定积分在几何学上的应用

第六章,利用元素法解决:,定积分在几何上的应用,定积分在物理上的应用,定积分的应用,第一节,机动目录上页下页返回结束,定积分的元素法,一、什么问题可以用定积分解决?,二、如何应用定积分解决问题?,第六章,定积分定义(P225),任一种分法,任取,总趋于确定的极限I,则称此极限I为函数,在区间,上的定积分,即,此时称f(x)在a,b上可积.,记作,机动目录上页下页返回结束,解决步骤:,1)大化小,在区间a,b中任意插入n1个分点,用直线,将曲边梯形分成n个小曲边梯形;,2)常代变,在第i个窄曲边梯形上任取,作以,为底,为高的小矩形,并以此小,梯形面积近似代替相应,窄曲边梯形面积,得,机动目录上页下页返回结束,3)近似和,4)取极限,令,则曲边梯形面积,机动目录上页下页返回结束,表示为,一、什么问题可以用定积分解决?,1)所求量U是与区间a,b上的某函数f(x)有关的,2)U对区间a,b具有可加性,即,“大化小,常代变,近似和,取极限”,定积分定义,机动目录上页下页返回结束,一个整体量;,二、如何应用定积分解决问题?,第二步利用“化整为零,以常代变”求出部分量的,微分表达式，即在小区间x,x+dx上,第三步利用“积零为整,无限累加”求出整体量的,积分表达式：,这种分析方法称为元素法(或微元分析法),近似值,精确值,第二节目录上页下页返回结束,称为U的元素或微元,第一步根据实际问题选取积分变量x，并确定它的变化区间a,b；将区间a,b分成n个小区间,三、体积,第二节,一、平面图形的面积,二、平面曲线的弧长,机动目录上页下页返回结束,定积分在几何学上的应用,第六章,一、平面图形的面积,1.直角坐标情形,设曲线,与直线,及x轴所围曲,则,机动目录上页下页返回结束,边梯形面积为A,右下图所示图形面积为,当曲边梯形的曲边由参数方程,则,例1计算两条抛物线,在第一象限所围,图形的面积.,解:由,得交点,机动目录上页下页返回结束,例2计算抛物线,与直线,的面积.,解:由,得交点,所围图形,为简便计算,选取y作积分变量,则有,机动目录上页下页返回结束,例3求椭圆,解:利用对称性,所围图形的面积.,有,利用椭圆的参数方程,应用定积分换元法得,当a=b时得圆面积公式,机动目录上页下页返回结束,例4求由摆线,的一拱与x轴所围平面图形的面积.,解:,机动目录上页下页返回结束,2.极坐标情形,求由曲线,及,围成的曲边扇形的面积.,在区间,上任取小区间,则对应该小区间上曲边扇形面积的近似值为,所求曲边扇形的面积为,机动目录上页下页返回结束,对应从0变,例5计算阿基米德螺线,解:,机动目录上页下页返回结束,到2所围图形面积.,例6计算心形线,所围图形的,面积.,解:,(利用对称性),心形线目录上页下页返回结束,心形线(外摆线的一种),即,点击图中任意点动画开始或暂停,尖点:,面积:,弧长:,参数的几何意义,例7计算心形线,与圆,所围图形的面积.,解:,利用对称性,所求面积,机动目录上页下页返回结束,求两曲线的交点：令,例8求双纽线,所围图形面积.,解:利用对称性,则所求面积为,思考:用定积分表示该双纽线与圆,所围公共部分的面积.