
cos(3φ)≥0⇔-π2+2πk≤3φ≤π2+2πk, k∈Z-π6+2π3k≤φ≤π6+2π3k, k∈Z
Таким образом, период функции r=3·cos3φ равен 2π3. Это значит, что фигура состоит из трех областей одинаковой площади.
Построим фигуру на графике.
Вычислим площадь одного участка, расположенного на интервале φ∈π2; 5π6(при k=1):
12∫π25π69cos(3φ)dφ=12·3sin(3φ)π25π6=32sin3·5π6-sin3·π2=32(1-(-1)=3
Ответ: Площадь всей фигуры будет равна площади найденного участка, умноженной на 3.
Аналогичным образом можно найти площади фигур, имеющих сходное строение. Примером может служить лемниската Бернулли.
Площадь фигуры, которую ограничивает лемниската Бернулли
Лемниската Бернулли задается уравнением r=α·cos2φ где a – положительное число, влияющее на размер линии (но не на конфигурацию, схожую с символом бесконечности). Лемниската Бернулли строится при -π4+π·k≤φ≤π4+π·k, k∈Z.
Лемниската служит границей фигуры, которую можно представить как два равных по площади участка.
Для вычисления площади используем нужную формулу:
S(G)=2·12∫-π4π4a2cos(2φ)2φ=a22(sin(2φ))-π4π4==a22sin2·π4-sin2·-π4=a2
Получается, что площадь фигуры, которую ограничивает лемниската Бернулли, равна квадрату коэффициента a.
Площадь фигуры, границей которой является кардиоида
В полярной системе координат кардиоида задается уравнением вида r=2a(1+cosφ). В этом уравнении a – некоторое положительное число. Задающая кардиоиду функция является периодической с периодом 2π. Она определена для всех действительных значений угла. Это значит, что для вычисления площади нижним пределом интегрирования мы будем считать любое число, а верхним, то, которое на 2π больше нижнего.
Вычислим площадь фигуры, ограниченной кардиоидой r=2a(1+cosφ), для φ∈0; 2π:
S(G)=12∫02π(2a(1+cosφ))2dφ=2a2∫02π(1+2cosφ+cos2φ)dφ==2a2∫02π1+2cosφ+1+cos2φ2dφ==2a2∫02π32+2cosφ+cos(2φ)2dφ==2a232φ+2sin φ+14sin2φ02π=6π·a2
Площадь фигуры, которую ограничивает улитка Паскаля
В полярной системе координат улитка Паскаля может быть задана уравнением r=b+2a·cosφ. В этом уравнении a – это некоторое положительное число, b – любое действительное число. Кардиоиду можно рассматривать как частный случай улитки Паскаля. Получить кардиоиду можно при b=2a.
Улитка Паскаля в зависимости от значений параметров a и b может принимать различный вид. В данном разделе мы рассмотрим случаи, когда функцию r неотрицательная.
При b<-2a функция r=b+2a·cosφ будет отрицательной для любого значения угла φ.
При b=-2a улитка Паскаля имеет вид точки, которая совпадает с полюсом.
При -2a< b< 0 функция r=b+2a·cosφ неотрицательна для φ∈-arccos-b2a+2πk; arccos-b2a+2πk, k∈Z.
При 0<b<2a функция r=b+2a·cosφ неотрицательна для φ∈-arccos-b2a+2πk; arccos-b2a+2πk, k∈Z. Она ограничивает фигуру, которая по конфигурации напоминает кардиоиду.
При b>2a функция r=b+2a·cosφ является неотрицательной для любого значения угла. Графическая иллюстрация этого случая приведена ниже
Для того, чтобы правильно определить пределы интегрирования, необходимо учитывать соотношение параметров a и b.
Необходимы вычислить площадь фигуры, которая ограничена линиями, заданными уравнениями r=-3+6cosφ и r=5+4cosφ в полярной системе координат.
Решение
Формула r=-3+6cosφ соответствует фигуре, известной как улитка Паскаля..
Функция r=-3+6cosφ определена для всех значений угла φ. Нам необходимо выяснить, при каких φ функция будет неотрицательной:
-3+6cosφ≥0⇔cosφ≥12⇔-π3+2πk≤φ≤π3+2πk, k∈Z
Проведем вычисление площади фигуры, которая ограничена данной улиткой Паскаля:
S(G)=12∫-π3π3(-3+6cosφ)2dφ=92∫-π3π3(1-4cosφ+4cos2φ)dφ==92∫-π3π31-4cosφ+4·1+cos2φ2dφ==92∫-π3π3(3-4cosφ+2cos(2φ))dφ=92·3φ-4sinφ+sin(2φ-π3π3==92·3·π3-4sinπ3+sin2π3-3·-π3-4sin-π3+sin-2π3==92·2π-33
Улитка Паскаля, определяемая формулой r=5+4cosφ, соответствует пятому пункту. Функция r=5+4cosφ определена и положительна для всех действительных значений φ. Поэтому, площадь фигуры в этом случае равна:
S(G)=12∫02π(5+4cosφ)2dφ=12∫02π(25+40cosφ+16cos2φ)dφ==12∫02π25+40cosφ+16·1+cos(2φ)2dφ==12∫02π(33+40cosφ+8cos(2φ))dφ=12·33φ+40sinφ+4sin(2φ02π==12·33·2π+40sin(2π+4sin(4π)-33·0+40sin 0+4sin 0=33π
Ответ: S(G)=33π
Площадь фигур, границей которых является спираль Архимеда или логарифмическая спираль
Сразу обратимся к примеру.
Необходимо вычислить площадь фигур в полярной системе координат, первая из которых ограничена первым витком спирали Архимеда r=αφ, α>0, а вторая первым витком логарифмической спирали r=αφ, α>1.
Решение
Если в задаче сказано, что фигура ограничена первым витком спирали Архимеда, то угол φ изменяется от нуля до двух пи.
Исходя из этого, найдем площадь фигуры по формуле:
S(G)=12∫02π(αφ)2dϕ=α22∫02πφ2dφ=α22·φ3302π=4α3π33
Аналогично вычисляется площадь фигуры, ограниченной первым витком логарифмической спирали:
S(G)=12∫02π(αϕ)2dϕ=12∫02πa2φdφ=14ln a·a2φ02π==14ln a·a4π-1
Нахождение площади фигуры, которую можно представить как разность двух криволинейных секторов
Пусть фигура в полярной системе координат ограничена лучами φ=α, φ=β и непрерывными и неотрицательными на интервале φ∈α; β функциями r=p1(φ) и r=p2(φ), причем p1(φ)≤p2(φ) для любого угла φ=φ0∈α; β.
