《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。
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| 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
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 A 为近似矩形面积之和的极限:
A=n→∞limi=1∑n[f(xi∗)−g(xi∗)]Δx
曲线间的面积:求关于 x 的积分
- 曲线 y=f(x) 和 y=g(x) 以及直线 x=a 和 x=b 所围成区域的面积为
A=∫ab∣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=∫abf(x)dx−∫abg(x)dx
- 例1:求 y=ex、y=x、x=0、x=1 所围成区域的面积。
解:
上边界为曲线 y=ex,下边界为直线 y=x,利用面积公式
A=∫01(ex−x)dx=[ex−2x2]01=e−23

曲线间的面积:求关于 y 的积分
- 通过将 x 表示为 y 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=c、y=d 围成,那么该区域
A=∫cd[f(y)−g(y)]dy
如果用 xR 表示右边界,xL 表示左边界,那么
A=∫cd(xR−xL)dy
这里需要注意,我们使用右边界减去左边界。
- 例2:求直线 y=x−1 和抛物线 y2=2x+6 所谓成区域的面积。
解:
联立方程求交点为(−1.−2),(5,4)
A=∫−24[(y+1)−(21y2−3)]dy=[−213y3+2y2+4y]−24=18
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
体积=底面积×高,V=Ah
- 令 S 为介于 x=a 和 x=b 之间的立体,如果 S 在过点 x 、垂直于 x 轴的平面 Px 上的截面的面积为 A(x) ,其中 A 为连续函数,则 S 的体积为
V=limn→∞∑i=1nA(xi∗)Δx=∫abA(x)dx
旋转体的体积
例 1:求曲线 y=x 下方从 x=0 到 x=1 的区域绕 x 轴旋转所得立体的体积。
解:
A(x)=π(x)2=πx
V=∫01A(x)dx=∫01πxdx=π[2x2]01=2π

6.3 柱壳法求体积
柱壳法
其中,壳的厚度:Δr=r2−r1 。壳的平均半径:r=21(r2+r1) ,那么柱壳的体积公式为
V=2πrhΔr
可以表述为
V=周长×高×厚度
小结
曲线 y=f(x) 下方从 x=a 导 x=b 的区域绕 y 轴旋转所得立体的体积为
当 0⩽a⩽b 时,
V=∫ab2πxf(x)dx
上式中,周长为 2πx ,高为 f(x) ,厚度为 dx 。
例题
例1:求曲线 y=2x2−x3 和直线 y=0 围成的区域绕 y 轴旋转所得立体的体积。
解:
代入公式,
V=∫02(2πx)(2x2−x3)dx=516π

例题
例2:求直线 y=x 和曲线 y=x2 围成区域绕 y 轴所得立体的体积。
解:
代入公式,
V=∫01(2πx)(x−x2)dx=6π

例题
例3:求曲线 y=x 下方从 x=0 到 x=1 的区域绕 x 轴旋转所得立体的体积。
解:
将 y=x 写成 x=y2 ,绕 x 轴旋转,柱壳半径为 y ,周长为 2πy ,高为 1−y2 ,体积为
V=∫01(2πy)(1−y2)dx=2π

6.4 功
- 由牛顿第二定律,物体所受的力 F 等于物体质量 m 与物体加速度 a 的乘积:
F=ma=mdt2d2s
W=Fd
- 如果力为 f(x) ,定义使物体从 a 移动到 b 所做的功为 n→+∞ 时这个近似的极限:
W=limn→∞∑i=1nf(xi∗)Δx=∫abf(x)dx
例题
例1:设物体在距离原点 x 处时所受力为 f(x)=x2+2x ,求使它从 x=1 移动到 x=3 所做的功。
解:
W=∫13(x2+2x)dx=350
- 胡克定律:弹簧伸长 x 个单位所需的拉力与弹簧的弹性系数成正比。
f(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=0.15−0.140=800
W=∫0.050.08800xdx=1.56J
6.5 函数的平均值
小结
平均值:定义函数 f 在区间 [a,b] 上的平均值为
favg=b−a1∫abf(x)dx
例题
例1:求函数 f(x)=1+x2 在区间 [−1,2] 上的平均值。
解:
favg=b−a1∫abf(x)dx=31∫−12(1+x2)dx
=31[x+3x3]−12=2
如果 f 在区间 [a,b] 上连续,那么 [a,b] 内一定存在 c ,使得
f(c)=favg=b−a1∫abf(x)dx
∫abf(x)dx=f(c)(b−a)
几何理解:对于正值函数 f ,存在一个数 c 使得以 [a,b] 为底、f(c) 为高的矩形的面积等于 f 的图像下方区域从 a 到 b 的面积。
第六章复习
题目 1
题目
求曲线 y=x2 与 y=8x−x2 所围成区域的面积。
解答
联立两条曲线:
x2=8x−x2⟹2x(x−4)=0
交点为 (0,0) 和 (4,16)。在区间 [0,4] 上,上方曲线为 y=8x−x2,下方曲线为 y=x2,所以
S=∫04[(8x−x2)−x2]dx=[4x2−32x3]04=364.
题目 2
题目
由曲线 y=2x 与 y=x2 围成的区域绕 x 轴旋转,求所得立体的体积。
解答
两条曲线的交点为 (0,0) 和 (2,4)。在 0≤x≤2 上,圆环的外半径和内半径分别为
R(x)=2x,r(x)=x2.
因此
V=π∫02[R2(x)−r2(x)]dx=π∫02(4x2−x4)dx=π[34x3−51x5]02=1564π.
题目 3
题目
由曲线 x=1+y2 与直线 y=x−3 围成的区域绕 y 轴旋转,求所得立体的体积。
解答
把直线写成 x=y+3。联立
1+y2=y+3
得到 y=−1,2,对应交点为 (2,−1) 和 (5,2)。采用关于 y 的圆环法:
R(y)=y+3,r(y)=1+y2.
因此
V=π∫−12[(y+3)2−(1+y2)2]dy=π∫−12(−y4−y2+6y+8)dy=5117π.
题目 4
题目
由曲线 y=x2+1 与 y=9−x2 围成的区域绕直线 y=−1 旋转,求所得立体的体积。
解答
两条曲线交于 x=±2。圆环的外半径和内半径分别为
R(x)=10−x2,r(x)=x2+2.
被积函数为偶函数,因此
V=2π∫02[(10−x2)2−(x2+2)2]dx=2π∫02(96−24x2)dx=2π[96x−8x3]02=256π.
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。