Математические методы моделирования

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 09 Февраля 2013 в 16:15, реферат

Краткое описание

Рассмотрим некоторую ломаную, которая расположена достаточно близко к кривой у =f(x) на [а, b] (см. рис.2). Фигура под ломаной состоит из трапеций и прямоугольников, и ее площадь Sл (равная сумме площадей этих трапеций) может быть вычислена с использованием известных формул планиметрии. Поскольку ломаная выбрана достаточно близко к кривой y=f(x), то справедливо приближенное равенство .

Содержание

1.Понятие определенного интеграла, его геометрический и экономический смысл…………………………………………………………………………..…..2
1.1 Задача, приводящая к понятию определенного интеграла………………2
1.2 Понятие определенного интеграла…………………………………3
1.3 Геометрический смысл определенного интеграла…………………….....4
1.4 Экономический смысл определенного интеграла…………………………..6
2.Свойства определенного интеграла. Формула Ньютона-Лейбница………...7
2.1 Свойство определённого интеграла…………………………………….…7
2.2 Формула Ньютона-Лейбница………………………………………….......9
2.3 Замена переменной и формула интегрирования по частям а определенном интеграле………………………………………………………...11
3. Геометрические приложения определённого интеграла…………………...14
3.1 Вычисление площадей плоских фигур…………………………………...14
3.2 Вычисление объёмов тел вращения………………………………………21
3.3 Вычисление длины дуги плоской кривой………………………………..24
4. Несобственные интегралы…………………………………………………....26
5. Примеры и решение задач……………………………………………………31
5.1.Вычисление определенных интегралов по формуле
Ньютона-Лейбница……………………………………………………………...31
5.2 Замена переменной в определенном интеграле………………………….35
5.3 Метод интегрирования по частям в определенном интеграле………….38
6. Геометрические приложения определённого интеграла…………………...41

Вложенные файлы: 1 файл

Реф.doc

— 2.22 Мб (Скачать файл)

                             

 

             Рис.4

, т.е. 
                                         (2)

Таким образом, если функция    неположительна на , то площадь S над кривой    на    отличается знаком от определённого интеграла .

Пример 3.       Найти площадь у = -х2,     у = х – 2,      у = 0.

 


Решение.  Из чертежа (рис.5) видно,  что              у               у = х – 2

искомая площадь S может рассматриваться                                                       

как  площадь  над   кривой  ОАВ на отрезке               0              1          2           х

[0;2]. Однако  указанная  кривая (ломанная)

не   задаётся   одним   уравнением. Поэтому             -1                  А

для нахождения S = SOAB разобьём  криволи-

нейный треугольник  ОАВ на части,  проеци-                   у = -х2

руя  точку  А   (точку  пересечения)   на  ось 

абсцисс.Тогда S = SOAC + SABC    (см.рис.5).                        рис.5

Абсциссы точек О, А, В задают пределы интегрирования. Но эти абсциссы необходимо вычислить, решая уравнения (т.к. чертёж может быть неточным):

а)    y = – x2      и     у = 0; – х2 = 0, х = 0 ;

б)    y = х – 2     и     у = 0; х – 2 = 0,  х = 2;

в)    у = –х2       и     у = х – 2; -х2 = х – 2, х2 + х – 2 = 0

                                                                 х1 = –2        и        х2 = 1.

Абсциссу х = –2 не берём  т.к. она не входит в отрезок [0;2].

Итак:  ;     ;

Окончательно        

                                                                  y


3) Пусть на отрезке    задана                                                                               

 непрерывная функция                                                                                      

 общего вида. Предположим  так                                              y =                      

же, что исходный отрезок                               S1   c              d       S3                                                           

можно разбить точками  на конеч-                0     а            S2                     b       x ое число интервалов так, что на                                                                                       

каждом из  них  функция                                                                              

будет знакопостоянна или равна 0                                          рис.6                                                      

(т.е.  0 или 0 ).

Выясним, какая в данном случае существует связь между определённым интегралом и площадями получившихся криволинейных трапеций. Рассмотрим, например, случай функции, изображённой на рис.6. Площадь заштрихованной фигуры S = S1 + S2 + S3, т.е. равна алгебраической сумме соответствующих определённых интегралов.

