Определённые интегралы и площади

← Назад к материалам
Университет 18 Залы Анализ

Дидактические цели

Чему равна площадь под кривой? Прежде чем вводить формулы, эта лаборатория начинает с подсчёта клеток сетки на глаз. Дальше — суммы Римана: прямоугольники, приближающие эту площадь по разным критериям, — и наблюдение за тем, как при увеличении их числа две разные оценки сходятся к одному значению: определённому интегралу. Опираясь на эту идею, лаборатория переходит к приложениям: площадь со знаком, площадь между кривыми и два менее очевидных применения той же идеи «раздели и сложи» — длина кривой и объём тела вращения. Рассчитано на университет (математический анализ).

Чему учит эта лаборатория

  • Оценивать площадь под кривой, подсчитывая клетки сетки сверху и снизу, и наблюдать, как оценка улучшается при уменьшении клеток (залы 1-2).
  • Строить суммы Римана по критериям левого края, правого края, середины, верхней и нижней суммы, и сравнивать все пять сразу на нескольких функциях (залы 3-5).
  • Наблюдать, как верхняя и нижняя суммы сходятся к одному значению при неограниченном росте числа прямоугольников: этот предел и есть определённый интеграл (зал 6).
  • Понимать площадь со знаком (участки ниже оси вычитаются), базовые свойства интеграла и то, почему работает основная теорема анализа (залы 7-9).
  • Применять интеграл к площади между кривыми — включая пересекающиеся кривые —, сравнивать численные методы (трапеций, Симпсона, Монте-Карло), и использовать ту же идею «раздели и сложи» для вычисления длины кривой и объёма тела вращения (залы 10-15).
  • Завершить итоговой задачей, объединяющей визуальную оценку, суммы Римана и точный интеграл (зал 16).

Ключевые математические идеи

  • Каждая сумма Римана приближает площадь под кривой прямоугольниками; критерий (левый, правый, середина, верхний, нижний) определяет, какую высоту использует каждый из них.
  • Верхняя сумма и нижняя сумма зажимают между собой любую разумную сумму и сходятся к одному значению при стремлении числа прямоугольников к бесконечности: этот предел — определённый интеграл ∫ₐᵇf(x)dx.
  • Определённый интеграл измеряет площадь со знаком: участки ниже оси x вычитаются, а не складываются.
  • Основная теорема анализа связывает интеграл с производной: на достаточно узкой полоске f ведёт себя почти как константа (её касательная), и площадь этой полоски всё точнее приближается прямоугольником.
  • Площадь между кривыми — это интеграл разности верхней и нижней функций; когда кривые пересекаются, нужно разбить интервал в точках пересечения.
  • Та же идея разбиения обобщается на длину кривой (приближение отрезками) и на объём тела вращения (приближение стопкой дисков).
  • Численные методы — трапеций, Симпсона, Монте-Карло — это альтернативные способы приблизить интеграл, когда нет простой первообразной, каждый со своим порядком точности.

Содержание по залам

Зал 1 · Площадь под кривой на глаз

Лаборатория начинается без формул: кривая над клетчатой сеткой и ученик, отмечающий клетки. Сначала он оценивает площадь сверху, затем снизу и, наконец, даёт собственную оценку. Так с самого начала закрепляется мысль о том, что площадь можно зажать между двумя числами, которые сближаются.

Задания для ученика

  • Отметить клетки, которые покрывают площадь, и клетки, целиком помещающиеся под кривой.
  • Дать собственную оценку и сравнить её с двумя границами.

Зал 2 · Более мелкая сетка

Та же кривая, но сетка намного мельче. Обе границы сближаются, и оценка улучшается, хотя метод остался прежним: точность зависела от размера клетки. Здесь впервые появляется идея предельного перехода.

Задания для ученика

  • Повторить подсчёт с более мелкими клетками.
  • Сравнить границы с полученными в предыдущем зале и объяснить, почему они стали лучше.

