.. Ojem rotčního těles Cíle Seznámíte se s dlší plikcí určitého integrálu výpočtem ojemu rotčního těles. Předpokládné znlosti Předpokládáme, že jste si prostudovli zvedení pojmu určitý integrál (kpitol.). Dále předpokládáme, že znáte zákldní metody výpočtu určitého integrálu. Výkld Uvžujme křivočrý lichoěžník ohrničený shor grfem nezáporné funkce f ( x ), přímkmi x =, x = osou x. Rotcí tohoto křivočrého lichoěžník kolem osy x vznikne rotční těleso. Nším cílem ude vypočítt ojem tohoto těles. Or.... Rotce křivočrého lichoěžník Budeme postupovt nlogicky jko při zvedení Riemnnov určitého integrálu (kp..). Řezy kolmými n osu x rozdělíme rotční těleso n n tenkých plátků tloušťky Δ x (můžete si předstvit, že těleso krájíte n kráječi jko šunku). Or.... Rozřezání těles n tenké plátky - 69 -
Kždý plátek můžeme proximovt válečkem, jehož podstvou je kruh o poloměru f ( ξ i ) s výškou Δ xi (or...). Ojem i - tého válečku ude Δ Vi = f ( ξi ) Δ xi. Ojem celého těles ude přiližně roven součtu ojemů jednotlivých plátků (válečků): n n i ( ξi) xi i= i= V Δ V = f Δ. Čím ude dělení intervlu <, > jemnější, tím méně se ude součet ojemů plátků n ΔV i= i lišit od ojemu dného těles. Proto ojem definujeme jko limitu tohoto součtu pro n, když zároveň všechny délky Δ. Kldeme V = f ( x ) dx. Vět... x i Nechť je funkce f ( x ) spojitá nezáporná n intervlu <, >. Pk rotční těleso, které vznikne rotcí křivočrého lichoěžník ohrničeného shor funkcí f ( x ), osou x přímkmi x =, x = kolem osy x, má ojem V = f ( x ) dx. Grf nezáporné funkce y = f( x) může ýt popsán prmetrickými rovnicemi x = ϕ() t, y = ψ () t, t < α, β >. Je-li funkce x = ϕ( t) ryze monotonní n intervlu < α, β >, pk k ní existuje inverzní funkce t ϕ ( ) = x. Rovnici křivky můžeme proto psát ve tvru y = ψϕ ( ( x)) = f( x). Uvžovné rotční těleso ude mít ojem V = f ( x) dx= ψ ( ϕ ( x)) dx. Odtud sustitucí x = ϕ() t, ze které plyne dx = ϕ () t dt, dostneme β V = ψ () t ϕ () t dt. α - 7 -
Vět... Nechť funkce f je dán prmetrickými rovnicemi x = ϕ( t), y = ψ ( t), t < α, β >, přičemž funkce ϕ( t) má spojitou derivci n intervlu < α, β > funkce ψ ( t) je spojitá nezáporná n intervlu < α, β >. Pk pro ojem rotčního těles, které vznikne rotcí elementární olsti ϕ( α) x ϕ( β ), y ψ ( t), kolem osy x, pltí β V = ψ () t ϕ () t dt. α Řešené úlohy Příkld... Ověřte vzorec pro výpočet ojemu kuželu s poloměrem podstvy r výškou v. Řešení: Vrchol kuželu umístíme do počátku souřdné soustvy tk, y os kužele splývl r s osou x. Plášť kužele vznikne rotcí přímky y = x kolem osy x pro x <, v > v (or...). Or.... Ojem kužele Doszením do vzthu z věty.. dostneme v v v r r r x v v v r v V = x dx= x dx= = což je vzth, který znáte z geometrie., - 7 -
