Matematika/Kreiviniai integralai

Šis straipsnis yra apie pirmojo ir antrojo tipo kreivinius integralus.

Pirmojo tipo kreivinis integralas

Pirmojo tipo kreivinis integralas naudojamas dvimačio ar trimačio lanko masės apskaičiavimui. Galima apskaičiuoti masę, kai ji pastovi ar kai kinta pagal tam tikrą funkciją. Jeigu masė pastovi, tai jos skaičiavimas sutampa su lanko ilgio skaičiavimu.

• $ds=\sqrt{1+y{\text{'}}^2}dx,$ kai kreivė L apibrėžta lygtimi y=y(x), o $a\le x\le b.$

${\int }_{L}f(x,y)ds={\int }_a^{b}f(x,y(x))\sqrt{1+(y^{\prime }(x){)}^2}dx.$

• Kai kreivė L apibrėžta parametrinėmis lygtimis $x=x(t),$ $y=y(t),$ $t\in [t_0;T],$ tai $ds=\sqrt{x_t{\text{'}}^2+y_t{\text{'}}^2}dt,$ todėl

${\int }_{L}f(x,y)ds={\int }_{t_0}^{T}f(x(t),y(t))\sqrt{x_t{\text{'}}^2+y_t{\text{'}}^2}dt.$

• Kai prametrinėmis lygtimis $x=x(t),$ $y=y(t),$ $z=z(t),$ $t\in [t_0;T]$ apibrėžta erdvinė kreivė L, tai

${\int }_{L}f(x,y,z)ds={\int }_{t_0}^{T}f(x(t),y(t),z(t))\sqrt{x_t{\text{'}}^2+y_t{\text{'}}^2+z_t{\text{'}}^2}dt.$

• Kai kreivė L polinėje koordinačių sistemoje apibrėžta lygtimi $\rho =\rho (\varphi ),$ $\varphi \in [\alpha ;\beta ]$ tai $ds=\sqrt{{\rho }^2+\rho {\text{'}}^2}d\varphi$ ir

${\int }_{L}f(x,y)ds={\int }_{\alpha }^{\beta }f(\rho \cos \varphi ,\rho \sin \varphi )\sqrt{{\rho }^2+\rho {\text{'}}^2}d\varphi .$

Pavyzdžiai

• Apskaičiuokime integralą ${\int }_L(x+\sqrt{y})ds,$ kai L - prabolės $y=\frac{1}{2}{x}^2$ lankas nuo taško (0; 0) iki taško (1; 1/2).

Remdamiesi sąlyga $y=\frac{1}{2}{x}^2,$ randame y'=x, $ds=\sqrt{1+x^2}.$ Pritaikę pirmą formulę, gauname

${\int }_L(x+\sqrt{y})ds={\int }_0^1(x+\frac{1}{\sqrt{2}}x)\sqrt{1+x^2}dx=(1+\frac{1}{\sqrt{2}}){\int }_0^{1}x\sqrt{1+x^2}dx=$ $=\frac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}}{\int }_0^1\sqrt{1+x^2}\frac{d(1+x^2)}{2}=\frac{\sqrt{2}+1}{3\sqrt{2}}\sqrt{(1+x^2{)}^3}{|}_0^1=\frac{\sqrt{2}+1}{3\sqrt{2}}(2\sqrt{2}-1)=\frac{4-1+2\sqrt{2}-\sqrt{2}}{3\sqrt{2}}=\frac{3+\sqrt{2}}{3\sqrt{2}}=\frac{1}{6}(2+3\sqrt{2}),$

kur $d(1+x^2)=2xdx;$ $dx=\frac{d(1+x^2)}{2x}.$

• Apskaičiuosime kreivinį integralą ${\int }_{AB}ydl,$ kur AB - parabolės $y^2=2x$ lankas nuo taško (0; 0) iki taško (2; 2).

Turime

$y=\sqrt{2x},y^{\prime }=\frac{1}{\sqrt{2x}},dl=\sqrt{1+y{\text{'}}^2}dx=\sqrt{1+\frac{1}{2x}}dx.$ Pagal pirmą formulę gauname ${\int }_{AB}ydl={\int }_0^2\sqrt{2x}\sqrt{1+\frac{1}{2x}}dx={\int }_0^2\sqrt{2x+1}dx={\int }_0^2\sqrt{2x+1}\frac{d(2x+1)}{2}=\frac{(2x+1{)}^{\frac{3}{2}}}{3}{|}_0^2=\frac{5\sqrt{5}-1}{3}.$

• Apskaičiuokime kreivės $y^2=\frac{4}{9}{x}^3,$ $(x\in [3;8])$ lanko L masę, kai tankis kreivės taške yra tiesiog proporcingas to taško ordinatei (y) ir atvirkščiai proporcingas kvadratinei šakniai iš to taško abscisės ($1/x^{1/2}$), be to, taške $(4;\frac{16}{3})$ jo (tankio) reikšmė lygi 8 g/cm.

Kreivės lanko masę, kai to lanko tankis lygus $\gamma (x,y)$, apskaičiuosime pagal formulę $m={\int }_L\gamma (x,y)ds.$

Pagal uždavinio sąlyga, tankis lygus $\gamma (x,y)=\frac{ky}{\sqrt{x}};$ čia k - proporcingumo koeficientas. Kadangi $\gamma =8$, kai $x=4,$ $y=\frac{16}{3},$ tai iš lygybės $8=k\frac{\frac{16}{3}}{\sqrt{4}}=\frac{8k}{3}$ gauname: k=3. Tuomet, pagal formule,

$m={\int }_L\gamma (x,y)ds=3{\int }_L\frac{y}{\sqrt{x}}ds.$

Norėdami apskaičiuoti šį integralą, taikysime pirmą formulę. Iš sąlygos $y=\frac{2}{3}x\sqrt{x}$ turime $y^{\prime }=\sqrt{x}$ ir $ds=\sqrt{1+(y^{\prime }{)}^2}dx=\sqrt{1+x}dx.$

Tuomet

$m=3{\int }_3^8\frac{\frac{2}{3}x\sqrt{x}}{\sqrt{x}}\sqrt{1+x}dx=2{\int }_3^{8}x\sqrt{1+x}dx=4{\int }_2^3(t^2-1)t^{2}dt=4(\frac{t^5}{5}-\frac{t^3}{3}){|}_2^3=$

$=4[\frac{243}{5}-9-(\frac{32}{5}-\frac{8}{3})]=4(\frac{211}{5}-\frac{19}{3})=\frac{2152}{15}(g)=143.4(6)(g),$

kur $\sqrt{1+x}=t,$ $1+x=t^2,$ $x=t^2-1,$ $dx=2tdt,$ $t_1=2,$ $t_2=3.$

Arba galėjome apskaičiuoti integruodami dalimis:

$m=2{\int }_3^{8}x\sqrt{1+x}dx=2x\cdot \frac{2}{3}(1+x{)}^{\frac{3}{2}}{|}_3^8-2{\int }_3^8\frac{2}{3}(1+x{)}^{\frac{3}{2}}dx=$

$=\frac{4}{3}x(1+x)\sqrt{1+x}{|}_3^8-\frac{4}{3}\cdot \frac{2}{5}(1+x{)}^{\frac{5}{2}}{|}_3^8=(\frac{32}{3}\cdot 9\cdot 3-4\cdot 4\cdot 2)-(\frac{8}{15}\cdot 3^5-\frac{8}{15}\cdot 2^5)=$

$=(288-32)-(\frac{1994}{15}-\frac{256}{15})=256-\frac{1688}{15}=\frac{2152}{15}(g)=143.4(6)(g),$

kur $u=x,$ $dv=\sqrt{1+x},$ $du=dx,$ $v=\int (1+x{)}^{0.5}dx=\frac{2}{3}(1+x{)}^{\frac{3}{2}}.$

cikloidė

• Apskaičiuokime integralą ${\int }_{L}xds,$ kai L - pirmoji cikloidės $x=a(t-\sin t),$ $y=a(1-\cos t)$ arka.

Taikome antrą formulę. Randame: ${x_t}^{\prime }=a(1-\cos t),$ ${y_t}^{\prime }=a\sin t,$ $ds=\sqrt{x_t{\text{'}}^2+y_t{\text{'}}^2}dt=\sqrt{a^2(1-\cos t{)}^2+a^2{\sin }^{2}t}dt=a\sqrt{1-2\cos t+{\cos }^2+{\sin }^{2}t}dt=$ $=a\sqrt{2-2\cos t}dt=a\sqrt{2-2(1-2{\sin }^2\frac{t}{2})}dt=2a\sin \frac{t}{2}dt.$ Tuomet ${\int }_{L}ds=2a^2{\int }_0^{2\pi }(t-\sin t)\sin \frac{t}{2}dt=2a^2({\int }_0^{2\pi }t\sin \frac{t}{2}dt-{\int }_0^{2\pi }\sin t\sin \frac{t}{2}dt).$

Pirmąjį integralą integruojame dalimis, pažymėdami $u=t,$ $dv=\sin \frac{t}{2}dt,$ $du=dt,$ $v=\int \sin \frac{t}{2}dt=-2\cos \frac{t}{2},$ gauname

${\int }_0^{2\pi }t\sin \frac{t}{2}dt=-2(t\cos \frac{t}{2}){|}_0^{2\pi }+2{\int }_0^{2\pi }\cos \frac{t}{2}dt=-2(2\pi (-1))+4\sin \frac{t}{2}{|}_0^{2\pi }=4\pi .$

Antrąjį integralą apskaičiuojame taikydami formulę $\sin t\sin \frac{t}{2}=(2\sin \frac{t}{2}\cos \frac{t}{2})\sin \frac{t}{2}=2{\sin }^2\frac{t}{2}\cos \frac{t}{2},$ $d(\sin \frac{t}{2})=\cos \frac{t}{2}d(\frac{t}{2}),d(\frac{t}{2})=\frac{1}{2}dt,dt=2d(\frac{t}{2}),$ reiškia

${\int }_0^{2\pi }\sin t\sin \frac{t}{2}dt={\int }_0^{2\pi }2{\sin }^2\frac{t}{2}\cos \frac{t}{2}2d(\frac{t}{2})=4{\int }_0^{2\pi }{\sin }^2\frac{t}{2}d(\sin \frac{t}{2})=\frac{4}{3}{\sin }^3\frac{t}{2}{|}_0^{2\pi }=0.$

Todėl bendras integralas lygus:

${\int }_{L}xds=2a^2(4\pi -0)=8\pi a^2.$

• Reikia apskaičiuoti integralą ${\int }_{AB}(x^2+y^2+z^2)ds$ pagal vieną viją susuktos linijos: $x=\cos t,$ $y=\sin t,$ $z=t,$ $0\le t\le 2\pi .$

Pagal trečią formulę gauname: ${\int }_{AB}(x^2+y^2+z^2)ds={\int }_0^{2\pi }({\cos }^{2}t+{\sin }^{2}t+t^2)\sqrt{(-\sin t{)}^2+(\cos t{)}^2+1}dt=\sqrt{2}{\int }_0^{2\pi }(1+t^2)dt=$ $=\sqrt{2}(t+\frac{t^3}{3}{|}_0^{2\pi }=2\sqrt{2}\pi (1+\frac{4{\pi }^2}{3}).$

• Apskaičiuosime integralą ${\int }_{AB}{x}^{2}ds,$ kur AB - dalis logoritminės kreivės $y=\ln x$ nuo $x=1$ iki $x=2.$

Pagal pirmą formulę ${\int }_{AB}{x}^{2}ds={\int }_1^2{x}^2\sqrt{1+\frac{1}{x^2}}dx={\int }_1^{2}x\sqrt{x^2+1}dx={\int }_1^{2}x\sqrt{x^2+1}\frac{d(x^2+1)}{2x}=\frac{1}{3}(1+x^2{)}^{\frac{3}{2}}{|}_{x=1}^{x=2}=$ $=\frac{1}{3}(5\sqrt{5}-2\sqrt{2}),$ kur $d(x^2+1)=2xdx.$

• Apskaičiuosime kreivinį integralą ${\int }_{AB}{y}^{2}dl,$ kur AB - dalis apskritimo $x=a\cos t,$ $y=a\sin t,$ $0\le t\le \frac{\pi }{2}.$

Kadangi

$y^2=a^2{\sin }^{2}t,$ $dl=\sqrt{a^2{\sin }^{2}t+a^2{\cos }^{2}t}dt=adt,$ tai pagal antrą formulę gauname ${\int }_{AB}{y}^{2}dl={\int }_0^{\pi /2}{a}^2{\sin }^{2}t\cdot adt=\frac{a^3}{2}{\int }_0^{\frac{\pi }{2}}(1-\cos (2t))dt=\frac{a^3}{2}(t-\frac{\sin (2t)}{2}){|}_0^{\frac{\pi }{2}}=\frac{a^3\pi }{4}.$

