定积分的几何应用举例
微积分定积分在几何中应用
(二)定积分在几何中的应用定积分在几何中的应用 (1)求平面图形的面积求平面图形的面积由定积分的定义和几何意义可知，函数y=f(x)在区间[a,b]上的定积分等于由函数y=f(x)，x=a ，x=b 和轴所围成的图形的面积的代数和。
由此可知通过求函数的定积分就可求出曲边梯形的面积。
例如：求曲线2f x =和直线x=l ，x=2及x 轴所围成的图形的面积。
轴所围成的图形的面积。
分析：由定积分的定义和几何意义可知，由定积分的定义和几何意义可知，函数在区间上的定积分等于由曲线函数在区间上的定积分等于由曲线和直线，及轴所围成的图形的面积。
和直线，及轴所围成的图形的面积。
所以该曲边梯形的面积为所以该曲边梯形的面积为2233222112173333x f x dx ===-=ò (2)求旋转体的体积求旋转体的体积(I)由连续曲线y=f(x)与直线x=a 、x=b(a<b) 及x 轴围成的平面图形绕x 轴旋转一周而成的旋转体的体积为2()()b aV f x d x p=ò。
(Ⅱ)由连续曲线y=g(y)与直线y=c 、y=d(c<d)及y 轴围成的平面图形绕y 轴旋转一周而成的旋转体的体积为2()()dcV g y d y p =ò。
(III)由连续曲线y=f(x)( ()0f x ³)与直线x=a 、x=b(0a £ <b)及y 轴围成的平面图形绕y 轴旋转一周而成的旋转体的体积为2()()baV xf x d x p =ò。
例如：例如：求椭圆求椭圆22221x y a b +=所围成的图形分别绕x 轴和y 轴旋转一周而成的旋转体的体积。
转体的体积。
分析：椭圆绕x 轴旋转时，旋转体可以看作是上半椭圆22()b y a x a x a a=--££，与x 轴所围成的图形绕轴旋转一周而成的，轴所围成的图形绕轴旋转一周而成的，因此椭圆因此椭圆22221x y a b+=所围成的图形绕x 轴旋转一周而成的旋转体的体积为轴旋转一周而成的旋转体的体积为 222222222322()()14()33aay aaaa b b v a x dx a x dxaa ba x x aba pp p p ---=-=-=-=òò椭圆绕y 轴旋转时，旋转体可以看作是右半椭圆22,()a x b y b y b b=--££，与y轴所围成的图形绕y 轴旋转一周而成的，因此椭圆22221x y a b+=所围成的图形绕y 轴旋转一周而成的旋转体的体积为一周而成的旋转体的体积为222222222322()()14()33bby b bb b a a v b y dy b y dy b b a b y y a bb p p p p ---=-=-=-=òò(3)求平面曲线的弧长求平面曲线的弧长(I)、设曲线弧由参数方程、设曲线弧由参数方程 (){()()x t t y t j a b f =££=给出其中''(),()t t j f 在[,]a b 上连续，则该曲线弧的长度为'2'2[()][()]()s t t d xbaj f =+ò。
定积分的几何应用举例
=x2
解 所围成的图形的面积.
y
x y2
(1,1)
得两曲线交点 (0,0) , (1,1) ,
x y
面积元素 dA ( y y2 )dy , o
x
A
1
(
0
y y2 )dx
2 3 y3 1
3 y2
3
0
1. 3
解题步骤：
1. 根据题意画出平面图形 .
2. 求出边界曲线的交点.
3. 确 定 一 个 积 分 变 量 及 其 变 化 区 间 [a , 4.b写]出.微元(面积元素) dA .
在[ , ]上任取小区间[ , d ]．o x
面积元素 dA 1[( )]2d
2
曲边扇形的面积 A 1[( )]2d . 2
例 6 求双纽线 2 a2 cos 2 所围平面图形的
面积.
解 由对称性知总面积=4倍第 一象限部分面积
A 4A1
A 4
4
1 a2 cos 2 d
第八节 定积分的几何应用举例
一、平面图形的面积 二、体积 三、平面曲线的弧长
一、平面图形的面积
1、 直角坐标系情形
y y f (x)
设曲线 y=f (x)(x 0) 与直
线 x = a , x = b (a <b)
及 x 轴所 围曲边梯形的面
oa
积为 A , 则
b
dA f (x)dx,
A f ( x)dx .
