Obsah rovinného obrazce



Podobné dokumenty
6. a 7. března Úloha 1.1. Vypočtěte obsah obrazce ohraničeného parabolou y = 1 x 2 a osou x.

18. x x 5 dx subst. t = 2 + x x 1 + e2x x subst. t = e x ln 2 x. x ln 2 x dx 34.

II. 5. Aplikace integrálního počtu

11. cvičení z Matematické analýzy 2

26. listopadu a 10.prosince 2016

III.4. Fubiniova (Fubiniho) věta pro trojný integrál

( 5 ) 6 ( ) 6 ( ) Přijímací řízení ak. r. 2010/11 Kompletní znění testových otázek - matematický přehled

Seznámíte se s další aplikací určitého integrálu výpočtem objemu rotačního tělesa.

3. ROVNICE A NEROVNICE Lineární rovnice Kvadratické rovnice Rovnice s absolutní hodnotou Iracionální rovnice 90

FAKULTA STAVEBNÍ MATEMATIKA II MODUL 2 STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

Integrální počet - IV. část (aplikace na určitý vlastní integrál, nevlastní integrál)

je jedna z orientací určena jeho parametrizací. Je to ta, pro kterou je počátečním bodem bod ϕ(a). Im k.b.(c ) ( C ) (C ) Obr Obr. 3.5.

NEKONEČNÉ GEOMETRICKÉ ŘADY

Kapitola 7: Integrál. 1/14

Křivkový integrál prvního druhu verze 1.0

Matematika II: Testy

integrovat. Obecně lze ale říct, že pokud existuje určitý integrál funkce podle různých definic, má pro všechny takové definice stejnou hodnotu.

Při výpočtu obsahu takto omezených rovinných oblastí mohou nastat následující základní případy : , osou x a přímkami. spojitá na intervalu

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) Určitý integrál ZVMT lesnictví 1 / 26

17 Křivky v rovině a prostoru

INTEGRÁLNÍ POČET NEURČITÝ INTEGRÁL,

6. Určitý integrál a jeho výpočet, aplikace

Konzultace z předmětu MATEMATIKA pro první ročník dálkového studia

4.4.2 Kosinová věta. Předpoklady: 4401

x + F F x F (x, f(x)).

15 s. Analytická geometrie lineárních útvarů

a + 1 a = φ 1 + φ 2 ; a je konvenční zraková vzdálenost. Po dosazení zobrazovací rovnice bez brýlí do zobrazovací rovnice s brýlemi platí:

Integrální počet - II. část (určitý integrál a jeho aplikace)

4. cvičení z Matematiky 2

KŘIVKOVÉ INTEGRÁLY. Křivka v prostoru je popsána spojitými funkcemi ϕ, ψ, τ : [a, b] R jako množina bodů {(ϕ(t), ψ(t), τ(t)); t

Integrál a jeho aplikace Tomáš Matoušek

1. rys - Rotační válec V Mongeově promítání sestrojte sdružené průměty rotačního válce, jsou-li dány:

Funkce více proměnných

Seznámíte se s další aplikací určitého integrálu výpočtem délky křivky.

14. cvičení z Matematické analýzy 2

NMAF061, ZS Písemná část zkoušky 25. leden 2018

Kapitola Křivkový integrál 1. druhu Délka oblouku

2.8.5 Lineární nerovnice s parametrem

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ MATEMATIKA 1

Petr Hasil. Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF)

R n výběr reprezentantů. Řekneme, že funkce f je Riemannovsky integrovatelná na

Euklidovský prostor Stručnější verze

Seznámíte se s další aplikací určitého integrálu výpočtem obsahu pláště rotačního tělesa.

ROTAČNÍ KVADRIKY. Definice, základní vlastnosti, tečné roviny a řezy, průsečíky přímky s rotační kvadrikou

14 Kuželosečky v základní poloze

Kapitola I - Množiny bodů daných vlastností I.a Co je množinou všech bodů v rovině, které mají od daných dvou různých bodů stejnou vzdálenost? I.

