定积分在几何学上的应用

简介: 定积分在几何学上的应用

正文


一、面积


1、直角坐标系情形


直角坐标系中的平面图形常常可以分为无数个微型矩形来求

例如:17.png

将这无数个微型矩形的面积求出来再相加即可求得平面图形的面积。

由图和矩形面积计算公式A=l×b,得:每一个微型矩形的计算公式:

A=f(x)dx


由曲线y=f(x)f(x)0及直线x=ax=ba<bx=a,x轴所围成的曲边梯形的面积A是定积分A

18.png

其中被积表达式 f(x)dx就是直角坐标下的面积元素,它表示高为 f(x)、底为 dx的一个微矩形面积。

也可以选取纵坐标yy作为积分变量,即:

x=g(y)g(y)0及直线y=cy=dc<dy轴所围成的曲边梯形的面积AA是定积分C

19.png

其中被积表达式g(y)dy就是直角坐标下的面积元素,它表示高为g(y)、底为dy的一个微矩形面积。


2、极坐标系情形


极坐标系中的平面图像,常常可以看做一个扇形,将这个扇形分为无数个微型扇形,求出每一个微型扇形的面积再相加,即可求出大扇形的面积。



20.png是定积分A



是极角;

ρ是极径;

ρ(θ)是指在极角为θ时极径长为ρρ(θ)常常是一个极坐标方程.

根据扇形的面积计算公式


A=1/2R2θ

,我们可以得到每一个微型扇形的面积公式为

A=1/2[ρ(θ)]^2 dθ


1/2[ρ(θ)]^2 为被积表达式,在闭区间[α,β]上作定积分,便得所求曲边扇形的面积为:

1/2[ρ(θ)]^2dθβ A=α^


二、体积


1、旋转体的体积


将一个旋转体分为无数个“薄片”,每一个薄片都是一个微型圆柱,计算每一个微型圆柱的体积再相加,即可得到整个旋转体的体积。

21.png

根据圆柱体的体积公式V=h×S=h×πr^2得微型圆柱的体积公式

22.png


23.png为被积表达式,在闭区间[a,b]上作定积分,便得所求的旋转体体积为:

24.png


2、平行截面面积为已知的立体的体积


在计算旋转体体积过程中,我们知道,要计算整个旋转体的体积,则可以将它切分成无数个微型圆柱,将每一个微型圆柱的体积相加即可。同理,要计算一个在区间[a,b]内的任意立体的体积,如果知道它的平行截面面积A(x),则可直接计算它在区间[a,b]上的定积分:


25.png


三、平面曲线的弧长


设有一弧线y=f(x),将这段弧分为无数个短弧,这时,每段短弧的长度可以看做是一段直线

33.png



设在[x,x+dx]是其中一个微型直线的两个端点,dx是对应的x的增量,s

dx对应的弧的增量,于是可得:

34.png

于是

35.png


得:


36.png



由于弧长不为负数,且在这之中,有

37.png


则可得:


38.png


这就是弧微分公式,即是我们要求的微型弧长的长度公式。
有了这个公式,那么我们要求y=f(x)在区间[a,b]内的长度,即可得弧长公式


49.png



拓展:

1、若将弧y=f(x)化为参数方程形式,即得参数方程:

26.png

ϕ(t),ψ(t)都在[α,β]上具有连续导数,且ϕ(t),ψ(t)不同时为0时,有弧长的参数方程公式

27.png

2、若将弧y=f(x)化为极坐标方程形式,即得极坐标方程:

28.png

其中ρ(θ)[α,β]上具体连续导数,则由直角坐标与极坐标的关系可得极坐标的参数方程


29.png


由弧长的参数方程公式可得弧长的极坐标方程公式

30.png




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