060201面积-定积分在几何学上的应用-定积分的应用
文章目录
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- 1 平面图形的面积
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- 1.1 直角坐标情形
- 1.2 极坐标情形
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- 1.2.1 极坐标的定义
- 1.1.2 曲边扇形的面积
- 结语
1 平面图形的面积
1.1 直角坐标情形
①平面图形由y=f(x),y=0,x=a,y=by=f(x),y=0,x=a,y=by=f(x),y=0,x=a,y=b围成图像的面积,如下图1.1-1所示:
s=∫abf(x)dxs=\\int_a^bf(x)dxs=∫abf(x)dx s=∫ab∣f(x)∣dxs=\\int_a^b|f(x)|dxs=∫ab∣f(x)∣dx s=∫ab∣f(x)∣dxs=\\int_a^b|f(x)|dxs=∫ab∣f(x)∣dx
综上面积s=∫ab∣f(x)∣dxs=\\int_a^b|f(x)|dxs=∫ab∣f(x)∣dx
②平面图形由y=f(x),y=g(x),x=a,x=by=f(x),y=g(x),x=a,x=by=f(x),y=g(x),x=a,x=b所围成图像的面积,如下图1.1-2所示:
s=∫ab[f(x)−g(x)]dxs=\\int_a^b[f(x)-g(x)]dxs=∫ab[f(x)−g(x)]dx s=∫ab∣f(x)−g(x)∣dxs=\\int_a^b|f(x)-g(x)|dxs=∫ab∣f(x)−g(x)∣dx s=∫ab∣f(x)−g(x)∣dxs=\\int_a^b|f(x)-g(x)|dxs=∫ab∣f(x)−g(x)∣dx
综上面积s=∫ab∣f(x)−g(x)∣dxs=\\int_a^b|f(x)-g(x)|dxs=∫ab∣f(x)−g(x)∣dx
③平面图形由x=f(y),x=0,y=a,y=bx=f(y),x=0,y=a,y=bx=f(y),x=0,y=a,y=b围成图形面积,如下图1.1-3所示:
面积s=∫ab∣f(y)∣dys=\\int_a^b|f(y)|dys=∫ab∣f(y)∣dy
④平面图形由x=f(y),x=g(y),y=a,y=bx=f(y),x=g(y),y=a,y=bx=f(y),x=g(y),y=a,y=b所围成图像面积,如下图1.1-4所示:
面积s=∫ab∣f(y)−g(y)∣dys=\\int_a^b|f(y)-g(y)|dys=∫ab∣f(y)−g(y)∣dy
例1 求区间[12,2][\\frac{1}{2},2][21,2]上连续曲线y=lnx,x轴及直线x=12,x=2y=\\ln x,x轴及直线x=\\frac{1}{2},x=2y=lnx,x轴及直线x=21,x=2所围图像的面积,如下图1-1所示:
解:dS=lnxdx,x∈[12,2]S=∫122dS=∫122lnxdx=−∫121lnxdx+∫12lnxdx=−(xlnx−x)∣121+(xlnx−x)12=32ln2−12解:dS=\\ln xdx,x\\in[\\frac{1}{2},2]\\\\ S=\\int_\\frac{1}{2}^2dS=\\int_\\frac{1}{2}^2\\ln xdx=-\\int_\\frac{1}{2}^1ln xdx+\\int_1^2\\ln xdx\\\\ =-(x\\ln x-x)|_\\frac{1}{2}^1+(x\\ln x-x)_1^2=\\frac{3}{2}\\ln2-\\frac{1}{2} 解:dS=lnxdx,x∈[21,2]S=∫212dS=∫212lnxdx=−∫211lnxdx+∫12lnxdx=−(xlnx−x)∣211+(xlnx−x)12=23ln2−21
例2 求y2=x,y=x2y^2=x,y=x^2y2=x,y=x2所围图像的面积,如下图2-1所示:
解:解方程组{y2=xy=x2,交点为(0,0),(1,1)取x为积分变量,积分区间[0,1]S=∫01(x−x2)dx=23x32∣01−13x3∣01=13解:解方程组 \\begin{cases} y^2=x\\\\ y=x^2\\\\ \\end{cases},交点为(0,0),(1,1)\\\\ 取x为积分变量,积分区间[0,1]\\\\ S=\\int_0^1(\\sqrt{x}-x^2)dx=\\frac{2}{3}x^\\frac{3}{2}|_0^1-\\frac{1}{3}x^3|_0^1=\\frac{1}{3} 解:解方程组{y2=xy=x2,交点为(0,0),(1,1)取x为积分变量,积分区间[0,1]S=∫01(x−x2)dx=32x23∣01−31x3∣01=31
