Вычисление площадей плоских фигур

Плоской фигурой будем называть любое ограниченное множество точек плоскости.

Так как площадь – аддитивная величина, то ее можно вычислить с помощью определенного интеграла.

Воспользуемся дифференциальным методом.

1. Найти дифференциал площади .

2. Определить пределы интегрирования .

3. Вычислить площадь .

Перед решением задачи на вычисление площадей необходим чертеж, для построения которого нужно исследовать поведение функции или воспользоваться тем, что вид графика известен, и построить линию по нескольким точка

Вычисление площади в прямоугольной системе координат. Дифференциал площади в прямоугольной системе координат – площадь прямоугольника с бесконечно малым основанием и переменной высотой. Форма записи дифференциала зависит от способа задания фигуры, от условий задачи.

Пусть – прямоугольная декартова система координат. Фигуры будем задавать с помощью неравенств или систем неравенств.

Определение. Область называется правильной (стандартной) относительно оси , если любая горизонтальная (вертикальная) прямая пересекает границу области не более чем в двух точках.

Если область правильная относительно осей , то она просто называется правильной областью.

Условимся дальше области, правильные относительно оси , штриховать линиями, параллельными оси .

y

O a dx b x

Область правильная относительно оси .

Если область , правильная относительно оси , проектируется на ось в отрезок , то ее граница разбивается на две линии: нижнюю границу области, задаваемую уравнением и верхнюю, задаваемую уравнением .

Тогда область определяется системой неравенств

а площадь вычисляется по формуле

.

y

d

dy

c

O x

Область правильная относительно оси .

Если область , правильная относительно оси , проектируется на ось в отрезок , то ее граница разбивается на две линии: левую границу области, задаваемую уравнением и правую, задаваемую уравнением . В этом случае область определяется системой неравенств

а площадь вычисляется по формуле

.

Задача 7.1.1. Найти площадь фигуры, ограниченной линиями .

▲ – парабола; – прямые линии.

Найдем точки пересечения данных линий:

Построение очевидно.

y

B

A

O dx C x

Найдем .

Область , правильная относительно оси , определяется системой неравенств

. ▼

Замечание. Единицы измерения площадей всюду опускаются (для простоты).

Задача 7.1.2. Найти площадь фигуры, ограниченной линиями .

▲ – парабола, которая строится по трем точкам: вершина определяется из условия .

.

Точки пересечения с осью : .

– прямая, которая строится по двум точкам, в качестве которых возьмем точки пересечения данных линий:

.

y

C 10

4

–2 O dx 2 B x

A D

1) Имеем: .

2) Область , правильная относительно оси , определяется системой неравенств

3) . ▼

Задача 7.1.3. Найти площадь фигуры, ограниченную параболой и осью .

▲ – парабола, которая строится по трем точкам: вершина определяется из условия .

Точки пересечения с осью :

.

y

C

A

dy

B

O x

1) Найдем .

2) Область , правильная относительно оси , определяется системой неравенств

3) . ▼

Задача 7.1.4. Найти площадь фигуры, ограниченной линиями .

▲ – парабола, которая строится по трем точкам: вершина определяется из условия .

.

Точки пересечения с осью :

.

– прямая, которая строится по двум точкам, в качестве которых возьмем точки пересечения данных линий:

.

y

C

A

O B 4 x

dy

–3 D

1) Имеем .

2) Область , правильная относительно оси , определяется системой неравенств

3) . ▼

Вычисление площадей при параметрическом задании линий, ограничивающих фигуру. В задачах такого типа последовательность действий сохраняется, чаще всего усложняется отыскание пределов.

Пусть граница плоской области фигуры – простая замкнутая кривая, заданная параметрически уравнениями , причем точка при изменении границу области так, что фигура остается слева от движущейся точки. Тогда площадь фигуры может быть вычислена по любой из следующих формул:

,

,

.

Задача 7.1.5. Найти площадь эллипса: .

▲ Чертеж очевиден.

y

b

O dx a x

1) Имеем .

2) С учетом свойств симметрии фигуры при определении пределы находим по изменению

3)

. ▼

Вычисление площадей в полярной системе координат. Вычисление площадей в полярной системе координат производится по дифференциальному методу без каких-либо изменений в его операциях и их последовательности.

Дифференциалом площади в полярной системе координат является площадь кругового сектора с бесконечно малым центральным углом и переменным радиусом :

.

Форма записи дифференциала площади зависит от способа задания фигуры в полярной системе координат.

I. II.

dφ dφ

β β

α α

O p O p

Задача 7.1.6. Найти площадь фигуры, ограниченной лемнискатой Бернулли .

▲ Напоминаем, что в полярной системе координат чертеж строится по точкам.

Сначала выясняется, где расположена линия по признаку :

.

Затем по периодичности косинуса находим количество петель. Здесь их 2.

Находится по условию .

Построение графика очевидно.

O 2 p

Далее все операции совпадают с действиями, рассмотренными раньше.

1) .

2) Пределы по условию существования функции .

Или с учетом свойств симметрии фигуры при определении пределы находим: .

3)

Замечание. Кривые вида называются розами. Розы имеют лепестков (петель), если , и петель, если .

Например, – трехлепестковая роза, – четырехлепестковая роза.

При вычислении площадей, ограниченных розами, достаточно найти площадь одного лепестка и затем ее умножить на число лепестков.

Дата добавления: 2015-10-30