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定积分的应用

一、求平面图形的面积#

求曲线y=f1(x),y=f2(x)y=f_1(x),y=f_2(x)(均连续),x=a,x=b,(a<b)x=a,x=b,(a<b)围成的平面图形面积,为:

S=abf2(x)f1(x)dxS=\int_a^b|f_2(x)-f_1(x)|\mathrm{d}x

二、求夹在两平面间的立体的体积#

Ω\Omega为一空间立体,它夹在垂直于OxOx轴的两平面x=a,x=bx=a,x=b之间(a<b)(a<b),我们称Ω\Omega为位于[a,b][a,b]上的空间立体。在区间[a,b][a,b]上任取一点xx处,做垂直于OxOx轴的平面,它截得立体Ω\Omega的截面面积显然是xx的函数,设xx为连续函数,记为A(x)A(x)x[a,b]x\in[a,b],称为空间立体Ω\Omega的界面面积函数。那么该立体的体积为:

V=abA(x)dxV=\int_a^bA(x)\mathrm{d}x

如果要求连续曲线y=f(x)y=f(x)OxOx轴及直线x=a,x=bx=a,x=b所围成的曲边梯形绕OxOx轴旋转而成的旋转体体积VxV_x,那么就把旋转体看成夹在两平行平面x=a,x=bx=a,x=b之间,那么在[a,b][a,b]上的任意一点xx处做#平行两底面的平面与立体相截,截面面积为:

A(x)=πf(x)2=πf2(x)A(x)=\pi |f(x)|^2=\pi f^2(x)

代入上面体积公式,得:

Vx=πabf2(x)dxV_x=\pi\int_a^bf^2(x)\mathrm{d}x

如果要求连续曲线y=f(x)y=f(x),直线x=a,x=b,(0a<b)x=a,x=b,(0\leq a<b)所围成的曲边梯形绕OyOy轴旋转而成的旋转体体积VyV_y,那么就在[a,b][a,b]上的任意一点xx处,取出以OxOx长度为半径的圆柱面与立体相截,截面面积为:

S(x)=2πxf(x)S(x)=2\pi x|f(x)|

将该柱体分为无数个很薄的空心柱体,厚度为dx\mathrm{d}x,由于厚度很薄,那么认为内外圆柱面面积相等,为f(x)f(x),得到该部分的体积:

ΔVyπ(x+dx)2f(x)πx2f(x)=2πxf(x)dx+πf(x)dxdx2πxf(x)dx\begin{aligned} \Delta V_y \approx &\pi(x+\mathrm{d}x)^2|f(x)|-\pi x^2|f(x)\\ =&2\pi x|f(x)|\mathrm{d}x+\pi|f(x)|\mathrm{d}x\cdot\mathrm{d}x\\ \approx&2\pi x|f(x)|\mathrm{d}x \end{aligned}

3、计算平面曲线弧长#

A,BA,B是平面曲线弧Γ\Gamma上的两个端点,在Γ\Gamma上依次取点A=M1,M2,M3,,Mn=BA=M_1,M_2,M_3,\cdots,M_n=B,做折线M0M1M2MnM_0M_1M_2\cdots M_n,以sns_n记此折线的长,则:sn=i=1nMi1Mis_n=\sum_{i=1}^n\overline{M_{i-1}M_i},记λ=max1inMi1Mi\lambda=\max_{1\le i\le n}\overline{M_{i-1}M_i},若limλ0sn\lim_{\lambda \to 0}s_n存在,且此极限与曲线弧长上点MiM_i的取法无关,则该曲线Γ\Gamma是可求长的。 若Γ\Gamma参数方程为

{x=φ(t),y=ψ(t),αtβ\begin{cases} x=\varphi(t),\\ y=\psi(t),\\ \end{cases}\qquad \alpha\le t\le\beta

则弧长ss为:

s=αβφ2(t)+ψ2(t)dts=\int_\alpha^\beta\sqrt{\varphi'^2(t)+\psi'^2(t)}\mathrm{d}t

Γ\Gamma曲线方程为

y=f(x),axby=f(x),\qquad a\le x\le b

则弧长ss为:

s=ab1+f2(x)dxs=\int_a^b\sqrt{1+f'^2(x)}\mathrm{d}x

Γ\Gamma曲线方程为

{x=ψ(y),y=y,\begin{cases} x=\psi(y),\\ y=y,\\ \end{cases}

则弧长ss为:

s=cd1+ψ2(y)dys=\int_c^d\sqrt{1+\psi'^2(y)}\mathrm{d}y

Γ\Gamma极坐标方程为

r=r(θ)r=r(\theta)

则弧长ss为:

s=αβr2(θ)+r2(θ)dθs=\int_\alpha^\beta\sqrt{r^2(\theta)+r'^2(\theta)}\mathrm{d}\theta

同时还有弧长的微分公式:

ds=(dx)2+(dy)2\mathrm{d}s=\sqrt{(\mathrm{d}x)^2+(\mathrm{d}y)^2}

四、求旋转体的侧面面积#

由连续曲线y=f(x)y=f(x)xx轴及直线x=a,x=bx=a,x=b所围平面图形绕xx轴旋转所形成的旋转体的侧面面积SxS_x,可以看做是无数小区间的侧面积ΔSx\Delta S_x,而ΔSx\Delta S_x可以看成是上底半径为f(x)|f(x)|,下底半径为f(x+Δx)|f(x+\Delta x)|,母线为曲线弧长Δs\Delta s的圆台的侧面积,因此 得到ΔSx\Delta S_x的计算公式:

ΔSx2πf(x)1+f(x)Δx\Delta S_x\approx 2\pi|f(x)|\sqrt{1+f'(x)}\Delta x

那么计算积分为:

Sx=2πabf(x)1+f2(x)dxS_x=2\pi\int_a^b|f(x)|\sqrt{1+f'^2(x)}\mathrm{d}x
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定积分的应用
https://www.laoguantx.cn/posts/applicationsofdefiniteintegrals/
作者
老官童鞋gogo
发布于
2024-12-17
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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