Приложение определенного интеграла к решению задач практического содержания
Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический университет
им. Н.Г. Чернышевского
Физико-математический факультет
Кафедра математического анализа
Приложение определенного интеграла к решению задач
практического содержания
Курсовая работа
Выполнила: студентка 4 курса ОЗО
ФМФ Ракова Екатерина Викторовна
Научный руководитель: заведующий
кафедрой математического анализа
Степанова Лилия Эдуардовна
Чита, 2007
Оглавление
Введение
Нахождение производной f’(x) или дифференциала df=f’(x)dx функции f(x) является основной задачей дифференциального исчисления. В интегральном исчислении решается обратная задача: по заданной функции f(x) требуется найти такую функцию F(x), что F’(х)=f(x) или F(x)=F’(x)dx=f(x)dx.. Таким образом, основной задачей интегрального исчисления является восстановление функции F(x) по известной производной (дифференциалу) этой функции. Интегральное исчисление имеет многочисленные приложения в геометрии, механике, физике и технике. Оно дает общий метод нахождения площадей, объемов, центров тяжести и т. д.
Задача о нахождении площади
Определить площадь P криволинейной трапеции ABCD (рис 1)
Рис 1
Разделим основание АВ нашей фигуры произвольным образом на части и проведем ординаты, соответствующие точкам деления; тогда криволинейная трапеция разобьется на ряд полосок. Заменим теперь приближенно каждую полоску некоторым прямоугольником, основание которого то же, что и у полоски, а высота совпадает с одной из ординат полоски, скажем с крайней слева. Таким образом, криволинейная фигура заменится некоторой ступенчатой фигурой, составленной из отдельных прямоугольников.
Обозначим абсциссы точек деления через
X
=
a
< X
<
X
< … < X
< X
< … < X
= b.
Основание i
– го прямоугольника равно разности X
- X
(ΔX).
Высота равна y
= f
(X).
Поэтому площадь i
– го прямоугольника будет y
ΔX
= f
(X)
ΔX.
Просуммировав площади всех прямоугольников, получим приближенное значение площади P криволинейной трапеции
P=
y
ΔX
или P=f
(X)
ΔX
.
Погрешность этого
равенства при безграничном убывании
всех ΔX
стремится к нулю. Точное значение площади
P
получится как предел:
P=Lim
y
ΔX
или
P=Limf
(X)
ΔX,
В предположении, что
все ΔX
одновременно стремятся к 0.
Для обозначения
предельного значения суммы
y
ΔX
Лейбниц и ввел символ ∫ ydx,
где ydx
напоминает
типичное слагаемое суммы, а ∫ есть
стилизованная буква S
- начальная буква латинского слова
“Summa”.
Так как площадь, представляющая это
предельное значение, в то же время
является первообразной для функции у,
то тот же
символ сохранился и для обозначения
первообразной функции. Впоследствии,
с введением функционального обозначения,
стали писать
∫ f(x)dx,
если речь идет о переменной площади, и
f(x)dx,
- в случае площади фиксированной фигуры ABCD, отвечающей изменению х от а до b.
Определение. Пусть
функция f
(X)
задана в некотором промежутке [a,
b].
Разобьем
этот промежуток произвольным образом
на части, вставив между a
и b
точки
деления. Наибольшую из разностей ΔX
= X
- X
(i
= 0, 1,2, . ..,n-1)
обозначим через λ.
Возьмем в каждом из
частичных промежутков [X,
X]
по произволу точку X
= ξ
X
≤
ξ
≤
X
(i = 0, 1, … , n-1)
и составим сумму
σ =
f(ξ)
ΔX
Пусть I конечный предел данной суммы
I
=
σ.
Конечный предел I
суммы σ при
называется
определенным интегралом функции f(x)
в промежутке от a
до b
и обозначается символом
I
=
f(x)dx
В случе существования такого предела функция f(x) называется интегрируемой в промежутке [a, b].
Числа a и b носят название, соответственно, нижнего и верхнего пределов интеграла. При постоянных пределах определенный интеграл представляет собой постоянное число.
Приведенное определение принадлежит Риману (B.Riemann), коорый впервые высказал его в общей форме и исследовал область его применения.[7]
1. Историческая справка
Интеграл (от лат. Integer - целый ) - одно из важнейших понятий математики, возникшее в связи с потребностью, с одной стороны отыскивать функции по их производным (например, находить функцию, выражающую путь, пройденный движущейся точкой, по скорости этой точки), а с другой - измерять площади, объемы, длины дуг, работу сил за определенный промежуток времени и т. п.
Символ введен Лейбницем (1675 г.). Этот знак является изменением латинской буквы S (первой буквы слова сумма). Само слово интеграл придумал Я. Бернулли (1690 г.) . Вероятно, оно происходит от латинского integero , которое переводится как приводить в прежнее состояние, восстанавливать. ( Действительно, операция интегрирования “восстанавливает” функцию, дифференцированием которой получена подынтегральная функция.) Возможно происхождение слова интеграл иное: слово integer означает целый.
В ходе переписки И. Бернулли и Г. Лейбниц согласились с предложением Я. Бернулли. Тогда же , в 1696г., появилось и название новой ветви математики - интегральное исчисление ( calculus integralis ), которое ввел И. Бернулли.
Другие известные термины, относящиеся к интегральному исчислению, появились значительно позднее. Употребляющееся сейчас название первообразная функция заменило более раннее “примитивная функция”, которое ввел Лагранж (1797 г.). Латинское слово primitivus переводится как “начальный”: F(x)= - начальная (или первоначальная, или первообразная) для функции f(x), которая получается из F(x) дифференцированием.
В современной литературе множество всех первообразных для функции f(x) называется также неопределенным интегралом . Это понятие выделил Лейбниц , который заметил, что все первообразные функции отличаются на произвольную постоянную. А называют определенным интегралом (обозначение ввел К. Фурье (1768-1830), но пределы интегрирования указывал уже Эйлер).
