• Nem Talált Eredményt

A héjmódszer összefoglalása

A héjmódszer összefoglalása.

Tekintet nélkül a forgástengely helyzetére (az lehet akár vízszintes, akár függőleges) a héjmódszer lépései a következők

1. Rajzoljuk fel a tartományt és vegyünk fel egy, a tartomány határait összekötő és a forgástengellyel párhuzamos egyenes szakaszt! Írjuk fel e szakasznak a hosszát (a héj magasságát) és a forgástengelytől való távolságát (a héj sugarát)!

2. A vastagsági változóra nézve állapítsuk meg az integrálási határokat!

3. Integráljuk a (héjsugár)(héjmagasság) szorzatot a vastagsági változóra (x vagy y) nézve, s ezzel megkapjuk a térfogatot!

Ugyanarra a testre alkalmazva a héjmódszer és a gyűrűmódszer ugyanazt az eredményt adja. Ezt az állítást itt nem bizonyítjuk, de illusztrálni fogjuk a 33. és a 34. feladatban. Mindkét képlet speciális esete egy általánosabb összefüggésnek, amit a kettős és hármas integráloknál, a 15. fejezetben fogunk majd látni. Az ott kapott általános összefüggés nemcsak a forgástestek, hanem más testek térfogatának kiszámítására is alkalmas.

2.2. 6.2. Feladatok

2.2.1. Síkmetszetek területe

A 1–6. feladatokban héjmódszerrel határozzuk meg a satírozott tartomány megadott tengely körüli forgatásával generált forgástest térfogatát!

1.

2.

3.

4.

5. Az y-tengely körül:

6. Az x-tengely körül:

2.2.2. y -tengely körüli forgatás

A 7–14. feladatokban héjmódszerrel határozzuk meg a satírozott tartomány y-tengely körüli forgatásával generált forgástest térfogatát!

7. , ,

8. , ,

9. , , esetén

10. , ,

11. , ,

12. , ,

13. Legyen

1. Mutassuk meg, hogy , !

2. Számítsuk ki a satírozott tartomány y-tengely körüli forgatásával generált test térfogatát!

14. Legyen

1. Mutassuk meg, hogy , !

2. Számítsuk ki a satírozott tartomány y-tengely körüli forgatásával generált test térfogatát!

2.2.3. x -tengely körüli forgatás

A 15–22. feladatokban héjmódszerrel határozzuk meg a satírozott tartomány x-tengely körüli forgatásával generált forgástest térfogatát!

3. , ,

4. , , ,

5. ,

6. ,

7. ,

8. , ,

9. , ,

10. , ,

2.2.4. Vízszintes tengely körüli forgatás

A 23. és a 24. feladatban használjuk a héjmódszert azon test térfogatának kiszámítására, amely a satírozott tartomány megadott tengely körüli forgatásával áll elő!

11.

1. Az x-tengely,

2. Az egyenes,

3. Az egyenes,

4. Az egyenes.

12.

1. Az x-tengely, 2. Az egyenes,

3. Az egyenes,

4. Az egyenes.

2.2.5. A gyűrűmódszer és a héjmódszer összehasonlítása

Vannak olyan tartományok, amelyekből a koordinátatengely körüli forgatással generált test térfogatmeghatározására mind a gyűrűmódszer, mind a héjmódszer alkalmas. Ez azonban nem mindig van így.

Ha a tartományt az y-tengely körül forgatjuk és a gyűrűmódszert használjuk, akkor y szerint kell integrálnunk.

Ez nem mindig lehetséges, sőt néha még az is akadályba ütközik, hogy az integrandust y változójaként kifejezzük. Az ilyen esetekben a héjmódszer lehetővé teszi az x változó szerinti integrálást. A 25 és a 26. feladat ilyen jellegű problémákba nyújt betekintést. tengely körüli megforgatásával előálló test térfogatát!

1. Az x-tengely körül forgatunk, és használjuk a gyűrűmódszert!

2. Az y-tengely körül forgatunk, és használjuk a héjmódszert!

3. Az egyenes körül forgatunk, és használjuk a héjmódszert!

4. Az egyenes körül forgatunk, és használjuk a gyűrűmódszert!

2.2.6. Héjmódszer vagy gyűrűmódszer

A 27–32. feladatokban számítsuk ki a megadott tartomány megadott tengely körüli forgatása révén keletkező forgástest térfogatát! Ha egy adott feladatban előnyösebbnek látjuk a gyűrűmódszer használatát, dolgozzunk azzal!

