G
N
I
D
A
O
L

定积分的几何应用

1 原函数存在性和可积性

1.1 函数可积的充分条件(判定条件)

  • \(f(x)\)\([a,b]\)连续,则 \(f(x)\) 可积
  • \(f(x)\)\([a,b]\) 上只有有限个第一类间断点,则 \(f(x)\) 可积
  • \(f(x)\)\([a,b]\)有界,只有有限个间断点,则 \(f(x)\) 可积
  • \(f(x)\)\([a,b]\)单调有界,则 \(f(x)\) 可积

1.2 函数存在原函数的充分条件(判定条件)

  • \(f(x)\)\([a,b]\) 上连续,则 \(f(x)\)\([a,b]\) 上存在原函数 \(F(x)\)
  • \(f(x)\)\([a,b]\) 上有第一类间断点,则 \(f(x)\) 不存在原函数
  • \(f(x)\)\([a,b]\) 上有无穷间断点,则 \(f(x)\) 不存在原函数
\(f(x)\)\([a,b]\) 上的情况 原函数是否存在 是否可积
连续无间断 是,且为 \(F(x) = \int^x_a f(t)dt\)
可去间断点(有限个)
跳跃间断点(有限个)
无穷间断点 可能
振荡间断点 可能 可能

1.3 函数可积的必要条件(性质)

  • \(f(x)\)\([a,b]\) 上可积,则 \(f(x)\)\([a,b]\) 上有界
  • \(f(x)\)\([a,b]\) 上可积,\(f(x) \geq 0\),则 \(\int^b_a f(x)dx \geq 0\)
  • \(f(x)\)\([a,b]\) 上可积,\(f(x) > 0\),则 \(\int^b_a f(x)dx > 0\)
  • \(f(x)\)\([a,b]\) 上连续,\(f(x) \geq 0\) 且不恒等于 \(0\),则 \(\int^b_a f(x)dx > 0\)

1.4 变上限积分的性质

\(F(x) = \int^x_a f(t)dt, x \in [a,b]\),则有:

  • \(f(x)\)\([a,b]\) 上可积,则 \(F(x)\)\([a,b]\) 上连续
  • \(f(x)\)\([a,b]\) 上连续,则 \(F(x)\)\([a,b]\) 上可导
  • \(f(x)\)\([a,b]\)\(k\) 阶可导,则 \(F(x)\)\([a,b]\)\(k+1\) 阶可导
\(f(x)\)\([a,b]\) 上的情况 是否可积 面积 \(F(x)\) \(F(x)\) 是否为 \(f(x)\) 的原函数 \(F(x)\) 是否在 \(x=x_0\) 连续 \(F(x)\) 是否在 \(x=x_0\) 可导
连续无间断 \(F(x) = \int^x_a f(t)dt\)
存在可去间断点 \(x=x_0\) \(F(x) = \int^x_a f(t)dt\)
存在跳跃间断点 \(x=x_0\) \(F(x) = \begin{cases} \int^x_a f(t)dt, & x \leq x_0 \\ \int^{x_0}_a f(t)dt + \int^x_{x_0} f(t)dt, & x > x_0 \end{cases}\)

2 平面图形

2.1 平面图形的面积

2.1.1 直角坐标系下的平面图形的面积

\(f(x) \geq g(x), x \in [a,b]\) 时,所围面积为

\[S = \iint \limits_{D} dxdy = \int^b_a dx \int^{f(x)}_{g(x)} dy = \int^b_a [f(x)-g(x)] dx \]

2.1.2 参数方程形式下的平面图形的面积

设曲线方程 \(y=f(x), x \in [a,b]\) 由参数方程 \(\begin{cases} x=x(t) \\ y=y(t) \end{cases}, t \in [\alpha,\beta]\) 确定,则所围曲边梯形的面积为

\[S = \iint \limits_{D} dxdy = \int^b_a dx \int^{f(x)}_{0} dy = \int^b_a f(x) dx = \int^{\beta}_{\alpha} y(t) x'(t) dt \]

