Застряли на этом? Решите с помощью ИИ
Calculus · real student question

Фигура ограничена окружностями x² + y² − 7y = 0 и x² + y² − 9y = 0 и прямыми y = x/√3 и x = 0. Записать интеграл для её площади в полярных координатах и найти площадь.

Question

Плоская фигура ограничена линиями

x2+y2−7y=0,x2+y2−9y=0,y=x3,x=0.x^2+y^2-7y=0,\qquad x^2+y^2-9y=0,\qquad y=\frac{x}{\sqrt{3}},\qquad x=0.

Записать интеграл, дающий её площадь в полярных координатах (r,φ)(r,\varphi), и вычислить его.

Step-by-step solution

  1. Переводим обе окружности в полярный вид. Подстановка x=rcos⁡φx=r\cos\varphi, y=rsin⁡φy=r\sin\varphi превращает x2+y2x^2+y^2 в r2r^2, поэтому x2+y2−7y=0x^2+y^2-7y=0 переходит в r2−7rsin⁡φ=0r^2-7r\sin\varphi=0, то есть r(r−7sin⁡φ)=0r(r-7\sin\varphi)=0. Отбрасывая полюс r=0r=0, получаем r=7sin⁡φr=7\sin\varphi; та же выкладка для второй окружности даёт r=9sin⁡φr=9\sin\varphi. Обе линии — окружности, проходящие через начало координат, с центрами на оси yy, поэтому в нашей области радиус меняется от меньшей к большей:

    7sin⁡φ≤r≤9sin⁡φ.7\sin\varphi \le r \le 9\sin\varphi.

  2. Переводим обе прямые в углы. Прямая, проходящая через начало координат, в полярных координатах задаётся одним лучом φ=const\varphi=\text{const}. Прямая x=0x=0 — это ось yy, значит φ=π2\varphi=\tfrac{\pi}{2}. Для y=x3y=\tfrac{x}{\sqrt3} подставим полярные выражения: rsin⁡φ=rcos⁡φ3r\sin\varphi=\tfrac{r\cos\varphi}{\sqrt3}, откуда tan⁡φ=13\tan\varphi=\tfrac{1}{\sqrt3} и φ=π6\varphi=\tfrac{\pi}{6}. Следовательно, угол пробегает

    π6≤φ≤π2.\frac{\pi}{6}\le\varphi\le\frac{\pi}{2}.

  3. Составляем интеграл площади. Элемент площади в полярных координатах равен dS=r dr dφdS=r\,dr\,d\varphi — лишний множитель rr есть якобиан перехода, и именно про него забывают чаще всего. С найденными пределами

    S=∫π/6π/2∫7sin⁡φ9sin⁡φr dr dφ.S=\int_{\pi/6}^{\pi/2}\int_{7\sin\varphi}^{9\sin\varphi} r\,dr\,d\varphi.

  4. Берём внутренний интеграл по rr. Подынтегральная функция равна просто rr, поэтому внутренний интеграл сводится к разности квадратов — благодаря этому множитель sin⁡2φ\sin^2\varphi аккуратно выносится:

    ∫7sin⁡φ9sin⁡φr dr=(9sin⁡φ)2−(7sin⁡φ)22=81−492sin⁡2φ=16sin⁡2φ.\int_{7\sin\varphi}^{9\sin\varphi} r\,dr=\frac{(9\sin\varphi)^2-(7\sin\varphi)^2}{2}=\frac{81-49}{2}\sin^2\varphi=16\sin^2\varphi.

  5. Интегрируем по φ\varphi, понижая степень. У sin⁡2φ\sin^2\varphi нет очевидной первообразной, поэтому запишем его как sin⁡2φ=1−cos⁡2φ2\sin^2\varphi=\tfrac{1-\cos 2\varphi}{2}:

    S=∫π/6π/216sin⁡2φ dφ=8∫π/6π/2(1−cos⁡2φ) dφ=8[φ−sin⁡2φ2]π/6π/2.S=\int_{\pi/6}^{\pi/2}16\sin^2\varphi\,d\varphi=8\int_{\pi/6}^{\pi/2}(1-\cos 2\varphi)\,d\varphi=8\left[\varphi-\frac{\sin 2\varphi}{2}\right]_{\pi/6}^{\pi/2}.

  6. Подставляем пределы. При φ=π2\varphi=\tfrac{\pi}{2}: π2−sin⁡π2=π2\tfrac{\pi}{2}-\tfrac{\sin\pi}{2}=\tfrac{\pi}{2}. При φ=π6\varphi=\tfrac{\pi}{6}: π6−12sin⁡π3=π6−34\tfrac{\pi}{6}-\tfrac{1}{2}\sin\tfrac{\pi}{3}=\tfrac{\pi}{6}-\tfrac{\sqrt3}{4}. Вычитаем и умножаем на 88:

    S=8(π2−π6+34)=8⋅π3+23=8π3+23≈11.84.S=8\left(\frac{\pi}{2}-\frac{\pi}{6}+\frac{\sqrt3}{4}\right)=8\cdot\frac{\pi}{3}+2\sqrt3=\frac{8\pi}{3}+2\sqrt3\approx 11.84.

    Численный подсчёт того же интеграла даёт 11.841711.8417, так что точная формула верна.

Answer

S=∫π/6π/2∫7sin⁡φ9sin⁡φr dr dφ=8π3+23≈11.84S=\int_{\pi/6}^{\pi/2}\int_{7\sin\varphi}^{9\sin\varphi} r\,dr\,d\varphi=\frac{8\pi}{3}+2\sqrt{3}\approx 11.84

Need to solve a different problem like this? Open the solver →