انتگرال معین (محاسبه حجم)

آخرین ویرایش: 05 اسفند 1402
دسته‌بندی: انتگرال
امتیاز:

حجم حاصل از دوران یک سطح حول محورxها

قضیه

اگر تابع f روی بازه a,b پیوسته باشد، حجم حاصل از دوران سطح بین نمودار تابع و محور xها و دو خط x=a و x=b حول محور xها برابر است با:

V=π∫ a bf2xdx

اثبات

اگر تابع f روی بازه a,b پیوسته و برای هر x در این فاصله تابع fx≥0 باشد، ناحیه بین محور xها و منحنی f را R می‌نامیم.

می‌خواهیم حجم جسم حاصل از دوران سطح R حول محور xها را محاسبه کنیم:  

فاصله a,b را به‌ترتیب زیر، افراز می‌کنیم:   

a=x0<x1<x2<....<xn−1<xn=b

حجم دوران - پیمان گردلو

پس فاصله a,b به n زیر فاصله زیر تقسیم می‌شوند: 

x0,x1,x1,x2,....,xk−1,xk,...,xn−1,xn

مطابق شکل فوق، در هر کدام از زیر فاصله‌های xk−1,xk نقطه ای مانند tk انتخاب می‌کنیم.

خطوط عمودی زیر را رسم می‌کنیم:

x=t1x=t2    ⋮x=tk    ⋮x=tn

این خطوط منحنی y=fx را در نقاطی به عرض های  زیر قطع می‌کند: 

y1=ft1y2=ft2        ⋮yk=ftk        ⋮yn=ftn

حال روی هر کدام از این زیر فاصله ها، مستطیلی چنان رسم می‌کنیم که قاعده آن xk−xk−1 و ارتفاع آن yk=ftk باشد، پس n مستطیل به این طریق ساخته می‌شود.

وقتی سطح R حول محور xها ها دوران کند، هر یک از مستطیل ها، یک استوانه به‌وجود می‌آورند که ارتفاع هر کدام xk−xk−1 و شعاع قاعده هر کدام ftk می‌باشد، پس اگر Vk حجم استوانه kام باشد، داریم:

Vk=πftk2xk−xk−1

حال اگر طول هر کدام از این زیر فاصله ها را خیلی کوچک انتخاب کنیم، این مجموع به طور تقریبی برابر حجم جسم حاصل از سطح R حول محور xها خواهد بود یعنی:

V≅∑k=1nπftk2xk−xk−1

اگر طول بزرگ‌ترین زیر فاصله را به ∆x نشان دهیم، وقتی ∆x به‌سمت صفر میل کند، هر یک از این زیر فاصله ها به صفر میل می‌کنند و در این حالت n تعداد زیر فاصله ها، به‌سمت بی‌نهایت میل خواهد کرد. 

در نتیجه حجم جسم دوار حاصل به‌وسیله رابطه زیر تعریف می‌شود‌:

V=limΔx→0∑k=1nπftk2xt−xk−1

اگر gx=πfx2 باشد، بنا به‌تعریف انتگرال معین:

V=limΔx→0∑k=1gtkxk−xk−1⇒V=∫ a bgx dx⇒V=∫ a bπfx2dx⇒V=π∫ a bf2x  dx

تمرین

حجم مخروط دواری را حساب كنيد كه شعاع قاعده آن R و ارتفاعش h باشد.

پیمان گردلو


اگر مبدا مختصات را راس اين مخروط و ارتفاع آن را منطبق بر محور x ها انتخاب كنيم، مشخص است كه اين مخروط از دوران سطح مثلث قائم الزاويه OAH حول محور Ox به‌دست می‌آيد، پس ابتدا معادله خط OA را به‌دست می‌آوريم:

mOA=tanα=Rhy=mOA. x⇒y=Rh . x⇒fx=Rh . x


V=π∫ 0 hf2xdx⇒V=π∫ 0 hRhx2dx⇒V=πR2h213x3h0⇒V=πR2h2.13h3⇒V=πR2h3

تمرین

بيضی به معادله زیر را حول محور x ها دوران می‌دهيم، حجم بيضوی حاصل را پيدا كنيد.

x2a2+y2b2=1

مختصات نقاط تلاقی تابع y=fx را با محور x ها یعنی y=0 به‌دست می‌آوريم:


x2a2+y2b2=1y=0   x2a2=1⇒x2=a2⇒x=±a


بيضوی از دوران سطح نيم بيضی كه از -a تا a می‌باشد، به‌دست می‌آيد:


پیمان گردلو

xa2+y2b2=1⇒y2b2=1−x2a2⇒y2=b21−x2a2⇒f2x=b21−x2a2


V=π∫ −a af2x dx  ⇒V=π∫ −a ab21−x2a2 dx⇒V=πb2x−x33a2a−a⇒V=43πab2

تمرین

حجم حاصل از دوران سطح بين منحنی و خطوط زیر را حول محور x ها بيابيد.

fx=sinx+cosxx=π2x=π4

V=π∫ π4 π2f2xdx

⇒V=π∫ π4 π2sinx+cosx2dx

⇒V=π∫ π4 π2sin2x+2sinx . cosx+cos2xdx

⇒V=π∫ π4 π21+sin2x dx⇒V=πx−12cos2xπ2π4⇒V=ππ4+12⇒V=π24+π2

دریافت مثال

حجم حاصل از دوران سطح بین دو منحنی حول محورxها

فرض کنیم f و g دو تابع پیوسته در بازه a,b باشند و به ازای هر x از این بازه fx≥gx یا fx≤gx باشد.

در این‌صورت حجم جسم حاصل از دوران ناحیه بین دو نمودار و دو خط x=a و x=b حول محور xها، برابر است با:

حجم دوران - پیمان گردلو

V=π∫ a bf2x−g2xdx

تمرین

حجم حاصل از دوران سطح ناحيه محدود به منحنی ها و خطوط زیر را حول محور x ها بيابيد.

y=tanxy=cotxx=π3x=π6

محاسبه مختصات نقطه تلاقی:


y=tanxy=cotxtanx=cotxtanx=cotx⇒tanx=1tanx⇒tan2x=1⇒tan2x−1=0⇒tanx−1tanx+1=0

⇒tanx−1=0⇒tanx=1⇒x=π4tanx−1=0⇒tanx=−1⇒x=−π4


پیمان گردلو

چون حجم، بين دو خط x=π3,π6 در نظر گرفته شده است، از بين طول های نقاط تقاطع فقط x=π4 را در نظر می‌گيريم:

x=π4∈π6,π3


در بازه π6,π4 تانژانت بالای کتانژانت است.

در بازه π4,π3 کتانژانت بالای تانژانت است.

S=π∫ π6 π4tan2x−cot2xdx+π∫ π4 π3tan2x−cot2xdx

⇒S=πtanx+cotxπ4π6+πtanx+cotxπ3π4

⇒S=2π343−6

دریافت مثال

حجم حاصل از دوران یک سطح حول محورyها

فرض کنیم تابع y=fx در بازه c,d تابعی پیوسته باشد، حجم حاصل از دوران ناحیه محدود به نمودار f و محور yها و دو خط y=c و y=d حول محور yها برابر است با:

V=π∫ c df2y  dy

اگر دو تابع x1=fy و x2=gy روی بازه c,d پیوسته و به ازای هر y از این بازه x1>x2 یا x1<x2 باشد، در این‌صورت حجم حاصل از دوران ناحیه بین نمودارهای دو تابع و خطوط y=c و y=d حول محور yها برابر است با:

V=π∫ c df2y−g2ydy

تمرین

حجم حاصل از دوران ناحيه بين دو تابع زیر را حول محور y ها به‌دست آورید.

y=mxy=x2

محاسبه مختصات نقاط تلاقی:

y=x2y=mxx2=mx⇒x2−mx=0⇒xx−m=0⇒x=0⇒y=0x=m⇒y=m2

if  y=x2⇒x=y⇒fy=y

if  y=mx⇒x=1my⇒gy=1my


پیمان گردلو

V=π∫ 0 m2f2y−g2ydy⇒V=π∫ 0 m2y−1m2y2dy⇒V=π12y2−y33m20m2⇒V=πm42−m43⇒V=πm46

دریافت مثال

حجم یک جسم دوار (روش پوسته استوانه‌ای)

در روش‌های قبلی برای یافتن حجم یک جسم دوار، اجزای مستطیلی را عمود بر محور دوران در نظر می‌گرفتیم (طول ها) در این‌صورت حجم جزیی یک قرص مستدیر یا حلقه مستدیر بود.

اگر اجزای مستطیلی (طول) از سطح، موازی محور دوران باشند، در این‌صورت از دوران آن حول محور، یک پوسته استوانه ای پدید می‌آید، یعنی جسمی که بین دو استوانه هم محور قرار می‌گیرد.

این جسم را یک سیلندر می‌نامیم.

حجم دوران - پیمان گردلو

خرید پاسخ‌ها

انتگرال معین (محاسبه حجم)

4,400تومان
خرید فایل PDF مثال ها و جواب ها

برای ارسال نظر وارد سایت شوید