Находим площадь фигуры по формуле S(G)=12∫αβp22(φ)-p12(φ)dφ.
Действительно, в силу свойства аддитивности площади, фигуру G можно представить как разность двух криволинейных секторов G2 и G1.
Тогда площадь фигуры G равна разности площадей этих криволинейных секторов:
S(G)=S(G2)-S(G1)=12∫αβp22(φ)dφ-12∫αβp12(φ)dφ==12∫αβp22(φ)-p12(φ)dφ
Последний переход возможен в силу третьего свойства определенного интеграла.
Необходимо вычислить площадь фигуры, которая ограничена линиями φ=0, φ=π3, r=32, r=12φв полярной системе координат.
Решение
Построим заданную фигуру на графике.
Очевидно, что r=32 больше r=12φ для любого φ∈0; π3. Применяем полученную формулу для вычисления площади фигуры:
S(G)=12∫0π3322-12φ2dφ=12∫0π394-2-2φdφ==12·94φ+12·2-2φln 20π3=12·94φ+1ln 2·122φ+10π3==12·94·π3+1ln 2·122·π3+1-94·0+1ln 2·122·0+1==12·3π4+2-2π3-12·ln 2
Ответ: S(G)=12·3π4+2-2π3-12·ln 2
А теперь рассмотрим пример, когда фигура ограничена линиями, заданными в прямоугольной системе координат. Площадь такой фигуры намного проще вычислять, используя полярные координаты.
Необходимо вычислить площадь фигуры, которая ограничена прямыми линиями y=13x, x=3x, окружностями (x-2)2+(y-3)2=13, (x-4)2+(y-3)2=25.
Решение
В прямоугольной системе координат вычислить площадь полученной фигуры можно, но дело это долгое и хлопотное. Намного проще перейти к полярной системе координат, воспользовавшись формулами перехода.
x=r·cosφy=r·sinφ⇒y=13x⇔r·sinφ=r·cosφ3⇔tgφ=13⇔φ=π6+πky=3x⇔r·sinφ=3·r·cosφ⇔tgφ=3⇔φ=π3+πk(x-2)2+(y-3)2=13⇔x2+y2=4x+6y⇔r=4cosφ+6sinφ(x-4)2+(y-3)2=25⇔x2+y2=8x+6y⇔r=8cosφ+6sinφ
Функция r=8cosφ+6sinφ больше r=4cosφ+6sinφ для любого φ∈π6; π3. Вычисляем площадь фигуры в полярных координатах:
S(G)=12∫π6π38cosφ+6sinφ2-4cosφ+6sinφ2dφ==12∫π6π3(48cos2φ+48cosφ·sinφ)dφ==24∫π6π3cos2φdφ+24∫π6π3cosφ·sinφdφ==12∫π6π3(1+cos2φ)dφ+24∫π6π3sinφd(sinφ)==12·φ+12sin(2φ)π6π3+12·sin2φπ6π3==12·π3+12sin2π3-π6+12sin2π6+12·sin2π3-sin2π6==12·π6+12·322-122=2π+6
Ответ: S(G)=2π+6
а
)
Площадь криволинейной трапеции (явное
задание функции).
Зададим на отрезке
(
и
– конечные числа) неотрицательную,
непрерывную функцию
,
график которой изображен на рисунке.
Произведем разбиение
отрезка
на
– частей точками
Выберем на каждом
из полученных частичных отрезков
(
)
по произвольной точке
.
Определим значения функции
в этих точках и составим сумму
которую называют
интегральной суммой и которая, очевидно,
равна сумме площадей заштрихованных
прямоугольников, как показано на рисунке.
Предел, к которому
стремится интегральная сумма, когда
называется определенным интегралом от
функции
на отрезке
Е
сли
функция
отрицательна внутри отрезка
,
то интеграл по абсолютному значению
равен площади, покрываемой графиком,
но имеет отрицательное значение (см.
рис.).
П
усть
теперь
меняет знак на интервале
,
как показано на рисунке.
В этом случае
определенный интеграл будет подсчитываться
как
Н
апример, найти площадь фигуры,
ограниченной линией
в пределах интервала
,
где
,
(см. рисунок). Имеем.
Это
число
равно разности площадей
и
б)
Параметрическое
задание функции.
Пусть
кривая
,
ограничивающая исследуемую фигуру,
задана параметрически:
.
В этом случае дифференциал
будет равен:
.
И, следовательно, площадь фигуры будет
определяться следующим выражением:
где
.
Н
апример,
надо найти площадь эллипса. Уравнение
эллипса в параметрическом виде
записывается как
Действительно:
Отсюда
Тогда
четвертая часть площади эллипса (в
первом квадранте) будет рассчитываться
как
Отсюда
площадь эллипса равна
.
в) Площадь
криволинейного сектора (кривая
в полярных координатах)
дается формулой
Действительно,
согласно рисунку, площадь элементарного
сектора представляет собой площадь
треугольника, равную половине произведения
основания на высоту
Отсюда вытекает
основная формула.
Пример 8.
Найти площадь фигуры, ограниченной
кривой
– Кардиоида
О
тсюда
площадь кардиоиды равна
.
8. Вычисление длины дуги плоской кривой.
Длинна
кривой линии – это предел длины вписанной
в нее ломанной, когда длина наибольшего
звена стремится к нулю. Если этот предел
существует, то кривая называется
спрямляемой.
Теорема.
Пусть дана непрерывная, дифференцируемая
на
функция
.
Следовательно, ее производная тоже
непрерывна, причем
.
Тогда длина дуги графика функции
определяется выражением
Доказательство.
Согласно рисунку,
.
Отсюда длина элементарной дуги будет
равна
.
Длина всей дуги будет равна
Пример
9. Найти длину окружности.
Имеем
,
отсюда следует, что
.
Найдем производную
.
Следовательно, длина окружности будет
равна
Кривая задана
параметрически.
В этом случае
. Тогда
.
Следовательно
И, соответственно
Пример 10.
Найти длину дуги
Имеем
,
.
Длина дуги будет
равна
Кривая задана
в полярных координатах,
что представляет собой частный случай
параметрического задания кривой, где
параметром выступает угол
.
В этом случае:
,
.
Далее
,
.
Подынтегральное
выражение будет равно:
Таким образом,
длина дуги в полярных координатах будет
определяться выражением
Пример 11.