Příkld... Odvoďte vzth pro výpočet ojemu koule o poloměru r >. Řešení: Rovnice kružnice se středem v počátku poloměrem r je x + y = r. Odtud y=± r x, přičemž x < rr, >. Rotcí horní půlkružnice y =+ r x dostneme plášť koule. Pro její ojem ude pltit Or...4. Ojem koule r r r ( ) ( ) x V = r x dx= r x dx= r x dx= r x = r r 4 = r = r Poznámk. r Při výpočtu jsme využili skutečnosti, že funkce ( r x ) je sudá. Podle věty.4. ude integrál s mezemi < rr>, roven dvojnásoku integrálu s mezemi neoť ojem celé koule se rovná dvojnásoku ojemu polokoule. r <, r >. Je to logické, Pro výpočet ojemu koule můžeme tké využít prmetrické rovnice horní půlkružnice: x = rcost, y = rsin t, t <, > (viz příkld..). Jelikož ϕ ( t) = ( rcos t) = rsin t, dostneme po doszení do vzthu z věty.. sustituce cost u V = = r sin trsin tdt = r sin tdt = r ( cos t)sin tdt = sin tdt = du, = - 7 -
u 4 = r ( )( u ) du = r ( u ) du = r u = r. Příkld... Vypočtěte ojem těles, které vznikne rotcí olsti ohrničené křivkmi y = x y = x kolem osy x. Řešení: Olst je ohrničená dvěm prolmi, viz. or...5. Or...5. Olst z příkldu.. Křivky f ( x) = x gx ( ) x se protínjí v odech = x = x =. Hledný ojem dostneme, když od ojemu těles, jehož plášť vznikne rotcí křivky f ( x ) = x kolem osy x pro x <, >, odečteme ojem těles, které vznikne rotcí orzce pod křivkou gx ( ) = x n stejném intervlu (or...6). V = ( x ) dx - ( x ) Or...6. Odečtení ojemů dvou těles dx Pro ojem rotčního těles, které vznikne rotcí olsti ohrničené křivkmi y = x y = x kolem osy x, dostneme: - 7 -
V= f ( xdx ) g ( xdx ) = ( x ) dx ( x ) dx= ( x ) ( x ) dx = 4 4 = (4 4 x + x ) x dx = (4 4 x ) dx = 4 ( x ) dx = 8 ( x ) dx = x 6 = 8 x = 8 =. Poznámk Upozornění! Pro výpočet ojemu rotčního těles, které vznikne rotcí olsti ohrničené křivkmi gx ( ) f( x) kolem osy x pro x <, >, použijeme vzth V= f ( xdx ) g ( xdx ) = f ( x) g ( x) dx. Čsto se setkáváme s chyou, kdy je umocněn rozdíl funkcí. Vzth V = f ( x) g( x) dx je evidentně nesprávný! [ ] Příkld..4. Vypočtěte ojem rotčního nuloidu. Řešení: Anuloid (torus), viz or...7, je těleso vytvořené rotcí kruhu kolem přímky ležící v rovině tohoto kruhu neprotínjící kruh. Or...7. Anuloid - 74 -
Střed kruhu o poloměru r umístíme n osu y do vzdálenosti R od počátku, kde r < R (or...8). Tento kruh necháme rotovt kolem osy x. Or...8. Vznik nuloidu rotcí kruhu kolem osy x Hrnici rotujícího kruhu tvoří kružnice, která má rovnici + ( ) =. Odtud x y R r y R=± r x. Podoně jko v předcházejícím příkldu je hrnice rotující olsti tvořen dvěm křivkmi f ( x) = R+ r x gx ( ) = R r x pro x <, rr>. Ojem nuloidu dostneme jko rozdíl ojemů dvou těles (or...9): r r V = f ( x) g ( x) dx== R+ r x R r x d r r x= r sustituce: r x= rsin u = 4R r x dx= 8R r x dx= dx = r cosudu = 8R r r sin u rcosudu= r, r + cosu = 8Rr sin u cosudu = 8Rr cos udu = 8Rr du = - 75 -
