Каталог :: Математика

Реферат: Площадь поверхности тел вращения

                                    МПС  РФ                               
Омский Государственный Университет Путей Сообщения
        Р Е Ф Е Р А Т                                                    
                              
  «Определение площади тела вращения с помощью определенного интеграла.»  
     
                                                            выполнила:        
                                                             студентка группы 29 Г
                                                       Митрохина Анна
                                                          Проверил :          
     Гателюк О.В.
                                      Омск                                      
2000г.
     ИНТЕГРАЛ (от лат. Integer - целый) - одно из важнейших
понятий математики, возникшее в связи с потребностью, с одной стороны
отыскивать функции по их производным (например, находить функцию, выражающую
путь, пройденный движущейся точкой, по скорости этой точки), а с другой -
измерять площади, объемы, длины дуг, работу сил за определенный промежуток
времени и т. п.
     СВЕДЕНИЯ ИЗ ИСТОРИИ О ПРОИСХОЖДЕНИИ ТЕРМИНОВ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
Символ введен
Лейбницем (1675 г.). Этот знак является изменением латинской буквы  S  (первой
буквы слова сумма). Само слово интеграл придумал                Я. Бернулли
(1690 г.). Вероятно, оно происходит от латинского integero, которое переводится
как приводить в прежнее состояние, восстанавливать. (Действительно, операция
интегрирования “восстанавливает” функцию, дифференцированием которой получена
подынтегральная функция.) Возможно происхождение слова интеграл иное: слово
integer означает целый.
В ходе переписки И. Бернулли и Г. Лейбниц согласились с предложением Я.
Бернулли. Тогда же , в 1696г., появилось и название новой ветви математики -
интегральное исчисление (calculus integralis), которое ввел И. Бернулли.
   Самое важное из истории      интегрального исчисления!   
Возникновение задач интегрального исчисления связано с нахождением площадей и
объемов. Ряд задач такого рода был решен математиками древней Греции. Античная
математика предвосхитила идеи интегрального исчисления в значительно
большей степени, чем дифференциального исчисления. Большую роль при
решении таких задач играл исчерпывающий метод, созданный  Евдоксом
Книдским (ок. 408 - ок. 355 до н. э.) и широко применявшийся Архимедом
(ок. 287 - 212 до н. э.).
Однако Архимед не выделил общего содержания интеграционных приемов и
понятий об интеграле, а тем более не создал алгоритма интегрального исчисления.
Ученые Среднего и Ближнего Востока в IX - XV веках изучали и переводили труды 
Архимеда на общедоступный в их среде арабский язык, но существенно новых
результатов в интегральном исчислении они не получили.
Деятельность европейских ученых в это время была еще более скромной. Лишь в XVI
и XVII веках развитие естественных наук поставило перед математикой Европы ряд
новых задач, в частности задачи на нахождение квадратур 
(задачи на вычисление площадей фигур), кубатур (задачи на
вычисление объемов тел) и определение центров тяжести .
     

Труды Архимеда, впервые изданные в 1544 (на латинском и греческом языках), стали привлекать широкое внимание, и их изучение явилось одним из важнейших отправных пунктов развития интегрального исчисления. Архимед предвосхитил многие идеи интегрального исчисления. Но потребовалось более полутора тысяч лет, прежде чем эти идеи нашли четкое выражение и были доведены до уровня исчисления.

Математики XVII столетия, получившие многие новые результаты, учились на трудах Архимеда. Активно применялся и другой метод - метод неделимых, который также зародился в Древней Греции. Например, криволинейную трапецию они представляли себе составленной из вертикальных отрезков длиной f(x) , которым тем не менее приписывали площадь, равную бесконечно малой величине f(x)dx. В соответствии с таким пониманием искомая площадь считалась равной сумме S = бесконечно большого числа бесконечно малых площадей. Иногда даже подчеркивалось, что отдельные слагаемые в этой сумме - нули, но нули особого рода, которые сложенные в бесконечном числе, дают вполне определенную положительную сумму. На такой кажущейся теперь по меньшей мере сомнительной основе И. Кеплер (1571 - 1630 гг.) в своих сочинениях “Новая астрономия” (1609 г.) и “Стереометрия винных бочек” (1615 г.) правильно вычислил ряд площадей (например площадь фигуры, ограниченной эллипсом) и объемов (тело резалось на бесконечно тонкие пластинки). Эти исследования были продолжены итальянскими математиками Б. Кавальери (1598 - 1647 годы) и Э. Торричелли (1608 -1647 годы). В XVII веке были сделаны многие открытия, относящиеся к интегральному исчислению. Так, П. Ферма уже в 1629 году решил задачу квадратуры любой кривой y = , где N - целое (т. е. вывел формулу ), и на этой основе решил ряд задач на нахождение центров тяжести. И. Кеплер при выводе своих знаменитых законов движения планет, фактически опирался на идею приближенного интегрирования. И. Барроу (1603-1677 года), учитель Ньютона, близко подошел к пониманию связи интегрирования и дифференцирования. Большое значение имели работы по представлению функции в виде степенных рядов.

