Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

DDR 3 p.132-189

.pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
511.86 Кб
Скачать

where limits and must be employed

x( ) a ,

y( ) b .

 

 

 

 

8.1.3. Area in polar coordinates

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Let S be the region bounded

by

the

 

rays

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

α and 2 β and by the curve ρ ρ( ) , as

 

 

 

ρ ρ( )

shown in Fig. 2.11. The area of S is then given by

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S 1

β

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ2 ( ) d .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α β

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.2. Arc length

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 2.11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arc

The length l in rectangular coordinates of the

 

 

 

 

 

 

 

y f (x) , x [a; b] , if f

(x)

is continuous in this interval, then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

1

 

 

 

 

dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( f (x))

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If the path is given parametrically,

x x(t) ,

y y(t)

and if x (t) ,

y (t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

are continuous in the interval

[t1 ; t2 ] , then arc length is found according to

the following formula

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

dt,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x (t))

 

( y (t))

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

here t1 t2 .

The length l in polar coordinates of the curve ρ ρ( ) for in [ 1, 2] is equal to

2

2 2 d

l

1

 

8.3. Volume of a solid

8.3.1. Computing volume by parallel cross sections

The volume V of a spatial region, a “solid”, can be expressed as a definite integral of cross-section area S(x),

b

V S x dx

a

as shown in Fig. 2.12. So, to find the volume of some solid, follow these steps:

1.Choose a line to serve as an x axis.

172

2.For each plane perpendicular to that axis find the area of the cross section of the solid made by plane. Call this area S(x).

3.Determine the limits of integration, a and b, for the region.

4.Evaluate the definite integral b S x dx .

a

y

 

y

y=f(x)

 

 

 

 

S(x)

 

 

 

 

О a

b x

О a

x

b x

 

 

Fig. 2.12

 

Fig. 2.13

8.3.2. Computing the volume of a solid of revolution

Let y = f(x) be a continuous function such that f(x) 0 for x in the interval [a, b]. The curve y = f(x) is revolved around the x axis to form a solid of revolution (see Fig. 2.13). The volume V of a solid is then given by

 

 

b

 

 

 

V f 2 (x)dx.

 

 

 

a

 

Let y = f1(x)

and y = f2(x) be two continuous functions such that

0 f1 (x) f 2 (x)

for x in the interval [a, b]. Let S be the region bounded by

the curves y = f1(x) and y = f2(x) and above [a, b]. The region S is revolved around the x axis to form a solid of revolution. The volume V of a solid is then given by

b

V [ f22 (x) f12 (x)]dx.

a

8.4. Area of a surface of revolution

Let y = f(x) be a continuous function such that f(x) 0 for x in the interval [a, b] and f(x) has a continuous derivative. A formula for surface area

P if y = f(x) ( a x b ) is revolved around x axis is given by

b

P 2 f (x) 1 ( f (x))2 dx.

a

173

If a curve is given by the parametric equations x x(t) and y y(t) ,

where x(t) and y(t) have continuous derivatives and y(t) portion of the curve corresponding to t in [α, β]. Then the of revolution formed by revolving C about the x axis is

0. Let C be that area of the surface

 

2

 

2

 

 

 

dt.

P 2 y(t) (x (t))

 

( y (t))

 

8.5. Work

Work A of variable force F(x), if a point M is traveled from х = а to х = b, а < b, can be calculated by the integral:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A F(x)dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.6. The centroid

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The centroid of a curve l, such that has an equation

y f (x) ,

x [a, b]

is defined as the point (xc, yc), where

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

b

 

 

 

2

 

 

 

 

b

 

b

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

xdl

 

x 1

 

 

dx

 

f (x)dl

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

( f (x))

 

 

 

 

f (x) 1 ( f (x))

 

 

 

x

a

 

a

 

 

 

 

 

 

,

y

a

 

a

 

 

 

 

 

.