+ ω y = 0 pohybová rovnice tlumených kmitů. r dr dt. B m. k m. Tlumené kmity

MATEMATIKA II V PŘÍKLADECH

+ c. n x ( ) ( ) f x dx ln f x c ) a. x x. dx = cotgx + c. A x. A x A arctgx + A x A c

13. Soustava lineárních rovnic a matice

PRAVIDELNÉ MNOHOSTĚNY

Komplexní čísla tedy násobíme jako dvojčleny s tím, že použijeme vztah i 2 = 1. = (a 1 + ia 2 )(b 1 ib 2 ) b b2 2.

Obsah rovinného obrazce

MATEMATIKA III. π π π. Program - Dvojný integrál. 1. Vypočtěte dvojrozměrné integrály v obdélníku D: ( ), (, ): 0,1, 0,3, (2 4 ), (, ) : 1,3, 1,1,

VIII. Primitivní funkce a Riemannův integrál

ŠROUBOVÉ SPOJE VÝKLAD

5.2. Určitý integrál Definice a vlastnosti

Zavedeme-li souřadnicový systém {0, x, y, z}, pak můžeme křivku definovat pomocí vektorové funkce.

FAKULTA STAVEBNÍ VUT V BRNĚ PŘIJÍMACÍ ŘÍZENÍ PRO AKADEMICKÝ ROK

M - Logaritmy a věty pro počítání s nimi

Edita Kolářová ÚSTAV MATEMATIKY

1. Kruh, kružnice. Mezi poloměrem a průměrem kružnice platí vztah : d = 2. r. Zapíšeme k ( S ; r ) Čteme kružnice k je určena středem S a poloměrem r.

ŠROUBOVÝ A PROSTOROVÝ POHYB ROTAČNĚ SYMETRICKÉHO TĚLESA

ROVNICE A NEROVNICE S ABSOLUTNÍ HODNOTOU

. Opakovací kurs středoškolské matematiky podzim 2015

DERIVACE A INTEGRÁLY VE FYZICE

Výpočet obsahu rovinného obrazce

4. přednáška 22. října Úplné metrické prostory. Metrický prostor (M, d) je úplný, když každá cauchyovská posloupnost bodů v M konverguje.

Neřešené příklady z analýzy funkcí více proměnných

8. Elementární funkce

Křivkový integrál funkce

Sada 2 - MS Office, Excel

Integrální počet - III. část (určitý vlastní integrál)

(a) = (a) = 0. x (a) > 0 a 2 ( pak funkce má v bodě a ostré lokální maximum, resp. ostré lokální minimum. Pokud je. x 2 (a) 2 y (a) f.

Elektronický učební text pro podporu výuky klasické mechaniky pro posluchače učitelství I. Mechanika hmotného bodu

8.6. Aplikace určitého integrálu ve fyzice Index

10. cvičení z Matematické analýzy 2

Část 3. Literatura : Otakar Maštovský; HYDROMECHANIKA Jaromír Noskijevič, MECHANIKA TEKUTIN František Šob; HYDROMECHANIKA

2.3. DETERMINANTY MATIC

INTEGRACE KOMPLEXNÍ FUNKCE KŘIVKOVÝ INTEGRÁL

NĚKTERÁ POUŽITÍ INTEGRÁLU GEOMETRICKÉ APLIKACE

Matematika II: Pracovní listy Integrální počet funkce jedné reálné proměnné

6. Střídavý proud Sinusových průběh

Šroubový pohyb rovnoměrný pohyb složený z posunutí a rotace. Šroubovice dráha hmotného bodu při šroubovém pohybu

Geometrie pro FST 2. Plzeň, 28. srpna 2013, verze 6.0

NEWTONŮV INTEGRÁL. V předchozích kapitolách byla popsána inverzní operace k derivování. Zatím nebylo jasné, k čemu tento nástroj slouží.

Křivky kolem nás. Webinář. 20. dubna 2016

V předchozích kapitolách byla popsána inverzní operace k derivování. Zatím nebylo jasné, k čemu tento nástroj slouží.

Funkce zadané implicitně

F n = F 1 n 1 + F 2 n 2 + F 3 n 3.

(k 1)x k + 1. pro k 1 a x = 0 pro k = 1.

