刷题-定积分应用

1

求曲线 x2+y2−ax=ax2+y2 的全长,其中 a>0 且是常数。


我们很难将其转化为 y=f(x) 的形式,故而尝试进行极坐标换元:

{x=rcos⁡θy=rsin⁡θ

从而曲线可以表示为心形线:r=a(1+cos⁡θ),(θ∈(0,2π)),故而根据弧长公式有:

L=∫02πr2(θ)+r′2(θ)dθ=2a∫02π1+cos⁡θdθ=2a∫02π2cos2⁡θ2dθ=2a∫02π|cos⁡θ2|dθ=4a∫0π|cos⁡t|dt=8a

2

求心形线 r=1+cos⁡θ,与 θ=0,θ=π2 所围图形绕直线 L 旋转一周得到的旋转体体积。


1

我们使用微元法解决这个问题,根据微元法我们有:

V=2π∬Dr(x,y)dσ

若 L 是极轴(极轴就是 x 轴),那么该图形上任意一点到该直线的距离为:r(x,y)=y。那么有:

V=2π∬Dydσ=2π∫0π2dθ∫01+cos⁡θrsin⁡θ⋅rdr=2π∫0π2sin⁡θ⋅13(1+cos⁡θ)3dθ

之后的答案就很好求了。

2

我们将该直线的形式进行变形可得:rcos⁡θ=3⟹x=3。故而,r(x,y)=|x−3|。从而有:

V=2π∬D|x−3|dσ=2π∬D(3−x)dσ=2π∫0π2dθ∫01+cos⁡θ(3−rcos⁡θ)rdt

接下来,我们利用点火公式就好求了。

3

求摆线 {x=a(t−sin⁡t)y=a(1−cos⁡t) 一拱 0≤t≤2π 与 x 轴所围图形绕 L 旋转一周得到的旋转体体积:


image.png|200

1

同样,我们使用微分法,r(x,y)=2a−y,故而有:

V=2π∬D(2a−y)dσ

由于摆线在 x∈[0,π],[π,2π] 中的面积相同,故而我们只用算前半段就行了。但是我们很难讲参数方程直接转化为 y=f(x) 的形式,那么就直接不用转化:

V=2π∫0πadx∫0f(x)(2a−y)dy=2π∫0πa[2af(x)−12f2(x)]dx=2π[2a∫0πaf(x)dx−12∫0πaf2(x)dx]

这样,我们再进行参数方程的换元就好求了。

f(x)=a(1−cos⁡t),dx=a(1−cos⁡t)

从而有:

2π∫0πa[2af(x)−12f2(x)]dx=2π∫0π[2a2(1−cos⁡t)−12a2(1−cos⁡t)2]⋅a(1−cos⁡t)dt

接下来求出答案就好了。

2

同理,体积为:

V=2π∬D(2πa−x)dσ

求解过程略。

4

设平面图形 A 由 x2+y2≤2x 与 y≥x 所确定,求图形 A 绕直线 x=2 旋转一周所得旋转体的体积。


image.png|200
如上图,我们还是使用微分法求体积:

V=2π∬D(2−x)dσ=2π∫01dx∫x2x−x2(2−x)dy=2π∫01(2−x)(2x−x2−x)dx=2π∫01(2−x)2x−x2dx+∫01(x2−2x)dx

后面的积分很好求,故而我们只需要专注于第一个积分即可:

I=∫01(2−x)2x−x2dx=x−1=sin⁡θ2π∫−π20(1−sin⁡θ)cos⁡θ⋅cos⁡θdθ=θ=−t2π∫0π2(1+sin⁡t−sin2⁡t−sin3⁡t)dt

接下来利用点火公式就可以解决了。

5

计算曲线 y=x2,与直线 y=mx(m>0) 在第一象限内所围成的图形绕直线 L 旋转所得旋转体表面积:


1

利用微元法,旋转曲面面积为:

S=∫Γ2πhds

其中 h 为任意一点到直线 h 的距离。本题中对于任意一点 (x,y),h=y。故而有:

S=2π∫Γyds

我们还需要注意的一点是,旋转出来的表面积分为两段,一段是由曲线 y=x2 旋转出来的,一段是由 y=mx 旋转出来的,故而有两个面积需要我们求。我们设 S1 为 y=mx 旋转出来的,S2 为 y=x2 旋转出来的。

S1=2π∫Lyds=2π∫0mmx1+m2dx

对于 S2,有:

S2=2π∫0mx21+4x2dx

S1 很好求,S2 只需要做三角变换就可以很好求了。

2

若 L 是 y 轴,那么 h=x,则有:

S1=2π∫0mx⋅1+m2dxS2=2π∫0mx1+4x2dx

上述两个方程都是很好求的。这里就不计算了。

3

这里的 h 不再是简单形式,我们需要用到点到直线的距离公式,从而有:

S1=2π∫0m|mx−y|1+m2⋅1+m2dx=0S2=2π∫0m|mx−x2|1+m2⋅1+4x2dx=2π∫0mmx−x21+m2⋅1+4x2dx=2π1+m2∫0m(mx−x2)⋅1+4x2dx

接下来,我们只需要求出积分 ∫0mx1+4x2dx 和积分 ∫0mx21+4x2dx,这两个积分在前两问都求过了,故而这里不再计算。