Высшая математика – просто и доступно!

Вы находитесь на зеркале сайта mathprofi.ru

Наш форум, библиотека и блог: mathprofi.com

Высшая математика:

Математика для заочников

Математические формулы,
таблицы и другие материалы

Книги по математике

Математические сайты

+-*/^ Удобный калькулятор

+ «Дробовик»   

Учимся решать:

  Карта сайта

Не нашлось нужной задачи?
Сборники готовых решений!

Не получается пример?
Задайте вопрос на форуме!
>>> mathprofi

Обратная связь:

Часто задаваемые вопросы
Гостевая книга Отблагодарить автора >>>

Заметили опечатку / ошибку?
Пожалуйста, сообщите мне об этом

Карта сайта

---

Как вычислить площадь поверхности вращения?

Рад приветствовать вас на «окраине» темы, где мы разберём ещё одно, более редкое приложение определённого интеграла – нахождение площади поверхности вращения. Предполагаю, что здесь собрались люди, знающие толк в интегралах, поэтому сразу перейду к основным понятиям и практическим примерам.

Посмотрим на лаконичную картинку

и вспомним: что можно вычислить с помощью определённого интеграла?

В первую очередь, конечно, площадь криволинейной трапеции. Знакомо со школьных времён.

Если же данная фигура вращается вокруг координатной оси, то речь уже идёт о нахождении объёма тела вращения. Тоже просто.

Что ещё? Не так давно была рассмотрена задача о длине дуги кривой .

И сегодня мы научимся рассчитывать ещё одну характеристику – ещё одну площадь. Представьте, что линия  вращается вокруг оси . В результате этого действия получается геометрическая фигура, называемая поверхностью вращения. В данном случае она напоминает такой горшок без дна. И без крышки. Как бы сказал ослик Иа-Иа, душераздирающее зрелище =)

Чтобы исключить двусмысленную трактовку, сделаю занудное, но важное уточнение:

с геометрической точки зрения наш «горшок» имеет бесконечно тонкую стенку и две поверхности с одинаковыми площадями – внешнюю и внутреннюю. Так вот, все дальнейшие выкладки подразумевают площадь только внешней поверхности.

В прямоугольной системе координат площадь поверхности вращения рассчитывается по формуле:

  или, если компактнее: .

К функции и её производной предъявляются те же требования, что и при нахождении длины дуги кривой, но, кроме того, кривая  должна располагаться выше оси . Это существенно! Нетрудно понять, что если линия располагается под осью , то подынтегральная функция будет отрицательной: , и поэтому к формуле придётся добавить знак «минус» дабы сохранить геометрический смысл задачи.

Рассмотрим незаслуженно обойденную вниманием фигуру:

Площадь поверхности тора

В двух словах, тор – это бублик. Хрестоматийный пример, рассматриваемый практически во всех учебниках по матану, посвящён нахождению объёма тора, и поэтому в целях разнообразия я разберу более редкую задачу о площади его поверхности. Сначала с конкретными числовыми значениями:

Пример 1

Вычислить площадь поверхности тора, полученного вращением окружности  вокруг оси .

Решение: как вы знаете, уравнение  задаёт окружность единичного радиуса с центром в точке . При этом легко получить две функции:

 – задаёт верхнюю полуокружность;
 – задаёт нижнюю полуокружность:

Ответ:

Задачу можно было решить в общем виде – вычислить площадь поверхности тора, полученного вращением окружности  вокруг оси абсцисс, и получить ответ . Однако для наглядности и бОльшей простоты я провёл решение на конкретных числах.

Если вам необходимо рассчитать объём самого бублика, пожалуйста, обратитесь к учебнику, в качестве экспресс-справки:

Что только мы не делали с параболой за годы обучения, поэтому было бы большим упущением не покрутить её в своё удовольствие:

Пример 2

Вычислить площадь поверхности тела, полученного вращением параболы  вокруг оси  на промежутке .

Здесь нужно рассмотреть верхнюю ветвь и действовать по стандартному алгоритму. Сама поверхность вращения, как многие представили, напоминает «кружку с яйцевидным дном», что кармически намного лучше дырявого горшка =)

Краткое решение и ответ в конце урока.

Чертёж в рассматриваемом типе задач не обязателен (кроме затейливых примеров), но всегда полезно хотя бы иметь представление о поверхности вращения.

Площадь поверхности вращения при параметрически заданной линии

Если кривая  задана параметрическими уравнениями , то площадь поверхности, полученной вращением данной кривой вокруг оси , рассчитывается по формуле . При этом «направление прорисовки» линии, о которое было сломано столько копий в статье Площадь и объем, если линия задана параметрически, безразлично. Но, как и в предыдущем пункте, важно чтобы кривая располагалась выше оси абсцисс – в противном случае функция , «отвечающая за игреки», будет принимать отрицательные значения и перед интегралом придётся поставить знак «минус».

