Примена одређеног интеграла 4

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

Задаци


Текст задатака објашњених у видео лекцији:

Пр.4)   Израчунај површину између криве y=2x2y = 2{x^2}, праве x=0x = 0

            и тангенте дате криве у тачки A(2,y0)A\left( {2,{y_0}} \right).


y=2x2y = 2{x^2}

x = 0x{\text{ }} = {\text{ }}0

A(2,y0)A\left( {2,{y_0}} \right)

A∈P:y0=2⋅22A \in P:{y_0} = 2 \cdot {2^2}

y0=8{y_0} = 8

A(2;8)A\left( {2;8} \right)

t:y−y0=k(x−x0)t:y - {y_0} = k\left( {x - {x_0}} \right)

k=f′(x0)k = f'\left( {{x_0}} \right)

y′=2⋅2xy' = 2 \cdot 2x

y′=4xy' = 4x

y′(2)=4⋅2y'\left( 2 \right) = 4 \cdot 2

y′(2)=8y'\left( 2 \right) = 8

t:y−8=8(x−2)t:y - 8 = 8\left( {x - 2} \right)

t:y=8x−16+8t:y = 8x - 16 + 8

t:y=8x−8t:y = 8x - 8

P:y=2x2P:y = 2{x^2}

y=0;x=0y = 0;x = 0

478 png

x=0x = 0

479 png

t:y=8x−8t:y = 8x - 8

y=08x−8=0x=1\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {y = 0}&{}&\begin{aligned}&8x - 8 = 0 \\ &x = 1\end{aligned} \end{array}

480 png

481 png

P=∫022x2dx−∫12(8x−8)dx−∫01(8x−8)dx=∫022x2dx−(∫02(8x−8)dx)=P = \int\limits_0^2 {2{x^2}dx - \int\limits_1^2 {\left( {8x - 8} \right)dx - \int\limits_0^1 {\left( {8x - 8} \right)dx = } } } \int\limits_0^2 {2{x^2}dx} - \left( {\int\limits_0^2 {\left( {8x - 8} \right)dx} } \right) =

=∫02(2x2−8x+8)dx=(2x33−8x22+8x)∣02=23⋅8−4⋅22+8⋅2−0== \int\limits_0^2 {\left( {2{x^2} - 8x + 8} \right)dx} = \left. {\left( {2\frac{{{x^3}}}{3} - 8\frac{{{x^2}}}{2} + 8x} \right)} \right|_0^2 = \frac{2}{3} \cdot 8 - 4 \cdot {2^2} + 8 \cdot 2 - 0 =

=163−16+16=163= \frac{{16}}{3} - 16 + 16 = \frac{{16}}{3}

Тангента криве y=f(x)y = f(x) у тачки A(x0,y0)A(x_0, y_0) има једначину y−y0=f′(x0)(x−x0)y - y_0 = f'(x_0)(x - x_0), па прво нађите y0=f(x0)y_0 = f(x_0) и нагиб f′(x0)f'(x_0). Површина између криве, тангенте и праве x=0x = 0 је P=∫0x0(f(x)−t(x)) dxP = \int_0^{x_0}(f(x) - t(x))\,dx, ако је крива изнад тангенте, као што је код параболе отворене навише. Интеграл не морате делити на делове где је тангента изнад или испод осе xx, јер се интеграли разлика функција. За f(x)=ax2f(x) = ax^2 резултат је увек ax033\frac{ax_0^3}{3}, што је добра провера.

Најчешће грешке су погрешан нагиб, на пример f(x0)f(x_0) уместо f′(x0)f'(x_0), и границе узете из нуле тангенте уместо x=0x = 0 и x=x0x = x_0.

−70−40−10205080−1,5−0,50,51,52,53,50x (m)y (m)параболакосине
60 m
Површина са једне стране
24 m²
0,02 · L² / 3
24 m²
Насип за ширину 7 m
336 m³
Испрекидане косине од 4% и парабола y=0,02x2Ly = \frac{0{,}02x^2}{L} додирују се у x=±Lx = \pm L. Зелена површина је насип: са сваке стране 0,02L23\frac{0{,}02L^2}{3}, па дупло дуже заобљење тражи четири пута више земље. Висине су на слици увећане.

Пројектанти путева и пруга оштар прелом нивелете замењују параболом која додирује обе косине; површина између параболе и тангенти даје количину земље коју треба насути или ископати.

Заобљење пута у удолини

Пут се спушта нагибом од 4% и затим пење истим нагибом. Пројектант оштар прелом на дну удолине замењује параболом y=x23000y = \frac{x^2}{3000} (у метрима, теме у најнижој тачки пута), која у x=±60x = \pm 60 m додирује обе косине. Колико насипа треба, ако је пут широк 7 m?

Решење

  1. Тангента у x0=60x_0 = 60: y0=36003000=1,2y_0 = \frac{3600}{3000} = 1{,}2 и y′(60)=2⋅603000=0,04y'(60) = \frac{2 \cdot 60}{3000} = 0{,}04, па је t:y=0,04x−1,2t: y = 0{,}04x - 1{,}2; то је баш косина од 4%.
  2. Између x=0x = 0 и x=60x = 60 парабола је изнад тангенте, па је површина са једне стране P1=∫060(x23000−0,04x+1,2)dxP_1 = \int_0^{60}\left(\frac{x^2}{3000} - 0{,}04x + 1{,}2\right)dx.
  3. P1=(x39000−0,02x2+1,2x)∣060=24−72+72=24P_1 = \left(\frac{x^3}{9000} - 0{,}02x^2 + 1{,}2x\right)\Big|_0^{60} = 24 - 72 + 72 = 24 m².
  4. Због симетрије обе стране дају 48 m², а за пут ширине 7 m треба 48⋅7=33648 \cdot 7 = 336 m³ насипа.

Одговор: За заобљење удолине треба око 336 m³ насипа.

Задатак за вежбу

Израчунајте површину између параболе y=x2y = x^2, њене тангенте у тачки A(3,9)A(3, 9) и осе yy.

Прикажи решење

Тангента је y=6x−9y = 6x - 9, па је P=∫03(x2−6x+9) dx=∫03(x−3)2 dx=9P = \int_0^3 (x^2 - 6x + 9)\,dx = \int_0^3 (x - 3)^2\,dx = 9.