• Apskaičiuokime ${\int }_L(x+y)ds,$ kai L - apskritimas $x^2+y^2=ay,$ $(a>0).$

Integralą apskaičiuokime, Dekatro koordinates pakeitę polinėmis. Kreivės L lygtis šioje koordinačių sistemoje yra $\rho =a\sin \varphi ,$ $\varphi \in [0;\pi ].$ Randame ${\rho }^{\prime }=a\cos \varphi ,$ $ds=\sqrt{{\rho }^2+{\rho }_{\varphi }{\text{'}}^2}d\varphi =\sqrt{a{\sin }^2\varphi +a{\cos }^2\varphi }d\varphi =ad\varphi .$

Tuomet ${\int }_L(x+y)ds=a{\int }_0^{\pi }(\rho \sin \varphi +\rho \cos \varphi )d\varphi =a^2{\int }_0^{\pi }({\sin }^2\varphi +\sin \varphi \cos \varphi )d\varphi =$ $=a^2{\int }_0^{\pi }(\frac{1-\cos (2\varphi )}{2}+\frac{\sin (2\varphi )}{2})d\varphi =\frac{a^2\pi }{2}-\frac{a^2}{4}\sin (2\varphi ){|}_0^{\pi }-\frac{a^2}{4}\cos (2\varphi ){|}_0^{\pi }=\frac{a^2\pi }{2}-0-0=\frac{\pi a^2}{2}.$

Kreivės lanko ilgis

Kreivės lanko ilgis randamas pagal šitas formules:

• $ds=\sqrt{1+y{\text{'}}^2}dx,$ kai kreivė L apibrėžta lygtimi y=y(x), o $a\le x\le b.$

${\int }_{L}ds={\int }_a^b\sqrt{1+(f^{\prime }(x){)}^2}dx={\int }_a^b\sqrt{1+(y^{\prime }{)}^2}dx.(2)$

• Kai kreivė L apibrėžta parametrinėmis lygtimis $x=x(t),$ $y=y(t),$ $t\in [t_0;T],$ tai $ds=\sqrt{x_t{\text{'}}^2+y_t{\text{'}}^2}dt,$ todėl

${\int }_{L}ds={\int }_{t_0}^T\sqrt{({x_t}^{\prime }{)}^2+({y_t}^{\prime }{)}^2}dt.$

Elementariausias pavyzdis, kai reikia perrašyti funkcija $y=x^2$ parametrinėmis lygtimis. Tuomet pasirenkame (suteikiame parametrus iksui ir igrikui) $x=t;y=t^2$. Gauname išvestines ${x_t}^{\prime }=t^{\prime }=1;{y_t}^{\prime }=(t^2{)}^{\prime }=2t$. Vadinasi integralas atrodys taip:

${\int }_{t_0}^T\sqrt{({x_t}^{\prime }{)}^2+({y_t}^{\prime }{)}^2}dt={\int }_{t_0}^T\sqrt{1^2+(2t{)}^2}dt={\int }_{t_0}^T\sqrt{1+4\cdot t^2}dt.$

• Kai prametrinėmis lygtimis $x=x(t),$ $y=y(t),$ $z=z(t),$ $t\in [t_0;T]$ apibrėžta erdvinė kreivė L, tai

${\int }_{L}ds={\int }_{t_0}^T\sqrt{({x_t}^{\prime }{)}^2+({y_t}^{\prime }{)}^2+({z_t}^{\prime }{)}^2}dt.$

• Kai kreivė L polinėje koordinačių sistemoje apibrėžta lygtimi $\rho =\rho (\varphi ),$ $\varphi \in [\alpha ;\beta ]$ tai $ds=\sqrt{{\rho }^2+\rho {\text{'}}^2}d\varphi$ ir

${\int }_{L}ds={\int }_{\alpha }^{\beta }\sqrt{{\rho }^2+({\rho }^{\prime }{)}^2}d\varphi .$

Kreivės lanko ilgio formulių išvedimas

• Rasime dabar kreivės lanko ilgį tuo atveju, kai kreivės užrašyta paramtetrinėmis lygtimis:

$x=\varphi (t),y=\psi (t)(\alpha \le t\le \beta )(4),$

čia $\varphi (t)$ ir $\psi (t)$ - netrūkios funkcijos su netrūkiomis išvestinėmis, be to ${\varphi }^{\prime }(t)$ užduotoje srityje nevirsta nuliu. Šituo atveju lygtys (4) nusako tam tikrą funkciją $y=f(x),$ netrūkią ir turinčią netrūkią išvestinę

$\frac{dy}{dx}=\frac{{\psi }^{\prime }(t)}{{\varphi }^{\prime }(t)}.$

Tegu $a=\varphi (\alpha ),b=\varphi (\beta ).$ Tada, įstatę integrale (2) keitinį

$x=\varphi (t),dx={\varphi }^{\prime }(t)dt,$

gausime:

$s={\int }_{\alpha }^{\beta }\sqrt{1+{\left[\frac{{\psi }^{\prime }(t)}{{\varphi }^{\prime }(t)}\right]}^2}{\varphi }^{\prime }(t)dt={\int }_{\alpha }^{\beta }\sqrt{[{\varphi }^{\prime }(t){]}^2+{[{\psi }^{\prime }(t)]}^2}dt.(5)$

• Kreivės lanko ilgis polinėse koordinatėse.

Tegu polinėse koordinatėse kreivės lygtis apibūdinama

$\rho =f(\theta ),(8)$

kur $\rho$ - poliarinis spindulys, $\theta$ - poliarinis kampas.

Užrašysime perėjimo formules iš poliarinių koordinačių į dekarto koordinates:

$x=\rho \cos \theta ,y=\rho \sin \theta .$

Jeigu čia vietoje $\rho$ įstatyti jo išraišką (8) per $\theta ,$ tai gausime lygtis

$x=f(\theta )\cos \theta ,y=f(\theta )\sin \theta .$

Šias lygtis galima nagrinėti kaip kreivės parametrines lygtis ir kreivės lanko ilgio apskaičiavimui pritaikyti (5) formulę. Tam rasime išvestines nuo x ir y per parametrą $\theta$:

$\frac{dx}{d\theta }=f^{\prime }(\theta )\cos \theta -f(\theta )\sin \theta ;\frac{dy}{d\theta }=f^{\prime }(\theta )\sin \theta +f(\theta )\cos \theta .$

Tada

${\left(\frac{dx}{d\theta }\right)}^2+{\left(\frac{dy}{d\theta }\right)}^2=[f^{\prime }(\theta ){]}^2+[f(\theta ){]}^2=\rho {\text{'}}^2+{\rho }^2.$

Todėl,

$s={\int }_{{\theta }_0}^{\theta }\sqrt{\rho {\text{'}}^2+{\rho }^2}d\theta .$

Čia patiems mažiausiems (nes matematikai sudaugina ir sudeda mintyse):

${\left(\frac{dx}{d\theta }\right)}^2=(f^{\prime }(\theta )\cos \theta -f(\theta )\sin \theta {)}^2=[f^{\prime }(\theta ){]}^2{\cos }^2\theta -2f^{\prime }(\theta )\cos \theta f(\theta )\sin \theta +[f(\theta ){]}^2{\sin }^2\theta ;$

${\left(\frac{dy}{d\theta }\right)}^2=(f^{\prime }(\theta )\sin \theta +f(\theta )\cos \theta {)}^2=[f^{\prime }(\theta ){]}^2{\sin }^2\theta +2f^{\prime }(\theta )\sin \theta f(\theta )\cos \theta +[f(\theta ){]}^2{\cos }^2\theta .$

Baigdami išspręsime pavyzdį, kai $\rho ={\theta }^2,$ surasdami spiralės lanko ilgį:

$l={\int }_{L}ds={\int }_0^{2\pi }\sqrt{{\rho }^2+({\rho }^{\prime }{)}^2}d\theta ={\int }_0^{2\pi }\sqrt{({\theta }^2{)}^2+(2\theta {)}^2}d\theta ={\int }_0^{2\pi }\sqrt{{\theta }^4+4{\theta }^2}d\theta =$

$={\int }_0^{2\pi }\theta \sqrt{{\theta }^2+4}d\theta =\frac{1}{3}{({\theta }^2+4)}^{\frac{3}{2}}{|}_0^{2\pi }=\frac{1}{3}{((2\pi {)}^2+4)}^{\frac{3}{2}}-\frac{1}{3}{(0^2+4)}^{\frac{3}{2}}=$

$=\frac{1}{3}(4({\pi }^2+1){)}^{\frac{3}{2}}-\frac{8}{3}=(286.6887126-8)/3=92.896237521771263212813630524448;$

$l={\int }_{L}ds={\int }_0^{2\pi }\sqrt{{\rho }^2+({\rho }^{\prime }{)}^2}d\theta ={\int }_0^{2\pi }\sqrt{({\theta }^2{)}^2+(2\theta {)}^2}d\theta ={\int }_0^{2\pi }\sqrt{{\theta }^4+4{\theta }^2}d\theta =$

$={\int }_0^{2\pi }\theta \sqrt{{\theta }^2+4}d\theta =\frac{1}{2}{\int }_0^{2\pi }\sqrt{{\theta }^2+4}d({\theta }^2+4)=\frac{1}{2}\cdot \frac{({\theta }^2+4{)}^{3/2}}{\frac{3}{2}}{|}_0^{2\pi }=\frac{({\theta }^2+4{)}^{3/2}}{3}{|}_0^{2\pi }=92.89623752;$

$l={\int }_{L}ds={\int }_0^{2\pi }\sqrt{{\rho }^2+({\rho }^{\prime }{)}^2}d\theta ={\int }_0^{2\pi }\sqrt{({\theta }^2{)}^2+(2\theta {)}^2}d\theta ={\int }_0^{2\pi }\sqrt{{\theta }^4+4{\theta }^2}d\theta =$

$={\int }_0^{2\pi }\theta \sqrt{{\theta }^2+4}d\theta =\frac{1}{2}{\int }_0^{2\pi }\sqrt{{\theta }^2+4}d({\theta }^2)=\frac{1}{2}(\frac{2\cdot 4}{3}+\frac{2{\theta }^2}{3})\sqrt{{\theta }^2+4}{|}_0^{2\pi }=$

$=\frac{1}{2}(\frac{8}{3}+\frac{2\cdot (2\pi {)}^2}{3})\sqrt{(2\pi {)}^2+4}-\frac{1}{2}(\frac{8}{3}+\frac{2\cdot 0^2}{3})\sqrt{0^2+4}=(\frac{4}{3}+\frac{4{\pi }^2}{3})\sqrt{4{\pi }^2+4}-\frac{8}{3}=$

$=\frac{8+8{\pi }^2}{3}\sqrt{{\pi }^2+1}-\frac{8}{3}=\frac{8({\pi }^2+1)}{3}\sqrt{{\pi }^2+1}-\frac{8}{3}=\frac{8({\pi }^2+1{)}^{\frac{3}{2}}}{3}-\frac{8}{3}=$

=95,562904188437929879480297191115-2,6(6)=92,896237521771263212813630524448;

čia $d({\theta }^2+4)=2\theta d\theta ,d\theta =\frac{d({\theta }^2+4)}{2\theta }$ ir $\int x\sqrt{x^2\pm a^2}dx=\frac{1}{3}{(x^2\pm a^2)}^{\frac{3}{2}}$ arba $\int \sqrt{ax+b}dx=(\frac{2b}{3a}+\frac{2x}{3})\sqrt{ax+b}.$

Va čia "Free Pascal" kodas:

   var
   a:longint;
   c:real;
   begin
   for a:=1 to 628318531  do
   c:=c+0.00000001*sqrt(sqr(sqr(a*0.00000001))+sqr(a*2.0/100000000));
   writeln(c);
   readln;
   end.

kuris duoda atsakymą 92,8962378457359 po 16 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi. Optimizuotas šio kodo variantas:

   var
   a:longint;
   c,b:real;
   begin
   for a:=1 to 628318531  do
   c:=c+sqrt(sqr(sqr(a*0.00000001))+sqr(a*0.00000002));
   b:=c*0.00000001;
   writeln(b);
   readln;
   end.

duoda atsakymą 92,8962378457489 po 11 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi.

Šis kodas:

   var
   a:longint;
   c,b:real;
   begin
   for a:=1 to 62831853  do
   c:=c+sqrt(sqr(sqr(a*0.0000001))+sqr((sqr(a*0.0000001)-sqr((a-1)*0.0000001))/0.0000001));
   b:=c*0.0000001;
   writeln(b);
   readln;
   end.

duoda atsakymą 92,8962389233553 po dviejų sekundžių. Tikslesnė (ne daug tikslesnė, nes kaip tik $2\pi \cdot 10^8=628318530.7179586476925286766559$ ir kur reikia apvalint ten 0) šio kodo versija:

   var
   a:longint;
   c,b:real;
   begin
   for a:=1 to 628318531  do
   c:=c+sqrt(sqr(sqr(a*0.00000001))+sqr((sqr(a*0.00000001)-sqr((a-1)*0.00000001))*100000000));
   b:=c*0.00000001;
   writeln(b);
   readln;
   end.

duoda atsakymą 92,8962378085099 po 15 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi.

