Рассмотрим тело, образованное вращением вокруг оси фигуры, ограниченной непрерывной кривой
, осью
и прямыми
(рис. 7). Разобьем отрезок
на
частей точками
Проведем через точки деления плоскости, перпендикулярные оси
. Сечение тела вращения плоскостью
есть круг радиусом
с площадью
. Проведенные плоскости разобьют тело на слои. Каждый
-й слой
приближенно заменим прямым цилиндром (рис. 7) с радиусом , высотой
и объемом
Сумма объемов всех цилиндров равна .
Объем тела вращения определяется как предел этой суммы
при стремлении к нулю величины . Мы получили предел интегральной суммы непрерывной функции
по отрезку
, который существует и равен интегралу
Итак, объем тела, полученного при вращении вокруг оси
фигуры, ограниченной кривой
, осью
и прямыми
, вычисляется по формуле
или
.
Аналогично вычисляется объем тела, полученного при вращении вокруг оси
фигуры, ограниченной линией
, осью
, прямыми
(рис. 8):
или
.
Пример 1. Вычислить объем тела, образованного вращением фигуры, ограниченной линиями
,
а) вокруг оси , б) вокруг оси
.
Решение. Построим параболу прямые
и заштрихуем фигуру, ограниченную этими линями (рис. 31).
а). Объем тела, полученного при вращении этой фигуры вокруг оси
, вычислим по формуле:
Подынтегральная функция − четная, поэтому используем следствие 2 к теореме.
б). Для вычисления объема тела вращения фигуры вокруг оси нельзя непосредственно воспользоваться формулой, так как фигура сверху ограничена не прямой, а параболой. Поэтому сначала рассмотрим фигуру, ограниченную прямой
, осью
, прямыми
. При ее вращении вокруг оси
получим цилиндр, объем которого
можно вычислить по формуле
или по формуле
Теперь рассмотрим фигуру, ограниченную линиями осью
и прямой
. При ее вращении вокруг оси
получим тело, объем которого
вычислим по формуле:
Тогда искомый объем будет равен
7. Лекционное занятие. КРИВОЛИНЕЙНЫЙ ИНТЕГРАЛ ПЕРВОГО РОДА
Случай 1. Пусть на плоскости дуга задана уравнением
Будем предполагать, что функция
непрерывна вместе со своей производной на
.
Рассмотрим на кривой точки
с абсциссами
Проведем хорды
длины которых обозначим
(рис. 1).
Вычислим длину -й хорды
Для вычисления приращения воспользуемся формулой конечных приращений Лагранжа
,
где − некоторая точка из промежутка
Тогда длина
й хорды
.
Учтем это и возьмем в определении криволинейного интеграла в качестве промежуточных точек на дугах точки
:
.
Мы получили предел интегральной суммы функции по отрезку
, который равен интегралу
Следовательно,
Итак, для вычисления криволинейного интеграла по дуге АВ с уравнением
нужно:
1) заменить в подынтегральной функции на его значение
на дуге;
2) заменить на
;
3) вычислить получившийся определенный интеграл по отрезку .
Иногда удобнее использовать уравнение кривой в виде . Тогда
Пример 1. Вычислить длину дуги кривой .
Решение. Уравнение кривой разрешено относительно , поэтому воспользуемся формулой (7.16), учитывая, что
,
Тогда
Случай 2. Пусть на плоскости дуга задана параметрическими уравнениями
,
причем функции непрерывны на
вместе со своими производными и
.
Для определенности, пусть . Уравнения
определяют функцию
, которая имеет непрерывную производную
. Учитывая, что
, получим
.
Итак, справедливы следующие формулы и
Аналогично, для пространственной кривой, заданной параметрическими уравнениями
, имеем