Вычислить длину кардиоиды
.
Имеем
.
Тогда
Соседние файлы в папке Лекц.Мат-ка Базов
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
19.03.2016694.27 Кб34~WRL2978.tmp
Площадь S криволинейного сектора, ограниченного непрерывной кривой r=r(f) и двумя лучами f=f1 и f=f2, где f1<f2 равняется половине определенного интегралу от квадрата радиуса кривой, проинтегрированного в пределах изменения угла
Задачи взяты из программы практикума для студентов мех-мата Львовского национального университета имени Ивана Франко. Первый номер в примерах отвечает номеру основного задания из сборника М. В. Заболоцький, Фединяк С.И., Филевич П.В. “Практикум из математического анализа” (рядом стоит номер из сборника Б. П. Демидовича).
Для запоминания основных моментов схема интегрирования и нахождения площадей из примера в пример будет повторяться. Сами ррешеня по возможности будут проиллюстрированы графиками исследуемых кривых.
Найти площади фигур, ограниченных кривыми, заданными в полярных координатах
Пример 2.106 (2418) Вычислить площадь фигуры, ограниченной кривыми r2=a2*cos(2f) (лемниската Бернулли).
Вычисление: Лемниската Бернулли – геометрическое место точек, произведение расстояний от которых до двух фиксированных точек (фокусов) остается постоянным и равняется квадрату половины расстояния между фокусами.
Запишем подинтегральную функцию: r2=a2*cos(2f) (известна за условием).
Найдем пределы интегрирования:
задана кривая замкнутая, симметричная относительно прямых r*cos(f)=0 и r*sin(f)=0.
Наведем график лемнискаты Бернулли
Поскольку заданная функция осями координат делится на четыре равных части и достигает своих критических значений при f1=0 (r=a) и f2=p/4 (r=0), то площадь фигуры вычислим для одной части лемнискаты, а результат умножим на 4.
Найдем площадь фигуры интегрированиям по углу
Площадь измеряется в единицах квадратных, однако в этом и следующих примерах размерности наводить не будем, хотя о них помним.
Пример 2.107 (2419) Найти площадь фигуры, ограниченной кривыми r=a* (1+cos(f)) – кардиоида.
Вычисление: Кардиоида – плоская линия, которая описывается фиксированной точкой круга, который катится по неподвижному кругу с таким же радиусом a.
Записываем подинтегральную функцию: r2=a2*(1+cos(f))2.
Находим пределы интегрирования: кривая замкнутая, симметричная относительно прямой r*sin(f) =0.
Поскольку заданная функция осями координат делится на две равных части и достигает своих критических значений при f1=0 (r=2a) и f2=p (r=0), то площадь фигуры вычислим для половины кардиоиды, а результат умножим на 2.
График кардиоиды имеет вид
Вычислим площадь фигуры, которая ограничена заданной кривой, интегрированием:
Пример 2.108 (2420) Найти площадь фигуры, ограниченной кривой r=a*sin(f) -трилисник.
Вычисление: Подносим функцию к квадрату, чтобы получить подинтегральную функцию:
r2=a2*sin2(f).
График трилистника в полярной системе координат
Установим пределы интегрирования:
Поскольку заданный график функции делится на шесть равных частей (полупелюсток) и достигает своих критических значений при f1=0 (r=0) и f2=p/6 (r=a/2) то площадь фигуры вычислим для одной его части, а результат умножим на 6.
Находим площадь фигуры интегрированием по углу
Получили простую для вычислений формулу площади трилистника S=Pi*a2/4.
Пример 2.109 ( 2421) Вычислить площадь фигуры, ограниченной кривой 
(парабола), f1=p/4, f2=p/2.
Вычисление: Подносим к квадрату уравнения кривой в полярной системе коринат (СК).
Пределы интегрирования известны f1=p/4, f2=p/2 за условием.
График фигуры, площадь которой нужно найти имеет вид
Интегрированием вычисляем площадь фигуры, которая ограничена параболой:
Для вычисления интеграла следует выполнить замену переменных, не забывая при этом , что изменяются пределы интегрирования.
Пример 2.110 ( 2422) Найти площадь фигуры, ограниченной кривой 
(эллипс)
Вычисление: Запишем подинтегральную функцию:
Пределы интегрирования: f1=0, f2=2p (начало и конец кривой эллипса).
График эллипса имеет вид
Находим площадь елипса, воспользовавшись следующей формулой интегрирования
При выведении этой формулы пользовались методом интегрирования частями!
Напоследок превращаем конечную формула с помощью известных формул.
Как видим, ответы задач 2.110 и 2.87 совпадают, то есть площадь эллипса S=Pi*a*b вычислена правильно.
Пример 2.111 (2422.1) Найти площадь фигуры, ограниченной кривой заданной в полярных координатах r=3+2*cos(f).
Вычисление: Сначала находим подинтегральную функцию: r2=(3+2*cos(f))2.
Дальше пределы интегрирования: задана кривая замкнутая, симметричная относительно прямой r*sin(f)=0.
Ее график приведен на рисунку ниже
Поскольку задана кривая осями координат делится на две равных части и достигает своих критических значений при углах f1=0 (r=5) и f2=p (r=1), то вычислим половину площади фигуры, а результат умножим на 2.
Находим площадь фигуры через определенный интеграл
Интеграл в данном случае не тяжелый и, возведя в квадрат подинтегральную функцию и понизив квадрат косинуса, в результате вычислений получим, что площадь равна S=11*Pi.
Пример 2.112 (2424.1) Найти площадь фигуры, ограниченной кривой заданной в полярных координатах r2+f2=1.
Вычисление: Выражаемый подинтегральную функцию: r2=1-f2 .
Найдем пределы интегрирования.
, поэтому 
, откуда 
.
Построим график кривой в математическом пакете Maple17.
Кривая состоит из двух веток корневой функции, поэтому для корректного ее отображения используем следующий код:
> restart;
> with (plots) :
> q1:=plot(sqrt(1-phi^2),phi=-1.1, color=blue, thickness=2, coords=polar):
q2:=plot(-sqrt(1-phi^2),phi=-1.1, color=blue, thickness=2, coords=polar):
> display (q1, q2);
Фрагмент программы Maple приведен ниже
Находим площадь фигуры, которая ограничена кривой:
Интеграл в этом задании простей всех, что рассматривались.
Пример 2.113 ( 2422.2) Вычислить площадь фигуры, ограниченной кривыми 
.