ZÁKLADY MATEMATIKY SÉRIE: URƒITÝ INTEGRÁL, APLIKACE

2. DVOJROZMĚRNÝ (DVOJNÝ) INTEGRÁL

7.5.8 Středová rovnice elipsy

Kapitola 5. Seznámíme se ze základními vlastnostmi elipsy, hyperboly a paraboly, které

2. Funkční řady Studijní text. V předcházející kapitole jsme uvažovali řady, jejichž členy byla reálná čísla. Nyní se budeme zabývat studiem

KOMPLEXNÍ ČÍSLA INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

je parciální derivace funkce f v bodě a podle druhé proměnné (obvykle říkáme proměnné

Seznámíte se s použitím určitého integrálu při výpočtu hmotnosti, statických momentů, souřadnic těžiště a momentů setrvačnosti.

2002 Katedra obecné elektrotechniky FEI VŠB-TU Ostrava Ing.Stanislav Kocman

Transkript:

Aplikce určitého integrálu V celé této kpitole uvžujme pouze spojité funkce, které mjí přípdně spojité derivce. Užití určitého integrálu v geometrii bsh rovinného obrzce Z definice Riemnnov určitého integrálu vplývá, že obsh zákldního obrzce Z = {[, ] R ;, b, 0 f()} určeného spojitou nezápornou funkcí f definovnou n konečném uzvřeném intervlu, b je roven = f() () P = f() d. Z Poznámk: Pokud je funkce f nekldná n intervlu, b předcházejícím vzorcem určíme obsh oblsti se záporným znménkem. Pokud funkce f střídá n intervlu znménk, předcházejícím vzorcem určíme rozdíl součtu obshů oblstí určených funkcí f ležících nd osou součtu obshů ležících pod osou. Pokud n intervlu, b pltí g() f(), pk obsh oblsti ležící mezi grf funkcí g f je roven = f() b () P = ( f() g() ) d b = g() Je-li f spojitá funkce, která je dán prmetrick rovnicemi = ϕ(t), = ψ(t), t, β, kde funkce ϕ má spojitou derivci, plne ze vzorce () pomocí substituce = ϕ(t), kdž si uvědomíme ψ(t) = = f() = f(ϕ(t)), že obsh zákldního obrzce Z je roven (3) P = β ψ(t)ϕ (t) dt.

Z vět o substituci dále vplývá, že obsh oblsti ohrničené prmetrick zdnou křivkou nezávisí n prmetrizci křivk. Totéž pltí pro všechn dále uvedené vzorce. Nechť ϱ = ϱ(ϕ), kde ϱ je nezáporná spojitá funkce n intervlu, β (β π), je rovnice křivk v polárních souřdnicích. bsh křivočré výseče K, což je oblst omezená polopřímkmi ϕ =, ϕ = β křivkou s polární rovnicí ϱ(ϕ), je roven = ϱ(ϕ) cos ϕ, = ϱ(ϕ) sin ϕ (4) P = β ϱ (ϕ) dϕ β K Příkld: Určete obsh kruhu o poloměru r Rovnice kružnice o polomětu r je + = r, eplicitní vjádření horní polokružnice je f() = = r, r, r, dolní polokružnice je g() = = r, podle vzorce () pltí P = r r = r π [ ] π = r sin ϕ = d = r cos ϕ dϕ π [ + cos ϕ dϕ = r ϕ + ] π sin ϕ = πr. r ( r ) d π = π r cos ϕ r cos ϕ dϕ = Prmetrické vjádření kružnice je = r cos t, = r sin t, t π, π, proto podle vzorce (3) pltí P = π π π r sin t r sin t dt = r π [ ( ( cos t) dt = r t )] π sin t = πr. = π Polární rovnice kružnice je ϱ = r, pro ϕ 0, π, proto její obsh je roven P = π 0 r dϕ = πr. bjem těles Nechť těleso leží mezi rovinmi = = b P () znčí obsh řezu těles rovinou kolmou k ose, která prochází bodem. Pk objem těles je roven (5) V = P () d.