Зал 3 · Слева, справа, середина

Прямоугольники заменяют клетки. Разбиение отрезка и три способа выбрать высоту каждого прямоугольника — по левому краю, по правому краю или по середине — показывают, что у одной и той же идеи есть варианты: одни дают недостаток, другие — избыток.

Задания для ученика

  • Сравнить три способа выбора высоты на одном и том же разбиении.
  • Определить, какой из них завышает, а какой занижает значение для возрастающей кривой.

Зал 4 · Верхняя и нижняя суммы

Вместо произвольной точки каждого подотрезка берутся наибольшее и наименьшее значения функции на нём. Тогда настоящая площадь всегда зажата между двумя суммами, как бы ни вела себя кривая: это строгий вариант того, что в зале 1 делалось на глаз.

Задания для ученика

  • Построить верхнюю и нижнюю суммы для одного разбиения.
  • Убедиться, что настоящая площадь лежит между ними.

Зал 5 · Исследователь сумм Римана

Зал свободной игры в этом блоке: пять критериев выбора, ползунок числа прямоугольников и несколько функций для опытов. Сразу видно, что при росте n все варианты сходятся к одному числу, хотя одни делают это гораздо быстрее других.

Задания для ученика

  • Увеличивать число прямоугольников и следить, как сумма стабилизируется.
  • Сравнить скорость сходимости разных критериев.

Зал 6 · Сходимость и интеграл

Верхняя и нижняя суммы приближаются друг к другу, пока не встретятся в одном числе, и это число — определённый интеграл. Здесь наконец вводится обозначение ∫ и объясняется, откуда берутся его части: вытянутый знак, означающий сумму, функция и дифференциал.

Задания для ученика

  • Проследить сходимость двух сумм при измельчении разбиения.
  • Связать каждую часть обозначения с тем, что делалось раньше.

Зал 7 · Площадь со знаком

Интеграл не всегда равен площади: всё, что лежит под осью, вычитается. Для синуса на полном периоде результат равен нулю, а зал завершается задачей про бассейн — функция с постоянной и колеблющейся частями, — где приём состоит в том, чтобы отделить прямоугольник от куска, про который уже известно, что его интеграл равен нулю.

Задания для ученика

  • Предсказать знак интеграла функции, пересекающей ось.
  • Решить задачу про бассейн, отделив постоянную часть от колеблющейся.

Зал 8 · Свойства интеграла

Если разбить отрезок внутренней точкой и сложить два куска, получится то же, что при интегрировании сразу по всему отрезку. Анимация сначала проходит весь отрезок, затем первый кусок и показывает вычитание: именно так это свойство применяется на практике.

Задания для ученика

  • Проверить аддитивность, разбив отрезок точкой.
  • Вычислить интеграл как разность двух других.

Зал 9 · Основная теорема

Сердце лаборатории. Если определить функцию, дающую накопленную площадь до точки x, её производная оказывается равной самой f. Зал показывает это, увеличивая очень узкую полоску: прирост площади при небольшом шаге вперёд почти в точности равен прямоугольнику высотой f(x).

Задания для ученика

  • Оценить, насколько вырастет площадь при небольшом шаге по x.
  • Увидеть, что этот прирост определяется высотой функции.

Зал 10 · f(x) и её функция площади

Два графика рядом: функция и её накопленная площадь; ползунок движется по обоим сразу. Там, где f положительна, площадь растёт, там, где отрицательна, — убывает, а в точках, где f пересекает ось, у функции площади максимум или минимум.

Задания для ученика

  • Связать знак f с ростом функции площади.
  • Найти экстремумы функции площади по нулям f.

Зал 11 · Нарисуйте свою функцию

Ученик от руки рисует любую кривую, а лаборатория тут же вычисляет её интеграл и функцию площади. В этом зале можно самостоятельно проверить то, что объяснили две предыдущие, нарочно рисуя кривые, которые растут, убывают или пересекают ось.

Задания для ученика

  • Нарисовать произвольную функцию и посмотреть на её функцию площади.
  • Нарочно нарисовать кривую с нулевым интегралом.

