6.1: Області між кривими
- Page ID
- 61737
- Визначте площу області між двома кривими шляхом інтеграції щодо незалежної змінної.
- Знайдіть площу складеної області.
- Визначте площу області між двома кривими шляхом інтеграції щодо залежної змінної.
У Вступі до інтеграції ми розробили концепцію певного інтеграла для обчислення площі під кривою на заданому інтервалі. У цьому розділі ми розширюємо цю ідею, щоб обчислити площу більш складних регіонів. Ми почнемо з пошуку області між двома кривими, які є функціями\(\displaystyle x\), починаючи з простого випадку, в якому значення однієї функції завжди більше іншого. Потім ми розглянемо випадки, коли графіки функцій перетинаються. В останню чергу ми розглянемо, як обчислити площу між двома кривими, які є функціями\(\displaystyle y\).
Площа області між двома кривими
\(\displaystyle f(x)\)\(\displaystyle g(x)\)Дозволяти і бути безперервні функції протягом інтервалу\(\displaystyle [a,b]\) такі, що\(\displaystyle f(x)≥g(x)\) на\(\displaystyle [a,b]\). Ми хочемо знайти площу між графіками функцій, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\).
Як ми робили раніше, ми збираємося розділити інтервал на осі х і наблизити площу між графіками функцій прямокутниками. Отже, для\(\displaystyle i=0,1,2,…,n\), нехай\(\displaystyle P={x_i}\) буде звичайна перегородка\(\displaystyle [a,b]\). Потім, для\(\displaystyle i=1,2,…,n,\) вибираємо точку\(\displaystyle x^∗_i∈[x_{i−1},x_i]\), і на кожному інтервалі\(\displaystyle [x_{i−1},x_i]\) будуємо прямокутник, який простягається вертикально від\(\displaystyle g(x^∗_i)\) до\(\displaystyle f(x^∗_i)\). \(\PageIndex{2a}\)На малюнку показані прямокутники, коли\(\displaystyle x^∗_i\) вибрано ліву кінцеву точку інтервалу і\(\displaystyle n=10\). \(\PageIndex{2b}\)На малюнку детально зображений представницький прямокутник.
Висота кожного окремого прямокутника дорівнює\(\displaystyle f(x^∗_i)−g(x^∗_i)\) і ширина кожного прямокутника дорівнює\(\displaystyle Δx\). Складаючи області всіх прямокутників, ми бачимо, що площа між кривими наближена
\[\displaystyle A≈\sum_{i=1}^n[f(x^∗_i)−g(x^∗_i)]Δx. \nonumber \]
Це сума Рімана, тому ми беремо ліміт як\(\displaystyle n→∞\) і отримуємо
\[\displaystyle A=\lim_{n→∞}\sum_{i=1}^n[f(x^∗_i)−g(x^∗_i)]Δx=\int ^b_a[f(x)−g(x)]dx. \nonumber \]
Ці висновки узагальнені в наступній теоремі.
\(\displaystyle f(x)\)\(\displaystyle g(x)\)Дозволяти і бути безперервні функції такі, що\(\displaystyle f(x)≥g(x)\) протягом інтервалу [\(\displaystyle a,b]\). Нехай R позначають область, обмежену вище графіком\(\displaystyle f(x)\), нижче графіком\(\displaystyle g(x)\), а зліва і справа лініями\(\displaystyle x=a\) і\(\displaystyle x=b\), відповідно. Потім площа\(\textbf{R}\) задається
\[A=\int ^b_a[f(x)−g(x)]dx. \nonumber \]
Ми застосуємо цю теорему в наступному прикладі.
Якщо\(\textbf{R}\) область обмежена вище графіком функції\(\displaystyle f(x)=x+4\) і нижче графіком функції\(\displaystyle g(x)=3−\dfrac{x}{2}\) за інтервалом\(\displaystyle [1,4]\), знайдіть площу області\(\textbf{R}\).
