Вычисление площадей областей, граница которых задана в полярных координатах

Используя вписанные и описанные многоугольники можно доказать квадрируемость кругового сектора радиуса r , заключенного между двумя лучами (с углами a, b) и вычислить его площадь, равную (рис. 2.18).

 

Рис. 2.18

Рассмотрим область, заключенную между лучами a, bи непрерывной кривой, заданной в полярных координатах r=r(j) ( рис. 2.19).

 

Рис. 2.19

Теорема. Криволинейный сектор D, определяемый лучами углов a, b (0≤a<b≤2π) и непрерывной кривой r=r(j) квадрируем и его площадь вычисляется по формуле (слайд «Площадь области»)

mD= . (2.8)

Площадь области

Доказательство. Интеграл в (2.8) существует, поэтому для заданного eсуществует разбиение D={a=j0<j1<…<jn=b} отрезка такое, что S(f,D) – s(f,D) < e, где f(j)= . Нижняя сумма Дарбу представляет собой сумму величин вида , где mkрадиус некоторого кругового сектора, вписанного в соответствующий криволинейный сектор Dk, а верхняя сумма Дарбу представляет собой сумму величин вида , где Mkрадиус некоторого кругового сектора, содержащего Dk (слайд «Суммы Дарбу», «Суммы Дарбу, полярные координаты»).

Суммы Дарбу

Суммы Дарбу, полярные координаты

Таким образом, для любого e можно указать две квадрируемые области, одна из которых содержится внутри исходной области, а вторая охватывает эту область. Каждая из этих областей составлена из круговых секторов и имеет площадь равную s(f,D), S(f,D),соответственно. Квадрируемость следует из второго критерия квадрируемости. Выберем последовательность разбиений с равноотстоящими узлами . Соответствующие вписанные и описанные области, состоящие из наборов круговых секторов, обозначим . Тогда между суммами Дарбу и площадями этих множеств существует следующая связь . Далее и . Эти равенства позволяют утверждать (следствие из критерия интегрируемости), что

.

Таким образом,

.

Примеры.

5.1. Вычислить площадь области, содержащейся между первым и вторым витком спирали Архимеда , как показано на рисунке 2.20, слайд «Спираль»

 

Рис. 2.20

Спираль

Площадь обозначенной на рисунке области будет равна

mD=

5.2. Вычислить площадь, ограниченную астроидой x2/3+y2/3=a2/3.(рис. 2.21, слайд «Астроида»)

 

Рис. 2.21

Астроида

Воспользуемся полярными координатами . Подставляя эти выражения в исходное уравнение астроиды, получим уравнение астроиды в полярных координатах . Площадь, ограниченная кривой будет равна

В параграфе 3 главы 1 был вычислен интеграл

.

Поэтому . Интеграл с бесконечными пределами будет рассматриваться в разделе «Несобственные интегралы».

 

5.3.Вычислить площадь, ограниченную кривой (трилистник, рис. 2.22, слайд «Трилистник»).

 

 

Рис. 2.22

Трилистник

Первый лепесток расположен в диапазоне , поэтому площадь трех лепестков будет равна

.

5.4. Вычислить площадь, ограниченную кривой .

, поэтому область, где расположена кривая, ограничена диапазоном . Таким образом, площадь, ограниченная кривой будет равна

5.5.Вычислить площадь, ограниченную кривой (лемниската Бернули, рис. 2.23, слайд «Лемниската Бернули»).

Воспользуемся полярными координатами . Подставляя эти выражения в уравнение лемнискаты, получим , или .

 

Рис. 2.23

Лемниската Бернули

.

2.4.5. Вычисление площади области, граница которой задана в виде φ=φ(r)

Позже будет выведена еще одна формула для вычисления площади области, граница которой задана параметрически. Именно, если область D ограничена замкнутой кусочно-гладкой кривой γ , имеющей параметризацию Кроме того, при проходе t от α до β область остается слева (слайд «Обход границы области»),

Обход границы области

то площадь этой области будет вычислятся по формуле:

. (2.9)

Пусть функция φ(r) непрерывна и монотонна на отрезке [r1, r2] , 0≤r1<r2. Рассмотрим область, лежащую между лучами φ1=φ(r1), φ2=φ(r2) и кривой γ: φ=φ(r) (см. рис. 2.24).

 

Рис. 2.24

Граница этой области состоит из трех кривых γ1, γ, γ2. Кривая γ1 может быть параметризована в виде

 

Аналогично, для кривой γ2 (обратите внимание на направление обхода)

 

И, наконец, для кривой γ имеем:

 

Для γ1 подинтегральное выражение в (2.9) будет равно

.

И тогда

 

Аналогично, для γ2

.

И тогда

 

 

Наконец, для участка γ получим

 

.

Таким образом, окончательно, получим формулу

. (2.10)

Пример. Найти площадь области ограниченную линией , и осью Ox.

 

Функция φ=4r - r3 (график показан на рис. 2.25, слайд «Площадь для поляных координат») имеет два интервала монотонности

 

Рис. 2.25

Площадь для полярных координат

Максимум функции равен В нашем случае . Площадь искомой области

 

.

 

 

Пример. Найти площадь области ограниченную линией φ=r – sin r, и осью Ox. График фунции в декартовых координатах показан на рисунке 2.26, слайд «Площадь в полярных координатах»

 

Рис. 2.26

 

Площадь в полярных координатах

 

Площадь области будет равна

 

 

 

2.5. Вычисление объемов и площадей боковых поверхностей тел вращения

Объемы и площади поверхностей вращения. Теоремы Гюльдена.