 

b

b

 

 

 

 

 

 

b

b

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

2

 

 

 

 

c

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

dl

 

 

 

 

dx

 

dl

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

1 ( f (x))

 

 

 

 

1 ( f (x))

 

 

 

 

 

 

 

a

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

a

 

 

 

 

 

 

 

Consider the area of the region bounded by y f (x) , and the x- axis from

x = a to x = b, as shown in Fig.2.5. The centroid of this region is defined as the point (xc, yc), where

 

 

 

 

 

b

 

 

1

b

 

 

 

 

 

 

 

xf (x)dx

 

 

f 2 (x)dx

 

 

 

 

 

x

 

a

,

y

2

a

.

 

 

 

 

b

 

b

 

 

 

 

c

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)dx

 

 

 

f (x)dx

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

a

 

 

 

 

Typical problems

 

 

 

 

 

 

T8.

 

 

 

 

 

Area

 

 

 

 

 

 

y x 2 3x and the

1. Find the area of the region bounded by the curve

line y = 4.

174

Solution. A sketch of the region is given in Fig.2.14. To determine where the curves intersect we solve the system formed by the equations y x 2 3x

and y = 4. We obtain

y x2 3x

 

x1 1; x2 4;

 

y 4

y1

4; y2

4.

 

 

 

Thus the curve and the line intersect at (-1; 4) and (4; 4). The height is the y-value on the upper line minus the y-value on the lower curve:

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

S [4 (x 2 3x)]dx [4 x 2 3x]dx

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

y

 

 

æ

x

3

 

3

 

 

 

 

ö

 

4

 

 

64

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

ç

 

 

 

 

2

÷

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4x -

 

 

+

 

 

x

 

 

÷

 

 

 

= 16

 

 

24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

 

 

 

 

 

÷

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

ç

3

 

2

 

 

 

 

÷

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ø

 

-1

 

 

 

 

 

 

 

è

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( 4

1

 

3

)

20

5 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 4 x

 

 

 

 

 

 

3

 

 

2

 

 

6

 

 

 

–1

2. Find the area of the region bounded by the

 

 

 

Fig. 2.14

 

 

curve y

x and the lines

y x 2 ,

 

y x

 

( see

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 2.15 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. The line

x 1 is passed through the intersection of the straight

lines y x 2 and

y x ,

 

and is

divids the

region

by

two

parts. Then

S S1 S2 , where

S

is the given region,

S1

 

is the left part and is bounded

by the lines

y x ,

x 1 and the curve

y

 

x , S2

is the right part of S

and is bounded by the lines y x 2 ,

x 1 and

y

x . We have:

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

1

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S1 (

 

 

 

 

 

 

 

2x

 

 

 

 

x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x x)dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

3

2

6

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x

2

 

 

 

 

 

 

 

16

 

 

 

 

 

2

 

1

 

19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S2 ( x x 2)dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x

 

 

 

 

 

 

8

8 (

 

 

 

2)

 

;

3

 

 

 

2

 

 

3

 

3

2

6

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S S1 S2

5 19

4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

175

3.

Find the

area

of the region

bounded

by

the

two parabolas

x y 2

2y 3

and x 5 4 y y 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution.

Transforming

 

the

equations we

get

x 4 ( y 1)2

 

and

(x 9) ( y 2)2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у

х=1

 

у=х–

 

 

 

 

 

у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

В

 

 

х=5+4у–у2

О

 

 

 

2

4

х

 

–4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9 х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

у=–х

 

 

 

 

 

–1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

Fig. 2.15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 2.16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The

region

is sketched

 

in

Fig.

2.16. The curves

intersect

when

y 2 2y 3 5 4y y 2 . Thus y 2

3y 4 0 , or equivalently (y + 1)(y –4)

= 0, from which

y A 1 or

yB 4 . With vertical strips three integrals are

needed to evaluate the area.

