《《高等数学》教学课件：5-定积分在几何物理上的应用_广义积分》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《高等数学》教学课件：5-定积分在几何物理上的应用_广义积分（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Oyxx x x x x xabx 设yf (x)0 (xa，b)A(x) f (t)dt A(x) f (t)dt是以a, x为底的曲边梯形的面积 A= f(x)dx 是以a, b为底的曲边梯形的面积5.4定积分在几何问题中的应用举例一、定积分的元素法一、定积分的元素法一、定积分的元素法一、定积分的元素法 曲边梯形面积A(x)的微分为dA(x)f (x)dx， 点x处，高为f (x) 、宽为dx的矩形的面积为：f (x)dxOyxx+dxab Af (x)dx，且Af (x)dxo(dx) f (x)dx称为曲边梯形的面积元素x 以dx为宽的曲边梯形面积为：A 以a，b为底的曲边梯形的面积A
2、就是以面积元素f (x)dx为被积表达式，以a，b为积分区间的定积分：A(x) f (t)dtA f (x)dx 一般情况下，为求某一量U (不一定就是面积，即使是面积也不一定是曲边梯形的面积)，先将此量看成是某区间a，b上的函数U(x)，再求这一量在a，b上的元素d U(x)，设d U(x)u(x)dx，然后以u(x)dx为被积表达式，以a，b为积分区间求定积分即得用这一方法求一量的值的方法称为微元法(或元素法)U u(x)dx 注注：量U的特点：1：与区间a,b有关；2：具有可加性。微元法的步骤：微元法的步骤：1：取积分变量并决定其变化区间a,b；2：在区间a,b上找一小区间x,x+x,得
3、微元Uf(x)dx=dU，且UdU=o(dx)3: 在区间a,b上相加(在a,b上做定积分)得主要思想主要思想：以直代曲；以不变代变。二、平面图形的面积Oyxaby=f 上(x)y=f 下(x)x x+dx 求由曲线y=f 上(x)、 y=f 下(x)及直线x=a、 x=b所围成的图形的面积面积元素为：所求图形的面积为：f 上(x)f 下(x)dxA= f 上(x)f 下(x)dx1. 1. 直角坐标的情形直角坐标的情形直角坐标的情形直角坐标的情形讨论：下图形的面积元素是什么？面积公式是什么？ab y=f 上(x) y=f 下(x)OyxA1Oyxab y=f 上(x) y=f 下(x)A2O
4、xycdx=f 左( y)x=f 右( y)A3A1=A2= f 上(x)f 下(x)dxOyxab 求由曲线y=f 上(x)、 y=f 下(x)及直线x=a、 x=b所围成的图形的面积，也可以按如下方法求面积：所求的图形的面积可以看成是两个曲边梯形面积的差 y=f 上(x) y=f 下(x) y=f 下(x)A= f 上(x)dx f 下(x)dx 例1 计算由两条抛物线：y2x、yx 2 所围成的图形的面积 解 在区间0, 1上过x点且垂直于x 轴的直线左侧的面积记为A(x)， 于是面积元素为得所求的图形面积以0, 1为积分区间求定积分011xyx x+dx直线平移dx 后所产生的面积的改
5、变量近似为A(x) y2x yx 2A ( x 2)dx ，以( x 2)dx为被积表达式，dA = ( x 2)dx ， 例2 计算抛物线y22x 与直线yx4所围成的图形的面积 解02468x42-2 y 2=2x y=x4(8, 4)(2, -2) 例2 计算抛物线y22x 与直线yx4所围成的图形的面积 解求两曲线的交点得：(2，2)，(8，4)将图形向 y 轴投影得区间2，4A(y)为区间2，4上过y点且垂直于 y轴的直线下侧的面积直线平移dy 后所产生的面积的改变量近似为于是面积元素为所求的图形面积为A (y 4 y2)dy ，dA = (y 4 y2)dy ，02468x42-2
6、 y 2=2x y=x4(8, 4)(2, -2) 解 设椭圆在第一象限的面积为A1，则椭圆的面积为A4A1第一象限的部分椭圆在x 轴上的投影区间为0，a因为面积元素为ydx，于是A 4A1 a b椭圆的参数方程为: yb sin t ， xa cos t ，yxOab y dx 所以2.极坐标的情形曲边扇形及曲边扇形的面积元素：由曲线r()及射线 ， 围成的图形称为曲边扇形曲边扇形的面积为xO r () +d 曲边扇形的面积元素： 例4 计算阿基米德螺线ra (a 0)上相应于从0变到2 的一段弧与极轴所围成的图形的面积 解Ox2ara d 例5 计算心形线ra(1cos ) (a0) 所围
7、成的图形的面积 解Oxra(1cos )2a) d 三、体积 旋转体就是由一个平面图形绕这平面内一条直线旋转一周而成的立体这直线叫做旋转轴 常见的旋转体：圆柱、圆锥、圆台、球体1. 1. 旋转体的体积旋转体的体积旋转体的体积旋转体的体积 旋转体都可以看作是由连续曲线yf (x)、直线xa 、 xb及x轴所围成的曲边梯形绕x轴旋转一周而成的立体Oxba y yf (x)aOxb y yf (x) 设过区间a，b内点x 且垂直于x轴的平面左侧的旋转体的体积为V (x)，旋转体的体积为 dV f (x)2dx ，于是体积元素为 Vf (x)2dx ， 当平面右平移dx后，体积的增量近似为V (x)d
