Dvilypiai integralai skirti pagreitinti integralų (tūrio , ploto ir kt.) skaičiavimą, kad, užuot dalinus į kelias dalis ir integruojant kiekvieną dalį atskirai, būtų galimą greičiau suintegruoti.
Dvylipis integralas Dekarto koordinatėse[ keisti ]
Dvilypio integralo skaičiavimo pavyzdžiai.
1.
Dvilypį integralą
∬
D
f
(
x
;
y
)
d
x
d
y
{\displaystyle \iint _{D}f(x;y)dxdy}
pakeisime kartotiniu, kai sritį D riboja ašis Oy , parabolė
y
=
x
{\displaystyle y={\sqrt {x}}}
ir tiesė
x
+
y
=
2.
{\displaystyle x+y=2.}
Pirmiausia randame kreivių
x
+
y
=
2
{\displaystyle x+y=2}
ir
y
=
x
{\displaystyle y={\sqrt {x}}}
susikirtimo tašką A . Tuo tikslu išsprendžiame lygčių sistemą
{
x
+
y
=
2
,
{\displaystyle x+y=2,}
{
y
=
x
,
{\displaystyle y={\sqrt {x}},}
iš kurios randame: x=1; y=1. Sritį D Gausime, kai x kis nuo 0 iki 1, o y - nuo apatinės kreivės
y
=
x
{\displaystyle y={\sqrt {x}}}
iki viršutinės
y
=
2
−
x
.
{\displaystyle y=2-x.}
Todėl
∬
D
f
(
x
;
y
)
d
x
d
y
=
∫
0
1
d
x
∫
x
2
−
x
f
(
x
;
y
)
d
y
.
{\displaystyle \iint _{D}f(x;y)dxdy=\int _{0}^{1}dx\int _{\sqrt {x}}^{2-x}f(x;y)dy.}
Kad gautume D srities plotą reikia skaičiuoti šitaip:
∫
0
1
d
x
∫
x
2
−
x
d
y
=
∫
0
1
y
|
x
2
−
x
d
x
=
∫
0
1
(
2
−
x
−
x
)
d
x
=
(
2
x
−
x
2
2
−
2
3
x
3
2
)
|
0
1
=
2
−
1
2
−
2
3
=
5
6
.
{\displaystyle \int _{0}^{1}dx\int _{\sqrt {x}}^{2-x}dy=\int _{0}^{1}y|_{\sqrt {x}}^{2-x}dx=\int _{0}^{1}(2-x-{\sqrt {x}})dx=(2x-{\frac {x^{2}}{2}}-{\frac {2}{3}}x^{3 \over 2})|_{0}^{1}=2-{1 \over 2}-{2 \over 3}={5 \over 6}.}
Šį plotą galima gauti ir suskaičiavus atskirai trikampio plotą ir po parabolę
(
x
=
y
)
{\displaystyle ({\sqrt {x}}=y)}
x
=
y
2
{\displaystyle x=y^{2}}
nuo 0 iki
(
−
1
)
{\displaystyle (-1)}
.
S
Δ
=
1
2
1
⋅
1
=
1
2
,
{\displaystyle S_{\Delta }={1 \over 2}1\cdot 1={1 \over 2},}
S
p
a
r
a
b
=
∫
0
1
y
2
d
y
=
y
3
3
|
0
1
=
1
3
,
{\displaystyle S_{parab}=\int _{0}^{1}y^{2}dy={y^{3} \over 3}|_{0}^{1}={1 \over 3},}
S
=
S
Δ
+
S
p
a
r
a
b
=
1
2
+
1
3
=
5
6
.
{\displaystyle S=S_{\Delta }+S_{parab}={1 \over 2}+{1 \over 3}={5 \over 6}.}
Tą patį plotą galima gauti dvilypį integralą skaičiuojant šitaip:
∫
0
1
d
y
∫
0
y
2
d
x
+
∫
1
2
d
y
∫
0
2
−
y
d
x
=
∫
0
1
x
|
0
y
2
d
y
+
∫
1
2
x
|
0
2
−
y
d
x
=
∫
0
1
y
2
d
y
+
∫
1
2
(
2
−
y
)
d
y
=
{\displaystyle \int _{0}^{1}dy\int _{0}^{y^{2}}dx+\int _{1}^{2}dy\int _{0}^{2-y}dx=\int _{0}^{1}x|_{0}^{y^{2}}dy+\int _{1}^{2}x|_{0}^{2-y}dx=\int _{0}^{1}y^{2}dy+\int _{1}^{2}(2-y)dy=}
=
y
3
3
|
0
1
+
(
2
y
−
y
2
2
)
|
1
2
=
1
3
+
4
−
2
−
2
+
1
2
=
5
6
.
{\displaystyle ={y^{3} \over 3}|_{0}^{1}+(2y-{y^{2} \over 2})|_{1}^{2}={1 \over 3}+4-2-2+{1 \over 2}={5 \over 6}.}
Apskaičiuosime srities D plotą, kurį apriboja parabolė
y
=
x
{\displaystyle y={\sqrt {x}}}
ir parabolė
y
=
x
2
,
{\displaystyle y=x^{2},}
kai x kinta nuo 0 iki 1.
∫
0
1
d
x
∫
x
2
x
d
y
=
∫
0
1
y
|
x
2
x
d
x
=
∫
0
1
(
x
−
x
2
)
d
x
=
(
2
3
x
3
2
−
x
3
3
)
|
0
1
=
2
3
−
1
3
=
1
3
.
{\displaystyle \int _{0}^{1}dx\int _{x^{2}}^{\sqrt {x}}dy=\int _{0}^{1}y|_{x^{2}}^{\sqrt {x}}dx=\int _{0}^{1}({\sqrt {x}}-x^{2})dx=({2 \over 3}x^{3 \over 2}-{x^{3} \over 3})|_{0}^{1}={2 \over 3}-{1 \over 3}={1 \over 3}.}
2.
Tą patį atsakymą galima gauti iš pradžių apskaičiavus plotą po parabole
y
=
x
{\displaystyle y={\sqrt {x}}}
ir paskui atėmus iš ploto po parabole
y
=
x
2
.
{\displaystyle y=x^{2}.}
Plotas po parabole
y
=
x
2
{\displaystyle y=x^{2}}
apskaičiuojamas taip:
S
1
=
∫
0
1
x
2
d
x
=
x
3
3
|
0
1
=
1
3
.
{\displaystyle S_{1}=\int _{0}^{1}x^{2}dx={x^{3} \over 3}|_{0}^{1}={1 \over 3}.}
Plotas po parabole
y
=
x
{\displaystyle y={\sqrt {x}}}
yra:
S
2
=
∫
0
1
x
d
x
=
2
3
x
3
2
|
0
1
=
2
3
.
{\displaystyle S_{2}=\int _{0}^{1}{\sqrt {x}}dx={2 \over 3}x^{3 \over 2}|_{0}^{1}={2 \over 3}.}
Atėmus plotą po parabole
y
=
x
{\displaystyle y={\sqrt {x}}}
iš ploto po parabole
y
=
x
2
{\displaystyle y=x^{2}}
gauname ieškomą plotą:
S
=
S
2
−
S
1
=
2
3
−
1
3
=
1
3
.
{\displaystyle S=S_{2}-S_{1}={2 \over 3}-{1 \over 3}={1 \over 3}.}
Apskaičiuosime integralą
∬
D
x
d
x
d
y
{\displaystyle \iint _{D}xdxdy}
srityje D , apribota linija
y
=
−
x
;
{\displaystyle y=-x;}
y
=
1
;
{\displaystyle y=1;}
y
=
x
2
.
{\displaystyle y=x^{2}.}
Iš kairės pusės gaunasi trikampis, kurio krašinė a lygiagreti x ašiai ir lygi 1, o kita krašinėb sutampa su y ašimi ir taip pat lygi 1, o trikampio įžambinė lygi
1
2
+
1
2
=
2
{\displaystyle {\sqrt {1^{2}+1^{2}}}={\sqrt {2}}}
. Iš dešinės pusės viena krašinė lygiagreti x ašiai ir lygi 1 (nes
1
=
x
2
=
1
2
{\displaystyle 1=x^{2}=1^{2}}
), o kita krašinė sutampa su y ašimi ir taip pat lygi 1, šoną riboja parabolė.
3.
∬
D
d
x
d
y
=
∫
0
1
d
y
∫
−
y
y
d
x
=
∫
0
1
x
|
−
y
y
d
y
=
∫
0
1
(
y
+
y
)
d
y
=
{\displaystyle \iint _{D}dxdy=\int _{0}^{1}dy\int _{-y}^{\sqrt {y}}dx=\int _{0}^{1}x|_{-y}^{\sqrt {y}}dy=\int _{0}^{1}({\sqrt {y}}+y)dy=}
=
(
2
3
y
3
2
+
y
2
2
)
|
0
1
=
2
3
+
1
2
=
7
6
.
{\displaystyle =({2 \over 3}y^{3 \over 2}+{y^{2} \over 2})|_{0}^{1}={2 \over 3}+{1 \over 2}={7 \over 6}.}
Šios dvimatės figuros plotą taip pat galima apskaičiuoti šitaip:
S
Δ
=
1
2
;
{\displaystyle S_{\Delta }={1 \over 2};}
S
1
=
1
2
−
∫
0
1
x
2
d
x
=
1
−
x
3
3
|
0
1
=
1
−
1
3
=
2
3
;
{\displaystyle S_{1}=1^{2}-\int _{0}^{1}x^{2}dx=1-{x^{3} \over 3}|_{0}^{1}=1-{1 \over 3}={2 \over 3};}
S
=
S
Δ
+
S
1
=
1
2
+
2
3
=
7
6
.
{\displaystyle S=S_{\Delta }+S_{1}={1 \over 2}+{2 \over 3}={7 \over 6}.}
4.
Apskaičiuosime ploksčios figuros plotą D apribotą
y
2
=
x
+
1
;
{\displaystyle y^{2}=x+1;}
x
+
y
=
1.
{\displaystyle x+y=1.}
Sritis D apribota iš kairės parabole
x
=
y
2
−
1
,
{\displaystyle x=y^{2}-1,}
iš kairės - atkrapa
x
=
1
−
y
.
{\displaystyle x=1-y.}
Išsprendę sistemą, randame parabolės ir tiesės susikirtimo taškus
y
2
−
1
=
1
−
y
,
{\displaystyle y^{2}-1=1-y,}
y
2
+
y
−
2
=
0
;
{\displaystyle y^{2}+y-2=0;}
D
=
b
2
−
4
a
c
=
1
+
8
=
9
;
{\displaystyle D=b^{2}-4ac=1+8=9;}
x
1
;
2
=
−
b
±
D
2
a
=
−
1
±
3
2
=
−
2
;
1.
{\displaystyle x_{1;2}={-b\pm {\sqrt {D}} \over 2a}={-1\pm 3 \over 2}=-2;1.}
∬
D
d
x
d
y
=
∫
−
2
1
d
y
∫
y
2
−
1
1
−
y
d
x
=
∫
−
2
1
(
2
−
y
−
y
2
)
d
y
=
(
2
y
−
y
2
2
−
y
3
3
)
|
−
2
1
=
2
−
1
2
−
1
3
+
4
+
2
−
8
3
=
9
2
.
{\displaystyle \iint _{D}dxdy=\int _{-2}^{1}dy\int _{y^{2}-1}^{1-y}dx=\int _{-2}^{1}(2-y-y^{2})dy=(2y-{y^{2} \over 2}-{y^{3} \over 3})|_{-2}^{1}=2-{1 \over 2}-{1 \over 3}+4+2-{8 \over 3}={9 \over 2}.}
Galima šį dvilypį integralą integruot ir sukeitus funkcijas vietomis, bet reiketų tada dalinti į dvi dalis.
Šio uždavinio reikalaujamą plotą galima surasti ir paprastu būdu:
S
1
=
∫
−
2
1
(
1
−
y
)
d
y
=
(
y
−
y
2
2
|
−
2
1
=
1
−
1
2
−
(
−
2
−
2
)
=
5
−
1
2
=
9
2
;
{\displaystyle S_{1}=\int _{-2}^{1}(1-y)dy=(y-{y^{2} \over 2}|_{-2}^{1}=1-{1 \over 2}-(-2-2)=5-{1 \over 2}={9 \over 2};}
S
2
=
∫
−
1
1
(
y
2
−
1
)
d
y
=
(
y
3
3
−
y
)
|
−
1
1
=
1
3
−
1
−
(
−
1
3
+
1
)
=
2
3
−
2
=
−
4
3
;
|
S
2
|
=
4
3
.
{\displaystyle S_{2}=\int _{-1}^{1}(y^{2}-1)dy=({y^{3} \over 3}-y)|_{-1}^{1}={1 \over 3}-1-(-{1 \over 3}+1)={2 \over 3}-2=-{4 \over 3};\;|S_{2}|={4 \over 3}.}
S
3
=
∫
−
2
−
1
(
y
2
−
1
)
d
y
=
(
y
3
3
−
y
)
|
−
2
−
1
=
−
8
3
+
2
−
(
−
1
3
+
1
)
=
−
7
3
+
1
=
−
4
3
;
|
S
3
|
=
4
3
.
{\displaystyle S_{3}=\int _{-2}^{-1}(y^{2}-1)dy=({y^{3} \over 3}-y)|_{-2}^{-1}=-{8 \over 3}+2-(-{1 \over 3}+1)=-{7 \over 3}+1=-{4 \over 3};\;|S_{3}|={4 \over 3}.}
S
=
S
1
−
|
S
3
|
+
|
S
2
|
=
9
2
−
4
3
+
4
3
=
9
2
.
{\displaystyle S=S_{1}-|S_{3}|+|S_{2}|={9 \over 2}-{4 \over 3}+{4 \over 3}={9 \over 2}.}
Vaizdas:Integral379380.jpg 379.
Rasime tūrį kūno V , apriboto paviršiais
y
=
x
2
;
{\displaystyle y=x^{2};}
y
=
1
;
{\displaystyle y=1;}
z
=
0
;
{\displaystyle z=0;}
z
=
x
2
+
y
2
.
{\displaystyle z=x^{2}+y^{2}.}
Taip kaip šis kūnas yra cilindrinis kūnas su pagrindu D , apribotas iš viršaus paraboloidu
z
=
x
2
+
y
2
,
{\displaystyle z=x^{2}+y^{2},}
tai turime:
V
=
∬
D
(
x
2
+
y
2
)
d
x
d
y
=
2
∫
0
1
d
y
∫
0
y
(
x
2
+
y
2
)
d
x
=
2
∫
0
1
(
x
3
3
+
x
y
2
)
|
0
y
=
2
∫
0
1
(
1
3
y
3
2
+
y
5
2
)
d
y
=
{\displaystyle V=\iint _{D}(x^{2}+y^{2})dxdy=2\int _{0}^{1}dy\int _{0}^{\sqrt {y}}(x^{2}+y^{2})dx=2\int _{0}^{1}({x^{3} \over 3}+xy^{2})|_{0}^{\sqrt {y}}=2\int _{0}^{1}({1 \over 3}y^{3 \over 2}+y^{5 \over 2})dy=}
=
2
(
2
3
⋅
5
y
5
2
+
2
7
y
7
2
)
|
0
1
=
2
(
2
15
+
2
7
)
=
88
105
.
{\displaystyle =2({2 \over 3\cdot 5}y^{5 \over 2}+{2 \over 7}y^{7 \over 2})|_{0}^{1}=2({2 \over 15}+{2 \over 7})={88 \over 105}.}
Vaizdas:Integral379380.jpg 380.
Rasime tūrį kūno V , išpjauto iš begalines prizmės (stačiakampio gretasienio , kurio plotis ir aukštis
a
=
b
=
2
{\displaystyle a=b=2}
, o ilgis begalinis
c
=
∞
{\displaystyle c=\infty }
) ribomis
x
=
±
1
;
{\displaystyle x=\pm 1;}
y
=
±
1
{\displaystyle y=\pm 1}
ir paraboloidais (iš viršaus ir apčios atitinkamai)
x
2
+
y
2
=
4
−
z
;
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4-z;}
x
2
+
y
2
=
4
(
z
+
2
)
.
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4(z+2).}
Tūrį kūno V randame kaip sumą tūrių
V
1
{\displaystyle V_{1}}
ir
V
2
{\displaystyle V_{2}}
jo dalių, gulinčių atitinkamai virš ir po plokštuma XOY . Tokiu budu
V
1
=
∬
D
(
4
−
x
2
−
y
2
)
d
x
d
y
=
4
∫
0
1
d
x
∫
0
1
(
4
−
x
2
−
y
2
)
d
y
=
4
∫
0
1
(
4
−
x
2
−
1
3
)
d
x
=
40
3
=
13.33333333
;
{\displaystyle V_{1}=\iint _{D}(4-x^{2}-y^{2})dxdy=4\int _{0}^{1}dx\int _{0}^{1}(4-x^{2}-y^{2})dy=4\int _{0}^{1}(4-x^{2}-{1 \over 3})dx={40 \over 3}=13.33333333;}
V
2
=
−
∬
D
(
x
2
+
y
2
4
−
2
)
d
x
d
y
=
−
4
∫
0
1
d
x
∫
0
1
(
x
2
+
y
2
4
−
2
)
d
y
=
−
4
∫
0
1
(
x
2
4
+
1
12
−
2
)
d
x
=
{\displaystyle V_{2}=-\iint _{D}({x^{2}+y^{2} \over 4}-2)dxdy=-4\int _{0}^{1}dx\int _{0}^{1}({x^{2}+y^{2} \over 4}-2)dy=-4\int _{0}^{1}({x^{2} \over 4}+{1 \over 12}-2)dx=}
=
−
4
(
1
12
+
1
12
−
2
)
=
22
3
=
7.33333333
;
{\displaystyle =-4({1 \over 12}+{1 \over 12}-2)={22 \over 3}=7.33333333;}
V
=
V
1
+
V
2
=
40
3
+
22
3
=
62
3
=
20.66666667.
{\displaystyle V=V_{1}+V_{2}={40 \over 3}+{22 \over 3}={62 \over 3}=20.66666667.}
Vaizdas:Cilpav139.jpg 13.9.
Kūną riboja koordinačių plokštumos
x
=
0
,
{\displaystyle x=0,}
y
=
0
,
{\displaystyle y=0,}
z
=
0
,
{\displaystyle z=0,}
cilindrinis paviršius
z
=
9
−
x
2
{\displaystyle z=9-x^{2}}
ir plokštuma
x
+
y
=
3
{\displaystyle x+y=3}
(13.9 pav., a). Apskaičiuokime to kūno tūrį. Integravimo sritis D yra projekcija plokštumoje xOy . Žinome, kad kūno tūris
V
=
∬
D
(
9
−
x
2
)
d
x
d
y
=
∫
0
3
d
x
∫
0
3
−
x
(
9
−
x
2
)
d
y
=
∫
0
3
(
9
y
−
x
2
y
)
|
0
3
−
x
d
x
=
{\displaystyle V=\iint _{D}(9-x^{2})dxdy=\int _{0}^{3}dx\int _{0}^{3-x}(9-x^{2})dy=\int _{0}^{3}(9y-x^{2}y)|_{0}^{3-x}dx=}
=
∫
0
3
(
27
−
9
x
−
3
x
2
+
x
3
)
d
x
=
(
27
x
−
9
x
2
2
−
x
3
+
x
4
4
)
|
0
3
=
81
−
40.5
−
27
+
20.25
=
33.75.