Perhaps the use of horizontal strips can simplify our work. So, the total area is given by

4

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S [5 4y y 2

( y 2

2y 3)]dy [8 6y 2 y 2 ]dy

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8y 3y 2

2 y3

 

4

 

32 48 128 ( 8 3

2

)

125 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

1

 

3

 

 

 

3

 

3

 

 

 

 

4. Find the area of the less region bounded by the ellipse x 6 cos t ,

y 4 sin t and the straight line

y 2 3 ( y 2 3 ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. The region is sketched in Fig. 2.17. The given area S is equal to

S 2SMNC 2(SONCD SOMCD ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

At the point N xN 0 , thereby cos t 0

and t N

 

. The point C is the

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

intersection of the line and ellipse, thereby 2

3 4 sin t

, sin t

 

3

, tC

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

3

 

The area of the rectangle OMCD is equal to:

176

 

 

 

SOMCD OM MC 2

3 6 cos

 

 

 

 

6 3 .

 

 

 

 

3

 

Evaluating the area of the region ONCD :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SONCD 3

4 sin td(6 cos t)

243 sin 2

tdt

242 sin 2 tdt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

122

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1 cos 2t)dt 12(t sin 2t )

2

 

12(

 

 

 

 

 

 

3

) 2 3 3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

3

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hence, S 2(2 3 3 6 3)

4 6 3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Find the area of the region bounded by the Bernoulli’s lemniscate

(x2 y 2 )2 x2

y 2 (Fig. 2.18).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Transform the given equation into a corresponding polar

equation. In this case the substitutions

 

x ρcos ,

y ρsin are

appropriated

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

2 (cos2 sin 2

) , thereby

 

cos 2 .

Notice that there is symmetry with respect to the x axis and y axis. Consequently,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

S

4S1

4

2

 

cos 2 d sin 2

1 .

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

N

 

C

 

 

у

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

 

S1

 

A

O

D

 

x

 

 

 

 

 

 

х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.2.17

 

 

 

 

 

Fig. 2.18

 

 

 

6. Find the area of the region bounded by the curves ρ 6 sin 3 and

177

 

π

 

= 3 ( ρ 3 ).

 

 

 

 

 

 

Solution.

The

curve

 

3

 

ρ=3

 

π

ρ 6 sin 3 is called

a three-

B

leaved

rose.

As increa-ses

6

 

 

π

 

 

 

 

 

 

C

 

from 0 up to

3 , 3 increases

 

18

О

A

 

from 0 up to . Thus , which is

 

sin 3 , goes from 0 up to 6, then

 

 

 

 

 

 

ρ=6

 

back to 0, for in [0,

]. This

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

gives one loop of the three loops

 

 

 

making

up

the

graph

of

Fig. 2.19

ρ 6 sin 3 . For 0

in [

 

,

2

],

3

3

 

 

 

 

 

 

ρ 6 sin 3 is negative

(or 0).

This yields the lower loop in Fig. 2.19. For in [ 23 , ], is again positive,

and we obtain the upper left loop. Further choices of lead only to repetition of the loops already shown.

The second function = 3 is the circle. For

ρ 3 the given area S is

shaded in Fig. 2.21 and is equal to S 6S ABCA .

 

 

 

 

 

Finding the polar coordinates of А and

В:

6 sin 3 3 ,

sin 3

1

,

 

 

 

 

2

 

A 18 . There is В on the ray with B 6 .

As is shown the area of S ABCA SOABO SOACO , where ОАСО is a sector that is subtended by a central angle 6 . Evaluating the area of it:

SOACO 12 R 2 12 9 (p6 -18p ) = p2 .

Thereafter

 

 

 

 

 

 

 

SOABO

1

 

6

36 sin 2

3 d 9 6

(1 cos 6 )d 9( sin 6 )

 

6

 

3

3 .

 

2

 

 

 

 

 

6

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

18

 

 

 

 

18

 

18

 

 

 

Hence

178

S 6( 3 43 2 ) 3 9 23 .

