当前课程知识点:微积分(先修课) > 第五章 定积分 > 5.5 定积分的几何应用 > 5.5.2 定积分的几何应用(2)
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欢迎来到大学先修课
微积分课程
今天我们讲
第五章 定积分
第五节
定积分的几何应用
在这一讲中
我们将介绍利用微元法的思想
将曲线长度和旋转体的体积
转化为定积分的方法
下面我们来介绍
怎么样利用定积分
求曲线的长度
首先我们来介绍
曲线长度是怎么定义的
我们知道
半径为R的圆的周长2πR
是利用圆的内接正多边形的周长
当边数无限增多时
取极限得到的
也就是说圆的周长
我们是利用折线段的长度
取极限得到的
对一般的曲线来说
他们的长度也是利用类似的方法
进行定义的
我们假设L是一条曲线段
A,B是它的两个端点
我们从端点A开始在这条曲线段上
依次取点M0,M1一直到Mn
这样我们就将这条线段
分成了n份
我们将线段Mk-1Mk的长度
记作是|Mk-1Mk|
我们假设这n条线段
长度的最大值是λ
我们就来考虑
下面这个和式的极限
这个和式表示的就是|M0M1|
|M1M2|一直到|Mn-1Mn|
这个和式表示的就是
上面图1中从M0到Mn
得到的这条折线段的长度
如果这个折线段的长度
在λ趋向0时极限存在
我们就把这个极限值
称作是曲线段L的长度
这就是曲线的长度概念
有了曲线长度的概念之后
接下来我们来介绍
曲线长度的计算
我们假设曲线L是由直角坐标方程
y等于f(x)给出
其中函数f(x)存在连续的导数
为了将这条曲线段分成n份
我们只要将x对应的区间[a,b]
分成n份就可以了
现在我们考虑
对应区间[a,b]上的任意一个小区间
也就是x到x加dx这个小区间
曲线上相应的小弧段的长度
我们记作是Δl
那么Δl就可以近似的是看做
对应的弦的长度
也就是Δx平方加上Δy的平方
在开方
我们知道Δx也就等于dx
而Δy他就约等于dy
所以Δl的近似值
也就是所谓的弧长元素dl
就等于根下dx方加上dy的平方
也就等于1加f'的平方
开方乘上dx
这个关系从几何上
可以比较明显的看出
有了弧长元素之后
我们知道在这儿
根下1加f'(x)平方
他是一个连续函数
所以它的定积分是存在的
这样我们对弧长元素做积分
就得到了这个时候
我们要求的曲线长度
曲线的长度就等于根下
1加f'(x)的平方
从a到b做定积分
如果我们考虑的曲线
给的是参数方程
也就是x等于x(t)
y等于y(t)
参数t的取值范围是α到β
我们假设其中的x(t)、y(t)
都存在连续的导数
与直角坐标时的情况类似
我们考虑[α,β]区间上的
任意一个小区间t到t加dt
对应于这个小区间的小弧段的长度
仍然可以近似的看作是对应弦的长度
因为Δx近似的等于x'乘上dt
Δy近似的等于y'乘上dt
所以我们的弧长微分
就可以写成是dl也就等于根下
dx方加上dy方
也就等于根下x'平方y'平方
再乘上dt
在给定条件下
根下x'的平方加y'的平方
是一个连续函数
所以它的定积分也是存在的
所以我们对弧长元素求积分
就会得到我们要求的曲线的长度
也就是说在参数方程形式下
我们要求的曲线长度就等于
根下x'的平方加上y'的平方
从α到β做积分
如果我们的曲线给出的是极坐标方程
也就是r等于r(θ)
如果我们的曲线方程是一极坐标方程
也就是r等于r(θ)
这个形式给出时
我们假设r(θ)存在连续导数
那么利用直角坐标与极坐标的关系
我们就得到x等于r(θ)乘上cosθ
