الرياضيات البحتة · الصف الثالث الثانوي

تطبيقات على التكامل المحدد

استخدام التكامل المحدد في حساب المساحة تحت منحنى وبين منحنيين، وحجم جسم دوران حول محور، مع أمثلة محلولة.

تطبيقات على التكامل المحدد — الرياضيات البحتة

الأهداف العامة

  • أن يحسب الطالب مساحة منطقة محصورة بين منحنى والمحور xx.
  • أن يحسب مساحة منطقة محصورة بين منحنيين.
  • أن يحسب حجم جسم ناتج عن دوران منطقة حول أحد المحاور.

المحتوى الرئيسي

المساحة تحت منحنى

إذا كانت f(x)0f(x) \ge 0 ومتصلة على [a,b][a, b]، فمساحة المنطقة المحصورة بين المنحنى والمحور xx من x=ax = a إلى x=bx = b:

A=abf(x)dxA = \int_a^b f(x)\,dx

وإذا كان جزء من المنحنى تحت المحور xx، نأخذ القيمة المطلقة على ذلك الجزء (بتقسيم التكامل عند أصفار الدالة).

المساحة بين منحنيين

إذا كان f(x)g(x)f(x) \ge g(x) على [a,b][a, b]، فمساحة المنطقة المحصورة بينهما:

A=ab[f(x)g(x)]dxA = \int_a^b \big[\,f(x) - g(x)\,\big]\,dx

أي تكامل (المنحنى الأعلى ناقص المنحنى الأدنى). نوجد حدَّي التكامل من نقاط تقاطع المنحنيين (f(x)=g(x)f(x) = g(x)).

حجم جسم الدوران

عند تدوير المنطقة تحت y=f(x)y = f(x) من x=ax = a إلى x=bx = b دورة كاملة حول المحور xx، يكون حجم الجسم الناتج:

V=πab[f(x)]2dxV = \pi \int_a^b \big[\,f(x)\,\big]^2\,dx

(مجموع أحجام أقراص رقيقة نصف قطر كلٍّ منها f(x)f(x) وسمكه dxdx). وبالمثل عند الدوران حول المحور yy لمنطقة بين x=g(y)x = g(y) والمحور من y=cy = c إلى y=dy = d يكون V=πcd[g(y)]2dyV = \pi\int_c^d [\,g(y)\,]^2\,dy.

النقاط الرئيسية

  • المساحة تحت منحنى موجب: A=abf(x)dxA = \int_a^b f(x)\,dx.
  • المساحة بين منحنيين: تكامل (الأعلى - الأدنى)، وحدوده نقاط التقاطع.
  • حجم الدوران حول xx: V=πab[f(x)]2dxV = \pi\int_a^b [\,f(x)\,]^2\,dx.
  • إذا نزل المنحنى تحت المحور، جزّئ التكامل عند الأصفار وخذ القيم المطلقة.
  • ارسم المنطقة أولًا لتحديد المنحنى الأعلى وحدود التكامل.

تطبيقات / أمثلة

مثال ١: أوجد مساحة المنطقة المحصورة بين المنحنى y=x2y = x^2 والمحور xx من x=0x = 0 إلى x=3x = 3.

الحل:

A=03x2dx=[x33]03=2730=9A = \int_0^3 x^2\,dx = \left[\,\frac{x^3}{3}\,\right]_0^3 = \frac{27}{3} - 0 = 9

مثال ٢: أوجد مساحة المنطقة المحصورة بين المنحنيين y=xy = x وy=x2y = x^2.

الحل: نقطتا التقاطع من x=x2x = x^2، أي x=0x = 0 وx=1x = 1. وعلى [0,1][0, 1] يكون xx2x \ge x^2، إذن:

A=01(xx2)dx=[x22x33]01=1213=16A = \int_0^1 (x - x^2)\,dx = \left[\,\frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3}\,\right]_0^1 = \frac{1}{2} - \frac{1}{3} = \frac{1}{6}

مثال ٣: أوجد مساحة المنطقة المحصورة بين المنحنى y=4x2y = 4 - x^2 والمحور xx.

الحل: أصفار الدالة عند x=±2x = \pm 2، والمنحنى موجب بينهما:

A=22(4x2)dx=[4xx33]22=(883)(8+83)=163+163=323A = \int_{-2}^{2} (4 - x^2)\,dx = \left[\,4x - \frac{x^3}{3}\,\right]_{-2}^{2} = \left(8 - \frac{8}{3}\right) - \left(-8 + \frac{8}{3}\right) = \frac{16}{3} + \frac{16}{3} = \frac{32}{3}

مثال ٤: أوجد حجم الجسم الناتج عن دوران المنطقة تحت y=xy = \sqrt{x} من x=0x = 0 إلى x=4x = 4 دورة كاملة حول المحور xx.

الحل:

V=π04(x)2dx=π04xdx=π[x22]04=π8=8πV = \pi \int_0^4 \big(\sqrt{x}\,\big)^2\,dx = \pi \int_0^4 x\,dx = \pi\left[\,\frac{x^2}{2}\,\right]_0^4 = \pi \cdot 8 = 8\pi

مثال ٥: أوجد حجم المخروط الناتج عن دوران المنطقة تحت y=xy = x من x=0x = 0 إلى x=2x = 2 حول المحور xx.

الحل:

V=π02x2dx=π[x33]02=8π3V = \pi \int_0^2 x^2\,dx = \pi\left[\,\frac{x^3}{3}\,\right]_0^2 = \frac{8\pi}{3}

ملاحظات:

  • عند حساب المساحة بين منحنيين رأسيًّا، إذا تبادل المنحنيان الترتيب داخل الفترة، جزّئ التكامل عند نقطة التبادل.
  • في مسائل الحجم، تربيع الدالة يعني [f(x)]2[\,f(x)\,]^2 وليس f(x2)f(x^2).
  • تحقّق من معقولية الناتج: المساحة والحجم كمّيتان غير سالبتين.