2.1.3 极坐标系下的平面图形的面积

\(r_2(\theta) \geq r_1(\theta), \theta \in [\alpha,\beta]\) 时,所围面积为

\[S = \iint \limits_{D} dxdy = \iint \limits_{D} rdrd\theta = \int^{\beta}_{\alpha} d\theta \int^{r_2(\theta)}_{r_1(\theta)} rdr = \frac{1}{2} \int^{\beta}_{\alpha} [r_2^2(\theta)-r_1^2(\theta)] d\theta \]


极坐标方程的角度定限问题

\(k\) 叶玫瑰线】极坐标下的形式为 \(r = a\sin k \theta\)\(r = a\cos k \theta\)。参数为 \(k\) 的玫瑰线,在 \([0,2\pi]\) 上会形成 \(2k\) 个花瓣,其中 \(k\) 个极径为正,\(k\) 个极径为负。当 \(k\) 为奇数时,\(k\) 个正极径花瓣和 \(k\) 个负极径花瓣两两重叠,实际只有 \(k\) 个花瓣,此时可认为极径永为正。

【例 1】求 \(r=\sin 3 \theta\) 所围面积。

【解】注意有 \(\theta \in [0, 2\pi] \Rightarrow 3\theta \in [0, 6\pi]\)

因为 \(r = \sin 3 \theta \geq 0\),所以有 \(3\theta \in [0, \pi] \cup [2\pi, 3\pi] \cup [4\pi, 5\pi]\),即 \(\theta \in [0, \frac{\pi}{3}] \cup [\frac{2\pi}{3},\pi] \cup [\frac{4\pi}{3}, \frac{5\pi}{3}]\)

注意 k 为奇数,因此只需考虑极径为正的情况即可,所以面积为

\[S = (\int^{\frac{\pi}{3}}_{0} + \int^{\pi}_{\frac{2\pi}{3}} + \int^{\frac{5\pi}{3}}_{\frac{4\pi}{3}}) d\theta \int^{\sin 3 \theta}_0 rdr = 3 \int^{\frac{\pi}{3}}_{0} d\theta \int^{\sin 3 \theta}_0 rdr \]

【例 2】求 \(r= \sin 2 \theta\) 所围面积。

【解】注意有 \(\theta \in [0, 2\pi] \Rightarrow 2\theta \in [0, 4\pi]\)

因为 \(r = \sin 2 \theta \geq 0\),所以有 \(2\theta \in [0, \pi] \cup [2\pi, 3\pi]\),即 \(\theta \in [0, \frac{\pi}{2}] \cup [\pi, \frac{3\pi}{2}]\)

注意 k 为偶数,而这里只考察了极径为正的情况,所以面积还需要乘以 2,如下

\[S = 2(\int^{\frac{\pi}{2}}_{0} + \int^{\pi}_{\frac{3\pi}{2}}) d\theta \int^{\sin 2 \theta}_0 rdr = 4 \int^{\frac{\pi}{2}}_{0} d\theta \int^{\sin 2 \theta}_0 rdr \]

【例 3】求 \(r=\cos 2 \theta\) 所围面积。

【解】注意有 \(\theta \in [0, 2\pi] \Rightarrow 2\theta \in [0, 4\pi]\)

\(r = \cos 2 \theta \geq 0\) 时,有 \(2\theta \in [0, \frac{\pi}{2}] \cup [\frac{3\pi}{2}, \frac{5\pi}{2}] \cup [\frac{7\pi}{2}, 2\pi]\),即 \(\theta \in [0, \frac{\pi}{4}] \cup [\frac{3\pi}{4}, \frac{5\pi}{4}] \cup [\frac{7\pi}{4}, 2\pi]\)

注意 k 为偶数,而这里只考察了极径为正的情况,所以面积还需要乘以 2,如下

\[S = 2(\int^{\frac{\pi}{4}}_{0} + \int^{\frac{5\pi}{4}}_{\frac{3\pi}{4}} + \int^{2\pi}_{\frac{7\pi}{4}}) d\theta \int^{\cos 2 \theta}_0 rdr = 8 \int^{\frac{\pi}{4}}_{0} d\theta \int^{\cos 2 \theta}_0 rdr \]