bjem rotčního těles, které vznikne rotcí grfu funkce = f(),, b, kolem os je roven (6) V = π f () d. dvození vzorce spočívá v tom, že n elementu i dělení intervlu, b nhrdíme těleso válcem s výškou i poloměrem f(ξ i ), kde ξ i i. bjem tohoto válce je roven πf (ξ i ) i, objem těles je roven součtu objemů těchto válců limitním přechodem pro normu dělení konvergující k nule dostneme poždovný vzorec. Příkld: Určete objem koule o poloměru r. Tto koule vznikne rotcí grfu polokružnice s rovnicí = r, r, r, kolem os, proto její objem je dle vzorce (6) roven r [ V = π r d = π r ] r r 3 3 = π(r 3 = r 3 r3 ) = 4 3 πr3. Délk křivk Nechť je v rovině dán jednoduchá křivk l prmetrickými rovnicemi = ϕ(t), = ψ(t), t, β. Nechť X i, i =,,..., n, jsou bod, které leží z sebou n této křivce, přičemž X 0 je počátek X n konec křivk. Z názoru je ptrné, že při dosti jemném dělení bude lomená čár X 0 X... X n dobře proimovt křivku l, proto má smsl definice X n X 0 X X Definice Nechť D je libovolné dělení intervlu, β, D = = t 0 < t <... < t n = β, nechť X i = ( ϕ(t i ), ψ(t i ) ) ( tj. bod, ve kterém se ocitne křivk v čse t ), potom délkou křivk l rozumíme supremum délek lomených čr X 0 X... X n počítné přes všechn možná dělení D intervlu, β. Délk elementu X i X i lomené čár je rovn s i = +, kde = ϕ(t i ) ϕ(t i ), = ψ(t i ) ψ(t i ). 3

Podle vět o střední hodnotě eistují tková čísl τ i, ϑ i i, že = ϕ (τ i ) t i, = ψ (ϑ i ) t i, tj. s i = ϕ (τ i ) + ψ (ϑ i ) t i. Bude-li délk elementu t i dosttečně mlá, je ψ (ϑ i ) ψ (τ i ), protože podle předpokldu v úvodu je ψ spojitá funkce (přesný odhd viz Brbec, Mrtn, Rozenský: Mtemtická nlýz I), proto s i ϕ (τ i ) + ψ (τ i ) t i, délk lomené čár X 0 X... X n je rovn n s i i= n i= ϕ (τ i ) + ψ (τ i ) t i. N prvé strně rovnice se nchází integrální součet σ(f, D) příslušný funkci f(t) = = ϕ (t) + ψ (t), dělení D výběru bodů τ i i. Bude-li proto norm dělení D konvergovt k nule, bude prvá strn konvergovt k číslu (7) s = β ϕ (t) + ψ (t) dt, levá strn k délce křivk. bdobným způsobem určíme délku prostorové křivk zdné prmetrick rovnicemi = ϕ(t), = ψ(t), z = ζ(t), t, β jko (8) s = β ϕ (t) + ψ (t) + ζ (t) dt. Délk grfu funkce = f(),, b, (tj. délk křivk zdné eplicitně rovnicí = f()) je rovn (9) s = + f () d, protože tto křivk má prmetrizci =, = f(),, b. Délk křivk, jejíž rovnice v polárních souřdnicích je ϱ = ϱ(ϕ), ϕ, β, je rovn (0) s = β ϱ (ϕ) + ϱ (ϕ) dϕ. Příkld: Určete délku kružnice o poloměru r Prmetrické vjádření kružnice je = r cos t, = r sin t, t π, π, proto podle vzorce (7) pltí s = π π ( r sin t) + (r cos t) dt = r π 4 π dt = πr.

Délk kružnice je součtem stejných délek horní dolní půlkružnice, přitom eplicitní rovnice horní půlkružnice je f() = r, r, r, proto podle vzorce (9) pltí r ( ) r s = + d = r r r r d = πr, r po substituci = r sin ϕ. Polární rovnice kružnice je ϱ = r, pro ϕ 0, π, proto její délk je rovn podle vzorce (0) π s = r + 0 dϕ = πr. 0 Povrch rotční ploch Nechť ploch vznikne rotcí grfu funkce = f(),, b, kolem os. Nhrďme n elementu i povrch těles pláštěm komolého kužele s poloměr podstv f( i ), f( i ). Povrch tohoto pláště je roven π(f( i ) + f( i )) s i, kde s i je délk hrn komolého kužele. Stejnými úvhmi jko pro délku křivk zjistíme, že povrch rotčního těles je roven () S = π f() + f () d Povrch rotční ploch vzniklé rotcí křivk s prmetrickými rovnicemi = ϕ(t), = ψ(t), t, β je β () S = π ψ(t) ϕ (t) + ψ (t) dt. Příkld: Smi dokžte, že povrch koule je roven 4πr. Technické křivk Uvedeme si příkld některých křivek, které se čsto vsktují ve výpočtech pomocí Riemnnov určitého integrálu. Kuželosečk v tomto přehledu neuvádíme. Řetězovku tvoří nepružná nit (řetěz) zvěšený ve dvou bodech je to grf funkce = ch, kde > 0, 5

