AMKbook.Net Задачи должны иметь решение
Реклама

Задача №1696

Условие

Окружность \(x^2+y^2=a^2\) разбивается гиперболой \(x^2-2y^2=\frac{a^2}{4}\) на три части. Определить площади этих частей.

Решение

В ходе решения этой задачи, а также некоторых последующих задач, нам потребуется находить интеграл от функции вида \(\sqrt{a^2-x^2}\), где \(a\neq{0}\). Рассмотрим этот интеграл отдельно:

\[ \int\sqrt{a^2-x^2}dx =\left[\begin{aligned} & u=\sqrt{a^2-x^2};\;du=-\frac{xdx}{\sqrt{a^2-x^2}};\\ & dv=dx;\;v=x. \end{aligned}\right] =x\sqrt{a^2-x^2}+\int\frac{x^2dx}{\sqrt{a^2-x^2}}=\\ =x\sqrt{a^2-x^2}-\int\frac{a^2-x^2-a^2}{\sqrt{a^2-x^2}}dx =x\sqrt{a^2-x^2}-\int\sqrt{a^2-x^2}+a^2\int\frac{dx}{\sqrt{a^2-x^2}}=\\ =x\sqrt{a^2-x^2}-\int\sqrt{a^2-x^2}+a^2\arcsin\frac{x}{a}+C. \]
\[ \int\sqrt{a^2-x^2}dx =\frac{1}{2}x\sqrt{a^2-x^2}+\frac{a^2}{2}\arcsin\frac{x}{a}+C \]

Вернёмся к нашей задаче. Гипербола \(\frac{x^2}{a^2/4}-\frac{y^2}{a^2/8}=1\) имеет полуоси \(\frac{a}{2}\) и \(\frac{a}{2\sqrt{2}}\). Ввиду симметричности гиперболы и окружности относительно оси ординат, делаем вывод, что площади двух из упомянутых в условии трёх частей равны между собой. Таким образом, имеем три части, с площадями \(S_1\), \(S_1\) и \(S_2\), где \(S_1\) – площадь каждой из областей внутри гиперболы, а \(S_2\) – площадь области вне гиперболы.

Рассмотрим площадь \(S_1\), расположенную справа от оси ординат. Так как гипербола и окружность симметричны относительно оси абсцисс, то \(S_1=2S_0\), где \(S_0\) – часть рассматриваемой площади \(S_1\), расположенная над осью абсцисс. Площадь \(S_0\) находится в первом квадранте, где гипербола и окружность имеют такие уравнения: \(x=\sqrt{a^2-y^2}\), \(x=\sqrt{2y^2+\frac{a^2}{4}}\).

Найдём ординаты точек пересечения гиперболы и окружности:

\[ \left\{\begin{aligned} & x^2+y^2=a^2;\\ & x^2-2y^2=\frac{a^2}{4}. \end{aligned}\right. \]
\[ 3y^2=\frac{3a^2}{4};\; y=\pm\frac{a}{2}. \]

Для дальнейших вычислений будем использовать интеграл \(\int\sqrt{x^2+k}dx\), найденный при решении 1695.

\[ S_1=2S_0 =2\int\limits_{0}^{a/2}\left(\sqrt{a^2-y^2}-\sqrt{2y^2+\frac{a^2}{4}}\right)dy =2\int\limits_{0}^{a/2}\sqrt{a^2-y^2}dy-2\sqrt{2}\int\limits_{0}^{a/2}\sqrt{y^2+\frac{a^2}{8}}dy=\\ =\left.\left(y\sqrt{a^2-y^2}+a^2\arcsin\frac{y}{a}\right)\right|_{0}^{a/2} - \sqrt{2}\cdot\left.\left(y\sqrt{y^2+\frac{a^2}{8}}+\frac{a^2}{8}\ln\left|y+\sqrt{y^2+\frac{a^2}{8}}\right|\right)\right|_{0}^{a/2}=\\ =a^2\cdot\left(\frac{\pi}{6}-\frac{\sqrt{2}}{8}\ln\left(\sqrt{2}+\sqrt{3}\right)\right) \]

Так как площадь окружности радиуса \(a\) равна \(\pi{a}^2\), то получим:

\[ S_2 =\pi{a}^2-2S_1 =a^2\cdot\left(\frac{2\pi}{3}+\frac{\sqrt{2}}{4}\ln\left(\sqrt{2}+\sqrt{3}\right)\right) \]
Ответ:
  • \(a^2\cdot\left(\frac{\pi}{6}-\frac{\sqrt{2}}{8}\ln\left(\sqrt{2}+\sqrt{3}\right)\right)\)
  • \(a^2\cdot\left(\frac{2\pi}{3}+\frac{\sqrt{2}}{4}\ln\left(\sqrt{2}+\sqrt{3}\right)\right)\)
Задачник №1Берман "Сборник задач по курсу математического анализа"
Глава №8Применения интеграла
Параграф №1Некоторые задачи геометрии и статики
Задача №2465