【双纽线】极坐标形式为 \(r^2 = a^2 \sin 2\theta\)\(r^2 = a^2 \cos 2\theta\)

【例 4】求 \(r^2= \sin 2 \theta\) 所围面积。

【解】注意有 \(\theta \in [0, 2\pi] \Rightarrow 2\theta \in [0, 4\pi]\)

因为 \(r^2 = \sin 2 \theta \geq 0\),所以有 \(2\theta \in [0, \pi] \cup [2\pi, 3\pi]\),即 \(\theta \in [0, \frac{\pi}{2}] \cup [\pi, \frac{3\pi}{2}]\)

极径必为正,所以面积为

\[S = (\int^{\frac{\pi}{2}}_{0} + \int^{\frac{3\pi}{2}}_{\pi}) d\theta \int^{\sqrt{\sin 2 \theta}}_0 rdr = 2 \int^{\frac{\pi}{2}}_{0} d\theta \int^{\sqrt{\sin 2 \theta}}_0 rdr \]

【例 5】求 \(r^2= \cos 2 \theta\) 所围面积。

【解】注意有 \(\theta \in [0, 2\pi] \Rightarrow 2\theta \in [0, 4\pi]\)

因为 \(r^2 = \cos 2 \theta \geq 0\),所以有 \(2\theta \in [0, \frac{\pi}{2}] \cup [\frac{3\pi}{2}, \frac{5\pi}{2}] \cup [\frac{7\pi}{2}, 2\pi]\),即 \(\theta \in [0, \frac{\pi}{4}] \cup [\frac{3\pi}{4}, \frac{5\pi}{4}] \cup [\frac{7\pi}{4}, 2\pi]\)

极径必为正,所以面积为

\[S = (\int^{\frac{\pi}{4}}_{0} + \int^{\frac{5\pi}{4}}_{\frac{3\pi}{4}} + \int^{2\pi}_{\frac{7\pi}{4}}) d\theta \int^{\sqrt{\cos 2 \theta}}_0 rdr = 4 \int^{\frac{\pi}{4}}_{0} d\theta \int^{\sqrt{\cos 2 \theta}}_0 rdr \]

2.2 平面图形的形心和质心

2.2.1 平面图形的形心

\(D\)\(f(x) \geq g(x), x \in [a,b]\) 所围,则形心 \((\bar x, \bar y)\)

\[\begin{aligned} & \bar x=\frac{\iint \limits_{D} x dxdy}{\iint \limits_{D} dxdy} = \frac{\int^b_a x[f(x)-g(x)] dx}{\int^b_a [f(x)-g(x)] dx} \\ & \bar y=\frac{\iint \limits_{D} y dxdy}{\iint \limits_{D} dxdy} = \frac{ \frac{1}{2} \int^b_a [f^2(x)-g^2(x)] dx}{\int^b_a [f(x)-g(x)] dx} \end{aligned} \]

2.2.2 平面图形的质心

\(D\)\(f(x) \geq g(x), x \in [a,b]\) 所围,面密度为 \(\rho(x,y)\),则质心 \((\bar x, \bar y)\)

\[\begin{aligned} & \bar x=\frac{\iint \limits_{D} x\rho(x,y) dxdy}{\iint \limits_{D} \rho(x,y) dxdy} \\ & \bar y=\frac{\iint \limits_{D} y\rho(x,y) dxdy}{\iint \limits_{D} \rho(x,y) dxdy} \end{aligned} \]

3 平面曲线

3.1 平面曲线的曲率

3.1.1 直角坐标系下的平面曲线的曲率

设曲线方程为 \(y=y(x)\)\(y(x)\) 二阶可导,则曲线的曲率和曲率半径分别为

\[K = \frac{|y''|}{\sqrt{(1+y'^2)^3}}, R=\frac{1}{K} \]

3.1.2 直角坐标系下的平面曲线的曲率

设曲线方程 \(y=f(x), x \in [a,b]\) 由参数方程 \(\begin{cases} x=x(t) \\ y=y(t) \end{cases}, t \in [\alpha,\beta]\) 确定,则曲线的曲率和曲率半径分别为

\[K = \frac{|x'(t)y''(t)-x''(t)y'(t)|}{\sqrt{[x'^2(t)+y'^2(t)]^3}}, R=\frac{1}{K} \]

