Применение интеграла к вычислению площадей

Поставим задачу найти способ для вычисления площади криволинейной трапе­ции (задачу ставим в предположении, что площадь сущест­вует).

Предварительно у учеников должно быть создано правильное представление о криволинейной трапеции как о фигуре, ограничен­ной графиком непрерывной функции, осью х и прямыми, парал­лельными оси у (рис. 70). В число примеров надо обязательно включать такие, где длины перпендикуляров к оси х равны нулю, а также случаи, где график функции является прямой или отрезком.

Доказывается теорема:

Теорема. Пусть f(х) — непрерывная функция, неотрицатель­ная на отрезке [а; Ь], S — площадь соответствующей криволи­нейной трапеции. Если F(х) есть первообразная для f(х) на отрезке [а; Ь], то S = F(Ь) — F(а) (см. рис. 70).

Рис 70 Рис 71

Рис 73

Существуют различные доказательства этой теоремы.

Лучше всего выбрать способ, который носит более общий характер и удо­бен тем, что легко переносится на вычисление объема.

Учитывая относительную сложность доказательства, можно реко­мендовать его для сильных учеников.

Выведем теперь формулу для площади криволинейной трапеции. Как одна из первообразных функции f (х) функция S (х) выра­жается через любую другую первообразную этой функции F (х) по

Формуле S(х) =F(x)+С.

Найдем постоянную С, используя то, что S (а) = 0. Имеем S (а) =F(а) + С, т. е. С=-F(а). Значит, S (х) = F (х) — F (а).

Отсюда S(Ь) = F(Ь) — F (а). Как выяснено ранее, S(b) — это площадь данной криволинейной трапеции. Получили формулу

S = F(Ь)-F(а), где F'(х) = f(х).

Примеры. Вычислить площадь фигуры, ограниченной следу­ющими линиями, уравнения которых заданы:

1) у = х2, у = 0, х =1, х = 2;

2) у = х2 — 4х + 5, у = 0, х=1, х = 3;

3) у = 2х, х = 4, у = 0, х = 6.

Во всех этих примерах значения а и Ь даны в условии задачи, поэтому площадь вычисляется путем прямого применения формулы.

Имея в распоряжении знак неопределенного интеграла, можно было бы несколько короче записать решение задач. Например, вместо записи «Одна из первообразных функций у = х2- 4х+5 есть »

появится запись: .