当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第七章 定积分 > 第五节 定积分的几何应用 > 平面区域的面积
那么前面我们讲的是定积分的计算
那么这一节我们讲定积分的应用
定积分应用
定积分应用大概是有两方面应用
第一方面是几何方面的应用
跟面积跟弧长跟体积有关系
第二方面是物理方面的应用
我们先讲第一个应用是平面区域的面积
假如说有这么一个平面区域
我们给一个坐标轴xy
有两个函数
y等于f(x)是一个函数
y等于g(x)是一个函数
这两个函数都是连续函数
它的定义域是在[a,b]区间上
我们如果画一下图
我们不妨假设在[a,b]这个区间上
f(x)大于g(x)
这点是a这点是b
这个函数y等于f(x)
这个函数是y等于g(x)
我们现在就要求由x等于ax等于b
以及y等于f(x)y等于g(x)
两条曲线两条直线所围成的平面区域的面积
我们把它的面积叫做S
那么这就想起我们原来讲定积分的定义的时候
我们说做分割取点近似值
求和黎曼和然后求极限
那么我们还是对x坐标轴上做了一些分割
每一分割上去我做了近似
这一小条我可以做近似
我把每一小条面积的近似值
我用一个小的长方形的细条给它来表示的话
我们把所有小条的面积累加起来
在极限的意义下来讲
那么它就是第一从几何上来讲是面积
第二从极限的角度来讲它就是一个积分
我们来看看某一小条△Si它的面积
因为某一小条其实它都是取边的
那么它的近似值就是f(ξi)减去g(ξi)
这就是它的高
乘上△xi
△xi就是它的宽度
我们把这些小条的面积都加起来
我们求极限之后我们可以发现
它的面积实际上就是从a到b
f(x)减去g(x)dx
那么我们在不知道f(x)和g(x)
到底谁大谁小的情况下
我们不妨加一个绝对值
如果我们知道f(x)是大于等于g(x)的
那么我们可以把绝对值就改写成括弧
那就可以了
这就是我们讲的平面区域上
这么一个取边图形的面积的用定积分来表示
我们给一个例子
有两条曲线
一条是y等于x平方
一条是y平方等于x
要求由两条曲线所围成的平面区域的面积
一般来讲我们要算面积的时候
我们通常先做的一件事情就是画图
我们把这两条曲线画下来xy0
我们来看一下y等于x平方x平方等于y
这两条曲线的交点
那么我们经过简单计算我们可以知道
这个交点有两个点
一个是(0,0)点 一个(1,1)点
而这两条曲线在xy坐标轴上的话
y等于x的平方是这么一条抛物线
另外一条x平方等于y是这么一条
这一点正好是x等于1
这一点x等于0
所以要求的实际上就是
求这么一个像树叶这种形状的
这一小片平面区域的面积
根据在直角坐标系下面积的公式
S就等于
我们要注意一下在我们面积的公式里面
积分定积分的下限永远是小于上限
在直角坐标系下下限是小于上限的
所以在直角坐标系下
下限小的当然就是0上限就是1
那么我们可以发现这条曲线是y平方等于x
下面那条曲线是y等于x的平方
所以大的减去小的
也就是说y等于根号x减去x平方这个函数的定积分
那么这样的话我们可以稍微经过计算一下
我们可以发现很简单的知道
它的这个函数的某一原函数
应该是x的二分之三次方
乘上三分之二减去三分之一x的三次方
牛顿莱布尼兹公式告诉我们下限是0上限是1
最后我们可以得到答案是三分之一
所以我们可以知道由这两条曲线所围成的
这么一个平面区域
它的面积恰好是等于三分之一
我们来看第二道题
刚才我们那道例题
是在平面的显函数参数形式下的曲线
y等于x平方以及这也很简单y等于根号x
如果说那条曲线的方程是参数函数形式方程的话
比如说我们给这条曲线
x就等于a1减去sint
y就等于a
x等于at减sint
y等于a1减cost这条曲线
t是在0到2π之间的
如果你学了前面那个微分的知识之后
你可以发现这条曲线实际上在我们前面是讲过的
这条曲线我们把它叫做摆线
那个图形大概是这样子x0y
那么x的范围是从0开始到2πa
要求由这条摆线
以及x轴所围成的平面区域的那个面积
那么我们对那些由参数方程所给出来的曲线
那么我们知道S就等于y是t的函数dx
x也是t的函数
要注意了下限和上限
那么这个t的范围我们知道
t的范围是从0到2π
实际上在x等于0的这一点对应的是t等于0
在x等于2πa这一点对应的参数
实际上是t等于2π
所以我们一直要求积分的下限小于上限
指的是对x来讲是下限是小于上限
那么x是从0到2πa
x等于0对应t等于0所以t是取0
x大的那个2πa对应的t是2π
所以到2π
也就等于从0到2π
y(t)是等于a1减cost
dx(t)我们可以算一下
xdx(t)的话就是等于x的导数dt
x导数就等于a1减cost
实际上就等于a平方1减cost的平方dt
那么我们直接可以算出来
因为这个函数当然很简单把平方打开之后
就等于1减两倍的cost加上cos平方t
那么这个函数的不定积分我们也会
定积分的话根据牛顿莱布尼兹公式我们也会
那么最后的结论就等于
等于3πa的平方
要注意一件事情
我们现在讲我们求面积的时候
直角坐标系下求面积的时候
我们讲积分的下限小于上限指的是
针对x的坐标x小的在下面x大的在上面
如果我们换算成参数方程的话
在我们这个参数方程的形式
它确实t是等于0相对就x是小的
t等于2π恰好是相对于x大的
所以是从0到2π
如果我们改一道题我们来看一下