例3 求y2−2x,y=x0−4y^2-2x,y=x0-4y2−2x,y=x0−4围成图像的面积,如下图3-1所示:
解:方程组{y=x−4,y2=2x交点为(2,−2),(8,4)取y为积分变量,则S=∫−24(y+4−y22)dy=(12y2+4y−16y3)∣−24=18解:方程组 \\begin{cases} y=x-4,\\\\ y^2=2x \\end{cases} 交点为(2,-2),(8,4)\\\\ 取y为积分变量,则\\\\ S=\\int_{-2}^4(y+4-\\frac{y^2}{2})dy=(\\frac{1}{2}y^2+4y-\\frac{1}{6}y^3)|_{-2}^4\\\\ =18 解:方程组{y=x−4,y2=2x交点为(2,−2),(8,4)取y为积分变量,则S=∫−24(y+4−2y2)dy=(21y2+4y−61y3)∣−24=18
例4 求由曲线y=x2,y=x24及y=1y=x^2,y=\\frac{x^2}{4}及y=1y=x2,y=4x2及y=1所围成图像的面积,如下图4-1所示:
解:由上图知,所围图像左右对称取y为积分变量,则S=2∫01(2y−y)=43y32∣01=43解:由上图知,所围图像左右对称\\\\ 取y为积分变量,则\\\\ S=2\\int_0^1(2\\sqrt{y}-\\sqrt{y})=\\frac{4}{3}y^\\frac{3}{2}|_0^1=\\frac{4}{3} 解:由上图知,所围图像左右对称取y为积分变量,则S=2∫01(2y−y)=34y23∣01=34
例5 求椭圆x2a2+y2b2=1\\frac{x^2}{a^2}+\\frac{y^2}{b^2}=1a2x2+b2y2=1的面积,如下图5-1所示:
解:{x=acost,y=bsintS=4∫0aydx=4∫π20sintd(acost)=4ab∫0π2sin2tdt=4ab⋅12⋅π2=πab解:\\begin{cases} x=a\\cos t,\\\\ y=b\\sin t \\end{cases}\\\\ S=4\\int_0^aydx=4\\int_\\frac{\\pi}{2}^0\\sin td(a\\cos t)=4ab\\int_0^\\frac{\\pi}{2}\\sin^2tdt\\\\ =4ab\\cdot\\frac{1}{2}\\cdot\\frac{\\pi}{2}=\\pi ab 解:{x=acost,y=bsintS=4∫0aydx=4∫2π0sintd(acost)=4ab∫02πsin2tdt=4ab⋅21⋅2π=πab
1.2 极坐标情形
1.2.1 极坐标的定义
为了表示平面上的点,在平面上取定一点ooo,称为极点。取定一条轴oxoxox,称为极轴。这样在平面上建了一个坐标系,称为极坐标系。
如上图1.2.1-1所示,平面上任意一点p,设KaTeX parse error: Undefined control sequence: \\ang at position 11: |op|=\\rho,\\̲a̲n̲g̲ ̲xop=\\theta,则数对(ρ,θ)(\\rho,\\theta)(ρ,θ)为点p的极坐标。
极坐标与平面坐标变换公式:(原点重合)
{x=ρcosθ,y=ρsinθ{ρ=x2+y2,θ=arctanyx\\begin{cases} x=\\rho \\cos\\theta,\\\\ y=\\rho\\sin\\theta \\end{cases}\\\\ \\qquad \\begin{cases} \\rho=\\sqrt{x^2+y^2},\\\\ \\theta=\\arctan\\frac{y}{x} \\end{cases}\\\\ {x=ρcosθ,y=ρsinθ{ρ=x2+y2,θ=arctanxy
注:规定(−ρ,θ)=(ρ,θ+π)(-\\rho,\\theta)=(\\rho,\\theta+\\pi)(−ρ,θ)=(ρ,θ+π)
1.1.2 曲边扇形的面积
①曲边扇形:由ρ=ρ(θ),θ=α,θ=β\\rho=\\rho(\\theta),\\theta=\\alpha,\\theta=\\betaρ=ρ(θ),θ=α,θ=β围成的面积
ds=πρ2(θ)⋅dθ2π=12ρ2(θ)dθS=∫αβds=12∫αβρ2(θ)dθds=\\pi\\rho^2(\\theta)\\cdot\\frac{d\\theta}{2\\pi}=\\frac{1}{2}\\rho^2(\\theta)d\\theta\\\\ S=\\int_\\alpha^\\beta ds=\\frac{1}{2}\\int_\\alpha^\\beta\\rho^2(\\theta)d\\theta ds=πρ2(θ)⋅2πdθ=21ρ2(θ)dθS=∫αβds=21∫αβρ2(θ)dθ
