Контрольная по математике

Вычисление интеграла ФНП.

Типовые задачи

Вычисление площади плоской фигуры

б) Площадь плоской фигуры в полярных координатах

На плоскости можно рассмотреть полярную систему координат . Тогда точке  соответствуют координаты  и , предполагаем полуоси  и  () совпадающими; причем  положительное
направление угла   – против вращения часовой стрелки.

Фигура на плоскости, ограниченная лучами ,  () и кривой , , называется криволинейным сектором. Очевидно, при   имеет круговой сектор и его площадь . Поэтому если провести процедуру построения интегральной суммы  для разбиения , ,  и системы точек , то при , где , , придем к интегралу , который можно
интерпретировать как площадь криволинейного сектора.

Итак, если предел интегральной суммы, построенной по указанной процедуре, существует, то площадь криволинейного сектора можно вычислить по формуле

.

ПРИМЕР 7. Найти площадь фигуры, ограниченной лемнискатой
Бернулли  и окружностью  (внутри
окружности).

Решение. Лемниската существует при , т.е. для  или для ; периодически повторяется для . Симметрия кривой следует из четности функции . При , изменяющемся от  до , значение  убывает от  до , т.е. значение  убывает от  до  () (см. рисунок). Пересечение лемнискаты и окружности 

  имеем при  и по
симметрии при .

Для вычисления площади используем симметрию фигуры ;  – площадь фигуры в I квадранте. Фигура  – объединение двух криволинейных секторов и поэтому

.

Окончательно имеем .

Задача 13. Доказать неравенства.

а) .

Доказательство. Обозначим . Особая точка . Так как

, то интеграл  абсолютно сходится.

Пусть

. (40)

 Рассмотрим интеграл . Обозначим . Имеем

.  (41)

Докажем, что

.  (42)

Действительно, . Следовательно,  убывает на промежутке . А так как , то отсюда следует (42). (41) и (42) дают нам, что . Следовательно,

. (43)

Используя вторую из формул (43), получим . Итак,

.  (44)

Оценим интеграл . Имеем

,  (45)

Так как  (см. (40), то из неравенств (44) и (45) получаем

.  (46)

(Доказать, что неравенства (44) и (45) строгие).

Пусть теперь

.  (47)

Используя первую из формул (43), получим

.  (48)

Докажем, что

.  (49)

Интегрируя по частям, имеем

.  (50)

Далее

. (51)

Из (50) и (51) получим .

Неравенство (49) доказано. Из (47) - (49) следует

. (52)

Неравенства (46) и (52) дают

.

Замечание. Интегрируя по частям интеграл , можно получить более точную оценку интеграла .

б) .

Доказательство. Обозначим . Интеграл  является сходящимся несобственным интегралом (доказать). Имеем

. (53)

Очевидно, что . Отсюда

.  (54)

Далее . Тогда

.  (55)

Объединяя (53) - (55), получим

.  (56)

Замечание. Оценка (56) может быть улучшена.