{\displaystyle =\int _{0}^{3}(27-9x-3x^{2}+x^{3})dx=(27x-{9x^{2} \over 2}-x^{3}+{x^{4} \over 4})|_{0}^{3}=81-40.5-27+20.25=33.75.}
Apitiksliu budu patikrinsime ar atsakymas teisingas. Ant xOy plokštumos yra pagrindas, kuris yra ligiakraštis trikampis su kraštinėmis a=b=3;
c
=
3
2
+
3
2
=
18
=
3
2
=
4.242640687
{\displaystyle c={\sqrt {3^{2}+3^{2}}}={\sqrt {18}}=3{\sqrt {2}}=4.242640687}
. Šitą liagiakraštį statųjį trikampį padaliname į 30 dalių, tuomet Ox ašis padalinama į 30 dalių. O trikampio plotas gali būti gautas tokiu budu:
S
Δ
=
3
30
⋅
(
3
+
(
3
−
1
⋅
0
,
1
)
+
(
3
−
2
⋅
0
,
1
)
+
(
3
−
3
⋅
0
,
1
)
+
(
3
−
4
⋅
0
,
1
)
+
(
3
−
5
⋅
0
,
1
)
+
.
.
.
+
(
3
−
30
⋅
0
,
1
)
)
=
{\displaystyle S_{\Delta }={\frac {3}{30}}\cdot (3+(3-1\cdot 0,1)+(3-2\cdot 0,1)+(3-3\cdot 0,1)+(3-4\cdot 0,1)+(3-5\cdot 0,1)+...+(3-30\cdot 0,1))=}
=
0.1
(
3
∗
30
−
0.1
−
0.2
−
0.3
−
0.4
−
0.5
−
0.6
−
0.7
−
0.8
−
0.9
−
1
−
1.1
−
1.2
−
1.3
−
1.4
−
1.5
−
1.6
−
1.7
−
1.8
−
1.9
−
2
−
2.1
−
2.2
−
2.3
−
2.4
−
2.5
−
2.6
−
2.7
−
2.8
−
2.9
)
=
{\displaystyle =0.1(3*30-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.6-0.7-0.8-0.9-1-1.1-1.2-1.3-1.4-1.5-1.6-1.7-1.8-1.9-2-2.1-2.2-2.3-2.4-2.5-2.6-2.7-2.8-2.9)=}
=
0.1
(
90
−
5.5
−
15.5
−
22.5
)
=
0.1
(
90
−
43.5
)
=
0.1
(
46.5
)
=
4.65.
{\displaystyle =0.1(90-5.5-15.5-22.5)=0.1(90-43.5)=0.1(46.5)=4.65.}
Nesunkiai galime patikrinti, kad Tikrasis trikampio plotas labai panašus
S
Δ
=
a
⋅
b
2
=
3
⋅
3
2
=
4.5
{\displaystyle S_{\Delta }={\frac {a\cdot b}{2}}={\frac {3\cdot 3}{2}}=4.5}
.
O viso kūno tūrį padaliname į 30 stačiakampių gretasienių:
V
=
3
30
⋅
[
3
⋅
9
+
(
3
−
1
⋅
0.1
)
(
9
−
(
1
⋅
0.1
)
2
)
+
(
3
−
2
⋅
0.1
)
(
9
−
(
2
⋅
0.1
)
2
)
+
(
3
−
3
⋅
0.1
)
(
9
−
(
3
⋅
0.1
)
2
)
+
.
.
.
+
(
3
−
30
⋅
0.1
)
(
9
−
(
30
⋅
0.1
)
2
)
]
=
{\displaystyle V={\frac {3}{30}}\cdot [3\cdot 9+(3-1\cdot 0.1)(9-(1\cdot 0.1)^{2})+(3-2\cdot 0.1)(9-(2\cdot 0.1)^{2})+(3-3\cdot 0.1)(9-(3\cdot 0.1)^{2})+...+(3-30\cdot 0.1)(9-(30\cdot 0.1)^{2})]=}
=
0.1
(
18
+
2.9
∗
8.99
+
2.8
∗
8.96
+
2.7
∗
8.91
+
2.6
∗
8.84
+
2.5
∗
8.75
+
2.4
∗
8.64
+
2.3
∗
8.51
+
2.2
∗
8.36
+
2.1
∗
8.19
+
2
∗
8
+
{\displaystyle =0.1(18+2.9*8.99+2.8*8.96+2.7*8.91+2.6*8.84+2.5*8.75+2.4*8.64+2.3*8.51+2.2*8.36+2.1*8.19+2*8+}
+
1.9
∗
7.79
+
1.8
∗
7.56
+
1.7
∗
7.31
+
1.6
∗
7.04
+
1.5
∗
6.75
+
1.4
∗
6.44
+
1.3
∗
6.11
+
1.2
∗
5.76
+
1.1
∗
5.39
+
1
∗
(
9
−
2
2
)
+
{\displaystyle +1.9*7.79+1.8*7.56+1.7*7.31+1.6*7.04+1.5*6.75+1.4*6.44+1.3*6.11+1.2*5.76+1.1*5.39+1*(9-2^{2})+}
+
0.9
∗
4.59
+
0.8
∗
4.16
+
0.7
∗
3.71
+
0.6
∗
3.24
+
0.5
∗
2.75
+
0.4
∗
2.24
+
0.3
∗
1.71
+
0.2
∗
1.16
+
0.1
∗
0.59
)
=
{\displaystyle +0.9*4.59+0.8*4.16+0.7*3.71+0.6*3.24+0.5*2.75+0.4*2.24+0.3*1.71+0.2*1.16+0.1*0.59)=}
=
0.1
(
18
+
211.975
+
97.025
+
15.075
)
=
0.1
(
18
+
324.075
)
=
34.2075.
{\displaystyle =0.1(18+211.975+97.025+15.075)=0.1(18+324.075)=34.2075.}
Tūrių atsakymai yra panašūs, o padalinus į daugiau dalių atsakymai taptų dar panašesni.
Pagal kai kuriuos samprotavimus, iš esmės čia yra plotas po parabolės šaka atimtas iš stačiakampiom kurio plotas
y
x
=
x
2
x
{\displaystyle yx=x^{2}x}
ir padaugintas iš aukščio h=3 ir tuomet tūris turėtų gautis daugiau:
V
m
a
x
=
h
(
x
2
x
−
∫
0
3
x
2
d
x
)
=
3
(
3
2
⋅
3
−
∫
0
3
x
2
d
x
)
=
3
(
27
−
x
3
3
|
0
3
)
=
3
(
27
−
(
3
3
3
−
0
)
)
=
3
(
27
−
27
3
)
=
3
(
27
−
9
)
=
3
⋅
18
=
54.
{\displaystyle V_{max}=h(x^{2}x-\int _{0}^{3}x^{2}\;dx)=3(3^{2}\cdot 3-\int _{0}^{3}x^{2}\;dx)=3(27-{\frac {x^{3}}{3}}|_{0}^{3})=3(27-({\frac {3^{3}}{3}}-0))=3(27-{\frac {27}{3}})=3(27-9)=3\cdot 18=54.}
Palyginimui, stačiakampio gretasienio, kurio kraštinės a=3, b=3, c=9, tūris yra
V
s
t
=
a
b
c
=
3
⋅
3
⋅
9
=
81.
{\displaystyle V_{st}=abc=3\cdot 3\cdot 9=81.}
5.
Apskaičiuosime tūrį kūno, apriboto paviršiais
x
=
0
,
{\displaystyle x=0,}
y
=
0
,
{\displaystyle y=0,}
z
=
0
{\displaystyle z=0}
ir
x
+
y
+
z
=
1.
{\displaystyle x+y+z=1.}
Turime
V
=
∬
D
(
1
−
x
−
y
)
d
x
d
y
,
{\displaystyle V=\iint _{D}(1-x-y)dxdy,}
kur D - trikampė integravimo sritis, apribota tiesėmis
x
=
0
,
{\displaystyle x=0,}
y
=
0
,
{\displaystyle y=0,}
x
+
y
=
1.
{\displaystyle x+y=1.}
Išdestydami integravimo ribas šiame integrale, gauname
V
=
∫
0
1
d
x
∫
0
1
−
x
(
1
−
x
−
y
)
d
y
=
∫
0
1
(
y
−
x
y
−
y
2
2
)
|
0
1
−
x
d
x
=
{\displaystyle V=\int _{0}^{1}dx\int _{0}^{1-x}(1-x-y)dy=\int _{0}^{1}(y-xy-{y^{2} \over 2})|_{0}^{1-x}dx=}
=
∫
0
1
(
1
−
x
−
x
+
x
2
−
1
2
+
x
−
x
2
2
)
d
x
=
∫
0
1
(
1
2
−
x
+
x
2
2
)
d
x
=
{\displaystyle =\int _{0}^{1}(1-x-x+x^{2}-{1 \over 2}+x-{x^{2} \over 2})dx=\int _{0}^{1}({1 \over 2}-x+{x^{2} \over 2})dx=}
=
(
x
2
−
x
2
2
+
x
3
6
)
|
0
1
=
1
2
−
1
2
+
1
6
=
1
6
.
{\displaystyle =({x \over 2}-{x^{2} \over 2}+{x^{3} \over 6})|_{0}^{1}={1 \over 2}-{1 \over 2}+{1 \over 6}={1 \over 6}.}
Šį tūrį galima rasti ir taikant piramidės formulę:
V
=
1
3
⋅
B
⋅
h
=
1
3
⋅
1
2
⋅
1
⋅
1
⋅
1
=
1
6
,
{\displaystyle V={\frac {1}{3}}\cdot B\cdot h={\frac {1}{3}}\cdot {\frac {1}{2}}\cdot 1\cdot 1\cdot 1={\frac {1}{6}},}
kur B=1/2 yra piramidės pagrindas, o h=1 yra piramidės aukštis.
6.
Kūną riboja tiesės
x
=
y
+
2
{\displaystyle x=y+2}
atkarpa ir parabolės
x
=
y
2
{\displaystyle x=y^{2}}
lankas. Randame funkcijų susikirtimo taškus per diskriminantą .
y
+
2
=
y
2
,
{\displaystyle y+2=y^{2},}
y
2
−
y
−
2
=
0
,
{\displaystyle y^{2}-y-2=0,}
D
=
1
−
4
(
−
2
)
=
9
;
{\displaystyle D=1-4(-2)=9;}
x
1
,
2
=
1
±
3
2
=
−
1
;
2.
{\displaystyle x_{1,2}={1\pm 3 \over 2}=-1;2.}
Randame plotą apribotą šių funkcijų:
S
=
∬
D
d
x
d
y
=
∫
−
1
2
d
y
∫
y
2
y
+
2
d
x
=
∫
−
1
2
(
y
+
2
−
y
2
)
d
y
=
{\displaystyle S=\iint _{D}dxdy=\int _{-1}^{2}dy\int _{y^{2}}^{y+2}dx=\int _{-1}^{2}(y+2-y^{2})dy=}
=
(
y
2
2
+
2
y
−
y
3
3
)
|
−
1
2
=
2
+
4
−
8
3
−
(
1
2
−
2
+
1
3
)
=
8
−
1
2
−
3
=
9
2
.
{\displaystyle =({y^{2} \over 2}+2y-{y^{3} \over 3})|_{-1}^{2}=2+4-{8 \over 3}-({1 \over 2}-2+{1 \over 3})=8-{1 \over 2}-3={9 \over 2}.}
Šį plotą galimą buvo lengvai apskaičiuoti be dvilypio integralo:
S
1
=
∫
−
1
2
(
y
+
2
)
d
y
=
(
y
2
2
+
2
y
)
|
−
1
2
=
2
+
4
−
(
1
2
−
2
)
=
8
−
1
2
=
15
2
;
{\displaystyle S_{1}=\int _{-1}^{2}(y+2)dy=({y^{2} \over 2}+2y)|_{-1}^{2}=2+4-({1 \over 2}-2)=8-{1 \over 2}={15 \over 2};}
S
2
=
∫
−
1
2
y
2
d
y
=
y
3
3
|
−
1
2
=
8
3
+
1
3
=
3
;
{\displaystyle S_{2}=\int _{-1}^{2}y^{2}dy={y^{3} \over 3}|_{-1}^{2}={8 \over 3}+{1 \over 3}=3;}
S
=
S
1
−
S
2
=
15
2
−
3
=
15
−
6
2
=
9
2
.
{\displaystyle S=S_{1}-S_{2}={15 \over 2}-3={15-6 \over 2}={9 \over 2}.}
Dvilypis integralas polinėje koordinačių sistemoje[ keisti ]
Polinėje koordinačių sistemoje
∬
D
f
(
x
,
y
)
d
x
d
y
=
∬
D
f
(
ρ
cos
ϕ
,
ρ
sin
ϕ
)
ρ
d
ρ
d
ϕ
.
{\displaystyle \iint _{D}f(x,y)dxdy=\iint _{D}f(\rho \cos \phi ,\rho \sin \phi )\rho d\rho d\phi .}
x
=
ρ
cos
ϕ
;
y
=
ρ
sin
ϕ
.
{\displaystyle x=\rho \cos \phi ;\;y=\rho \sin \phi .}
x
2
+
y
2
=
ρ
2
cos
2
ϕ
+
ρ
2
sin
2
ϕ
=
ρ
2
.
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=\rho ^{2}\cos ^{2}\phi +\rho ^{2}\sin ^{2}\phi =\rho ^{2}.}
Paraboloidas.
Kūną riboja plokštuma xOy , cilindrinis paviršius
x
2
+
y
2
=
1
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=1}
ir paraboloidas
z
=
x
2
+
y
2
.
{\displaystyle z=x^{2}+y^{2}.}
Apskaičiuokime to kūno tūrį. Kai D yra skritulio dalis, esanti I ketvirtyje, tai
0
≤
ϕ
≤
π
2
,
0
≤
ρ
≤
1.
{\displaystyle 0\leq \phi \leq {\pi \over 2},\;0\leq \rho \leq 1.}
Tuomet
∬
D
(
x
2
+
y
2
)
d
x
d
y
=
∬
D
ρ
2
⋅
ρ
d
ρ
d
ϕ
=
∫
0
π
2
d
ϕ
∫
0
1
ρ
3
d
ρ
=
∫
0
π
2
ρ
4
4
|
0
1
d
ϕ
=
1
4
∫
0
π
2
d
ϕ
=
1
4
ϕ
|
0
π
2
=
π
8
.
{\displaystyle \iint _{D}(x^{2}+y^{2})dxdy=\iint _{D}\rho ^{2}\cdot \rho d\rho d\phi =\int _{0}^{\pi \over 2}d\phi \int _{0}^{1}\rho ^{3}d\rho =\int _{0}^{\pi \over 2}{\rho ^{4} \over 4}|_{0}^{1}d\phi ={1 \over 4}\int _{0}^{\pi \over 2}d\phi ={1 \over 4}\phi |_{0}^{\pi \over 2}={\pi \over 8}.}
Kadangi ketvirčiai yra keturi,
V
=
4
⋅
π
8
=
π
2
.
{\displaystyle V=4\cdot {\pi \over 8}={\pi \over 2}.}
Nepolinėje koordinačių sistemoje sprendimas būtų kur kas sudetingesnis.
Kūną riboja plokštuma xOy , cilindrinis paviršius
x
2
+
y
2
=
4
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4}
ir paraboloidas
z
=
x
2
+
y
2
.
{\displaystyle z=x^{2}+y^{2}.}
Apskaičiuokime to kūno tūrį. Kai D yra skritulis ant plokštumos xOy , tai
0
≤
ϕ
≤
2
π
,
0
≤
ρ
≤
4.
{\displaystyle 0\leq \phi \leq 2\pi ,\;0\leq \rho \leq 4.}
Tuomet
V
=
∬
D
(
x
2
+
y
2
)
d
x
d
y
=
∬
D
ρ
2
⋅
ρ
d
ρ
d
ϕ
=
∫
0
2
π
d
ϕ
∫
0
4
ρ
3
d
ρ
=
∫
0
2
π
ρ
4
4
|
0
4
d
ϕ
=
{\displaystyle V=\iint _{D}(x^{2}+y^{2})dxdy=\iint _{D}\rho ^{2}\cdot \rho d\rho d\phi =\int _{0}^{2\pi }d\phi \int _{0}^{4}\rho ^{3}d\rho =\int _{0}^{2\pi }{\rho ^{4} \over 4}|_{0}^{4}d\phi =}
=
(
4
4
4
−
0
4
4
)
∫
0
2
π
d
ϕ
=
256
4
ϕ
|
0
2
π
=
64
⋅
(
2
π
−
0
)
=
128
π
=
402.1238597.
{\displaystyle =({4^{4} \over 4}-{\frac {0^{4}}{4}})\int _{0}^{2\pi }d\phi ={256 \over 4}\phi |_{0}^{2\pi }=64\cdot (2\pi -0)=128\pi =402.1238597.}
Patikrinsime paraboloido
z
=
x
2
+
y
2
{\displaystyle z=x^{2}+y^{2}}
tūrį, kai
0
≤
x
≤
4
{\displaystyle 0\leq x\leq 4}
,
0
≤
y
≤
4
{\displaystyle 0\leq y\leq 4}
, 0<z<16, padalindami parabolės šaką į 10 atkarpų-tiesių, kai 0<x<4. Kiekvienos atkarpos projekcijos į Ox ašį ilgis yra 0,4 (y reikšmės tuomet visada būna 0). Todėl reikiau gauti visas x reikšmes:
x
0
=
0
;
{\displaystyle x_{0}=0;}
x
1
=
0.4
;
{\displaystyle x_{1}=0.4;}
x
2
=
2
⋅
0.4
=
0.8
;
{\displaystyle x_{2}=2\cdot 0.4=0.8;}
x
3
=
3
⋅
0.4
=
1.2
;
{\displaystyle x_{3}=3\cdot 0.4=1.2;}
x
4
=
4
⋅
0.4
=
1.6
;
{\displaystyle x_{4}=4\cdot 0.4=1.6;}
x
5
=
5
⋅
0.4
=
2
;
{\displaystyle x_{5}=5\cdot 0.4=2;}
x
6
=
6
⋅
0.4
=
2.4
;
{\displaystyle x_{6}=6\cdot 0.4=2.4;}
x
7
=
7
⋅
0.4
=
2.8
;
{\displaystyle x_{7}=7\cdot 0.4=2.8;}
x
8
=
8
⋅
0.4
=
3.2
;
{\displaystyle x_{8}=8\cdot 0.4=3.2;}
x
9
=
9
⋅
0.4
=
3.6
;
{\displaystyle x_{9}=9\cdot 0.4=3.6;}
x
10
=
10
⋅
0.4
=
4.
{\displaystyle x_{10}=10\cdot 0.4=4.}
Dabar toliau reikia surasti visas z reikšmes, įstačius x reikšmes:
z
0
=
x
0
2
=
0
2
=
0
;
{\displaystyle z_{0}=x_{0}^{2}=0^{2}=0;}
z
1
=
x
1
2
=
0.4
2
=
0.16
;
{\displaystyle z_{1}=x_{1}^{2}=0.4^{2}=0.16;}
z
2
=
x
2
2
=
0.8
2
=
0.64
;
{\displaystyle z_{2}=x_{2}^{2}=0.8^{2}=0.64;}
z
3
=
x
3
2
=
1.2
2
=
1.44
;
{\displaystyle z_{3}=x_{3}^{2}=1.2^{2}=1.44;}
z
4
=
x
4
2
=
1.6
2
=
2.56
;
{\displaystyle z_{4}=x_{4}^{2}=1.6^{2}=2.56;}
z
5
=
x
5
2
=
2
2
=
4
;
{\displaystyle z_{5}=x_{5}^{2}=2^{2}=4;}
z
6
=
x
6
2
=
2.4
2
=
5.76
;
{\displaystyle z_{6}=x_{6}^{2}=2.4^{2}=5.76;}
z
7
=
x
7
2
=
2.8
2
=
7.84
;
{\displaystyle z_{7}=x_{7}^{2}=2.8^{2}=7.84;}
z
8
=
x
8
2
=
3.2
2
=
10.24
;
{\displaystyle z_{8}=x_{8}^{2}=3.2^{2}=10.24;}
z
9
=
x
9
2
=
3.6
2
=
12.96
;
{\displaystyle z_{9}=x_{9}^{2}=3.6^{2}=12.96;}
z
10
=
x
10
2
=
4
2
=
16.