Kotálnice Při kotálení křivk h (tzv. tvořící křivk nebo hbné polodie) bez skluzu po pevné křivce p (tzv. zákldní křivce nebo pevné polodii) opíše kždý bod rovin křivku, kterou nzýváme kotálnice. Důležité jsou přípd, kd hbná polodie je kružnice pevná polodie přímk nebo kružnice. Ckloid Jestliže se kružnice h o poloměru kotálí po přímce p, pk kždý (vnější, vnitřní) bod kružnice h (vzdálený o r od středu kružnice h) pevně spojený s touto kružnicí vtváří tzv. prostou (prodlouženou, zkrácenou) ckloidu. Prostá ckloid má prmetrické rovnice = (t sin t), = ( cos t), jednu větev dostneme pro t 0, π. Pltí ds = sin t dt. Prodloužená (zkrácená) ckloid má prmetrické rovnice: Pltí ds = + r r cos t dt. = t r sin t, = r cos t. prodloužená ckloid prostá ckloid zkrácená ckloid Ventilek jízdního kol se pohbuje po zkrácené ckloidě, bod n obvodu pláště jízdního kol po prosté ckloidě. Epickloid hpockloid Jestliže se kružnice h o poloměru kotálí po vnějším resp. vnitřním obvodu kružnice p o poloměru A, pk kždý (vnější, vnitřní) bod kružnice h (vzdálený o r od středu kružnice h) pevně spojený s touto kružnicí vtváří tzv. prostou (prodlouženou, zkrácenou) epickloidu resp. hpockloidu. Prmetrické rovnice prosté epickloid hpockloid = (A ± ) cos t cos A ± t, = (A ± ) sin t sin A ± t. Asteroid, zvná též stroid ptří mezi kotálnice, steroidu opisuje kždý bod kružnice o poloměru, která se bez smku kotálí zevnitř po kružnici o poloměru 4. Je to ted prostá hpockloid, kde A = 4. Prmetrické rovnice Pltí ds = 3A sin t cos t dt. = A cos 3 t, = A sin 3 t, t 0, π. 6

Krdioid Asteroid Krdioid ptří mezi kotálnice; krdioidu opisuje kždý bod kružnice o poloměru, která se bez smku kotálí vně po kružnici o poloměru. Je to ted prostá epickloid, kde A =. Rovnice v polární soustvě ϱ = ( + cos ϕ), ϕ 0, π. Pltí ds = 4 cos ϕ dϕ. Evolventu kružnice řdíme mezi kotálnice (kde h je přímk p je kružnice) i mezi spirál. Jko kždá evolvent křivk vznikne tk, že počínje počátečním bodem nnášíme n tečnu délku oblouku mezi počátečním bodem bodem dotku tečn s křivkou. (Evolventu kružnice ted vtváří konec npjté niti odmotávné z kruhové cívk.) Prmetrické rovnice jsou = (t sin t + cos t), = (sin t t cos t). Pltí ds = t dt. Spirál Archimédov spirál je spirál s konstntní šířkou jednotlivých závitů. Je vtvořen rovnoměrným pohbem bodu po průvodiči, který se rovnoměrně otáčí kolem pólu. Rovnice v polární soustvě je ϱ = ϕ. Pltí ds = + ϕ dϕ. Logritmická spirál. Rovnice v polární soustvě je ϱ = e mϕ. 7

