当前课程知识点:微积分(先修课) > 第六章 积分法与反常积分 > 6.4 定积分应用举例 > 6.4.1 定积分应用举例
同学们 大家好
欢迎来到大学先修课微积分课程
今天我们介绍第六章
积分法与反常积分
第四节定积分应用举例
在学习了定积分的概念
和计算定积分的
牛顿莱布尼兹公式之后
我们曾经利用微元法
介绍了定积分的简单几何应用
和物理应用
受限于求原函数的方法
当时我们只能计算
基本积分公式中的函数的积分
现在我们已经掌握了一些
求原函数的方法可以计算一些
相对复杂的定积分的问题
本讲将通过几个具体的例子
进一步展示微元法的思想
和利用定积分
处理实际问题时的一般方法
我们先看第一道例题
我们求在抛物线y等2分之1倍的x平方上
定义域x从0到1这一段的长度
根据前面我们介绍过的
曲线长度的计算公式
我们要求曲线的长度
主要首先先写出弧长的微元
这个例子中
因为y关于x的导数
就等于x
所以我们的弧长微元
dl就等于根下1加x平方再乘上dx
我们对这个弧长微元
从x等0到x等1求积分
得出的就是我们要求的
这一段抛物线的长度
也就是说我们要求的长度
就等于根下1加x方
从0到1做定积分
对于这个定积分
我们做三角换元
也就令x等于tant
那么dx就等于dtant
而且在x等0时
对应的t的值是0
x等1 对应的t的值
是等于4分之π
那么利用定积分的换元积分公式
我们就将我们要求的这个定积分
转化成了sect
乘上dtant从零到4分之π作定积分
对于这个等式右端这个定积分
我们利用分部积分公式
就会得到它就等于sect
乘上tant
在4分之π这点的值
减掉0这点的值
再减去tant不动 sect求导
也就变成了tant乘上sect
再乘tant从零到4分之π的定积分
对于这个等式
右端第二项这个定积分
我们利用tan平方
应该等于sec平方减1
我们就进一步进行变形
就把这个定积分
变成了两个定积分做加减
其中一个定积分的被积表达式
就是sect乘上dtant
这个定积分
实际上也是我们要求值的定积分
另外一个就是被积函数是sect
sect的原函数
我们曾经求出过
应该就等于lnsect加上tant
所以利用定积分的
牛顿莱布尼兹公式
最后一个定积分的值
也就是lnsect加上tant
在4分之π定的值
减掉0这点的值
这样我们就得到了
我们要求的定积分
就等于根下2
减掉我们要求值的定积分
再加上ln1加根下2
我们求解这个方程就得到了
我们要求的定积分值
就是2分之1倍的括号里面根下2
再加上ln1加上根下2
这实际上就是我们要求的
那一段抛物线的长度
下面我们来看第二道例题
我们假设曲边梯形D
由抛物线y等两倍的根下x
还有直线x等3和X等8
以及X轴围成
我们求这个曲边梯形D
绕x轴旋转所成旋转体的体积
以及这个旋转体的侧面积
我们首先求这个旋转体的体积
在前面我们介绍
定积分的几何应用时
我们知道这个曲边梯形D
绕x轴旋转
所成旋转体的体积微元
dV就等于πy方乘上dx
也就是旋转的圆面积
再乘上它的厚度dx
我们将y与x的关系代入
所以说我们的体积微元
就是4πx乘上dx
我们对这个体积微元
从x等3到x等8求积分
得到的就是我们要求的
旋转体的体积
所以我们的体积V就等于4πx
从3到8做定积分
我们利用牛顿莱布尼兹公式
就求出了这个体积值
就是一般10乘上π
这是我们要求的
旋转体的体积的大小
下面我们来讨论
如何求这个旋转体的侧面积
我们为了要将旋转体的侧面积
表示成定积分
我们首先要求
旋转体侧面积的面积微元
我们考虑一般的情况
我们假设我们考虑的曲边梯形
是由连续曲线y等fx
还有推直x轴的直线
x等a和x等b
以及x轴围成
那么这个曲边梯形它绕着x轴旋转
所成的旋转体
就像我们图中画的这样
对于这旋转体
我们要求它的侧面积的面积微元
我们就用垂直x轴的平面
对这个旋转体进行分割
我们只考虑其中一小薄片
也就是说我们考虑
相应于小区间x到x加dx
这个范围上的一片