{\displaystyle z_{10}=x_{10}^{2}=4^{2}=16.}
Dabar sudėsime 10 diskų, kai kiekvieno disko aukštis yra
h
1
=
z
1
−
z
0
{\displaystyle h_{1}=z_{1}-z_{0}}
,
h
2
=
z
2
−
z
1
{\displaystyle h_{2}=z_{2}-z_{1}}
,
h
3
=
z
3
−
z
2
{\displaystyle h_{3}=z_{3}-z_{2}}
ir taip toliau. Gauname paraboloido tūrį:
V
=
π
(
r
1
2
(
z
1
−
z
0
)
+
r
2
2
(
z
2
−
z
1
)
+
r
3
2
(
z
3
−
z
2
)
+
r
4
2
(
z
4
−
z
3
)
+
r
5
2
(
z
5
−
z
4
)
+
r
6
2
(
z
6
−
z
5
)
+
r
7
2
(
z
7
−
z
6
)
+
r
8
2
(
z
8
−
z
7
)
+
r
9
2
(
z
9
−
z
8
)
+
r
10
2
(
z
10
−
z
9
)
)
=
{\displaystyle V=\pi (r_{1}^{2}(z_{1}-z_{0})+r_{2}^{2}(z_{2}-z_{1})+r_{3}^{2}(z_{3}-z_{2})+r_{4}^{2}(z_{4}-z_{3})+r_{5}^{2}(z_{5}-z_{4})+r_{6}^{2}(z_{6}-z_{5})+r_{7}^{2}(z_{7}-z_{6})+r_{8}^{2}(z_{8}-z_{7})+r_{9}^{2}(z_{9}-z_{8})+r_{10}^{2}(z_{10}-z_{9}))=}
=
π
(
0.4
2
(
0.16
−
0
)
+
0.8
2
(
0.64
−
0.16
)
+
1.2
2
(
1.44
−
0.64
)
+
1.6
2
(
2.56
−
1.44
)
+
2
2
(
4
−
2.56
)
+
2.4
2
(
5.76
−
4
)
+
2.8
2
(
7.84
−
5.76
)
+
3.2
2
(
10.24
−
7.84
)
+
3.6
2
(
12.96
−
10.24
)
+
4
2
(
16
−
12.96
)
)
=
{\displaystyle =\pi (0.4^{2}(0.16-0)+0.8^{2}(0.64-0.16)+1.2^{2}(1.44-0.64)+1.6^{2}(2.56-1.44)+2^{2}(4-2.56)+2.4^{2}(5.76-4)+2.8^{2}(7.84-5.76)+3.2^{2}(10.24-7.84)+3.6^{2}(12.96-10.24)+4^{2}(16-12.96))=}
=
π
(
0.4
2
⋅
0.16
+
0.8
2
⋅
0.48
+
1.2
2
⋅
0.8
+
1.6
2
⋅
1.12
+
2
2
⋅
1.44
+
2.4
2
⋅
1.76
+
2.8
2
⋅
2.08
+
3.2
2
⋅
2.4
+
3.6
2
⋅
2.72
+
4
2
⋅
3.04
)
=
{\displaystyle =\pi (0.4^{2}\cdot 0.16+0.8^{2}\cdot 0.48+1.2^{2}\cdot 0.8+1.6^{2}\cdot 1.12+2^{2}\cdot 1.44+2.4^{2}\cdot 1.76+2.8^{2}\cdot 2.08+3.2^{2}\cdot 2.4+3.6^{2}\cdot 2.72+4^{2}\cdot 3.04)=}
=
π
(
0.16
⋅
0.16
+
0.64
⋅
0.48
+
1.44
⋅
0.8
+
2.56
⋅
1.12
+
4
⋅
1.44
+
5.76
⋅
1.76
+
7.84
⋅
2.08
+
10.24
⋅
2.4
+
12.96
⋅
2.72
+
16
⋅
3.04
)
=
{\displaystyle =\pi (0.16\cdot 0.16+0.64\cdot 0.48+1.44\cdot 0.8+2.56\cdot 1.12+4\cdot 1.44+5.76\cdot 1.76+7.84\cdot 2.08+10.24\cdot 2.4+12.96\cdot 2.72+16\cdot 3.04)=}
=
π
(
0.0256
+
0.3072
+
1.152
+
2.8672
+
5.76
+
10.1376
+
16.3072
+
24.576
+
35.2512
+
48.64
)
=
145.024
π
=
455.606333.
{\displaystyle =\pi (0.0256+0.3072+1.152+2.8672+5.76+10.1376+16.3072+24.576+35.2512+48.64)=145.024\pi =455.606333.}
Na, gavosi daugiau nei integravimo budu
V
=
402.1238597
,
{\displaystyle V=402.1238597,}
taip ir turėjo gautis. Padalinus į daugiau plonesnių diskų atsakymas gali būti gautas neribotai tikslus, toks pat kaip integruojant.
Palyginimui cilindro tūris lygus dviems paraboloido turiams
V
c
i
l
=
π
r
2
h
=
π
⋅
4
2
⋅
16
=
256
π
=
804.2477193.
{\displaystyle V_{cil}=\pi r^{2}h=\pi \cdot 4^{2}\cdot 16=256\pi =804.2477193.}
O tūris po paraboloidu visada lygus paraboloido tūriui.
1.
Figūrą riboja kreivės
x
2
+
y
2
=
4
x
,
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4x,}
x
2
+
y
2
=
8
x
,
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x,}
y
=
x
,
{\displaystyle y=x,}
y
=
x
3
.
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}.}
Apskaičiuokime tos figuros plotą. Pirmiausia išsiaiškinkime, kokias kreives apibūdina lygtys
x
2
+
y
2
=
4
x
,
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4x,}
x
2
+
y
2
=
8
x
.
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x.}
Išskyrę dvinario kvadratus gauname:
x
2
+
y
2
=
4
x
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4x}
<=>
(
x
−
2
)
2
+
y
2
=
4
,
{\displaystyle (x-2)^{2}+y^{2}=4,}
x
2
+
y
2
=
8
x
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x}
<=>
(
x
−
4
)
2
+
y
2
=
16.
{\displaystyle (x-4)^{2}+y^{2}=16.}
Tai apskritimo lygtys. Pirmojo apskritimo centras yra taškas (2; 0), o spindulys lygus 2, antrojo centras - taškas (4; 0), o spindulys lygus 4. Parašykime tų apskritimų lygtis polinėje koordinačių sistemoje:
ρ
=
4
cos
ϕ
{\displaystyle \rho =4\cos \phi }
ir
ρ
=
8
cos
ϕ
.
{\displaystyle \rho =8\cos \phi .}
Tiesė
y
=
x
{\displaystyle y=x}
su ašimi Ox sudaro kampą
π
4
,
{\displaystyle {\pi \over 4},}
o tiesė
y
=
x
3
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}}
- kampą
y
x
=
3
;
tan
ϕ
=
3
;
ϕ
=
arctan
3
=
π
3
.
{\displaystyle {y \over x}={\sqrt {3}};\;\tan \phi ={\sqrt {3}};\;\phi =\arctan {\sqrt {3}}={\pi \over 3}.}
Taigi sritį D gauname, kai
ϕ
{\displaystyle \phi }
kinta nuo
π
4
{\displaystyle {\pi \over 4}}
iki
π
3
,
{\displaystyle {\pi \over 3},}
o
ρ
{\displaystyle \rho }
- nuo
4
cos
ϕ
{\displaystyle 4\cos \phi }
iki
8
cos
ϕ
.
{\displaystyle 8\cos \phi .}
Figūros plotas
S
=
∬
D
d
x
d
y
=
∬
D
ρ
d
ρ
d
ϕ
,
{\displaystyle S=\iint _{D}dxdy=\iint _{D}\rho d\rho d\phi ,}
todėl
S
=
∫
π
4
π
3
d
ϕ
∫
4
cos
ϕ
8
cos
ϕ
ρ
d
ρ
=
1
2
∫
π
4
π
3
ρ
2
|
4
cos
ϕ
8
cos
ϕ
d
ϕ
=
1
2
∫
π
4
π
3
(
64
cos
2
ϕ
−
16
cos
2
ϕ
)
d
ϕ
=
24
∫
π
4
π
3
cos
2
ϕ
d
ϕ
=
{\displaystyle S=\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}d\phi \int _{4\cos \phi }^{8\cos \phi }\rho d\rho ={1 \over 2}\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}\rho ^{2}|_{4\cos \phi }^{8\cos \phi }d\phi ={1 \over 2}\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}(64\cos ^{2}\phi -16\cos ^{2}\phi )d\phi =24\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}\cos ^{2}\phi d\phi =}
=
12
∫
π
4
π
3
(
1
+
cos
(
2
ϕ
)
)
d
ϕ
=
12
(
ϕ
+
1
2
sin
(
2
ϕ
)
)
|
π
4
π
3
=
12
(
π
3
−
π
4
+
1
2
sin
2
π
3
−
1
2
sin
π
2
)
=
{\displaystyle =12\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}(1+\cos(2\phi ))d\phi =12(\phi +{1 \over 2}\sin(2\phi ))|_{\pi \over 4}^{\pi \over 3}=12({\pi \over 3}-{\pi \over 4}+{1 \over 2}\sin {2\pi \over 3}-{1 \over 2}\sin {\pi \over 2})=}
=
12
(
π
12
+
1
2
⋅
3
2
−
1
2
⋅
1
)
=
π
+
3
3
−
6
≈
2
,
337745.
{\displaystyle =12({\pi \over 12}+{1 \over 2}\cdot {{\sqrt {3}} \over 2}-{1 \over 2}\cdot 1)=\pi +3{\sqrt {3}}-6\approx 2,337745.}
Figūrą riboja kreivės
x
2
+
y
2
=
4
,
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4,}
x
2
+
y
2
=
8
x
,
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x,}
y
=
x
,
{\displaystyle y=x,}
y
=
x
3
.
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}.}
Apskaičiuokime tos figuros plotą. Pirmiausia išsiaiškinkime, kokias kreives apibūdina lygtys
x
2
+
y
2
=
4
,
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4,}
x
2
+
y
2
=
8
x
.
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x.}
Išskyrę dvinario kvadratus gauname:
x
2
+
y
2
=
4
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4}
<=>
(
x
−
0
)
2
+
y
2
=
4
,
{\displaystyle (x-0)^{2}+y^{2}=4,}
x
2
+
y
2
=
8
x
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x}
<=>
(
x
−
4
)
2
+
y
2
=
16.
{\displaystyle (x-4)^{2}+y^{2}=16.}
Tai apskritimo lygtys. Pirmojo apskritimo centras yra taškas (0; 0), o spindulys lygus 2, antrojo centras - taškas (4; 0), o spindulys lygus 4. Parašykime tų apskritimų lygtis polinėje koordinačių sistemoje:
ρ
2
=
4
{\displaystyle \rho ^{2}=4}
,
ρ
=
2
{\displaystyle \rho =2}
ir
ρ
=
8
cos
ϕ
.
{\displaystyle \rho =8\cos \phi .}
Tiesė
y
=
x
{\displaystyle y=x}
su ašimi Ox sudaro kampą
π
4
,
{\displaystyle {\pi \over 4},}
o tiesė
y
=
x
3
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}}
- kampą
y
x
=
3
;
tan
ϕ
=
3
;
ϕ
=
arctan
3
=
π
3
.
{\displaystyle {y \over x}={\sqrt {3}};\;\tan \phi ={\sqrt {3}};\;\phi =\arctan {\sqrt {3}}={\pi \over 3}.}
Taigi sritį D gauname, kai
ϕ
{\displaystyle \phi }
kinta nuo
π
4
{\displaystyle {\pi \over 4}}
iki
π
3
,
{\displaystyle {\pi \over 3},}
o
ρ
{\displaystyle \rho }
- nuo
2
{\displaystyle 2}
iki
8
cos
ϕ
.
{\displaystyle 8\cos \phi .}
Figūros plotas
S
=
∬
D
d
x
d
y
=
∬
D
ρ
d
ρ
d
ϕ
,
{\displaystyle S=\iint _{D}dxdy=\iint _{D}\rho d\rho d\phi ,}
todėl
S
=
∫
π
4
π
3
d
ϕ
∫
2
8
cos
ϕ
ρ
d
ρ
=
1
2
∫
π
4
π
3
ρ
2
|
2
8
cos
ϕ
d
ϕ
=
1
2
∫
π
4
π
3
(
64
cos
2
ϕ
−
2
2
)
d
ϕ
=
∫
π
4
π
3
(
32
cos
2
ϕ
−
2
)
d
ϕ
=
{\displaystyle S=\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}d\phi \int _{2}^{8\cos \phi }\rho d\rho ={1 \over 2}\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}\rho ^{2}|_{2}^{8\cos \phi }d\phi ={1 \over 2}\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}(64\cos ^{2}\phi -2^{2})d\phi =\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}(32\cos ^{2}\phi -2)d\phi =}
=
∫
π
4
π
3
(
16
(
1
+
cos
(
2
ϕ
)
)
−
2
)
d
ϕ
=
14
ϕ
+
16
2
sin
(
2
ϕ
)
|
π
4
π
3
=
14
π
3
−
14
π
4
+
8
sin
2
π
3
−
8
sin
π
2
=
{\displaystyle =\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}(16(1+\cos(2\phi ))-2)d\phi =14\phi +{16 \over 2}\sin(2\phi )|_{\pi \over 4}^{\pi \over 3}={14\pi \over 3}-{14\pi \over 4}+8\sin {2\pi \over 3}-8\sin {\pi \over 2}=}
=
14
π
12
+
8
3
2
−
8
≈
2
,
593395.
{\displaystyle ={14\pi \over 12}+{8{\sqrt {3}} \over 2}-8\approx 2,593395.}
Figūrą riboja kreivės
x
2
+
y
2
=
8
x
,
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x,}
y
=
x
,
{\displaystyle y=x,}
y
=
x
3
.
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}.}
Apskaičiuokime tos figuros plotą. Pirmiausia išsiaiškinkime, kokią kreivę apibūdina lygtis
x
2
+
y
2
=
8
x
.
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x.}
Išskyrę dvinario kvadratą gauname:
x
2
+
y
2
=
8
x
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x}
<=>
(
x
−
4
)
2
+
y
2
=
16.
{\displaystyle (x-4)^{2}+y^{2}=16.}
Tai apskritimo lygtis. Apskritimo centras yra taškas (4; 0), o spindulys lygus 4. Parašykime to apskritimo lygtį polinėje koordinačių sistemoje:
ρ
2
=
8
ρ
cos
ϕ
{\displaystyle \rho ^{2}=8\rho \cos \phi }
,
ρ
=
8
cos
ϕ
.
{\displaystyle \rho =8\cos \phi .}
Tiesė
y
=
x
{\displaystyle y=x}
su ašimi Ox sudaro kampą
π
4
,
{\displaystyle {\pi \over 4},}
o tiesė
y
=
x
3
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}}
- kampą
y
x
=
3
;
tan
ϕ
=
3
;
ϕ
=
arctan
3
=
π
3
.
{\displaystyle {y \over x}={\sqrt {3}};\;\tan \phi ={\sqrt {3}};\;\phi =\arctan {\sqrt {3}}={\pi \over 3}.}
Taigi sritį D gauname, kai
ϕ
{\displaystyle \phi }
kinta nuo
π
4
{\displaystyle {\pi \over 4}}
iki
π
3
,
{\displaystyle {\pi \over 3},}
o
ρ
{\displaystyle \rho }
- nuo
0
{\displaystyle 0}
iki
8
cos
ϕ
.
{\displaystyle 8\cos \phi .}
Figūros plotas
S
=
∬
D
d
x
d
y
=
∬
D
ρ
d
ρ
d
ϕ
,
{\displaystyle S=\iint _{D}dxdy=\iint _{D}\rho d\rho d\phi ,}
todėl
S
=
∫
π
4
π
3
d
ϕ
∫
0
8
cos
ϕ
ρ
d
ρ
=
1
2
∫
π
4
π
3
ρ
2
|
0
8
cos
ϕ
d
ϕ
=
1
2
∫
π
4
π
3
(
64
cos
2
ϕ
−
0
2
)
d
ϕ
=
∫
π
4
π
3
32
cos
2
ϕ
d
ϕ
=
{\displaystyle S=\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}d\phi \int _{0}^{8\cos \phi }\rho d\rho ={1 \over 2}\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}\rho ^{2}|_{0}^{8\cos \phi }d\phi ={1 \over 2}\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}(64\cos ^{2}\phi -0^{2})d\phi =\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}32\cos ^{2}\phi d\phi =}
=
32
∫
π
4
π
3
1
2
(
1
+
cos
(
2
ϕ
)
)
d
ϕ
=
16
ϕ
+
16
2
sin
(
2
ϕ
)
|
π
4
π
3
=
16
π
3
−
16
π
4
+
8
sin
2
π
3
−
8
sin
π
2
=
{\displaystyle =32\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}{1 \over 2}(1+\cos(2\phi ))d\phi =16\phi +{16 \over 2}\sin(2\phi )|_{\pi \over 4}^{\pi \over 3}={16\pi \over 3}-{16\pi \over 4}+8\sin {2\pi \over 3}-8\sin {\pi \over 2}=}
=
4
π
3
+
8
3
2
−
8
⋅
1
=
3
,
116993435.
{\displaystyle ={4\pi \over 3}+{8{\sqrt {3}} \over 2}-8\cdot 1=3,116993435.}
Apskritimas su spinduliu
r
=
4
{\displaystyle r=4}
. Paveikslėlyje [klaidingi] skaičiai reiškia: 3,547=3,5863; 2,762=2,9282; 1,237=1,07179677.
Dabar rasime šį plotą be integralų. Yra 2 trikampiai, kuriuos sudaro 3 tiesės:
y
=
x
3
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}}
,
y
=
x
{\displaystyle y=x}
,
y
=
4
3
−
x
3
{\displaystyle y=4{\sqrt {3}}-x{\sqrt {3}}}
. Tiese
y
=
x
{\displaystyle y=x}
su asimi Ox sudaro kampą 45 laipsniu arba
π
/
4
{\displaystyle \pi /4}
. Tiesė
y
=
x
3
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}}
su ašimi Ox sudaro kampą,
y
x
=
3
{\displaystyle {y \over x}={\sqrt {3}}}
,
sin
α
cos
α
=
3
{\displaystyle {\sin \alpha \over \cos \alpha }={\sqrt {3}}}
,
tan
α
=
3
{\displaystyle \tan \alpha ={\sqrt {3}}}
,
α
=
arctan
3
{\displaystyle \alpha =\arctan {\sqrt {3}}}
,
α
=
π
3
{\displaystyle \alpha ={\pi \over 3}}
arba 60 laipsniu. Tiesė
y
=
4
3
−
x
3
{\displaystyle y=4{\sqrt {3}}-x{\sqrt {3}}}
su tiese
y
=
x
{\displaystyle y=x}
kertasi šiuose taškuose
x
=
2
,
535898385
{\displaystyle x=2,535898385}
,
y
=
2
,
535898385
{\displaystyle y=2,535898385}
, jie gaunami išsprendus lygčių sistemą:
{
y
=
x
,
y
=
4
3
−
x
3
.