Самое важное из истории интегрального исчисления
Возникновение задач интегрального исчисления связано с нахождением площадей и объемов. Ряд задач такого рода был решен математиками древней Греции. Античная математика предвосхитила идеи интегрального исчисления в значительно большей степени, чем дифференциального исчисления. Большую роль при решении таких задач играл исчерпывающий метод, созданный Евдоксом Книдским (ок. 408 - ок. 355 до н. э.) и широко применявшийся Архимедом (ок. 287 - 212 до н. э.).
Однако Архимед не выделил общего содержания интеграционных приемов и понятий об интеграле, а тем более не создал алгоритма интегрального исчисления. Ученые Среднего и Ближнего Востока в IX - XV веках изучали и переводили труды Архимеда на общедоступный в их среде арабский язык, но существенно новых результатов в интегральном исчислении они не получили.
Деятельность европейских ученых в это время была еще более скромной. Лишь в XVI и XVII веках развитие естественных наук поставило перед математикой Европы ряд новых задач, в частности задачи на нахождение квадратур (задачи на вычисление площадей фигур), кубатур (задачи на вычисление объемов тел) и определение центров тяжести.
Труды Архимеда, впервые изданные в 1544 (на латинском и греческом языках), стали привлекать широкое внимание, и их изучение явилось одним из важнейших отправных пунктов развития интегрального исчисления . Архимед предвосхитил многие идеи интегрального исчисления . Но потребовалось более полутора тысяч лет, прежде чем эти идеи нашли четкое выражение и были доведены до уровня исчисления .
Математики XVII столетия, получившие многие новые результаты, учились на трудах Архимеда. Активно применялся и другой метод - метод неделимых, который также зародился в Древней Греции. Например, криволинейную трапецию они представляли себе составленной из вертикальных отрезков длиной f(x) , которым тем не менее приписывали площадь, равную бесконечно малой величине f(x)dx. В соответствии с таким пониманием искомая площадь считалась равной сумме S = бесконечно большого числа бесконечно малых площадей. Иногда даже подчеркивалось, что отдельные слагаемые в этой сумме - нули, но нули особого рода, которые сложенные в бесконечном числе, дают вполне определенную положительную сумму.
На такой кажущейся теперь по меньшей мере сомнительной основе И. Кеплер (1571 - 1630 гг.) в своих сочинениях “Новая астрономия” (1609 г.) и “Стереометрия винных бочек” (1615 г.) правильно вычислил ряд площадей (например площадь фигуры, ограниченной эллипсом) и объемов (тело резалось на бесконечно тонкие пластинки).
Эти исследования были продолжены итальянскими математиками Б. Кавальери (1598 - 1647 годы) и Э. Торричелли (1608 -1647 годы).
В XVII веке были сделаны многие открытия, относящиеся к интегральному исчислению. Так, П. Ферма уже в 1629 году решил задачу квадратуры любой кривой y = , где N - целое ( т. е. вывел формулу ), и на этой основе решил ряд задач на нахождение центров тяжести. И. Кеплер при выводе своих знаменитых законов движения планет, фактически опирался на идею приближенного интегрирования. И. Барроу (1603-1677 года), учитель Ньютона, близко подошел к пониманию связи интегрирования и дифференцирования . Большое значение имели работы по представлению функции в виде степенных рядов.
Однако при всей значимости результатов, полученных математиками XVII столетия, исчисления еще не было. Необходимо было выделить общие идеи, лежащие в основе решения многих частных задач, а также установить связь операций дифференцирования и интегрирования , дающую достаточно точный алгоритм. Это сделали Ньютон и Лейбниц, открывшие независимо друг от друга факт, известный вам под названием формулы Ньютона - Лейбница . Тем самым окончательно оформился общий метод. Предстояло еще научиться находить первообразные многих функций, дать логические основы нового исчисления и т. п. Но главное уже было сделано: дифференциальное и интегральное исчисление создано.
Методы математического анализа активно развивались в следующем столетии (в первую очередь следует назвать имена Л. Эйлера, завершившего систематическое исследование интегрирования элементарных функций, и И. Бернулли). В развитии интегрального исчисления приняли участие русские математики М. В. Остроградский (1801 - 1862 гг.), В. Я. Буняковский (1804 - 1889 гг.), П. Л. Чебышев (1821 - 1894 гг.). Принципиальное значение имели, в частности, результаты Чебышева, доказавшего, что существуют интегралы, не выразимые через элементарные функции.
Строгое изложение теории интеграла появилось только в прошлом веке, Решение этой задачи связано с именами О. Коши , одного из крупнейших математиков немецкого ученого Б. Римана (1826 - 1866 гг.), французского математика Г. Дарбу (1842 - 1917).
Ответы на многие вопросы, связанные с существованием площадей и объемов фигур, были получены с созданием К. Жорданом (1826 - 1922 гг.) теории меры.
Различные обобщения понятия интеграла уже в начале 20 столетия были предложены французскими математиками А. Лебегом (1875 - 1941 гг.) и А. Данжуа (1884 - 1974) советским математиком А. Я. Хичиным (1894 -1959 гг.)
2. Условия существования определенного интеграла
1. Интегрируемая функция необходимо ограничена.
Если бы функция f(x)
была в промежутке [a,
b]
неограниченна, то – при любом разбиении
промежутка на части – она сохранила бы
подобное свойство хоть в одной из частей.
Тогда за счет выбора в этой части точки
можно было бы сделать f(),
а с ней и сумму
,
- сколь угодно большой; при этих условиях
конечного предела для
существовать не могло бы.
