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第六章:积分的应用

《斯图尔特微积分》第六章:积分的应用读书笔记。本章把定积分作为累积工具,用于计算曲线间面积、立体体积、变力做功和函数平均值,并强调正确选择积分变量与切片方式。

本章地图

小节核心问题需要掌握的内容
6.1 曲线间的面积两条曲线之间的面积怎样计算?上下边界、左右边界、分段积分
6.2 体积怎样由截面积累积立体体积?切片法、圆盘法、圆环法
6.3 柱壳法求体积何时使用圆柱壳更简单?壳半径、壳高、旋转轴
6.4 功变力做功怎样累积?弹簧、抽水、连续质量分布
6.5 函数的平均值连续函数的平均水平是什么?积分平均值、中值定理

6.1 曲线间的面积

引文

我们定义并计算了函数下方区域的面积,现在我们利用积分求两个函数的图像之间的区域面积。

定义面积 AA 为近似矩形面积之和的极限:

A=limni=1n[f(xi)g(xi)]ΔxA=\lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^n \left[f(x_i^*)-g(x_i^*)\right]\Delta x

曲线间的面积:求关于 xx 的积分

小结
  • 曲线 y=f(x)y=f(x)y=g(x)y=g(x) 以及直线 x=ax=ax=bx=b 所围成区域的面积为

A=abf(x)g(x)dxA=\int_{a}^{b} |f(x)-g(x)| \, dx

A=y=f(x) 下方区域的面积y=g(x) 下方区域的面积A= \text{$y=f(x)$ 下方区域的面积} - \text{$y=g(x)$ 下方区域的面积}

A=abf(x)dxabg(x)dxA=\int_{a}^{b} f(x) \, dx -\int_{a}^{b} g(x) \, dx

例题
  • 例1:求 y=exy=xx=0x=1y=e^x、y=x、x=0、x=1 所围成区域的面积。 解: 上边界为曲线 y=exy=e^x,下边界为直线 y=xy=x,利用面积公式
A=01(exx)dx=[exx22]01=e32A=\int_{0}^{1}(e^x-x)\,dx =\left[e^x-\frac{x^2}{2}\right]_{0}^{1} =e-\frac{3}{2}

6-1

曲线间的面积:求关于 yy 的积分

重点
  • 通过将 xx 表示为 yy 的函数,可以更好地进行计算,如果一个区域由 x=f(y)x=g(y)y=cy=dx=f(y)、x=g(y)、y=c、y=d 围成,那么该区域

A=cd[f(y)g(y)]dyA=\int_{c}^{d} [f(y)-g(y)] \, dy

注意

如果用 xRx_{R} 表示右边界,xLx_{L} 表示左边界,那么

A=cd(xRxL)dyA=\int_{c}^{d} (x_{R}-x_{L}) \, dy 这里需要注意,我们使用右边界减去左边界。

例题
  • 例2:求直线 y=x1y=x-1 和抛物线 y2=2x+6y^2=2x+6 所谓成区域的面积。 解: 联立方程求交点为(1.2),(5,4)(-1.-2),(5,4)

A=24[(y+1)(12y23)]dy=[12y33+y22+4y]24=18\begin{aligned} &\quad A=\int_{-2}^{4} \left[ (y+1)-\left( \frac{1}{2}y^2-3 \right) \right] \, dy=\left[ -\frac{1}{2} \frac{y^3}{3}+\frac{y^2}{2}+4y \right]\bigg|_{-2}^4=18 \end{aligned}

原讲义插图待补充

原始笔记引用了 6-2.png,但当前目录中没有找到对应图片。正文与公式已保留,后续补入图片后可替换此提示。

6.2 体积

体积的定义

  • 柱体的体积定义:
体积=底面积×,V=Ah\text{体积}=\text{底面积}\times\text{高}, \qquad V=Ah
  • SS 为介于 x=ax=ax=bx=b 之间的立体,如果 SS 在过点 xx 、垂直于 xx 轴的平面 PxP_{x} 上的截面的面积为 A(x)A(x) ,其中 AA 为连续函数,则 SS 的体积为 V=limni=1nA(xi)Δx=abA(x)dxV=\lim_{ n \to \infty } \sum_{i=1}^n A(x_{i}^*)\Delta x=\int_{a}^{b} A(x) \, dx

