home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NeXT Education Software Sampler 1992 Fall / NeXT Education Software Sampler 1992 Fall.iso / Mathematics / Notebooks / URichCalculusII / 4 / Lab4.ma next >
Encoding:
Text File  |  1992-08-10  |  12.7 KB  |  213 lines

  1. (*^
  2.  
  3. ::[paletteColors = 128; currentKernel; 
  4.     fontset = title, inactive, noPageBreakBelow, nohscroll, preserveAspect, groupLikeTitle, center, M7, bold, L1, e8,  24, "Times"; ;
  5.     fontset = subtitle, inactive, noPageBreakBelow, nohscroll, preserveAspect, groupLikeTitle, center, M7, bold, L1, e6,  18, "Times"; ;
  6.     fontset = subsubtitle, inactive, noPageBreakBelow, nohscroll, preserveAspect, groupLikeTitle, center, M7, italic, L1, e6,  14, "Times"; ;
  7.     fontset = section, inactive, noPageBreakBelow, nohscroll, preserveAspect, groupLikeSection, grayBox, M22, bold, L1, a20,  18, "Times"; ;
  8.     fontset = subsection, inactive, noPageBreakBelow, nohscroll, preserveAspect, groupLikeSection, blackBox, M19, bold, L1, a15,  14, "Times"; ;
  9.     fontset = subsubsection, inactive, noPageBreakBelow, nohscroll, preserveAspect, groupLikeSection, whiteBox, M18, bold, L1, a12,  12, "Times"; ;
  10.     fontset = text, inactive, nohscroll, noKeepOnOnePage, preserveAspect, M7, L1,  12;
  11.     fontset = smalltext, inactive, nohscroll, noKeepOnOnePage, preserveAspect, M7, L1,  10, "Times"; ;
  12.     fontset = input, noPageBreakBelow, nowordwrap, preserveAspect, groupLikeInput, M42, N23, bold, L1,  12, "Courier"; ;
  13.     fontset = output, output, inactive, noPageBreakBelow, nowordwrap, preserveAspect, groupLikeOutput, M42, N23, L-5,  12, "Courier"; ;
  14.     fontset = message, inactive, noPageBreakBelow, nowordwrap, preserveAspect, groupLikeOutput, M42, N23, L1,  12, "Courier"; ;
  15.     fontset = print, inactive, noPageBreakBelow, nowordwrap, preserveAspect, groupLikeOutput, M42, N23, L1,  12, "Courier"; ;
  16.     fontset = info, inactive, noPageBreakBelow, nowordwrap, preserveAspect, groupLikeOutput, M42, N23, L1,  12, "Courier"; ;
  17.     fontset = postscript, PostScript, formatAsPostScript, output, inactive, noPageBreakBelow, nowordwrap, preserveAspect, groupLikeGraphics, M7, l34, w282, h287, L1,  12, "Courier"; ;
  18.     fontset = name, inactive, nohscroll, noKeepOnOnePage, preserveAspect, M7, italic, L1,  10, "Times"; ;
  19.     fontset = header, inactive, nohscroll, noKeepOnOnePage, preserveAspect, M7, L1,  12;
  20.     fontset = Left Header, nohscroll, cellOutline,  12;
  21.     fontset = footer, inactive, nohscroll, noKeepOnOnePage, preserveAspect, center, M7, L1,  12;
  22.     fontset = Left Footer, cellOutline, blackBox,  12;
  23.     fontset = help, inactive, nohscroll, noKeepOnOnePage, preserveAspect, M7, L1,  10, "Times"; ;
  24.     fontset = clipboard, inactive, nohscroll, noKeepOnOnePage, preserveAspect, M7, L1,  12;
  25.     fontset = completions, inactive, nohscroll, noKeepOnOnePage, preserveAspect, M7, L1,  12, "Courier"; ;
  26.     fontset = special1, inactive, nohscroll, noKeepOnOnePage, preserveAspect, M7, L1,  12;
  27.     fontset = special2, inactive, nohscroll, noKeepOnOnePage, preserveAspect, M7, L1,  12;
  28.     fontset = special3, inactive, nohscroll, noKeepOnOnePage, preserveAspect, M7, L1,  12;
  29.     fontset = special4, inactive, nohscroll, noKeepOnOnePage, preserveAspect, M7, L1,  12;
  30.     fontset = special5, inactive, nohscroll, noKeepOnOnePage, preserveAspect, M7, L1,  12;
  31.     next21StandardFontEncoding; ]
  32. :[font = title; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  33. Lab 4: Solids of Revolution 
  34. :[font = text; inactive; preserveAspect; ]
