Площадь области, лежащей между двумя графиками

Пусть $ f(x)$ и $ g(x)$  -- две непрерывные функции, заданные на отрезке $ [a;b]$ , причём $ f(x)\leqslant g(x)$ при всех $ x\in[a;b]$ . Между графиками $ y=f(x)$ и $ y=g(x)$ лежит область $ \mathcal{D}$ , с боков ограниченная отрезками прямых $ x=a$ и $ x=b$ .

Рис.6.1.



Если обе функции неотрицательны, то есть $ f(x)\geqslant 0$ , то для вычисления площади $ S_{\mathcal{D}}$ области $ \mathcal{D}$ достаточно заметить, что она равна разности площадей областей $ \mathcal{D}_g$ и $ \mathcal{D}_f$ , лежащих между отрезком $ [a;b]$ (снизу) и, соответственно, графиком $ y=g(x)$ и $ y=f(x)$ (сверху). Для нахождения площади $ S_g$ области $ \mathcal{D}_g$ и $ S_f$ области $ \mathcal{D}_f$ применим формулу и получим: Пример. Методом прогонки найти решение уравнения , удовлетворяющее условиям , .

$\displaystyle S_{\mathcal{D}}=S_g-S_f=\int_a^bg(x)\;dx-\int_a^bf(x)\;dx=\int_a^b(g(x)-f(x))\;dx.$(6.2)

Если же неравенство $ f(x)\geqslant 0$ не выполнено, то заметим следующее: функция $ f(x)$ ограничена, в том числе снизу, на $ [a;b]$ :

$\displaystyle f(x)\geqslant M$

при некотором $ M$ (по предположению, $ M<0$ ). Сдвинем оба графика, $ y=f(x)$ и $ y=g(x)$ , на $ \vert M\vert=-M$ единиц вверх, то есть рассмотрим функции $ f_1(x)=f(x)-M$ и $ g_1(x)=g(x)-M$ . Тогда, с одной стороны, область между графиками тоже целиком сдвигается на $ \vert M\vert$ вверх, и её площадь не изменяется; с другой стороны, оба сдвинутых вверх графика окажутся целиком не ниже оси $ Ox$ , и площадь между ними можно будет сосчитать по формуле (6.2). Заметим теперь, что

$\displaystyle g_1(x)-f_1(x)=g(x)-f(x).$

В итоге получаем:

$\displaystyle S_{\mathcal{D}}=S_{g_1}-S_{f_1}=
\int_a^b(g_1(x)-f_1(x))\;dx=
\int_a^b(g(x)-f(x))\;dx.$

Итак, формула (6.2) остаётся верной вне зависимости от того, как графики функций $ f(x)$ и $ g(x)$ расположены относительно оси $ Ox$ .

        Пример 6.1   Найдём площадь ограниченной области, лежащей между графиками $ y=x^2$ и $ y=\sqrt{x}$ . Эти графики имеют две общих точки $ (0;0)$ и $ (1;1)$ (см. рис.), причём на отрезке $ [0;1]$ график $ y=\sqrt{x}$ идёт выше, чем график $ y=x^2$ .

Рис.6.2.



Значит, площадь области $ \mathcal{D}$ между графиками равна

$\displaystyle S_{\mathcal{D}}=\int_0^1(\sqrt{x}-x^2)\;dx=
\frac{2}{3}x\sqrt{x}...
...\vert _0^1-\frac{1}{3}x^3\Bigr\vert _0^1=
\frac{2}{3}-\frac{1}{3}=\frac{1}{3}.$

    

        Пример 6.2   Найдём площадь ограниченной области $ \mathcal{D}$ , лежащей между графиками $ y=x^3$ и $ y=x^5$ . Решая уравнение $ x^3=x^5$ , находим, что эти графики пересекаются в трёх точках: $ (-1;-1)$ , $ (0;0)$ и $ (1;1)$ , причём на отрезке $ [-1;0]$ выше расположен график $ y=x^5$ , а на отрезке $ [0;1]$  -- график $ y=x^3$ . Так как обе функции нечётны, то чертёж обоих графиков симметричен относительно начала координат, и площадь левой части области между графиками (при $ x\in[-1;0]$ ) равна площади правой части области (при $ x\in[0;1]$ ).

Рис.6.3.



Поэтому искомую площадь можно подсчитать так:

$\displaystyle S_{\mathcal{D}}=2\int_0^1(x^3-x^5)\;dx=
2\Bigl(\frac{x^4}{4}-\fr...
...^6}{6}\Bigr)\Bigl\vert _0^1=
2\bigl(\frac{1}{4}-\frac{1}{6}\bigr)=\frac{1}{6}.$

    

 Пример. Найти уравнение прямой с направляющим вектором (1, -1) и проходящей через точку А(1, 2).

 Уравнение искомой прямой будем искать в виде: Ax + By + C = 0. В соответствии с определением, коэффициенты должны удовлетворять условиям:

1×A + (-1)×B = 0, т.е. А = В.

 Тогда уравнение прямой имеет вид: Ax + Ay + C = 0, или x + y + C/A = 0.

 при х = 1, у = 2 получаем С/A = -3, т.е. искомое уравнение:

х + у - 3 = 0

Уравнение прямой в отрезках.

:-109;margin-left: 224px;margin-top:56px;width:158px;height:89px'> Если в общем уравнении прямой Ах + Ву + С = 0 С ¹ 0, то, разделив на –С, получим: или

, где

 

Геометрический смысл коэффициентов в том, что коэффициент а является координатой точки пересечения прямой с осью Ох, а b – координатой точки пересечения прямой с осью Оу.

 Пример. Задано общее уравнение прямой х – у + 1 = 0. Найти уравнение этой прямой в отрезках.

  С = 1, , а = -1, b = 1.

Приложения интеграла: площадь плоской фигуры Считаем известным понятие площади треугольника. Площадь – неотрицательная, аддитивная величина. Площадь  многоугольника  легко определить, как суммарную площадь составляющих его треугольников. Это определение – корректное, т.е.: если разбить многоугольник на треугольники различными способами, все равно сумма площадей этих треугольников одинакова. Докажем это.