sin u = 4Rr u + = 4Rr = Rr. V = r f ( x ) dx - r r g ( x ) dx r Or...9. Výpočet ojemu nuloidu Poznámk Při výpočtu integrálu yl použit sustituční metod. Podoné integrály jsme již několikrát počítli - viz příkldy.4.7 neo.4.5. Příkld..5. Vypočtěte ojem rotčního těles, které vznikne rotcí orzce ohrničeného Řešení: osou x jedním oloukem cykloidy kolem osy x. S cykloidou jsme se podroněji seznámili v příkldu..5. Cykloid (or...9) má prmetrické rovnice: x = t ( sin t), y = ( cos t), >, t R. První olouk cykloidy dostneme pro prmetr t <, >. Protože dx = ( cos t) dt, dostneme z věty..: - 76 -
V = ( cos t) ( cos t) dt = ( cos t) d t = = ( cost+ cos t cos t) dt = + cost [ ] sustituce: sin t = u = t sint + dt ( sin t)cos t dt = costdt= du, = sint = + t ( u ) du ( + = + ) = 5. Výkld V předcházející části yl plášť rotčního těles vytvořen rotcí spojité křivky y = f( x), kolem osy x. Zcel nlogicky můžeme určit ojem rotčního těles, jehož plášť vznikl rotcí spojité křivky x = hy ( ) pro y < c, d > kolem osy y (or...). Or.... Rotce křivočrého lichoěžník kolem osy y Ojem vypočteme ze vzthu: d V = h ( y ) dy. c - 77 -
Příkld..6. Vypočtěte ojem rotčního těles, jehož plášť vznikne rotcí křivky y = e x pro x <, > kolem osy y. Řešení: Funkce y x = e je prostá n definičním ooru inverzní funkce k ní ude x = ln y, y >. Pro x <, > ude y <, e> (or...). Or.... Rotce křivky y x = e kolem osy y Ojem rotčního těles ude: e u = v= ln y e e V = ln ydy = = yln y ln ydy u = y v = (ln y) y = e u = v= ln y = = = + u = y v = y e [ e ] ln ydy e [ yln y] dy = e ( [ ] ) ( ) ( = e e+ y = e e+ e = e. ) e Kontrolní otázky. Uveďte vzth pro výpočet ojemu těles, jehož plášť vznikne rotcí křivky y = f( x) kolem osy x.. Uveďte vzth pro výpočet ojemu těles při rotci kolem osy x, je-li rotující křivk dán prmetrickými rovnicemi. - 78 -
. Jk ude vypdt vzth pro výpočet ojemu těles, jestliže křivk dná prmetrickými rovnicemi ude rotovt kolem osy y? 4. Jk vypočtete ojem těles, jehož plášť vytvoří křivk y = x, x, při rotci kolem osy x? Jký ude ojem při rotci kolem osy y? 5. Jk vypočtěte ojem těles, jehož plášť vytvoří křivk y = + x, x, při rotci kolem osy x. Jké těleso vznikne? 6. Jk vypočtete ojem rotčního elipsoidu, jehož plášť vytvoří elips x + y = 4 při rotci kolem osy x (kolem osy y)? Úlohy k smosttnému řešení. Vypočtěte ojem rotčního těles, které vznikne rotcí rovinného orzce ohrničeného zdnými křivkmi kolem osy x : ) y = x ; x= y ) y= x ; x= y c) y = x ; y = x d) y = x; y = ; x= x e) y = x ; y = x f) y = tg x; y = ; x= ; x= 4 g) y = rcsin x; y = ; x= ; x= h) xy = 4; y = ; x = ; x = 4 x i) y = ; x 4y+ 5= j) x y = ; y = ; x = x k) x + y = 4; x+ y= l) y = sin x; y = ; x= ; x=. Vypočtěte ojem rotčního těles, které vznikne rotcí rovinného orzce ohrničeného zdnými křivkmi kolem osy y : = ; = ) y x x y ) y + x 4= ; x= x c) y = sin x; y = ; x= d) y = e ; y = ; x= ; x= x x e) y = x ; y = ; x = f) y = ; y = g) 4 y = x ; 4x= y h) y = ln x; y = ; y = ; x= - 79 -