Labiausiai teoriją atitinkantis kodas yra šis:

   var
   a:longint;
   c,b:real;
   begin
   for a:=1 to 1000000000  do
   c:=c+sqrt(sqr(sqr(a*0.0000000062831853))+sqr((sqr(a*0.0000000062831853)-sqr((a-1)*0.0000000062831853))/0.0000000062831853));
   b:=c*0.0000000062831853;
   writeln(b);
   readln;
   end.

duodantis atsakymą 92,8962373310520 po 30 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi. Su patikslinta $2\pi$ reikšme panaudojus kodą:

   var
   a:longint;
   c,b:real;
   begin
   for a:=1 to 1000000000  do
   c:=c+sqrt(sqr(sqr(a*0.000000006283185307179586))+sqr((sqr(a*0.000000006283185307179586)-sqr((a-1)*0.000000006283185307179586))/0.000000006283185307179586));
   b:=c*0.000000006283185307179586;
   writeln(b);
   readln;
   end

gauname atsakymą 92,8962376285006 po 31 sekundės su 2,6 GHz procesoriumi.

Panaudojus vietoje dalybos daugybą ($\frac{1}{\frac{2\pi }{10^9}}=159154943.09189533576888376337251$) šiame kode:

   var
   a:longint;
   c,b:real;
   begin
   for a:=1 to 1000000000  do
   c:=c+sqrt(sqr(sqr(a*0.0000000062831853))+sqr((sqr(a*0.0000000062831853)-sqr((a-1)*0.0000000062831853))*159154943.0918953));
   b:=c*0.0000000062831853;
   writeln(b);
   readln;
   end.

gauname atsakymą 92,8962373100457 po 24 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi. Pastebime, kad kodas (dviem kodais aukščiau ir duodantis atsakymą 92,8962378085099), kuris skaičiavo 15 sekundžių turi tokį ryši su šiuo kodu: 24/15=1.6 ir 1000000000/628318531=1.59154943.

Pavyzdžiai

• Apskaičiuokime kreivės $y=x^{\frac{3}{2}},0\le x\le 4$ lanko ilgį.

Randame $y^{\prime }=\frac{3}{2}{x}^{\frac{1}{2}},\sqrt{1+y{\text{'}}^2}=\sqrt{1+\frac{9}{4}x}.$ Tuomet

$L={\int }_0^4\sqrt{1+\frac{9}{4}x}dx=\frac{4}{9}{\int }_0^4(1+\frac{9}{4}x{)}^{\frac{1}{2}}d(1+\frac{9}{4}x)=\frac{4}{9}\cdot \frac{2}{3}(1+\frac{9}{4}x{)}^{\frac{3}{2}}{|}_0^4=\frac{8}{27}(10\sqrt{10}-1)\approx 9,0734.$ Palyginimui, atkarpos ilgis iš taško (0; 0) iki taško (4; $4^{\frac{3}{2}}$) yra pagal pitagoro teoremą: $c=\sqrt{a^2+b^2}=\sqrt{4^2+(4^{\frac{3}{2}}{)}^2}=\sqrt{16+4^3}=\sqrt{80}\approx 8,94427.$

• Apskaičiuosime lanko ilgį pusiaukūbinės parabolės $y=x^{3/2},$ jei $0\le x\le 5.$ Iš lygties $y=x^{3/2}$ randame: $y^{\prime }=\frac{3}{2}{x}^{\frac{1}{2}}.$ Iš pirmos formulės gausime

$L={\int }_a^b\sqrt{1+(f^{\prime }(x){)}^2}dx={\int }_0^5\sqrt{1+y{\text{'}}^2}dx={\int }_0^5\sqrt{1+\frac{9x}{4}}dx=\frac{4}{9}{\int }_0^5\sqrt{1+\frac{9x}{4}}d(1+\frac{9x}{4})=$

$=\frac{\frac{4}{9}(1+\frac{9x}{4}{)}^{\frac{3}{2}}}{\frac{3}{2}}{|}_0^5=\frac{8}{27}(1+\frac{9x}{4}{)}^{\frac{3}{2}}{|}_0^5=\frac{8}{27}[(\frac{4}{4}+\frac{45}{4}{)}^{\frac{3}{2}}-(1+0{)}^{\frac{3}{2}}]=\frac{8}{27}[(\frac{7}{2}{)}^3-1]=\frac{335}{27}\approx 12,4074;$

kur $d(1+\frac{9x}{4})=\frac{9}{4}dx$; $dx=\frac{4}{9}d(1+\frac{9x}{4})$. Palyginimui, atkarpos ilgis nuo taško (0; 0) iki taško (5; $5^{\frac{3}{2}}$) yra: $c=\sqrt{a^2+b^2}=\sqrt{5^2+(5^{\frac{3}{2}}{)}^2}=\sqrt{25+5^3}=\sqrt{150}=12,2474487.$

• Apskaičiuosime lanko ilgį pusiaukūbinės parabolės $y=x^{\frac{3}{2}},$ jei $1\le x\le 5.$ Iš lygties $y=x^{3/2}$ randame: $y^{\prime }=(x^{\frac{3}{2}}{)}^{\prime }=\frac{3}{2}{x}^{\frac{1}{2}}.$ Gausime

$L={\int }_1^5\sqrt{1+y{\text{'}}^2}dx={\int }_1^5\sqrt{1+(\frac{3\sqrt{x}}{2}{)}^2}dx={\int }_1^5\sqrt{1+\frac{9x}{4}}dx=\frac{4}{9}{\int }_1^5\sqrt{1+\frac{9x}{4}}d(1+\frac{9x}{4})=$

$=\frac{4}{9}\cdot \frac{(1+\frac{9x}{4}{)}^{\frac{3}{2}}}{\frac{3}{2}}{|}_1^5=\frac{8}{27}(1+\frac{9x}{4}{)}^{\frac{3}{2}}{|}_1^5=\frac{8}{27}[(\frac{4}{4}+\frac{45}{4}{)}^{\frac{3}{2}}-(1+\frac{9}{4}{)}^{\frac{3}{2}}]=\frac{8}{27}[(\frac{7}{2}{)}^3-\sqrt{(1+2,25{)}^3}]=$

$=\frac{8}{27}\cdot \frac{343}{8}-\frac{8}{27}\cdot \sqrt{34,328125}\approx 12,7037037-1,73600617\approx 10,96769753;$

kur $d(1+\frac{9x}{4})=\frac{9}{4}dx$; $dx=\frac{4}{9}d(1+\frac{9x}{4})$. Palyginimui, linijos ilgis nuo taško (1; 1) iki taško (5; $5^{3/2}$) yra $c=\sqrt{(5-1{)}^2+(5^{3/2}-1{)}^2}=\sqrt{16+(\sqrt{125}-1{)}^2}=\sqrt{16+10,18033989^2}=\sqrt{119,6393202}=$

$=10,093797606.$

• Apskaičiuosime parabolės $y=x^2$ lanko ilgį, kai $0\le x\le 5.$

Randame $y^{\prime }=(x^2{)}^{\prime }=2x$. Gauname

$L={\int }_0^5\sqrt{1+(2x{)}^2}dx={\int }_0^5\sqrt{1+4x^2}dx=\frac{1}{4}(2x\sqrt{4x^2+1}+\mathrm{arsinh}(2x)){|}_0^5=$

$=\frac{1}{4}(2\cdot 5\sqrt{4\cdot 5^2+1}+\mathrm{arsinh}(2\cdot 5))-\frac{1}{4}(2\cdot 0\cdot \sqrt{4\cdot 0^2+1}+\mathrm{arsinh}(2\cdot 0))=$

$=\frac{1}{4}(10\sqrt{4\cdot 25+1}+\mathrm{arsinh}(10))-\frac{1}{4}\cdot (0+0)=\frac{1}{4}(10\sqrt{101}+\ln (10+\sqrt{10^2+1}))-0=$

$=\frac{1}{4}(10\sqrt{101}+\ln (10+\sqrt{101}))=$

$=\frac{1}{4}(10\cdot 10.4987562+\ln (20,04987562))=$

$=\frac{1}{4}(100.498756+2.99822295)=\frac{103.4969792}{4}=25.87424479,$

čia $\mathrm{arsinh}x=\ln (x+\sqrt{x^2+1}).$

$\ln (x+\sqrt{x^2+1})=\ln (10+\sqrt{10^2+1})=\ln (10+\sqrt{101})=\ln (10+10.04987562)=\mathrm{2.99822295.}$

Iš kompiuterio kalkuliatoriaus reikšmės (hiperbolinio arksinuso):

$\mathrm{arsinh}10=2,9982229502979697388465955375965;$

$\mathrm{arsinh}0=0.$

Palyginimui, linijos ilgis nuo taško (0; 0) iki taško (5; 25) yra:

$c=\sqrt{a^2+b^2}=\sqrt{5^2+25^2}=\sqrt{25+625}=\sqrt{650}=\mathrm{25.49509757.}$

• Apskaičiuosime parabolės $y=x^2$ lanko ilgį, kai $1\le x\le 5.$

Randame $y^{\prime }=(x^2{)}^{\prime }=2x$. Gauname $L={\int }_1^5\sqrt{1+(2x{)}^2}dx={\int }_1^5\sqrt{1+4x^2}dx=\frac{1}{4}(2x\sqrt{4x^2+1}+{\sinh }^{-1}(2x)){|}_1^5=$

$=\frac{1}{4}(2x\sqrt{4x^2+1}+\mathrm{arsinh}(2x)){|}_1^5=$

$=\frac{1}{4}(10\sqrt{4\cdot 25+1}+\mathrm{arsinh}(10))-\frac{1}{4}(2\sqrt{4\cdot 1+1}+\mathrm{arsinh}(2))=$

$=\frac{1}{4}(10\sqrt{101}+\ln (10+\sqrt{10^2+1}))-\frac{1}{4}(2\sqrt{5}+\ln (2+\sqrt{2^2+1}))=$

$=\frac{1}{4}(10\sqrt{101}+\ln (10+\sqrt{101}))-\frac{1}{4}(2\sqrt{5}+\ln (2+\sqrt{5}))\approx$

$\approx \frac{1}{4}(100,4987562+\ln (20,04987562))-\frac{1}{4}(4,472135955+\ln (4,236067978))\approx$

$\approx \frac{1}{4}(100,4987562+2.99822295)-\frac{1}{4}(4,472135955+1.44363547)=$

$=25,87424479-1,478942858=24.39530193,$

čia $\mathrm{arsinh}x=\ln (x+\sqrt{x^2+1}).$

Iš kompiuterio kalkuliatoriaus reikšmės (hiperbolinio arksinuso):

$\mathrm{arsinh}10=2,9982229502979697388465955375965;$

$\mathrm{arsinh}2=1,44363547517881.$

Palyginimui, tiesės ilgis nuo taško (1; 1) iki taško (5; 25) yra: $c=\sqrt{a^2+b^2}=\sqrt{(5-1{)}^2+(25-1{)}^2}=\sqrt{4^2+24^2}=\sqrt{16+576}=\sqrt{592}=\mathrm{24.33105012.}$ Čia taip išintegravo Wolfram Research integratorius, kad $\int \sqrt{1+4x^2}dx=\frac{1}{4}(2x\sqrt{4x^2+1}+{\sinh }^{-1}(2x))$. Štai nuoroda: http://integrals.wolfram.com/index.jsp?expr=%281%2B4x%5E2%29%5E%281%2F2%29&random=false .