Вычисление: Выписываем подинтегральные функции:
Поскольку на промежутке интегрирования 
между кривыми выполняется неравенство
, то для нахождения площади имеем r22-r12.
Найдем пределы интегрирования: f1=0 – особенная точка (функция направляется к безграничности) f1=p/2 (известны за условием).
Находим площадь фигуры через предел от интеграла:
Данный пример хорошо разберите, чтобы не иметь трудностей на экзамене или модуле с подобными.
Пример 2.114 ( 2424) Вычислить площадь фигуры, ограниченной кривой 
Вычисление: Запишем подинтегральную функцию: r2.
Запишем пределы интегрирования:
(известны за условием).
График функций имеет вид
Вычислим площадь фигуры, что приведена на графике.
Для этого сначала находим дифференциал угла f и переходим к интегрированию по радиусу.
Для нахождения интеграла применяем интегрирование частями
Интеграл достаточно трудно находится, поэтому все что содержит формула внимательно проанализируйте.
Пример 2.116 (2424.4) Найти площадь фигуры, ограниченной полярными кривыми f=r-sin(r), f=p.
Вычисление: Подинтегральную функция следующая: r2.
Пределы интегрирования: f1=0, (r=0) начало; f1=p (известно за условием).
График функции имеет вид
Находим площадь фигуры, применяя дважды интегрирование частями
Интеграл не слишком сложен, все переходы просьба проанализировать самостоятельно.
Пример 2423 Вычислить площадь фигуры, ограниченной полярными кривыми r=a*cos(f), r=a(cos(f)+sin(f)), M (a/2;0)єS.
Вычисление: Для представления фигуры, площадь которой нужно найти предварительно выполняем построение графика заданных функций
Поскольку точка M (a/2;0)єS делит искомую площадь на две части, то имеем два интеграла
Записываем уравнение подинтегральных функций:
Определяем пределы интегрирования:
, где 
и 
где 
(точки пересечения линий).
Вычисляем площадь изображенной фигуры интегрированием
Здесь воспользовались известные тригонометрические формулы для понижения степени косинусов и синусов под интегралом. Все остальное сводятся к применению простых формул интегрирования, и нахождения их значений.
Пример 2424.2 Найти площадь фигуры, ограниченной полярными кривыми f=sin(p*r), r пренадлежит [0;1].
Вычисление: Запишем подинтегральную функцию: r2.
Запишем пределы интегрирования: При росте r от 0 к 1/2 угол f растет от 0 к 1, при росте r от 1/2 к 1 угол f спадает от 1 к 0, поэтому величина интеграла в пределах r пренадлежит [0;1] имеет знак “минус”.
Находим площадь фигуры, предварительно перейдя к новой переменной под интегралом:
Перед интегралом (после замены переменных) поставили знак “минус”, поскольку интеграл является отрицательным на этом промежутке, а площадь должна быть положительной.
Перейти к полярным координатам и найти площади фигур, ограниченных кривыми
Пример 2426 Перейти к полярным координатам и найти площадь фигуры x3+y3=3a*x*y (лист Декарта)
Вычисление: Перейдем от прямоугольной системы координат к полярной системе координат за формулами перехода:
При подстановке в уравнение получим
Поднесем к квадрату, чтобы получить подинтегральную функцию:
Выпишем пределы интегрирования:
, потому что 
при 
и при 
.
График функции имеет вид
Найдем площадь фигуры интегрированиям:
Для получения конечной формулы площади дважды применяли замену переменных под интегралом.
Внимательно разберите, как при этом изменяются пределы и эффективность методики.
Пример 2427 Перейти к полярным координатам и найти площадь фигуры x4+y4=3a2(x2+y2)
Вычисление: Переходим от прямоугольной к полярной системе координат:
Выражаемый подинтегральную функцию делением:
Запишем пределы интегрирования:
(функция парная).
Ее график изображен на рисунку
Оси прямоугольной системы координат являются осями симметрии для фигуры, которая ограничена заданной линией, поэтому площадь найдем для симметричной части и результат умножим на 4.
Находим площадь фигуры через интеграл:
Пример 2428 Перейти к полярным координатам и найти площадь фигуры (x2+y2)2=2a2*x*y (лемниската).
Вычисление: Выполняем переход от прямоугольной к полярной системе координат:
– подинтегральная функция.
График исследуемой кривой следующий
Запишем пределы интегрирования: учитывая симметрию точек лемнискаты относительно прямой r*sin(f) =r*cos (f) и относительно начала координат, то площадь фигуры будем искать в пределах 
и результат умножим на 4 (смотри пример 2.106).
Находим площадь фигуры интегрированием:
Вычислений в этом задании минимум.
В следующих публикациях Вы найдете больше примеров на применение определенного интеграла при вычислении длины дуги, объемов фигур вращения и площадей поверхностей.
Вычисление площади фигуры в полярных координатах
В этом разделе мы продолжим разбирать тему вычисления площадей плоских фигур. Рекомендуем тем, кто изучает темы не по порядку, сначала обратиться к статье «Геометрический смысл определенного интеграла» и разобрать способы вычисления площади криволинейной трапеции. Нам понадобится вычислять площади фигур, которые ограничены ограничены линиями y = f ( x ) , x = g ( y ) в прямоугольной системе координат. А также раздел «Свойства площади фигур», где была разобрана квадрируемость плоских фигур.
Краткий обзор статьи
- Начнем с определения понятия криволинейного сектора, получим формулу для вычисления его площади. Для этого мы используем понятие определенного интеграла Дарбу.
- Подробно разберем решения задач с использованием таких кривых как кардиоида, архимедова спираль и лемниската Бернулли.
- В отдельную подтему мы выделили нахождение площади фигуры, которая представлена как разность двух криволинейных секторов.
Полярная система координат и криволинейный сектор
Точка, расположенная в полярной системе координат, имеет полярный угол φ 0 и полярный радиус r 0 ≥ 0 . Полярный угол φ 0 отсчитывается от полярной оси по часовой стрелке, а r 0 – это расстояние от заданной точки до начала координат.
На рисунке мы отметили начало координат (полюс) жирной черной точкой, полярная ось имеет вид луча черного цвета, а красная точка определяется углом φ 0 = 3 π 4 и расстоянием до полюса r 0 = 4 .
Мы можем рассматривать полярную систему координат одновременно с прямоугольной декартовой. Для этого необходимо совместить начала координат обеих систем, а ось абсцисс и полярной осью.