Vsktuje se npř. v kresbě ulit plžů. Pltí ds = + m e mϕ dϕ. Lemniskát je množin bodů které mjí od dvou dných pevných bodů stálý součin vzdáleností. Rovnice v implicitním tvru je v polární soustvě souřdnic je ( + ) = ( ), ϱ = cos ϕ. Délku nelze vjádřit užitím elementárních funkcí. Bernoulliov leminiskát Šroubovice je příkldem prostorové křivk. Šroubovice leží n válcové ploše + + =, rozvinutím válcové ploch přejde kždý závit šroubovice v úsečku. Prmetrické rovnice: Pltí ds = + c dt. = cos t, = sin t, z = ct, jeden závit pro t 0, π. Užití určitého integrálu ve fzice Hmotnost rovinné desk Mějme spojitou kldnou funkci f uvžujme rovinnou desku tvru zákldního obrzce, b. Nechť σ je plošná hustot mteriálu. Je-li desk homogenní (σ = konst.), je hmotnost desk rovn (3) m = σ f() d Je-li hustot pouze funkcí proměnné (σ = σ()), pk hmotnost desk je (4) m = σ()f() d Těžiště rovinné desk 8

Předpokládejme, že desk tvru zákldního obrzce určeného kldnou funkcí f n intervlu, b má konstntní plošnou hustotu σ. Z fzik je známo, že sttické moment S, S hmotného bodu v rovině o souřdnicích (, ) hmotnosti m vzhledem k osám jsou definován vzth S = m, S = m. Sttické moment konečné soustv hmotných bodů jsou rovn součtu sttických momentů jednotlivých bodů vzhledem k odpovídjícím osám. Jko těžiště neboli hmotný střed soustv hmotných bodů definujeme bod T o souřdnicích (ζ, η) hmotnosti rovné hmotnosti soustv, jehož sttické moment vzhledem k osám jsou rovn sttickým momentům celé soustv vzhledem k těmto osám. dtud plne, ζ = S m, η = S m, kde S S jsou sttické moment soustv m hmotnost soustv. Nechť D je dělení intervlu, b. Uvžujme element i tohoto dělení jemu příslušnou desku Z i tvru zákldního obrzce. znčme ξ i střed elementu i, ξ i = = i + i. Desku Z i můžeme přibližně nhrdit ( obdélníkem ) o výšce f(ξ i ) šířce i. Těžiště tohoto obdélník má souřdnice ξ i, f(ξ i), jeho hmotnost je σ i f(ξ i ). Jeho = f() Z i i ξ i sttický moment vzhledem k ose je ted roven i b S i = σ i f(ξ i ) f(ξ i) = σf (ξ i ) i. Součet sttických momentů všech desek Z i vzhledem k ose je integrální součet funkce σf (), proto pro normu dělení D konvergující k nule konverguje k sttickému momentu S celé desk, což je dále uvedený integrál S = σ f () d. Podobně sttický moment obdélník vzhledem k ose je roven S i = σ i f(ξ i )ξ i = σξ i f(ξ i ) i. Jko před chvílí zjistíme, že sttický moment S celé desk je roven S = σ f() d. 9

Proto souřdnice těžiště rovinné desk tvru zákldního obrzce jsou rovn (5) ζ = b f() d f() d, η = f () d f() d Souřdnice těžiště desk ležící mezi grf funkcí g() f() pro, b jsou rovn (6) ζ = (f() g()) d (f() g()) d, η = ( f () g () ) d (f() g()) d Podobně jko u vzorce (3) můžeme určit sttické moment těžiště křivk zdné prmetrick. (Proveďte) Hmotnost křivk Rovinná homogenní dná prmetrick rovnicemi = ϕ(t), = ψ(t), t, β, s konstntní délkovou hustotou σ má hmotnost β (7) m = σ ϕ (t) + ψ (t) dt. Těžiště křivk Podobně jko v oddíle těžiště desk můžeme zjistit sttické moment křivk vzhledem k osám β S = σ ψ(t) ϕ (t) + ψ (t) dt, Proto souřdnice těžiště křivk jsou rovn β S = σ ϕ(t) ϕ (t) + ψ (t) dt. (8) ζ = S m, η = S m. Jk vpdjí předcházející vzorce pro křivku zdnou eplicitně? 0