2.Для существования определенного интеграла необходимо и достаточно, чтобы было
(S
- s) = 0
s =
m
ΔX, S
=
M
ΔX,
где m
и M
- точные нижняя и верхняя грани. Суммы
Дарбу s
и S
служат точными, соответственно, нижней
и верхней границами для интегральных
сумм.[7]
3. Приложение интегрального исчисления
3.1 Общие понятия
Пусть требуется
найти значение какой – либо геометрической
или физической величины A
(площадь фигуры, объем тела, давление
жидкости на вертикальную пластину и т.
д.), связанной с отрезком [a,
b]
изменения переменной x.
Предполагается, что при разбиении
отрезка [a,
b]
точкой с
(a,
b)
на части [a,
c]
и [c,
b]
значение величины A,
соответствующее всему отрезку [a,
b]
равно сумме ее значений, соответствующих
[a,
c]
и [c,
b].
Для нахождения этой величины А можно руководствоваться одной из двух схем: I схема (или метод интегральных сумм) и II схема (или метод дифференциала).[5]
Первая схема базируется на определении определенного интеграла.
1. Точками x
= a,
x,
… ,x
= b
разбить
отрезок [a,
b]
на n
частей. В
соответствии с этим, интересующая нас
величина A
разобьется
на n
“элементарных слагаемых”
Δ
A(I
= 1, … , n): A = ΔA
+ ΔA+
… + ΔA
2. Представить каждое “элементарное слагаемое” в виде произведения некоторой функции (определяемой из условия задачи), вычисленной в произвольной точке соответствующего отрезка на его длину:
Δ A≈
f(c)
ΔX
При нахождении приближенного значения ДЛ; допустимы некоторые упрощения: дугу на малом участке можно заменить хордой, стягивающей ее концы; переменную скорость на малом участке можно приближенно считать постоянной и т. д.
Получим приближенное значение величины А в виде интегральной суммы:
A≈
f(c)
ΔX+
… + F(c)ΔX
=
f(c)
ΔX
Искомая величина А равна пределу интегральной суммы, т. е.
A
=
f(c)
ΔX
=
f(x)dx.
Указанный “метод сумм”, как видим, основан на представлении интеграла как о сумме бесконечно большого числа бесконечно малых слагаемых.
Схема I была применена для выяснения геометрического и физического смысла определенного интеграла.
Вторая схема представляет собой несколько видоизмененную схему I и называется “метод дифференциала” или “метод отбрасывания бесконечно малых высших порядков”:
1) на отрезке [а, b] выбираем произвольное значение х и рассматриваем переменный отрезок [a, x]. На этом отрезке величина A становится функцией x: А — А(x), т. е. считаем, что часть искомой величины А есть неизвестная функция А(x), где x т.е. [а, b] - один из параметров величины А;
2) находим главную часть приращения ΔA при изменении x на малую величину Δx; = dх, т. е. находим дифференциал dA функции A = А(x):dA - f(x)dx, где f(x), определяемая из условия задачи, функция переменной x (здесь также возможны различные упрощения);
3) считая, что dА
≈ ΔA
при Δx
0, находим искомую величину путем
интегрирования dA
в пределах
от а до b:
A(b)
= A
=
f(x)dx.
3.2 Интегральное исчисление в геометрии
3.2.1 Вычисление длины дуги плоской кривой
Прямоугольные координаты
Пусть в прямоугольных координатах дана плоская кривая AB, уравнение которой y = f(x), где a ≤ x ≤ b. (рис 2)[7]
Под длиной дуги AB понимается предел, к которому стремиться длина ломаной линии, вписанной в эту дугу, когда число звеньев ломаной неограниченно возрастает, а длина наибольшего звена ее стремиться к нулю.
Применим схему I (метод сумм).
Точками X
= a,
X
,
… , X
= b
(X
≤ X≤
… ≤ X)
разобьем отрезок [a,
b]
на n
частей. Пусть этим точкам соответствуют
точки M
= A,
M
, … , M
= B
на кривой AB.
Проведем хорды MM,
MM,
… , M
M
, длины которых обозначим соответственно
через ΔL,
ΔL,
… , ΔL.
Рис 2
Получим ломанную
MMM
… MM,
длина которой равна L
= ΔL+
ΔL+
… + ΔL
=
ΔL.
Длину хорды (или звена ломанной) ΔL
можно найти по теореме Пифагора из
треугольника с катетами ΔX
и ΔY:
ΔL
=
,
где ΔX
= X
- X
,
ΔY
= f(X)
– f(X).
По теореме Лагранжа
о конечном приращении функции ΔY
=
(C)
ΔX,
где C
(X,
X).
Поэтому
ΔL
=
=
,
а длина всей ломанной
MMM
… MM
равна
L
=
ΔL
=
.
Длина кривой AB,
по определению, равна L
=
L
=
ΔL.
Заметим, что при ΔL
0 также и ΔX
0 (ΔL
=
и следовательно | ΔX
| < ΔL).
Функция
непрерывна на отрезке [a,
b],
так как, по условию, непрерывна функция
f
(X).
Следовательно, существует предел
интегральной суммы L
=
ΔL
=
,
кода max
ΔX
0:
L
=
=
dx.
Таким образом, L
=
dx.
Пример: Найти длину окружности радиуса R. (рис 3)[5]
Решение:
Н
айдем
¼ часть ее длины от точки (0;R)
до точки (R;0).
Так как y
=
,
¼L
=
dx
= R
arcsin
= R
.
Рис 3
Значит L
= 2
R.
Полярные координаты
Пусть
кривая AB
задана уравнением в полярных координатах
r
= r(
),
.
Предположим, что r()
и r()
непрерывны на отрезке [
].
Если в равенствах
x
= r
cos,
y
= r
sin,
связывающих полярные и декартовы
координаты, параметром считать угол
,
то кривую AB
можно
задать параметрически
Тогда
Поэтому
=
=
П
рименяя
формулу L
=
,
получаем
L
=
Пример: Найти
длину кардиоиды r
= a(1
+ cos).