1. az x-tengely, 2. az y-tengely,

3. az egyenes, 4. az egyenes

körül.

7. Az görbe és az y-tengely által határolt, az első síknegyedben fekvő tartományt megforgatjuk 1. az x-tengely,

2. az egyenes körül.

8. Az , és által határolt első síknegyedbeli tartományt megforgatjuk 1. az x-tengely,

10. Az és az által határolt tartományt megforgatjuk 1. az x-tengely,

2. az egyenes körül.

11. Az első síknegyedben fekvő tartományt felülről az görbe, balról az egyenes, alulról pedig az egyenes határolja. A tartományt megforgatjuk az x-tengely körül. Számítsuk ki a test térfogatát

1. gyűrűmódszerrel, 2. héjmódszerrel!

12. Az első síknegyedben fekvő tartományt felülről az görbe, balról az egyenes, alulról pedig az egyenes határolja. A tartományt megforgatjuk az y-tengely körül. Számítsuk ki a test módszert használhatjuk a test térfogatának meghatározására? Hány integrálra van szükség az egyes esetekben? Válaszunkat indokoljuk!

14. Az ábrán látható tartományból az y-tengely körüli forgatással egy forgástestet hozunk létre. Melyik módszert használhatjuk a test térfogatának meghatározására? Hány integrálra van szükség az egyes esetekben? Válaszunkat indokoljuk!

3. 6.3. Síkgörbék hossza

Tudjuk mit jelent egy egyenes szakasz hossza, de egy tetszőleges görbe hosszáról a kalkulus nélkül nem alkothatunk pontos fogalmat. Az ókori görög matematikusoktól származik az a gondolat, hogy az A ponttól a B pontig futó görbe hosszát úgy lehet közelíteni, hogy a görbét sok kis görbedarabra osztjuk fel, s az osztópontokat egyenes szakasszal összekötjük. Arkhimédész ezt a módszert alkalmazta akkor, amikor a kör kerületét a körbe írt n oldalú sokszögek kerületével közelítette (6.23. ábra). Ennek a gondolatnak a körnél általánosabb görbékre való kiterjesztését mutatja a 6.24. ábra, s a továbbiakban ezzel fogunk foglalkozni.

6.23. ábra. Arkhimédész a kör kerületét a körbe írt sokszögek kerületével közelítette. esetén a módszer π-re, mint az egységnyi átmérőjű kör kerületére a 3.14103 értéket adja.

3.1. Paraméteres alakban definiált görbe hossza

Legyen C az

egyenletekkel paraméteresen megadott görbe! Az ilyen görbét legegyszerűbben annak a részecskének a pályájaként képzelhetjük el, amely a időpontban az pontból elindul a

pont felé (6.24. ábra). Feltesszük, hogy f és g deriváltja is folytonos az intervallumon és egyidejűleg nem nullák. Az ilyen függvényeket folytonosan differenciálható függvényeknek nevezzük, az általuk definiált C görbét pedig sima görbének. Az pályát (vagy ívet) az osztópontokkal n darabra osztjuk fel. Ezek a pontok az intervallum egy felosztásának felelnek meg, ahol és . E felosztás szomszédos pontjait kössük össze egyenes szakaszokkal (6.24. ábra)! Egy ilyen egyenes szakasz hossza általános alakban

lesz (6.25. ábra). Ha kicsi, akkor az hosszúság közel azonos lesz a ívdarabnak a hosszával. A középértéktétel szerint vannak olyan és értékek a intervallumban, amelyekre

6.24. ábra. Az és , egyenletekkel paraméteres alakban megadott C görbe. A görbe darabjának hosszát egy olyan töröttvonalnak a hosszával közelítjük, amelynek kezdőpontja az

pont, végpontja pedig a pont.

6.25. ábra. A ívet az itt látható szakasszal közelítjük, amelynek hossza: . Ha feltételezzük, hogy miközben t felveszi a és közötti értékeket, a részecske az pályát pontosan egyszer járja be, azaz nem tér vissza és visszafele sem halad, úgy az görbe ,,hosszára” intuitív közelítést adhatunk az hosszúságok összegzése révén:

Bár ez az összeg nem pontosan Riemann-összeg (mert -nek és -nek nem ugyanabban a pontban felvett értékei szerepelnek benne), a felsőbb analízis egy tétele biztosítja a határérték létezését, amint a felosztás normája nullához tart, s ez a határérték lesz az

határozott integrál értéke.