立体体积
R
V h
R2 x2dx
1 R2h.
R
2
五、平面曲线的弧长
1、平面曲线弧长的概念
设 A、B 是曲线弧上的两 y
个端点，在弧上插入分点
定积分的几个简单应用
定积分的几个简单应用一、定积分在经济生活中的应用在经济管理中，由边际函数求总函数，一般采用不定积分来解决，或者求一个变上限的定积分；如果求总函数在某个范围的改变量，则采用定积分来解决．例1 某商场某品牌衬衫的需求函数是q p 15.065-=，如果价格定在每件50元，试计算消费者剩余．解 由p 50=，q p 15.065-=，得10000=q ，于是dq q )5015.065(100000--⎰10000023)1.015(q q -=50000=，所求消费者剩余为50000元．例2 已知某产品总产量的变化率为t t Q 1240)(+='（件／天），求从第5天到第10天产品的总产量．解 所求的总产量为⎰⎰+='=105105)1240()(dt t dt t Q Q 1052)640(t t +=650=（件）． 二、用定积分求极限例1 求极限 ∑=∞→n k n n k 123lim ．解 nn n n n n n n k n k 12111123+++=∑= )21(1nn n n n +++= ． 上式是函数[]1,0)(在x x f =的特殊积分和．它是把[]1,0分成n 等分，i ξ取⎥⎦⎤⎢⎣⎡-n i n i ,1的右端点构成的积分和．因为函数[]1,0)(在x x f =可积，由定积分定义，有∑=∞→n k n n k 123lim ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=∞→)21(1lim n n n n n n 3210==⎰dx x ． 例2 求极限 2213lim k n n k n k n -∑=∞→． 解 212213)(11n k nk n k n n k n k n k -⋅=-∑∑==． 上式是函数[]1,01)(2在x x x f -=的特殊积分和．它是把区间[]1,0分成n 等分，i ξ取⎥⎦⎤⎢⎣⎡-n i n i ,1的右端点构成的积分和．因为函数21)(x x x f -=在[]1,0可积，由定积分定义，有2213lim k n n k n k n -∑=∞→31)1(31110232102=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=-=⎰x dx x x ． 三、用定积分证明不等式 定积分在不等式的证明中有着重要的应用．在不等式的证明中，可根据函数的特点，利用定积分的性质来证明．例1 设)(x f 是闭区间[]b a ,上的连续函数，且单调增加，求证：⎰⎰+≥b ab a dx x f b a dx x xf )(2)(． 证明 作辅助函数 dt t f x a dt t tf x xa x a ⎰⎰+-=)(2)()(ϕ， 显然0)(=a ϕ，且)(2)(21)()(x f x a dt t f x xf x x a ⎰+--='ϕ )(2))((21)(2x f a a x f x f x ---=ξ [])()(2ξf x f a x --=， 其中[]x a ,∈ξ．因为)(x f 在[]b a ,上单调增加，所以0)(≥'x ϕ，从而)(x ϕ在闭区间[]b a ,上单调增加，所以0)()(=≥a x ϕϕ，取b x =得⎰⎰+≥b a ba dx x fb a dx x xf )(2)(． 定积分在许多领域中有着重要应用，它是解决一些几何学问题、物理学问题和经济学问题的重要工具．这一章主要介绍了定积分在不同学科中的应用问题．。
定积分在几何中的应用
变式 1：变速直线运动的物体速度为 v(t ) 1 t 2 ,ห้องสมุดไป่ตู้初 始位置为 x0 1, 求它在前 2 s 内所走的位移及 2 s 末 所在的位置.
知识要点2
如果物体在变力 F ( x) 的作用下做直线运动，并且物 体沿着与 F ( x) 相同方向从 x a 移动到 x b(a b), 则变力 F ( x) 所作的功 b W= F ( x )dx .
a
例 2 在弹性限度内，将一弹簧从平衡位置拉到离平 衡位置 lm 处，求克服弹力所作的功.
o
x x
定积分在几何中的应用
例 3：直线 y＝kx 分抛物线 y＝x－x 与 x 轴 所围成图形为面积相等的两部分， 求 k 的值．
y
2
x
O
定积分在物理中的应用 如图：以 x 为积分变量，积分区间为 [a , b].
知识要点1
作变速直线运动的物体在时间区间 a , b 上所经过的 路程 S ，等于其速度函数 v v(t )(v(t ) 0) 在时间区 b 间 a , b 上的 定积分 ，即 S v ( t )dt
a
例 1 已知一辆汽车的速度——时间的曲线如图所示 30
求（1）汽车 10 s 行驶的路程； （2）汽车 50 s 行驶的路程； （3）汽车 1 min 行驶的路程.