[5]
Рис 4
Решение: Кардиоида
r
= a(1
+ cos)
симметрична относительно полярной оси.
Найдем половину
(рис 4) длины кардиоиды:
½ L =
= a
= a
= 2a
cos
d
= 4a sin
= 4a.
3.2.2 Вычисление объема тела
Вычисление объема тела по известным площадям параллельных сечений
Пусть требуется найти объем V тела (рис 5), причем известны площади сечений этого тела плоскостями, перпендикулярными некоторой оси, например оси Ox:S = S(x), a≤ x≤ b [5]
Применим схему II (метод дифференциала).
Рис 5
Через произвольную точку x
[а; b]
проведем
плоскость П, перпендикулярную оси Ох.
Обозначим через S(x)
площадь
сечения тела этой плоскостью; S(x)
считаем
известной и непрерывно изменяющейся
при изменении x.
Через v(x)
обозначим
объем части тела, лежащее левее плоскости
П. Будем считать, что на отрезке [а; x]
величина
v
есть
функция от x,
т. е. v
= у(x)
(v(a)
= 0, v(b)
= V).
2. Находим дифференциал dV функции v = v(x). Он представляет собой
“элементарный слой” тела, заключенный между параллельными плоскостями, пересекающими ось Ох в точках x и x + Δx, который приближенно может быть принят за цилиндр с основанием S(x) и высотой dx. Поэтому дифференциал объема dV = S(х) dх.
Находим искомую величину V путем интегрирования dА в пределах от a до b:
V =
S(x)
dx
Формула объема тела по площади параллельных сечений
Пример: Найти
объем эллипсоида
(рис 6)[5]
Рис 6
Решение: Рассекая эллипсоид плоскостью, параллельной плоскости OYZ и на расстоянии х от нее (-a≤ x≤ b.), получим эллипс
Площадь этого эллипса
равна S(x)
=
bc(1
-
).
Поэтому, по формуле имеем
V
=
bc
(1
-
)dx
=
abc.
Объем тела вращения
Пусть вокруг оси Ох вращается криволинейная трапеция, ограниченная непрерывной линией у = f(х) ≥ 0, отрезком а ≤ х ≤ b и прямыми х = а и х = b (рис 7). Полученная от вращения фигура называется телом вращения. Сечение этого тела плоскостью, перпендикулярной оси Ох, проведенной через произвольную точку х оси Oх), есть круг с радиусом у = f(х). Следовательно,
S(x)=y
.
Применяя формулу V
=
S(x)
dx
объема тела по площади
параллельных сечений, получаем
V
=
ydx.
Если криволинейная
трапеция ограничена графиком непрерывной
функции x
=
(x)
≥ 0 и прямыми x
= 0, y
= c,
y
= d
(c
<
d
Рис 7
), то объем тела, образованного вращением этой трапеции вокруг оси Оу, по аналогии с формулой V =S(x)
dx,
равен
V
=xdy.
Пример:
Найти объем
тела, образованного вращением фигуры,
ограниченной линиями у
=
,
x
= 0, у = 2
вокруг оси Оу.[5]
Решение:
По формуле V
=xdy.
находим:
V
=
2ydy
=
y
= 8.
3.2.3 Вычисление площади поверхности вращения
Пусть кривая АВ
является
графиком функции у
= f(х)
≥ 0, где х
[а;b],
а функция
у =
f(х)
и ее
производная у'
= f'(х)
непрерывны
на этом отрезке.
Найдем площадь S поверхности, образованной вращением кривой АВ вокруг оси Ох (рис 8).
Применим схему II (метод дифференциала).
1. Через произвольную
точку х
[а; b]
проведем плоскость П, перпендикулярную
оси Ох.
Плоскость
П пересекает поверхность вращения
по окружности с радиусом у
- f(х).
Величина S
поверхности части фигуры вращения,
лежащей левее плоскости, является
функцией от х,
т. е. s
= s(х)
(s(а)
= 0 и s(b)
= S).
2. Дадим аргументу х
приращение
Δх = dх.
Через точку
х + dх
[а; b] также
проведем плоскость, перпендикулярную
оси Ох.
Функция s
= s(х)
получит приращение Δs,
изображенного на рисунке в виде “пояска”.
Н
Рис 8
айдем
дифференциал площади ds,
заменяя
образованную между сечениями фигуру
усеченным конусом, образующая которого
равна dl,
а радиусы
оснований равны у
и у
+ dу.
Площадь
его боковой поверхности равна ds
=
(у + у + dу)
• d1
= 2ydl
+
dydl.
Отбрасывая
произведение dу
d1
как
бесконечно малую высшего порядка, чем
ds,
получаем
ds
= 2уdl,
или, так
как d1
=
dx.
Интегрируя полученное равенство в пределах от х = а до х = b, получаем
S=
2ydx.
Если кривая AB
задана параметрическими уравнениями
x
= x(t),
y
= y(t),
t≤
t
≤
t,
то формула для площади поверхности
вращения принимает вид
S
= 2
dt.
Пример: Найти площадь поверхности шара радиуса R.[5]
Решение:
Можно считать, что поверхность шара
образована вращением полуокружности
y
=
,
-R
≤ x
≤ R,
вокруг оси Ox.
По формуле S=
2ydx
находим
S = 2
=
Вычисление площадей плоских фигур
Прямоугольные координаты
Пусть функция f(х) непрерывна на сегменте [а;b]. Если f(х )≥0 на [а; b] то площадь S криволинейной трапеции, ограниченной линиями у =f(х), у = 0, х = а, х = b, равна интегралу
Если же f(x) ≤ 0 на [а; b] то — f(х) ≥ 0 на [а; b]. Поэтому площадь S соответствующей криволинейной трапеции выразится формулой
или
Е
сли,
наконец, кривая y=f(х)
пересекает
ось Ох, то
сегмент [а;b]
надо разбить
на части, в пределах которых f(х)
не меняет
знака, и к каждой такой части применить
ту из формул, которая ей соответствует.