  35. This lab is based upon Section 8.2 in Stein.  Also see pages 168-174 in the Guidebook by Crooke and Ratcliffe.
  36. :[font = section; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  37. Graphing the Surface
  38. :[font = text; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  39. First execute the following command:
  40. :[font = input; preserveAspect; ]
  41. Surface[fun_,u1:{u_,umin_,umax_}] :=
  42.     ParametricPlot3D[{fun Cos[t], u, fun Sin[t]},
  43.         u1,{t,0,2Pi}, ViewPoint -> {8,umax+1,umax+1} ]
  44. :[font = text; inactive; preserveAspect; endGroup; ]
  45. This defines the command Surface which will graph surfaces of revolution about the x-axis:
  46. ;[s]
  47. 3:0,0;24,1;33,2;91,-1;
  48. 3:1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,1,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;
  49. :[font = subsection; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  50. Example
  51. :[font = text; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  52. Here is Example 4 on page 394:
  53. :[font = input; preserveAspect; endGroup; ]
  54. f[x_] := E^-x
  55. :[font = text; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  56. Its graph is:
  57. :[font = input; preserveAspect; endGroup; ]
  58. Plot[ f[x], {x,1,2} ];
  59. :[font = text; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  60. Here is the surface obtained by revolving that curve about the x-axis:
  61. :[font = input; preserveAspect; ]
  62. Surface[ f[x], {x,1,2} ];
  63. :[font = text; inactive; preserveAspect; endGroup; endGroup; ]
  64. Notice that the graph is really a collection of flat panels stitched together to form a patchwork quilt that closely matches the actual surface.
  65. :[font = subsection; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  66. Exercises
  67. :[font = text; inactive; preserveAspect; ]
  68. For each of the following functions:
  69. (a)  define f;
  70. (b)  plot the graph of f over the interval indicated;
  71. (c)  plot the surface obtained by revolving the graph of f about the x-axis;
  72. :[font = text; inactive; preserveAspect; ]
  73. 1.  Exercise 9 on page 395.
  74. :[font = text; inactive; preserveAspect; ]
  75. 2.  Exercise 10 on page 395.
  76. :[font = text; inactive; preserveAspect; ]
  77. 3.  Exercise 15 on page 395.  Use h=5 and a=2.  (See Quiz 4.)
  78. :[font = text; inactive; preserveAspect; ]
  79. 4.  A sphere of radius 5.
  80. :[font = text; inactive; preserveAspect; endGroup; endGroup; ]
  81. 5.  Exercise 19 on page 395.  To make give hole a radius of 3, use {x,-4,4} for the domain.
  82. :[font = section; inactive; Cclosed; pageBreak; preserveAspect; startGroup; ]
  83. The Volume of the Solid of Revolution
  84. :[font = text; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  85. The formula for the volume of a solid obtained from revolving the graph of a function f about the x-axis is the integral of p*f(x)^2 over the same interval:
  86. ;[s]
  87. 6:0,0;85,1;88,2;124,3;125,4;133,5;156,-1;
  88. 6:1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,0,0,Symbol,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;
  89. :[font = input; preserveAspect; ]
  90. volume = Integrate[ Pi*f[x]^2, {x,a,b} ]
  91. :[font = text; inactive; preserveAspect; endGroup; ]
  92. This formula is often called the "disk method."
  93. :[font = subsection; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  94. Example
  95. :[font = text; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  96. Continue now with our previous example (Example 3 on page 394):
  97. :[font = input; preserveAspect; ]
  98. f[x_] := E^-x
  99. :[font = input; preserveAspect; ]
  100. Integrate[ Pi*f[x]^2, {x,1,2} ]
  101. :[font = input; preserveAspect; ]
  102. Simplify[%]
  103. :[font = text; inactive; preserveAspect; endGroup; endGroup; ]
  104. This is the answer in the book.
  105. :[font = subsection; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  106. Exercises
  107. :[font = text; inactive; preserveAspect; ]
  108. For the same functions given in the first exercise set, have Mathematica compute and simplify the volume of the solid obtained by revolving the curve about the x-axis:
  109. ;[s]
  110. 3:0,0;61,1;72,2;167,-1;
  111. 3:1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Times,2,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;
  112. :[font = text; inactive; preserveAspect; ]
  113. 1.  Exercise 9 on page 395.
  114. :[font = text; inactive; preserveAspect; ]
  115. 2.  Exercise 10 on page 395.
  116. :[font = text; inactive; preserveAspect; ]
  117. 3.  Exercise 15 on page 395.  Use h=5 and a=2.
  118. :[font = text; inactive; preserveAspect; ]
  119. 4.  A sphere of radius 5.
  120. :[font = text; inactive; preserveAspect; endGroup; endGroup; ]
  121. 5.  Exercise 19 on page 395.  To make give hole a radius of 3, use {x,-4,4} for the domain.