y等于r(θ)乘上sinθ
也就是我们将极坐标方程转化成了
曲线的参数方程
因为x关于θ导数的平方
加上y关于θ导数的平方
就等于r关于θ导数的平方
再加上r的平方
所以在极坐标系下
我们的弧长微分dl就等于
根下r方θ再加上r'他的平方
再乘上dθ
这样在极坐标方程下
我们的曲线长度就等于
根下r方θ再加上r'平方θ
在α到 β上做定积分
前面我们利用曲线长度的概念
利用定积分的定义
我们知道当平面曲线
无论是以直角坐标方程
参数方程还是以极坐标方程给出时
在一定条件下
他们的长度都等于一个积分值
事实上对于空间曲线
如果我们知道了它的参数方程
而且其中的函数
x(t)、y(t)、z(t)都存在连续导数
这个时候我们也可以证明
空间曲线的长度也是等于
下面这个定积分的值
被积函数是x'的平方加上y'的平方
再加上z'的平方开方
积分区间是从α到β做积分
下面我们来看第一道例题
我们知道曲线的方程是
y等于3分之2倍的x的2分之3次方
我们求这条曲线
在x属于0到3时对应的长度
我们求y关于x的导数
就得到y关于x的导数
等于x的2分之1次方
这样我们就得到了
弧微分就等于根下1加x
再乘上dx
有了弧微分之后
我们就得到了我们要求的
曲线长度就是根下1加x乘上dx
从0到3求定积分
在这儿被积函数
是一个简单的幂函数
所以我们利用牛顿-莱布尼兹公式
就得到了这个定积分的值是3分之14
这就是我们要求的
这条曲线段的长度
我们来看第二道例题
我们求星形线的长度
星形线是以参数方程表示的
一条特殊曲线
根据对称性
我们只要求星形线位于第一象限中
这一部分的长度
然后再乘上4
就是我们要求的整个星形线的长度
我们先求x关于t的导数
就是负的3a乘上cos方t再乘sint
y关于t的导数就是
3a乘上sin方t再乘cost
这样我们就得到了
星形线的弧长微分是
dl等于2分之3倍的a乘上sin2t再乘dt
我们要求的曲线长度就是
弧微分从0到2分之π做积分再乘上4
我们知道sin2t它的一个原函数
是负的cos2t
我们利用牛顿-莱布尼兹公式
就求出了我们要求的曲线长度是
6倍的a
下面我们来看一下例3
我们求心形线的长度
心形线是以极坐标方程
给出的一条特殊曲线
在前面我们曾经求过心形线
围成的平面图形的面积
同样的根据对称性
我们要求他的长度
也就只要求心形线
位于上半平面部分的长度的两倍
我们首先求r关于θ的导数
这个导数就等于-a乘上sinθ
这样我们就得到了弧微分
就等于2倍的a乘上
cos二分之θ的绝对值再乘dθ
有了弧微分之后
我们要求的曲线长度
就是对弧微分从0到π做积分
再乘上2
因为θ在0到π取值时
cos2分之θ是非负的
这样我们就得到了被积函数是
2a乘上cos2分之θ
而cos2分之θ的一个原函数是
2倍的sin2分之θ
我们利用牛顿-莱布尼兹公式
就得到了我们要求的
曲线长度是8倍的a
通过我们介绍的这三道例题
我们可以知道
在曲线给出了直角坐标方程
极坐标方程和参数方程时
我们求曲线长度时
就是要将他们转化成相应的定积分
然后进行求值
接下来我们来看
定积分的另外一个几何应用
就是要求旋转体的体积
首先我们来解释一下
什么叫旋转体
旋转体指的就是一个平面图形
绕着这个平面内的一条直线
旋转形成的空间几何体
这条直线就称为是
这个旋转体的旋转轴
由于旋转体是一个特殊的空间体
它的体积问题我们可以用
定积分来进行处理
我们考虑平面图形是由连续曲线
y等于f(x)还有直线x等于a
x等于b和x轴围成
也就是在图5中的一个曲边梯形
我们让这个曲边梯形