{\displaystyle {\begin{cases}y=x,&\\y=4{\sqrt {3}}-x{\sqrt {3}}.&\end{cases}}}
Keitimo butu gauname,
x
=
4
3
−
x
3
{\displaystyle x=4{\sqrt {3}}-x{\sqrt {3}}}
;
x
2
=
(
3
(
4
−
x
)
)
2
{\displaystyle x^{2}=({\sqrt {3}}(4-x))^{2}}
;
x
2
=
3
(
16
−
8
x
+
x
2
)
{\displaystyle x^{2}=3(16-8x+x^{2})}
;
x
2
−
3
x
2
+
24
x
−
48
=
0
{\displaystyle x^{2}-3x^{2}+24x-48=0}
;
−
2
x
2
+
24
x
−
48
=
0
{\displaystyle -2x^{2}+24x-48=0}
;
D
=
b
2
−
4
a
c
=
24
2
−
4
⋅
(
−
2
)
⋅
(
−
48
)
=
576
−
384
=
192
{\displaystyle D=b^{2}-4ac=24^{2}-4\cdot (-2)\cdot (-48)=576-384=192}
,
x
1
=
−
b
+
D
2
a
=
−
24
+
192
2
⋅
(
−
2
)
=
−
24
+
8
3
−
4
=
6
−
2
3
≈
2
,
535898385
{\displaystyle x_{1}={-b+{\sqrt {D}} \over 2a}={-24+{\sqrt {192}} \over 2\cdot (-2)}={-24+8{\sqrt {3}} \over -4}=6-2{\sqrt {3}}\approx 2,535898385}
;
x
2
=
−
24
−
192
−
4
=
6
+
2
3
≈
9
,
464101615
{\displaystyle x_{2}={-24-{\sqrt {192}} \over -4}=6+2{\sqrt {3}}\approx 9,464101615}
,
x
2
{\displaystyle x_{2}}
netinka, nes
y
=
x
{\displaystyle y=x}
, nes Ox asimi dirbama nuo 0 iki 4, taip pat netinka grafike, nes nesikerta tieses kai x=9,4641. Dabar randame koks yra y , kai kertasi šios dvi tiesės; y=x, taigi y=2,535898385, tą patį gauname ir įstačius x į lygtį
y
=
3
(
4
−
x
)
=
3
(
4
−
(
6
−
2
3
)
)
=
3
(
4
−
6
+
2
3
)
=
−
2
3
+
2
⋅
3
=
2
,
535898385
{\displaystyle y={\sqrt {3}}(4-x)={\sqrt {3}}(4-(6-2{\sqrt {3}}))={\sqrt {3}}(4-6+2{\sqrt {3}})=-2{\sqrt {3}}+2\cdot 3=2,535898385}
.
Dabar galime rasti ilgį tiesės
y
=
x
{\displaystyle y=x}
iki susikirtimo su apskritimo spinduliu, kuris yra tiesė
y
=
3
(
4
−
x
)
{\displaystyle y={\sqrt {3}}(4-x)}
, taigi
c
=
a
2
+
b
2
=
2
,
535898385
2
⋅
2
≈
3
,
586301889.
{\displaystyle c={\sqrt {a^{2}+b^{2}}}={\sqrt {2,535898385^{2}\cdot 2}}\approx 3,586301889.}
Taip pat randame ilgį tiesės
y
=
3
(
4
−
x
)
{\displaystyle y={\sqrt {3}}(4-x)}
iki susikirtimo su tiese
y
=
x
{\displaystyle y=x}
. Taigi,
c
=
a
2
+
b
2
=
(
4
−
2
,
535898385
)
2
+
2
,
535898385
2
=
1
,
464101615
2
+
2
,
535898385
2
=
2
,
92820323.
{\displaystyle c={\sqrt {a^{2}+b^{2}}}={\sqrt {(4-2,535898385)^{2}+2,535898385^{2}}}={\sqrt {1,464101615^{2}+2,535898385^{2}}}=2,92820323.}
Toliau randame tiesės
y
=
x
3
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}}
ir tiesės
y
=
4
3
−
x
3
{\displaystyle y=4{\sqrt {3}}-x{\sqrt {3}}}
susikirtimo taškus. Keitimo budu išsprendžiame sistemą:
x
3
=
4
3
−
x
3
{\displaystyle x{\sqrt {3}}=4{\sqrt {3}}-x{\sqrt {3}}}
;
2
x
3
=
4
3
{\displaystyle 2x{\sqrt {3}}=4{\sqrt {3}}}
;
2
x
=
4
{\displaystyle 2x=4}
;
x
=
2
{\displaystyle x=2}
. Įstačius šią reikšmę į lygtį
y
=
x
3
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}}
, gauname
y
=
2
3
{\displaystyle y=2{\sqrt {3}}}
, kad tiesės kertasi taške, kai
x
=
2
{\displaystyle x=2}
ir
y
=
2
3
.
{\displaystyle y=2{\sqrt {3}}.}
Pagal pitagoro teorema surandame vienu metu ir tiesės
y
=
3
(
4
−
x
)
{\displaystyle y={\sqrt {3}}(4-x)}
ir tiesės
y
=
x
3
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}}
ilgius (abiejų tiesių ilgiai vienodi) iki jų susikirtimo taško:
c
=
x
2
+
y
2
=
2
2
+
(
2
3
)
2
=
4
+
4
⋅
3
=
16
=
4.
{\displaystyle c={\sqrt {x^{2}+y^{2}}}={\sqrt {2^{2}+(2{\sqrt {3}})^{2}}}={\sqrt {4+4\cdot 3}}={\sqrt {16}}=4.}
Dabar galime rasti iškirptą tiesės
y
=
3
(
4
−
x
)
{\displaystyle y={\sqrt {3}}(4-x)}
dalį kitų dviejų tiesių:
y
=
x
{\displaystyle y=x}
ir
y
=
x
3
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}}
. Taigi,
e
=
4
−
2
,
92820323
=
1
,
07179677
{\displaystyle e=4-2,92820323=1,07179677}
.
Žinodami kampą tarp tiesės
y
=
x
{\displaystyle y=x}
ir
y
=
x
3
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}}
, kuris yra
α
=
60
−
45
=
15
{\displaystyle \alpha =60-45=15}
laipsnių arba
α
=
π
3
−
π
4
=
π
12
{\displaystyle \alpha ={\pi \over 3}-{\pi \over 4}={\pi \over 12}}
, pagal formulę
S
=
1
2
a
b
sin
α
=
4
⋅
3
,
586301889
2
sin
π
12
=
7
,
172603778
⋅
0
,
258819045
=
1
,
856406461
{\displaystyle S={\frac {1}{2}}ab\sin \alpha ={4\cdot 3,586301889 \over 2}\sin {\pi \over 12}=7,172603778\cdot 0,258819045=1,856406461}
, gauname plotą trikampio iškirptą tiesių
y
=
x
{\displaystyle y=x}
,
y
=
x
3
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}}
ir iš viršaus tiese
y
=
4
3
−
x
3
{\displaystyle y=4{\sqrt {3}}-x{\sqrt {3}}}
. Tą patį plotą gausime ir taikydami Herono formulę:
p
=
(
a
+
b
+
c
)
/
2
=
(
4
+
3
,
586301889
+
1
,
07179677
)
/
2
=
4
,
32904933
{\displaystyle p=(a+b+c)/2=(4+3,586301889+1,07179677)/2=4,32904933}
;
S
=
p
(
p
−
a
)
(
p
−
b
)
(
p
−
c
)
=
{\displaystyle S={\sqrt {p(p-a)(p-b)(p-c)}}=}
=
4
,
32904933
(
4
,
32904933
−
4
)
(
4
,
32904933
−
3
,
586301889
)
(
4
,
32904933
−
1
,
07179677
)
=
{\displaystyle ={\sqrt {4,32904933(4,32904933-4)(4,32904933-3,586301889)(4,32904933-1,07179677)}}=}
=
4
,
32904933
⋅
0
,
329049329
⋅
0
,
74274744
⋅
3
,
257252559
=
3
,
446244942
≈
1
,
856406459.
{\displaystyle ={\sqrt {4,32904933\cdot 0,329049329\cdot 0,74274744\cdot 3,257252559}}={\sqrt {3,446244942}}\approx 1,856406459.}
Skaičiuojant dviais būdais plotas sutampa.
Tiesė
y
=
x
{\displaystyle y=x}
su apskritimu
x
2
+
y
2
=
8
x
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x}
kertasi taške (x; y)=(4; 4). Jei nuleisime nuo susikirtimo vietos žemyn tiesę statmeną Ox ašiai gausime apskritimo spindulį
r
=
4
{\displaystyle r=4}
. Randame y=x tiesės ilgį nuo (0; 0) iki (4; 4):
d
=
4
2
+
4
2
=
4
2
≈
5
,
656854249
{\displaystyle d={\sqrt {4^{2}+4^{2}}}=4{\sqrt {2}}\approx 5,656854249}
. Toliau randame y=x tiesės ilgį nuo šios tiesės susikirtimo su tiese
y
=
4
3
−
x
3
{\displaystyle y=4{\sqrt {3}}-x{\sqrt {3}}}
taško iki susikirtimo su apskritimu taško. Taigi,
g
=
5
,
656854249
−
2
,
535898385
2
+
2
,
535898385
2
=
5
,
656854249
−
3
,
586301889
=
2
,
070552361.
{\displaystyle g=5,656854249-{\sqrt {2,535898385^{2}+2,535898385^{2}}}=5,656854249-3,586301889=2,070552361.}
Dabar pagal Herono formulę galime rasti trikampio iškirptą tiesių
y
=
x
{\displaystyle y=x}
,
y
=
4
3
−
x
3
{\displaystyle y=4{\sqrt {3}}-x{\sqrt {3}}}
ir tiesės x=4, kuri turi taškus (4; 0) ir (4; 4):
p
=
(
a
+
b
+
c
)
/
2
=
(
4
+
2
,
070552361
+
2
,
92820323
)
/
2
=
4
,
499377796
{\displaystyle p=(a+b+c)/2=(4+2,070552361+2,92820323)/2=4,499377796}
;
S
=
p
(
p
−
a
)
(
p
−
b
)
(
p
−
c
)
=
{\displaystyle S={\sqrt {p(p-a)(p-b)(p-c)}}=}
=
4
,
499377796
(
4
,
499377796
−
4
)
(
4
,
499377796
−
2
,
070552361
)
(
4
,
499377796
−
2
,
92820323
)
=
{\displaystyle ={\sqrt {4,499377796(4,499377796-4)(4,499377796-2,070552361)(4,499377796-2,92820323)}}=}
=
4
,
499377796
⋅
0
,
499377795
⋅
2
,
428825435
⋅
1
,
571174566
≈
8
,
57437415
≈
2
,
928203229.
{\displaystyle ={\sqrt {4,499377796\cdot 0,499377795\cdot 2,428825435\cdot 1,571174566}}\approx {\sqrt {8,57437415}}\approx 2,928203229.}
Kampas tarp tiesės
x
=
4
{\displaystyle x=4}
ir
y
=
3
(
4
−
x
)
{\displaystyle y={\sqrt {3}}(4-x)}
tiesės yra
β
=
90
−
60
=
30
{\displaystyle \beta =90-60=30}
laipsnių (arba
π
6
{\displaystyle {\pi \over 6}}
) analogiškai kaip iš 90 laipsnių atimti 60 laipsnių kampą, kurį sudaro tiesė
y
=
x
3
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}}
su Ox ašimi. Šios dalies plotą galime apskaičiuoti taip:
1
2
⋅
π
6
r
2
=
1
2
⋅
π
6
⋅
4
2
=
8
π
6
≈
4
,
188790205.
{\displaystyle {1 \over 2}\cdot {\pi \over 6}r^{2}={1 \over 2}\cdot {\pi \over 6}\cdot 4^{2}={8\pi \over 6}\approx 4,188790205.}
Iš šito ploto atėmus ką tik suskaičiuoto trikampio plotą gausime dalį ieškomo ploto:
S
1
=
4
,
188790205
−
2
,
928203229
=
1
,
260586976
{\displaystyle S_{1}=4,188790205-2,928203229=1,260586976}
.
Taigi visos ieškomos dalies plotas yra
S
v
=
S
1
+
S
t
r
i
k
a
m
=
1
,
260586976
+
1
,
856406461
≈
3
,
116993437.
{\displaystyle S_{v}=S_{1}+S_{trikam}=1,260586976+1,856406461\approx 3,116993437.}
Visai toks kaip integruojant.
Figūrą riboja kreivės
x
2
+
y
2
=
8
x
,
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x,}
0
=
x
{\displaystyle 0=x}
(kad ir kokią x reikšme imtum, y visada yra lygus 0),
y
=
0
{\displaystyle y=0}
(kad ir kokia y reikšmę imtum, x visada yra lygus nuliui). Apskaičiuokime tos figuros plotą (tai yra plotas pusė apskritimo, kurio spindulys lygus 4, o greitai skaičiuojant jo plotas yra
S
=
π
⋅
r
2
2
=
π
⋅
4
2
2
=
8
π
=
25.13274123
{\displaystyle S={\frac {\pi \cdot r^{2}}{2}}={\frac {\pi \cdot 4^{2}}{2}}=8\pi =25.13274123}
). Pirmiausia išsiaiškinkime, kokią kreivę apibūdina lygtis
x
2
+
y
2
=
8
x
.
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x.}
Išskyrę dvinario kvadratą gauname:
x
2
+
y
2
=
8
x
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x}
<=>
(
x
−
4
)
2
+
y
2
=
16.
{\displaystyle (x-4)^{2}+y^{2}=16.}
Tai apskritimo lygtis. Apskritimo centras yra taškas (4; 0), o spindulys lygus 4. Parašykime to apskritimo lygtį polinėje koordinačių sistemoje:
ρ
2
=
8
ρ
cos
ϕ
{\displaystyle \rho ^{2}=8\rho \cos \phi }
,
ρ
=
8
cos
ϕ
.
{\displaystyle \rho =8\cos \phi .}
Tiesė
0
=
x
{\displaystyle 0=x}
su ašimi Ox sudaro kampą
ϕ
=
0
{\displaystyle \phi =0}
, o tiesė
y
=
0
{\displaystyle y=0}
- kampą
ϕ
=
π
2
.
{\displaystyle \phi ={\pi \over 2}.}
Taigi sritį D gauname, kai
ϕ
{\displaystyle \phi }
kinta nuo
0
{\displaystyle 0}
iki
π
2
,
{\displaystyle {\pi \over 2},}
o
ρ
{\displaystyle \rho }
- nuo
0
{\displaystyle 0}
iki
8
cos
ϕ
.
{\displaystyle 8\cos \phi .}
Figūros plotas
S
=
∬
D
d
x
d
y
=
∬
D
ρ
d
ρ
d
ϕ
,
{\displaystyle S=\iint _{D}dxdy=\iint _{D}\rho d\rho d\phi ,}
todėl
S
=
∫
0
π
2
d
ϕ
∫
0
8
cos
ϕ
ρ
d
ρ
=
1
2
∫
0
π
2
ρ
2
|
0
8
cos
ϕ
d
ϕ
=
1
2
∫
0
π
2
(
64
cos
2
ϕ
−
0
2
)
d
ϕ
=
∫
0
π
2
32
cos
2
ϕ
d
ϕ
=
{\displaystyle S=\int _{0}^{\pi \over 2}d\phi \int _{0}^{8\cos \phi }\rho d\rho ={1 \over 2}\int _{0}^{\pi \over 2}\rho ^{2}|_{0}^{8\cos \phi }d\phi ={1 \over 2}\int _{0}^{\pi \over 2}(64\cos ^{2}\phi -0^{2})d\phi =\int _{0}^{\pi \over 2}32\cos ^{2}\phi d\phi =}
=
32
∫
0
π
2
1
2
(
1
+
cos
(
2
ϕ
)
)
d
ϕ
=
16
ϕ
+
16
2
sin
(
2
ϕ
)
|
0
π
2
=
16
π
2
−
16
⋅
0
+
8
sin
2
π
2
−
8
sin
(
2
⋅
0
)
=
{\displaystyle =32\int _{0}^{\pi \over 2}{1 \over 2}(1+\cos(2\phi ))d\phi =16\phi +{16 \over 2}\sin(2\phi )|_{0}^{\pi \over 2}={16\pi \over 2}-16\cdot 0+8\sin {2\pi \over 2}-8\sin(2\cdot 0)=}
=
8
π
+
8
⋅
sin
π
−
8
sin
0
=
8
π
+
8
⋅
0
−
8
⋅
0
=
8
π
=
25.13274123.
{\displaystyle =8\pi +8\cdot \sin \pi -8\sin 0=8\pi +8\cdot 0-8\cdot 0=8\pi =25.13274123.}
Figūrą riboja kreivės
x
2
+
y
2
=
8
x
,
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x,}
0
=
x
{\displaystyle 0=x}
(kad ir kokią x reikšme imtum, y visada yra lygus 0),
y
=
0
{\displaystyle y=0}
(kad ir kokia y reikšmę imtum, x visada yra lygus nuliui). Apskaičiuokime tos figuros plotą (tai yra plotas pusė apskritimo, kurio spindulys lygus 4, o greitai skaičiuojant jo plotas yra
S
=
π
⋅
r
2
2
=
π
⋅
4
2
2
=
8
π
=
25.13274123
{\displaystyle S={\frac {\pi \cdot r^{2}}{2}}={\frac {\pi \cdot 4^{2}}{2}}=8\pi =25.13274123}
). Pirmiausia išsiaiškinkime, kokią kreivę apibūdina lygtis
x
2
+
y
2
=
8
x
.
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x.}
Išskyrę dvinario kvadratą gauname:
x
2
+
y
2
=
8
x
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x}
<=>
(
x
−
4
)
2
+
y
2
=
16.
{\displaystyle (x-4)^{2}+y^{2}=16.}
Tai apskritimo lygtis. Apskritimo centras yra taškas (4; 0), o spindulys lygus 4. Parašykime to apskritimo lygtį polinėje koordinačių sistemoje:
ρ
2
=
8
ρ
cos
ϕ
{\displaystyle \rho ^{2}=8\rho \cos \phi }
,
ρ
=
8
cos
ϕ
.
{\displaystyle \rho =8\cos \phi .}
Tiesė
0
=
x
{\displaystyle 0=x}
su ašimi Ox sudaro kampą
ϕ
=
0
{\displaystyle \phi =0}
, o tiesė
y
=
x
3
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}}
- kampą
y
x
=
3
;
tan
ϕ
=
3
;
ϕ
=
arctan
3
=
π
3
{\displaystyle {y \over x}={\sqrt {3}};\;\tan \phi ={\sqrt {3}};\;\phi =\arctan {\sqrt {3}}={\pi \over 3}}
(60 laipsnių kampą).
Taigi sritį D gauname, kai
ϕ
{\displaystyle \phi }
kinta nuo
0
{\displaystyle 0}
iki
π
3
,
{\displaystyle {\pi \over 3},}
o
ρ
{\displaystyle \rho }
- nuo
0
{\displaystyle 0}
iki
8
cos
ϕ
.
{\displaystyle 8\cos \phi .}
Figūros plotas
S
=
∬
D
d
x
d
y
=
∬
D
ρ
d
ρ
d
ϕ
,
{\displaystyle S=\iint _{D}dxdy=\iint _{D}\rho d\rho d\phi ,}
todėl
S
=
∫
0
π
3
d
ϕ
∫
0
8
cos
ϕ
ρ
d
ρ
=
1
2
∫
0
π
3
ρ
2
|
0
8
cos
ϕ
d
ϕ
=
1
2
∫
0
π
3
(
64
cos
2
ϕ
−
0
2
)
d
ϕ
=
∫
0
π
3
32
cos
2
ϕ
d
ϕ
=
{\displaystyle S=\int _{0}^{\pi \over 3}d\phi \int _{0}^{8\cos \phi }\rho d\rho ={1 \over 2}\int _{0}^{\pi \over 3}\rho ^{2}|_{0}^{8\cos \phi }d\phi ={1 \over 2}\int _{0}^{\pi \over 3}(64\cos ^{2}\phi -0^{2})d\phi =\int _{0}^{\pi \over 3}32\cos ^{2}\phi d\phi =}
=
32
∫
0
π
3
1
2
(
1
+
cos
(
2
ϕ
)
)
d
ϕ
=
16
ϕ
+
16
2
sin
(
2
ϕ
)
|
0
π
3
=
16
π
3
−
16
⋅
0
+
8
sin
2
π
3
−
8
sin
(
2
⋅
0
)
=
{\displaystyle =32\int _{0}^{\pi \over 3}{1 \over 2}(1+\cos(2\phi ))d\phi =16\phi +{16 \over 2}\sin(2\phi )|_{0}^{\pi \over 3}={16\pi \over 3}-16\cdot 0+8\sin {2\pi \over 3}-8\sin(2\cdot 0)=}
=
16
π
3
+
8
⋅
sin
(
2
,
094395102
)
−
8
sin
0
=
16
π
3
+
8
⋅
3
2
−
8
⋅
0
=
16
,
75516082
+
6.92820323
=
23.68336405.