П
Рис 9
ример. Найти площадь плоской фигуры, ограниченной параболой y = x2, прямыми х=1, х = 3 и осью Ох (рис 9) . [1]
Решение.
Пользуясь формулой
,
находим искомую площадь
S =
П
Рис 10
ример.
Найти площадь плоской фигуры, ограниченной
графиком функции у
= sinх
и осью
абсцисс при условии
(рис 10). [1]
Решение. Разбиваем
сегмент [0;
]
на два сегмента [0;
]
и [;
2].
На первом из них sinx
≥ 0, на
втором — sinx
≤ 0. Следовательно, используя формулы
и
, имеем, что
искомая площадь
Полярные координаты.
Пусть
требуется определить площадь сектора
ОАВ,
ограниченного лучами
=
,
=
и кривой АВ
(рис 11), заданной
в полярной системе координат уравнением
r
= r
(),
где r
()
— функция, непрерывная на сегменте [;
].
Р
Рис 11
Рис 12
азобьем
отрезок [;
]
на п частей
точками
=
о<1
< ...<
<
=
и положим: Δ
=
—
k
= 1, 2, ..., n.
Наибольшую из этих разностей обозначим
через
:
=
max
Δ.
Разобьем данный сектор на п
частей
лучами
=
(k=1,
2, ..., п —
1). Заменим
k-й
элементарный сектор круговым сектором
радиуса r(
),
где
.
Тогда сумма
- приближенно площадь сектора OAB.
Отсюда:
Пример.
Найти площадь плоской фигуры, ограниченной
кардиоидой г = a(1+соs)
(рис 12). [7]
Решение. Учитывая
симметричность кривой относительно
полярной оси, по формуле
получаем:
3.3 Механические приложение определенного интеграла
3.3.1 Работа переменной силы
Пусть материальная точка М перемещается вдоль оси Ох под действием переменной силы F = F(х), направленной параллельно этой оси. Работа, произведенная силой при перемещении точки М из положения х = а в положение х = b (а <bЬ), находится по формуле
A
=
Пример. Какую работу нужно затратить, чтобы растянуть пру-'—' жину на 0,05 м, если сила 100 Н растягивает пружину на 0,01 м?[5]
Решение: По закону Гука упругая сила, растягивающая пружину, пропорциональна этому растяжению х, т. е. F = kх, где k — коэффициент пропорциональности. Согласно условию задачи, сила F = 100 Н растягивает пружину на х = 0,01 м; следовательно, 100 = k 0,01, откуда k = 10000; следовательно, F =10000х.
Искомая работа на
основании формулы A
=
равна
A
=
П
ример.
Найти
работу, которую необходимо затратить,
чтобы выкачать через край жидкость из
вертикального цилиндрического резервуара
высоты Н м
и радиусом
основания R
м (рис
13).[5]
Р
Рис 13
ешение: Работа, затрачиваемая на поднятие тела весом р на высоту h, равна р • Н. Но различные слои жидкости в резервуаре находятся на различных глубинах и высота поднятия (до края резервуара) различных слоев не одинакова.Для решения поставленной задачи применим схему II (метод дифференциала). Введем систему координат.
1. Работа, затрачиваемая на выкачивание из резервуара слоя жидкости толщиной х (0 ≤ х ≤ Н), есть функция от х, т. е. А = А(х), где (0 ≤ х ≤ Н)( A(0) = 0, A(H) = А0).
2. Находим главную часть приращения ΔA при изменении х на величину Δх = dx, т. е. находим дифференциал dА функции А(х).
Ввиду малости
dх
считаем, что “элементарный” слой
жидкости находится на одной глубине х
(от края
резервуара). Тогда dА
= dрх,
где dр
— вес этого
слоя; он равен g
АV, где
g
— ускорение
свободногопадения,
— плотность жидкости, dv
— объем
“элементарного” слоя жидкости (на
рисунке он выделен), т. е. dр
= g.
Объем
указанного слоя жидкости, очевидно,
равен
,
где dx—
высота цилиндра (слоя),
— площадь его основания, т. е. dv
=
.
Таким образом, dр
=
.
и
3) Интегрируя полученное равенство в пределах от х = 0 до х = Н, находим
A
3.3.2 Путь, пройденный телом
Пусть материальная
точка перемещается по прямой с переменной
скоростью v
=v(t).
Найдем
путь S,
пройденный ею за промежуток времени от
t
до t2.
Решение: Из физического смысла производной известно, что при движении точки в одном направлении “скорость прямолинейного движения
равна производной
от пути по времени”, т. е. v(t)
=
.
Отсюда следует, что dS
= v(t)dt.
Интегрируя
полученное равенство в пределах от t
до t,
получаем S
=
Пример. Найти путь, пройденный телом за 4 секунды от начала движения, если скорость тела v(t) = 10t + 2 (м/с).[5]
Решение: Если v(t) = 10t + 2 (м/с), то путь, пройденный телом от начала движения (t = 0) до конца 4-й секунды, равен
S =
3.3.3 Давление жидкости на вертикальную пластинку
По закону Паскаля
давление жидкости на горизонтальную
пластину равно весу столба этой жидкости,
имеющего основанием пластинку, а высотой
— глубину ее погружения от свободной
поверхности жидкости, т. е. Р
=g
,
где g
— ускорение
свободного падения,
— плотность жидкости, S
— площадь пластинки, h
— глубина
ее погружения.
По этой формуле нельзя искать давление жидкости на вертикально погруженную пластинку, так как ее разные точки лежат на разных глубинах.
Пусть в жидкость
погружена вертикально пластина,
ограниченная линиями х
= а, х = b,
y
и y
.