Рішення
Регіон зображений на наступному малюнку.
У нас є
\[ \begin{align*} A =\int ^b_a[f(x)−g(x)]\,dx \\[4pt] =\int ^4_1[(x+4)−(3−\dfrac{x}{2})]\,dx=\int ^4_1\left[\dfrac{3x}{2}+1\right]\,dx \\[4pt] =[\dfrac{3x^2}{4}+x]\bigg|^4_1=(16−\dfrac{7}{4})=\dfrac{57}{4}. \end{align*}\]
Площа області - це\(\displaystyle \dfrac{57}{4}units^2\).
Якщо\(\textbf{R}\) область обмежена графіками функцій\(\displaystyle f(x)=\dfrac{x}{2}+5\) і\(\displaystyle g(x)=x+\dfrac{1}{2}\) над інтервалом\(\displaystyle [1,5]\), знайдіть площу області\(\textbf{R}\).
- Підказка
-
Графік функцій, щоб визначити графік якої функції утворює верхню межу, а яка утворює нижню межу, а потім виконайте процес, який використовується в Прикладі.
- Відповідь
-
\(\displaystyle 12\)одиниць 2
У прикладі\(\PageIndex{1}\) ми визначили інтервал інтересу як частину постановки задачі. Досить часто, однак, ми хочемо визначити наш інтервал інтересу на основі того, де графіки двох функцій перетинаються. Це проілюстровано на наступному прикладі.
Якщо\(\textbf{R}\) область обмежена вище графіком функції\(\displaystyle f(x)=9−(x/2)^2\) і нижче графіком функції\(\displaystyle g(x)=6−x\), знайдіть область області\(\textbf{R}\).
Рішення
Регіон зображений на наступному малюнку.
Спочатку потрібно обчислити, де перетинаються графіки функцій. Налаштування\(\displaystyle f(x)=g(x),\) отримуємо
\[ \begin{align*} \displaystyle f(x) =g(x) \\[4pt] 9−(\dfrac{x}{2})^2 =6−x\\[4pt] 9−\dfrac{x^2}{4} =6−x\\[4pt] 36−x^2 =24−4x\\[4pt] x^2−4x−12 =0\\[4pt] (x−6)(x+2) =0. \end{align*}\]
Графіки функцій перетинаються, коли\(\displaystyle x=6\) або близько\(\displaystyle x=−2,\) того ми хочемо інтегрувати від\(\displaystyle −2\) до\(\displaystyle 6\). Так як\(\displaystyle f(x)≥g(x)\) за\(\displaystyle −2≤x≤6,\) ми отримуємо
\[\begin{align*} \displaystyle A =\int ^b_a[f(x)−g(x)]\,dx \\ =\int ^6_{−2} \left[9−(\dfrac{x}{2})^2−(6−x)\right]\,dx \\ =\int ^6_{−2}\left[3−\dfrac{x^2}{4}+x\right]\,dx \\ = \left. \left[3x−\dfrac{x^3}{12}+\dfrac{x^2}{2}\right] \right|^6_{−2}=\dfrac{64}{3}. \end{align*}\]
Площа області -\(\displaystyle 64/3\) одиниці 2.
Якщо\(\textbf{R}\) область обмежена вище графіком функції\(\displaystyle f(x)=x\) і нижче графіком функції\(\displaystyle g(x)=x^4\), знайдіть область області\(\textbf{R}\).
- Підказка
-
Скористайтеся процесом з Прикладу\(\PageIndex{2}\).
- Відповідь
-
\(\displaystyle \dfrac{3}{10}\)блок 2
Області складних регіонів
Поки що ми вимагали\(\displaystyle f(x)≥g(x)\) протягом усього інтервалу інтересу, але що робити, якщо ми хочемо подивитися на регіони, обмежені графіками функцій, які перетинають один одного? У цьому випадку ми модифікуємо процес, який ми тільки що розробили, використовуючи функцію абсолютного значення.