旋转体的体积

引文

如果将一个区域绕直线旋转,就会得到一个旋转体。

例 1:求曲线 y=xy=\sqrt{x} 下方从 x=0x=0x=1x=1 的区域绕 xx 轴旋转所得立体的体积。

解: A(x)=π(x)2=πxA(x)=\pi (\sqrt{ x })^2=\pi x V=01A(x)dx=01πxdx=π[x22]01=π2\begin{aligned} &\quad V=\int_{0}^{1} A(x) \, dx=\int_{0}^{1} \pi x \, dx=\pi \left[ \frac{x^2}{2} \right]_{0}^1=\frac{\pi}{2} \end{aligned} 6-3

6.3 柱壳法求体积

柱壳法

其中,壳的厚度:Δr=r2r1\Delta r=r_{2}-r_{1} 。壳的平均半径:r=12(r2+r1)r=\frac{1}{2}(r_{2}+r_{1}) ,那么柱壳的体积公式为 V=2πrhΔrV=2\pi rh \Delta r 可以表述为

V=周长××厚度V=\text{周长}\times\text{高}\times\text{厚度}

小结 曲线 y=f(x)y=f(x) 下方从 x=ax=ax=bx=b 的区域绕 yy 轴旋转所得立体的体积为 当 0ab0\leqslant a\leqslant b 时,

V=ab2πxf(x)dxV=\int_a^b 2\pi x f(x)\,dx

上式中,周长为 2πx2\pi x ,高为 f(x)f(x) ,厚度为 dxdx

例题 例1:求曲线 y=2x2x3y=2x^2-x^3 和直线 y=0y=0 围成的区域绕 yy 轴旋转所得立体的体积。 解: 代入公式, V=02(2πx)(2x2x3)dx=165πV=\int_{0}^{2}(2\pi x)(2x^2-x^3) \, dx=\frac{16}{5}\pi 6-4

例题 例2:求直线 y=xy=x 和曲线 y=x2y=x^2 围成区域绕 yy 轴所得立体的体积。 解: 代入公式, V=01(2πx)(xx2)dx=π6V=\int_{0}^{1} (2\pi x)(x-x^2) \, dx=\frac{\pi}{6} 6-5

例题 例3:求曲线 y=xy=\sqrt{ x } 下方从 x=0x=0x=1x=1 的区域绕 xx 轴旋转所得立体的体积。 解: 将 y=xy=\sqrt{ x } 写成 x=y2x=y^2 ,绕 xx 轴旋转,柱壳半径为 yy ,周长为 2πy2\pi y ,高为 1y21-y^2 ,体积为 V=01(2πy)(1y2)dx=π2V=\int_{0}^{1} (2\pi y)(1-y^2) \, dx=\frac{\pi}{2} 6-6


6.4 功

引文
  • 由牛顿第二定律,物体所受的力 FF 等于物体质量 mm 与物体加速度 aa 的乘积:

F=ma=md2sdt2F=ma=m \frac{d^2s}{dt^2}

小结
  • 功等于力和距离的乘积:

W=FdW=Fd

  • 如果力为 f(x)f(x) ,定义使物体从 aa 移动到 bb 所做的功为 n+n\to +\infty 时这个近似的极限: W=limni=1nf(xi)Δx=abf(x)dxW=\lim_{ n \to \infty } \sum_{i=1}^n f(x_{i}^*)\Delta x=\int_{a}^{b} f(x) \, dx

例题 例1:设物体在距离原点 xx 处时所受力为 f(x)=x2+2xf(x)=x^2+2x ,求使它从 x=1x=1 移动到 x=3x=3 所做的功。 解: W=13(x2+2x)dx=503W=\int_{1}^{3} (x^2+2x) \, dx=\frac{50}{3}

  • 胡克定律:弹簧伸长 xx 个单位所需的拉力与弹簧的弹性系数成正比。 f(x)=kxf(x)=kx

例题 例2:弹簧从自然长度10cm伸长到15cm需要40N的力,则使其从15cm伸长到18cm需要做多少功? 解: k=400.150.1=800k=\frac{40}{0.15-0.1}=800 W=0.050.08800xdx=1.56JW=\int_{0.05}^{0.08} 800x \, dx =1.56J


6.5 函数的平均值

小结 平均值:定义函数 ff 在区间 [a,b][a,b] 上的平均值为 favg=1baabf(x)dxf_{avg} =\frac{1}{b-a}\int_{a}^{b} f(x) \, dx

例题 例1:求函数 f(x)=1+x2f(x)=1+x^2 在区间 [1,2][-1,2] 上的平均值。 解: favg=1baabf(x)dx=1312(1+x2)dxf_{a vg}=\frac{1}{b-a}\int_{a}^{b} f(x) \, dx=\frac{1}{3}\int_{-1}^{2} (1+x^2) \, dx =13[x+x33]12=2=\frac{1}{3}\left[ x+\frac{x^3}{3} \right]_{-1}^2=2