Для
нахождения давления Р
жидкости
на эту пластину применим схему II
(метод дифференциала).
1. Пусть часть искомой
величины Р есть функция от х:
р = р(х), т.
е. р =
р(х) —
давление на часть пластины,
соответствующее отрезку [а; b]
значений
переменной х,
где х
[a;
b]
(р(a)
= 0, р(b)
= Р).
2
Рис 14
. Дадим аргументу х приращение Δx = dх. Функция р(х) получит приращение Δр (на рисунке — полоска-слой толщины dх). Найдем дифференциал dр этой функции. Ввиду малости dх будем приближенно считать полоску прямоугольником, все точки которого находятся на одной глубине х, т. е. пластинка эта — горизонтальная.
Тогда по закону
Паскаля dр
=
.
3. Интегрируя полученное равенство в пределах от х = а до х = b, получим
P
=
или P
=
Пример. Определить величину давления воды на полукруг, вертикально погруженный в жидкость, если его радиус R, а центр О находится на свободной поверхности воды (рис 15).[5]
Решение:
Воспользуемся полученной формулой
для нахождения давления жидкости на
вертикальную пластинку. В данном
случае пластинка ограничена линиями
у
= -
,
y
,
x
= 0, x
= R.
P
=
Рис 15
3.3.4 Вычисление статических моментов и координат центра тяжести плоской кривой
Пусть на плоскости
Оху задана система материальных точек
М(х;у),
М2(х2;y),
… , M(x;y)
соответственное массами m,m,
… , m„.
Статическим моментом SХ системы материальных точек относительно оси Ох называется сумма произведений масс этих точек на их ординаты (т. е. на расстояния этих точек от оси Ох):
Аналогично
определяется статистический момент S
этой системы относительно оси Oy:
S=
.
Если массы распределены непрерывным образом вдоль некоторой кривой, то для выражения статического момента понадобится интегрирование.
Пусть у
=f/(х)
(a
≤ х ≤
b)
— это
уравнение материальной кривой АВ.
Будем
считать ее однородной с постоянной
линейной плотностью
(
= const).
Для произвольного
х
[а;b]
на кривой
АВ найдется
точка с координатами (х;
у). Выделим
на кривой элементарный участок длины
dl,
содержащий
точку (х;у).
Тогда масса
этого участка равна
.
Примем
этот участок dl
приближенно за точку, отстоящую
от оси Ох
на расстоянии
у. Тогда
дифференциал статического момента dS
(“элементарный
момент”) будет равен
,
т.е.
.
Отсюда следует, что статический момент SХ кривой АВ относительно оси Ох равен
Аналогично находим
S:
Статические моменты SХ и SУ кривой позволяют легко установить положение ее центра тяжести (центра масс).
Центром тяжести материальной плоской кривой у = f(х), х 6 [а; b] называется точка плоскости, обладающая следующим свойством: если в этой точке сосредоточить всю массу т заданной кривой, то статический момент этой точки относительно любой координатной оси будет равен статическому моменту всей кривой у = f(х) относительно той же оси. Обозначим через С(хс;ус) центр тяжести кривой АВ.
Из определения центра
тяжести следуют равенства
и
или
и
.
Отсюда
,
или
Пример.
Найти центр
тяжести однородной дуги окружности x
+ y=
R2,
расположенной
в первой координатной четверти (рис
16).[5]
Р
Рис 16
ешение: Очевидно, длина указанной окружности равна
,
т.е.
.
Найдем статистический момент ее
относительно оси Ох.
Так как
уравнение дуги есть
и
,
то (
)
.
Стало быть,
Так как данная дуга
симметрична относительно биссектрисы
первого координатного угла, то хс
= ус
=
Итак, центр
тяжести имеет координаты (
;).
3.3.5
Вычисление
статических моментов и координат центра
т
яжести
плоской фигуры
Пусть дана материальная плоская фигура (пластинка), ограниченн кривой у = f(х) ≥ 0 и прямыми у = 0, х = а, х = b) (рис 17).
Будем считать, что
поверхностная плотность пластинки
постоянна (
= const).
Тогда масса всей пластинки равна
т. е.
.
Выделим элементарный участок пластинки
в виде бесконечно узкой вертикальной
полосы и будем приближенно считать его
прямоугольником.
Тогда масса его равна
.
Центр тяжести
прямоугольника
лежит на пересечении диагоналей
прямоугольника. Эта точка
отстоит
от оси Ох
на ½y,
а от оси
Оу на
x
(приближенно; точнее на расстоянии х+
½Δx
). Тогда
для элементарных статических моментов
относительно осей Ох
и Оу
выполнены
соотношения
и
Следовательно,
,
По аналогии с плоской
кривой получаем, обозначив координаты
центра тяжести плоской фигуры (пластинки)
через С(x
;y),
что
.
Отсюда
и
или
x
,
.
П
ример.
Найдем
координаты центра тяжести полукруга
(
= const)
(рис 18).
Рис 18
[5]
Решение: Очевидно
(ввиду симметрии фигуры относительно
оси Oy),
что
.
Площадь полукруга равна
.
Находим
Sx:
Стало быть,
Итак, центр тяжести
имеет координаты С(0;
)
3.4 Интегральное исчисление в биологии
3.4.1 Численность популяции.
Число особей в популяции (численность популяции) меняется со временем. Если условия существования популяции благоприятны, то рождаемость превышает смертность и общее число особей в популяции растет со временем. Назовем скоростью роста популяции прирост числа особей в единицу времени. Обозначим эту скорость v = v(t). В “старых”, установившихся популяциях, давно обитающих в данной местности, скорость роста v (t) мала и медленно стремится к нулю. Но если популяция молода, ее взаимоотношения с другими местными популяциями еще не установились или существуют внешние причины, изменяющие эти взаимоотношения, например сознательное вмешательство человека, то v (t) может значительно колебаться, уменьшаясь или увеличиваясь.[1]
Если известна скорость роста популяции v t/), то мы можем найти прирост численности популяции за промежуток времени от tо до Т. В самом деле, из определения v(t) следует, что эта функция является производной от численности популяции N (t) в момент t, и, следовательно, численность популяции N (t) является первообразной для v (t). Поэтому
N(t)
– N(t)
=
.