{\displaystyle ={\frac {16\pi }{3}}+8\cdot \sin(2,094395102)-8\sin 0={\frac {16\pi }{3}}+8\cdot {\frac {\sqrt {3}}{2}}-8\cdot 0=16,75516082+6.92820323=23.68336405.}
Sprendžiant tokio tipo uždavinius (kitokio tipo ir negali būti, turiu galvoje, ne su apskritimais, o su parabolėmis ir kad būtų polinėse koordinatėse), formulę galima supaprastint iki tokio lygio:
S
=
r
2
⋅
ϕ
+
r
2
2
⋅
sin
(
2
ϕ
)
,
{\displaystyle S=r^{2}\cdot \phi +{\frac {r^{2}}{2}}\cdot \sin(2\phi ),}
kur apskritimo kairys šonas visada liečiasi su koordinačių sistemos O tašku ir ašis Ox visada apskrimą (arba skritulį, jei manyti, kad ten yra ieškomas plotas) dalina į dvi dalis. Visada! Kitaip neįmanoma užrašyti apskritimo lygties, kuri tiktų polinėms koordinatėms, dėl to polinių koordinačių pritaikymas dvilypiams integralams yra labai ribotas. Taigi, apskritimas visada būna koordinačių sistemos pirmame ketvirtyje, kai kampas
ϕ
{\displaystyle \phi }
kinta nuo 0 iki 90 laipsnių ir didesnės kampo
ϕ
{\displaystyle \phi }
reikšmės negali būti (tik kampas
ϕ
{\displaystyle \phi }
turi būti išreikštas radianais).
Figura riboja kreivės
x
2
+
y
2
=
8
x
,
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x,}
y
=
x
3
{\displaystyle y={\frac {x}{\sqrt {3}}}}
ir Ox ašis. Tiesė
y
=
x
3
{\displaystyle y={\frac {x}{\sqrt {3}}}}
su ašimi Ox sudaro 30 laipsnių kampą,
ϕ
=
π
6
,
{\displaystyle \phi ={\frac {\pi }{6}},}
nes
tan
ϕ
=
y
x
=
1
3
;
ϕ
=
arctan
1
3
=
π
6
=
0.523598775.
{\displaystyle \tan \phi ={\frac {y}{x}}={\frac {1}{\sqrt {3}}};\;\phi =\arctan {\frac {1}{\sqrt {3}}}={\frac {\pi }{6}}=0.523598775.}
Kreivė
y
=
8
x
−
x
2
{\displaystyle y={\sqrt {8x-x^{2}}}}
yra apskritimas, kurį pusiau dalina ašis Ox . Apskritimo centro koordinatės yra (x; y)=(4; 0). Pereidami į polines koordinates apskritimo lygtį perašome
ρ
2
=
8
ρ
cos
ϕ
;
ρ
=
8
cos
ϕ
.
{\displaystyle \rho ^{2}=8\rho \cos \phi ;\;\rho =8\cos \phi .}
Integruojame, kai
ρ
{\displaystyle \rho }
kinta nuo 0 iki
8
cos
ϕ
,
{\displaystyle 8\cos \phi ,}
o
ϕ
{\displaystyle \phi }
kinta nuo 0 iki
π
6
,
{\displaystyle {\frac {\pi }{6}},}
taigi:
S
=
∫
0
π
6
d
ϕ
∫
0
8
cos
ϕ
ρ
d
ρ
=
1
2
∫
0
π
6
ρ
2
|
0
8
cos
ϕ
d
ϕ
=
1
2
∫
0
π
6
(
64
cos
2
ϕ
−
0
2
)
d
ϕ
=
∫
0
π
6
32
cos
2
ϕ
d
ϕ
=
{\displaystyle S=\int _{0}^{\pi \over 6}d\phi \int _{0}^{8\cos \phi }\rho d\rho ={1 \over 2}\int _{0}^{\pi \over 6}\rho ^{2}|_{0}^{8\cos \phi }d\phi ={1 \over 2}\int _{0}^{\pi \over 6}(64\cos ^{2}\phi -0^{2})d\phi =\int _{0}^{\pi \over 6}32\cos ^{2}\phi d\phi =}
=
32
∫
0
π
6
1
2
(
1
+
cos
(
2
ϕ
)
)
d
ϕ
=
16
ϕ
+
16
2
sin
(
2
ϕ
)
|
0
π
6
=
16
π
6
−
16
⋅
0
+
8
sin
2
π
6
−
8
sin
(
2
⋅
0
)
=
{\displaystyle =32\int _{0}^{\pi \over 6}{1 \over 2}(1+\cos(2\phi ))d\phi =16\phi +{16 \over 2}\sin(2\phi )|_{0}^{\pi \over 6}={16\pi \over 6}-16\cdot 0+8\sin {2\pi \over 6}-8\sin(2\cdot 0)=}
=
8
π
3
+
8
⋅
sin
π
3
−
8
sin
0
=
8
π
3
+
8
⋅
3
2
−
8
⋅
0
=
8.37758041
+
6.92820323
=
15.30578364.
{\displaystyle ={\frac {8\pi }{3}}+8\cdot \sin {\pi \over 3}-8\sin 0={\frac {8\pi }{3}}+8\cdot {\frac {\sqrt {3}}{2}}-8\cdot 0=8.37758041+6.92820323=15.30578364.}
Patikrinimui, rasime šį plotą elementariosios matematikos metodais. Visu pirma reikia surasti kuriame taške kertasi tiesė
y
=
x
3
{\displaystyle y={\frac {x}{\sqrt {3}}}}
su apskritimu
x
2
+
y
2
=
8
x
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x}
. Tai mes padarysime išsprendę lygčių sistemą:
{
y
=
x
3
;
x
2
+
y
2
=
8
x
.
<=>
(
x
−
4
)
2
+
y
2
=
16.
{\displaystyle {\begin{cases}y={\frac {x}{\sqrt {3}}};&\\x^{2}+y^{2}=8x.\;<=>\;(x-4)^{2}+y^{2}=16.&\end{cases}}}
Tada:
{
y
3
=
x
;
(
x
−
4
)
2
+
y
2
=
16.
{\displaystyle {\begin{cases}y{\sqrt {3}}=x;&\\(x-4)^{2}+y^{2}=16.&\end{cases}}}
Toliau:
(
y
3
−
4
)
2
+
y
2
=
16
;
{\displaystyle (y{\sqrt {3}}-4)^{2}+y^{2}=16;}
3
y
2
+
8
y
3
−
16
+
y
2
=
16
;
{\displaystyle 3y^{2}+8y{\sqrt {3}}-16+y^{2}=16;}
4
y
2
+
8
y
3
=
32
;
{\displaystyle 4y^{2}+8y{\sqrt {3}}=32;}
y
2
+
2
y
3
=
8
;
{\displaystyle y^{2}+2y{\sqrt {3}}=8;}
y
2
+
2
y
3
−
8
=
0
;
{\displaystyle y^{2}+2y{\sqrt {3}}-8=0;}
D
=
b
2
−
4
a
c
=
(
2
3
)
2
−
4
⋅
1
⋅
(
−
8
)
=
12
+
32
=
44
;
{\displaystyle D=b^{2}-4ac=(2{\sqrt {3}})^{2}-4\cdot 1\cdot (-8)=12+32=44;}
y
1
=
−
b
+
D
2
a
=
−
2
3
+
44
2
=
−
3.464101615
+
6.633249581
2
=
1.584573983
;
{\displaystyle y_{1}={\frac {-b+{\sqrt {D}}}{2a}}={\frac {-2{\sqrt {3}}+{\sqrt {44}}}{2}}={\frac {-3.464101615+6.633249581}{2}}=1.584573983;}
y
2
=
−
b
−
D
2
a
=
−
2
3
−
44
2
=
−
3.464101615
−
6.633249581
2
=
−
5.048675598.
{\displaystyle y_{2}={\frac {-b-{\sqrt {D}}}{2a}}={\frac {-2{\sqrt {3}}-{\sqrt {44}}}{2}}={\frac {-3.464101615-6.633249581}{2}}=-5.048675598.}
Reikšmė
y
2
{\displaystyle y_{2}}
netinka, nes ieškomas plotas yra pirmame Dekarto koordinačių sistemos ketvirtyje, kai y ir x reikšmės negali būti neigiamos.
Įstatę
y
1
{\displaystyle y_{1}}
reikšmę į bet kurią iš lygčių gausime x koordinate susikirtimo tiesės ir apskritimo taško:
x
1
=
y
1
3
=
1.584573983
⋅
3
=
2.744562647.
{\displaystyle x_{1}=y_{1}{\sqrt {3}}=1.584573983\cdot {\sqrt {3}}=2.744562647.}
Taigi, turime tiesės
y
=
x
3
{\displaystyle y={\frac {x}{\sqrt {3}}}}
ir apskritimo susikirtimo tašką
A
=
(
x
1
;
y
1
)
=
(
2.744562647
;
1.584573983
)
{\displaystyle A=(x_{1};y_{1})=(2.744562647;1.584573983)}
.
Toliau iš taško
A
=
(
x
1
;
y
1
)
=
(
2.744562647
;
1.584573983
)
{\displaystyle A=(x_{1};y_{1})=(2.744562647;1.584573983)}
nuleidžiame tiesę statmeną Ox ašiai, kuri susikerta taške B=(2.744562647; 0). Tiesės AB ilgis yra
a
=
y
1
=
1.584573983.
{\displaystyle a=y_{1}=1.584573983.}
Tiesės OB ilgis yra
b
=
2.744562647
{\displaystyle b=2.744562647}
. Randame tiesės OA ilgį:
c
=
a
2
+
b
2
=
1.584573983
2
+
2.744562647
2
=
10.04349883
=
3.169147966.
{\displaystyle c={\sqrt {a^{2}+b^{2}}}={\sqrt {1.584573983^{2}+2.744562647^{2}}}={\sqrt {10.04349883}}=3.169147966.}
Žinodami visų trikampio OAB kraštinių ilgius, randame pagal Herono formulę trikampio OAB plotą:
S
O
A
B
=
p
(
p
−
a
)
(
p
−
b
)
(
p
−
c
)
=
3.749142298
(
3.749142298
−
1.584573983
)
(
3.749142298
−
2.744562647
)
(
3.749142298
−
3.169147966
)
=
{\displaystyle S_{OAB}={\sqrt {p(p-a)(p-b)(p-c)}}={\sqrt {3.749142298(3.749142298-1.584573983)(3.749142298-2.744562647)(3.749142298-3.169147966)}}=}
=
3.749142298
⋅
2.164568315
⋅
1.004579651
⋅
0.579994332
=
4.728368849
=
2.174481283.
{\displaystyle ={\sqrt {3.749142298\cdot 2.164568315\cdot 1.004579651\cdot 0.579994332}}={\sqrt {4.728368849}}=2.174481283.}
kur
p
=
a
+
b
+
c
2
=
1.584573983
+
2.744562647
+
3.169147966
2
=
3.749142298.
{\displaystyle p={\frac {a+b+c}{2}}={\frac {1.584573983+2.744562647+3.169147966}{2}}=3.749142298.}
S
O
A
B
=
a
⋅
b
2
=
1.584573983
⋅
2.744562647
2
=
2.174481283.
{\displaystyle S_{OAB}={\frac {a\cdot b}{2}}={\frac {1.584573983\cdot 2.744562647}{2}}=2.174481283.}
Toliau sujungiame tašką A su apskritimo centro tašku C=(4; 0). Gauname tiesės atkarpą AC , kurią pavadiname f . Iš atkarpos OB =b atimame atimame tiesę OC =d, kurios ilgis yra OC=d=4 ir gauname
e
=
b
−
d
=
2.744562647
−
4
=
−
1.255437353.
{\displaystyle e=b-d=2.744562647-4=-1.255437353.}
Akivaizdžiai kažkas čia ne taip. Iš taško A nuleista tiesė statmena ašiai Ox ir susikirtusi su ašim Ox taške B turėjo sudaryti tiesę OB , kurios ilgis būtų daugiau nei 4. Vadinasi lygčių sistema išspręsta neteisingai. Ši anomalija gali padėti nekartoti klaidų, kai atrodo viskas padaryta teisingai. Todėl nebus trinamas blogas lygčių sistemos išsprendimas ir diskriminanto radimas.
Taigi, iš naujo sprendžiame lygčių sistemą:
{
y
=
x
3
;
x
2
+
y
2
=
8
x
.
<=>
(
x
−
4
)
2
+
y
2
=
16.
{\displaystyle {\begin{cases}y={\frac {x}{\sqrt {3}}};&\\x^{2}+y^{2}=8x.\;<=>\;(x-4)^{2}+y^{2}=16.&\end{cases}}}
x
2
+
(
x
3
)
2
=
8
x
;
{\displaystyle x^{2}+({\frac {x}{\sqrt {3}}})^{2}=8x;}
x
2
+
3
x
2
=
8
x
;
{\displaystyle x^{2}+3x^{2}=8x;}
4
x
2
−
8
x
=
0
;
{\displaystyle 4x^{2}-8x=0;}
D
=
b
2
−
4
a
c
=
(
−
8
)
2
−
4
⋅
1
⋅
0
=
64.
{\displaystyle D=b^{2}-4ac=(-8)^{2}-4\cdot 1\cdot 0=64.}
x
1
=
−
b
+
D
2
⋅
4
=
−
(
−
8
)
+
64
2
⋅
4
=
8
+
8
8
=
2
;
{\displaystyle x_{1}={\frac {-b+{\sqrt {D}}}{2\cdot 4}}={\frac {-(-8)+{\sqrt {64}}}{2\cdot 4}}={\frac {8+8}{8}}=2;}
x
2
=
−
b
+
D
2
⋅
4
=
−
(
−
8
)
−
64
2
⋅
4
=
8
−
8
8
=
0.
{\displaystyle x_{2}={\frac {-b+{\sqrt {D}}}{2\cdot 4}}={\frac {-(-8)-{\sqrt {64}}}{2\cdot 4}}={\frac {8-8}{8}}=0.}
y
=
x
3
=
2
3
=
3.464101615.
{\displaystyle y={\frac {x}{\sqrt {3}}}={\frac {2}{\sqrt {3}}}=3.464101615.}
2
2
+
y
2
=
8
⋅
2
,
{\displaystyle 2^{2}+y^{2}=8\cdot 2,}
y
2
=
16
−
4
=
12
,
{\displaystyle y^{2}=16-4=12,}
y
=
12
=
2
3
=
3.464101615.
{\displaystyle y={\sqrt {12}}=2{\sqrt {3}}=3.464101615.}
(
x
−
4
)
2
+
y
2
=
16
,
{\displaystyle (x-4)^{2}+y^{2}=16,}
(
2
−
4
)
2
+
y
2
=
16
,
{\displaystyle (2-4)^{2}+y^{2}=16,}
4
+
y
2
=
16
,
{\displaystyle 4+y^{2}=16,}
y
=
16
−
4
=
12
=
2
3
=
3.464101615.
{\displaystyle y={\sqrt {16-4}}={\sqrt {12}}=2{\sqrt {3}}=3.464101615.}
Matyt, negalima patikrinti integravimo budu gauto ploto, nes nepavyksta rasti susikritimo taško tiesės
y
=
x
3
{\displaystyle y={\frac {x}{\sqrt {3}}}}
su apskritimu
x
2
+
y
2
=
8
x
.
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x.}
Grafiškai jų susikirtimo taškas apytiksliai yra (x; y)=(6; 3,5). Panašu, kad y surastas teisingai, o prie x , dėl kažkokių priežasčių, dar reikia pridėti spindulį r=4. Todėl galima tęsti ieškoti ploto, kurį riboja apskritimas
x
2
+
y
2
=
8
x
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=8x}
, tiesė
y
=
x
3
{\displaystyle y={\frac {x}{\sqrt {3}}}}
ir ašis Ox . Iš naujo nuleidžiamę statmenį iš taško
A
=
(
6
;
2
3
)
{\displaystyle A=(6;\;2{\sqrt {3}})}
į tašką B=(6; 0) ir
A
B
=
a
=
2
3
=
3.464101615.
{\displaystyle AB=a=2{\sqrt {3}}=3.464101615.}
Atkarpa
O
B
=
b
=
6
{\displaystyle OB=b=6}
. Trikampio OAB plotas yra
S
Δ
O
A
B
=
a
⋅
b
2
=
1
2
⋅
2
3
⋅
6
=
6
3
=
10.39230485.
{\displaystyle S_{\Delta OAB}={\frac {a\cdot b}{2}}={\frac {1}{2}}\cdot 2{\sqrt {3}}\cdot 6=6{\sqrt {3}}=10.39230485.}
Apskritimo centro tašką pavadinkime C=(4; 0). Atkarpos CB ilgis yra d=b-r=6-4=2. Trikampio CBA plotas yra
S
Δ
C
B
A
=
a
⋅
d
2
=
1
2
⋅
2
3
⋅
2
=
2
3
=
3.464101615.
{\displaystyle S_{\Delta CBA}={\frac {a\cdot d}{2}}={\frac {1}{2}}\cdot 2{\sqrt {3}}\cdot 2=2{\sqrt {3}}=3.464101615.}
Sukūriame naują tašką D=(8; 0). Atkarpos CD ilgis yra 4. Kampas ACD turi būti surastas. Žinome, kad tiesė CA yra spindulys r=4. Todėl
4
cos
(
α
)
=
d
=
2
;
{\displaystyle 4\cos(\alpha )=d=2;}
cos
α
=
1
2
;
α
=
arccos
1
2
=
1.047197551
{\displaystyle \cos \alpha ={\frac {1}{2}};\;\alpha =\arccos {\frac {1}{2}}=1.047197551}
arba
α
=
60
{\displaystyle \alpha =60}
laipsnių. Žinome, kad skritulio plotas yra
π
r
2
,
{\displaystyle \pi r^{2},}
tuomet ieškomos išpjovos ACD plotas yra
S
A
C
D
=
60
360
⋅
π
⋅
r
2
=
1
6
⋅
π
⋅
4
2
=
8
π
3
=
8.37758041.
{\displaystyle S_{ACD}={\frac {60}{360}}\cdot \pi \cdot r^{2}={\frac {1}{6}}\cdot \pi \cdot 4^{2}={\frac {8\pi }{3}}=8.37758041.}
Visas ieškomas plotas yra lygus:
S
=
S
Δ
O
A
B
−
S
Δ
C
B
A
+
S
A
C
D
=
6
3
−
2
3
+
8
π
3
=
4
3
+
8
π
3
=
6.92820323
+
8.37758041
=
15.30578364.
{\displaystyle S=S_{\Delta OAB}-S_{\Delta CBA}+S_{ACD}=6{\sqrt {3}}-2{\sqrt {3}}+{\frac {8\pi }{3}}=4{\sqrt {3}}+{\frac {8\pi }{3}}=6.92820323+8.37758041=15.30578364.}
Figūrą riboja kreivės
x
2
+
y
2
=
4
x
,
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4x,}
y
=
x
,
{\displaystyle y=x,}
y
=
x
3
.
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}.}
Apskaičiuokime tos figuros plotą. Pirmiausia išsiaiškinkime, kokią kreivę apibūdina lygtis
x
2
+
y
2
=
4
x
.
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4x.}
Išskyrę dvinario kvadratą gauname:
x
2
+
y
2
=
4
x
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4x}
<=>
(
x
−
2
)
2
+
y
2
=
4.