积分中值定理

如果 ff 在区间 [a,b] 上连续,那么 [a,b] 内一定存在 cc ,使得 f(c)=favg=1baabf(x)dxf(c)=f_{avg}=\frac{1}{b-a}\int_{a}^{b} f(x) \, dx abf(x)dx=f(c)(ba)\int_{a}^{b} f(x) \, dx=f(c)(b-a)

几何理解:对于正值函数 ff ,存在一个数 cc 使得以 [a,b] 为底、f(c)f(c) 为高的矩形的面积等于 ff 的图像下方区域从 aabb 的面积。


第六章复习

题目 1

题目

求曲线 y=x2y=x^2y=8xx2y=8x-x^2 所围成区域的面积。

解答

联立两条曲线:

x2=8xx22x(x4)=0x^2=8x-x^2 \quad\Longrightarrow\quad 2x(x-4)=0

交点为 (0,0)(0,0)(4,16)(4,16)。在区间 [0,4][0,4] 上,上方曲线为 y=8xx2y=8x-x^2,下方曲线为 y=x2y=x^2,所以

S=04[(8xx2)x2]dx=[4x223x3]04=643.\begin{aligned} S &=\int_0^4\left[(8x-x^2)-x^2\right]\,dx\\ &=\left[4x^2-\frac{2}{3}x^3\right]_0^4\\ &=\frac{64}{3}. \end{aligned}

题目 2

题目

由曲线 y=2xy=2xy=x2y=x^2 围成的区域绕 xx 轴旋转,求所得立体的体积。

解答

两条曲线的交点为 (0,0)(0,0)(2,4)(2,4)。在 0x20\leq x\leq 2 上,圆环的外半径和内半径分别为

R(x)=2x,r(x)=x2.R(x)=2x, \qquad r(x)=x^2.

因此

V=π02[R2(x)r2(x)]dx=π02(4x2x4)dx=π[43x315x5]02=64π15.\begin{aligned} V &=\pi\int_0^2\left[R^2(x)-r^2(x)\right]\,dx\\ &=\pi\int_0^2(4x^2-x^4)\,dx\\ &=\pi\left[\frac{4}{3}x^3-\frac{1}{5}x^5\right]_0^2\\ &=\frac{64\pi}{15}. \end{aligned}

题目 3

题目

由曲线 x=1+y2x=1+y^2 与直线 y=x3y=x-3 围成的区域绕 yy 轴旋转,求所得立体的体积。

解答

把直线写成 x=y+3x=y+3。联立

1+y2=y+31+y^2=y+3

得到 y=1,2y=-1,2,对应交点为 (2,1)(2,-1)(5,2)(5,2)。采用关于 yy 的圆环法:

R(y)=y+3,r(y)=1+y2.R(y)=y+3, \qquad r(y)=1+y^2.

因此

V=π12[(y+3)2(1+y2)2]dy=π12(y4y2+6y+8)dy=117π5.\begin{aligned} V &=\pi\int_{-1}^{2} \left[(y+3)^2-(1+y^2)^2\right]\,dy\\ &=\pi\int_{-1}^{2} \left(-y^4-y^2+6y+8\right)\,dy\\ &=\frac{117\pi}{5}. \end{aligned}

题目 4

题目

由曲线 y=x2+1y=x^2+1y=9x2y=9-x^2 围成的区域绕直线 y=1y=-1 旋转,求所得立体的体积。

解答

两条曲线交于 x=±2x=\pm2。圆环的外半径和内半径分别为

R(x)=10x2,r(x)=x2+2.R(x)=10-x^2, \qquad r(x)=x^2+2.

被积函数为偶函数,因此

V=2π02[(10x2)2(x2+2)2]dx=2π02(9624x2)dx=2π[96x8x3]02=256π.\begin{aligned} V &=2\pi\int_0^2 \left[(10-x^2)^2-(x^2+2)^2\right]\,dx\\ &=2\pi\int_0^2(96-24x^2)\,dx\\ &=2\pi\left[96x-8x^3\right]_0^2\\ &=256\pi. \end{aligned}

本章总结

  • 面积计算始终遵循“上减下”或“右减左”,必要时应分段。
  • 体积的统一思想是把微小截面积累积起来。
  • 圆盘、圆环和柱壳法的关键在于切片方向与旋转轴的关系。
  • 变力做功是力关于位移的积分。
  • 函数平均值把离散平均推广到连续区间。