Задать связь полярных и декартовых координат можно соотношениями r = x 2 + y 2 φ = a r c t g y x , x ≠ 0 и обратно x = r · cos φ y = r · sin φ .
Координаты красной точки на чертеже 2 3 ; 2 . Положение этой точки задается углом φ 0 = a r c t g 2 2 3 = π 6 и расстоянием r 0 = 2 3 2 + 2 2 = 4 .
В полярной системе координат равенство φ = α задает луч, который выходит из точки начала координат и составляет угол α с полярной осью. При этом, угол α может быть задан как в радианах, так и в градусах. Полярную ось мы можем задать уравнением вида φ = 0 . Равенство r = C > 0 задает окружность с центром в начале координат, где – это радиус.
Функция r = p ( φ ) , φ ∈ α ; β определяет некоторую линию в полярных координатах.
Следует учитывать тот факт, что с позиции геометрии функция r = p ( φ ) , φ ∈ α ; β во всех случаях будет неотрицательной. Связано это с тем, что она задает расстояние от начала координат до точки для заданного значения угла φ = φ 0 ∈ α ; β . Однако мы будем встречать и отрицательные значения r = p ( φ ) функции, что зависит от отношения к данному вопросу конкретных исследователей и преподавателей.
На рисунке мы изобразили несколько примеров линий в полярной системе координат.
Дадим определение криволинейному сектору.
Криволинейный сектор представляет собой фигуру, которая ограничена лучами φ = α , φ = β и некоторой линией r = p ( φ ) ≥ 0 , непрерывной на участке α ; β .
На рисунке мы привели несколько примеров криволинейных секторов.
На последнем рисунке мы рассмотрели случай, когда фигура располагается между лучами φ = – π 6 , φ = π 6 , которые не являются ее границами.
Площадь криволинейного сектора – вывод формулы
Для вычисления площади криволинейного сектора мы можем вывести формулу. Для этого мы можем использовать формулу площади кругового сектора радиуса R с внутренним углом γ из школьного курса геометрии: S к р у г о в о г о с е к т о р а = γ · R 2 2 . Задаем внутренний угол γ в радианах.
Разобьем криволинейный сектор на n частей такими лучами
φ = φ 1 , φ = φ 2 , . . . , φ = φ n – 1 , что α = φ 0 φ 1 φ 2 . . . φ n – 1 β и λ = m a x i = 1 , 2 , . . . , n φ i – φ i – 1 → 0 при n → + ∞ .
Учитывая свойства площади фигуры, мы можем представить площадь исходного криволинейного сектора S ( G ) как сумму площадей секторов S ( G i ) на каждом из участков разбиения:
S ( G ) = ∑ i = 1 n S ( G i )
Обозначим наибольшее и наименьшее значения функции r = p ( φ ) на i -ом отрезке φ i – 1 ; φ i , i = 1 , 2 , . . . , n как R m i n i и R m a x i . На каждом из отрезков построим по два круговых сектора P i и Q i с максимальным и минимальным радиусами R m i n i и R m a x i соответственно.
Фигуры, которые являются объединением круговых секторов Q i , i = 1 , 2 , . . . , n ; P i , i = 1 , 2 , . . . , n , обозначим как P и Q соответственно.
Их площади будут равны S ( P ) = ∑ i = 1 n S ( P i ) = ∑ i = 1 n 1 2 ( R m i n i ) 2 · φ i – φ i – 1 и S ( Q ) = ∑ i = 1 n S ( Q i ) = ∑ i = 1 n 1 2 ( R m a x i ) 2 · φ i – φ i – 1 , причем S ( P ) ≤ S ( G ) ≤ S ( Q ) .
Так как функция r = p φ непрерывна на отрезке α ; β , то функция 1 2 p 2 φ будет непрерывна на этом отрезке. Если рассматривать S ( P ) и S ( Q ) для этой функции как нижнюю и верхнюю суммы Дарбу, то мы можем прийти к равенству:
lim λ → 0 S ( P ) = lim λ → 0 S ( Q ) = S ( G ) ⇒ S ( G ) = lim λ → 0 ∑ i = 1 n 1 2 ( R m i n i ) 2 · φ i – φ i – 1 = = lim λ → 0 ∑ i = 1 n 1 2 ( R m a x i ) · φ i – φ i – 1 = 1 2 ∫ β α p 2 φ d φ
Формула для определения площади криволинейного сектора имеет вид:
S ( G ) = 1 2 ∫ β α p 2 φ d φ
Примеры вычисления площади криволинейного сектора
Рассмотрим алгоритмы вычисления площади криволинейного сектора с полярной системе координат на конкретных примерах.
Необходимо вычислить площадь плоской фигуры в полярных координатах, которая ограничена линией r = 2 sin 2 φ и лучами φ = π 6 , φ = π 3 .
Решение
Для начала, изобразим описанную в условии задачи фигуру в полярной системе координат. Функция r = 2 sin ( 2 φ ) положительна и непрерывна на отрезке φ ∈ π 6 , π 3 .
Полученная фигура является криволинейным сектором, что позволяет нам применить формулу для нахождения площади этого сектора.
S ( G ) = 1 2 ∫ π 6 π 3 ( 2 sin ( 2 φ ) 2 d φ = ∫ π 6 π 3 2 ( sin ( 2 φ ) 2 d φ = ∫ π 6 π 3 2 · 1 – cos 4 φ 2 d φ = ∫ π 6 π 3 ( 1 – cos ( 4 φ ) ) d φ = φ – 1 4 sin ( 4 φ ) π 6 π 3 = = π 3 – 1 4 sin 4 π 3 – π 6 – 1 4 sin 4 π 6 = π 6 + 3 4
Ответ: S ( G ) = π 6 + 3 4
Задача упрощается в тех случаях, когда лучи φ = φ 1 , φ = φ 2 , ограничивающие фигуру, заданы. Тогда нам не нужно задумываться о пределах интегрирования при проведении вычисления площади.
Чаще встречаются задачи, где фигуру ограничивает лишь кривая r = p ( φ ) . В этих случаях применить формулу S ( G ) = 1 2 ∫ α β p 2 ( φ ) d φ сразу не получится. Для начала придется решить неравенство p ( φ ) ≥ 0 для нахождения пределов интегрирования. Так мы можем поступить в тех случаях, когда функция r = p φ неотрицательная. В противном случае нам придется ориентироваться только на область определения и период функции.
Необходимо вычислить площадь фигуры, которая ограничена кривой в полярных координатах r = – 3 · cos 3 φ .