{\displaystyle (x-2)^{2}+y^{2}=4.}
Tai apskritimo lygtis. Apskritimo centras yra taškas (2; 0), o spindulys lygus 2. Parašykime to apskritimo lygtį polinėje koordinačių sistemoje:
ρ
2
=
4
ρ
cos
ϕ
{\displaystyle \rho ^{2}=4\rho \cos \phi }
,
ρ
=
4
cos
ϕ
.
{\displaystyle \rho =4\cos \phi .}
Tiesė
y
=
x
{\displaystyle y=x}
su ašimi Ox sudaro kampą
π
4
,
{\displaystyle {\pi \over 4},}
o tiesė
y
=
x
3
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}}
- kampą
y
x
=
3
;
tan
ϕ
=
3
;
ϕ
=
arctan
3
=
π
3
.
{\displaystyle {y \over x}={\sqrt {3}};\;\tan \phi ={\sqrt {3}};\;\phi =\arctan {\sqrt {3}}={\pi \over 3}.}
Taigi sritį D gauname, kai
ϕ
{\displaystyle \phi }
kinta nuo
π
4
{\displaystyle {\pi \over 4}}
iki
π
3
,
{\displaystyle {\pi \over 3},}
o
ρ
{\displaystyle \rho }
- nuo
0
{\displaystyle 0}
iki
8
cos
ϕ
.
{\displaystyle 8\cos \phi .}
Figūros plotas
S
=
∬
D
d
x
d
y
=
∬
D
ρ
d
ρ
d
ϕ
,
{\displaystyle S=\iint _{D}dxdy=\iint _{D}\rho d\rho d\phi ,}
todėl
S
=
∫
π
4
π
3
d
ϕ
∫
0
4
cos
ϕ
ρ
d
ρ
=
1
2
∫
π
4
π
3
ρ
2
|
0
4
cos
ϕ
d
ϕ
=
1
2
∫
π
4
π
3
(
16
cos
2
ϕ
−
0
2
)
d
ϕ
=
∫
π
4
π
3
8
cos
2
ϕ
d
ϕ
=
{\displaystyle S=\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}d\phi \int _{0}^{4\cos \phi }\rho d\rho ={1 \over 2}\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}\rho ^{2}|_{0}^{4\cos \phi }d\phi ={1 \over 2}\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}(16\cos ^{2}\phi -0^{2})d\phi =\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}8\cos ^{2}\phi d\phi =}
=
8
∫
π
4
π
3
1
2
(
1
+
cos
(
2
ϕ
)
)
d
ϕ
=
4
ϕ
+
4
2
sin
(
2
ϕ
)
|
π
4
π
3
=
4
π
3
−
4
π
4
+
2
sin
2
π
3
−
2
sin
π
2
=
{\displaystyle =8\int _{\pi \over 4}^{\pi \over 3}{1 \over 2}(1+\cos(2\phi ))d\phi =4\phi +{4 \over 2}\sin(2\phi )|_{\pi \over 4}^{\pi \over 3}={4\pi \over 3}-{4\pi \over 4}+2\sin {2\pi \over 3}-2\sin {\pi \over 2}=}
=
π
3
+
2
3
2
−
2
=
0
,
779248358.
{\displaystyle ={\pi \over 3}+{2{\sqrt {3}} \over 2}-2=0,779248358.}
Be kita ko,
0
,
779248358
⋅
4
=
3
,
116993432.
{\displaystyle 0,779248358\cdot 4=3,116993432.}
Taip pat,
0
,
779248358
⋅
3
=
2
,
337745074.
{\displaystyle 0,779248358\cdot 3=2,337745074.}
Padauginus iš 4 gauname išpjovos plotą iš apskritimo, kurio spindulys r=4, plotas padidėja
(
R
/
r
)
2
{\displaystyle (R/r)^{2}}
(R yra didžiojo apskritimo spindulys, o r - mažojo), kai mažojo apskritimo spindulio ilgis tik padvigubėjo; jei spindulys pailgės 3 kartus, plotas padidės
3
2
=
9
{\displaystyle 3^{2}=9}
kartus, todėl išpjovos skiriasi tik didžiu.
Figūrą riboja kreivės
x
2
+
y
2
=
4
,
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4,}
y
=
x
,
{\displaystyle y=x,}
y
=
x
3
.
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}.}
Apskaičiuokime tos figuros plotą.
x
2
+
y
2
=
4
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4}
apskritimo lygtis. Apskritimo centras yra taškas (0; 0), o spindulys lygus 2. Parašykime to apskritimo lygtį polinėje koordinačių sistemoje:
ρ
2
=
4
{\displaystyle \rho ^{2}=4}
,
ρ
=
r
=
2.
{\displaystyle \rho =r=2.}
Tiesė
y
=
x
{\displaystyle y=x}
su ašimi Ox sudaro kampą
π
4
,
{\displaystyle {\pi \over 4},}
o tiesė
y
=
x
3
{\displaystyle y=x{\sqrt {3}}}
- kampą
π
3
.
{\displaystyle {\pi \over 3}.}
Taigi sritį D gauname, kai
ϕ
{\displaystyle \phi }
kinta nuo
π
4
{\displaystyle {\pi \over 4}}
iki
π
3
.
{\displaystyle {\pi \over 3}.}
Žinodami, kad skritulio plotas yra
S
=
π
r
2
,
{\displaystyle S=\pi r^{2},}
suprantame, kad reikia vesti (tarkim, skriestuvu) pusė (apskritimo) ilgio, o ne
2
π
{\displaystyle 2\pi }
, todėl
S
=
1
2
(
π
3
−
π
4
)
⋅
r
2
=
1
2
⋅
π
12
⋅
2
2
=
π
6
=
0
,
523598775.
{\displaystyle S={1 \over 2}({\pi \over 3}-{\pi \over 4})\cdot r^{2}={1 \over 2}\cdot {\pi \over 12}\cdot 2^{2}={\pi \over 6}=0,523598775.}
Ir
3
,
116993432
−
0
,
523598775
=
2
,
593394656.
{\displaystyle 3,116993432-0,523598775=2,593394656.}
2.
Apskaičiuosime tūrį kūno, apriboto paviršiais
x
2
+
y
2
=
2
y
,
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=2y,}
z
=
0
,
{\displaystyle z=0,}
x
+
y
+
z
=
4.
{\displaystyle x+y+z=4.}
Taip kaip šis kūnas yra cilindrinis kūnas, apribotas iš viršaus paviršiumi
z
=
4
−
x
−
y
{\displaystyle z=4-x-y}
, tai turime:
V
=
∬
D
(
4
−
x
−
y
)
d
x
d
y
,
{\displaystyle V=\iint _{D}(4-x-y)dxdy,}
kur D - kūno pagrindas - apskritimas
x
2
+
(
y
−
1
)
2
≤
1
{\displaystyle x^{2}+(y-1)^{2}\leq 1}
plkštumoje XOY . Perėję į poliarines koordinates gauname:
V
=
∬
P
(
4
−
ρ
cos
ϕ
−
ρ
sin
ϕ
)
ρ
d
ρ
d
ϕ
=
{\displaystyle V=\iint _{P}(4-\rho \cos \phi -\rho \sin \phi )\rho d\rho d\phi =}
=
∫
0
π
d
ϕ
∫
0
2
sin
ϕ
(
4
−
ρ
cos
ϕ
−
ρ
sin
ϕ
)
ρ
d
ρ
=
3
π
.
{\displaystyle =\int _{0}^{\pi }d\phi \int _{0}^{2\sin \phi }(4-\rho \cos \phi -\rho \sin \phi )\rho d\rho =3\pi .}
Šio kūno tūrį galima rasti gerokai greičiau. Cilindro pjuvis tesiasi nuo
z
=
4
{\displaystyle z=4}
iki kai
z
=
2
{\displaystyle z=2}
, nes iš lygties
z
=
4
−
x
−
y
{\displaystyle z=4-x-y}
, z yra žemiausiame taške 2, kai
x
=
0
{\displaystyle x=0}
, o
y
=
2
{\displaystyle y=2}
, taigi
z
=
4
−
0
−
2
=
2
{\displaystyle z=4-0-2=2}
. Todėl iš pradžių apskaičiuosime cilindro tūrį, kai 0<z<2, kitaip tariant, kai cilindro spindulys
r
=
2
{\displaystyle r=2}
, o aukštis
h
1
=
2
{\displaystyle h_{1}=2}
:
V
1
=
h
1
π
r
2
=
2
π
⋅
1
2
=
2
π
.
{\displaystyle V_{1}=h_{1}\pi r^{2}=2\pi \cdot 1^{2}=2\pi .}
Aukščiau esančią cilindro dalį, kurios aukštis yra
h
2
=
2
{\displaystyle h_{2}=2}
, projectuojame į plokštumą zOy ir matome, kad gaunasi 2 vienodi trikampiai (vienas iš jų nepriklauso tai daliai). Taigi tiesiog aukštesnės dalies tūrį gauname padalinę cilindrą pusiau:
V
2
=
h
2
π
r
2
2
=
2
π
⋅
1
2
2
=
π
.
{\displaystyle V_{2}={h_{2}\pi r^{2} \over 2}={2\pi \cdot 1^{2} \over 2}=\pi .}
V
=
V
1
+
V
2
=
2
π
+
π
=
3
π
{\displaystyle V=V_{1}+V_{2}=2\pi +\pi =3\pi }
.
3.
Apskaičiuosime paviršiaus dalį paraboloido
x
2
+
y
2
=
z
,
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=z,}
išpjautą cilindro
x
2
+
y
2
=
1.
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=1.}
Paviršiaus ploto formulė yra
1
+
f
x
′
2
(
x
;
y
)
+
f
y
′
2
(
x
;
y
)
.
{\displaystyle {\sqrt {1+f_{x}'^{2}(x;y)+f_{y}'^{2}(x;y)}}.}
Taip kaip
∂
z
∂
x
=
2
x
,
∂
z
∂
y
=
2
y
,
{\displaystyle {\partial z \over \partial x}=2x,\;{\partial z \over \partial y}=2y,}
tai
S
=
∬
D
1
+
4
x
2
+
4
y
2
d
x
d
y
,
{\displaystyle S=\iint _{D}{\sqrt {1+4x^{2}+4y^{2}}}\;dx\;dy,}
kur D - apskritimas
x
2
+
y
2
≤
1
{\displaystyle x^{2}+y^{2}\leq 1}
plokštumoje XOY . Pereidami į poliarines koordinates gauname:
S
=
∬
P
1
+
4
ρ
2
ρ
d
ρ
d
ϕ
=
∫
0
2
π
d
ϕ
∫
0
1
ρ
1
+
4
ρ
2
d
ρ
=
{\displaystyle S=\iint _{P}{\sqrt {1+4\rho ^{2}}}\rho d\rho d\phi =\int _{0}^{2\pi }d\phi \int _{0}^{1}\rho {\sqrt {1+4\rho ^{2}}}d\rho =}
=
∫
0
2
π
d
ϕ
∫
0
1
1
+
4
ρ
2
d
(
1
+
4
ρ
2
)
8
=
1
8
∫
0
2
π
2
3
(
1
+
4
ρ
2
)
3
2
|
0
1
d
ϕ
=
1
12
∫
0
2
π
(
5
3
2
−
1
)
d
ϕ
=
{\displaystyle =\int _{0}^{2\pi }d\phi \int _{0}^{1}{\sqrt {1+4\rho ^{2}}}{d(1+4\rho ^{2}) \over 8}={1 \over 8}\int _{0}^{2\pi }{2 \over 3}(1+4\rho ^{2})^{3 \over 2}|_{0}^{1}d\phi ={1 \over 12}\int _{0}^{2\pi }(5^{3 \over 2}-1)d\phi =}
=
1
12
(
5
5
−
1
)
ϕ
|
0
2
π
=
π
6
(
5
5
−
1
)
=
5.3304135
,
{\displaystyle ={1 \over 12}(5{\sqrt {5}}-1)\phi |_{0}^{2\pi }={\pi \over 6}(5{\sqrt {5}}-1)=5.3304135,}
kur
d
(
1
+
4
ρ
2
)
=
8
ρ
d
ρ
;
d
ρ
=
d
(
1
+
4
ρ
2
)
8
ρ
.
{\displaystyle d(1+4\rho ^{2})=8\rho d\rho ;\;d\rho ={d(1+4\rho ^{2}) \over 8\rho }.}
Palyginimui paviršiaus plotas cilindro be dviejų pagrindų, kurio spindulys r=1 ir aukštis h=1, yra lygus:
S
1
=
c
⋅
h
=
2
π
r
⋅
h
=
2
⋅
π
⋅
1
⋅
1
=
2
π
=
6.283185307.
{\displaystyle S_{1}=c\cdot h=2\pi r\cdot h=2\cdot \pi \cdot 1\cdot 1=2\pi =6.283185307.}
Vaizdas:1314abpav.jpg 13.14.
Ritinys
x
2
+
y
2
=
a
x
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=ax}
(a>0) išpjauna iš rutulio
x
2
+
y
2
+
z
2
≤
a
2
{\displaystyle x^{2}+y^{2}+z^{2}\leq a^{2}}
kūną (13.14 pav, a). Apskaičiuokime jo tūrį V . Apskaičiuokime 1/4 ieškomo tūrio, nes kūnas simetriškas plokštumų xOz ir xOy atžvilgiu. Integravimo sritis D yra duotojo ritinio pagrindas. Kūną iš viršaus riboja paviršius
z
=
a
2
−
x
2
−
y
2
,
{\displaystyle z={\sqrt {a^{2}-x^{2}-y^{2}}},}
todėl
V
=
4
∬
D
a
2
−
x
2
−
y
2
d
x
d
y
.
{\displaystyle V=4\iint _{D}{\sqrt {a^{2}-x^{2}-y^{2}}}dxdy.}
Šį dvilypį integralą apskaičiuosime pakeisdami kartotiniu integralu polinėje koordinačių sistemoje. Tuomet
V
=
4
∬
D
a
2
−
ρ
2
ρ
d
ρ
d
ϕ
.
{\displaystyle V=4\iint _{D}{\sqrt {a^{2}-\rho ^{2}}}\rho d\rho d\phi .}
Rasime kintamųjų
ϕ
{\displaystyle \phi }
ir
ρ
{\displaystyle \rho }
kitimo rėžius. Iš apskritimo lygties
x
2
+
y
2
=
a
x
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=ax}
turime:
ρ
2
=
a
ρ
cos
ϕ
,
ρ
=
a
cos
ϕ
.
{\displaystyle \rho ^{2}=a\rho \cos \phi ,\;\rho =a\cos \phi .}
Taigi sritį D gauname, kai
ϕ
{\displaystyle \phi }
kinta nuo 0 iki
π
2
,
{\displaystyle {\pi \over 2},}
o
ρ
{\displaystyle \rho }
- nuo 0 iki
a
cos
ϕ
.
{\displaystyle a\cos \phi .}
Todėl
V
=
4
∫
0
π
2
d
ϕ
∫
0
a
cos
ϕ
a
2
−
ρ
2
ρ
d
ρ
=
−
4
2
∫
0
π
2
d
ϕ
∫
0
a
cos
ϕ
a
2
−
ρ
2
d
(
a
2
−
ρ
2
)
=
{\displaystyle V=4\int _{0}^{\pi \over 2}d\phi \int _{0}^{a\cos \phi }{\sqrt {a^{2}-\rho ^{2}}}\rho d\rho =-{4 \over 2}\int _{0}^{\pi \over 2}d\phi \int _{0}^{a\cos \phi }{\sqrt {a^{2}-\rho ^{2}}}d(a^{2}-\rho ^{2})=}
=
−
4
3
∫
0
π
2
(
a
2
−
ρ
2
)
3
|
0
a
cos
ϕ
d
ϕ
=
−
4
3
∫
0
π
2
(
(
a
2
−
(
a
cos
ϕ
)
2
)
3
−
(
a
2
−
0
2
)
3
)
d
ϕ
=
{\displaystyle =-{4 \over 3}\int _{0}^{\pi \over 2}{\sqrt {(a^{2}-\rho ^{2})^{3}}}|_{0}^{a\cos \phi }d\phi =-{4 \over 3}\int _{0}^{\pi \over 2}({\sqrt {(a^{2}-(a\cos \phi )^{2})^{3}}}-{\sqrt {(a^{2}-0^{2})^{3}}})d\phi =}
=
−
4
3
∫
0
π
2
(
a
6
(
1
−
cos
2
ϕ
)
3
−
a
3
)
d
ϕ
=
−
4
3
∫
0
π
2
(
a
6
(
sin
2
ϕ
)
3
−
a
3
)
d
ϕ
=
−
4
3
∫
0
π
2
(
a
3
sin
3
ϕ
−
a
3
)
d
ϕ
=
{\displaystyle =-{4 \over 3}\int _{0}^{\pi \over 2}({\sqrt {a^{6}(1-\cos ^{2}\phi )^{3}}}-a^{3})d\phi =-{4 \over 3}\int _{0}^{\pi \over 2}({\sqrt {a^{6}(\sin ^{2}\phi )^{3}}}-a^{3})d\phi =-{4 \over 3}\int _{0}^{\pi \over 2}(a^{3}\sin ^{3}\phi -a^{3})d\phi =}
=
−
4
3
a
3
∫
0
π
2
(
sin
3
ϕ
−
1
)
d
ϕ
=
−
4
3
a
3
(
2
!
!
3
!
!
−
π
2
)
=
4
3
a
3
(
π
2
−
2
3
)
=
2
a
3
9
(
3
π
−
4
)
,
{\displaystyle =-{4 \over 3}a^{3}\int _{0}^{\pi \over 2}(\sin ^{3}\phi -1)d\phi =-{4 \over 3}a^{3}({2!! \over 3!!}-{\pi \over 2})={4 \over 3}a^{3}({\pi \over 2}-{2 \over 3})={2a^{3} \over 9}(3\pi -4),}
kur
pasinaudojom dvigubu faktorialu trigonometrijoje .
Pasinaudodami trigonometrijos formule
sin
3
A
=
3
sin
A
−
4
sin
3
A
,
{\displaystyle \sin 3A=3\sin A-4\sin ^{3}A,}
iš kur
4
sin
3
A
=
3
sin
A
−
sin
3
A
;
sin
3
A
=
1
4
⋅
(
3
sin
A
−
sin
3
A
)
,
{\displaystyle 4\sin ^{3}A=3\sin A-\sin 3A;\;\sin ^{3}A={\frac {1}{4}}\cdot (3\sin A-\sin 3A),}
randame integralą:
V
=
−
4
3
a
3
∫
0
π
2
(
sin
3
ϕ
−
1
)
d
ϕ
=
−
4
3
a
3
∫
0
π
2
(
1
4
⋅
(
3
sin
ϕ
−
sin
(
3
ϕ
)
)
−
1
)
d
ϕ
=
−
4
3
⋅
a
3
⋅
(
1
4
⋅
(
−
3
cos
ϕ
+
1
3
⋅
cos
(
3
ϕ
)
)
−
ϕ
)
|
0
π
2
=
{\displaystyle V=-{4 \over 3}a^{3}\int _{0}^{\pi \over 2}(\sin ^{3}\phi -1)d\phi =-{4 \over 3}a^{3}\int _{0}^{\pi \over 2}({\frac {1}{4}}\cdot (3\sin \phi -\sin(3\phi ))-1)d\phi =-{4 \over 3}\cdot a^{3}\cdot ({\frac {1}{4}}\cdot (-3\cos \phi +{\frac {1}{3}}\cdot \cos(3\phi ))-\phi )|_{0}^{\pi \over 2}=}
=
a
3
3
⋅
(
3
cos
ϕ
−
1
3
⋅
cos
(
3
ϕ
)
+
4
ϕ
)
|
0
π
2
=
a
3
3
⋅
(
3
cos
π
2
−
1
3
⋅
cos
(
3
⋅
π
2
)
+
4
⋅
π
2
)
−
a
3
3
⋅
(
3
cos
(
0
)
−
1
3
⋅
cos
(
3
⋅
0
)
+
4
⋅
0
)
=
{\displaystyle ={\frac {a^{3}}{3}}\cdot (3\cos \phi -{\frac {1}{3}}\cdot \cos(3\phi )+4\phi )|_{0}^{\pi \over 2}={\frac {a^{3}}{3}}\cdot (3\cos {\pi \over 2}-{\frac {1}{3}}\cdot \cos(3\cdot {\pi \over 2})+4\cdot {\frac {\pi }{2}})-{\frac {a^{3}}{3}}\cdot (3\cos(0)-{\frac {1}{3}}\cdot \cos(3\cdot 0)+4\cdot 0)=}
=
a
3
3
⋅
(
3
⋅
0
−
1
3
⋅
0
+
2
π
)
−
a
3
3
⋅
(
3
⋅
1
−
1
3
⋅
1
+
0
)
=
a
3
3
⋅
2
π
−
a
3
3
⋅
(
3
⋅
−
1
3
)
=
2
⋅
π
⋅
a
3
3
−
a
3
3
⋅
8
3
=
2
π
a
3
3
−
8
a
3
9
=
6
π
a
3
−
8
a
3
9
.