对于这一片我们可以把它近似的
看作是一个圆台
也就是说在这一块上
侧面积对应的值的大小
可以近似的
看作是一个圆台的侧面积
这个圆台两个底边的半径
分别是fx的绝对值
和fx加上dx的绝对值
这个圆台的母线长
可以近似的为
这一段对应的小弧长dl
那么根据圆台的侧面积计算公式
我们就得到了这个圆台
它的面积近似的表示成
上底的周长加上下底的周长
除上2再乘上它的母线长
因为x和x加dx非常靠近
而fx是连续函数
所以说我们可以近似的将f
在x加dx这点的值
就探索是f在x这一点的值
这样我们这个圆台的
侧面积的近似值
就可以表示成
2πfx的绝对值
这表示的是一个周长
再乘上根下1加f′的平方dx
这表示的是母线长的近似值
这样我们就得到了
我们要求的
宣传体侧面积的面积微元
dA就等于2πfx绝对值
再乘上根下1+f′x平方乘上dx
有了面积微元之后
我们对这个面积微元
关于x从左边x等A
到右边x等B做积分
得到的就应该是
我们要求的旋转体的侧面积
需要大家注意的是
在前面我们曾经讨论过
旋转体的体积问题
关于旋转体的体积
我们利用推直旋转轴的平面
对它进行分割之后
我们是把每一薄片
看作是一个小的圆柱体
利用圆柱体的体积
作为那一薄片的体积近似值
我们得到了体积为圆
而作为旋转体的侧面积
我们用同样的方法进行分割之后
每一薄片
它的侧面积
我们是用相应的圆台的侧面积
来做近似的
这是求体积和求侧面积
它的不同之处
回到我们例2中的具体情况
那么在例2中
我们的曲线方程fx
是等于两倍的根下x
我们的a是等3 b是等8
所以我们要求的旋转体的侧面积
也就等于2倍的π
乘上2倍的根下x
这表示的是一个周长
再乘上根下1加上
根下x分之1的平方再乘dx
最后关于x从3到8做积分
我们整理之后
也就是要求根下x加1
从3到8的定积分
再乘上4π
在这个4定积分中
被积函数是一个简单的幂函数
我们利用牛顿莱布尼兹公式
就很容易求得它的值是152倍的π
除上3
这就是我们要求的
这个旋转体的侧面积的大小
接下来我们讨论第三道立体
我们假设l是抛物线
y等根下x上的一段
x的取值范围是从2到6
我们假设这段抛物线上
每一点都带有质量
而它的质量线密度ρx
就等于根下x分之1
也就是质量分布是不均匀的
我们来求这条抛物线段
它的质量大小
根据每一点的质量线密度
我们知道我们要求的质量微元
也就是说每一小段弧上的质量大小
dm就等于这一段上某一点的密度
ρx再乘上这一段的长度
我们将ρx的表达式
以及dr的表达式代入
这样就得到了我们的质量微元
dm就等于根下4倍x加1
再除上2倍x 再乘上dx
有了质量微元之后
我们要求的质量
也就是对质量微元
关于x从2到6做区分
再这个定积分中
我们知道分子上的根号
应该是我们的难点
为了把根号去掉
我们就令根下4x加1等于t
那么x就等于4分之1倍的t方减1
dx就等于2分之1倍的tdt
而且在x等2时对应的t的值应该等3
x等6时对应的t的值应该等5
我们利用定积分的换元积分公式
我们要求的质量
就变成了t方除上t方减1
对t从3到5做积分
我们将分子上的t方表示成t方减1
再加1
这样我们就把我们要求的积分
变成了1加上1除上t方减1
在3到5上的定积分
这两部分它的原函数
我们都可以求出
那么利用牛顿莱布尼兹公式
我们就求得了质量的大小
是2加上4除上根下3的自然对数
接下来我们来讨论第四道例题
我们假设有一个长度是l
而且质量分布是均匀的细杆
与这段细杆位于统一直线上
相距为a处放置的一个
质量是m的质点
我们求这段细杆
对这个质点的引力大小
我们知道牛顿万有引力定律说
质量分别是m1 m2
相距为r的两个质点
他们的引力大小
与他们的质量的乘积呈正比
与他们之间距离的平方乘反比
也就是说这两个质点间的引力大小
是F等于m1乘m2除上r平方
再乘上引力常数G
回到我们的问题
我们假设这个细杆的密度大小就是ρ
ρ是常数
我们向图上画的那样
我们假设质点就位于原点