②极点在曲线ρ=ρ(θ)内部\\rho=\\rho(\\theta)内部ρ=ρ(θ)内部,所围成图像米面积
S=12∫02πρ2(θ)dθS=\\frac{1}{2}\\int_0^{2\\pi}\\rho^2(\\theta)d\\thetaS=21∫02πρ2(θ)dθ
③曲边扇形由ρ=rho1(θ),ρ=ρ2(θ),θ=α,θ=β\\rho=rho_1(\\theta),\\rho=\\rho_2(\\theta),\\theta=\\alpha,\\theta=\\betaρ=rho1(θ),ρ=ρ2(θ),θ=α,θ=β所围图形,如下图1.1.2-1所示:
S=12∫αβ∣ρ12(θ)−ρ22(θ)∣dθS=\\frac{1}{2}\\int_\\alpha^\\beta|\\rho_1^2(\\theta)-\\rho_2^2(\\theta)|d\\theta S=21∫αβ∣ρ12(θ)−ρ22(θ)∣dθ
例1 计算阿基米德螺线ρ=aθ(a>0)相应于θ从0到2π\\rho=a\\theta(a\\gt0)相应于\\theta从0到2\\piρ=aθ(a>0)相应于θ从0到2π的弧段与极轴围成图像的面积,如下图1-1所示:
解:S=12∫02πρ2(θ)dθ=a22∫02πθ2dθ=4a23π3解:S=\\frac{1}{2}\\int_0^{2\\pi}\\rho^2(\\theta)d\\theta=\\frac{a^2}{2}\\int_0^{2\\pi}\\theta^2d\\theta\\\\ =\\frac{4a^2}{3}\\pi^3 解:S=21∫02πρ2(θ)dθ=2a2∫02πθ2dθ=34a2π3
例2 计算心形线ρ=a(1+cosθ)(a>0)\\rho=a(1+\\cos\\theta)(a\\gt0)ρ=a(1+cosθ)(a>0)所围成的图像的面积,如下图2-1所示:
解:图形关于极轴对称,积分变量θ,区间[0,2π],则S=12∫02πρ2(θ)dθ=a22∫02π(1+cosθ)2dθ=a22∫02π(1+2cosθ+cos2θ)dθ=πa2+0+2a2∫0π2cos2θdθ=3a22π解:图形关于极轴对称,积分变量\\theta,区间[0,2\\pi],则\\\\ S=\\frac{1}{2}\\int_0^{2\\pi}\\rho^2(\\theta)d\\theta=\\frac{a^2}{2}\\int_0^{2\\pi}(1+\\cos\\theta)^2d\\theta\\\\ =\\frac{a^2}{2}\\int_0^{2\\pi}(1+2\\cos\\theta+\\cos^2\\theta)d\\theta\\\\ =\\pi a^2+0+2a^2\\int_0^\\frac{\\pi}{2}\\cos^2\\theta d\\theta=\\frac{3a^2}{2}\\pi 解:图形关于极轴对称,积分变量θ,区间[0,2π],则S=21∫02πρ2(θ)dθ=2a2∫02π(1+cosθ)2dθ=2a2∫02π(1+2cosθ+cos2θ)dθ=πa2+0+2a2∫02πcos2θdθ=23a2π
例3 求ρ=2acosθ(a>0)\\rho=2a\\cos\\theta(a\\gt0)ρ=2acosθ(a>0)围成图形的面积,如下图3-1所示:
解:积分变量θ,区间[0,2π],则S=12∫−π2π2ρ2(θ)dθ=4a2∫0π2cos2θdθ=πa2解:积分变量\\theta,区间[0,2\\pi],则\\\\ S=\\frac{1}{2}\\int_{-\\frac{\\pi}{2}}^\\frac{\\pi}{2}\\rho^2(\\theta)d\\theta=4a^2\\int_0^\\frac{\\pi}{2}\\cos^2\\theta d\\theta\\\\ =\\pi a^2 解:积分变量θ,区间[0,2π],则S=21∫−2π2πρ2(θ)dθ=4a2∫02πcos2θdθ=πa2
注意:
- 给出曲线,但不知道夹角范围,需要自己去化简。
- 熟悉数中附录三种常见曲线。
结语
❓QQ:806797785
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参考:
[1]同济大学数学系.高等数学 第七版 上册[M].北京:高等教育出版社,2014.7.p276-286.
[2]同济七版《高等数学》全程教学视频[CP/OL].2020-04-16.p39.