绕着x轴旋转一周
他就得到了一个空间几何体
也就是图6中表示的这个旋转体
下面我们来看怎么样利用定积分
来求这个旋转体的体积
我们用垂直于x轴的平面
将旋转体分成好多小块
我们看其中的一块
也就是相应于
区间[a,b]上的任意小区间
x到x加上dx对应的小曲边梯形
绕x轴旋转而形成的薄片
它的体积我们可以近似的看作是
一个圆柱体的体积
这个圆柱体的底面半径
就是f(x)的绝对值
这个圆柱体的高度
实际也就是它的厚度就是dx
所以这个圆柱体的体积
也就是我们要求的体积微元
就可以写作是dV等于
π乘上半径的平方再乘上高度
也就等于πf方dx
有了体积微元之后
我们要求的这个旋转体的体积
就是对体积微元从左边x等于a
到右边x等于b做积分
这就是这个时候
我们要求的旋转体的体积的大小
如果我们考虑的平面图形
是由连续曲线y等于f1(x)
y等于f2(x)以及直线x等于a
和x等于b围成
那么这块平面图形
绕x轴旋转所成的旋转体的体积
就等于f2的平方减f1的平方
从a到b做积分乘上π
也就是说这时候的体积
实际上是两个简单旋转体的体积之差
当我们考虑的平面图形
是由连续曲线x等于g(y)以及直线
y等于a,y等于b和y轴围成时
这个时候这块平面图形
也是一个曲边梯形
我们让这个曲边梯形绕着y轴旋转
也会得到一个旋转体
与绕着x轴旋转时的情况类似
我们可以得到这个旋转体的体积
就是π乘上g方从a到b对y做积分
这就是绕着y轴旋转时
这个旋转体的体积计算公式
类似的如果我们考虑的平面图形
它是由连续曲线x等于g1(y)和x等于g2(y)
以及直线y等于a和y等于b围成
那么这块平面图形绕y轴旋转
所成的旋转体的体积
也可以看做是两个简单旋转体
体积的差
也就是等于π乘上g2的平方
减g1的平方
对y从a到b做积分
通过前面我们的分析
实际上我们的体积计算公式
被积函数就是一个圆盘的面积
如果我们的旋转轴是x轴时
被积函数就是πf方
而如果我们的旋转轴是y轴时
那我们的被积函数就是πg(y)方
有了被积函数之后
那么就是对于我们的被积函数
关于x从左到右积分
或者是对我们的被积函数
对y从下到上做积分
所以旋转体的体积计算公式中
被积函数它的几何背景
是非常明确的
就是一个圆盘的面积
下面我们看几道例题
我们假设平面图形
由曲线y等于x平方与直线x等于1
还有x轴围成
我们求这个平面图形
绕x轴旋转所得的旋转体体积
在图9和图10中
表示的分别是我们要考虑的
平面图形以及由它绕x轴旋转
所得到的旋转体的形状
根据我们前面的讨论
我们知道这个平面图形
绕x轴旋转所得到的体积微元是
πf方再乘dx
在这儿也就是π乘上x四次方再乘dx
我们对体积微元从0到1做积分
利用牛顿-莱布尼兹公式
就得到了我们要求的旋转体的体积
就等于5分之π
下面我们再看一道例题
我们假设D是由曲线y等于x平方
与直线y等于x围成的平面图形
我们来求D绕着x轴旋转
得到的旋转体的体积
和D绕着y轴旋转所得到的旋转体体积
我们知道由抛物线和直线
围成的平面图形D的形状
那么根据我们前面的讨论
我们知道这块平面区域
绕着x轴旋转所得的旋转体的体积
就等于π乘上x平方减去x平方的平方
在0到1上的定积分
我们利用牛顿-莱布尼兹公式
就会求得这个定积分的值
就等于15分之2倍的π
这就是平面图形D绕着x轴旋转
得到的旋转体的体积大小
类似的我们可以知道
这个平面图形绕着y轴旋转
所得的旋转体的体积
就等于一个定积分
定积分的被积函数是
π乘上根下y的平方再减掉y的平方
积分域是从0到1对y做积分