Решение
Функция определена для всех действительных значений аргумента. Решим неравенство – 3 · cos 3 φ ≥ 0 :
– 3 · cos 3 φ ≥ 0 ⇔ cos 3 φ ≤ 0 ⇔ cos φ ≤ 0 ⇔ ⇔ π 2 + 2 πk ≤ φ ≤ 3 π 2 + 2 πk , k ∈ Z
Построим функцию в полярных координатах на отрезке φ ∈ π 2 ; 3 π 2 (при k = 0 ). Для других значений k в силу периодичности косинуса мы будем получать ту же самую кривую.
Применим формулу для вычисления площади фигуры в полярных координатах. В качестве нижнего и верхнего предела можно брать π 2 + 2 πk и 3 π 2 + 2 πk соответственно для любого целого значения k .
S ( G ) = 1 2 ∫ π 2 3 π 2 ( – 3 · cos 3 φ ) d φ = 9 2 ∫ π 2 3 π 2 cos 6 φ d φ
Для того, чтобы получить ответ, нам необходимо вычислить полученный определенный интеграл. Для этого мы можем использовать формулу Ньютона-Лейбница. Первообразную для формулы Ньютона-Лейбница мы можем с помощью рекуррентной формулы вида K n ( x ) = sin x · cos n – 1 ( x ) n + n – 1 n K n – 2 ( x ) , где K n ( x ) = ∫ cos n ( x ) d x .
∫ cos 6 φ d φ = sin φ · cos 5 φ 6 + 5 6 ∫ cos 4 φ d φ = = sin φ · cos 5 φ 6 + 5 6 sin φ · cos 3 φ 4 + 3 4 cos 2 φ d φ = = sin φ · cos 5 φ 6 + 5 sin φ · cos 3 φ 24 + 15 24 sin φ · cos φ 2 + 1 2 ∫ cos 0 φ d φ = = ∫ π 2 3 π 2 cos 6 φ d φ = sin φ · cos 5 φ 6 + 5 sin φ · cos 3 φ 24 + 15 sin φ · cos φ 48 + 15 φ 48 π 2 3 π 2 = = 15 48 · 3 π 2 – 15 48 · π 2 = 5 π 16
Таким образом, искомая площадь фигуры, ограниченной линией в полярной системе координат, равна S ( G ) = 9 2 ∫ π 2 3 π 2 cos 6 φ d φ = 9 2 · 5 π 16 = 45 π 32 .
Ответ: S ( G ) = 45 π 32
В тех случаях, когда в полярной системе координат задается множество кривых, которые по форме напоминают листья клевера или цветка, площадь фигур, ограниченных этими кривыми, часто одинаковы. В этих случаях можно вычислить площадь одного «лепестка» и умножить ее на количество криволинейных фигур.
Необходимо вычислить площадь плоской фигуры в полярной системе координат, которая ограничена линией r = 3 · cos ( 3 φ ) .
Решение
Найдем область определения, исходя из того, что эта функция неотрицательна для любого φ из области определения.
cos ( 3 φ ) ≥ 0 ⇔ – π 2 + 2 πk ≤ 3 φ ≤ π 2 + 2 πk , k ∈ Z – π 6 + 2 π 3 k ≤ φ ≤ π 6 + 2 π 3 k , k ∈ Z
Таким образом, период функции r = 3 · cos 3 φ равен 2 π 3 . Это значит, что фигура состоит из трех областей одинаковой площади.
Построим фигуру на графике.
Вычислим площадь одного участка, расположенного на интервале φ ∈ π 2 ; 5 π 6 (при k = 1 ):
1 2 ∫ π 2 5 π 6 9 cos ( 3 φ ) d φ = 1 2 · 3 sin ( 3 φ ) π 2 5 π 6 = 3 2 sin 3 · 5 π 6 – sin 3 · π 2 = 3 2 ( 1 – ( – 1 ) = 3
Ответ: Площадь всей фигуры будет равна площади найденного участка, умноженной на 3.
Аналогичным образом можно найти площади фигур, имеющих сходное строение. Примером может служить лемниската Бернулли.
Площадь фигуры, которую ограничивает лемниската Бернулли
Лемниската Бернулли задается уравнением r = α · cos 2 φ где a – положительное число, влияющее на размер линии (но не на конфигурацию, схожую с символом бесконечности). Лемниската Бернулли строится при – π 4 + π · k ≤ φ ≤ π 4 + π · k , k ∈ Z .
Лемниската служит границей фигуры, которую можно представить как два равных по площади участка.
Для вычисления площади используем нужную формулу:
S ( G ) = 2 · 1 2 ∫ – π 4 π 4 a 2 cos ( 2 φ ) 2 φ = a 2 2 ( sin ( 2 φ ) ) – π 4 π 4 = = a 2 2 sin 2 · π 4 – sin 2 · – π 4 = a 2
Получается, что площадь фигуры, которую ограничивает лемниската Бернулли, равна квадрату коэффициента a .
Площадь фигуры, границей которой является кардиоида
В полярной системе координат кардиоида задается уравнением вида r = 2 a ( 1 + cos φ ) . В этом уравнении a – некоторое положительное число. Задающая кардиоиду функция является периодической с периодом 2 π . Она определена для всех действительных значений угла. Это значит, что для вычисления площади нижним пределом интегрирования мы будем считать любое число, а верхним, то, которое на 2 π больше нижнего.
Вычислим площадь фигуры, ограниченной кардиоидой r = 2 a ( 1 + cos φ ) , для φ ∈ 0 ; 2 π :
S ( G ) = 1 2 ∫ 0 2 π ( 2 a ( 1 + cos φ ) ) 2 d φ = 2 a 2 ∫ 0 2 π ( 1 + 2 cos φ + cos 2 φ ) d φ = = 2 a 2 ∫ 0 2 π 1 + 2 cos φ + 1 + cos 2 φ 2 d φ = = 2 a 2 ∫ 0 2 π 3 2 + 2 cos φ + cos ( 2 φ ) 2 d φ = = 2 a 2 3 2 φ + 2 sin φ + 1 4 sin 2 φ 0 2 π = 6 π · a 2
Площадь фигуры, которую ограничивает улитка Паскаля
В полярной системе координат улитка Паскаля может быть задана уравнением r = b + 2 a · cos φ . В этом уравнении a – это некоторое положительное число, b – любое действительное число. Кардиоиду можно рассматривать как частный случай улитки Паскаля. Получить кардиоиду можно при b = 2 a .