A B
P
本节 知识 引入 本节 目的 与要 求
在区间 [a , b] 内任取一小区间[ x , x dx ], 功的微元数 dW F ( x )dx 所以
o a
x
x dx
F ( x)
b
x
本节 重点 与难 点
本节 复习 指导
定积分的几何应用例题
定积分的几何应用例题定积分，又称定积分法，是一种求取特定函数积分的方法，它是集概率论、统计学和运筹学于一体，是微分几何学中的重要内容。
它在微分几何中一般用来求取曲面积、表面积、空间积分、距离长度等。
下面将介绍几个典型的定积分的几何应用例题，以便读者更好的理解定积分的几何应用。
例题一：求抛物线y=x2的截面积，其中抛物线两端上的y值分别为a和b。
答：这里的抛物线的截面积S=∫a b x2dx。
因此，将原积分变形可得S=(1/3)∫a b (x3+a3-b3)dx，于是，将积分变量替换，此时，S=(1/3)[(b3-a3)/2]。
例题二：求圆柱体的体积，其中圆柱体的底面半径为a，高度为h。
答：首先，将圆柱体拆成无穷多个小圆柱体，那么，圆柱体的体积V=∫0 hπa2dh。
将原积分变形可得V=πa2∫0 hdh=(πa2h2)/2，可见，圆柱体的体积大小取决于高度h和底面半径a的平方乘积。
例题三：求圆锥的表面积，其中圆锥的底面半径为a，高度为h，底面圆心角为2α。
答：此时，圆锥的表面积S=∫0 hΠa2sindαdh，将原积分变形可得S=Πa2∫0 hsindαdh=(2Πahcosα)/2，可以得出，圆锥的表面积大小取决于高度h、底面半径a以及底面圆心角2α因此，定积分在几何学中具有重要意义，可以求出各类几何体的表面积、体积等，解决实际问题。
上面提供了典型的定积分的几何应用例题，可以让读者对定积分的几何应用有一个深入的理解。
定积分的计算方法广泛，不仅可以采用数值积分法，还可以采用把积分分解为若干小段然后求和的方法。
同时，它还可以利用积分变量的变换，把定积分变为求解较为容易的积分，可以较好地解决实际问题。
总之，定积分是一门极其重要的数学科学，在几何学和实际问题中都有重要的应用，使用正确的计算方法，可以较好地解决实际问题。
定积分在物理上的应用举例
浅谈定积分的意义
纯粹几何图形而言，定积分的意义是由曲线、x轴，区间起点的垂直线x=a、
区间终点的垂直线x=b，所围成的面积。
也可以广义而言，定积分的几何意义就是“抽象的面积”。例如：如果横 轴是体积，纵轴是压强，“抽象面积”的意义是热力学系统对外做功； 如果横轴是时间，纵轴是电流，“抽象面积”的意义是电源对外放出的电 量、、、、、、 定积分是一种重要的数学思想，如今定积分思想广泛应用于物理、医学、 经济学、化工等领域，具有极大的应用价值。
上述公式计算，而是应用定积分思想，采用元素法来计算。
例.有一长度为L，密度为ρ的均匀细棒，在其中垂线上距棒a单位处有一质量为m
的质点M，计算该棒对质点M的引力。
解：建立坐标系
取y为积分变量，y∈[这一区间对应
y+dy]，
的棒上小段可近似看成质点，
质量为ρdy，小段与质点的距 离为
定积分在物理上的应用举例
目录
1.用定积分求解平均功率问题 2.用定积分求解引力问题
一、平均功率问题
二、引力问题
质量分别为M、m的质点，相距r，两者间引力： 大小：
F K
Mm
方向：沿两质点的连线
r
2
如果要计算一根细棒对一个质点的引力，那么，由于细棒上各点与该
点的距离是变化的，且各点对该点的引力方向也是变化的，故不能用
THANK YOU
r
a
2
y
2
细杆对质点的引力：
dF k mρdy
a
2
y
2
水平方向的分力：
dFx dF cos( π - ) -dF cos a amρdy
a
第十周周一高等数学の5-定积分在几何物理上的应用广义积分
x
设曲线弧由直角坐标方程 yf(x) (axb)给出，其中f(x)在区 间[a，b]上具有一阶连续导数，则
ds 1 y2dx ，s b 1 y2dx ． a
讨论：
(1)设曲线弧由参数方程
x
y
(t), (t)
( t )给出，其中
(t)、(t)在[，]上具有连续导数， 问弧长元素ds和弧长 s 各
