Как найти криволинейную трапецию. Нахождение площади криволинейного сектора. Определенный интеграл. Как вычислить площадь фигуры

№____ Дата________

Тема: Криволинейная трапеция и ее площад ь

Цели урока : Дать определения криволинейной трапеции и ее площади, научиться вычислять площадь криволинейной трапеции.

ХОД УРОКА

1. Организационный момент.

Приветствие учащихся, проверка готовности класса к уроку, организация внимания учащихся, раскрытие общих целей урока и плана его проведения.

2. Этап проверки домашнего задания.

Задачи: Установить правильность, полноту и осознанность выполнения д/з всеми учащимися, выявить пробелы в знаниях и способах деятельности учащихся. Определить причины возникновения затруднений, устранить обнаруженные пробелы.

3.Этап актуализации.

Задачи: обеспечение мотивации учения школьников, включение в совместную деятельность по определению целей урока. Актуализировать субъективный опыт учащихся.

Вспомним основные понятия и формулы.

Определение. Функция y= f (x), x  (a,b), называется первообразной для функции y=f(x), x  (a,b), если для каждого x  (a,b) выполняется равенство

F  (x)=f(x) .

Замечание. Если f (x) есть первообразная для функции f(x) , то при любой константе С , F(x)+C также является первообразной для f(x).

Задача нахождения всех первообразных функции f(x) называется интегрированием, а множество всех первообразных называется неопределенным интегралом для функции f(x) по dx и обозначается

Имеют место свойства:

1 . ;

2 . Если С= Const, то
;

3 .
.

Замечание. В школьном курсе математики не употребляется термин «неопределенный интеграл», вместо этого говорят «множество всех первообразных».

Приведем таблицу неопределенных интегралов.

Пример 1. Найти первообразную для функции
, проходящую через точку М (2;4).

Решение. Множество всех первообразных функции
есть неопределенный интеграл
. Вычислим его, используя свойства интеграла 1 и 2 . Имеем:

Получили, что множество всех первообразных задается семейством функций y=F(x)+C , то есть y=x 3 – 2x+C , где С – произвольная постоянная.

Зная, что первообразная проходит через точку М (2;4), подставим ее координаты в предыдущее выражение и найдем С .

4=2 3 –2 2+С  С =4–8+4; С =0.

Ответ: F(x)=x 3 - 2x – искомая первообразная.

4. Формирование новых понятий и способов действия.

Задачи: Обеспечить восприятие, осмысление и запоминание учащимися изучаемого материала. Обеспечить усвоение учащимися методики воспроизведения изученного материала, содействовать философскому осмыслению усваиваемых понятий, законов, правил, формул. Установить правильность и осознанность учащимися изученного материала, выявить пробелы первичного осмысления, провести коррекцию. Обеспечить соотнесение учащимися своего субъективного опыта с признаками научного знания.

Нахождение площадей плоских фигур

Задача нахождения площади плоской фигуры тесно связана с задачей нахождения первообразных (интегрированием). А именно: площадь криволинейной трапеции ограниченной графиком функции y=f(x) (f(x)> 0) прямыми x=a; x=b; y= 0, равна разности значений первообразной для функции y=f(x) в точках b и a :

S=F(b)–F(a)

Дадим определение определенного интеграла.

О
пределение. Пусть функция y=f(x) определена и интегрируема на отрезке [a,b ] и пусть F(x) – некоторая ее первообразная. Тогда число F(b)–F(a) называется интегралом от а до b функции f(x) и обозначается

.

Равенство
называется формулой Ньютона–Лейбница.

Эта формула связывает задачу нахождения площади плоской фигуры с интегралом.

В общем случае, если фигура ограничена графиками функций y=f(x) ; y=g(x) (f(x)>g(x) ) и прямыми x=a ; x=b , то ее площадь равна:

.

Пример2. В какой точке графика функции y=x 2 + 1 надо провести касательную, чтобы она отсекала от фигуры, образованной графиком этой функции и прямыми y= 0, x= 0, x= 1 трапецию наибольшей площади?

Решение. Пусть M 0 (x 0 ,y 0 ) – точка графика функции y=x 2 + 1, в которой проведена искомая касательная.

Найдем уравнение касательной y=y 0 +f  (x 0 )(x–x 0 ) .

Имеем:

Поэтому

.

Найдем площадь трапеции ОАВС .

.

