Геометрическое вычисление интегралов
Формулы (1) и (2) можно использовать для нахождения площадей и
объемов различных тел. Но так как площади и объемы простых тел мы
уже знаем, то, наоборот, с помощью этих формул можно вычислить значения
некоторых простых интегралов. (Дальше, мы укажем, как можно сосчитать
эти интегралы непосредственным вычислением, не прибегая к геометрии.)
Рис. 11.
Самой простой геометрической формулой вычисления площади является
формула площади прямоугольника: S = hb. Прямоугольник можно
рассматривать как криволинейную трапецию, высота которой во всех
точках одинакова и равна h (рис. 11), так что его площадь
может быть записана в виде интеграла:
где h - постоянная величина. Итак, мы доказали формулу:
Фокус геометрии движения
Начертите замкнутую кривую, пересекающую себя 10-12 раз. Но кривая
может пересечь себя в каждой точке не больше одного раза. Все точки
пересечения обозначьте различными буквами (в любом порядке). Теперь
поставьте карандаш на любую неузловую точку и двигайтесь вдоль кривой,
как бы повторяя ее построение. Проходя узловую точку, называйте
букву, которой точка обозначена.
Обойти надо всю кривую и вернуться в исходный пункт. На каком-нибудь
этапе движения назовите две последовательно проходимые буквы, но
не в порядке их следования, а наоборот. Например, если за буквой
В следует буква F, вы произносите вслух не "В,
F", а "А, В". Мне не сообщайте о такой перестановке последовательности
двух букв, но запомните это место. Я его угадаю.
Фокус основан на теореме теории узлов. Угадывающему надо записывать
называемые буквы на полоске бумаги поочередно сверху черты и снизу.
Если перестановки букв яе было, то каждая буква появится однажды
сверху и однажды снизу черты. Если перестановка была, то одна буква
появится дважды сверху и одна дважды снизу. Вот в этих буквах и
была перепутана их последовательность! Пример. Мне называют буквы:
С, С, Е, А, В, D, Е, A, D, В. Я записываю:
Сверху черты два раза встречается Е, а снизу - два раза
А. Значит, узлы Е и А были названы не в той последовательности,
в которой они располагались.
Сколько рыб в озере!
Рыбоводу понадобилось определить, сколько в озере рыб, годных для
улова. Он забросил сеть с заранее выбранным размером ячеек и, вытащив
ее, пересчитал добычу. Рыб оказалось 38. Сделав пометку на каждой
рыбке, рыбовод всех их выпустил в озеро.
На другой день он опять забросил ту же самую сеть и выловил 53
рыбки, две из которых оказались мечеными. По этим данным рыбовод
и узнал приблизительно число рыб в озере, годных для улова данной
сетью. К какому результату пришел рыбовод?
Вы можете облегчить себе поиски решения задачи, прочитав статью
"Наука о случайном". (h - постоянная). В частности, при h
= 1 получаем:
Вспомним теперь формулу площади прямоугольного треугольника: S
=1/2hb, где h и b - катеты. Из рис. 12 видно,
что треугольник можно рассматривать как криволинейную трапецию,
высота у которой в точке с абсциссой х равна hx/b(это
вытекает из подобия треугольников ОАВ и О CD). Поэтому
площадь треугольника может быть записана в виде интеграла:
Рис. 12.
Таким образом, мы доказали, что
Если треугольник ОАВ равнобедренный, т. е. если h - b,
то получаем формулу:
Наконец, рассмотрим еще один пример. Возьмем правильную четырехугольную
пирамиду с ребром в основании, равным 6, и высотой, равной этому
ребру (рис. 13). Поставим пирамиду на вершину (так, чтобы ось ее
была вертикальной) и проведем плоскость параллельно основанию пирамиды
на расстоянии х от вершины. Тогда в сечении получится квадрат
со стороной, тоже равной х, а площадь его S(x) будет
равна х2. Поэтому по формуле (1) объем V пирамиды
выразится интегралом:
Рис. 13.
Сравнивая эту формулу с известной из школьного курса формулой объема
пирамиды, получим:
или
Найденные выше формулы (5), (6), (7), очевидно, можно объединить
в одну общую формулу:
при n = 0, 1, 2. Эта формула, как доказывается в математике, справедлива
не только при п = О, 1, 2, но и при любых отличных от -1
значениях показателя п, например :
Часто бывает нужно найти интеграл от многочлена. Оказывается, что
многочлены можно интегрировать почленно, а числовой множитель можно
выносить за знак интеграла. Например:
Вообще если
некоторый многочлен n-й степени, то его интеграл находится по формуле:
|