На основании формул (1) и (2), получим:

Пример 4.       Найти площадь фигуры, ограниченной линиями:

у = 4x – x2 ,     y = 0,     x = 0,      x = 5.

Решение.  А) Выполним эскиз (рис.7)

                  б) Найдём абсциссу точки пересечения  параболы с осью ох:

 

       у                                                                             4х – х2 = 0


       4                                       x = 5                               х (4 – х) = 0

       3                                                                             х1 = 0,    х2 = 4

       2  

                      S1

       1

 

       0       1   2     3   4    S2    5        x                                                                                 

 

 

 

               рис.7

Таким образом:

S = S1 + S2.

Найдём S1:

 

 

 

Найдём S2 :

 

 

Итак  .

 

4) приведём формулу, применение  которой часто упрощает решение  задач на вычисление площадей  плоских фигур. 

Теорема. Пусть на отрезке заданы непрерывные функции и такие, что . Тогда площадь S фигуры, заключенной между кривыми и , на отрезке вычисляется по формуле

 

                      (3)

 

 

                                                                                                                                                              у


                                                        у                                                                B                 A              


у                                                                                                          у                       


      А                   В                                 a        b                     A                                         A1                    d          b                           

                                                                                             u                               h                   a       c                          x                          

                                        0   A                            B              0   A1                           x                                                  B                                                

         А1           В1                                                                                                                                                                        B1                                   

                                                             A1                           B1                                                                                                                      

0     а                     b       x                                                                                      B1                             

                                                                                                                                                                                                     

 

 

              а)                               б)                                в)                                г)

                                                                                       рис.8

 

Проиллюстрируем теорему графически. Возможны несколько случаев расположения кривых на отрезке .

 

А) 0  (см.рис.8. а).

,

откуда следует формула(3)

б) (см.рис.8. б)

     = 0

      = 0

-
= -
,

откуда следует (3)

в) ,   0,   0   (см.рис.8 в).

,

откуда следует(28.3).

 

г) Общий случай (см.рис.8 г) сводится к частным случаям, рассмотренным выше, если разбить отрезок на отдельные отрезки , , .

 

Пример 5.          Найти площадь фигуры,                         у                                        


Ограниченной  линиями  у = х2 – 2,     у = х                                                 у = х                     

(рис. 9.)                                                         у = х2 – 2                                                         


 

Решение. Найдём пределы интегрирования                     -1  0                                           

т.е.   найдём   абсциссы  точек пересечения                                        2

параболы  у = х2 – 2 и прямой  у = х,  решив

уравнение: х2 – 2 = х,   х2 – х – 2 = 0  

                       х1 = - 1 , х2 = 2                                                         -2

                                                                                            рис.9

                                                 

Так как на отрезке [ -1 ; 2] х  х2 – 2  ( т.е. график функции у = ч расположен выше графика функции у = х2 – 2), то применяем формулу (3).

 

Полагая = , = . Абсциссы точек А и В пересечения наших линий зададут пределы интегрирования:

 

Замечение.         А) Если плоская фигура имеет сложную форму (см.рис.10.), то прямыми, параллельными оси Оу, её следует разбить на части так, чтобы можно было применить уже изученные выше формулы (1)-(3).

 

 

 

 

 

 

 

                              У                                                                                                                 


                                                       S2                                                                                                                    

                                                              

                                                                      S3                                       

                                                  S1                                                                   

                                                                                                                         

                                                                                          х                        

                               0       а     с                 d          b                                         

                                                   Рис.10.

 

Б) Если криволинейная трапеция ограничена прямыми у = с, у = d, осью Оу и непрерывной кривой х = , то её площадь находится по формуле

                                         (4)

Пример 6.       Найти площадь фигуры, ограниченной линиями ,  

Решение.       Выполним эскиз. (рис.11)                    у                                                             


           Искомая    площадь   это     площадь                                         В    у = 4                                  

           криволинейного треугольника АВО.                 А       

           Верхний   предел  интегрирования d


           нам   задан  d = y = 4.                                                                          

                                                                                        

Вычислим нижний предел интегрирования

решив уравнение  = 0,     у = 0, следова-

 тельно с = у = 0.                                                                                            С

Применяя формулу (28.4), найдём S                                0                                   х      

                                                                                                          рис. 11.

5) Если криволинейная трапеция  ограничена кривой, заданной параметрически

        

Информация о работе Математические методы моделирования