Toks būdas neteisingas:

$L={\int }_1^5\sqrt{1+(2x{)}^2}dx={\int }_1^5\sqrt{1+4x^2}dx=\frac{1}{4}(2x\sqrt{4x^2+1}+{\sinh }^{-1}(2x)){|}_1^5=$

$=\frac{1}{4}(2x\sqrt{4x^2+1}+(\frac{e^{2x}-e^{-2x}}{2}{)}^{-1}){|}_1^5=\frac{1}{4}(2x\sqrt{4x^2+1}+\frac{2}{e^{2x}-e^{-2x}}){|}_1^5=$

$=\frac{1}{4}(10\sqrt{100+1}+\frac{2}{e^{10}-e^{-10}})-\frac{1}{4}(2\sqrt{4+1}+\frac{2}{e^2-e^{-2}})\approx$

$\approx 25,12471175-\frac{1}{4}(4,472135955+\frac{2}{7,389056099-0,135335283})\approx$

$\approx 25,12471175-\frac{1}{4}(4,472135955+\frac{2}{7,253720816})\approx$

$\approx 25,12471175-\frac{1}{4}(4,472135955+0,275720564)\approx$

$\approx 25,12471175-1,18696413\approx 23,93774762.$

Patikriname atsakymą kitu budu:

$L={\int }_1^5\sqrt{1+y{\text{'}}^2}dx={\int }_1^5\sqrt{1+(2x{)}^2}dx={\int }_1^5\sqrt{1+4x^2}dx=\sqrt{4}{\int }_1^5\sqrt{\frac{1}{4}+x^2}dx=$

$=2(\frac{x}{2}\sqrt{\frac{1}{4}+x^2}+\frac{\frac{1}{4}}{2}\ln |x+\sqrt{x^2+\frac{1}{4}}|){|}_1^5=$

$=2(\frac{5}{2}\sqrt{0,25+5^2}+\frac{0,25}{2}\ln |5+\sqrt{5^2+0,25}|)-2(\frac{1}{2}\sqrt{0,25+1^2}+\frac{0,25}{2}\ln |1+\sqrt{1^2+0,25}|)=$ $=2(2,5\sqrt{25,25}+0,125\ln |5+\sqrt{25,25}|)-2(\frac{1}{2}\sqrt{1,25}+0,125\ln |1+\sqrt{1,25}|)\approx$ $\approx 2(2,5\cdot 5,024937811+0,125\ln |5+5,024937811|)-2(\frac{1,118033989}{2}+0,125\cdot \ln |1+1,118033989|)\approx$

$\approx 2(12,56234453+0,125\cdot 2,30507577)-2(0,559016994+0,125\cdot 0,750488294)=$

$=2(12,56234453+0,288134471)-2(0,559016994+0,093811036)=25,700958-1,30565606=24,39530194.$

• Apskaičiuosime parabolės $y=x^2$ lanko ilgį, kai $0\le x\le 4.$

Randame $y^{\prime }=(x^2{)}^{\prime }=2x$. Gauname

$L={\int }_0^4\sqrt{1+(2x{)}^2}dx={\int }_0^4\sqrt{1+4x^2}dx=\frac{1}{4}(2x\sqrt{4x^2+1}+\mathrm{arsinh}(2x)){|}_0^4=$

$=\frac{1}{4}(2\cdot 4\sqrt{4\cdot 4^2+1}+\mathrm{arsinh}(2\cdot 4))-\frac{1}{4}(2\cdot 0\cdot \sqrt{4\cdot 0^2+1}+\mathrm{arsinh}(2\cdot 0))=$

$=\frac{1}{4}(8\sqrt{4\cdot 16+1}+\mathrm{arsinh}(8))-\frac{1}{4}\cdot (0+0)=\frac{1}{4}(8\sqrt{64+1}+\ln (8+\sqrt{8^2+1}))-0=$

$=\frac{1}{4}(8\sqrt{65}+\ln (8+\sqrt{65}))=\frac{1}{4}(8\cdot 8.062257748+\ln (8+8.062257748))=$

$=\frac{1}{4}(64.49806199+\ln (16.06225775))=\frac{1}{4}(64.49806199+2.776472281)=\frac{67.27453427}{4}=16.81863357,$

čia $\mathrm{arsinh}x=\ln (x+\sqrt{x^2+1}).$

$\ln (x+\sqrt{x^2+1})=\ln (8+\sqrt{8^2+1})=\ln (8+\sqrt{65})=\ln (8+8.062257748)=\ln (16.06225775)=\mathrm{2.776472281.}$

Iš kompiuterio kalkuliatoriaus reikšmės (hiperbolinio arksinuso):

$\mathrm{arsinh}8=2,7764722807237176735308040270285;$

$\mathrm{arsinh}0=0.$

• Apskaičiuosime parabolės $y=x^2$ lanko ilgį, kai $0\le x\le 4.$

Randame $y^{\prime }=(x^2{)}^{\prime }=2x$. Pasinaudodami integralų lentele $\int \sqrt{x^2+a}𝖽x=\frac{x}{2}\sqrt{a+x^2}+\frac{a}{2}\ln |x+\sqrt{x^2+a}|$, gauname

$L={\int }_0^4\sqrt{1+y{\text{'}}^2}dx={\int }_0^4\sqrt{1+(2x{)}^2}dx={\int }_0^4\sqrt{1+4x^2}dx=\sqrt{4}{\int }_0^4\sqrt{\frac{1}{4}+x^2}dx=$

$=2(\frac{x}{2}\sqrt{0,25+x^2}+\frac{0,25}{2}\ln |x+\sqrt{x^2+0,25}|){|}_0^4=$

$=2(\frac{4}{2}\sqrt{0,25+4^2}+\frac{0,25}{2}\ln |4+\sqrt{4^2+0,25}|)-2(\frac{0}{2}\sqrt{0,25+0^2}+\frac{0,25}{2}\ln |0+\sqrt{0^2+0,25}|)=$

$=2(2\sqrt{16,25}+0,125\ln |4+\sqrt{16,25}|)-2(0+0,125\ln |0+\sqrt{0,25}|)=$

$\approx 2(2\cdot 4,031128874+0,125\ln |8,031128874|)-2(0,125\cdot \ln |0,5|)\approx$

$\approx 2(8,062257748+0,125\cdot 2,0833251)-2(0,125\cdot (-0,69314718))=$

$=2(8,062257748+0,260415637)-2(-0,086643397)=16,64534677+0,173286795=16,81863357.$

Palyginimui, tiesios linijos ilgis nuo taško (0; 0) iki taško (4; 16) yra $c=\sqrt{x^2+y^2}=\sqrt{4^2+16^2}=\sqrt{272}=16,4924225.$

Patikrinsime parbolės lanko ilgį padalindami parabolės šaką į 10 atkarpų-tiesių, kai 0<x<4. Kiekvienos atkarpos projekcijos į Ox ašį ilgis yra 0,4. Todėl reikia gauti visas x reikšmes:

$x_0=0;$

$x_1=0.4;$

$x_2=2\cdot 0.4=0.8;$

$x_3=3\cdot 0.4=1.2;$

$x_4=4\cdot 0.4=1.6;$

$x_5=5\cdot 0.4=2;$

$x_6=6\cdot 0.4=2.4;$

$x_7=7\cdot 0.4=2.8;$

$x_8=8\cdot 0.4=3.2;$

$x_9=9\cdot 0.4=3.6;$

$x_{10}=10\cdot 0.4=4.$

Dabar toliau reikia surasti visas y reikšmes, įstačius x reikšmes:

$y_0=x_0^2=0^2=0;$

$y_1=x_1^2=0.4^2=0.16;$

$y_2=x_2^2=0.8^2=0.64;$

$y_3=x_3^2=1.2^2=1.44;$

$y_4=x_4^2=1.6^2=2.56;$

$y_5=x_5^2=2^2=4;$

$y_6=x_6^2=2.4^2=5.76;$

$y_7=x_7^2=2.8^2=7.84;$

$y_8=x_8^2=3.2^2=10.24;$

$y_9=x_9^2=3.6^2=12.96;$

$y_{10}=x_{10}^2=4^2=16.$

Dabar belieka surasti atkarpu ilgius kaip nuo taško (0; 0) iki taško (0,4; 0,16); nuo taško (0,4; 0,16) iki (0,8; 0,64) ir taip toliau:

$a_1=\sqrt{(x_1-x_0{)}^2+(y_1-y_0{)}^2}=\sqrt{(0.4-0{)}^2+(0.16-0{)}^2}=\sqrt{0.16+0.0256}=\sqrt{0.1856}=0.430813184;$

$a_2=\sqrt{(x_2-x_1{)}^2+(y_2-y_1{)}^2}=\sqrt{(0.8-0.4{)}^2+(0.64-0.16{)}^2}=\sqrt{0.16+0.2304}=\sqrt{0.3904}=0.624819974;$

$a_3=\sqrt{(x_3-x_2{)}^2+(y_3-y_2{)}^2}=\sqrt{(1.2-0.8{)}^2+(1.44-0.64{)}^2}=\sqrt{0.16+0.64}=\sqrt{0.8}=0.894427191;$

$a_4=\sqrt{(x_4-x_3{)}^2+(y_4-y_3{)}^2}=\sqrt{(1.6-1.2{)}^2+(2.56-1.44{)}^2}=\sqrt{0.16+1.2544}=\sqrt{1.4144}=1.1892855;$

$a_5=\sqrt{(x_5-x_4{)}^2+(y_5-y_4{)}^2}=\sqrt{(2-1.6{)}^2+(4-2.56{)}^2}=\sqrt{0.16+2.0736}=\sqrt{2.2336}=1.494523335;$

$a_6=\sqrt{(x_6-x_5{)}^2+(y_6-y_5{)}^2}=\sqrt{(2.4-2{)}^2+(5.76-4{)}^2}=\sqrt{0.16+3.0976}=\sqrt{3.2576}=1.804882268;$

$a_7=\sqrt{(x_7-x_6{)}^2+(y_7-y_6{)}^2}=\sqrt{(2.8-2.4{)}^2+(7.84-5.76{)}^2}=\sqrt{0.16+4.3264}=\sqrt{4.4864}=2.118112367;$

$a_8=\sqrt{(x_8-x_7{)}^2+(y_8-y_7{)}^2}=\sqrt{(3.2-2.8{)}^2+(10.24-7.84{)}^2}=\sqrt{0.16+5.76}=\sqrt{5.92}=2.433105012;$

$a_9=\sqrt{(x_9-x_8{)}^2+(y_9-y_8{)}^2}=\sqrt{(3.6-3.2{)}^2+(12.96-10.24{)}^2}=\sqrt{0.16+7.3984}=\sqrt{7.5584}=2.749254444;$

$a_{10}=\sqrt{(x_{10}-x_9{)}^2+(y_{10}-y_9{)}^2}=\sqrt{(4-3.6{)}^2+(16-12.96{)}^2}=\sqrt{0.16+9.2416}=\sqrt{9.4016}=\mathrm{3.066202863.}$

Toliau reikia sudėti visų atkarpų ilgį, kad gauti parabolės šakos ilgį, kai x kinta nuo 0 iki 4. Gauname:

$L=a_1+a_2+a_3+a_4+a_5+a_6+a_7+a_8+a_9+a_{10}=$

$=0.430813184+0.624819974+0.894427191+1.1892855+1.494523335+1.804882268+2.118112367+2.433105012+2.749254444+3.066202863=\mathrm{16.80542614.}$

Padalinus į daugiau dalių atsakymas taptų panašesnis į atsakymą gautą integravimo budu.

• Apskaičiuosime parabolės $y=x^2$ lanko ilgį, kai $1\le x\le 4.$

Randame $y^{\prime }=(x^2{)}^{\prime }=2x$. Pasinaudodami integralų lentele gauname

$L={\int }_1^4\sqrt{1+y{\text{'}}^2}dx={\int }_1^4\sqrt{1+(2x{)}^2}dx={\int }_1^4\sqrt{1+4x^2}dx=\sqrt{4}{\int }_1^4\sqrt{\frac{1}{4}+x^2}dx=$

$=2(\frac{x}{2}\sqrt{0,25+x^2}+\frac{0,25}{2}\ln |x+\sqrt{x^2+0,25}|){|}_1^4=$

$=2(\frac{4}{2}\sqrt{0,25+4^2}+\frac{0,25}{2}\ln |4+\sqrt{4^2+0,25}|)-2(\frac{1}{2}\sqrt{0,25+1^2}+\frac{0,25}{2}\ln |1+\sqrt{1^2+0,25}|)=$

$=2(2\sqrt{16,25}+0,125\ln |4+\sqrt{16,25}|)-2(\frac{1}{2}\sqrt{1,25}+0,125\ln |1+\sqrt{1,25}|)=$

$\approx 2(2\cdot 4,031128874+0,125\ln |8,031128874|)-(1,118033989+0,25\cdot \ln |1+1,118033989|)\approx$

$\approx 2(8,062257748+0,125\cdot 2,0833251)-(1,118033989+0,25\cdot 0,750488294)=$

$=2(8,062257748+0,260415637)-(1,118033989+0,187622073)=16,64534677-1,305656063=15,33969071.$

Palyginimui, tiesios linijos ilgis nuo taško (1; 1) iki taško (4; 16) yra $c=\sqrt{3^2+15^2}=\sqrt{234}=15,29705854.$

• Apskaičiuosime parabolės $y=\sqrt{(x+1{)}^3}$ lanko ilgį, kai $4\le x\le 12.$

Randame $y^{\prime }=\frac{3}{2}\sqrt{x+1},ds=\sqrt{1+(\frac{dy}{dx}{)}^2}dx=\sqrt{1+\frac{9}{4}(x+1)}dx=\sqrt{\frac{13}{4}+\frac{9}{4}x}dx.$ Tada iš integralų lentelės $L={\int }_{L}ds={\int }_4^{12}\sqrt{\frac{13}{4}+\frac{9}{4}x}dx={\int }_4^{12}\sqrt{\frac{1}{4}}\cdot \sqrt{13+9x}dx=\frac{1}{9}\cdot \frac{1}{2}{\int }_4^{12}\sqrt{13+9x}d(13+9x)=$ $=\frac{1}{18}\cdot \frac{(13+9x{)}^{\frac{1}{2}+1}}{\frac{3}{2}}{|}_4^{12}=$ $=\frac{2}{18\cdot 3}\sqrt{(13+9x{)}^3}{|}_4^{12}=\frac{1}{27}[\sqrt{(13+9\cdot 12{)}^3}-\sqrt{(13+9\cdot 4{)}^3}]=$ $=\frac{1}{27}[\sqrt{1771561}-\sqrt{117649}]=\frac{1}{27}\cdot (1331-343)=\frac{988}{27}=\approx 36,59259259.$ Palyginimui, atkrapos ilgis nuo taško (4; $(4+1{)}^{3/2}$) iki taško (12; $(12+1{)}^{3/2}$) yra $c=\sqrt{(12-4{)}^2+[\sqrt{(12+1{)}^3}-\sqrt{(4+1{)}^3}{]}^2}=$

