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समाकलनों के अनुप्रयोग: वक्रों के नीचे क्षेत्रफल

वक्र y = f(x), x-अक्ष और रेखाओं x = a, x = b से घिरा क्षेत्रफल ∫ₐᵇ |f(x)| dx है: ऊँचाई y और चौड़ाई dx वाली पतली खड़ी पट्टियाँ जोड़ते हैं। x = g(y) रूप वाले वक्रों के लिए क्षैतिज पट्टियाँ लेते हैं। सममिति से काम बचता है: वृत्त, परवलय या दीर्घवृत्त का एक हिस्सा निकालो और गुणा करो। त्रिज्या r के वृत्त का क्षेत्रफल πr² और अर्ध-अक्ष a, b वाले दीर्घवृत्त का πab।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. रेखा y = x/2 + 1 के नीचे x = 0 से x = 3 तक का क्षेत्रफल। पतली खड़ी पट्टियाँ जोड़ना ही समाकलन है। समलंब सूत्र भी वही 5.25 देता है।
  2. परवलय y² = 4x के अंदर, रेखा x = 3 तक का भाग। ऊपरी आधा निकालो और दोगुना करो, क्योंकि आकृति x-अक्ष के प्रति सममित है।
  3. वृत्त x² + y² = 9: पहले चतुर्थांश का क्षेत्रफल निकालो, फिर 4 से गुणा। उत्तर 9π, πr² से मेल खाता है।
  4. दीर्घवृत्त x²/16 + y²/4 = 1, जहाँ a = 4, b = 2: एक चौथाई गुणा 4 = πab = 8π।
  5. x-अक्ष के नीचे समाकल ऋणात्मक आता है। क्षेत्रफल हमेशा धनात्मक है, इसलिए काटने वाले बिंदु पर बाँटो और आकार जोड़ो।
  6. अब आपकी बारी: वक्र चुनो और सीमाएँ a, b खिसकाकर छायांकित क्षेत्रफल और उसका मान देखो।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

ऊँचाई y और चौड़ाई dx की पट्टियाँ क्यों जोड़ते हैं?

हर पट्टी लगभग आयत है, क्षेत्रफल y × dx। अनगिनत पतली पट्टियाँ जोड़ने से सटीक क्षेत्रफल मिलता है, यही ∫ करता है। छायांकन को पट्टी-दर-पट्टी बढ़ते देखो।

परवलय का क्षेत्रफल दोगुना क्यों करते हैं?

y² = 4x का ऊपरी आधा y = 2√x है और नीचे वैसा ही आधा। 2√x का समाकल सिर्फ़ ऊपर वाला देता है, इसलिए दोगुना।

वृत्त का समाकल πr² क्यों देता है?

चौथाई समाकल ∫₀ʳ √(r² − x²) dx = πr²/4। 4 से गुणा करो तो πr², वही स्कूल वाला सूत्र, अब कलन से सिद्ध।

क्या दीर्घवृत्त सिर्फ़ खिंचा हुआ वृत्त है?

हाँ। त्रिज्या a के वृत्त को ऊपर-नीचे b/a गुना दबाओ तो क्षेत्रफल πa² × b/a = πab।

क्षेत्रफल दिख रहा हो फिर भी समाकल शून्य कैसे?

अक्ष के नीचे वाले भाग समाकल में ऋणात्मक गिने जाते हैं और ऊपर वालों को काट देते हैं। क्षेत्रफल के लिए बाँटो और आकार जोड़ो।

सरल वक्र के नीचे क्षेत्रफल

y = f(x), x-अक्ष, x = a और x = b के बीच के भाग को पतली खड़ी पट्टियों में काटो। एक पट्टी की ऊँचाई y और चौड़ाई dx, क्षेत्रफल लगभग y dx। सबको जोड़ो:

क्षेत्रफल = ∫ₐᵇ y dx = ∫ₐᵇ f(x) dx (जब f ≥ 0)।

अगर वक्र x = g(y) रूप में है और भाग y = c से y = d तक y-अक्ष के साथ है, तो क्षैतिज पट्टियाँ: क्षेत्रफल = c से d तक ∫ x dy।

जब वक्र x-अक्ष के नीचे जाए

वहाँ ∫f dx ऋणात्मक है। क्षेत्रफल = |नीचे वाले भाग का समाकल| + ऊपर वाले भाग का समाकल। पहले देखो वक्र x-अक्ष को कहाँ काटता है।

सरल रेखा के नीचे क्षेत्रफल

y = mx + c के नीचे x = a से b तक का भाग समलंब या त्रिभुज है, इसलिए ज्यामिति से जाँच हो जाती है। उदाहरण: ∫₀³ (x/2 + 1) dx = 21/4 = ½(1 + 2.5)(3)।