  122. :[font = section; inactive; Cclosed; pageBreak; preserveAspect; startGroup; ]
  123. Using More Than One Curve
  124. :[font = text; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  125. In this section, we'll need the external Mathematica package FilledPlot.m which is in the Graphics directory.  To access this package, execute the following command:
  126. ;[s]
  127. 7:0,0;41,1;52,2;60,3;74,4;89,5;99,6;166,-1;
  128. 7:1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Times,2,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;
  129. :[font = input; preserveAspect; endGroup; ]
  130. <<Graphics/FilledPlot.m
  131. :[font = subsection; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  132. Examples
  133. :[font = text; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  134. The region R in Exercise 11 on page 395 is bounded between two curves: y=x^2 and y=x^3.  For efficient analysis, first define f, g, a, and b:
  135. ;[s]
  136. 15:0,0;11,1;12,2;70,3;77,4;80,5;86,6;125,7;127,8;128,9;130,10;131,11;133,12;138,13;140,14;142,-1;
  137. 15:1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Times,2,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;
  138. :[font = input; preserveAspect; endGroup; ]
  139. f[x_] := x^2;
  140. g[x_] := x^3;
  141. a = 0;
  142. b = 1;
  143. :[font = text; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  144. Now use the FilledPlot command to graph the region R:
  145. ;[s]
  146. 3:0,0;51,1;52,2;54,-1;
  147. 3:1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Times,2,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;
  148. :[font = input; preserveAspect; endGroup; ]
  149. FilledPlot[ {f[x],g[x]}, {x,a,b} ];
  150. :[font = text; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  151. The area of this region is:
  152. :[font = input; preserveAspect; endGroup; ]
  153. Integrate[ f[x]-g[x], {x,a,b} ]
  154. :[font = text; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  155. To graph the solid generated by revolving this region about the x-axis, we'll need two separate surfaces:
  156. :[font = input; preserveAspect; ]
  157. s1 = Surface[ f[x], {x,a,b} ];
  158. :[font = input; preserveAspect; ]
  159. s2 = Surface[ g[x], {x,a,b} ];
  160. :[font = text; inactive; preserveAspect; endGroup; ]
  161. These appear very similar.  But we can tell from the FilledPlot above that the surface s2 must lie inside the surface s1 .
  162. ;[s]
  163. 6:0,0;52,1;64,2;86,3;90,4;117,5;124,-1;
  164. 6:1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;
  165. :[font = text; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  166. The two surfaces together form the complete boundary of the solid:
  167. :[font = input; preserveAspect; endGroup; ]
  168. Show[ s1, s2 ];
  169. :[font = text; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  170. Here's another view that makes it easier to see that there is some space between the inside and outside surfaces:
  171. :[font = input; preserveAspect; ]
  172. Show[ s1, s2, ViewPoint -> {8,7,1} ];
  173. :[font = text; inactive; preserveAspect; endGroup; ]
  174. The ViewPoint option allows you to see the solid from different points of view.
  175. :[font = text; inactive; Cclosed; pageBreak; preserveAspect; startGroup; ]
  176. Now we can solve Exercise 11 by computing the volumes of the solids bounded by s1 and s2 separately and then taking their difference:
  177. ;[s]
  178. 5:0,0;78,1;82,2;85,3;89,4;1145,-1;
  179. 5:1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;
  180. :[font = input; preserveAspect; ]
  181. v1 = Integrate[ Pi*f[x]^2, {x,a,b} ]
  182. :[font = input; preserveAspect; ]
  183. v2 = Integrate[ Pi*g[x]^2, {x,a,b} ]
  184. :[font = input; preserveAspect; ]
  185. v = v1 - v2
  186. :[font = text; inactive; preserveAspect; endGroup; endGroup; ]
  187. That's called "making a difference..."
  188. :[font = subsection; inactive; Cclosed; preserveAspect; startGroup; ]
  189. Exercises
  190. :[font = text; inactive; preserveAspect; ]
  191. For each of the following:
  192. (a)  define f, g, a, and b, ;
  193. (b)  use the FilledPlot command to graph the given region R;
  194. (c)  find the area of R;
  195. (d)  define s1 and s2 to be the bounding surfaces for the solid of revolution;
  196. (e)  show the resulting solid, from several viewpoints;
  197. (f)  find the volume of the solid.
  198. ;[s]
  199. 19:0,0;38,1;40,2;41,3;43,4;44,5;46,6;51,7;53,8;69,9;81,10;115,11;116,12;140,13;141,14;154,15;158,16;161,17;165,18;312,-1;
  200. 19:1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Times,2,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Times,2,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;
  201. :[font = text; inactive; preserveAspect; ]
  202. 1.  Exercise 12 on page 395.
  203. :[font = text; inactive; preserveAspect; ]
  204. 2.  Exercise 13 on page 395.
  205. :[font = text; inactive; preserveAspect; ]
  206. 3.  Exercise 14 on page 395.  Use h=5 and a=2.
  207. :[font = text; inactive; preserveAspect; endGroup; endGroup; endGroup; ]
  208. 4.  Let R be the circle bounded above by y=3+Sqrt[1-x^2] and below by
  209.     y=3+Sqrt[1-x^2] .  The resulting solid of revolution is a torus (like a doughnut).
  210. ;[s]
  211. 7:0,0;8,1;9,2;40,3;57,4;73,5;90,6;157,-1;
  212. 7:1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Times,2,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;1,10,8,Courier,0,12,0,0,0;1,11,8,Times,0,12,0,0,0;
  213. ^*)