利用牛顿-莱布尼兹公式
我们就求出了这个时候
要求的体积大小是6分之1倍的π
下面我们来看最后一道例题
我们利用定积分
来求半径为R的球的体积
我们要求的结果
大家是知道的
半径为R的球的体积
它的大小就是3分之4倍的π乘上R三次方
我想我们通过这个例题的讨论
我们进一步的来体会
所谓利用定积分求空间体的体积
到底用的是什么
首先我们来看第一种解法
为了能够利用定积分进行计算
我们把半径为R的球
可以理解成是
圆心在原点半径为R的上半圆
绕着x轴旋转而围成的一个旋转体
这个旋转体的体积微元就是
dV等于πy方乘上dx
也就等于π乘上括号里面
R方减x方再乘上dx
所以我们要求的体积
就是对体积元从负R到正R求定积分
利用牛顿-莱布尼兹公式
我们就求出了
这个积分值就等于3分之4倍的πR三次方
下面我们来看第二种解法
我们可以将球体看作是
由一串同心的薄球壳组成的
这个时候我们取的体积微元
应该就是薄球壳的体积的近似值
对于半径是r的薄球壳
它的体积的近似值可以等于4πr方
也就是它的表面积再乘上dr
dr表示的是这个薄球壳的厚度
我们对这样的体积从内到外加起来取极限
也就是对这个时候这个体积元
关于小r从0到R做积分
这样我们就得到了球的体积
就是4πr方从0到R做积分
利用牛顿-莱布尼兹公式
就得到了要求的结果是
3分之4倍的π乘上R三次方
在这个解法中
相对于解法一
我们考虑的体积元素发生了变化
最后得到的定积分
自然也不一样
从运算的角度来讲
这里的定积分的计算
要比解法一中定积分的计算
相对简单一些
下面我们来介绍
第三个解法
事实上就像下面图中所展示的
我们的球体可以看做是
由球的内接同心薄圆柱筒所组成的
这样我们只要得到了
每一个内接薄圆柱筒的体积的近似值
我们从内及外给他加起来取极限
得到的就应该是球的体积的准确值
在距离球心x的地方
我们取壁的厚度是dx的球的内接圆筒
这个圆筒的高度的一半
就是根下R方减x方
我们将这个薄壁圆筒的体积
就看作是我们的体积微元
也就是体积微元就等于
两倍的2πx乘上dx
再乘上根下R方减x方
在这儿两倍的πxdx
表示的是一个小圆环的面积的近似值
而两倍的根下R方减x方
表示的是这个薄壁圆筒的高度
有了体积微元
我们对体积微元关于x
从0到R做积分得到的就应该是
我们要求的球的体积
在这儿我们利用另外一种取微元的方法
也将球的体积大小表示成了
一个定积分值的大小
关于这个定积分的计算
我们在后面的章节中
会做进一步的介绍
关于利用定积分
求空间几何体的体积问题
只要空间几何体
被垂直于同一条直线的平面所截
截得的截面面积是知道的
那么它的体积就一定可以表示成
一个定积分的形式
比如说如果空间几何体
是介于平面x等于a
和平面x等于b之间
而垂直于x轴的平面
截这个几何体截得的截面面积
我们是知道的
我们用A(x)来表示
那么这个空间几何体Ω的体积大小
就是A(x)从a到b的定积分
在这一讲中
我们利用折线段的长度的极限
定义了一般曲线的长度
并在相应条件下
将曲线长度表示成了定积分的形式
通过学习
我们要熟练掌握
不同方程形式下曲线长度的计算公式
要理解被积函数
与被积表达式的几何意义
旋转体是一种特殊的空间几何体
利用垂直于旋转轴的平面
将旋转体分成一系列薄片
将薄片用圆柱体近似
得到了体积微元
我们对体积微元积分
得到的就是旋转体的体积
下一讲
将介绍定积分的简单物理应用
谢谢同学们
下一讲再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试