Rozszerzenie tematu brył obrotowych i całek (ciekawostka). Bryła powstała z obrotu y=1/x ma skończoną objętość (π), ale nieskończone pole powierzchni — paradoks: „można ją napełnić farbą, ale nie da się pomalować". Objętość (całka 1/x²) zbiega, pole (całka 1/x) rozbiega. Odkrył go Evangelista Torricelli w 1643 r.

Dam Ci wielkość związaną z rogiem Gabriela — oceń, czy jest skończona, czy nieskończona. Chwyt: ∫1/x² zbiega, ∫1/x rozbiega.
Co się właśnie stało?
Obracając krzywą (dla ) wokół osi X, otrzymujesz nieskończenie długą trąbę — róg Gabriela. Zdumiewające: choć bryła jest nieskończenie długa, jej objętość jest skończona i wynosi dokładnie , ale jej pole powierzchni jest nieskończone.
Objętość — całka zbieżna:
Całka jest zbieżna — objętość dąży do skończonej wartości .
Pole powierzchni — całka rozbieżna:
Całka jest rozbieżna (rośnie jak , dokładnie tak jak szereg harmoniczny) — pole powierzchni nie ma żadnej granicy.
Paradoks malarza:
Stąd słynne pytanie: można napełnić róg skończoną ilością farby (objętość ), ale tej samej farby nie starczyłoby, by pomalować jego nieskończoną powierzchnię wewnętrzną. Rozwiązanie: „napełnienie" i „pomalowanie" to różne pojęcia (objętość vs pole), a warstwa farby ma grubość, która przy zwężaniu rogu też dąży do zera.
Odkrycie Torricellego (1643 r.):
Paradoks odkrył Evangelista Torricelli — jeszcze przed pełnym rozwojem rachunku różniczkowego! Był zdumiony własnym wynikiem. To klasyczny przykład różnicy między całką zbieżną a rozbieżną i tego, jak nieskończoność łamie fizyczną intuicję.
Po co Ci to na maturze:
Róg Gabriela to sztandarowy przykład brył obrotowych i całek niewłaściwych. Chwyt: obie wielkości liczysz dla tej samej bryły, ale sprawdzasz osobno, czy każda całka jest zbieżna. zbiega, rozbiega — dlatego skończona objętość i nieskończone pole współistnieją.
Zapamiętaj: róg Gabriela ma skończoną objętość i nieskończone pole — bo zbiega, a rozbiega. Skończona objętość nie gwarantuje skończonego pola.
Obracamy wykres dla wokół osi .
Całka z jest zbieżna, a z — rozbieżna (jak szereg harmoniczny). Stąd paradoks: skończona objętość, nieskończone pole.
Oznaczenia: objętość, pole powierzchni, zmienna całkowania.
Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.
Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.
Tak — róg Gabriela ma objętość π (skończoną), ale nieskończone pole powierzchni.
Bo całka objętości (1/x²) jest zbieżna, a całka pola (1/x) rozbieżna, jak szereg harmoniczny.
Można napełnić róg skończoną ilością farby (objętość π), ale nie starczy jej na pomalowanie nieskończonej powierzchni.