$=\sqrt{8^2+(\sqrt{2197}-\sqrt{125}{)}^2}=\sqrt{64+1273,906493}=36,57740413.$

• Apskaičiuosime kreivės $y=\sqrt{x}$ lanko ilgį, kai $1\le x\le 16.$

Randame $y^{\prime }=(x^{\frac{1}{2}}{)}^{\prime }=\frac{1}{2}\cdot \frac{1}{\sqrt{x}}.$ Gauname

$L={\int }_1^{16}\sqrt{1+(y^{\prime }{)}^2}dx={\int }_1^{16}\sqrt{1+(\frac{1}{2\sqrt{x}}{)}^2}dx={\int }_1^{16}\sqrt{1+\frac{1}{4x}}dx=\frac{1}{2}{\int }_1^{16}\sqrt{4+\frac{1}{x}}dx=$

$=\frac{1}{2}[x\sqrt{\frac{1}{x}+4}+\frac{1}{4}\ln (4x(\sqrt{\frac{1}{x}+4}+2)+1)]{|}_1^{16}=$

$=\frac{1}{2}[16\sqrt{\frac{1}{16}+4}+\frac{1}{4}\ln (4\cdot 16(\sqrt{\frac{1}{16}+4}+2)+1)]-\frac{1}{2}[1\sqrt{\frac{1}{1}+4}+\frac{1}{4}\ln (4(\sqrt{\frac{1}{1}+4}+2)+1)]=$

$=\frac{1}{2}[16\cdot 2,015564437+\frac{1}{4}\ln (64(2,015564437+2)+1)]-\frac{1}{2}[\sqrt{5}+\frac{1}{4}\ln (4(\sqrt{5}+2)+1)]=$

$=\frac{1}{2}[32,24903099+\frac{1}{4}\ln (256,996124+1)]-\frac{1}{2}[2,236067978+\frac{1}{4}\ln (17,94427191)]=$

$=\frac{1}{2}[32,24903099+\frac{1}{4}\cdot 5,552944561]-\frac{1}{2}[2,236067978+\frac{2,88727095}{4}]=$

$=16,81863357-1,478942858=15,33969071.$

Palyginimui, tiesės ilgis nuo taško (1; 1) iki taško (16; 4) yra $c=\sqrt{(16-1{)}^2+(4-1{)}^2}=\sqrt{225+9}=15,29705854.$

• Apskaičiuosime kreivės lanko ilgį , kai $y=1-\ln (\cos x);$ $0\le x\le \frac{\pi }{3}.$ Randame funkcijos išvestinę $y^{\prime }=(1-\ln (\cos x){)}^{\prime }=-\frac{-\sin (x)}{\cos (x)}=\frac{\sin x}{\cos x}.$ Randame kreivės lanko ilgį:

$l={\int }_0^{\frac{\pi }{3}}\sqrt{1+\frac{{\sin }^{2}x}{{\cos }^{2}x}}dx={\int }_0^{\frac{\pi }{3}}\frac{dx}{\cos x}=\ln |\tan (\frac{x}{2}+\frac{\pi }{4})|{|}_0^{\frac{\pi }{3}}=\ln |\tan \frac{5\pi }{12}|-\ln |\tan \frac{\pi }{4}|=1,316957897.$

• Apskaičiuokime cikloidės $x=a(t-\sin t),$ $y=a(1-\cos t)$ $(a>0)$ pirmosios arkos ilgį.

Pirmoji cikloidės arka gaunama, kai parametras t kinta nuo 0 iki $2\pi .$ Randame:

${x_t}^{\prime }=a(1-\cos t),$ ${y_t}^{\prime }=a\sin t,$

$\sqrt{x_t{\text{'}}^2+y_t{\text{'}}^2}=\sqrt{a^2(1-2\cos t+{\cos }^{2}t)+a^2{\sin }^{2}t}=\sqrt{2a^2(1-\cos t)}=$

$=\sqrt{4a^2{\sin }^{2}t\frac{t}{2}}=2a|\sin \frac{t}{2}|=2a\sin \frac{t}{2},$ nes $\sin \frac{t}{2}\ge 0,$ kai $t\in [0;2\pi ].$ Tuomet

$L=2a{\int }_0^{2\pi }\sin \frac{t}{2}dt=4a{\int }_0^{2\pi }\sin \frac{t}{2}d(t/2)=-4a\cos \frac{t}{2}{|}_0^{2\pi }=8a.$

Kaip atrodo cikloidė galima pažiūrėti čia https://lt.wikipedia.org/wiki/Cikloidė

• Rasime lanko AB ilgį susuktos linijos

$x=\cos t,$ $y=\sin t,$ $z=2t,$ $0\le t\le \pi .$ Pagal trečią formulę: $s={\int }_0^{\pi }\sqrt{{\sin }^{2}t+{\cos }^{2}t+4}dt=\sqrt{5}\pi .$

• Rasime lanko ilgį kardiodės $\rho =a(1-\cos \varphi ),$ $a>0.$ Pagal ketvirtą formulę turime:

$s={\int }_{\alpha }^{\beta }\sqrt{{\rho }^2+\rho {\text{'}}^2}d\varphi =2a{\int }_0^{\pi }\sqrt{(1-\cos \varphi {)}^2+{\sin }^2\varphi }d\varphi =$ $=2a{\int }_0^{\pi }\sqrt{1-2\cos \varphi +{\cos }^2\varphi +{\sin }^2\varphi }d\varphi =2a{\int }_0^{\pi }\sqrt{2(1-\cos \varphi )}d\varphi =2a{\int }_0^{\pi }\sqrt{4{\sin }^2\frac{\varphi }{2}}d\varphi =$ $=4a{\int }_0^{\pi }\sin \frac{\varphi }{2}=-8a\cos \frac{\varphi }{2}{|}_0^{\pi }=-8a(0-1)=8a.$

Kaip atrodo kardioidė galima pažiūrėti čia https://en.wikipedia.org/wiki/Cardioid

• Rasti kardiodės $\rho =a(1+\cos \theta )$ ilgį.

Keisdami poliarinį kampą $\theta$ nuo 0 iki $\pi ,$ gausime pusę ieškomo ilgio. Čia ${\rho }^{\prime }=-a\sin \theta .$ Taigi,

$s=2{\int }_0^{\pi }\sqrt{a^2(1+\cos \theta {)}^2+a^2{\sin }^2\theta }d\theta =2a{\int }_0^{\pi }\sqrt{1+2\cos \theta +{\cos }^2\theta +{\sin }^2\theta }d\theta =$

$=2a{\int }_0^{\pi }\sqrt{2+2\cos \theta }d\theta =2\sqrt{2}a{\int }_0^{\pi }\sqrt{1+\cos \theta }d\theta =2\sqrt{2}a{\int }_0^{\pi }\sqrt{2}\cos \frac{\theta }{2}d\theta =$

$=4a{\int }_0^{\pi }\cos \frac{\theta }{2}d\theta =8a\sin \frac{\theta }{2}{|}_0^{\pi }=8a.$

• Rasime kreivės lanko ilgį, kai $\rho ={\sin }^3\frac{\varphi }{3},0\le \varphi \le \frac{\pi }{2}.$ Pagal ketvirtą formulę:

$l={\int }_0^{\frac{\pi }{3}}\sqrt{{\left({\sin }^3\frac{\varphi }{3}\right)}^2+{(3{\sin }^2\frac{\varphi }{3}\cdot \frac{1}{3}\cos \frac{\varphi }{3})}^2}d\varphi ={\int }_0^{\frac{\pi }{3}}\sqrt{{\sin }^6\frac{\varphi }{3}+{\sin }^4\frac{\varphi }{3}\cdot {\cos }^2\frac{\varphi }{3}}d\varphi ={\int }_0^{\frac{\pi }{2}}{\sin }^2\frac{\varphi }{3}\sqrt{{\sin }^2\frac{\varphi }{3}+{\cos }^2\frac{\varphi }{3}}d\varphi =$ $=\frac{1}{2}{\int }_0^{\frac{\pi }{2}}(1+\cos \frac{2\varphi }{3})d\varphi =\frac{1}{2}\cdot \frac{\pi }{2}+\frac{1}{2}\cdot \frac{3}{2}\sin \frac{2\varphi }{3}{|}_0^{\frac{\pi }{2}}=\frac{\pi }{4}+\frac{3}{4}\cdot \frac{\sqrt{3}}{2}=\frac{\pi }{4}+\frac{3\sqrt{3}}{8}.$

Archimedo spiralė.

• Apskaičiuosime ilgį pirmos vijos Archimedo spiralės: $\rho =a\varphi .$

Pirma vija spiralės pasidaro, keičiantis poliariniui kampui $\varphi$ nuo 0 iki $2\pi .$ Todėl pagal ketvirtą formulę ieškomas ilgis lanko yra

$L={\int }_{\alpha }^{\beta }\sqrt{\rho (\varphi )+\rho {\text{'}}^2(\varphi )}d\varphi ={\int }_0^{2\pi }\sqrt{a^2{\varphi }^2+a^2}d\varphi =a{\int }_0^{2\pi }\sqrt{{\varphi }^2+1}d\varphi =$ $=a[\pi \sqrt{4{\pi }^2+1}+\frac{1}{2}\ln (2\pi +\sqrt{4{\pi }^2+1})]=$

$=a[19,9876454+1,268648751]=a21,25629415.$

• Apskaičiuosime vienos vijos linijos ilgį: $x=\cos t,$ $y=\sin t,$ $z=t,$ $0\le t\le 2\pi .$ Tai yra linija apsukta vieną kartą aplink cilindrą, kurio aukštis yra t. Gauname:

$dx=-\sin (t)dt,$ $dy=\cos (t)dt$, $dz=dt$, $\frac{dz}{dt}=1;$

$\sqrt{({x_t}^{\prime }{)}^2+({y_t}^{\prime }{)}^2+({z_t}^{\prime }{)}^2}=\sqrt{(-\sin t{)}^2+(\cos t{)}^2+1}.$

Randame vienos vijos ilgį:

$L={\int }_0^{2\pi }\sqrt{(-\sin t{)}^2+(\cos t{)}^2+1}dt=\sqrt{2}{\int }_0^{2\pi }dt=\sqrt{2}t{|}_0^{2\pi }=2\sqrt{2}\pi .$

• Apskaičiuoti ilgį hipocikloidės (astroidės):

$x=a{\cos }^{3}t,y=a{\sin }^{3}t.$

Sprendimas. Kadangi kreivė simetriška dviejų koordinačių ašių atžvilgiu, tai iš pradžių apskaičiuosime ketvirtadalį jos dalies, esančios pirmame ketvirtyje. Randame:

$\frac{dx}{dt}=-3a{\cos }^{2}t\sin t,\frac{dy}{dt}=3a{\sin }^{2}t\cos t.$

Parametras t kis nuo 0 iki $\pi /2.$ Taigi,

$\frac{1}{4}s={\int }_0^{\pi /2}\sqrt{9a^2{\cos }^{4}t{\sin }^{2}t+9a^2{\sin }^{4}t{\cos }^{2}t}dt=3a{\int }_0^{\pi /2}\sqrt{{\cos }^{2}t{\sin }^{2}t({\cos }^{2}t+{\sin }^{2}t)}dt=$

$=3a{\int }_0^{\pi /2}\cos t\sin tdt=3a{\int }_0^{\pi /2}\sin td(\sin t)=3a\frac{{\sin }^{2}t}{2}{|}_0^{\pi /2}=\frac{3a}{2};s=6a.$

Kaip atrodo astroidė galima pažiūrėti čia https://en.wikipedia.org/wiki/Astroid

Kreivės masė

Kreivės masė nustatoma pagal formulę

$m=\int \gamma \sqrt{1+(y^{\prime }{)}^2}dx,$

čia $\gamma$ kokia nors funkcija.

