第10講——一元函數積分學的幾何應用

文章目錄

    • 定積分計算平面圖形的面積
      • 直角坐標系下
      • 參數方程下
      • 極坐標系下
    • 定積分計算旋轉體的體積
      • 曲邊梯形繞x軸旋轉一周所得到的旋轉體的體積
      • 曲邊梯形繞y軸旋轉一周所得到的旋轉體的體積
      • 平面曲線繞定直線旋轉
    • 定積分計算函數的平均值
    • 定積分計算平面光滑曲線的弧長
    • 曲線L繞x軸旋轉一周所得旋轉曲面的側面積
    • 形心坐標公式(幾乎沒考過)

今日開篇:應該有更好的方式開始新的一天,而不是千篇一律地在每個上午醒來。

定積分計算平面圖形的面積

直角坐標系下

用矩形的面積,近似代替曲邊梯形的面積。
在這里插入圖片描述

參數方程下

很少見,目前沒有見到過,但是一般都采用換元法。

極坐標系下

用三角形面積近似代替扇形的面積,然后求扇形面積之差就是曲邊扇形的面積。
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  • 求曲線y=e?xsinxy=e^{-x}sinxy=e?xsinx(x≥0)與x軸所圍平面圖形的面積。
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定積分計算旋轉體的體積

曲邊梯形繞x軸旋轉一周所得到的旋轉體的體積

微元法,將其看作是小圓柱體的“積分”。
在這里插入圖片描述

曲邊梯形繞y軸旋轉一周所得到的旋轉體的體積

柱殼法,將其看成是圓柱殼的“積分”。
在這里插入圖片描述將圓柱殼沿著任何一條豎線剪開,可展開為一個“長方體”,其體積為dVy=2πx∣y(x)∣dxdV_y=2πx|y(x)|dxdVy?=2πxy(x)dx
所以旋轉體的體積為:Vy=2π∫abx∣y(x)∣dxV_y=2π\int_a^bx|y(x)|dxVy?=2πab?xy(x)dx

平面曲線繞定直線旋轉

設平面曲線L:y=f(x),a≤x≤bL:y=f(x),a≤x≤bL:y=f(x),axb,且f(x)可導。
定直線L0:Ax+By+C=0,且過L0L_0:Ax+By+C=0,且過L_0L0?:Ax+By+C=0L0?的任一條垂線與L至多有一個交點,如下圖所示,則L繞L0L_0L0?旋轉一周所得旋轉體的體積為:
在這里插入圖片描述
遇到問題了怎么辦?一言以蔽之,就是套這個公式。

定積分計算函數的平均值

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一共有兩種方法,第一種方法是正常思路,但需利用題目中給出的等式條件;第二種方法比較難想到,利用等式構造變限積分。
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第二種可能需要受到周期函數的啟發。

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定積分計算平面光滑曲線的弧長

一共可以分為以下三種情況:

  • 直角坐標系下
    也可以對y積分,相當于換元:∫cd1+(dxdy)2dy\int_c^d\sqrt{1+(\frac{dx}{dy})^2}dycd?1+(dydx?)2?dy,這里的積分區間是[a,b]對應的區間。
  • 參數方程后
  • 極坐標方程
    本質上還是微元法和換元。
    在這里插入圖片描述
    在這里插入圖片描述

曲線L繞x軸旋轉一周所得旋轉曲面的側面積

和上面的弧長一樣,也是分為平面直角坐標系、參數方程、極坐標系。
還是微元法dA=2π|y|ds,這里的ds是指對應一段曲線的弧長。

  • 直角坐標系
  • 參數方程
  • 極坐標系
    在這里插入圖片描述

形心坐標公式(幾乎沒考過)

在這里插入圖片描述

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