{\displaystyle ={\frac {a^{3}}{3}}\cdot (3\cdot 0-{\frac {1}{3}}\cdot 0+2\pi )-{\frac {a^{3}}{3}}\cdot (3\cdot 1-{\frac {1}{3}}\cdot 1+0)={\frac {a^{3}}{3}}\cdot 2\pi -{\frac {a^{3}}{3}}\cdot (3\cdot -{\frac {1}{3}})={\frac {2\cdot \pi \cdot a^{3}}{3}}-{\frac {a^{3}}{3}}\cdot {\frac {8}{3}}={\frac {2\pi a^{3}}{3}}-{\frac {8a^{3}}{9}}={\frac {6\pi a^{3}-8a^{3}}{9}}.}
Čia a yra rutulio spindulys ir ritinio pagrindo skersmuo. Kai a=1, tai cilindru iš rutulio išpjautas tūris yra lygus:
V
=
6
π
a
3
−
8
a
3
9
=
6
π
−
8
9
=
1.205506214.
{\displaystyle V={\frac {6\pi a^{3}-8a^{3}}{9}}={\frac {6\pi -8}{9}}=1.205506214.}
Palyginimui, viso ritinio, kurio pagrindas yra skritulys su spinduliu r=a/2 ir kurio aukštis yra h=2*a, tūris yra:
V
r
i
t
.
=
S
p
a
g
r
.
⋅
h
=
π
⋅
r
2
⋅
h
=
π
⋅
(
a
2
)
2
⋅
2
a
=
π
⋅
a
2
4
⋅
2
a
=
π
a
3
2
=
π
⋅
1
3
2
=
1.570796327.
{\displaystyle V_{rit.}=S_{pagr.}\cdot h=\pi \cdot r^{2}\cdot h=\pi \cdot ({\frac {a}{2}})^{2}\cdot 2a=\pi \cdot {\frac {a^{2}}{4}}\cdot 2a={\frac {\pi a^{3}}{2}}={\frac {\pi \cdot 1^{3}}{2}}=1.570796327.}
Rasime tūrį V kūno, gauto iš rutulio išpjovus du cilindrus
x
2
+
y
2
≤
a
x
2
{\displaystyle x^{2}+y^{2}\leq ax^{2}}
ir
x
2
+
y
2
≤
−
a
x
2
.
{\displaystyle x^{2}+y^{2}\leq -ax^{2}.}
Dėl išpjauto kūno
V
0
{\displaystyle V_{0}}
simetriškumo jį sudaro 8 lygiatūrės dalys. Rutulio formulė:
z
2
+
x
2
+
y
2
≤
a
2
.
{\displaystyle z^{2}+x^{2}+y^{2}\leq a^{2}.}
V
0
=
8
∬
D
a
2
−
x
2
−
y
2
d
x
d
y
=
8
∬
D
a
2
−
ρ
2
ρ
d
ρ
d
ϕ
=
8
∫
0
π
2
d
ϕ
∫
0
a
cos
ϕ
ρ
a
2
−
ρ
2
d
ρ
=
{\displaystyle V_{0}=8\iint _{D}{\sqrt {a^{2}-x^{2}-y^{2}}}dxdy=8\iint _{D}{\sqrt {a^{2}-\rho ^{2}}}\rho d\rho d\phi =8\int _{0}^{\pi \over 2}d\phi \int _{0}^{a\cos \phi }\rho {\sqrt {a^{2}-\rho ^{2}}}d\rho =}
=
−
4
∫
0
π
2
d
ϕ
∫
0
a
cos
ϕ
a
2
−
ρ
2
d
(
a
2
−
ρ
2
)
=
8
3
a
3
∫
0
π
2
(
1
−
sin
3
ϕ
)
d
ϕ
=
8
3
(
π
2
−
2
!
!
3
!
!
)
a
3
=
4
a
3
9
(
3
π
−
4
)
.
{\displaystyle =-4\int _{0}^{\pi \over 2}d\phi \int _{0}^{a\cos \phi }{\sqrt {a^{2}-\rho ^{2}}}d(a^{2}-\rho ^{2})={8 \over 3}a^{3}\int _{0}^{\pi \over 2}(1-\sin ^{3}\phi )d\phi ={8 \over 3}({\pi \over 2}-{2!! \over 3!!})a^{3}={4a^{3} \over 9}(3\pi -4).}
Kadangi kūno V tūris yra lygus rutulio ir išpjautojo kūno
V
0
{\displaystyle V_{0}}
tūrių skirtumui, tai
|
V
|
=
4
3
π
a
3
−
|
V
0
|
=
4
π
a
3
3
−
4
a
3
(
3
π
−
4
)
9
=
12
π
a
3
−
12
a
3
π
−
16
a
3
9
=
|
−
16
a
3
9
|
=
16
a
3
9
.
{\displaystyle |V|={4 \over 3}\pi a^{3}-|V_{0}|={4\pi a^{3} \over 3}-{4a^{3}(3\pi -4) \over 9}={12\pi a^{3}-12a^{3}\pi -16a^{3} \over 9}=|-{16a^{3} \over 9}|={16a^{3} \over 9}.}
Rasime kūno tūrį V , išpjauto iš cilindro, kurio pagrindas yra apskritimas
x
2
+
y
2
=
1
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=1}
ir kuris apribotas paraboloidais (iš viršaus ir apčios atitinkamai)
x
2
+
y
2
=
4
−
z
;
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4-z;}
x
2
+
y
2
=
4
(
z
+
2
)
.
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=4(z+2).}
Tūrį kūno V randame kaip sumą tūrių
V
1
{\displaystyle V_{1}}
ir
V
2
{\displaystyle V_{2}}
jo dalių, gulinčių atitinkamai virš ir po plokštuma XOY . Tokiu budu pereinant į polinę koordinačių sistemą apskritimo lygtis tampa
ρ
2
=
1
{\displaystyle \rho ^{2}=1}
, praboloidų lygtys tampa
ρ
2
=
4
−
z
{\displaystyle \rho ^{2}=4-z}
,
z
=
4
−
ρ
2
{\displaystyle z=4-\rho ^{2}}
ir
ρ
2
=
4
(
z
+
2
)
{\displaystyle \rho ^{2}=4(z+2)}
,
z
=
ρ
2
4
−
2.
{\displaystyle z={\frac {\rho ^{2}}{4}}-2.}
V
1
=
4
∫
0
π
2
d
ϕ
∫
0
1
(
4
−
ρ
2
)
ρ
d
ρ
=
4
∫
0
π
2
d
ϕ
∫
0
1
(
4
ρ
−
ρ
3
)
d
ρ
=
4
∫
0
π
2
d
ϕ
(
2
ρ
2
−
ρ
4
4
)
|
0
1
=
{\displaystyle V_{1}=4\int _{0}^{\pi \over 2}{\mathsf {d}}\phi \int _{0}^{1}(4-\rho ^{2})\rho \;{\mathsf {d}}\rho =4\int _{0}^{\pi \over 2}{\mathsf {d}}\phi \int _{0}^{1}(4\rho -\rho ^{3}){\mathsf {d}}\rho =4\int _{0}^{\pi \over 2}{\mathsf {d}}\phi (2\rho ^{2}-{\frac {\rho ^{4}}{4}})|_{0}^{1}=}
=
4
∫
0
π
2
(
2
⋅
1
2
−
1
4
4
−
(
2
⋅
0
2
−
0
4
4
)
)
d
ϕ
=
4
∫
0
π
2
(
2
−
1
4
)
d
ϕ
=
4
∫
0
π
2
8
−
1
4
d
ϕ
=
{\displaystyle =4\int _{0}^{\pi \over 2}\left(2\cdot 1^{2}-{\frac {1^{4}}{4}}-(2\cdot 0^{2}-{\frac {0^{4}}{4}})\right){\mathsf {d}}\phi =4\int _{0}^{\pi \over 2}\left(2-{\frac {1}{4}}\right){\mathsf {d}}\phi =4\int _{0}^{\pi \over 2}{\frac {8-1}{4}}{\mathsf {d}}\phi =}
=
4
⋅
7
4
∫
0
π
2
d
ϕ
=
7
ϕ
|
0
π
2
=
7
π
2
=
10.99557429.
{\displaystyle =4\cdot {\frac {7}{4}}\int _{0}^{\pi \over 2}{\mathsf {d}}\phi =7\phi |_{0}^{\pi \over 2}={\frac {7\pi }{2}}=10.99557429.}
V
2
=
4
∫
0
π
2
d
ϕ
∫
0
1
(
ρ
2
4
−
2
)
ρ
d
ρ
=
4
∫
0
π
2
d
ϕ
∫
0
1
(
ρ
3
4
−
2
ρ
)
d
ρ
=
4
∫
0
π
2
d
ϕ
(
ρ
4
16
−
ρ
2
)
|
0
1
=
4
∫
0
π
2
(
1
4
16
−
1
2
)
d
ϕ
=
{\displaystyle V_{2}=4\int _{0}^{\pi \over 2}{\mathsf {d}}\phi \int _{0}^{1}({\frac {\rho ^{2}}{4}}-2)\rho \;{\mathsf {d}}\rho =4\int _{0}^{\pi \over 2}{\mathsf {d}}\phi \int _{0}^{1}({\frac {\rho ^{3}}{4}}-2\rho )\;{\mathsf {d}}\rho =4\int _{0}^{\pi \over 2}{\mathsf {d}}\phi ({\frac {\rho ^{4}}{16}}-\rho ^{2})|_{0}^{1}=4\int _{0}^{\pi \over 2}({\frac {1^{4}}{16}}-1^{2}){\mathsf {d}}\phi =}
=
4
∫
0
π
2
(
1
16
−
1
)
d
ϕ
=
4
16
∫
0
π
2
(
1
−
16
)
d
ϕ
=
1
4
∫
0
π
2
(
−
15
)
d
ϕ
=
−
15
4
⋅
ϕ
|
0
π
2
=
−
15
π
8
=
−
5.890486225.
{\displaystyle =4\int _{0}^{\pi \over 2}({\frac {1}{16}}-1){\mathsf {d}}\phi ={\frac {4}{16}}\int _{0}^{\pi \over 2}(1-16){\mathsf {d}}\phi ={\frac {1}{4}}\int _{0}^{\pi \over 2}(-15){\mathsf {d}}\phi =-{\frac {15}{4}}\cdot \phi |_{0}^{\pi \over 2}=-{\frac {15\pi }{8}}=-5.890486225.}
V
=
V
1
+
|
V
2
|
=
7
π
2
+
|
−
15
π
8
|
=
7
π
2
+
15
π
8
=
π
(
7
⋅
4
+
15
)
8
=
43
π
8
=
16.88606051.
{\displaystyle V=V_{1}+|V_{2}|={\frac {7\pi }{2}}+|-{\frac {15\pi }{8}}|={\frac {7\pi }{2}}+{\frac {15\pi }{8}}={\frac {\pi (7\cdot 4+15)}{8}}={43\pi \over 8}=16.88606051.}
Dvilypio integralo taikymas mechanikoje [ keisti ]
Plokščios figūros masė[ keisti ]
Dvilypiu integralu masė apskaičiuojama pagal formulę:
m
=
∬
D
γ
(
x
,
y
)
d
x
d
y
.
{\displaystyle m=\iint _{D}\gamma (x,y)dxdy.}
Pavyzdžiai
Skritulinės plokštelės spindulys R , o jos plokštuminis tankis tiesiog proporcingas atstumo nuo taško iki plokštelės centro kvadratui. Plokštelės kontūro taškuose tankis lygus a . Apskaičiuokime tos plokštelės masę. Pagal sąlyga, tankis taške (x; y) lygus atstumo nuo to taško iki taško (0; 0) kvadratui:
γ
(
x
,
y
)
=
k
(
x
2
+
y
2
)
;
{\displaystyle \gamma (x,y)=k(x^{2}+y^{2});}
be to, kai taškas (x; y) priklauso apskritimui
x
2
+
y
2
=
R
2
,
{\displaystyle x^{2}+y^{2}=R^{2},}
tai
γ
(
x
,
y
)
=
a
.
{\displaystyle \gamma (x,y)=a.}
a
=
k
R
2
.
{\displaystyle a=kR^{2}.}
Iš čia proporcingumo koeficientas
k
=
a
R
2
.
{\displaystyle k={a \over R^{2}}.}
Vadinasi,
γ
(
x
,
y
)
=
a
R
2
(
x
2
+
y
2
)
.
{\displaystyle \gamma (x,y)={a \over R^{2}}(x^{2}+y^{2}).}
Tuomet
m
=
a
R
2
∬
D
(
x
2
+
y
2
)
d
x
d
y
.
{\displaystyle m={a \over R^{2}}\iint _{D}(x^{2}+y^{2})dxdy.}
Šį integralą apskaičiuosime pakeisdami jį kartotiniu integralu, užrašytu polinėje koordinačių sistemoje. Taigi
m
=
a
R
2
∬
D
ρ
3
d
ρ
d
ϕ
=
a
R
2
∫
0
2
π
d
ϕ
∫
0
R
ρ
3
d
ρ
=
a
R
2
∫
0
2
π
R
4
4
d
ϕ
=
a
R
2
4
ϕ
|
0
2
π
=
1
2
π
a
R
2
.
{\displaystyle m={a \over R^{2}}\iint _{D}\rho ^{3}d\rho d\phi ={a \over R^{2}}\int _{0}^{2\pi }d\phi \int _{0}^{R}\rho ^{3}d\rho ={a \over R^{2}}\int _{0}^{2\pi }{R^{4} \over 4}d\phi ={aR^{2} \over 4}\phi |_{0}^{2\pi }={1 \over 2}\pi aR^{2}.}
kvadratinė plokštelė
Rasime kvadratinės plokštelės masę su kraštine 2a , jeigu tankis
γ
(
x
;
y
)
{\displaystyle \gamma (x;y)}
kiekviename taške
M
(
x
;
y
)
{\displaystyle M(x;y)}
proporcionali atstumo kvadratui nuo taško M iki įžambinių susikirtimo (iki centro), ir proporcingumo koeficientas lygus k . Parinksime koordinačių sistemą kaip parodyta paveiksliuke. Po šito galima rasti funkciją
γ
(
x
;
y
)
{\displaystyle \gamma (x;y)}
iš užduoties salygos. Tegu M(x; y) - bet kuris laisvai pasirenkamas taškas kvadratinės plokštelės. Tada atstumo kvadratas nuo taško M iki taško suskirtimo įstrižainių lygus
x
2
+
y
2
.
{\displaystyle x^{2}+y^{2}.}
Todėl, tankis taške M :
γ
(
M
)
=
γ
(
x
;
y
)
=
k
(
x
2
+
y
2
)
.
{\displaystyle \gamma (M)=\gamma (x;y)=k(x^{2}+y^{2}).}
Pagal formulę turime
m
=
∬
D
k
(
x
2
+
y
2
)
d
x
d
y
.
{\displaystyle m=\iint _{D}k(x^{2}+y^{2})dxdy.}
Žinant, kad pointegralinė funkcija lyginė atžvilgiu x ir y , o integravimo sritis simteriška koordinačių ašių atžvilgiu, galima apsiriboti apskaičiavimu integralo toje dalyje srities D , kuri yra I ketvirtyje, t. y.
m
=
4
k
∫
0
a
d
x
∫
0
a
(
x
2
+
y
2
)
d
y
=
4
k
∫
0
a
(
x
2
y
+
y
3
3
)
|
0
a
d
x
=
{\displaystyle m=4k\int _{0}^{a}dx\int _{0}^{a}(x^{2}+y^{2})dy=4k\int _{0}^{a}(x^{2}y+{y^{3} \over 3})|_{0}^{a}dx=}
=
4
k
∫
0
a
(
a
x
2
+
a
3
3
)
d
x
=
4
k
(
a
x
3
3
+
a
3
x
3
)
|
0
a
=
4
k
2
a
4
3
=
8
3
k
a
4
.
{\displaystyle =4k\int _{0}^{a}(ax^{2}+{a^{3} \over 3})dx=4k({ax^{3} \over 3}+{a^{3}x \over 3})|_{0}^{a}=4k{2a^{4} \over 3}={8 \over 3}ka^{4}.}
1.
Plokščios figūros statiniai momentai ir masės centro koordinatės[ keisti ]
Masės centro koordinatės randamos pagal formules:
x
c
=
∬
D
x
γ
(
x
,
y
)
d
x
d
y
∬
D
γ
(
x
,
y
)
d
x
d
y
,
y
c
=
∬
D
y
γ
(
x
,
y
)
d
x
d
y
∬
D
γ
(
x
,
y
)
d
x
d
y
.
{\displaystyle x_{c}={\iint _{D}x\gamma (x,y)dxdy \over \iint _{D}\gamma (x,y)dxdy},\;y_{c}={\iint _{D}y\gamma (x,y)dxdy \over \iint _{D}\gamma (x,y)dxdy}.}
Pavyzdžiai
Homogeninę plokštelę
(
γ
(
x
,
y
)
=
c
o
n
s
t
)
{\displaystyle (\gamma (x,y)=const)}
riboja kreivės
y
=
x
2
{\displaystyle y=x^{2}}
ir
y
−
x
=
2.
{\displaystyle y-x=2.}
Apskaičiuokime tos plokštelės masės centro koordinates.
Kai
γ
(
x
,
y
)
=
c
o
n
s
t
,
{\displaystyle \gamma (x,y)=const,}
tai formulės supaprastėja:
x
c
=
∬
D
x
d
x
d
y
∬
D
d
x
d
y
,
y
c
=
∬
D
y
d
x
d
y
∬
D
d
x
d
y
.
{\displaystyle x_{c}={\iint _{D}xdxdy \over \iint _{D}dxdy},\;y_{c}={\iint _{D}ydxdy \over \iint _{D}dxdy}.}
Apskaičiuojame:
∬
D
d
x
d
y
=
∫
−
1
2
d
x
∫
x
2
2
+
x
d
y
=
∫
−
1
2
(
2
+
x
−
x
2
)
d
x
=
(
2
x
+
x
2
2
−
x
3
3
)
|
−
1
2
=
9
2
;
{\displaystyle \iint _{D}dxdy=\int _{-1}^{2}dx\int _{x^{2}}^{2+x}dy=\int _{-1}^{2}(2+x-x^{2})dx=(2x+{x^{2} \over 2}-{x^{3} \over 3})|_{-1}^{2}={9 \over 2};}
∬
D
x
d
x
d
y
=
∫
−
1
2
x
d
x
∫
x
2
2
+
x
d
y
=
∫
−
1
2
(
2
x
+
x
2
−
x
3
)
d
x
=
(
x
2
+
x
3
3
−
x
4
4
)
|
−
1
2
=
9
4
;
{\displaystyle \iint _{D}xdxdy=\int _{-1}^{2}xdx\int _{x^{2}}^{2+x}dy=\int _{-1}^{2}(2x+x^{2}-x^{3})dx=(x^{2}+{x^{3} \over 3}-{x^{4} \over 4})|_{-1}^{2}={9 \over 4};}
∬
D
y
d
x
d
y
=
∫
−
1
2
d
x
∫
x
2
2
+
x
y
d
y
=
1
2
∫
−
1
2
(
4
+
4
x
+
x
2
−
x
4
)
d
x
=
1
2
(
4
x
+
2
x
2
+
x
3
3
−
x
5
5
)
|
−
1
2
=
36
5
.