（P2808（2）,机动目录上页下页返回结束,答案:,二、平面曲线的弧长,当折线段的最大,边长0时,折线的长度趋向于一个确定的极限,即,并称此曲线弧为可求长的.,定理:任意光滑曲线弧都是可求长的.,机动目录上页下页返回结束,则称,(1)曲线弧由直角坐标方程给出:,弧长元素(弧微分):,因此所求弧长,(P168),机动目录上页下页返回结束,(2)曲线弧由参数方程给出:,弧长元素(弧微分):,因此所求弧长,机动目录上页下页返回结束,(3)曲线弧由极坐标方程给出:,因此所求弧长,则得,弧长元素(弧微分):,机动目录上页下页返回结束,例9两根电线杆之间的电线,由于其本身的重量,成悬链线.,求这一段弧长.,解:,机动目录上页下页返回结束,下垂,悬链线方程为,例10求连续曲线段,解:,的弧长.,机动目录上页下页返回结束,例11计算摆线,一拱,的弧长.,解:,机动目录上页下页返回结束,例12求阿基米德螺线,相应于02,一段的弧长.,解:,小结目录上页下页返回结束,当考虑连续曲线段,轴旋转一周围成的立体体积时,有,当考虑连续曲线段,绕y轴旋转一周围成的立体体积时,有,机动目录上页下页返回结束,三、体积1.旋转体的体积,例13计算由椭圆,所围图形绕x轴旋转而,成的椭球体的体积.,解:方法1利用直角坐标方程,则,(利用对称性),机动目录上页下页返回结束,方法2利用椭圆参数方程,则,特别当b=a时,就得半径为a的球体的体积,机动目录上页下页返回结束,例14计算摆线,的一拱与y0,所围成的图形分别绕x轴,y轴旋转而成的立体体积.,解:绕x轴旋转而成的体积为,利用对称性,机动目录上页下页返回结束,绕y轴旋转而成的体积为,注意上下限!,注,注目录上页下页返回结束,分部积分,注,(利用“偶倍奇零”),柱壳体积,说明:,柱面面积,机动目录上页下页返回结束,偶函数,奇函数,机动目录上页下页返回结束,例15设,在x0时为连续的非负函数,且,形绕直线xt旋转一周所成旋转体体积,证明:,证:,利用柱壳法,则,机动目录上页下页返回结束,故,2.平行截面面积函数为已知的立体体积,设所给立体垂直于x轴的截面面积为A(x),则对应于小区间,的体积元素为,因此所求立体体积为,机动目录上页下页返回结束,上连续,例16一平面经过半径为R的圆柱体的底圆中心,并,与底面交成角,解:如图所示取坐标系,则圆的方程为,垂直于x轴的截面是直角三角形,其面积为,利用对称性,计算该平面截圆柱体所得立体的体积.,机动目录上页下页返回结束,思考:可否选择y作积分变量?,此时截面面积函数是什么?,如何用定积分表示体积?,提示:,机动目录上页下页返回结束,垂直x轴的截面是椭圆,例17计算由曲面,所围立体(椭球体),解:,它的面积为,因此椭球体体积为,特别当a=b=c时就是球体体积.,机动目录上页下页返回结束,的体积.,例18求曲线,与x轴围成的封闭图形,绕直线y3旋转得到的旋转体体积.,(94考研),解:利用对称性,故旋转体体积为,在第一象限,机动目录上页下页返回结束,内容小结,1.平面图形的面积,边界方程,参数方程,极坐标方程,2.平面曲线的弧长,曲线方程,参数方程方程,极坐标方程,弧微分:,直角坐标方程,直角坐标方程,注意:求弧长时积分上下限必须上大下小,机动目录上页下页返回结束,3.已知平行截面面面积函数的立体体积,旋转体的体积,绕x轴:,绕y轴:,(柱壳法),机动目录上页下页返回结束,思考与练习,1.用定积分表示图中阴影部分的面积A及边界长s.,提示:交点为,弧线段部分,直线段部分,机动目录上页下页返回结束,以x为积分变量,则要分,两段积分,故以y为积分变量.,2.试用定积分求圆,绕x轴,上,半圆为,下,求体积:,提示:,方法1利用对称性,机动目录上页下页返回结束,旋转而成的环体体积V.,方法2用柱壳法,说明:上式可变形为,机动目录上页下页返回结束,此式反映了环体微元的另一种取法(如图所示).,作业,P2792(3);5(3);12;15(1);22,第三节目录上页下页返回结束,拓展题,解：,1.求曲线,所围图形的面积.,显然,面积为,同理其它.,机动目录上页下页返回结束,又,故在区域,分析曲线特点,2.,解:,与x轴所围面积,由图形的对称性,也合于所求.,为何值才能使,