MA.5.3 积分的应用

积分的应用

一、微元法

设整体量 Q 与区间 [a,b] 相关, 且具有可加性, 即

Q([a,c])+Q([c,b])=Q([a,b]),(acb)

ΔQif(ξi)Δxi, 则 Q=abf(x)dx, 此为微元法

步骤

  1. [a,b] 上取长度为 Δx=dx 子区间 [x,x+dx]

  2. 写出 [x,x+dx] 上部分量 ΔQdQ=f(x)dx

  3. 结论 Q=abf(x)dx

Proof

f 连续,其在 [xx+Δx] 上最大值为 M(Δx) ,最小值为 m(Δx)

m(Δx)ΔxΔQM(Δx)Δxm(Δx)ΔQΔxM(Δx)

Δx0f(x)limΔx0ΔQΔxf(x) 故 Q(x)=f(x)dQ=f(x)dx

应用:

二、平面曲线弧长

如何定义一段曲线弧的长度?

可求长曲线

Definition

在曲线 l 上依次取分点 T:A=M0,M1,,Mn=B

连内折线. 记线段 Mi1Mi 的长度为 |Mi1Mi|,

T=max1<in|Mi1Mi|, 则 I 的弧长

s(l)=deflimT0i=1n|Mi1Mi|(有极限只需有上界)

此时 l 称为 #可求长曲线

弧微分公式

s(x) 为弧长函数

ds=1+f2(x)dx直角坐标方程=x2(t)+y2(t)dt参数方程

微元法:直观但不严谨

Proof 直角坐标方程

ΔS=PP|PP|=Δx2+Δy2=1+(ΔyΔx)2Δx1+f2(x)Δx(Δx0)

Proof 参数方程

(x(t)Δt)2+(y(t)Δt)2=x2(t)+y2(t)Δt(Δt>0)

图中的三角形为弧微分三角形:三边 dx,dy,ds

因此可得到

弧长公式

l:y=f(x)C(1)[a,b], 则

s(l)=ab1+f2(x)dx(a<b)

l:x=x(t),y=y(t)C(1)[α,β], 则

s(l)=αβx2(t)+y2(t)dt(α<β)

l: r=r(θ)C(1)[α,β], 则

s(l)=αβr2(θ)+r2(θ)dθ(α<β)

Proof

x=r(θ)cosθ,y=r(θ)sinθx=r(θ)cosθr(θ)sinθy=r(θ)sinθ+r(θ)cosθds=x2+y2dθ=r2(θ)+r2(θ)

例题
Example

例1 求曲线 y=x2 上点 (1,1)(1,1) 间的弧段长.

Solution

S=111+4x2dx (1) 2x=tanθ=2011+4x2dx=2x1+4x2|012014x2+111+4x2dx=25S+01d(2x)1+(2x)2

5+12ln(2+5)
Example

例2 求曲线 {x=arctanty=ln(1+t2)2(0t1) 弧长.

Solution

s=01(11+t2)2+(t1+t2)2dt=01dt1+t2=ln(1+2)

Example

例3 求心脏线 r=a(1+cosθ)(a>0) 全长.

Solution

s=02πa2(1+cosθ)2+a2sin2θdθ=a02π2+2cosθdθ=a02π4cos2θ2二倍角=2a02π|cosθ2|dθ注意根号!=8a

Example

例 4 求椭圆 x2a2+y2b2=1(a>b>0) 周长.

Solution

x=acosθ,y=bsinθs=40π/2a2sin2θ+b2cos2θdθ=40π/2a2a2b2cos2θdθ=4a0π/21e2cosθ(e=ca(0,1))

遗憾的是,e(0,1) 时属于不可积函数 => 需要查 椭圆积分表(近似)

该类函数被称为椭圆的第二类积分

三、平面图形面积

y=f(x)0 的参数方程为 x=x(t), y=y(t), 且 x(α)=a,x(β)=b, 则曲线 y=f(x), 与直线 x=a,x=bx 轴所围面积

A=abf(x)dx=x=x(t)αβy(t)x(t)dt

Example

例5 求椭圆 x2a2+y2b2=1(a>b>0) 所围面积

Solution

A=40aydx=x=acosθ4π20bsinθ(asinθ)dθ=4abaπ2sin2θdθ=πab.

曲线 r=r(θ)(θ[α,β]) 与射线 θ=αθ=β 所围面积

A=12αβr2(θ)dθ

Proof

dθ 为圆心角,最小和最大半径分别做两个扇形

ΔA12r2(v)dθ 最大/小值夹住 ΔA12r2(θ)dθ, dA=12r2(θ)

Example

例6 求曲线 C:(x2+y2)2=a2(x2y2) (双纽线) 所围面积

Solution

r4=a2r2cos2θr2a2cos2θ=0

只需算4倍的第一象限面积

注意:范围不是 0π/2 ,而是 0π/4

A=4×120π4a2cos2θdθ=a2sin2θ|0π/2=a2

四、旋转体体积(平行截面面积已知的体积)

设立体 Ω 夹于平面 x=a,x=b 间, 过点 (x,0)且垂直 x 轴平面截 Ω 的截面面积 S(x), 则 Ω 的体积

V=abS(x)dx

曲线 y=f(x)x=a,x=bx 轴所围图形绕 x 轴旋转

Vx=πabf2(x)dx, x[a,b]

y 轴所围图形绕 y 轴旋转体积公式

Vy=πcdg2(y)dy, y[c,d]

Example

例7 求正弦曲线 y=sinx(0xπ)x 轴所围图形绕坐标轴旋转的旋转体体积.

Solution

Vx=π0πsin2xdx=π22

Vy

lLeft:x=arcsiny0y1lRight:x=πarcsiny0y1Vy=π01(πarcsiny)dyπ01arcsinydy=π01(π22πarcsiny)dy=2π2

Vx=π22Vy=2π2

曲线 y=f(x)x=a,x=bx 轴所围图形绕 y 轴旋转所得旋转体体积

V=2πabxy dx=2πabxf(x)dx

Proof

ΔVπ[(x+dx)2x2]底面积f(x) (被夹住) =π(2xdx+(dx)2)f(x)2πxf(x)dxdV=2πx+f(x)dx

五、旋转体侧面积

曲线 y=f(x)0(axb)x 轴旋转所得曲面称为 旋转面

微元区间 [x,x+dx] 所对应带形曲面面积

S=2πabf(x)1+f2(x)dx

Proof

ΔSdS=122π[f(x)+f(x+dx)]ds=2πf(x)ds=2πf(x)1+f2(x)dx

故旋转面侧面积

S=2πabf(x)1+f2(x)dx
Example

例8 求正弦曲线 y=sinx(0xπ)x 轴旋转所成曲面的面积.

Solution

S=2π0πsinx1+cos2x dx=2π0π1+cos2x dcosx=u=cosx2π111+u2du=4π011+u2du=2π[2+ln(1+2)]

S=2παβy(t)x2(t)+y2(t)dt(α<β)

Example

例9 求星形线 {x=acos3t,y=asin3t,,(0tπ)x 轴旋转所得旋转面面积.

Solution

S=22π0π/2asin3t[3acos2t(sint)]2+(3asin2tcost)2dt=12πa20π/2sin3tcos4tsin2t+sin4tcos2tdt=12πa20π/2sin4tcostdt=12πa25