Arc length

7. Find the arc length of the curve y =x2 for x in 0,1 .

Solution. By the given formula l b

1 y 2 dx.

a

 

Since y = x2, y 2x. Thus l 1 1 4x2 dx

0

14

8.

 

2x tdt dx

 

 

dt

 

 

 

,

 

 

 

1 arctg 2

 

dt

 

1 arctg 2 sec3 tdt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2cos2 t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

cos3 t

 

 

x 0 t 0; x 1 t arctg 2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

1

sect tg t

 

arctg 2

 

1 arctg 2

 

 

 

tg t 1 tg2 t

 

 

 

arctg 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sectdt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arctg 2 sect sect tg t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

5

 

 

1 arctg 2 sec2 t sect tg t

 

 

2

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

4

 

 

 

 

sect tg t

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

sect tg t

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ln

 

sect tg t

 

arctg 2

 

 

2

5

 

1 ln

 

1 tg2 t

tg t

 

 

 

 

arctg 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

4

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 5

 

1 ln 5 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Find the length of one arch of the cycloid

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x a(t sin t) ,

y a(1 cos t) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Here the parameter is t and we compute xt/ and yt/ :

xt/ a 1 cos t ;yt/ a sin t.

To complete, one arch varies from 0 to 2 (see Fig. 2.20). By given

 

xt/ 2

yt/ 2 d

formula the length of one arch is: l

 

 

 

179

y

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О

 

Fig. 2.20

 

 

a

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hence

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

t

 

 

 

l

 

a 2 (1 cos t)2

a 2 sin 2

tdt a

2 2 cos tdt a

4 sin 2

 

dt

 

 

2

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

t

 

2

 

t

 

 

 

t

 

2 8a .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2a

sin

dt 2a sin

dt 4a cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

2

 

 

2

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Find the arc length of the curve ρ sin (Fig. 2.21).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

Solution. Since 0, then 0 . Hence

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

sin2 cos2 d d .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Remark. It is no surprise that the graph appears to be a

 

 

 

 

 

 

 

 

О

 

x

circle. The equation in rectangular coordinates that

 

 

 

corresponds to the polar equation ρ sin is

 

 

 

Fig. 2.21

 

 

 

x 2 ( y 1/ 2)2 1/ 4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Volume of a solid

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12. Find the volume of the solid bounded by the

 

 

z

 

 

paraboloid

z x

2

 

y 2

and

 

cone

x

2

 

 

y 2

 

z

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

4

 

 

1

(Fig.2.25).

 

 

Solution. There is a region between the paraboloid

 

and cone. The volume V of it is equal to

VVп Vк ,

Оywhere Vn is the volume of the paraboloid between the

xpoint z = 0 and the plane z 1 (they are the roots of the

Fig. 2.25

equation z z 2 ) and Vk is the volume of the cone

 

between them.

180

The perpendicular section to z axis are the ellipses

 

x 2

 

y 2

1

 

z )2

(2 z )2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

(with the paraboloid) and

x 2

 

 

 

y 2

1 (with the cone). As is generally

z 2

 

(2z)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

known the area of ellipse

x 2

 

 

y 2

1

is ab.

 

 

 

 

a 2

 

b2

 

 

 

 

Hence

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

1

 

 

 

V Vп Vк

z 2

zdz z 2zdz 2zdz

2z 2 dz

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

0

 

 

 

z

2

 

1

 

2

z

3

 

1

 

 

.

 

 

 

 

0

3

 

 

0

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13. The region between x 2 y 2

1,

 

y

 

2x 2 and x 0 ( x 0 ) is

revolved around the a) x axis (Fig. 2.26); b) y axis (Fig.2.27). Find the volume of the solids of revolution produced.

y

у

1

1

1 x

1 х

Fig. 2.26

Fig. 2.27

Solution. Evaluating the system

 

2

x

3

x 2

y 2 1,

y

 

 

,

2x 2 ,

 

2

 

 

y

 

16x

 

y

 

0,

 

 

 

 

x

we get x 22 and y 22 . Thereafter

181

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]