Проанализируйте разность подходов при определении площади сложной фигуры: метод интегрирования по ординате против разбиения на простые фигуры; приведите пример фигуры, где один метод даст значительно проще вычисления, и объясните почему
Коротко о различиях: - Интегрирование по ординате (по yyy) удобно, если границы фигуры задаются явно как x=g1(y)x=g_1(y)x=g1(y) и x=g2(y)x=g_2(y)x=g2(y) (левый/правый контуры). Тогда площадь выражается одной интегральной формулой A=∫y1y2(g2(y)−g1(y)) dy\displaystyle A=\int_{y_1}^{y_2}\big(g_2(y)-g_1(y)\big)\,dyA=∫y1y2(g2(y)−g1(y))dy. - Разбиение на простые фигуры удобно, когда границы — отрезки/треугольники/круги и можно точно покрыть фигуру конечным числом таких частей; для криволинейных краёв это либо громоздко, либо даёт приближение. - Интегрирование по абсциссе (по xxx) предпочтительнее, если границы заданы как y=f1(x)y=f_1(x)y=f1(x), y=f2(x)y=f_2(x)y=f2(x). Часто при выборе «вертикальных» сечений требуется разбиение области по значениям xxx (несколько интегралов), тогда вычисления усложняются. Пример, где интегрирование по yyy заметно проще: Рассмотрим область DDD, ограниченную кривыми x=y2иx=2−y2.
x=y^2\quad\text{и}\quad x=2-y^2. x=y2иx=2−y2.
Точки пересечения при y2=2−y2y^2=2-y^2y2=2−y2 дают y=±1y=\pm1y=±1. Площадь через интегрирование по yyy: A=∫−11((2−y2)−y2) dy=∫−11(2−2y2) dy=[2y−23y3]−11=83.
A=\int_{-1}^{1}\big((2-y^2)-y^2\big)\,dy=\int_{-1}^{1}(2-2y^2)\,dy = \Big[2y-\tfrac{2}{3}y^3\Big]_{-1}^{1}=\tfrac{8}{3}. A=∫−11((2−y2)−y2)dy=∫−11(2−2y2)dy=[2y−32y3]−11=38.
Если пытаться интегрировать по xxx, нужно разделить область на два участка по xxx (в точке x=1x=1x=1), поскольку для 0≤x≤10\le x\le10≤x≤1 вертикальная сечение даёт y∈[−x,x]y\in[-\sqrt{x},\sqrt{x}]y∈[−x,x], а для 1≤x≤21\le x\le21≤x≤2 — y∈[−2−x,2−x]y\in[-\sqrt{2-x},\sqrt{2-x}]y∈[−2−x,2−x]. Тогда A=∫012x dx+∫1222−x dx,
A=\int_{0}^{1}2\sqrt{x}\,dx+\int_{1}^{2}2\sqrt{2-x}\,dx, A=∫012xdx+∫1222−xdx,
что требует двух интегралов (хотя в итоге даёт тот же результат 83\tfrac{8}{3}38). Поэтому в этом примере интегрирование по yyy короче и нагляднее: границы заданы как функции x=g(y)x=g(y)x=g(y), и требуется один интеграл, тогда как по xxx нужен разбиение по интервалам.
- Интегрирование по ординате (по yyy) удобно, если границы фигуры задаются явно как x=g1(y)x=g_1(y)x=g1 (y) и x=g2(y)x=g_2(y)x=g2 (y) (левый/правый контуры). Тогда площадь выражается одной интегральной формулой A=∫y1y2(g2(y)−g1(y)) dy\displaystyle A=\int_{y_1}^{y_2}\big(g_2(y)-g_1(y)\big)\,dyA=∫y1 y2 (g2 (y)−g1 (y))dy.
- Разбиение на простые фигуры удобно, когда границы — отрезки/треугольники/круги и можно точно покрыть фигуру конечным числом таких частей; для криволинейных краёв это либо громоздко, либо даёт приближение.
- Интегрирование по абсциссе (по xxx) предпочтительнее, если границы заданы как y=f1(x)y=f_1(x)y=f1 (x), y=f2(x)y=f_2(x)y=f2 (x). Часто при выборе «вертикальных» сечений требуется разбиение области по значениям xxx (несколько интегралов), тогда вычисления усложняются.
Пример, где интегрирование по yyy заметно проще:
Рассмотрим область DDD, ограниченную кривыми
x=y2иx=2−y2. x=y^2\quad\text{и}\quad x=2-y^2.
x=y2иx=2−y2. Точки пересечения при y2=2−y2y^2=2-y^2y2=2−y2 дают y=±1y=\pm1y=±1. Площадь через интегрирование по yyy:
A=∫−11((2−y2)−y2) dy=∫−11(2−2y2) dy=[2y−23y3]−11=83. A=\int_{-1}^{1}\big((2-y^2)-y^2\big)\,dy=\int_{-1}^{1}(2-2y^2)\,dy
= \Big[2y-\tfrac{2}{3}y^3\Big]_{-1}^{1}=\tfrac{8}{3}.
A=∫−11 ((2−y2)−y2)dy=∫−11 (2−2y2)dy=[2y−32 y3]−11 =38 . Если пытаться интегрировать по xxx, нужно разделить область на два участка по xxx (в точке x=1x=1x=1), поскольку для 0≤x≤10\le x\le10≤x≤1 вертикальная сечение даёт y∈[−x,x]y\in[-\sqrt{x},\sqrt{x}]y∈[−x ,x ], а для 1≤x≤21\le x\le21≤x≤2 — y∈[−2−x,2−x]y\in[-\sqrt{2-x},\sqrt{2-x}]y∈[−2−x ,2−x ]. Тогда
A=∫012x dx+∫1222−x dx, A=\int_{0}^{1}2\sqrt{x}\,dx+\int_{1}^{2}2\sqrt{2-x}\,dx,
A=∫01 2x dx+∫12 22−x dx, что требует двух интегралов (хотя в итоге даёт тот же результат 83\tfrac{8}{3}38 ). Поэтому в этом примере интегрирование по yyy короче и нагляднее: границы заданы как функции x=g(y)x=g(y)x=g(y), и требуется один интеграл, тогда как по xxx нужен разбиение по интервалам.