2
2
1
1a
ab
b2
2(1(1cocso2st2)td)tdt11
a
ab·b·
11
a ab b．．
22 0 0
2 2 2 24 4
A 4A1 a b．
2. 极坐标的情形
•曲边扇形及曲边扇形的面积元素：
由曲线r()及射线 ， 围成的图形称为曲边扇形．
•曲边扇形的面积元素：
dA 1 [()] 2d ．
a2 (1 cos )2 a2 sin 2 d 2a sin d ．
2
所求弧长为
s
2 2a sin d
0
2
2a[2
cos
2
]02
8a ．
y
2a
O
a
2 a
x
3. 极坐标的情形
设曲线弧由极坐标方程
r = r() ( ) 给出，其中r()在[，]上具有连续导数． 由直角坐标与极坐标的关系可得
是什么？
(2)设曲线弧由极坐标方程r = r() ( )给出，其中r() 在[，]上具有连续导数， 问弧长元素ds和弧长 s 各是什么？
) Ds MO MP ,
ds MP dx2 dy2 ,
直角坐标系下 y f x,
P
O
dy
定积分在几何,物理学中的简单应用
定积分在几何,物理学中的简单应用
定积分在几何,物理学中的简单应用
积分是数学中一个非常重要的概念。
它在几何学和物理学中都有重要的应用。
首先，在几何学中，积分可以用来表示曲线下面积和表面积，通过计算曲线或曲面的积分，我们可以求出它们的面积。
比如说，我们可以使用椭圆的一类函数积分来计算两条椭圆之间的Group重叠面积。
同样，在物理学中，积分也有很多用处。
比如，有一些物理量，比如力，可以用积分的方法来计算它们在不同空间点所引起的效应。
比如说，如果我们想要计算一个球在特定空间点上产生的力，我们可以通过对球的各个点的力进行积分来得到这个力的大小。
综上所述，积分在几何学和物理学中都有广泛的应用，它可以帮助我们计算出面积，也可以帮助我们计算力的大小，它是一个非常重要的概念。
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定理: 任意光滑曲线弧都是可求长的.
17
弧长元素(弧微分): ds (dx) 2 + (d y ) 2 (1)曲线弧:
x j (t ) ( t ) y y (t )
2 2
ds d y
dx
y f ( x)
ds j (t ) + (t ) dt
b
A( x) (2x - x2 )2 ,
Vx (2 x - x 2 )2 dx
0 2
y
(4 x 2 - 4 x3 + x 4 )dx
0
2
y 2 x - x2
O
4 3 1 5 2 4 [ x - x + x ]0 3 5 16 . 15
15
x
2
x
平行截面面积为A(x)的立体体积： V A( x)dx . a 例6 设平面图形 D 由曲线 y=2x-x2 与 x 轴所围, 求 D 分别绕 x 轴和 y 轴旋转而成的旋转体的体积. 解 如图示:
11
三、体积
1.旋转体的体积
考虑由连续曲线yf(x)、直线xa、ab及x轴所围成的曲 边梯形绕x轴旋转一周而成的立体的体积. •旋转体的体积元素 考虑旋转体内点x处垂直于x轴的厚度为dx的切片, 用圆柱体的体积[f(x)]2dx作为切片体积的近似值, 于是体积元素为 dV[f(x)]2dx. •旋转体的体积
旋转椭球体的体积为
2 b V - a y dx - a 2 (a 2 - x 2 )dx a 2 4 b 1 2 3 a 2 [a x - x ]- a ab 2 . 3 3 a a 2 a
13
2.平行截面面积为已知的立体的体积
设立体在x轴上的投影区间为[a, b], 立体内垂直于x轴的 截面面积为A(x).
2
19
b
A( y) (1 + 1 - y )2 - (1 - 1 - y )2
x 1 1- y
4 1 - y ,
Vy 4 1 - y dy
0
3 8 - [(1 - y ) 2 ]1 0 3 8 . 3
16
y
y 1 - ( x - 1) 2
y 2 x - x2
V a [ f ( x)]2 dx .
b
12
b 旋转体的体积： V a [ f ( x)]2 dx .