Улитка Паскаля в зависимости от значений параметров a и b может принимать различный вид. В данном разделе мы рассмотрим случаи, когда функцию r неотрицательная.
При b – 2 a функция r = b + 2 a · cos φ будет отрицательной для любого значения угла φ .
При b = – 2 a улитка Паскаля имеет вид точки, которая совпадает с полюсом.
При – 2 a b 0 функция r = b + 2 a · cos φ неотрицательна для φ ∈ – a r c cos – b 2 a + 2 πk ; arccos – b 2 a + 2 πk , k ∈ Z .
При 0 b 2 a функция r = b + 2 a · cos φ неотрицательна для φ ∈ – a r c cos – b 2 a + 2 πk ; arccos – b 2 a + 2 πk , k ∈ Z . Она ограничивает фигуру, которая по конфигурации напоминает кардиоиду.
При b > 2 a функция r = b + 2 a · cos φ является неотрицательной для любого значения угла. Графическая иллюстрация этого случая приведена ниже
Для того, чтобы правильно определить пределы интегрирования, необходимо учитывать соотношение параметров a и b .
Необходимы вычислить площадь фигуры, которая ограничена линиями, заданными уравнениями r = – 3 + 6 cos φ и r = 5 + 4 cos φ в полярной системе координат.
Решение
Формула r = – 3 + 6 cos φ соответствует фигуре, известной как улитка Паскаля..
Функция r = – 3 + 6 cos φ определена для всех значений угла φ . Нам необходимо выяснить, при каких φ функция будет неотрицательной:
– 3 + 6 cos φ ≥ 0 ⇔ cos φ ≥ 1 2 ⇔ – π 3 + 2 π k ≤ φ ≤ π 3 + 2 πk , k ∈ Z
Проведем вычисление площади фигуры, которая ограничена данной улиткой Паскаля:
S ( G ) = 1 2 ∫ – π 3 π 3 ( – 3 + 6 cos φ ) 2 d φ = 9 2 ∫ – π 3 π 3 ( 1 – 4 cos φ + 4 cos 2 φ ) d φ = = 9 2 ∫ – π 3 π 3 1 – 4 cos φ + 4 · 1 + cos 2 φ 2 d φ = = 9 2 ∫ – π 3 π 3 ( 3 – 4 cos φ + 2 cos ( 2 φ ) ) d φ = 9 2 · 3 φ – 4 sin φ + sin ( 2 φ – π 3 π 3 = = 9 2 · 3 · π 3 – 4 sin π 3 + sin 2 π 3 – 3 · – π 3 – 4 sin – π 3 + sin – 2 π 3 = = 9 2 · 2 π – 3 3
Улитка Паскаля, определяемая формулой r = 5 + 4 cos φ , соответствует пятому пункту. Функция r = 5 + 4 cos φ определена и положительна для всех действительных значений φ . Поэтому, площадь фигуры в этом случае равна:
S ( G ) = 1 2 ∫ 0 2 π ( 5 + 4 cos φ ) 2 d φ = 1 2 ∫ 0 2 π ( 25 + 40 cos φ + 16 cos 2 φ ) d φ = = 1 2 ∫ 0 2 π 25 + 40 cos φ + 16 · 1 + cos ( 2 φ ) 2 d φ = = 1 2 ∫ 0 2 π ( 33 + 40 cos φ + 8 cos ( 2 φ ) ) d φ = 1 2 · 33 φ + 40 sin φ + 4 sin ( 2 φ 0 2 π = = 1 2 · 33 · 2 π + 40 sin ( 2 π + 4 sin ( 4 π ) – 33 · 0 + 40 sin 0 + 4 sin 0 = 33 π
Ответ: S ( G ) = 33 π
Площадь фигур, границей которых является спираль Архимеда или логарифмическая спираль
Сразу обратимся к примеру.
Необходимо вычислить площадь фигур в полярной системе координат, первая из которых ограничена первым витком спирали Архимеда r = α φ , α > 0 , а вторая первым витком логарифмической спирали r = α φ , α > 1 .
Решение
Если в задаче сказано, что фигура ограничена первым витком спирали Архимеда, то угол φ изменяется от нуля до двух пи.
Исходя из этого, найдем площадь фигуры по формуле:
S ( G ) = 1 2 ∫ 0 2 π ( α φ ) 2 d ϕ = α 2 2 ∫ 0 2 π φ 2 d φ = α 2 2 · φ 3 3 0 2 π = 4 α 3 π 3 3
Аналогично вычисляется площадь фигуры, ограниченной первым витком логарифмической спирали:
S ( G ) = 1 2 ∫ 0 2 π ( α ϕ ) 2 d ϕ = 1 2 ∫ 0 2 π a 2 φ d φ = 1 4 ln a · a 2 φ 0 2 π = = 1 4 ln a · a 4 π – 1
Нахождение площади фигуры, которую можно представить как разность двух криволинейных секторов
Пусть фигура в полярной системе координат ограничена лучами φ = α , φ = β и непрерывными и неотрицательными на интервале φ ∈ α ; β функциями r = p 1 ( φ ) и r = p 2 ( φ ) , причем p 1 ( φ ) ≤ p 2 ( φ ) для любого угла φ = φ 0 ∈ α ; β .
Находим площадь фигуры по формуле S ( G ) = 1 2 ∫ α β p 2 2 ( φ ) – p 1 2 ( φ ) d φ .
Действительно, в силу свойства аддитивности площади, фигуру G можно представить как разность двух криволинейных секторов G 2 и G 1 .
Тогда площадь фигуры G равна разности площадей этих криволинейных секторов:
S ( G ) = S ( G 2 ) – S ( G 1 ) = 1 2 ∫ α β p 2 2 ( φ ) d φ – 1 2 ∫ α β p 1 2 ( φ ) d φ = = 1 2 ∫ α β p 2 2 ( φ ) – p 1 2 ( φ ) d φ
Последний переход возможен в силу третьего свойства определенного интеграла.
Необходимо вычислить площадь фигуры, которая ограничена линиями φ = 0 , φ = π 3 , r = 3 2 , r = 1 2 φ в полярной системе координат.
Решение
Построим заданную фигуру на графике.