\(\displaystyle g(x)\)Дозволяти\(\displaystyle f(x)\) і бути безперервними функціями протягом інтервалу\(\displaystyle [a,b]\). Нехай\(\textbf{R}\) позначають область між графами\(\displaystyle f(x)\) і\(\displaystyle g(x)\), і бути обмежені зліва і справа лініями\(\displaystyle x=a\) і\(\displaystyle x=b\), відповідно. Потім площа\(\textbf{R}\) задається
\[A=\int ^b_a|f(x)−g(x)|dx. \nonumber \]
На практиці застосування цієї теореми вимагає від нас розбити інтервал\(\displaystyle [a,b]\) і оцінити кілька інтегралів, в залежності від того, яке з значень функції більше за задану частину інтервалу. Вивчаємо цей процес на наступному прикладі.
Якщо\(\textbf{R}\) область між графіками функцій\(\displaystyle f(x)=\sin x \) і\(\displaystyle g(x)=\cos x\) над інтервалом\(\displaystyle [0,π]\), знайдіть площу області\(\textbf{R}\).
Рішення
Регіон зображений на наступному малюнку.
Графіки функцій перетинаються в\(\displaystyle x=π/4\). Для\(\displaystyle x∈[0,π/4], \cos x≥\sin x ,\) так\(\displaystyle |f(x)−g(x)|=|\sin x −\cos x|=\cos x−\sin x .\)
З іншого боку, для\(\displaystyle x∈[π/4,π], \sin x ≥\cos x,\) так
\(\displaystyle |f(x)−g(x)|=|\sin x −\cos x|=\sin x −\cos x.\)
Тоді
\[ \begin{align*} A =\int ^b_a|f(x)−g(x)|dx \\[4pt] =\int ^π_0|\sin x −\cos x|dx=\int ^{π/4}_0(\cos x−\sin x )dx+\int ^{π}_{π/4}(\sin x −\cos x)dx \\[4pt] =[\sin x +\cos x]|^{π/4}_0+[−\cos x−\sin x ]|^π_{π/4} \\[4pt] =(\sqrt{2}−1)+(1+\sqrt{2})=2\sqrt{2}. \end{align*}\]
Площа області -\(\displaystyle 2\sqrt{2}\) одиниці 2.
Якщо\(\textbf{R}\) область між графіками функцій\(\displaystyle f(x)=\sin x \) і\(\displaystyle g(x)=\cos x\) над інтервалом\(\displaystyle [π/2,2π]\), знайдіть площу області\(\textbf{R}\).
- Підказка
-
Дві криві перетинаються на\(\displaystyle x=(5π)/4.\)
- Відповідь
-
\(\displaystyle 2+2\sqrt{2}\)одиниць 2
Розглянемо область, зображену на малюнку\(\PageIndex{6}\). Знайдіть площу\(\textbf{R}\).
Рішення
Як і в прикладі\(\PageIndex{3}\), нам потрібно розділити інтервал на дві частини. Графіки функцій перетинаються в\(\displaystyle x=1\) (set\(\displaystyle f(x)=g(x)\) і вирішують для x), тому ми оцінюємо два окремих інтеграла: один через інтервал\(\displaystyle [0,1]\) і один через інтервал\(\displaystyle [1,2]\).
Протягом інтервалу\(\displaystyle [0,1]\) область обмежена вище\(\displaystyle f(x)=x^2\) і нижче по осі х, тому ми маємо
\(\displaystyle A_1=\int ^1_0x^2dx=\dfrac{x^3}{3}∣^1_0=\dfrac{1}{3}.\)
Протягом інтервалу\(\displaystyle [1,2],\) область обмежена вище\(\displaystyle g(x)=2−x\) і нижче по осі х, тому ми маємо
\(\displaystyle A_2=\int ^2_1(2−x)dx=[2x−\dfrac{x^2}{2}]∣^2_1=\dfrac{1}{2}.\)
Склавши ці області воєдино, отримуємо
\(\displaystyle A=A_1+A_2=\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{2}=\dfrac{5}{6}.\)
Площа області -\(\displaystyle 5/6\) одиниці 2.