Зал 12 · Правило Барроу

Основная теорема становится инструментом вычисления: если известна первообразная, определённый интеграл равен разности её значений на концах. Здесь лаборатория переходит от понимания интеграла к умению его вычислять.

Задания для ученика

  • Вычислить определённый интеграл, найдя первообразную и подставив пределы.
  • Сравнить результат с численной оценкой.

Зал 13 · Площадь между двумя кривыми

Площадь, заключённая между двумя функциями, равна интегралу их разности. Если верхняя и нижняя кривые определены верно, задача сводится к обычной.

Задания для ученика

  • Определить, какая кривая на отрезке верхняя.
  • Вычислить площадь между ними.

Зал 14 · Пересекающиеся кривые

Когда кривые пересекаются, верхняя посреди пути перестаёт быть верхней, поэтому отрезок нужно разбить в точках пересечения и сложить площади кусков. Это классическая ошибка темы, и здесь видно, почему прямое вычитание даёт неверный результат.

Задания для ученика

  • Найти точки пересечения двух кривых.
  • Разбить отрезок и сложить площади всех кусков.

Зал 15 · Трапеция и Симпсон

Два способа приближения, лучших, чем прямоугольники: соединять точки отрезками или параболами. Столбики ошибок в логарифмическом масштабе показывают, насколько улучшается каждый метод при удвоении числа кусков, и видно, что Симпсон выигрывает намного больше, чем чуть-чуть.

Задания для ученика

  • Сравнить ошибки методов прямоугольников, трапеций и Симпсона при одинаковом числе кусков.
  • Оценить, насколько улучшается каждый метод при удвоении числа кусков.

Зал 16 · Интегрирование методом Монте-Карло

Совсем другой метод: бросать случайные точки в прямоугольник и считать, какая их доля попадает под кривую. В одном измерении он медленный и шумный, но открывает мысль о том, что существуют вероятностные способы вычисления интегралов.

Задания для ученика

  • Бросать точки и оценивать площадь по доле точек под кривой.
  • Понаблюдать, как оценка улучшается с ростом числа точек.

Зал 17 · Длина кривой

Та же идея разбиения, применённая к другой величине: приблизить кривую ломаной и сложить длины звеньев. При измельчении разбиения появляется формула длины дуги.

Задания для ученика

  • Приблизить длину ломаной и измельчать разбиение.
  • Понять, откуда в формуле берётся корень.

Зал 18 · Объём тела вращения

Завершение лаборатории в трёх измерениях: кривая вращается вокруг оси, а получившееся тело приближается дисками радиуса f(x). Сцену можно вращать мышью, и объём получается сложением дисков точно так же, как площадь получалась сложением прямоугольников.

Задания для ученика

  • Повернуть кривую и увидеть тело, составленное из дисков.
  • Вычислить объём сложением дисков и сравнить с формулой.

Залы для показа

Самые наглядные для показа и обсуждения в классе.

★
Зал 5 · Исследователь сумм Римана — Из этого зала рождается «ага!» первого блока: когда ползунок числа прямоугольников выведен на экран, класс видит, как все варианты сходятся к одному числу. Хорошо заранее спросить вслух, что произойдёт, прежде чем двигать ползунок.
★
Зал 9 · Основная теорема — Центральный результат всей темы, объяснённый картинкой, а не доказательством. Стоит вывести её на экран и задержаться на увеличении узкой полоски: именно там видно, что площадь растёт со скоростью f(x).
★
Зал 11 · Нарисуйте свою функцию — Один ученик выходит и рисует кривую, а остальные предсказывают, как будет выглядеть её функция площади, пока она не появилась. Очень хорошо работает просьба нарисовать кривую с нулевым интегралом.
★
Зал 18 · Объём тела вращения — Наглядное завершение лаборатории. Когда тело вращается и распадается на диски, становится ясно, что интеграл — это не только площади, но и сложение множества малых величин.