{\displaystyle \iint _{D}ydxdy=\int _{-1}^{2}dx\int _{x^{2}}^{2+x}ydy={1 \over 2}\int _{-1}^{2}(4+4x+x^{2}-x^{4})dx={1 \over 2}(4x+2x^{2}+{x^{3} \over 3}-{x^{5} \over 5})|_{-1}^{2}={36 \over 5}.}
Vadinasi
x
c
=
9
4
9
2
=
9
4
⋅
2
9
=
1
2
,
y
c
=
36
5
:
9
2
=
36
5
⋅
2
9
=
8
5
.
{\displaystyle x_{c}={{9 \over 4} \over {9 \over 2}}={9 \over 4}\cdot {2 \over 9}={1 \over 2},\;y_{c}={36 \over 5}:{9 \over 2}={36 \over 5}\cdot {2 \over 9}={8 \over 5}.}
Homogeninę plokštelę
(
γ
(
x
,
y
)
=
c
o
n
s
t
)
{\displaystyle (\gamma (x,y)=const)}
riboja tiesės
y
=
x
{\displaystyle y=x}
ir
y
=
2
x
{\displaystyle y=2x}
ir iš dešinės tiesė
x
=
2
{\displaystyle x=2}
lygiagreti Oy ašiai. Apskaičiuokime tos plokštelės masės centro koordinates.
Kai
γ
(
x
,
y
)
=
c
o
n
s
t
,
{\displaystyle \gamma (x,y)=const,}
tai formulės supaprastėja:
x
c
=
∬
D
x
d
x
d
y
∬
D
d
x
d
y
,
y
c
=
∬
D
y
d
x
d
y
∬
D
d
x
d
y
.
{\displaystyle x_{c}={\iint _{D}xdxdy \over \iint _{D}dxdy},\;y_{c}={\iint _{D}ydxdy \over \iint _{D}dxdy}.}
Apskaičiuojame:
∬
D
d
x
d
y
=
∫
0
2
d
x
∫
x
2
x
d
y
=
∫
0
2
(
2
x
−
x
)
d
x
=
x
2
2
|
0
2
=
2
;
{\displaystyle \iint _{D}dxdy=\int _{0}^{2}dx\int _{x}^{2x}dy=\int _{0}^{2}(2x-x)dx={x^{2} \over 2}|_{0}^{2}=2;}
∬
D
x
d
x
d
y
=
∫
0
2
x
d
x
∫
x
2
x
d
y
=
∫
0
2
x
(
2
x
−
x
)
d
x
=
x
3
3
|
0
2
=
8
3
;
{\displaystyle \iint _{D}xdxdy=\int _{0}^{2}xdx\int _{x}^{2x}dy=\int _{0}^{2}x(2x-x)dx={x^{3} \over 3}|_{0}^{2}={8 \over 3};}
∬
D
y
d
x
d
y
=
∫
0
2
d
x
∫
x
2
x
y
d
y
=
∫
0
2
(
2
x
)
2
−
x
2
2
d
x
=
∫
0
2
3
x
2
2
d
x
=
3
2
x
3
3
|
0
2
=
2
3
2
−
0
3
2
=
4.
{\displaystyle \iint _{D}ydxdy=\int _{0}^{2}dx\int _{x}^{2x}ydy=\int _{0}^{2}{(2x)^{2}-x^{2} \over 2}dx=\int _{0}^{2}{3x^{2} \over 2}dx={3 \over 2}{x^{3} \over 3}|_{0}^{2}={2^{3} \over 2}-{0^{3} \over 2}=4.}
Vadinasi
x
c
=
8
3
2
=
4
3
=
1
,
(
3
)
;
y
c
=
4
2
=
2.
{\displaystyle x_{c}={{8 \over 3} \over 2}={4 \over 3}=1,(3);\;y_{c}={4 \over 2}=2.}
plokštelė.
Rasime centro koordinates homogeninės plokštelės, apribotos dvejomis parabolėmis
y
2
=
x
{\displaystyle y^{2}=x}
ir
x
2
=
y
.
{\displaystyle x^{2}=y.}
Iš pradžių apskaičiuosime plokštelės masę
m
=
∬
D
d
x
d
y
=
∫
0
1
d
x
∫
x
2
x
d
y
=
∫
0
1
(
x
0.5
−
x
2
)
d
x
=
(
2
3
x
x
−
x
3
3
)
|
0
1
=
{\displaystyle m=\iint _{D}dxdy=\int _{0}^{1}dx\int _{x^{2}}^{\sqrt {x}}dy=\int _{0}^{1}(x^{0.5}-x^{2})dx=({2 \over 3}x{\sqrt {x}}-{x^{3} \over 3})|_{0}^{1}=}
=
2
3
−
1
3
=
1
3
.
{\displaystyle ={2 \over 3}-{1 \over 3}={1 \over 3}.}
Toliau apskaičiuosime statinius momemntus jos kordinačių ašių atžvilgiu:
M
y
=
∬
D
x
d
x
d
y
=
∫
0
1
x
d
x
∫
x
2
x
d
y
=
∫
0
1
(
x
1.5
−
x
3
)
d
x
=
{\displaystyle M_{y}=\iint _{D}xdxdy=\int _{0}^{1}xdx\int _{x^{2}}^{\sqrt {x}}dy=\int _{0}^{1}(x^{1.5}-x^{3})dx=}
=
(
2
5
x
2
x
−
x
4
4
)
|
0
1
=
2
5
−
1
4
=
3
20
;
{\displaystyle =({2 \over 5}x^{2}{\sqrt {x}}-{x^{4} \over 4})|_{0}^{1}={2 \over 5}-{1 \over 4}={3 \over 20};}
M
x
=
∬
D
y
d
x
d
y
=
∫
0
1
d
x
∫
x
2
x
y
d
y
=
1
2
∫
0
1
(
x
−
x
4
)
d
x
=
1
2
(
x
2
2
−
x
5
5
)
|
0
1
=
1
2
(
1
2
−
1
5
)
=
3
20
.
{\displaystyle M_{x}=\iint _{D}ydxdy=\int _{0}^{1}dx\int _{x^{2}}^{\sqrt {x}}y\;dy={1 \over 2}\int _{0}^{1}(x-x^{4})dx={1 \over 2}({x^{2} \over 2}-{x^{5} \over 5})|_{0}^{1}={1 \over 2}({1 \over 2}-{1 \over 5})={3 \over 20}.}
x
c
=
M
y
m
=
3
20
:
1
3
=
9
20
;
x
c
=
M
x
m
=
3
20
:
1
3
=
9
20
.
{\displaystyle x_{c}={M_{y} \over m}={3 \over 20}:{1 \over 3}={9 \over 20};\;x_{c}={M_{x} \over m}={3 \over 20}:{1 \over 3}={9 \over 20}.}
Plokščios figuros inercijos momentai[ keisti ]
Inercijos momentai ašių Ox , Oy ir koordinačių pradžios atžvilgiu lygūs
I
x
=
∬
D
y
2
γ
(
x
,
y
)
d
x
d
y
,
I
y
=
∬
D
x
2
γ
(
x
,
y
)
d
x
d
y
,
I
0
=
∬
D
(
x
2
+
y
2
)
γ
(
x
,
y
)
d
x
d
y
.
{\displaystyle I_{x}=\iint _{D}y^{2}\gamma (x,y)dxdy,\;I_{y}=\iint _{D}x^{2}\gamma (x,y)dxdy,\;I_{0}=\iint _{D}(x^{2}+y^{2})\gamma (x,y)dxdy.}
Pavyzdžiai
2. Kardioidė
Homogeninę figūrą
(
γ
(
x
,
y
)
=
1
)
{\displaystyle (\gamma (x,y)=1)}
riboja kardioidė
ρ
=
a
(
1
+
cos
ϕ
)
.
{\displaystyle \rho =a(1+\cos \phi ).}
Apskaičiuokime tos figūros inercijos momentus ašių Ox , Oy ir poliaus O atžvilgiu. Kai
γ
(
x
,
y
)
=
1
,
{\displaystyle \gamma (x,y)=1,}
tai formulės virsta tokiomis:
I
x
=
∬
D
y
2
d
x
d
y
,
I
y
=
∬
D
x
2
d
x
d
y
,
I
0
=
∬
D
(
x
2
+
y
2
)
d
x
d
y
.
{\displaystyle I_{x}=\iint _{D}y^{2}dxdy,\;I_{y}=\iint _{D}x^{2}dxdy,\;I_{0}=\iint _{D}(x^{2}+y^{2})dxdy.}
Šiuos integralus apskaičiuosime išreikšdami juos polinėmis koordinatėmis. Pirmiausia imame
I
x
{\displaystyle I_{x}}
ir
I
0
,
{\displaystyle I_{0},}
o dydį
I
y
{\displaystyle I_{y}}
apskaičiuosime kaip jų skirtumą
I
y
=
I
0
−
I
x
.
{\displaystyle I_{y}=I_{0}-I_{x}.}
Turime:
I
x
=
∬
D
ρ
2
sin
2
ϕ
ρ
d
ρ
d
ϕ
=
∬
ρ
3
sin
2
ϕ
d
ρ
d
ϕ
.
I
0
=
∬
D
=
ρ
3
d
ρ
d
ϕ
.
{\displaystyle I_{x}=\iint _{D}\rho ^{2}\sin ^{2}\phi \rho d\rho d\phi =\iint \rho ^{3}\sin ^{2}\phi d\rho d\phi .\;I_{0}=\iint _{D}=\rho ^{3}d\rho d\phi .}
Pakeisdami šiuos dvilypius integralus kartotiniais, apsiribosime 1/2 srities D dalimi. Taigi
I
x
=
2
∫
0
π
sin
2
ϕ
d
ϕ
∫
0
a
(
1
+
cos
ϕ
)
ρ
3
d
ρ
=
a
4
2
∫
0
π
sin
2
ϕ
(
1
+
cos
ϕ
)
4
d
ϕ
=
{\displaystyle I_{x}=2\int _{0}^{\pi }\sin ^{2}\phi d\phi \int _{0}^{a(1+\cos \phi )}\rho ^{3}d\rho ={a^{4} \over 2}\int _{0}^{\pi }\sin ^{2}\phi (1+\cos \phi )^{4}d\phi =}
=
a
4
2
∫
0
π
(
2
sin
ϕ
2
cos
ϕ
2
)
2
(
2
cos
2
ϕ
2
)
4
d
ϕ
=
32
a
4
∫
0
π
sin
2
ϕ
2
cos
10
ϕ
2
d
ϕ
.
{\displaystyle ={a^{4} \over 2}\int _{0}^{\pi }(2\sin {\phi \over 2}\cos {\phi \over 2})^{2}(2\cos ^{2}{\phi \over 2})^{4}d\phi =32a^{4}\int _{0}^{\pi }\sin ^{2}{\phi \over 2}\cos ^{10}{\phi \over 2}d\phi .}
Pakeitę kintamąjį pagal formulę
t
=
ϕ
2
,
{\displaystyle t={\phi \over 2},}
d
ϕ
=
2
d
t
,
{\displaystyle d\phi =2dt,}
gauname
I
x
=
64
a
4
∫
0
π
2
sin
2
t
cos
10
t
d
t
=
64
a
4
∫
0
π
2
(
cos
10
t
−
cos
12
t
)
d
t
=
64
a
4
(
9
!
!
10
!
!
−
11
!
!
12
!
!
)
⋅
π
2
=
21
32
π
a
4
;
{\displaystyle I_{x}=64a^{4}\int _{0}^{\pi \over 2}\sin ^{2}t\cos ^{10}t\;dt=64a^{4}\int _{0}^{\pi \over 2}(\cos ^{10}t-\cos ^{12}t)dt=64a^{4}({9!! \over 10!!}-{11!! \over 12!!})\cdot {\pi \over 2}={21 \over 32}\pi a^{4};}
I
0
=
2
∫
0
π
d
ϕ
∫
0
a
(
1
+
cos
ϕ
)
ρ
3
d
ρ
=
a
4
2
∫
0
π
(
1
+
cos
ϕ
)
4
d
ϕ
=
8
a
4
∫
0
π
cos
8
ϕ
2
d
ϕ
=
16
a
4
∫
0
π
2
cos
8
t
d
t
=
{\displaystyle I_{0}=2\int _{0}^{\pi }d\phi \int _{0}^{a(1+\cos \phi )}\rho ^{3}d\rho ={a^{4} \over 2}\int _{0}^{\pi }(1+\cos \phi )^{4}d\phi =8a^{4}\int _{0}^{\pi }\cos ^{8}{\phi \over 2}d\phi =16a^{4}\int _{0}^{\pi \over 2}\cos ^{8}t\;dt=}
=
16
a
4
⋅
7
!
!
8
!
!
⋅
π
2
=
35
16
π
a
4
.
{\displaystyle =16a^{4}\cdot {7!! \over 8!!}\cdot {\pi \over 2}={35 \over 16}\pi a^{4}.}
Tuomet
I
y
=
I
0
−
I
x
=
35
16
π
a
4
−
21
32
π
a
4
=
49
32
π
a
4
.
{\displaystyle I_{y}=I_{0}-I_{x}={35 \over 16}\pi a^{4}-{21 \over 32}\pi a^{4}={49 \over 32}\pi a^{4}.}
Rasime inercijos momentą skritulio su spinduliu R su vienodu tankiu
γ
(
x
,
y
)
=
1
{\displaystyle \gamma (x,y)=1}
koordinačių pradžios atžvilgiu.
I
0
=
∬
D
(
x
2
+
y
2
)
d
x
d
y
.
{\displaystyle I_{0}=\iint _{D}(x^{2}+y^{2})dxdy.}
Pereiname į poliarines koordinates. Lygtis apskritimo (skritulio kraštai) poliarinėse koordinatėse atrodo taip
ρ
=
R
.
{\displaystyle \rho =R.}
Todėl
I
0
=
∫
0
2
π
d
ϕ
∫
0
R
ρ
2
ρ
d
ρ
=
∫
0
2
π
ρ
4
4
|
0
R
d
ϕ
=
1
4
R
4
ϕ
|
0
2
π
=
π
R
4
2
.
{\displaystyle I_{0}=\int _{0}^{2\pi }d\phi \int _{0}^{R}\rho ^{2}\rho \;d\rho =\int _{0}^{2\pi }{\rho ^{4} \over 4}|_{0}^{R}d\phi ={1 \over 4}R^{4}\phi |_{0}^{2\pi }={\pi R^{4} \over 2}.}
Dvilypis integralas ir Jakobiano determinantas [ keisti ]
Apskaičiuoti integralą
I
=
∬
R
(
x
2
+
y
2
)
d
x
d
y
,
{\displaystyle I=\iint _{R}(x^{2}+y^{2})dxdy,}
kur R yra plotas kurį iš kairio šono riboja kreivė
u
=
x
2
−
y
2
=
1
{\displaystyle u=x^{2}-y^{2}=1}
, iš dešinio šono - kreivė
u
=
x
2
−
y
2
=
9
{\displaystyle u=x^{2}-y^{2}=9}
, iš viršaus - kreivė
v
=
2
x
y
=
8
{\displaystyle v=2xy=8}
, iš apačios riboja kreivė
v
=
2
x
y
=
4
{\displaystyle v=2xy=4}
.
Sprendimas . Taikydami Jakobiano determinantą randame:
∂
u
∂
x
=
2
x
,
∂
u
∂
y
=
−
2
y
;
{\displaystyle {\frac {\partial u}{\partial x}}=2x,\quad {\frac {\partial u}{\partial y}}=-2y;}
∂
v
∂
x
=
2
y
,
∂
v
∂
y
=
2
x
;
{\displaystyle {\frac {\partial v}{\partial x}}=2y,\quad {\frac {\partial v}{\partial y}}=2x;}
∂
(
x
,
y
)
∂
(
u
,
v
)
=
[
∂
(
u
,
v
)
∂
(
x
,
y
)
]
−
1
=
|
∂
u
∂
x
∂
u
∂
y
∂
v
∂
x
∂
v
∂
y
|
−
1
=
|
2
x
−
2
y
2
y
2
x
|
−
1
=
1
2
x
⋅
2
−
(
−
2
y
)
⋅
2
y
=
1
4
x
2
+
4
y
2
=
1
4
(
x
2
+
y
2
)
.
{\displaystyle {\frac {\partial (x,\;y)}{\partial (u,\;v)}}=\left[{\frac {\partial (u,\;v)}{\partial (x,\;y)}}\right]^{-1}={\begin{vmatrix}{\frac {\partial u}{\partial x}}&{\frac {\partial u}{\partial y}}\\{\frac {\partial v}{\partial x}}&{\frac {\partial v}{\partial y}}\end{vmatrix}}^{-1}={\begin{vmatrix}2x&-2y\\2y&2x\end{vmatrix}}^{-1}={\frac {1}{2x\cdot 2-(-2y)\cdot 2y}}={\frac {1}{4x^{2}+4y^{2}}}={\frac {1}{4(x^{2}+y^{2})}}.}
Bet
u
2
+
v
2
=
(
x
2
−
y
2
)
2
+
(
2
x
y
)
2
=
x
4
−
2
x
2
y
2
+
y
4
+
4
x
2
y
2
=
x
4
+
2
x
2
y
2
+
y
4
=
(
x
2
+
y
2
)
2
.
{\displaystyle u^{2}+v^{2}=(x^{2}-y^{2})^{2}+(2xy)^{2}=x^{4}-2x^{2}y^{2}+y^{4}+4x^{2}y^{2}=x^{4}+2x^{2}y^{2}+y^{4}=(x^{2}+y^{2})^{2}.}
Todėl
∂
(
x
,
y
)
∂
(
u
,
v
)
=
1
4
u
2
+
v
2
.
{\displaystyle {\frac {\partial (x,\;y)}{\partial (u,\;v)}}={\frac {1}{4{\sqrt {u^{2}+v^{2}}}}}.}
Nustatę ribas randame integralą:
I
=
∬
R
(
x
2
+
y
2
)
d
x
d
y
=
∫
4
8
(
∫
1
9
(
x
2
+
y
2
)
4
u
2
+
v
2
d
u
)
d
v
=
∫
4
8
(
∫
1
9
u
2
+
v
2
4
u
2
+
v
2
d
u
)
d
v
=
1
4
∫
4
8
(
∫
1
9
d
u
)
d
v
=
{\displaystyle I=\iint _{R}(x^{2}+y^{2})dxdy=\int _{4}^{8}(\int _{1}^{9}{\frac {(x^{2}+y^{2})}{4{\sqrt {u^{2}+v^{2}}}}}du)dv=\int _{4}^{8}(\int _{1}^{9}{\frac {\sqrt {u^{2}+v^{2}}}{4{\sqrt {u^{2}+v^{2}}}}}du)dv={\frac {1}{4}}\int _{4}^{8}(\int _{1}^{9}du)dv=}
=
1
4
∫
4
8
(
u
|
1
9
)
d
v
=
1
4
∫
4
8
(
9
−
1
)
d
v
=
8
4
v
|
4
8
=
2
(
8
−
4
)
=
8.
{\displaystyle ={\frac {1}{4}}\int _{4}^{8}(u|_{1}^{9})dv={\frac {1}{4}}\int _{4}^{8}(9-1)dv={\frac {8}{4}}v|_{4}^{8}=2(8-4)=8.}
Pastaba . Mes radome ne plokščios figūros plotą R , o tiesiog apskaičiavome integralą, kuris neturi gilesnės prasmės (nebent susiję su kokiais nors inercijos momentais arba tankiu ir/ar jo kitimu pagal tam tikrą funkciją).