改成这么一道题
这条曲线也是我们熟悉的
x等于acos三次方t
y就等于asin三次方t
如果我们画一下图的话
实际上这个线就是一个星形线
我就画在这
直角坐标系下它就是一个星形线
我们不妨就看一下在星形线上的四分之一块
也就这块的面积
剩下几块因为由对称性乘四就可以了
我们来看看同样是参数方程给出来的
面积也可以写成y(t)x导数tdt
那么我们特别要强调的一件事情
这个面积它的上下限
那么我们知道对应x等于0这点它的参数
和对应x等于1这一点它的参数
x等于0那点实际上对应的参数
应该是t是等于二分之π
反过来来讲x等于a这一点
对应的参数实际上是t就等于0
所以我们在做用定积分来算面积的时候
我们讲过对x的那个坐标小的到大的
对t这个参数来讲
那么这时候你会发现
x小的是不恰好t等于二分之π
所以t应该是从二分之π
到x大的这个数对应t的参数t等于0
所以t等于0
那么y(t)x导数tdt
你把y把x导数代进去之后
实际上我们并不难算出这么一个不定积分
但是有一点要注意的地方
就是对参数方程来讲
并不是永远是下限比上限小
因为我们讲对面积来讲
我们求面积用定积分来求面积
我们讲对x来讲是下限小上限大
但对参数来讲
比如说我们上下两道题是截然不同的
因为下面那道题参数t等于2π
实际上对应着x小的
而参数t等于0对应的x大的
所以下限是二分之π上限是0
好我们再来看看平面的极坐标情况下的面积
假如说有一条曲线r等于r(θ)
θ是属于α到β这个范围内的
我们画一下图xy
有这么一条曲线
这条线就是r等于r(θ)
这个角度是α这个角度是β
我们现在要算的就是这么一个
类似于扇形的这么一个图形的面积
我们看一下这个面积我们怎么去算
我们还是用我们原来的办法
分割取点近似求和求极限的办法
那么这个分割当然我们这么分比较简单
我们给一个很小的角度
这个角度假如说
我们记成很小的dθ的这么一个角度
我们来讨论这小块的它的小的扇形的面积
小的扇形
然后我们一块一块地放过去之后
经过累加之后
那么整的一个在极坐标下的这么一个扇形的面积
我们就可以把它算出来了
我们来看看怎么样来近似这一块小块的扇形面积
我们来看看这个扇形的这个边长是r(θ)
这边的长度弧长
我们用一个很小的东西来近似就是r(θ)dθ
这是弧长
本身那个小的扇形
它也是我们放大了之后它也是这么一个东西
这是一个小的扇形我们放大了
那么这条边长是r(θ)
这个我们用一个圆弧来表示
这个圆弧是r(θ)dθ
我们拿这个直线来表示
我们说这条直线的长度
也基本上近似于r(θ)dθ
那我们实际上拿这个小三角形的它的面积
来近似地表示我们这么一个扇形的面积
我们去掉了一些东西
因为这是在近似的意义下
那么这么一个小三角形的面积
二分之一乘上r(θ)
这是这个单边的长度
再乘上底边的长度再乘上r(θ)dθ
我们做累加
我们从α到β的角度做一下累加
我们一做累加所谓累加在极限的意义下来讲
它不就是一个定积分吗
从α到β
这就是一个小扇形的面积
在定积分意义下的一种表示
就是我们这么一个小的
近似于曲边扇形的这么一个面积
好我们给一个例子
r平方就等于两倍的a平方cos两倍的θ
我们把这条线叫做双纽线
双纽线的图形实际上我们已经讲过了
双纽线的图形是这样的
坐标轴一个横躺的一个8字
而且我们知道这个夹角恰好是四分之π
所以这个双纽线的面积S
因为双纽线是对称的左右对称上下对称
我们只讨论这一块的双纽线的面积
那么就应该是四倍的关系
等于四倍的
它的角度是从0度开始到四分之π
0到四分之π
r平方θdθ那么乘上二分之一r的平方
再乘上二倍的a平方cos两倍的θdθ
这就是这么一个双纽线的
在极坐标形式下这么一个双纽线
这么四分之一的双纽线图形的它的区域的面积
乘上四倍恰好就是一二三四
整个一个左右双纽线的面积
那么这当然我们并不难算啊
马上把它不定积分算出来
牛顿莱布尼兹公式一算就等于两倍的a平方
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
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--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
-第一节思考与练习
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--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
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--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
-- 函数的可积性
--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
--变上限积分
--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
-第五节 定积分的几何应用
--平面区域的面积
--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习