6. 定积分的应用

高等数学 A1



周维祺

积分与求和

  • 有限个数相加:算术和;例:1+2+3=61+2+3=6

  • 可列无穷个数相加:级数和; 例:1+21+22+=21+2^{-1}+2^{-2}+\ldots=2

  • 不可列无穷个数“按一定密度相加”:例:密度均匀分布物体的质量

本章:用积分解决涉及分割+求和的问题

例子

  • y=x2y=x^2y2=xy^2=x所围成图形的面积

  • 交点为(0,0)(0,0)(1,1)(1,1)

  • x(0,1)x\in(0,1)时,y2=xy^2=x的图像在y=x2y=x^2的上方

  • 面积=01xx2dx=2313=13=\int_0^1\sqrt x-x^2dx=\frac{2}{3}-\frac{1}{3}=\frac{1}{3}

例子

  • 求极坐标下ρ=2acosθ\rho=2a\cos\thetaθ=0\theta=0,θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}围成的面积(a>0)(a>0)

  • 扇形面积12ρ2dθ\frac{1}{2}\rho^2d\theta

  • 面积=0π2124a2cos2θdθ=a20π2(cos(2θ)+1)dθ=πa22=\int_0^{\frac{\pi}{2}}\frac{1}{2}\cdot 4a^2\cos^2\theta d\theta=a^2\int_0^{\frac{\pi}{2}}(\cos(2\theta)+1)d\theta=\frac{\pi a^2}{2}


  • 原式ρ2=2aρcosθ\rho^2=2a\rho\cos\theta,即(xa)2+y2=a2(x-a)^2+y^2=a^2,所求即上半圆面积

练习

  • y2=2xy^2=2xy=x4y=x-4所围成图形的面积

  • 求椭圆x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1的面积

  • y=exy=e^x下方、该曲线某条经过原点的切线左侧、及xx轴上方区域的面积

  • ρ=1+cosθ\rho=1+\cos\theta所围成图形的面积

例子

  • 求椭圆x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1xx轴旋转所得图形的体积

  • 截面是半径为y=b1x2a2y=b\sqrt{1-\frac{x^2}{a^2}}的圆,其面积为πy2=π(b2b2x2a2)\pi y^2=\pi(b^2-\frac{b^2x^2}{a^2})

  • 体积=πaa(b2b2x2a2)dx=π(2b2a2b2a33a2)=43πab2=\pi\int_{-a}^a(b^2-\frac{b^2x^2}{a^2})dx=\pi(2b^2a-\frac{2b^2a^3}{3a^2})=\frac{4}{3}\pi ab^2

练习

一平面经过半径为RR的圆柱底圆中心,与底面夹角为α\alpha,求该平面在圆柱上所截得的体积

例子

  • x=rcosθ,y=rsinθx=r\cos\theta, y=r\sin\theta的周长

  • dx=rsinθdθdx=r\sin\theta d\thetady=rcosθdθdy=r\cos\theta d\theta

  • 弧长=02π(dx)2+(dy)2dθ=2πr=\int_0^{2\pi}\sqrt{(dx)^2+(dy)^2}d\theta=2\pi r

例子

  • x2+y2=r2x^2+y^2=r^2的周长

  • 取上半圆:y=r2x2y=\sqrt{r^2-x^2}y=xr2x2y'=\frac{-x}{\sqrt{r^2-x^2}}

  • 弧长=2rr1+(y)2dx=2rr1+x2r2x2dx=2\int_{-r}^{r}\sqrt{1+(y')^2}dx=2\int_{-r}^{r}\sqrt{1+\frac{x^2}{r^2-x^2}}dx

  • =2rrr1r2x2dx=2rarcsinxrrr=2πr=2r\int_{-r}^{r}\sqrt{\frac{1}{r^2-x^2}}dx=2r\left.\arcsin\frac{x}{r}\right|_{-r}^r=2\pi r

练习

计算摆线{x=a(θsinθ)y=a(1cosθ),θ[0,2π]\begin{dcases}x=a(\theta-\sin\theta) \\ y=a(1-\cos\theta)\end{dcases},\quad \theta\in[0,2\pi]的长度

阅读:在物理学中的应用

小结

  • 积分与求和

  • 直角和极坐标下求平面图形的面积

  • 通过截面求物体的体积

  • 求曲线弧长