Нахождение площади криволинейной трапеции

Фигура, ограниченная графиком непрерывной неотрицательной на отрезке $[a;b]$ функции $f(x)$ и прямыми $y=0, \ x=a$ и $x=b$, называется криволинейной трапецией.

Площадь соответствующей криволинейной трапеции вычисляется по формуле:

$S=\int\limits_{a}^{b}{f(x)dx}.$ (*)

Задачи на нахождение площади криволинейной трапеции мы будем условно делить на $4$ типа. Рассмотрим каждый тип подробнее.

I тип: криволинейная трапеция задана явно. Тогда сразу применяем формулу (*).

Например, найти площадь криволинейной трапеции, ограниченной графиком функции $y=4-(x-2)^{2}$, и прямыми $y=0, \ x=1$ и $x=3$.

Нарисуем эту криволинейную трапецию.

Искомая областьПрименяя формулу (*), найдём площадь этой криволинейной трапеции.

$S=\int\limits_{1}^{3}{\left(4-(x-2)^{2}\right)dx}=\int\limits_{1}^{3}{4dx}-\int\limits_{1}^{3}{(x-2)^{2}dx}=4x|_{1}^{3} – \left.\frac{(x-2)^{3}}{3}\right|_{1}^{3}=$

$=4(3-1)-\frac{1}{3}\left((3-2)^{3}-(1-2)^{3}\right)=4 \cdot 2 – \frac{1}{3}\left((1)^{3}-(-1)^{3}\right) = 8 – \frac{1}{3}(1+1) =$

$=8-\frac{2}{3}=7\frac{1}{3}$ (ед.$^{2}$).

II тип: криволинейная трапеция задана неявно. У этого случая обычно не задаются или задаются частично прямые $x=a, \ x=b$. В этом случае нужно найти точки пересечения функций $y=f(x)$ и $y=0$. Эти точки и будут точками $a$ и $b$.

Например, найти площадь фигуры, ограниченной графиками функций $y=1-x^{2}$ и $y=0$.

Найдём точки пересечения. Для этого приравняем правые части функций.

$1-x^{2}=0$

$x^{2}=1$

$x=\pm 1$

Таким образом, $a=-1$, а $b=1$. Нарисуем эту криволинейную трапецию.

Искомая областьНайдём площадь этой криволинейной трапеции.

$S=\int\limits_{-1}^{1}{\left(1-x^{2}\right)dx}=\int\limits_{-1}^{1}{1dx}-\int\limits_{-1}^{1}{x^{2}dx}=x|_{-1}^{1} – \left.\frac{x^{3}}{3}\right|_{-1}^{1}=$

$=(1-(-1))-\frac{1}{3}\left(1^{3}-(-1)^{3}\right)=2 – \frac{1}{3}\left(1+1\right) = 2 – \frac{2}{3} = 1\frac{1}{3}$ (ед.$^{2}$).

III тип: площадь фигуры, ограниченной пересечением двух непрерывных неотрицательных функций. Эта фигура не будет криволинейной трапецией, а значит с помощью формулы (*) её площадь не вычислишь. Как же быть? Оказывается, площадь этой фигуры можно найти как разность площадей криволинейных трапеций, ограниченных верхней функцией и $y=0$ ($S_{uf}$), и нижней функцией и $y=0$ ($S_{lf}$), где в роли $x=a, \ x=b$ выступают координаты по $x$ точек пересечения данных функций, т.е.

$S=S_{uf}-S_{lf}$. (**)

Самое главное при вычислении таких площадей – не “промахнуться” с выбором верхней и нижней функции.

Например, найти площадь фигуры, ограниченной функциями $y=x^{2}$ и $y=x+6$.

Найдём точки пересечения этих графиков:

$x^{2}=x+6$

$x^{2}-x-6=0$

По теореме Виета,

$x_{1}=-2, \ x_{2}=3.$

То есть, $a=-2, \ b=3$. Изобразим фигуру:

Искомая областьТаким образом, верхняя функция – $y=x+6$, а нижняя – $y=x^{2}$. Далее, найдём $S_{uf}$ и $S_{lf}$ по формуле (*).

$S_{uf}=\int\limits_{-2}^{3}{(x+6)dx}=\int\limits_{-2}^{3}{xdx}+\int\limits_{-2}^{3}{6dx}=\left.\frac{x^{2}}{2}\right|_{-2}^{3} + 6x|_{-2}^{3}= 32,5$ (ед.$^{2}$).

$S_{lf}=\int\limits_{-2}^{3}{x^{2}dx}=\left.\frac{x^{3}}{3}\right|_{-2}^{3} = \frac{35}{3}$ (ед.$^{2}$).

Подставим найденное в (**) и получим:

$S=32,5-\frac{35}{3}= \frac{125}{6}$ (ед.$^{2}$).

IV тип: площадь фигуры, ограниченной функцией (-ями), не удовлетворяющей(-ими) условию неотрицательности. Для того, чтобы найти площадь такой фигуры нужно симметрично относительно оси $Ox$ (иными словами, поставить “минусы” перед функциями) отобразить область и с помощью способов, изложенных в типах I – III, найти площадь отображённой области. Эта площадь и будет искомой площадью. Предварительно, возможно, вам придётся найти точки пересечения графиков функций.

Например, найти площадь фигуры, ограниченной графиками функций $y=x^{2}-1$ и $y=0$.

Найдём точки пересечения графиков функций:

$x^{2}-1=0.$

$x= \pm 1,$

т.е. $a=-1$, а $b=1$. Начертим область.

Искомая областьСимметрично отобразим область:

$y=0 \ \Rightarrow \ y=-0=0$

$y=x^{2}-1 \ \Rightarrow \ y= -(x^{2}-1) = 1-x^{2}$.

 Получится криволинейная трапеция, ограниченная графиком функции $y=1-x^{2}$ и $y=0$. Это задача на нахождение криволинейной трапеции второго типа. Мы её уже решали. Ответ был такой:  $S= 1\frac{1}{3}$ (ед.$^{2}$). Значит, площадь искомой криволинейной трапеции равна:

$S=1\frac{1}{3}$ (ед.$^{2}$).