. Vypočtěte ojem rotčního těles, které vznikne rotcí rovinného orzce ohrničeného osou x dnou, prmetricky popsnou, křivkou při rotci kolem osy x : ) t x= t, y = t ; t ) x= t sin t, y = cos t; t c) x= sin t, y= cos t; t d) x= sin t, y = cos t; t Výsledky úloh k smosttnému řešení. ) ; ) ; c) ; d) 6 ; e) ; f) ; g) ; h) ; 5 6 5 4 4 5 i) 7 ; j) (9 8ln ; k) 4ln ) 8 5 ; l).. ) ; ) ; 5 c) + ; d) 7 6 ) 5 ; c) ; d) 6. 5 ; e) e 4 96 ; f) ; g) ; h) 7 ( 5 e ).. ) ; 4-8 -
Kontrolní test. Vypočtěte ojem těles, jehož plášť vytvoří olouk křivky y = tg xpro x rotcí 4 kolem osy x. ) (4 ), ) ( ) / 4, c) (4 ) / 4, d) ( ).. Vypočtěte ojem těles, jehož plášť vytvoří olouk křivky xy = 6pro x otáčením kolem osy x. ) 6, ),4, c) 9,6, d) 5, 4.. Vypočtěte ojem těles, které vytvoří rovinný orzec ohrničený osmi x, y oloukem křivky y = cos( x ) otáčením kolem osy x. ) 5 +, ) 8 5, c) 8 5, d) 4 5 +. 4 4. Vypočtěte ojem těles, jehož plášť vytvoří olouk řetězovky ( x x y = e + e ) pro x. ) c) ( 8 4 e e 4 ) 4 + +, ) ( 8 e e 4 ) 4 +, d) 4 4 ( 8 ) 4 e e +, 4 4 ( 8 ) e e +. 5. Vypočtěte ojem těles, které vznikne rotcí rovinného orzce ohrničené křivkmi x 5 x y = ( ) y = kolem osy x. 5 ) 8, ) 8 5, c) 6 5, d) 6. 6. Vypočtěte ojem úseče koule o poloměru r, je-li výšk úseče v < r. ) c) v ( r v), ) v ( r v), d) v ( r v), v ( r v). - 8 -
7. Vypočtěte ojem těles, které vznikne rotcí rovinné olsti ohrničené křivkmi x y = x + 4y = 6v polorovině x kolem osy x. ) 6, ), c) 4, d). 8. Vypočtěte ojem těles, které vznikne rotcí rovinné olsti ohrničené křivkmi x y = x + 4y = 6v polorovině x kolem osy y. ), ) 4, c) 4, d). 9. Vypočtěte ojem těles, jehož plášť vytvoří olouk křivky x = 4cos t, y = sint pro t otáčením kolem osy x. 4 ) ( + 8), ) (5 + 8) c) (5 8), d) ( 5 + 8). t. Vypočtěte ojem těles, jehož plášť vytvoří olouk křivky x = cost+ lntg, y = sin t pro t otáčením kolem osy x. ), ), c), d). 6 4 Výsledky testu. c);. );. ); 4. ); 5. d); 6. ); 7. c); 8. d); 9. d);. ). Průvodce studiem Pokud jste správně odpověděli nejméně v 8 přípdech, pokrčujte dlší kpitolou. V opčném přípdě je tře prostudovt kpitolu. znovu. Shrnutí lekce Ojem rotčního těles, které vznikne rotcí křivočrého lichoěžník y f( x) pro x kolem osy x, vypočteme ze vzthu V = f ( x ) dx. Anlogicky pro ojem rotčního těles, které vznikne rotcí křivočrého lichoěžník x hy ( ) pro c y d - 8 -
d kolem osy y, užijeme vzth V = h ( y ) dy. Jelikož se v integrndu vyskytuje druhá c mocnin, nečiní ovykle výpočet příslušného integrálu větší prolémy. Ojemy oecnějších těles, která nejsou rotční, lze vypočítt pomocí dvojných neo trojných integrálů. Podronosti nleznete v textu Mtemtik III. - 8 -