परवलय के अंदर क्षेत्रफल

y² = 4ax दायीं ओर खुलता है और x-अक्ष के प्रति सममित है। ऊपरी आधा y = 2√(ax)। परवलय और x = k से घिरा क्षेत्रफल:

A = 2∫₀ᵏ 2√(ax) dx = (8/3)√a · k^(3/2)।

x² = 4ay (ऊपर खुलने वाला) के लिए खड़ी पट्टियों में y = x²/(4a) या क्षैतिज पट्टियों में x = 2√(ay) लो।

वृत्त का क्षेत्रफल

x² + y² = a²। ऊपरी आधा: y = √(a² − x²)। पहले चतुर्थांश का क्षेत्रफल:

∫₀ᵃ √(a² − x²) dx = [ (x/2)√(a² − x²) + (a²/2) sin⁻¹(x/a) ]₀ᵃ = πa²/4।

पूरा वृत्त: 4 × πa²/4 = πa²।

दीर्घवृत्त का क्षेत्रफल

x²/a² + y²/b² = 1। ऊपरी आधा: y = (b/a)√(a² − x²)। पहले चतुर्थांश का क्षेत्रफल = (b/a) × πa²/4 = πab/4।

पूरा दीर्घवृत्त: πab। a = b = r हो तो यह वृत्त बन जाता है, πr²।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. x = 1 से x = 3 तक y = 2x + 1 के नीचे का क्षेत्रफल?

∫₁³ (2x + 1) dx = [x² + x]₁³ = 12 − 2 = 10 वर्ग इकाई।

2. y = x², x-अक्ष, x = 0 और x = 3 से घिरा क्षेत्रफल?

∫₀³ x² dx = [x³/3]₀³ = 9 वर्ग इकाई।

3. y² = 4x और रेखा x = 3 से घिरा क्षेत्रफल?

ऊपरी आधा y = 2√x। A = 2∫₀³ 2√x dx = 4 × (2/3) × 3^(3/2) = 8√3 ≈ 13.86 वर्ग इकाई।

4. पहले चतुर्थांश में x² = 4y, y-अक्ष, y = 1 और y = 4 से घिरा क्षेत्रफल?

क्षैतिज पट्टियाँ: x = 2√y। A = ∫₁⁴ 2√y dy = (4/3)(8 − 1) = 28/3 वर्ग इकाई।

5. वृत्त x² + y² = 16 का क्षेत्रफल?

पहला चतुर्थांश: ∫₀⁴ √(16 − x²) dx = 4π। पूरा: 16π वर्ग इकाई।

6. दीर्घवृत्त x²/9 + y²/4 = 1 का क्षेत्रफल?

a = 3, b = 2। चौथाई = (2/3)∫₀³ √(9 − x²) dx = (2/3)(9π/4) = 3π/2। पूरा = 6π = πab।

7. y = x − 2, x-अक्ष, x = 0 और x = 4 के बीच क्षेत्रफल?

x = 2 पर काटती है। ∫₀² (x − 2) dx = −2, ∫₂⁴ (x − 2) dx = 2। क्षेत्रफल = 2 + 2 = 4 (0 नहीं)।

8. वृत्त x² + y² = 4 का वह भाग जो x = 1 के दायीं ओर है, उसका क्षेत्रफल?

A = 2∫₁² √(4 − x²) dx = 2[π − (√3/2 + π/3)] = 4π/3 − √3 ≈ 2.46 वर्ग इकाई।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. y = f(x) ≥ 0, x-अक्ष, x = a और x = b से घिरा क्षेत्रफल:
2. वृत्त x² + y² = 25 का क्षेत्रफल:
3. दीर्घवृत्त x²/25 + y²/9 = 1 का क्षेत्रफल:
4. ∫₀³ x dx किसका क्षेत्रफल देता है?
5. वक्र x-अक्ष के नीचे हो तो उस भाग पर ∫f dx:

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

कक्षा 12 समाकलनों के अनुप्रयोग में क्या है?

निश्चित समाकल से सरल वक्रों — रेखा, परवलय, वृत्त और मानक रूप के दीर्घवृत्त — के नीचे का क्षेत्रफल निकालना।

समाकलन से दीर्घवृत्त का क्षेत्रफल कितना है?

x²/a² + y²/b² = 1 का क्षेत्रफल πab, प्रथम चतुर्थांश के समाकल का 4 गुना।

क्षैतिज पट्टियाँ कब लें?

जब वक्र x = g(y) रूप में आसान हो, या भाग रेखाओं y = c और y = d से घिरा हो।

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