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1、第六章,利用元素法解决:,定积分在几何上的应用,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,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上的某分布 f (x) 有关的,2) U 对区间 a , b 具有可加性 ,即可通过,“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 ;,四、 旋转体的侧面积 (补充),三、已知平行截面面积函数的 立体体积,第二节,一、 平面图形的面积,二、 平面曲线的弧长,机动 目录
2、 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,例1. 计算两条抛物线,在第一象限所围,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
3、公式,机动 目录 上页 下页 返回 结束,一般地 , 当曲边梯形的曲边由参数方程,给出时,按顺时针方向规定起点和终点的参数值,则曲边梯形面积,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:,点击图片任意处 播放开始或暂停,机动 目录 上页 下页 返回 结束,到 2 所围图形面积 .,
4、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,二、已知平行截面面积函数的立体体积,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,特别 , 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
5、,有,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例13. 计算由椭圆,所围图形绕 x 轴旋转而,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
6、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,三、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
7、光滑曲线弧都是可求长的.,(证明略),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) :,(自己验证),机动 目录 上页 下页 返回 结束,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
8、. 求阿基米德螺线,相应于 02,一段的弧长 .,解:,(P349 公式39),小结 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.,习题课,1. 定积分的应用,几何方面 :,面积、,体积、,弧长、,表面积 .,物理方面 :,质量、,作功、,侧压力、,引力、,2. 基本方法 :,微元分析法,微元形状 :,条、,段、,带、,片、,扇、,环、,壳 等.,转动惯量 .,机动 目录 上页 下页 返回 结束,定积
9、分的应用,第六章,例1. 求抛物线,在(0,1) 内的一条切线, 使它与,两坐标轴和抛物线所围图形的面积最小.,解: 设抛物线上切点为,则该点处的切线方程为,它与 x , y 轴的交点分别为,所指面积,机动 目录 上页 下页 返回 结束,且为最小点 .,故所求切线为,得 0 , 1 上的唯一驻点,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例2. 设非负函数,曲线,与直线,及坐标轴所围图形,(1) 求函数,(2) a 为何值时, 所围图形绕 x 轴一周所得旋转体,解: (1),由方程得,面积为 2 ,体积最小 ?,即,故得,机动 目录 上页 下页 返回 结束,又,(2) 旋转体体积,又,为唯一极小点,
10、因此,时 V 取最小值 .,机动 目录 上页 下页 返回 结束,例3. 证明曲边扇形,绕极轴,证: 先求,上微曲边扇形,绕极轴旋转而成的体积,体积微元,故,旋转而成的体积为,机动 目录 上页 下页 返回 结束,故所求旋转体体积为,例4. 求由,与,所围区域绕,旋转所得旋转体体积.,解: 曲线与直线的交点坐标为,曲线上任一点,到直线,的距离为,则,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,上下限按顺时针方向确定,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 :,4. 旋转体的侧面积,侧面积元素为,(注意在不同坐标系下 ds 的表达式),绕 y 轴 :,(柱壳法),机动 目录 上页 下页 返回 结束,作业,P205 2; 5; 8; 9 (1);,第三节 目录 上页 下页 返回 结束,面积部分：,体积部分：,P210 2; 3,弧长部分：,P213 2; 4 ;,
