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高中二~高中三年级 (16-18岁)

高中数学 定积分的应用

定积分不只是用来求曲线下方面积的工具。 用“细分再求和”这同一个想法,就能求两条曲线之间的面积、旋转体的体积,以及由速度图像求出的路程。 这些问题看起来不同,但都是先确定一个小薄片的量,再用定积分把它们累加起来。 在第一幅图中移动 a 和 b 观察两曲线间的面积,在第二幅图中改变 b 观察旋转体的体积,在第三幅图中观察到时刻 t 为止走过的路程。

两条曲线之间的面积

📐 求两曲线间面积的要领
①f(x) 与 g(x) 之间的面积是 |f(x) − g(x)| 的积分
②用上方的函数减去下方的函数
③先求交点,确定积分区间
④在图中把 b 移过1.56,两图像的上下位置会互换,这时面积仍按差的绝对值累加
-1.5
1.5
两曲线间面积
S = ∫ab |f(x) − g(x)| dx
用上方函数减去下方函数再积分;上下互换时要用绝对值

求面积的步骤

曲线与 x 轴之间的面积
S = ∫ab |f(x)| dx
曲线有部分在 x 轴下方时,要分区间计算
曲线与 y 轴之间的面积(x = g(y))
S = ∫cd |g(y)| dy
交换 x 与 y 的角色、对 y 积分更方便时使用
💡 求面积的顺序
①求交点:f(x) = g(x) 或 f(x) = 0
②判断哪个函数在上方
③在上下关系改变的点处分区间
④各区间分别积分再相加

旋转体的体积

2
绕 x 轴旋转的旋转体体积
V = π ∫ab [f(x)]² dx
截面是半径为 f(x) 的圆,截面面积是 π[f(x)]²
绕 y 轴旋转的旋转体体积
V = π ∫cd [g(y)]² dy
绕 y 轴旋转时,写成 x = g(y),对 y 积分
🔑 求旋转体体积的要领
①先确认绕哪条轴旋转
②绕 x 轴:半径是 |f(x)|,对 x 积分
③绕 y 轴:半径是 |g(y)|,对 y 积分
④旋转体的体积以后会详细学习,这里只是初步认识

速度与路程

2 s
路程
距离 = ∫ab |v(t)| dt
对速度的绝对值积分,得到实际走过的路程
💡 位置的变化与路程
①位置的变化量是直接对 v(t) 积分,反方向走的部分会被减去
②路程是对 |v(t)| 积分,所以总不小于0
③在 v(t) ≥ 0 的区间上两者相等

总结

两曲线之间的面积
∫|f − g| dx
在交点处分区间
旋转体的体积
π∫[f(x)]² dx
对圆盘截面的面积积分
🎯 考试要点
①面积问题:交点 → 上下关系 → 分区间积分 → 相加
②绝对值按 x 轴上方与下方分区间处理
③旋转体:先确定绕哪条轴、半径是什么
④路程是 |v(t)| 的积分,位置的变化量是 v(t) 的积分
⑤改写成 x = g(y) 对 y 积分,常常更简单

例题与真题

例题 1
求由曲线 y = x² 与直线 y = x 所围部分的面积。
1
由 x² = x 得交点 x = 0、1,在两者之间直线 y = x 在曲线 y = x² 的上方。
S = ∫01 (x - x2) dx
2
把上方函数减去下方函数得到的 x − x² 从0积分到1。
[x22 - x33]01 = 12 - 13 = 16
▸ 1/6
把顺序反过来积分 x² − x 会得到 −1/6。求面积时总是用上方减去下方。
例题 2
求曲线 y = √x (0 ≤ x ≤ 4)绕 x 轴旋转所得旋转体的体积。
1
绕 x 轴旋转后,在 x 处的截面是半径为 √x 的圆,面积是 π(√x)² = πx。
V = π ∫04 (√x)2 dx = π ∫04 x dx
2
把截面面积 πx 从0积分到4。
π [x22]04 = π × 8 = 8π
▸ 8π
第二幅图中 b 取不到4,但把 b = 4 代入图中的式子 πb²/2,同样得到 8π。
2023 韩国高考数学类题改编
由 y = x²、x 轴和直线 x = 2 所围部分的面积是?
①8/3
②4
③2
④8
⑤4/3
▸ ① 8/3
1
在 0 ≤ x ≤ 2 上 y = x² 在 x 轴上方,所以面积就是 x² 从0到2的积分。
S = ∫02 x2 dx
2
把2和0代入 x³/3 再相减。
[x33]02 = 83

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