Pavyzdžiai

• Nustatyti tiesės $y=3-\frac{3x}{5}$ masę tik pirmame ketvirtyje. Tiesės tankis $\gamma$ tolstant tiesės taškams nuo centro (koordinačių pradžios taško O) didėja proporcingai, t. y. $\gamma =\sqrt{x^2+y^2}.$

Sprendimas. Pasinaudosime masės skaičiavimo formule

$m={\int }_L\gamma \sqrt{1+[y^{\prime }{]}^2}dx={\int }_0^5\sqrt{x^2+y^2}\sqrt{1+[y^{\prime }{]}^2}dx=$

$={\int }_0^5\sqrt{x^2+{(3-\frac{3x}{5})}^2}\sqrt{1+{(-\frac{3}{5})}^2}dx=$

$={\int }_0^5\sqrt{x^2+9-\frac{18x}{5}+\frac{9x^2}{25}}\sqrt{1+\frac{9}{25}}dx=$

$={\int }_0^5\sqrt{9-\frac{18x}{5}+\frac{34x^2}{25}}\sqrt{\frac{34}{25}}dx=$

$=\frac{\sqrt{34}}{5}{\int }_0^5\sqrt{\frac{34}{25}{x}^2-\frac{18}{5}x+9}dx=$

$=\frac{\sqrt{34}}{5}{\int }_0^5\sqrt{1.36x^2-3.6x+9}dx=$

$=\frac{\sqrt{34}}{5}(\frac{-3.6+2\cdot 1.36x}{4\cdot 1.36}\sqrt{1.36x^2-3.6x+9}+\frac{4\cdot 1.36\cdot 9-(-3.6{)}^2}{8\cdot 1.36^{3/2}}\ln |2\cdot 1.36x-3.6+2\sqrt{1.36(1.36x^2-3.6x+9)}|){|}_0^5=$

$=\frac{\sqrt{34}}{5}(\frac{-3.6+2.72x}{5.44}\sqrt{1.36x^2-3.6x+9}+\frac{48.96-12.96}{8\cdot 2.515456^{1/2}}\ln |2.72x-3.6+2\sqrt{1.36(1.36x^2-3.6x+9)}|){|}_0^5=$

$=\frac{\sqrt{34}}{5}(\frac{-3.6+2.72x}{5.44}\sqrt{1.36x^2-3.6x+9}+\frac{36}{12.68815132}\ln |2.72x-3.6+2\sqrt{1.36(1.36x^2-3.6x+9)}|){|}_0^5=$

$=\frac{\sqrt{34}}{5}(\frac{-3.6+2.72\cdot 5}{5.44}\sqrt{1.36\cdot 25-3.6\cdot 5+9}+2.8372927689\ln |2.72\cdot 5-3.6+2\sqrt{1.36(1.36\cdot 25-3.6\cdot 5+9)}|)-$

$-\frac{\sqrt{34}}{5}(\frac{-3.6+2.72\cdot 0}{5.44}\sqrt{1.36\cdot 0^2-3.6\cdot 0+9}+2.8372927689\ln |2.72\cdot 0-3.6+2\sqrt{1.36(1.36\cdot 0^2-3.6\cdot 0+9)}|)=$

$=\frac{\sqrt{34}}{5}(\frac{10}{5.44}\sqrt{34-18+9}+2.8372927689\ln |13.6-3.6+2\sqrt{1.36(34-18+9)}|)-$

$-\frac{\sqrt{34}}{5}(\frac{-3.6}{5.44}\sqrt{9}+2.8372927689\ln |-3.6+2\sqrt{1.36\cdot 9}|)=$

$=\frac{\sqrt{34}}{5}(\frac{10}{5.44}\sqrt{25}+2.8372927689\ln |10+2\sqrt{1.36\cdot 25}|)-\frac{\sqrt{34}}{5}(\frac{-3.6}{5.44}\cdot 3+2.8372927689\ln |-3.6+2\sqrt{12.24}|)=$

$=\frac{\sqrt{34}}{5}(\frac{50}{5.44}+2.8372927689\ln |10+2\sqrt{34}|)-\frac{\sqrt{34}}{5}(\frac{-10.8}{5.44}+2.8372927689\ln |-3.6+2\sqrt{12.24}|)=$

$=\frac{\sqrt{34}}{5}(9.191176471+2.8372927689\ln |21.66190379|)-\frac{\sqrt{34}}{5}(\frac{-10.8}{5.44}+2.8372927689\ln |-3.6+2\sqrt{12.24}|)=$

$=\frac{\sqrt{34}}{5}(9.191176471+8.726250336)-\frac{\sqrt{34}}{5}(-1.985294118+3.469823414)=$

$=\frac{\sqrt{34}}{5}\cdot 17.91742681-\frac{\sqrt{34}}{5}\cdot 1.484529296=\frac{16.43289751\sqrt{34}}{5}=\mathrm{19.16388698.}$

Kad tą patį apskaičiuoti su programa "Free Pascal" reikia surasti tiesės ilgį, kai x kinta nuo 0 iki 5 (tai yra tiesės ilgis tik pirmame ketviryje):

$l=\sqrt{5^2+3^2}=\sqrt{25+9}=\sqrt{34}=\mathrm{5.830951895.}$

Todėl "Free Pascal" kodas yra toks:

  var
  a:longint;
  c:real;
  begin
  for a:=1 to 1000000000  do
  c:=c+sqrt(sqr(a*0.000000003)+sqr((1000000001-a)*0.000000005));
  writeln(sqrt(sqr(3)+sqr(5))*c/1000000000);
  readln;
  end.

duodantis rezultatą 19,163886990613093 po 18 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi.

• Nustatyti parabolės $y=x^2$ masę pirmame ketvirtyje, kai x kinta nuo 0 iki 5. Tiesės tankis $\gamma$ tolstant tiesės taškams nuo centro (koordinačių pradžios taško O) didėja proporcingai, t. y. $\gamma =\sqrt{x^2+y^2}.$

Sprendimas.

Pasirodo, integruojant taip ir taip gauname tokį patį rezultatą, kuris yra labai sudetingas ir ilgas. Net didžiausioje integralų lentelėje nėra kaip išintegruoti $\int x\sqrt{1+x^2}\sqrt{1+4x^2}dx.$ Yra tik $\int \sqrt{a+bx}\sqrt{c+px}dx,$ bet ir tai integravimas gaunasi su dar dviais pažiūrėjimais į integralų lentelę. Todėl pasinaudojame Free Pascal kodu. Free Pascal kodas, kuris skaičiuoja pagal formulę $m={\int }_0^5\sqrt{x^2+y^2}\sqrt{1+[y^{\prime }{]}^2}dx={\int }_0^5\sqrt{x^2+(x^2{)}^2}\sqrt{1+(2x{)}^2}dx,$ yra toks:

var
a:longint;
c:real;
begin
for a:=1 to 1000000000  do
c:=c+sqrt(1+sqr(2*5.0*a/1000000000))*sqrt(sqr(5.0*a/1000000000)+sqr(sqr(5.0*a/1000000000)));
writeln(5*c/1000000000);
readln;
end

ir duoda atsakymą $m=327.860390075605$ po 48 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi. Optimizuotas šito kodo variantas:

var
a:longint;
c:real;
begin
for a:=1 to 1000000000  do
c:=c+sqrt(1+sqr(0.00000001*a))*sqrt(sqr(0.000000005*a)+sqr(sqr(0.000000005*a)));
writeln(0.000000005*c);
readln;
end.

duoda atsakymą $m=327.86039007560539$ po 33 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi.

Kitoks kreivės masės apskaičiavimo Free Pascal kodas yra:

var
a:longint;
c:real;
begin
for a:=1 to 1000000000  do
c:=c+sqrt(sqr(0.000000005*a-0.000000005*(a-1))+sqr(sqr(0.000000005*a)-sqr(0.000000005*(a-1))))*sqrt(sqr(0.000000005*a)+sqr(sqr(0.000000005*a)));
writeln(c);
readln;
end.

kuris duoda atsakymą $m=327.860389859764$ po 41 sekundės su 2,6 GHz procesoriumi. Optimizuotas šito kodo variantas yra kodas:

var
a:longint;
c:real;
begin
for a:=1 to 1000000000  do
c:=c+sqrt(sqr(0.000000005)+sqr(sqr(0.000000005*a)-sqr(0.000000005*(a-1))))*sqrt(sqr(0.000000005*a)+sqr(sqr(0.000000005*a)));
writeln(c);
readln;
end

kuris duoda atsakymą $m=327.860389859763$ po 38 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi. Dar labiau optimizuotas šito kodo variantas yra:

var
a:longint;
c:real;
begin
for a:=1 to 1000000000  do
c:=c+sqrt(0.000000000000000025+sqr(sqr(0.000000005*a)-sqr(0.000000005*(a-1))))*sqrt(sqr(0.000000005*a)+sqr(sqr(0.000000005*a)));
writeln(c);
readln;
end.

kuris duoda atsakymą $m=327.860389859763$ po 38 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi (vadinasi, Free Pascal automatiškai optimizuoja kodą pakeldamas konstantą 0,000000005 kvadratu ir visoms iteracijoms naudodamas gautą 0,000000000000000025 reikšmę).

• Nustatyti parabolės $y=x^2$ masę pirmame ketvirtyje, kai x kinta nuo 0 iki 10. Tiesės tankis $\gamma$ tolstant tiesės taškams nuo centro (koordinačių pradžios taško O) didėja proporcingai tik Ox kryptimi, t. y. $\gamma =x.$

Sprendimas. Greičiausias būdas apskaičiuoti, tai ko reikalauja sąlyga (uždavinys) yra toks:

$m={\int }_0^{10}xdx=\frac{x^2}{2}{|}_0^{10}=\frac{10^2}{2}-\frac{0^2}{2}=50.$

Kitas būdas yra toks:

$m={\int }_0^{10}\gamma \sqrt{1+[y^{\prime }{]}^2}dx={\int }_0^{10}x\sqrt{1+(2x{)}^2}dx={\int }_0^{10}x\sqrt{1+4x^2}dx=$

$={\int }_0^{10}2x\sqrt{\frac{1}{4}+x^2}dx=\frac{2}{3}(x^2+\frac{1}{4}{)}^{3/2}{|}_0^{10}=$

$=\frac{2}{3}(10^2+\frac{1}{4}{)}^{3/2}-\frac{2}{3}(0^2+\frac{1}{4}{)}^{3/2}=$

$=\frac{2}{3}\cdot 100.25^{3/2}-\frac{2}{3}{\left(\frac{1}{2}\right)}^3=$

=669,16822851623458973388183928978 - (2/3)*(1/8)=

=669,16822851623458973388183928978 - 1/12=

=669,08489518290125640054850595645;

čia pasinaudojome integralų lentele $\int x\sqrt{x^2\pm a^2}dx=\frac{1}{3}(x^2\pm a^2{)}^{3/2}.$

Tuo atveju, jeigu x kinta nuo 0 iki 5 tada:

$m={\int }_0^5\gamma \sqrt{1+[y^{\prime }{]}^2}dx={\int }_0^{5}x\sqrt{1+4x^2}dx=2{\int }_0^{5}x\sqrt{\frac{1}{4}+x^2}dx=$

$=\frac{2}{3}(5^2+\frac{1}{4}{)}^{3/2}-\frac{2}{3}(0^2+\frac{1}{4}{)}^{3/2}=$

$=\frac{2}{3}\cdot 25.25^{3/2}-\frac{2}{3}{\left(\frac{1}{2}\right)}^3=$

=84,586453144434159774345479682393-1/12=

=84,50311981110082644101214634906.

Free Pascal kodas duodą tokį patį rezultatą (kai x kinta nuo 0 iki 5):

var
a:longint;
c:real;
begin
for a:=1 to 1000000000  do
c:=c+sqrt(sqr(0.000000005)+sqr(sqr(0.000000005*a)-sqr(0.000000005*(a-1))))*0.000000005*a;
writeln(c);
readln;
end.

m=84,5031198757743 po 25 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi.

Alternatyvus Free Pascal kodas, skaičiuojantis pagal formulę $m={\int }_0^5\gamma \sqrt{1+[y^{\prime }{]}^2}dx={\int }_0^{5}x\sqrt{1+4x^2}dx$ yra šitas:

var
a:longint;
c:real;
begin
for a:=1 to 1000000000  do
c:=c+sqrt(1+4*sqr(5.0*a/1000000000))*a*5/1000000000;
writeln(c*5/1000000000);
readln;
end.

duodantis atsakymą m=84,5031199367086 po 25 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi. Optimizuotas jo variantas:

var
a:longint;
c:real;
begin
for a:=1 to 1000000000  do
c:=c+sqrt(1+4*sqr(5.0*a/1000000000))*a;
writeln(c*sqr(5/1000000000));
readln;
end.

duoda atsakymą m=84,503119936731021 po 23 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi. Dar labiau optimizuotas jo variantas:

var
a:longint;
c:real;
begin
for a:=1 to 1000000000  do
c:=c+sqrt(1+4*sqr(0.000000005*a))*a;
writeln(c*sqr(5/1000000000));
readln;
end.

duoda atsakymą m=84,503119936731021 po 17 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi (vadinasi, 1000000000 dalybos operacijų padaroma per 23-17=6 sekundes su 2,6 GHz procesoriumi; tačiau panaudojus šį kodą:

var
a:longint;
c:real;
begin
for a:=1 to 1000000000  do
c:=c+1/a;
writeln(c);
readln;
end.

gauname atsakymą 21,3004815025070 po 8 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi (beje, ${\int }_1^{10^9}\frac{1}{x}dx=\ln (10^9)-\ln (1)=9\ln (10)-0=20.7232658369464$)).

• Nustatyti parabolės $y=x^2$ masę pirmame ketvirtyje, kai x kinta nuo 0 iki 5. Tiesės tankis $\gamma$ tolstant tiesės taškams nuo centro (koordinačių pradžios taško O) didėja proporcingai Ox kryptimi ir Oy kryptimi, t. y. $\gamma =x+y.$

Sprendimas.