2 2 y x 例5 计算由椭圆 2 + 2 1 所成的图形绕x轴旋转而成的 a b 旋转体(旋转椭球体)的体积. 解 旋转椭球体可以看作是由半个椭圆 y b a 2 - x 2 及 x a 轴围成的图形绕x轴旋转而成的立体.
b
4
A [ f 上 ( x) - f下 ( x)]dx
a
b
A [j右 ( x) - j左 ( x(y)与 xj右(y) 及上下两条直线 yd与 yc 所围成的平面图形的面积: 面积元素为 dA=[j右(y)-j左(y)]dy, 面积为 A c [j 右 ( y) -j 左 ( y)]dy .
2
A( x ) a f (t ) dt
x
相应于[x, x+dx]的部分面积 -- 面积元素: dA=f(x)dx 关于 x[a, b]累加得整体面积:
A f ( x)dx
a b
元素法: 1. 相应于[x, x+dx]的部分量(元素): dU=f(x)dx
2. 关于 x[a, b]累加得整体量:
第五章
第五节
定积分及其应用
定积分的几何应用举例
主要内容：
一、定积分的元素法； 二、平面图形的面积 ； 三、体积； 四、平面曲线的弧长 .
1
一、 定积分的元素法
设yf(x)0(x[a, b]). 在几何上, 积分上限函数 表示以[a, x]为底的曲边梯形的面积. 微分 dA(x)f(x)dx 表示点 x 处以 dx为宽的小曲边梯形面积的近似值 DAf(x)dx, f(x)dx称为曲边梯形的面 积元素. 以 [a, b] 为底的曲边梯形的面积 A 就是以面积元素 f(x)dx为被积表达式, 以[a, b]为积分区间的定积分.
立体的体积元素为 A(x)dx.
立体的体积为 V b A( x)dx . a
A(x)
14
平行截面面积为A(x)的立体体积： V A( x)dx . a 例6 设平面图形 D 由曲线 y=2x-x2 与 x 轴所围, 求 D 分别绕 x 轴和 y 轴旋转而成的旋转体的体积. 解 如图示:
A ( x - x 2 )dx
0
1
[ 2 3
3 x2
1. - 1 x 3 ]1 3 0 3
6
A [ f 上 ( x) - f下 ( x)]dx
a
b
A [j右 ( x) - j左 ( x)]dx
a
b
例2 计算抛物线y22x与直线yx-4所围成的图形的面积. 解 (1)画图; (2)确定在y轴上的投影区间: [-2, 4]. (3)确定左右曲线:
j 左 ( y) 1 y 2 , j 右 ( y) y + 4 . 2
(4)计算积分
y2 A ( y + 4 - )dy -2 2 [ 1 y 2 + 4 y - 1 y 3 ]4 - 2 18 . 2 6
4
7
三、体积
1.旋转体的体积
旋转体就是由一个平面图形绕这平面内一条直线旋转一 周而成的立体. 这直线叫做旋转轴.
弧长:
s
2 2 j (t ) + (t ) d t
o a
1 + f 2 ( x ) d x
xx+dx b x
(2)曲线弧: y f ( x) (a x b)
弧长:
s
b a
18
曲线xj(t)、y(t)(t)的弧长：s
j 2 (t ) + 2 (t ) dt .
d
5
A [ f 上 ( x) - f下 ( x)]dx
a
b
A [j右 ( x) - j左 ( x)]dx
a
b
例1 计算抛物线y2x与yx2所围成的图形的面积. 解 (1)画图; (2)确定在x轴上的投影区间:[0, 1];
(3) 确定上下曲线 : f 上 ( x) x , f 下 ( x) x 2 . (4)计算积分
U f ( x)dx
a
3
b
二、平面图形的面积
1.直角坐标情形
设平面图形由上下两条曲线 yf 上 (x) 与 yf 下 (x) 及左右两条直线 xa与xb所围成. 面积元素为 dA=[f上(x)- f下(x)]dx,
平面图形的面积为 A a [ f上 ( x) - f下 ( x)]dx .
1
y
O
2
x
四、平面曲线的弧长
定义: 若在弧AB 上任意作内接折线, 当折线段的最大
边长→0时, 折线的长度趋向于一个确定的极限, 则称
此极限为曲线弧 AB 的弧长, 即
n
y
M i -1
Mi
s lim M i -1M i 0
i 1
并称此曲线弧为可求长的.
o
A M 0
B Mn
x
例8 求摆线xa(q-sinq), ya(1-cosq)的一拱(0q2 )的 长度. 解 弧长元素为
q ds a 2 (1- cosq ) 2 + a 2 sin 2 q dq 2a sin d q . 2 于是所求弧长为
s 0 2a sin q dq 2 q 2 2a[-2 cos ]0 8a. 2