B – точка пересечения касательной с прямой x= 1 

Задача свелась к нахождению наибольшего значения функции

S (x )=–x 2 +x+ 1 на отрезке . Найдем S  (x )=– 2x+ 1. Найдем критическую точку из условия S  (x )= 0  x= .

Видим, что функция достигает наибольшего значения при x= . Найдем
.

Ответ: касательную надо провести в точке
.

Отметим, что часто встречается задача нахождения интеграла, исходя из его геометрического смысла. Покажем на примере, как решается такая задача.

Пример 4. Используя геометрический смысл интеграла вычислить

а)
; б)
.

Решение.

а)
– равен площади криволинейной трапеции, ограниченной линиями .

Преобразуем

– верхняя половина окружности с центром Р (1;0) и радиусом R= 1.

Поэтому
.

Ответ:
.

б) Рассуждая аналогично, построим область, ограниченную графиками .2 – 2x+ 2, касательными к ней в точках A
, B (4;2)

y= –9x– 59, параболой y= 3x 2 +ax+ 1, если известно, что касательная к параболе в точке x=– 2 составляет с осью Ox угол величиной arctg 6.

Найти а , если известно, что площадь криволинейной трапеции, ограниченной линиями y= 3x 3 + 2x, x=a, y= 0, равна единице.

Найти наименьшее значение площади фигуры, ограниченной параболой y=x 2 + 2x– 3 и прямой y=kx+ 1.

6.Этап информации о домашнем задании.

Задачи: Обеспечить понимание учащимися цели, содержания и способов выполнения домашнего задания.№18, 19,20,21 нечетные

7.Подведение итогов урока.

Задача: Дать качественную оценку работы класса и отдельных учащихся.

Пример1 . Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями: х + 2у – 4 = 0, у = 0, х = -3, и х = 2

Выполним построение фигуры (см. рис.) Строим прямую х + 2у – 4 = 0 по двум точкам А(4;0) и В(0;2). Выразив у через х, получим у = -0,5х + 2. По формуле (1), где f(x) = -0,5х + 2, а = -3, в = 2, находим

S = = [-0,25=11,25 кв. ед

Пример 2. Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями: х – 2у + 4 = 0, х + у – 5 = 0 и у = 0.

Решение. Выполним построение фигуры.

Построим прямую х – 2у + 4 = 0: у = 0, х = - 4, А(-4; 0); х = 0, у = 2, В(0; 2).

Построим прямую х + у – 5 = 0: у = 0, х = 5, С(5; 0), х = 0, у = 5, D(0; 5).

Найдем точку пересечения прямых, решив систему уравнений:

х = 2, у = 3; М(2; 3).

Для вычисления искомой площади разобьем треугольник АМС на два треугольника АМN и NМС, так как при изменении х от А до N площадь ограничена прямой, а при изменении х от N до С - прямой

Для треугольника АМN имеем: ; у = 0,5х + 2, т. е. f(x) = 0,5х + 2, a = - 4, b = 2.

Для треугольника NМС имеем: y = - x + 5, т. е. f(x) = - x + 5, a = 2, b = 5.

Вычислив площадь каждого из треугольников и сложив результаты, находим:

кв. ед.

кв. ед.

9 + 4, 5 = 13,5 кв. ед. Проверка: = 0,5АС = 0,5 кв. ед.

Пример 3. Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями: y = x 2 , y = 0, x = 2, x = 3.

В данном случае требуется вычислить площадь криволинейной трапеции, ограниченной параболой y = x 2 , прямыми x = 2 и x = 3и осью Ох(см. рис.) По формуле (1) находим площадь криволинейной трапеции

= = 6кв. ед.

Пример 4. Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями: у = - x 2 + 4 и у = 0

Выполним построение фигуры. Искомая площадь заключена между параболой у = - x 2 + 4 и осью Ох.

Найдем точки пересечения параболы с осью Ох. Полагая у = 0, найдем х = Так как данная фигура симметрична относительно оси Оу, то вычислим площадь фигуры, расположенной справа от оси Оу, и полученный результат удвоим: = +4x]кв. ед. 2 = 2 кв. ед.

Пример 5. Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями: y 2 = x, yx = 1, x = 4

Здесь требуется вычислить площадь криволинейной трапеции, ограниченной верхней ветвью параболыy 2 = x, осью Ох и прямыми x = 1иx = 4 (см. рис.)

По формуле (1), где f(x) = a = 1 и b = 4 имеем = (= кв. ед.