$y^{\prime }=(x^2{)}^{\prime }=2x;$

$m={\int }_0^5\gamma \sqrt{1+[y^{\prime }{]}^2}dx={\int }_0^5(x+y)\sqrt{1+[y^{\prime }{]}^2}dx={\int }_0^5(x+x^2)\sqrt{1+4x^2}dx=2{\int }_0^{5}x(1+x)\sqrt{\frac{1}{4}+x^2}dx;$

Toliau pasinaudodami Wolframo internetiniu integratoriumi gauname, kad:

$m={\int }_0^5(x+x^2)\sqrt{1+4x^2}dx=(\frac{1}{96}\sqrt{4x^2+1}(24x^3+32x^2+3x+8)-\frac{1}{64}\text{arcsinh}(2x)){|}_0^5=$

$=(\frac{1}{96}\sqrt{4\cdot 5^2+1}(24\cdot 5^3+32\cdot 5^2+3\cdot 5+8)-\frac{1}{64}\text{arcsinh}(2\cdot 5))-(\frac{1}{96}\sqrt{4\cdot 0^2+1}(24\cdot 0^3+32\cdot 0^2+3\cdot 0+8)-\frac{1}{64}\text{arcsinh}(2\cdot 0))=$

$=(\frac{1}{96}\sqrt{101}(24\cdot 125+32\cdot 25+15+8)-\frac{1}{64}\text{arcsinh}(10))-(\frac{1}{96}\sqrt{1}\cdot 8-\frac{1}{64}\text{arcsinh}(0))=$

$=(\frac{1}{96}\sqrt{101}(3000+800+15+8)-\frac{1}{64}\text{arcsinh}(10))-(\frac{1}{12}-\frac{1}{64}\text{arcsinh}(0))=$

$=(\frac{3823}{96}\sqrt{101}-\frac{1}{64}\text{arcsinh}(10))-(\frac{1}{12}-\frac{1}{64}\text{arcsinh}(0))=$

=(400,21535937026211982341926834875-0,04684723359840577716947805527494)-(0,08333333333333333333333333333333-0)=

=400,16851213666371404624979029348-0,08333333333333333333333333333333=400,08517880333038071291645696014.

Free Pascal kodas:

 var
 a:longint;
 c:real;
 begin
 for a:=1 to 1000000000  do
 c:=c+sqrt(sqr(0.000000005)+sqr(sqr(0.000000005*a)-sqr(0.000000005*(a-1))))*(0.000000005*a+sqr(0.000000005*a));
 writeln(c);
 readln;
 end.

duoda atsakymą m=400,085179290551 po 27 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi.

• Nustatyti parabolės $y=x^2$ masę pirmame ketvirtyje, kai x kinta nuo 0 iki 5. Tiesės tankis $\gamma$ tolstant tiesės taškams nuo centro (koordinačių pradžios taško O) didėja pagal formulę $\gamma =(x+y{)}^2.$

Sprendimas. Pasinaudodami internetiniu integratoriumi, gauname:

$m={\int }_0^5\gamma \sqrt{1+[y^{\prime }{]}^2}dx={\int }_0^5(x+y{)}^2\sqrt{1+[y^{\prime }{]}^2}dx={\int }_0^5(x+x^2{)}^2\sqrt{1+4x^2}dx=$

$=\frac{1}{7680}(2\sqrt{4x^2+1}(640x^5+1536x^4+1000x^3+128x^2+105x-64)-105\text{arcsinh}(2x)){|}_0^5=$

$=\frac{1}{7680}(2\sqrt{101}(640\cdot 3125+1536\cdot 625+1000\cdot 125+128\cdot 25+105\cdot 5-64)-105\text{arcsinh}(10))-\frac{1}{7680}(2\sqrt{1}\cdot (-64)-105\text{arcsinh}(0))=$

$=\frac{1}{7680}(2\sqrt{101}(2000000+960000+125000+3200+525-64)-105\text{arcsinh}(10))-\frac{1}{7680}(-128-0)=$

$=\frac{1}{7680}(2\sqrt{101}\cdot 3088661-105\text{arcsinh}(10))+\frac{128}{7680}=$

$=\frac{1}{7680}(62081317,771613740125811409969418-314,81340978128682257889253144763)+\frac{128}{7680}=$

=(62081002,958203958838988831076887+128)/7680=8083,4805935161404738266707131363.

Panaudojus Free Pascal kodą:

 var
 a:longint;
 c:real;
 begin
 for a:=1 to 1000000000  do
 c:=c+sqrt(sqr(0.000000005*a-0.000000005*(a-1))+sqr(sqr(0.000000005*a)-sqr(0.000000005*(a-1))))*sqr(0.000000005*a+sqr(0.000000005*a));
 writeln(c);
 readln;
 end.

gauname atsakymą m=8083,48061127561 po 30 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi.

Alternatyvus Free Pascal kodas, skaičiuojantis pagal formulę $m={\int }_0^5\gamma \sqrt{1+[y^{\prime }{]}^2}dx={\int }_0^5(x+x^2{)}^2\sqrt{1+4x^2}dx$ yra toks:

 var
 a:longint;
 c:real;
 begin
 for a:=1 to 1000000000  do
 c:=c+sqrt(1+sqr(2*0.000000005*a))*sqr(0.000000005*a+sqr(0.000000005*a));
 writeln(c*0.000000005);
 readln;
 end.

ir duoda atsakymą m=8083,4806161241980 po 22 sekundžių su 2,6 GHz procesoriumi.

Sukimo paviršiaus plotas

Plotas sukant kokia nors funkcija (pavyzdžiui, parabolę) aplink Ox ašį apskaičiuojamas pagal formule:

$S=2\pi {\int }_a^{b}f(x)\sqrt{1+(f^{\prime }(x){)}^2}dx.$

Jeigu paviršius gaunamas sukimu aplink ašį Ox kreive AB, nusakomos parametrinėmis lygtimis $x=x(t),$ $y=y(t),$ $\alpha \le t\le \beta ,$ ir $y(t)\ge 0,$ x(t) keičiasi nuo a iki b, keičiantis t nuo $\alpha$ iki $\beta$, $x(\alpha )=a,$ $x(\beta )=b,$ tai, pirmoje lygtyje pakeite $x=x(t),$ gauname

$S=2\pi {\int }_{\alpha }^{\beta }y(t)\sqrt{1+(\frac{dy}{dx}{)}^2}dx=2\pi {\int }_{\alpha }^{\beta }y(t)\sqrt{x{\text{'}}^2(t)+y{\text{'}}^2(t)}dt.$

Pagaliau, jeigu kreivė užduota lygtimi poliarinėse koordinatėse: $\rho =\rho (\varphi ),$ $\alpha \le \varphi \le \beta ,$ kur $\rho (\varphi )$ turi netrūkią išvestine ant $[\alpha ,\beta ],$ tai šis atvejis susiveda į parametrinį uždavima kreivės $x=\rho (\varphi )\cos \varphi ,$ $y=\rho (\varphi )\sin \varphi ,$ $\alpha \le \varphi \le \beta ,$ ir antra formulė priima pavidalą

$S=2\pi {\int }_{\alpha }^{\beta }\rho (\varphi )\sin \varphi \sqrt{{\rho }^2(\varphi )+\rho {\text{'}}^2(\varphi )}d\varphi .$

Sukimo paviršiaus ploto skaičiavimo esmė yra $C=2\pi \cdot R$, kur R apskirtimo spindulys (R=f(x)). Tai tiesiog, tarsi, vidutinis kreivės [trumpas] atkarpos ilgis $(l_{k+1}-l_k=\mathrm{\Delta }l)$ padauginamas iš apskritimo ilgio, kuris yra spindulio R=y ir $2\pi$ sandauga ($C=2\pi R=2\pi y$). Ir gaunamas ritinio (arba tiksliau nupjautinio kūgio, kurio sudaromoji $\mathrm{\Delta }l$) su labai trumpa aukštine $h=\mathrm{\Delta }l$ šoninio paviršiaus plotas $\mathrm{\Delta }l\cdot 2\pi y=h\cdot 2\pi f(x),$ t. y. vienas apsukimas aplink Ox ašį. Toliau gaunama nauja funkcija $2\pi \cdot f(x)\sqrt{1+(f^{\prime }(x){)}^2},$ kuri ir yra integruojama nuo a iki b. Čia ${\int }_a^b\sqrt{1+(f^{\prime }(x){)}^2}dx$ yra kreivės lanko ilgis kokiame nors intervale, kai x kinta nuo a iki b.

Pavyzdžiai

• Apskaičiuosime plotą S paviršiaus rutulinio pusiaujo, atsiradusio dėl sukimo pusiauapskritimio, $f(x)=\sqrt{R^2-x^2},-R<a\le x\le b<R,$ aplink ašį Ox. Pagal pirmą formulę gauname

$S=2\pi {\int }_a^b\sqrt{R^2-x^2}\sqrt{1+\frac{x^2}{R^2-x^2}}dx=2\pi {\int }_a^b\sqrt{R^2-x^2}\sqrt{\frac{R^2}{R^2-x^2}}dx=2\pi {\int }_a^{b}Rdx=2\pi Rx{|}_a^b=2\pi R(b-a)=2\pi Rh.$

• Apskaičiuosime 1/2 rutulio paviršiaus ploto, atsiradusio dėl sukimo pusiauapskritimio (sukama 1/4 apskritimo aplink Ox ašį), $f(x)=\sqrt{R^2-x^2},0\le x\le R,$ aplink ašį Ox, kai R=3. Pagal pirmą formulę gauname

$S=2\pi {\int }_a^b\sqrt{R^2-x^2}\sqrt{1+\frac{x^2}{R^2-x^2}}dx=2\pi {\int }_0^R\sqrt{R^2-x^2}\sqrt{\frac{R^2}{R^2-x^2}}dx=2\pi {\int }_0^{R}Rdx=2\pi R\cdot x{|}_0^R=2\pi R(R-0)=2\pi R^2=2\pi \cdot 3^2=18\pi =\mathrm{56.54866776.}$

Išvada yra paprasta ir akį režianti: kokį atstuma neimsi kiekviename intervale, ar tai būtų R-2=3-2=1 ar tai būtų 2-1=1, kai R=3, bet paviršiaus plotas visada bus toks pat ir kas svarbiausia teisingas. Nes kai tolstama nuo centro (kai 2 taškai kurie sudaro kreivę link R artėja) tai nuožulnesnis paviršius gaunamas (ilgesnė kreivė-linija, kuri bus sukama aplink Ox ašį), bet trumpesnio ilgio apskritimas $c=2\pi R$ gaunasi apsukus aplink Ox ašį. Ir vienas kitą kompensuoja ir visada gaunasi vienodai, nepriklausomai nuo to kokioje srityje paimsi reikšmes (b-a), kurios yra 2 taškai ant Ox ašies.

• Apskaičiuosime rutulio paviršiaus plotą, atsiradusio dėl sukimo pusiauapskritimio, $f(x)=\sqrt{R^2-x^2},1\le x\le 3,$ aplink ašį Ox, kai R=3. Pagal pirmą formulę gauname

$S=2\pi {\int }_a^b\sqrt{R^2-x^2}\sqrt{1+\frac{x^2}{R^2-x^2}}dx=2\pi {\int }_1^3\sqrt{R^2-x^2}\sqrt{\frac{R^2}{R^2-x^2}}dx=2\pi {\int }_1^{3}Rdx=2\pi R(3-1)=4\pi R=2\pi \cdot 3\cdot 2=12\pi =\mathrm{37.69911184.}$

Patikriname, kad jei visas rutlio paviršiaus plotas yra $4\pi R^2=4\pi \cdot 3^2=36\pi$, tai dalis $\frac{1}{4}$ rutlio paviršiaus ploto yra $\frac{1}{4}\cdot 4\pi 3^2=\pi 9.$ Matosi, kad čia nereikia net integruoti ir tas plotas yra kaip arbuzo išpjauta skiltis, tai tos skilties žievė. Ir kad x negali būti daugiau už vieną ir mažiau už -1.