Розглянемо регіон, зображений на наступному малюнку. Знайдіть площу\(\textbf{R}\).
- Підказка
-
Дві криві перетинаються на x = 1
- Відповідь
-
\(\displaystyle \dfrac{5}{3}\)одиниць 2
Регіони, визначені стосовно y
У\(\PageIndex{4}\) прикладі нам довелося оцінити два окремих інтеграла, щоб обчислити площу області. Однак є й інший підхід, який вимагає тільки одного інтеграла. Що робити, якщо ми розглядаємо криві як функції\(\displaystyle y\), а не як функції\(\displaystyle x\)? Рецензія Малюнок. Зверніть увагу, що лівий графік, показаний червоним кольором, представлений функцією\(\displaystyle y=f(x)=x^2\). Ми могли б так само легко вирішити це для х і представляти криву за допомогою функції\(\displaystyle x=v(y)=\sqrt{y}\). (\(\displaystyle x=−\sqrt{y}\)Зауважте, що також є дійсним представленням функції\(\displaystyle y=f(x)=x^2\) як функції\(\displaystyle y\). Однак, виходячи з графіка, зрозуміло, що нас цікавить позитивний квадратний корінь.) Аналогічно, правий графік представлений функцією\(\displaystyle y=g(x)=2−x\), але може так само легко бути представлений функцією\(\displaystyle x=u(y)=2−y\). Коли графіки представлені у вигляді функцій\(\displaystyle y\), ми бачимо, що область обмежена зліва графіком однієї функції, а праворуч - графіком іншої функції. Тому, якщо ми інтегруємо стосовно\(\displaystyle y\), нам потрібно оцінити лише один інтеграл. Давайте розробимо формулу такого типу інтеграції.
\(\displaystyle v(y)\)Дозволяти\(\displaystyle u(y)\) і бути безперервними функціями протягом інтервалу\(\displaystyle [c,d]\) такий, що\(\displaystyle u(y)≥v(y)\) для всіх\(\displaystyle y∈[c,d]\). Ми хочемо знайти площу між графіками функцій, як показано на малюнку\(\PageIndex{7}\).
Цього разу ми збираємося розділити інтервал на осі y і використовувати горизонтальні прямокутники для наближення площі між функціями. Отже, для\(\displaystyle i=0,1,2,…,n\), нехай\(\displaystyle Q={y_i}\) буде звичайна перегородка\(\displaystyle [c,d]\). Потім, для\(\displaystyle i=1,2,…,n\), вибрати точку\(\displaystyle y^∗_i∈[y_{i−1},y_i]\), потім на кожному інтервалі\(\displaystyle [y_{i−1},y_i]\) побудувати прямокутник, який простягається горизонтально від\(\displaystyle v(y^0∗_i)\) до\(\displaystyle u(y^∗_i)\). \(\PageIndex{8a}\)На малюнку показані прямокутники, коли\(\displaystyle y^∗_i\) вибрано нижню кінцеву точку інтервалу і\(\displaystyle n=10\). \(\PageIndex{8b}\)На малюнку детально зображений представницький прямокутник.
Висота кожного окремого прямокутника дорівнює\(\displaystyle Δy\) і ширина кожного прямокутника дорівнює\(\displaystyle u(y^∗_i)−v(y^∗_i)\). Тому площа між кривими приблизно
\[ A≈\sum_{i=1}^n[u(y^∗_i)−v(y^∗_i)]Δy . \nonumber \]
Це сума Рімана, тому ми приймаємо ліміт як\(\displaystyle n→∞,\) отримання
\[ \begin{align*} A =\lim_{n→∞}\sum_{i=1}^n[u(y^∗_i)−v(y^∗_i)]Δy \\[4pt] =\int ^d_c[u(y)−v(y)]dy. \end{align*}\]
Ці висновки узагальнені в наступній теоремі.