细杆落在这个质点的右侧
在x轴上
我们将这个细杆分成许多小段
每一段我们近似成一个质点
我们将每个质点
对这个质点m的引力大小求出
因为他们的方向都是沿着坐标轴
从原点往右项指的
所以说这些质点
对m这个质点的引力
可以做代数和
这样我们通过取和取极线
就可以把我们要求的引力大小
处理成一个定积分问题
这是我们处理这个问题的基本思路
具体的处理方法
也就是我们将细杆上
位于区间x到x加d的一段
近似为一个质点
这个质点
到质点m的距离
我们用x表示
它的质量就等于密度乘上这个长度
也就是ρ乘上dx
所以我们要求的
引力微元是m乘上ρ再乘dx
除上x平方
再乘上引力常数G
在这 这个距离x它的取值范围
就是从a到a加l
我们对这个引力微元
关于x从a到a加l求定积分
得到的就是我们引力的大小
也就说f就等于G乘上m再乘ρ
再除上x平方
从a到a加l做积分
我们知道x平方分之1的原函数
是负的x分之1
所以利用牛顿莱布尼兹公式
就得到了我们的引力大小F
就等于G乘上ρ再乘m
再乘上括号里面a分之1
减掉a加l分之1
这是我们求得的最后结果
接下来我们讨论第五道例题
我们假设有一个半圆轴
质量分布是均匀的
我们再假设在这个半圆轴的
圆心位置上放置了一个
质量为1的质点
也就是所谓的单位质点
我们求这个半圆轴
对圆心位置上
这个单位支点的引力大小
为了将这个问题
转化成一个积分问题
我们不妨假设这个半圆轴的圆心
就在坐标系的原点
这个半圆轴的半径大小是r
而且整个半圆轴
是落在上半平面里面
也就是我们图中画出的情形
我们将半圆轴上
每一小段近似为一个质点
那么这个质点
对位于原点的单位支点的引力
它的方向是不同的
为了对他们能够进行做代数和
我们将每一个质点
对圆心问题的单位质点的引力
沿着x轴和y轴方向做分解
分别用dfx和dfy来表示
我们根据对称性
我们就知道dFx沿着圆轴做积分
最后的合力应该是等0的
所以说我们要求这个引力的大小
主要是要求他们在y轴方向上
分立的大小就可以了
我们假设这个圆轴的质量线密度
也是常数ρ
那么我们要求的dfy
就应该等于引力常数G乘上ρ乘dl
这表示这一小段对应的质点的质量
再除上R平方
因为我们圆心处的质点质量是1
所以说分子上就变成了ρ乘dl
我们知道弧长 半径和圆心角的关系
所以说dr就等于半径
乘上圆心角的改变量dθ
也就是说我们的dfy
就等于G乘上ρ再除上R
再乘上dθ
我们关于dfy关于圆周做积分
也就是关于圆心角
从0到π做积分
我们就得到了最后的结果是
G乘上ρ再乘上π除上半径R
这就是我们要求的半圆轴
对位于圆心位置的单位支点的引力
它的方向是沿着Y轴的正向的
我们将这个表达式
变列形 也就表示成
G乘上ρ乘π乘R再除上R平方
请大家注意
我们的分子也就等于1乘上ρπR
ρπR表示的是这个半圆轴的质量
也就是说我们最后求的结果
实际上相当于是把整个半圆轴
看作是一个支点
放在半圆轴以外相交的位置
那么这个质点对位于原点的
单位质点的引力大小
就是我们要求的最后结果
在这一讲中
我们通过几道例题展示了
利用定积分处理实际问题时的
一般过程和方法
除了掌握一个例子给出的有关结论
我们还应进一步思考
下面两个问题
第一也就是具备什么特征的量
能用定积分表示
或者是说什么样的问题
能用定积分来处理
第二个问题是
当一个量能用定积分表示时
怎么样才能建立
计算这个量的积分表达式
关于第一个问题
我们要求所考虑的量
要具有区间可加性
或者是说所考虑的量
要可以表示成代数和
关于第二个问题
主要有两个过程
一是要将连续问题离散化
并在局部范围内用均匀变化
代替非均匀变化
从而得到局部量的近似值
也就得到了所谓的微元
第二个过程是
要将局部量的近似值相加
并求期限得到整体量的精确值
也就是要对微元做积分
下一讲将研究无限区间
或无界函数的积分问题
即反常积分问题
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