احسب المساحة المحصورة بمنحنى مُعطى بواسطة معادلة قطبية؛ يتم تقديم أمثلة وحلولها المفصلة.
صيغة المساحة في الإحداثيات القطبية
المساحة المحدودة بمنحنى ذي معادلة قطبية \( r(\theta) \) والأشعة \( \theta = \theta_1 \) و \( \theta = \theta_2 \) تُعطى بالصيغة [1] [2] [3]:
الأمثلة والحلول
المثال 1
استخدم الصيغة المذكورة أعلاه لإيجاد مساحة الدائرة المحصورة بالمنحنى \( r(\theta) = 2 \sin(\theta) \) والذي يظهر رسمه البياني أدناه، وقارن النتيجة بصيغة مساحة الدائرة القياسية \( \pi r^2 \)، حيث \( r \) هو نصف القطر.
الحل للمثال 1
لاحظ أن الدائرة تُمَسَح بالأشعة \( \theta = \theta_1 \) و \( \theta = \theta_2 \)، وعلينا إيجاد \( \theta_1 \) و \( \theta_2 \).
تبدأ الدائرة من نقطة الأصل (\( r(\theta) = 0 \)) وتنتهي عند نقطة الأصل (\( r(\theta) = 0 \)). ومن ثم، تُوجَد الزاويتان \( \theta_1 \) و \( \theta_2 \) بحل المعادلة \( r(\theta) = 0 \):
مما يعطي الحلول:
مساحة الدائرة \( A \) تُعطى بـ:
استخدم المطابقة المثلثية \( \sin^2 \theta = \dfrac{1}{2}(1 - \cos(2\theta)) \):
مساحة الدائرة المعطاة التي نصف قطرها \( 1 \) تطابق الصيغة القياسية \( \pi \cdot r^2 = \pi \cdot 1^2 = \pi \).
المثال 2
أوجد مساحة المنطقة المحصورة بالمنحنى \( r(\theta) = \sin(3\theta) \) والذي يظهر رسمه البياني أدناه.
الحل للمثال 2
بسبب تناظر الرسم البياني، نجد المساحة المحصورة بعروة واحدة ونضرب النتيجة في 3.
تبدأ العروة الموجودة على اليمين وتنتهي عند نقطة الأصل (\( r(\theta) = 0 \)). بحل المعادلة \( \sin(3\theta) = 0 \):
بالنسبة للعروة الأولى في الربع الأول:
مساحة العروة الواحدة هي:
المساحة الكلية للعروات الثلاث هي:
المثال 3
أوجد مساحة المنطقة المشتركة بين المنحنيين \( r_1(\theta) = \sin(\theta) \) و \( r_2(\theta) = 0.5(1 + \cos(2\theta)) \) كما هو موضح أدناه.
الحل للمثال 3
بسبب التناظر، نجد مساحة السطح المحصور بين المنحنيين على اليمين ونضرب في 2.
تتكون المساحة من جزأين، \( A_1 \) و \( A_2 \):
حدود التكامل:
- \( \theta_1 = 0 \) (حيث \( r_1(\theta) = 0 \))
- \( \theta_3 = \dfrac{\pi}{2} \) (حيث \( r_2(\theta) = 0 \))
- \( \theta_2 \) هي نقطة التقاطع: \( \sin(\theta) = 0.5(1 + \cos(2\theta)) \). باستخدام \( \cos(2\theta) = 1 - 2\sin^2\theta \)، نحصل على \( \sin^2\theta + \sin\theta - 1 = 0 \)، مما ينتج \( \sin\theta = \dfrac{-1+\sqrt{5}}{2} \approx 0.61803 \)، لذا \( \theta_2 = \arcsin\left(\dfrac{\sqrt{5}-1}{2}\right) \approx 0.66624 \).
حساب التكاملات:
مساحة التقاطع الكلية \( A = 2(A_1 + A_2) \approx 2(0.0450915 + 0.0409645) = 0.172112 \).
المزيد من المراجع والروابط
- University Calculus - Early Transcendental - Joel Hass, Maurice D. Weir, George B. Thomas, Jr., Christopher Heil - ISBN-13: 978-0134995540
- Calculus - Gilbert Strang - MIT - ISBN-13: 978-0961408824
- Calculus - Early Transcendental - James Stewart - ISBN-13: 978-0-495-01166-8
- الإحداثيات والمعادلات القطبية
- نظرة عامة على الإحداثيات القطبية
- تحويل الإحداثيات القطبية إلى ديكارتية - حاسبة
- تحويل الإحداثيات الديكارتية إلى قطبية - حاسبة