Примена одређеног интеграла 3

Одређени интеграл. Примена одређеног интеграла на израчунавање површине. Сложенији примери.

Задаци


Текст задатака објашњених у видео лекцији:

Пр.3)   Израчунај површину ограничену кривама y=x2+4xy = {x^2} + 4x и

            y=x+4y = x + 4.


P:y=x2+4xP:y = {x^2} + 4x

нула: y=0y = 0

x2+4=0{x^2} + 4 = 0

x(x+4)=0x\left( {x + 4} \right) = 0

x=0x+4=0x=−4\begin{array}{cccccccccccccccccccc} \begin{aligned}&x = 0\end{aligned} &{}&\begin{aligned}&x + 4 = 0 \\ &x = - 4\end{aligned} \end{array}

476 png

p:y=x+4p:y = x + 4

нула: y=0y = 0

x+4=0x + 4 = 0

x=−4x = - 4

P∩p:{y=x2+4xy=x+4P \cap p:\left\{ \begin{aligned}&y = {x^2} + 4x \\ &y = x + 4\end{aligned} \right.

x2+4x=x+4{x^2} + 4x = x + 4

x2+3x−4=0{x^2} + 3x - 4 = 0

x1,2=−3±9+162=−3±52{x_{1,2}} = \frac{{ - 3 \pm \sqrt {9 + 16} }}{2} = \frac{{ - 3 \pm 5}}{2}

x1=−4y1=0A(−4;0)x2=1y2=5B(1;5)\begin{array}{cccccccccccccccccccc} \begin{aligned}&{x_1} = - 4 \\ &{y_1} = 0 \\ &A\left( { - 4;0} \right)\end{aligned} &{}&\begin{aligned}&{x_2} = 1 \\ &{y_2} = 5 \\ &B\left( {1;5} \right)\end{aligned} \end{array}

477 png

P=∫−41(x+4)dx−∫01(x2+4x)dx−∫−40(x2+4x)dx=P = \int\limits_{ - 4}^1 {\left( {x + 4} \right)} dx - \int\limits_0^1 {\left( {{x^2} + 4x} \right)} dx - \int\limits_{ - 4}^0 {\left( {{x^2} + 4x} \right)} dx =

=(x22+4x)∣−41−(x33+4x22)∣01−(x33+4x22)∣−40== \left. {\left( {\frac{{{x^2}}}{2} + 4x} \right)} \right|_{ - 4}^1 - \left. {\left( {\frac{{{x^3}}}{3} + 4\frac{{{x^2}}}{2}} \right)} \right|_0^1 - \left. {\left( {\frac{{{x^3}}}{3} + 4\frac{{{x^2}}}{2}} \right)} \right|_{ - 4}^0 =

=12+4−((−4)2+4(−4))−(13+2)−(0−((−4)33+2(−4)2))== \frac{1}{2} + 4 - \left( {\frac{{\left( { - 4} \right)}}{2} + 4\left( { - 4} \right)} \right) - \left( {\frac{1}{3} + 2} \right) - \left( {0 - \left( {\frac{{{{\left( { - 4} \right)}^3}}}{3} + 2{{\left( { - 4} \right)}^2}} \right)} \right) =

=12+4−8+16−13−2−643+32=42+12−653=252+3−1306=1256= \frac{1}{2} + 4 - 8 + 16 - \frac{1}{3} - 2 - \frac{{64}}{3} + 32 = 42 + \frac{1}{2} - \frac{{65}}{3} = \frac{{252 + 3 - 130}}{6} = \frac{{125}}{6}

Кад је део области између две криве испод осе xx, површину не морате делити на делове: P=∫ab(f(x)−g(x)) dxP = \int_a^b (f(x) - g(x))\,dx важи увек кад је ff изнад gg, без обзира на знак самих функција. Положај осе xx не мења растојање између кривих. Ако ипак рачунате део по део, као површине испод појединачних кривих, део испод осе узима се са промењеним знаком и ту се лако погреши. Поступак: решите f(x)=g(x)f(x) = g(x), утврдите која је крива горња, па интегралите разлику од једног пресека до другог.

За параболу и праву резултат проверите обрасцем ∣a∣(x2−x1)36\frac{|a|(x_2 - x_1)^3}{6}, где је aa коефицијент уз x2x^2 у разлици f−gf - g, а x1x_1 и x2x_2 пресеци.

1020304050−3−113570x (m)y (m)теренпут
0,2
Дужина усека
40 m
Површина профила
106,7 m²
Земља за ширину 10 m
1067 m³
Ископ је површина између терена и линије пута, од x=0x = 0 до другог пресека. Део профила испод нултог нивоа не треба посебно рачунати: интеграл разлике f−gf - g сам даје тачну површину.

Грађевински инжењери тако рачунају количину земље коју треба ископати за пут или насути за насип: површину између профила терена и пројектоване линије пута множе ширином пута.

Усек за пут

Нови пут код Чачка пролази кроз брдо. На уздужном профилу терен прати криву y=−0,01x2+0,6x−3y = -0{,}01x^2 + 0{,}6x - 3, а пут праву y=0,2x−3y = 0{,}2x - 3 (у метрима, висине од изабраног нултог нивоа). Колико кубних метара земље треба ископати, ако је усек широк 10 m и има вертикалне стране?

Решење

  1. Пресеци: −0,01x2+0,6x−3=0,2x−3-0{,}01x^2 + 0{,}6x - 3 = 0{,}2x - 3, тј. −0,01x2+0,4x=0-0{,}01x^2 + 0{,}4x = 0, па је x=0x = 0 или x=40x = 40.
  2. Терен је изнад пута (за x=20x = 20: 5>15 > 1), па је P=∫040(−0,01x2+0,4x) dxP = \int_0^{40}(-0{,}01x^2 + 0{,}4x)\,dx, иако је део профила испод нултог нивоа.
  3. P=(−0,01x33+0,2x2)∣040=−6403+320=3203≈106,7P = \left(-\frac{0{,}01x^3}{3} + 0{,}2x^2\right)\Big|_0^{40} = -\frac{640}{3} + 320 = \frac{320}{3} \approx 106{,}7 m².
  4. Запремина за усек ширине 10 m: V≈106,7⋅10≈1067V \approx 106{,}7 \cdot 10 \approx 1067 m³.

Одговор: Треба ископати око 1067 m³ земље.

Задатак за вежбу

Израчунајте површину између кривих y=x2+2x−3y = x^2 + 2x - 3 и y=2x+1y = 2x + 1.

Прикажи решење

Пресеци: x2−4=0x^2 - 4 = 0, x=±2x = \pm 2. Права је изнад параболе, па је P=∫−22(4−x2) dx=323P = \int_{-2}^{2}(4 - x^2)\,dx = \frac{32}{3}, иако је део области испод осе xx.