Известно, что в условиях неограниченных ресурсов питания
скорость роста многих
популяций экспоненциальна, т. е. v(t)
= ае
.
Популяция
в этом случае как бы “не стареет”. Такие
условия можно создать, например, для
микроорганизмов, пересаживая время от
времени развивающуюся культуру в новые
емкости с питательной средой. Применяя
формулу (1), в этом случае получим:
N(t)
= N(t)
+ a
= N(t)
+
e
= N(t)
+
(e
- e
)
По формуле, подобной
N(t)
= N(t)
+ a
= N(t)
+
e
= N(t)
+
(e
- e)
, подсчитывают, в частности, численность культивируемых плесневых грибков, выделяющих пенициллин.[1]
Биомасса популяции.
Рассмотрим популяцию, в которой масса особи заметно меняется в течение жизни, и подсчитаем общую биомассу популяции.
Пусть
означает возраст в тех или иных единицах
времени, а N
()
— число особей популяции, возраст
которых равен
.
Пусть, наконец, P
()
— средняя масса особи возраста
,
а М
()
— биомасса
всех особей в возрасте от 0 до
.[1]
Заметив, что
произведение N()
P
()
равно биомассе всех особей возраста
,
рассмотрим разность
M(
+ Δ)
– M(),
где Δ>0.
Очевидно, что эта разность, равная
биомассе всех особей в возрасте от
до
+ Δ,
удовлетворяет неравенствам:
N (
)
Р ()Δ
≤ M
(
+ Δ)
– M
()
≤ N(
)P()Δ,
где N
()
Р ()
— наименьшее, а - N()P()
— наибольшее значения функции N
()
Р ()
на отрезке
[,
+ Δ].
Учитывая, что Δ>0,
из неравенств N
()
Р ()Δ
≤ M
(
+ Δ)
– M
()
≤ N()P()Δ,
имеем:
N ()
Р ()
≤
≤
N()P()
Из непрерывности
функции N
()
Р ()
(ее непрерывность следует из
непрерывности N
()
и Р ()
) следует, что
[N
()
Р ()]
=
[N()P()]
= N ()
Р ()
Поэтому будем иметь:
= N
()
Р ()
или
= N
()
Р ()
С
ледовательно,
биомасса М
()
является первообразной для N
()
Р ().
Отсюда:
M(T)
– M(0)
=
N ()
Р ()dt
г
Рис 19
де Т — максимальный возраст особи в данной популяции. Так как М (0), очевидно, равно нулю, то окончательно получаем:
М(Т)=
N ()
Р ()dt
3.4.3 Средняя длина пролета.
В некоторых исследованиях необходимо знать среднюю длину пробега, или среднюю длину пути при прохождении животным некоторого фиксированного участка. Приведем соответствующий расчет для птиц. Пусть участком будет круг радиуса R. Будем считать, что R не слишком велико, так что большинство птиц изучаемого вида пересекает этот круг по прямой.
Птица может под любым углом в любой точке пересечь окружность. В зависимости от этого длина ее пролета над кругом может быть равной любой величине от 0 до 2Я,. Нас интересует средняя длина пролета. Обозначим ее через.[1]
Так как круг симметричен
относительно любого своего диаметра,
нам достаточно ограничиться лишь теми
птицами, которые летят в каком-нибудь
одном направлении, параллельном оси
Оу.
Тогда средняя длина пролета — это
среднее расстояние между дугами АСВ
и АСВ.
Иными
словами, это среднее значение функции
f(х)
— f(х),
где у
= f(х)
— уравнение
верхней дуги, а у
= f2(х)
— уравнение
нижней дуги, т. е.
L =
или
L =
.
Так как
равен площади криволинейной трапеции аАСВb), а
равен площади
криволинейной трапеции аАСВb,
то их
разность равна площади круга, т. е.
R2.
Разность b
— а равна,
очевидно, 2R.
Подставив
это в L
=
.
, получим:
L
=
=
R.
Приведенные примеры далеко не исчерпывают возможных приложений определенного интеграла в биологии.[1]
3.5 Интегральное исчисление в экономике
В курсе микроэкономики часто рассматривают так называемы предельные величины, т.е. для данной величины, представляемой некоторой функцией у =f(x), рассматривают ее производную f'x. Например, если дана функция издержек С в зависимости от объема q выпускаемого товара С = С(q), то предельные издержки будут задаваться производной этой функции МС = С'(q). Ее экономический смысл - это издержки на производство дополнительной единицы выпускаемого товара. Поэтому часто приходится находить функцию издержек по данной функции предельных издержек.[6]
Пример. Дана функция предельных издержек МС = Зq2 – 48q + 202, 1 ≤ q ≤ 20. Найти функцию издержек С = С(q) и вычислить издержки в случае производства 10 единиц товара, если известно, что издержки для производства первой единицы товара составили 50 руб.[4]
Решение. Функцию издержек находим интегрированием:
C(q
) =
,
где константа Со находится из данного условия С( 1) = 50, так что С0 = 50, поскольку интеграл обращается в нуль. Интегрируя, получим функцию издержек
C(q)
= q
.
Подставляя q = 10 в полученную формулу, находим искомое значение
С(10) = 670.
Еще одним примером приложения определенного интеграла является нахождение дисконтированной стоимости денежного потока.