• Apskaičiuosime rutulio paviršiaus plotą, atsiradusio dėl sukimo pusiauapskritimio, $f(x)=\sqrt{R^2-x^2},0\le x\le 2,$ aplink ašį Ox, kai R=3. Pagal pirmą formulę gauname

$S=2\pi {\int }_a^b\sqrt{R^2-x^2}\sqrt{1+\frac{x^2}{R^2-x^2}}dx=2\pi {\int }_0^1\sqrt{R^2-x^2}\sqrt{\frac{R^2}{R^2-x^2}}dx=2\pi {\int }_0^{2}Rdx=2\pi R(2-0)=4\pi 3=12\pi =\mathrm{37.69911184.}$

• Apskaičiuosime visą rutulio paviršiaus plotą, atsiradusio dėl sukimo pusiauapskritimio, $f(x)=\sqrt{R^2-x^2},-3\le x\le 3,$ aplink ašį Ox, kai R=3. Pagal pirmą formulę gauname

$S=2\pi {\int }_a^b\sqrt{R^2-x^2}\sqrt{1+\frac{x^2}{R^2-x^2}}dx=2\pi {\int }_{-3}^3\sqrt{R^2-x^2}\sqrt{\frac{R^2}{R^2-x^2}}dx=2\pi {\int }_{-3}^{3}Rdx=2\pi Rx{|}_{-3}^3=2\pi R(3-(-3))=2\pi \cdot 3\cdot 6=36\pi =\mathrm{113.0973355.}$

• Apskaičiuoti paraboloido paviršiaus plotą, atsiradusio dėl sukimo aplink Ox ašį parabolės $y^2=2px$, atitinkančiai x kitimosi nuo $x=0$ iki $x=k$:

$y=\sqrt{2px},y^{\prime }=\frac{\sqrt{2p}}{2\sqrt{x}},\sqrt{1+(y^{\prime }{)}^2}=\sqrt{1+\frac{2p}{4x}}=\sqrt{\frac{2x+p}{2x}}.$

$S=2\pi {\int }_a^{b}f(x)\sqrt{1+(f^{\prime }(x){)}^2}dx=2\pi {\int }_0^k\sqrt{2px}\sqrt{1+(\frac{\sqrt{2p}}{2\sqrt{x}}{)}^2}dx=2\pi {\int }_0^k\sqrt{2px}\sqrt{1+\frac{2p}{4x}}dx=2\pi {\int }_0^k\sqrt{2px}\sqrt{\frac{2x+p}{2x}}dx=$

$=2\pi \sqrt{p}{\int }_0^k\sqrt{2x+p}dx=\pi \sqrt{p}{\int }_0^k\sqrt{2x+p}d(2x+p)=\pi \sqrt{p}\cdot \frac{\sqrt{(2x+p{)}^3}}{3/2}{|}_0^k=\frac{2\pi \sqrt{p}}{3}\cdot [(2k+p{)}^{\frac{3}{2}}-p^{\frac{3}{2}}],$

kur d(2x+p)=2dx; dx=(d(2x+p))/2.

• Apskaičiuoti paraboloido paviršiaus plotą, atsiradusio dėl sukimo aplink Ox ašį parabolės $y^2=x$, atitinkančiai x kitimosi nuo $x=0$ iki $x=4$:

$y=\sqrt{x},y^{\prime }=\frac{1}{2\sqrt{x}}.$

$S=2\pi {\int }_a^{b}f(x)\sqrt{1+(f^{\prime }(x){)}^2}dx=2\pi {\int }_0^4\sqrt{x}\sqrt{1+(\frac{1}{2\sqrt{x}}{)}^2}dx=2\pi {\int }_0^4\sqrt{x}\sqrt{1+\frac{1}{4x}}dx=2\pi {\int }_0^4\sqrt{x}\sqrt{\frac{4x+1}{4x}}dx=$

$=2\pi {\int }_0^4\sqrt{\frac{4x+1}{4}}dx=2\pi {\int }_0^4\frac{1}{2}\cdot \sqrt{4x+1}dx=\pi {\int }_0^4\sqrt{4x+1}dx=\pi {\int }_0^4\sqrt{4x+1}\frac{d(2x+p)}{2}=\frac{\pi }{2}\cdot \frac{\sqrt{(4x+1{)}^3}}{\frac{3}{2}}{|}_0^4=$

$=\frac{\pi }{2}\cdot \frac{2}{3}\cdot (\sqrt{(4\cdot 4+1{)}^3}-\sqrt{(4\cdot 0+1{)}^3})=\frac{\pi }{3}\cdot (\sqrt{17^3}-1)=\frac{\pi }{3}\cdot (\sqrt{4913}-1)=\frac{\pi }{3}\cdot 69.09279564=72.35380639,$

kur d(4x+1)=4*dx; dx=(d(4x+1))/2.

• Apskaičiuoti paraboloido paviršiaus plotą, atsiradusio dėl sukimo aplink Ox ašį parabolės $y^2=x$, atitinkančiai x kitimosi nuo $x=0$ iki $x=16$:

$y=\sqrt{x},y^{\prime }=\frac{1}{2\sqrt{x}}.$

$S=2\pi {\int }_a^{b}f(x)\sqrt{1+(f^{\prime }(x){)}^2}dx=2\pi {\int }_0^{16}\sqrt{x}\sqrt{1+(\frac{1}{2\sqrt{x}}{)}^2}dx=2\pi {\int }_0^{16}\sqrt{x}\sqrt{1+\frac{1}{4x}}dx=2\pi {\int }_0^{16}\sqrt{x}\sqrt{\frac{4x+1}{4x}}dx=$

$=2\pi {\int }_0^{16}\sqrt{\frac{4x+1}{4}}dx=2\pi {\int }_0^{16}\frac{1}{2}\cdot \sqrt{4x+1}dx=\pi {\int }_0^{16}\sqrt{4x+1}dx=\pi {\int }_0^{16}\sqrt{4x+1}\frac{d(4x+1)}{4}=\frac{\pi }{4}\cdot \frac{\sqrt{(4x+1{)}^3}}{\frac{3}{2}}{|}_0^{16}=$

$=\frac{\pi }{4}\cdot \frac{2}{3}\cdot (\sqrt{(4\cdot 16+1{)}^3}-\sqrt{(4\cdot 0+1{)}^3})=\frac{\pi }{6}\cdot (\sqrt{(64+1{)}^3}-1)=\frac{\pi }{6}\cdot (\sqrt{65^3}-1)=\frac{\pi }{6}\cdot (\sqrt{274625}-1)=\frac{\pi }{6}\cdot 523.0467536=273.8666398,$

kur d(4x+1)=4*dx; dx=(d(4x+1))/4.

• Apskaičiuosime sukamos parabolės $y=x^2$ apie Ox ašį plotą, kai x kinta nuo 0 iki 4. Pasinaudosime internetiniu integratoriumi https://www.wolframalpha.com/input/?i=x%5E2+sqrt%281%2B4x%5E2%29

$S=2\pi {\int }_a^{b}f(x)\sqrt{1+(f^{\prime }(x){)}^2}dx=2\pi {\int }_0^4{x}^2\sqrt{1+(2x{)}^2}dx=2\pi {\int }_0^4{x}^2\sqrt{1+4x^2}dx=$

$=\frac{2\pi }{64}(2\sqrt{4x^2+1}(8x^3+x)-{\sinh }^{-1}(2x)){|}_0^4=$

$=\frac{\pi }{32}(2\sqrt{65}\cdot 516-{\sinh }^{-1}8)-\frac{\pi }{32}(2\sqrt{1}\cdot 0-{\sinh }^{-1}0)=$

$=\frac{\pi }{32}(8320.24999624410324-2.77647228072371767)-\frac{\pi }{32}(0-0)=$

$=\frac{\pi }{32}\cdot 8317.47352396337952-0=816.5660537284675687=$

=816.56605372846756868187758913704 (visiškai tiksliai).

Šitą plotą apskaičiavus su "Free Pascal 3.2.0" naudojant tokį kodą:

var a:longint; c:real;
begin
for a:=1 to 1000000000  do
c:=c+sqrt(sqr(0.000000004)+sqr(sqr(0.000000004*a)-sqr(0.000000004*(a-1))))*sqr(0.000000004*a);
writeln(6.283185307179586477*c);
readln;
end.

gauname rezultatą "8.16566054823987990563E+0002", kuris reiškia 816.566054823987990563 (šiaip "FP 3.2.0" duoda rezultatą 64 bitų t. y. 17 skaitmenų tikslumu, bet dėl to, kad padauginta tik vieną kartą iš 19 skaitmenų turinčios $2\pi$ reikšmės, atsakymas duotas 21 skaitmens tikslumu). Šitas rezultatas gautas po 16 sekundžių su 4 GHz procesoriumi, kuris, kaip rodo "Task Manager", skaičiuojant šitą kodą pakelia dažnį iki pastovios 4.16 GHz reikšmės.

• Apskaičiuosime plotą S, paviršiaus, gauto sukimu vienos arkos cikloidės $x=a(t-\sin t),$ $y=a(1-\cos t),$ $0\le t\le 2\pi ,$ aplink ašį Ox. Pagal antrą formulę turime

$S=2\pi {\int }_0^{2\pi }a(1-\cos t)\sqrt{(a(1-\cos t){)}^2+(a\sin t{)}^2}dt=$ $=2\pi {\int }_0^{2\pi }a(1-\cos t)\sqrt{a^2(1-2\cos t+{\cos }^{2}t)+a^2{\sin }^{2}t}dt=2\pi {\int }_0^{2\pi }a(1-\cos t)\sqrt{a^2(2-2\cos t)}dt=$ $=2\sqrt{2}\pi a^2{\int }_0^{2\pi }(1-\cos t{)}^{\frac{3}{2}}dt=2\sqrt{2}\pi a^2{\int }_0^{2\pi }(2{\sin }^2\frac{t}{2}{)}^{\frac{3}{2}}dt=8\pi a^2{\int }_0^{2\pi }{\sin }^3\frac{t}{2}dt=$ $=32\pi a^2{\int }_0^{\frac{\pi }{2}}{\sin }^3\frac{t}{2}d(\frac{t}{2})=32\pi a^2\cdot \frac{2!!}{3!!}=\frac{64}{3}\pi a^2,$

kur pasinaudojome dvigubu faktorialu.

Arba galima buvo šį integralą sudorot paprastai:

$S=8\pi a^2{\int }_0^{2\pi }{\sin }^3\frac{t}{2}dt=8\pi a^2{\int }_0^{2\pi }\frac{3\sin \frac{t}{2}-\sin \frac{3t}{2}}{4}dt=2\pi a^2{\int }_0^{2\pi }(3\sin \frac{t}{2}-\sin \frac{3t}{2})dt=$ $=4\pi a^2{\int }_0^{2\pi }3\sin \frac{t}{2}d(\frac{t}{2})-\frac{4}{3}\pi a^2{\int }_0^{2\pi }\sin \frac{3t}{2}d(\frac{3t}{2})=-12\pi a^2\cos \frac{t}{2}{|}_0^{2\pi }+\frac{4}{3}\pi a^2\cos \frac{3t}{2}{|}_0^{2\pi }=$ $=-12\pi a^2\cdot (-2)+\frac{4}{3}\pi a^2\cdot (-2)=\frac{64}{3}\pi a^2.$

Sukimo kūno tūris

$V=\pi {\int }_a^b{y}^{2}dx=\pi {\int }_a^b[f(x){]}^{2}dx.$

Funkcija sukama aplink Ox ašį.

Pavyzdžiai

• Apskaičiuosime paraboloido $y=\sqrt{x}$ tūrį, kai 0<x<16. Pagal formulę:

$V=\pi {\int }_a^b{y}^{2}dx=\pi {\int }_0^{16}(\sqrt{x}{)}^{2}dx=\pi {\int }_0^{16}xdx=\pi {\int }_0^{16}xdx=\pi \cdot \frac{x^2}{2}{|}_0^{16}=\pi (\frac{16^2}{2}-\frac{0^2}{2})=\pi \cdot \frac{256}{2}=128\pi =\mathrm{402.1238597.}$

• Apskaičiuosime kubinio paraboloido $y=\sqrt[3]{x}$ tūrį, kai 0<x<16. Kreivė $y=\sqrt[3]{x}$ sukama aplink Ox ašį ir tokiu budu gaunamas kubinio paraboloido tūris.

$V=\pi {\int }_a^b{y}^{2}dx=\pi {\int }_0^{16}(\sqrt[3]{x}{)}^{2}dx=\pi {\int }_0^{16}{x}^{\frac{2}{3}}dx=\pi \cdot \frac{x^{\frac{2+3}{3}}}{\frac{5}{3}}{|}_0^{16}=\pi \cdot \frac{3}{5}\cdot x^{\frac{5}{3}}{|}_0^{16}=\pi \cdot \frac{3}{5}\cdot (\sqrt[3]{16^5}-\sqrt[3]{0^5})=$

$=\pi \cdot \frac{3}{5}\cdot \sqrt[3]{1048576}=\pi \cdot \frac{3}{5}\cdot 101.5936673=60.9562004\pi =\mathrm{191.4995514.}$

• Apskaičiuosime funkcijos $y=x^2$ sukimo tūrį, kai x kinta nuo 0 iki 4.

$V=\pi {\int }_a^b{y}^{2}dx=\pi {\int }_0^4(x^2{)}^{2}dx=\pi {\int }_0^4{x}^{4}dx=\pi \cdot \frac{x^5}{5}{|}_0^4=\pi (\frac{4^5}{5}-\frac{0^5}{5})=\pi \cdot \frac{1024}{5}=204.8\pi =\mathrm{643.3981755.}$

• Apskaičiuosime funkcijos $y=x^3$ sukimo tūrį, kai x kinta nuo 0 iki 4.

$V=\pi {\int }_a^b{y}^{2}dx=\pi {\int }_0^4(x^3{)}^{2}dx=\pi {\int }_0^4{x}^{6}dx=\pi \cdot \frac{x^7}{7}{|}_0^4=\pi (\frac{4^7}{7}-\frac{0^7}{7})=\pi \cdot \frac{16384}{7}=2340.571429\pi =\mathrm{7353.122005.}$