Пример 3

Вычислить площадь сферы, полученной вращением окружности  вокруг оси .

Решение: из материалов статьи о площади и объемё при параметрически заданной линии вы знаете, что уравнения  задают окружность с центром в начале координат радиуса 3.

 Ну а сфера, для тех, кто забыл, – это поверхность шара (или шаровая поверхность).

Придерживаемся наработанной схемы решения. Найдём производные:

Составим и упростим «формульный» корень:

Что и говорить, получилась конфетка. Ознакомьтесь для сравнения, как Фихтенгольц бодался с площадью эллипсоида вращения.

Согласно теоретической ремарке, рассматриваем верхнюю полуокружность. Она «прорисовывается» при изменении значения параметра в пределах   (легко видеть, что  на данном промежутке), таким образом:

Ответ:

Если решить задачу в общем виде, то получится в точности школьная формула площади сферы , где  – её радиус.

Что-то больно простая задачка, даже стыдно стало…. предлагаю вам исправить такую недоработку =)

Пример 4

Вычислить площадь поверхности, полученной вращением первой арки циклоиды  вокруг оси .

Задание креативное. Постарайтесь вывести или интуитивно догадаться о формуле вычисления площади поверхности, полученной вращением кривой вокруг оси ординат. И, конечно, снова следует отметить преимущество параметрических уравнений – их не нужно как-то видоизменять; не нужно заморачиваться с нахождением других пределов интегрирования.

График циклоиды можно посмотреть на странице Площадь и объем, если линия задана параметрически. Поверхность вращения будет напоминать… даже не знаю с чем сравнить… что-то неземное – округлой формы с остроконечным углублением посередине. Вот для случая вращения циклоиды вокруг оси  ассоциация в голову мгновенно пришла – продолговатый мяч для игры в регби.

Решение и ответ в конце урока.

Завершаем наш увлекательный обзор случаем полярных координат. Да, именно обзор, если вы заглянете в учебники по математическому анализу (Фихтенгольца, Бохана, Пискунова, др. авторов), то сможете раздобыть добрый десяток (а то и заметно больше) стандартных примеров, среди которых вполне возможно найдётся нужная вам задача.

Как вычислить площадь поверхности вращения,
если линия задана в полярной системе координат?

Если кривая задана в полярных координатах уравнением , и функция   имеет непрерывную производную  на данном промежутке, то площадь поверхности, полученной вращением данной кривой вокруг полярной оси, рассчитывается по формуле , где  – угловые значения, соответствующие концам кривой.

В соответствии с геометрическим смыслом задачи подынтегральная функция , а это достигается только при условии  ( и  заведомо неотрицательны). Следовательно, необходимо рассматривать значения угла из диапазона , иными словами кривая должна располагаться выше полярной оси и её продолжения. Как видите, та же история, что и в двух предыдущих параграфах.

Пример 5

Вычислить площадь поверхности, образованной вращением кардиоиды  вокруг полярной оси.

Решение: график данной кривой можно посмотреть в Примере 6 урока о полярной системе координат. Кардиоида симметрична относительно полярной оси, поэтому рассматриваем её верхнюю половинку на промежутке  (что, собственно, обусловлено и вышесказанным замечанием).

Поверхность вращения будет напоминать яблочко.

Техника решения стандартна. Найдём производную по «фи»:

Составим и упростим корень:

Надеюсь, с заштатными тригонометрическими формулами ни у кого не возникло затруднений.

Используем формулу:

На промежутке , следовательно:  (о том, как правильно избавляться от корня, я подробно рассказал в статье Длина дуги кривой).

Ответ:

Интересное и короткое задание для самостоятельного решения:

Пример 6

Вычислить площадь шарового пояса ,

Что такое шаровой пояс? Положите на стол круглый неочищенный апельсин и возьмите в руки нож. Сделайте два параллельных разреза, разделив тем самым фрукт на 3 части произвольных размеров. Теперь возьмите серединку, у которой сочная мякоть обнажилась с обеих сторон. Данное тело называется шаровым слоем, а ограничивающая её поверхность (оранжевая кожура) – шаровым поясом.

Читатели, хорошо знакомые с полярными координатами, легко представили чертёж задачи: уравнение  задаёт окружность с центром в полюсе радиуса , от которой лучи  отсекают меньшую дугу. Данная дуга вращается вокруг полярной оси и таким образом получается шаровой пояс.

Теперь можно с чистой совестью и лёгким сердцем съесть апельсинку, на этой вкусной ноте и завершим занятие, не портить же вам аппетит другими примерами =)

Решения и ответы:

Автор: Емелин Александр

Высшая математика для заочников и не только >>>

(Переход на главную страницу)

Как можно отблагодарить автора?

Zaochnik.com – профессиональная помощь студентам,

cкидкa 15% на первый зaкaз, при оформлении введите прoмoкoд: 5530-hihi5

© Copyright  Александр Емелин, mathprofi.ru, 2010-2024, сделано в Блокноте