Нехай\(\displaystyle u(y)\) і\(\displaystyle v(y)\) будуть безперервні функції такі, що\(\displaystyle u(y)≥v(y) \) для всіх\(\displaystyle y∈[c,d]\). Нехай\(\textbf{R}\) позначають область, обмежену праворуч графіком\(\displaystyle u(y)\), зліва - графіком\(\displaystyle v(y)\), а вище і нижче лініями\(\displaystyle y=d\) і\(\displaystyle y=c\), відповідно. Потім площа\(\textbf{R}\) задається
\[A=\int ^d_c[u(y)−v(y)]dy. \nonumber \]
Давайте повернемося до Приклад\(\PageIndex{4}\), тільки цього разу давайте інтегруватися по відношенню до\(\displaystyle y\). \(\textbf{R}\)Дозволяти область, зображена на малюнку\(\PageIndex{9}\). Знайти область\(\textbf{R}\) шляхом інтеграції по відношенню до\(\displaystyle y\).
Рішення
Ми повинні спочатку висловити графіки як функції\(\displaystyle y\). Як ми бачили на початку цього розділу, крива зліва може бути представлена функцією\(\displaystyle x=v(y)=\sqrt{y}\), а крива праворуч може бути представлена функцією\(\displaystyle x=u(y)=2−y\).
Тепер нам належить визначити межі інтеграції. Область обмежена нижче віссю x, тому нижня межа інтеграції є\(\displaystyle y=0\). Верхня межа інтеграції визначається точкою, де перетинаються два графіки, яка є точкою\(\displaystyle (1,1)\), тому верхня межа інтеграції є\(\displaystyle y=1\). Таким чином, ми маємо\(\displaystyle [c,d]=[0,1]\).
Розрахувавши площу регіону, отримуємо
\[ \begin{align*} A =\int ^d_c[u(y)−v(y)]dy \\[4pt] =\int ^1_0[(2−y)−\sqrt{y}]dy\\[4pt] =[2y−\dfrac{y^2}{2}−\dfrac{2}{3}y^{3/2}]∣^1_0\\[4pt] =\dfrac{5}{6}. \end{align*}\]
Площа області -\(\displaystyle 5/6\) одиниці 2.
Давайте повернемося до контрольної точки\(\PageIndex{4}\), пов'язаної з Example, тільки цього разу давайте інтегруватися щодо\(\displaystyle y\). \(\textbf{R}\)Дозволяти область, зображена на наступному малюнку. Знайти область\(\textbf{R}\) шляхом інтеграції по відношенню до\(\displaystyle y\).
- Підказка
-
Дотримуйтесь процесу з попереднього прикладу.
- Відповідь
-
\(\displaystyle \dfrac{5}{3}\)одиниць 2
Ключові поняття
- Подібно до того, як певні інтеграли можуть бути використані для пошуку площі під кривою, вони також можуть бути використані для пошуку площі між двома кривими.
- Щоб знайти площу між двома кривими, визначеними функціями, інтегруйте різницю функцій.
- Якщо графіки функцій перетинаються, або якщо область складна, використовують абсолютне значення різниці функцій. У цьому випадку може знадобитися оцінити два або більше інтегралів і додати результати, щоб знайти площу області.
- Іноді це може бути простіше інтегрувати стосовно y, щоб знайти область. Принципи однакові незалежно від того, яка змінна використовується як змінна інтеграції.
Ключові рівняння
- Площа між двома кривими, що інтегруються на осі x
\(\displaystyle A=\int ^b_a[f(x)−g(x)]dx\)
- Площа між двома кривими, що інтегруються на осі y
\(\displaystyle A=\int ^d_c[u(y)−v(y)]dy\)