Допустим вначале, что для каждого дискретного момента времени t = 1, 2, 3, ... задана величина денежного потока R((t). Если ставку процента обозначить через р, то дисконтированную стоимость каждой из величин R(1), R(2), R(3), ... найдем по известным формулам:
R(1)(1
+ p)
,
R(2)(1
+ p)
,
R(3)(1
+ p)
,
… .
Тогда дисконтированную стоимость денежного потока найдем, суммируя эти величины:
П =
,
где п - общее число периодов времени.
В непрерывной модели
время изменяется непрерывно, т.е. для
каждого момента времени 0 ≤ t
≤
Т, где [0,
T]
- рассматриваемый период времени, задана
величина I(t)
- скорость изменения денежного потока
(т.е. величина денежного потока за
промежуток времени от t
до t
+ dt
приближенно
равна I(t)dt.
Для получения
величины П изменим формулу П =
.А
именно, знак суммирования заменим на
знак определенного интеграла, формулы
вычисления дисконтированной стоимости
в дискретном случае заменим на их
непрерывный аналог, и тогда формула П
=
,
примет следующий вид:
П =
.
Пример. Под строительство гидроэлектростанции задан непрерывный денежный поток со скоростью I(t) = -t2 +20t +5 (млрд руб./год) в течение 20 лет с годовой процентной ставкой р = 5%. Найти дисконтированную стоимость этого потока. [4]
Решение.
По формуле П =
имеем
П =
.
Чтобы вычислить этот интеграл, выполним сначала замену переменной:
s = -0,05t, t = -20s, dt = -20ds.
При этом новые пределы
интегрирования получаются подстановкой
старых пределов в формулу замены: s
= 0, s
= -1. Имеем
-
П = -20
(-
400s2
– 400s
+ 5)e
= 20
(- 400s2
– 400s
+5)eds.
К последнему интегралу
применим формулу интегрирования по
частям, полагая и
= -400s
- 400s
+ 5, dи
= (-800s
- 400)ds,
dv
= eds,
v=
е.
Поэтому
П = 20 ((-400s2
- 400s
+ 5)е
+
е(800s
+ 400)ds
.
В первом слагаемом подставим пределы интегрирования, а ко второму слагаемому еще раз применим формулу интегрирования по частям, полагая и = 800s + 400, dи = 800ds. Имеем
П = 20 (5 – 5e
+ (800s
+ 400)e
800eds)
=
= 20(5 - 5е - 1 +400 + (800 - 400)e - 1 - 800 + 800е - 1) =
= 20(1195е- 1 -395).
Окончательно получим П = 892 (млрд руб.).
Далее рассмотрим некоторую модель экономического роста, предложенную Е.Д. Домаром. Основные допущения этой моде сформулированы ниже.
1 . Всякое изменение величины скорости денежного потока I(t) влияет как на совокупный спрос, так и на изменение объема производства.
2. Скорость изменения величины спроса Y(t) пропорциональна производной скорости денежного потока с коэффициентом пропорциональности K = 1/s, где s - предельная величина накопления. Это предположение можно записать в виде уравнения
3 Экономический потенциал к (т.е. величина стоимости това-которые можно произвести) пропорционален объему оборот-' средств К с коэффициентом пропорциональности р, k = рК. Дифференцируя по t, получим
.
В модели Домара предполагается, что весь экономический потенциал полностью используется, иными словами, У = к. Дифференцируя по t, получим
.
Подставляя
и
в
,
имеем
= pI,
.
Чтобы найти функцию
I(t)
из уравнения
= pI,
,
проинтегрируем обе части последнего
равенства по t
от 0 до t.
Получим
,
или ln|I(t)|
= pst,
Откуда ln|I| = ln|I(0)| + pst. Потенцируя последнее равенство, получим окончательное выражение для I(t):
I(t)
= I(0)e
,
где I(0) – это скорость денежного потока в начальный момент времени.
Таким образом, для того чтобы поддерживать равновесие между объемом производимых благ и совокупным спросом на них, скорость денежного потока должна расти с экспоненциальной скоростью согласно формуле
I(t)
= I(0)e
Заключение
Рассмотренные выше примеры практических задач, дают нам ясное представление значимости определенного интеграла для их разрешимости.
Трудно назвать научную область, в которой бы не применялись методы интегрального исчисления, в общем, и свойства определенного интеграла, в частности. Так в процессе выполнения курсовой работы нами были рассмотрены примеры практических задач в области физики, геометрии, механики, биологии и экономики. Конечно, это еще далеко не исчерпывающий список наук, которые используют интегральный метод для поиска устанавливаемой величины при решении конкретной задачи, и установлении теоретических фактов.
Также определенный интеграл используется для изучения собственно самой математики. Например, при решении дифференциальных уравнений, которые в свою очередь вносят свой незаменимый вклад в решение задач практического содержания. Можно сказать, что определенный интеграл - это некоторый фундамент для изучения математики. Отсюда и важность знания методов их решения.
Из всего выше сказанного понятно, почему знакомство с определенным интегралом происходит еще в рамках средней общеобразовательной школы, где ученики изучают не только понятие интеграла и его свойства, но и некоторые его приложения.
Дальнейшая наша работа над данной темой планируется именно в направлении рассмотрения методики и линий изучения определенного интеграла в школе.
Литература
Баврин И.И. Высшая математика – М.: Просвещение, 1993. – 319.
Бермантт А.Ф. , Араманович И.Г. Краткий курс математического анализа для втузов - М.: Наука, 1971 . - 736с.
Красс М.C Основы математики и ее приложения в экономическом образовании
Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления для втузов, Том 2 -М. :Наука, 1985.-560с.
Письменный Д.Т. Конспект лекций по высшей математике – M.: Айрис – пресс, 2003. – 288 c.
Солодовников А.С., Бабайцев В.А Математика в экономики – M.: Финансы и статистика, 2005. – 560c.
Фихтенгольц Том 2
Шипачёв В.С. Высшая математика - М: Наука, 2003 – 684c.