Однако при всей значимости результатов, полученных математиками XVII столетия, исчисления еще не было. Необходимо было выделить общие идеи, лежащие в основе решения многих частных задач, а также установить связь операций дифференцирования и интегрирования, дающую достаточно точный алгоритм. Это сделали Ньютон и Лейбниц, открывшие независимо друг от друга факт, известный вам под названием формулы Ньютона - Лейбница. Тем самым окончательно оформился общий метод. Предстояло еще научиться находить первообразные многих функций, дать логические основы нового исчисления и т. п. Но главное уже было сделано: дифференциальное и интегральное исчисление создано. Методы математического анализа активно развивались в следующем столетии (в первую очередь следует назвать имена Л. Эйлера, завершившего систематическое исследование интегрирования элементарных функций, и И. Бернулли). В развитии интегрального исчисления приняли участие русские математики М. В. Остроградский (1801 - 1862 гг.), В. Я. Буняковский (1804 - 1889 гг.), П. Л. Чебышев (1821 - 1894 гг.). Принципиальное значение имели, в частности, результаты Чебышева, доказавшего, что существуют интегралы, не выразимые через элементарные функции. Строгое изложение теории интеграла появилось только в прошлом веке, Решение этой задачи связано с именами О. Коши, одного из крупнейших математиков немецкого ученого Б. Римана (1826 - 1866 гг.), французского математика Г. Дарбу (1842 - 1917). Ответы на многие вопросы, связанные с существованием площадей и объемов фигур, были получены с созданием К. Жорданом (1826 - 1922 гг.) теории меры.

Различные обобщения понятия интеграла уже в начале нашего столетия были предложены французскими математиками А. Лебегом (1875 - 1941 гг.) и А. Данжуа (1884 - 1974) советским математиком А. Я. Хичиным (1894 -1959 гг.) ПОВЕРХНОСТЬ ТЕЛА ВРАЩЕНИЯ. Пусть дана поверхность, образованная вращением кривой y=f(x) вокруг оси Ох.
Определим площадь этой поверхности на участке а ≤ х ≤ b. Функцию f(x) предположим непрерывной и имеющей непрерывную производную во всех точках отрезка [a;b]. Проведем хорды АМ1, М1М2 ,..Мn-1B длины которых обозначим через ΔS1, ΔS 2. ΔSn (рис. 1). Каждая хорда длины ΔSi (i=1,2,..n) при вращении опишет усеченный конус, поверхность которого ΔP i равна: Применяя теорему Лагранжа получим: ,где Следовательно Поверхность, описанная ломанной, будет равна сумме , или сумме , (1) распространенной на все звенья ломаной. Предел этой суммы, когда наибольшее звено ломаной ΔSi стремится к нулю, называется площадью, рассматриваемой поверхности вращения. Сумма (1) не является интегральной суммой для функции (2) , так как в слагаемом, соответствующем отрезку [xi-1, xi ], фигурирует несколько точек этого отрезка xi-1, xii.. Но можно доказать, что предел суммы (1) равняется пределу интегральной суммы для функции (2), т.е. или (3) Формула (3) определяет площадь Р поверхности теля вращения возникающего в результате вращения вокруг оси x кривой, заданной на отрезке а ≤ x ≤ b неотрицательной, непрерывно дифференцируемой функцией f(x). Если вращающаяся кривая задана параметрически: x=φ(t), y=ψ(t) (t0 ≤ t ≤ t1) то формула (3) имеет вид, (3/)