X. Zastosowania rachunku całkowego
9) W analogiczny sposób oblicza się pole figury organiczonej cykloidą x = a(/-sin/); y = «(1— cos /). Ze wzoru (13) mamy
m
|P| = J aJ(l—cos t)2 dt = a1 (-|-/-2sin/+ -isin 2/1’" = 3™?’ .
Okazuje się, że szukane pole jest równe potrojonemu polu koła, którego punkt zakreśla cykloidę. 10) Znaleźć pole jednego zwoju spirali Archimedesa: r = ad (rys. 25).
Ze wzoru (9) mamy
Rys. 25
ij*ii = 4«*f eve
2 ^ o lo 3
O
podczas gdy pole koła o promieniu 2na jest równe 4K1a2. Pole jednego zwoju spirali jest więc równe -i-pola kola (wynik ten znał już Archimedes).
Proponujemy, aby czytelnik udowodnił, że pola figur, ograniczonych kolejnymi zwojami krzywej, tworzą postęp arytmetyczny o różnicy 8rc1a2.
11) Znaleźć pole ślimaka
r = a cos 9+b (ó < a) .
Ze wzoru (9) mamy
jn
|P1 = i- J (a cos 9+b)2d9 = i- [(-1 u2+ b1) 0+ i a2 sin 20+2ab sin 0]|2" = ±n(a2+2b2).
W szczególności pole kardioidy (b = a) jest równe • jro2.
12) Znaleźć pole lemniskaty r2 = 2a2cos 2 0.
Wystarczy w tym celu podwoić pole prawego owalu, dla którego kąt 0 zmienia się od — n/4 do jj/4. Wobec tego
W/4 TT/4
|P| = 2--i-2a2 f cos 20 d0 = 4a2 j cos 20 d9 = 2a2 .
—1t/4 O
13) Znaleźć pole liścia Kartezjusza jc2+>’1—3 axy = 0.
Przejdźmy do współrzędnych biegunowych. Podstawiając w równaniu krzywej x = r cos 0, y =• = r sin 0 i skracając przez r2 dostajemy następujące równanie biegunowe:
r = 3a sin 0 cos 0 sin*0+cos*0
Ponieważ jedna pętla krzywej odpowiada kątom 0 od 0 do itf2, to w myśl wzoru (9) będzie
ir fi
9<P f sin20 cosł0
|P1 = f —-
2 J (sin10+cos20)2
O
Zastępując sin 0 przez tg 9- cos 0, doprowadzimy wyrażenie podcałkowe do postaci
d9.
tg20 </( tg 0)
(l+tg10)2 '
a stąd od razu znajdujemy funkcję pierwotną
1
1
1
cos 10
3 l+tg10