Очевидно, что r = 3 2 больше r = 1 2 φ для любого φ ∈ 0 ; π 3 . Применяем полученную формулу для вычисления площади фигуры:
S ( G ) = 1 2 ∫ 0 π 3 3 2 2 – 1 2 φ 2 d φ = 1 2 ∫ 0 π 3 9 4 – 2 – 2 φ d φ = = 1 2 · 9 4 φ + 1 2 · 2 – 2 φ ln 2 0 π 3 = 1 2 · 9 4 φ + 1 ln 2 · 1 2 2 φ + 1 0 π 3 = = 1 2 · 9 4 · π 3 + 1 ln 2 · 1 2 2 · π 3 + 1 – 9 4 · 0 + 1 ln 2 · 1 2 2 · 0 + 1 = = 1 2 · 3 π 4 + 2 – 2 π 3 – 1 2 · ln 2
Ответ: S ( G ) = 1 2 · 3 π 4 + 2 – 2 π 3 – 1 2 · ln 2
А теперь рассмотрим пример, когда фигура ограничена линиями, заданными в прямоугольной системе координат. Площадь такой фигуры намного проще вычислять, используя полярные координаты.
Необходимо вычислить площадь фигуры, которая ограничена прямыми линиями y = 1 3 x , x = 3 x , окружностями ( x – 2 ) 2 + ( y – 3 ) 2 = 13 , ( x – 4 ) 2 + ( y – 3 ) 2 = 25 .
Решение
В прямоугольной системе координат вычислить площадь полученной фигуры можно, но дело это долгое и хлопотное. Намного проще перейти к полярной системе координат, воспользовавшись формулами перехода.
x = r · cos φ y = r · sin φ ⇒ y = 1 3 x ⇔ r · sin φ = r · cos φ 3 ⇔ t g φ = 1 3 ⇔ φ = π 6 + πk y = 3 x ⇔ r · sinφ = 3 · r · cosφ ⇔ tgφ = 3 ⇔ φ = π 3 + πk ( x – 2 ) 2 + ( y – 3 ) 2 = 13 ⇔ x 2 + y 2 = 4 x + 6 y ⇔ r = 4 cosφ + 6 sinφ ( x – 4 ) 2 + ( y – 3 ) 2 = 25 ⇔ x 2 + y 2 = 8 x + 6 y ⇔ r = 8 cosφ + 6 sinφ
Функция r = 8 cos φ + 6 sin φ больше r = 4 cos φ + 6 sin φ для любого φ ∈ π 6 ; π 3 . Вычисляем площадь фигуры в полярных координатах:
S ( G ) = 1 2 ∫ π 6 π 3 8 cos φ + 6 sin φ 2 – 4 cos φ + 6 sin φ 2 d φ = = 1 2 ∫ π 6 π 3 ( 48 cos 2 φ + 48 cos φ · sin φ ) d φ = = 24 ∫ π 6 π 3 cos 2 φ d φ + 24 ∫ π 6 π 3 cos φ · sin φ d φ = = 12 ∫ π 6 π 3 ( 1 + cos 2 φ ) d φ + 24 ∫ π 6 π 3 sin φ d ( sin φ ) = = 12 · φ + 1 2 sin ( 2 φ ) π 6 π 3 + 12 · sin 2 φ π 6 π 3 = = 12 · π 3 + 1 2 sin 2 π 3 – π 6 + 1 2 sin 2 π 6 + 12 · sin 2 π 3 – sin 2 π 6 = = 12 · π 6 + 12 · 3 2 2 – 1 2 2 = 2 π + 6
Найдите площадь фигуры ограниченной линией заданной уравнением в полярных координатах онлайн
Запрошуємо усіх хто любить цікаві задачі та головоломки відвідати групу! Зараз діє акція – підтримай студента! Знижки на роботи + безкоштовні консультації.
Контакты
Администратор, решение задач
Роман
Tel. +380685083397
[email protected]
skype, facebook:
roman.yukhym
Решение задач
Андрей
facebook:
dniprovets25
Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями
Данный калькулятор поможет найти площадь фигуры, ограниченной линиями.
Для того чтобы вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями, применяется одно из свойств интеграла. Это свойство аддитивности площадей, интегрируемых на одном и том же отрезке функции. Аддитивность означает, что площадь замкнутой области, составленных из нескольких фигур, не имеющих общих внутренних точек, равна сумме площадей этих фигур. Интеграл равен площади криволинейной трапеции, ограниченной графиками функций. Вычисление интеграла производится по закону Ньютона-Лейбница, согласно которому результат равен разности первообразной функции от граничных значений интервала.
- : x^a
- : Sqrt[x]
- : x^(1/n)
- : a^x
- : Log[a, x]
- : Log[x]
- : cos[x] или Cos[x]
- : sin[x] или Sin[x]
- : tan[x] или Tan[x]
- : cot[x] или Cot[x]
- : sec[x] или Sec[x]
- : csc[x] или Csc[x]
- : ArcCos[x]
- : ArcSin[x]
- : ArcTan[x]
- : ArcCot[x]
- : ArcSec[x]
- : ArcCsc[x]
- : cosh[x] или Cosh[x]
- : sinh[x] или Sinh[x]
- : tanh[x] или Tanh[x]
- : coth[x] или Coth[x]
- : sech[x] или Sech[x]
- : csch[x] или Csch[е]
- : ArcCosh[x]
- : ArcSinh[x]
- : ArcTanh[x]
- : ArcCoth[x]
- : ArcSech[x]
- : ArcCsch[x]
- [19.67] =19: integral part of (19.67) – выделяет целую часть числа (integerPart)
Предложения и пожелания пишите на [email protected]
Поделитесь этим калькулятором на форуме или в сети!
Вычислить площадь фигуры, ограниченной кривыми онлайн
Вычисление площадей плоских фигур является одним из приложений определенного интеграла.
Для того, чтобы получить площадь фигуры изображенной на рисунке, необходимо вычислить определенный интеграл вида:
Функции и как правило, известны из условия задачи, а вот абсциссы их точек пересечения и придется дополнительно найти. Для этого необходимо решить уравнение:
Описанным выше способом, можно также найти площадь криволинейной трапеции в случае, если графики функций и не пересекаются, но точки и заданы по условию задачи:
В этом случае криволинейная трапеция (фигура площадь которой мы вычисляем) образована графиками функций , и прямыми , .
Онлайн калькулятор, построенный на основе системы Wolfram Alpha, автоматически вычислит площадь фигуры, образованной пересечением двух графиков функций.
[spoiler title=”источники:”]
http://yukhym.com/ru/integrirovanie-funktsii/ploshchad-figury-v-polyarnykh-koordinatakh.html
http://mrcalc.ru/node/673
http://mathforyou.net/online/calculus/area/between/
[/spoiler]