Пример 6 . Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями:y = sinx, y = 0, x = 0, x= .

Искомая площадь ограничена полуволной синусоиды и осью Ох (см. рис.).

Имеем - cosx = - cos = 1 + 1 = 2 кв. ед.

Пример 7. Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями: y = - 6х, у = 0 и х = 4.

Фигура расположена под осью Ох (см. рис.).

Следовательно, её площадь находим по формуле (3)

= =

Пример 8. Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями:y = и х = 2. Кривую y = построим по точкам (см. рис.). Таким образом, площадь фигуры находим по формуле (4)

Пример 9 .

х 2 + у 2 = r 2 .

Здесь требуется вычислить площадь, ограниченную окружностью х 2 + у 2 = r 2 , т. е. площадь круга радиуса r с центром в начале координат. Найдем четвертую часть этой площади, взяв пределы интегрирования от 0

доr; имеем: 1 = = [

Следовательно, 1 =

Пример 10. Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями: у= х 2 и у = 2х

Данная фигура ограничена параболой у= х 2 и прямой у = 2х (см. рис.) Для определения точек пересечения заданных линий решим систему уравнений:х 2 – 2х = 0 х = 0 и х = 2

Используя для нахождения площади формулу (5), получим

= = [замена:

] =

Значит, несобственный интеграл сходится и его значение равно .

В разделе 4.3 уже отмечалось, что определенный интеграл () от

неотрицательной функции численно равен площади криволинейной трапеции, ограниченной графиком функции = (), прямыми = , = и= 0.

Пример 4.24. Вычислить площадь фигуры, заключенной между осью и синусоидой = sin , (рисунок 4.6 ).

		sin = − cos 0		= −(cos − cos 0) = 2.

Если фигура не является криволинейной трапецией, то ее площадь стараются представить в виде суммы или разности площадей фигур, являющихся криволинейными трапециями. В частности, справедлива теорема.

Теорема 4.13. Если фигура ограничена снизу и сверху графиками непрерывных функций = 1 (), = 2 () (не обязательно неотрицательных, (рисунок 4.7 ), то ее площадь можно найти по формуле

2 () − 1 () .

Пример 4.25. Вычислить площадь фигуры, ограниченной кривой = 4 и прямыми = и = 4.

										y = f2 (x)
										y = f1 (x)
			Рисунок 4.6							Рисунок 4.7
Решение. Построим								плоскости		(рисунок 4.8 ). Очевидно,
1 () = 4 , 2 () = ,
= ∫					2 − 4 ln			2 = 8 − 4 ln 4 − (2 − 4 ln 2) = 2(3 − 2 ln 2).

Часть I. Теория

Глава 4. Теория интегрирования 4.4. Приложения интеграла. Несобственные интегралы

	Рисунок 4.8

4.4.2. Длина дуги кривой

Вычисление длин кривых также приводит к интегралам. Пусть функция= () непрерывна на отрезке [ ; ] и дифференцируема на интервале (;). Ее график представляет некоторую кривую, (; ()), (; ()) (рисунок 4.9 ). Кривую разобьем точками 0 = , 1 , 2 , . . . , = напроизвольных частей. Соединим две соседние точки −1 и хордами,= 1, 2, . . . , . Получим -звенную ломаную, вписанную в кривую. Пусть

есть длина хорды −1 , = 1, 2, . . . , = max16 6 . Длина ломаной будет выражаться формулой

Естественно определить длину кривой как предельное значение длин ломаных, когда → 0, т.е.

Пусть есть абсциссы точек, = 1, 2, . . . ,
						< < . . . < = .

Тогда координаты точек есть (; ()), и, пользуясь формулой для расстояния между двумя точками , найдем

			C n−1
		C k 1C k

Следовательно, есть интегральная сумма для функции √ 1 + (′ ())2 на отрезке [ ; ]. Тогда на основании равенств (4.31) имеем:

= ∫
		1 + (′ ())2
Пример 4.26. Найти длину графика = 2						между = 0 и = 3.

Решение. Построим график указанной функции (рисунок 4.10 ).

	y = 2	√x 3

Рисунок 4.10

По формуле (4.33) находим:

= ∫ 3

= ∫ 3 √

= ∫ 3 √

1 + (2 1 )2

1 + (′ ())2

(+ 1)2

3 (+ 1)2 0 = 3 (8 − 1) = 3 .