8、x f (x) x 例1 连接坐标原点O及点P(h，r)的直线、直线xh 及x 轴围成一个直角三角形将它绕x轴旋转构成一个底半径为r、高为h的圆锥体计算这圆锥体的体积体积元素为 解 过原点O及点P(h，r)的直线方程为 dV ( )2dxhrxyO所求圆锥体的体积为V ( )2dx x 3 h r 2 及x轴围成的图形绕x轴旋转而成的立体旋转体(旋转椭球体)的体积体积元素为于是所求旋转椭球体的体积为abxyOdV y 2dx ， 例2 计算由椭圆 所成的图形绕x轴旋转而成的 解 这个旋转椭球体也可以看作是由半个椭圆V y 2dx (a 2x 2)dx a 2x x 3 a b 2ab解：2.平
9、行截面面积为已知的立体的体积 设立体在x轴的投影区间为a，b，x y Obadx则体积元素为A(x)dx ，立体的体积为面与立体相截，已知截面面积为A(x)，V A(x)dx A(x)过点x 且垂直于x轴的平x 例4 一平面经过半径为R的圆柱体的底圆中心，并与底面交成角计算这平面截圆柱所得立体的体积 解 取这平面与圆柱体的底面的交线为x轴，底面上过圆中心且垂直于x轴的直线为y轴那么底圆的方程为x 2 y 2R 2于是所求的立体体积为) y x O)R-Rx 2 y 2R 2截面积为A(x) (R 2x 2)tan a ，V (R 2x 2) tan a dx tan a R 2x x 3 R
10、3tan a 四、平面曲线的弧长 定理 光滑曲线弧是可求长的 设A，B 是曲线弧的两个端点 在弧AB上任取分点)AM0，M1，M2， ，Mi1，Mi， ，Mn1，MnB ，并依次连接相邻的分点得一内接折线当分点的数目无限增加极限存在，且每个小段Mi1Mi都缩向一点时，是可求长的则称此极限为曲线弧AB的弧长，M0MnABM1M2Mn1如果此折线的长 |Mi1Mi|的 )并称此曲线弧AB1.直角坐标的情形 设曲线弧由直角坐标方程yf(x) (axb)给出，其中f(x)在区间a，b上具有一阶连续导数 曲线yf(x)上相应于 x 点的弧长增量近似为，弧长元素(即弧微分)为已知曲线的弧长为s Mxdxd
11、yM x+dxsM0x0xyOyf(x)ds，s讨论： (2)设曲线弧由极坐标方程r = r() ( )给出，其中r()在，上具有连续导数， 问弧长元素ds和弧长 s 各是什么？ (1)设曲线弧由参数方程(t)、(t)在，上具有连续导数， 问弧长元素ds和弧长 s 各是什么？ ( t )给出，其中 设曲线弧由直角坐标方程 yf(x) (axb)给出，其中f(x)在区间a，b上具有一阶连续导数，则ds，s直角坐标系下参数方程下极坐标 解因此，所求弧长为yx 1/2， 从而弧长元素 例1 计算曲线 上相应于x从a到b的一段弧的长度ds，s，课堂练习课堂练习解：2.参数曲线的情形 设曲线弧由参数方程
12、其中(t)、(t)在，上具有连续导数如图dx(t)d t ，所以弧长元素为所求弧长为 ( t )(t)d tds，s 解所求弧长为8a a2 a2ax yO弧长元素为x ( )a (1cos )，y ( )a sin 例3 计算摆线的一拱(0 2 )的长度dss3.极坐标的情形 设曲线弧由极坐标方程给出，其中r()在，上具有连续导数由直角坐标与极坐标的关系可得r = r() ( )于是得弧长元素为从而所求弧长为ds，s 解ds于是所求弧长为 例4 求阿基米德螺线ra (a0)相应于 从0到2 一段的弧长s弧长元素为r( ) a Ox2ara ，课堂练习课堂练习解：作业：p3019,135.5定
13、积分在物理中的应用举例 解于是所求的功为Wq1Orabr r+dr1 例1 把一个带q电量的点电荷放在r轴上坐标原点O处，它产生一个电场这个电场对周围的电荷有作用力由物理学知道，如果有一个单位正电荷放在这个电场中距离原点O为r的地方，那么电场对它的作用力的大小为当这个单位正电荷在电场中从ra处沿r轴移动到rb(aa 如果极限存在，则称此极限为函数f(x)在无穷区间a，)上的广义积分，即 如果上述极限不存在，函数f(x)在无穷区间a，)上的广义一、无穷限的广义一、无穷限的广义一、无穷限的广义一、无穷限的广义( (反常反常反常反常) )积分积分积分积分(generalized integral)(
14、generalized integral) 类似地，设函数f(x)在区间(，b 上连续，取a0)当p1时收敛，当p1时 证 当p1时，当p1时，例：讨论反常积分的收敛性都不存在，所以反常积分发散二、无界函数的广义积分 定义2 设函数f(x)在区间(a，b上连续，而在点a 的右邻域内无界取0，如果极限存在，则称此极限为函数f(x)在(a，b上的广义积分，仍然记作即， 如果上述极限不存在，就称广义积分 发散这时也称广义积分 收敛 类似地，设函数f(x)在区间a，b)上连续，而在点b 的左邻域内无界取0，如果极限存在，则称此极限为函数f(x)在a，b)上的广义积分，仍然记作即， 如果上述极限不存在，就称广义积分 发散这时也称广义积分 收敛 设函数f(x)在区间a，b上除点 c(ac1时，当p1时，求反常积分求反常积分解：解：说明：对于在无穷间断点，及无穷远处极限说明：对于在无穷间断点，及无穷远处极限存在的反常积分，可像定积分一样作换元计算存在的反常积分，可像定积分一样作换元计算作业：作业：P317 1(2 、4、5、8)