3.2 平面曲线的弧长

3.2.1 直角坐标系下的平面图形的弧长

设曲线方程为 \(y=y(x), x \in [a,b]\),则弧微分和弧长分别为

\[\begin{aligned} & ds = \sqrt{1+f'^2(x)} dx \\ & s = \int^b_a ds = \int^b_a \sqrt{1+f'^2(x)} dx \\ \end{aligned} \]

3.2.2 参数方程形式下的平面图形的弧长

设曲线方程 \(y=f(x), x \in [a,b]\) 由参数方程 \(\begin{cases} x=x(t) \\ y=y(t) \end{cases}, t \in [\alpha,\beta]\) 确定,则弧微分和弧长分别为

\[\begin{aligned} & ds = \sqrt{1 + \left( \frac{y'(t)}{x'(t)} \right)^2 } d[x(t)] = \sqrt{x'^2(t)+y'^2(t)} dt \\ & s = \int^{\beta}_{\alpha} ds = \int^{\beta}_{\alpha} \sqrt{x'^2(t)+y'^2(t)} dt \\ \end{aligned} \]

3.2.3 极坐标系下的平面图形的弧长

设平面曲线由极坐标方程 \(r=r(\theta), \theta \in [\alpha,\beta]\) 确定,则可先转化为参数方程形式

\[\begin{cases} x(\theta) = r(\theta) \cos \theta \\ y(\theta) = r(\theta) \sin \theta \end{cases} \]

此时参数方程形式下的弧微分和弧长为

\[\begin{aligned} & ds = \sqrt{1 + \left( \frac{y'(\theta)}{x'(\theta)} \right)^2 } d[x(\theta)] = \sqrt{x'^2(\theta)+y'^2(\theta)} d\theta = \sqrt{r'^2(\theta)+r^2(\theta)} d\theta \\ & s = \int^{\beta}_{\alpha} ds = \int^{\beta}_{\alpha} \sqrt{r'^2(\theta)+r^2(\theta)} d\theta \\ \end{aligned} \]

3.3 平面曲线的形心和质心

3.3.1 平面曲线的形心

(1)x 轴区间 \([a,b]\) 上的形心为

\[\bar x=\frac{\int^b_a x dx}{\int^b_a dx} = \frac{a+b}{2} \]

(2)设曲线由参数方程 \(\begin{cases} x=x(t) \\ y=y(t) \end{cases}, t \in [\alpha,\beta]\) 确定,则平面曲线的形心 \((\bar x, \bar y)\)

\[\bar x = \frac{\int^{\beta}_{\alpha} x(t) ds}{\int^{\beta}_{\alpha} ds} = \frac{\int^{\beta}_{\alpha} x(t) \sqrt{x'^2(t) + y'^2(t)} dt}{\int^{\beta}_{\alpha} \sqrt{x'^2(t) + y'^2(t)} dt} \\ \bar y = \frac{\int^{\beta}_{\alpha} y(t) ds}{\int^{\beta}_{\alpha} ds} = \frac{\int^{\beta}_{\alpha} y(t) \sqrt{x'^2(t) + y'^2(t)} dt}{\int^{\beta}_{\alpha} \sqrt{x'^2(t) + y'^2(t)} dt} \]

3.3.2 平面曲线的质心

设线密度为 \(\rho(x)\),则 x 轴区间 \([a,b]\) 上的形心为

\[\bar x=\frac{\int^b_a x \rho(x) dx}{\int^b_a \rho(x) dx} \]

4 旋转体

4.1 旋转体的体积

4.1.1 万能公式

设曲线方程为 \(y=f(x), x \in [a,b]\),旋转轴方程为 \(Ax+By+C=0\),则曲线绕旋转轴所成体积为

\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} r(x,y) dxdy = 2 \pi \iint \limits_{D} \frac{|Ax+Bf(x)+C|}{\sqrt{A^2+B^2}} dxdy \]

4.1.2 曲线绕平行于 x 轴的直线所得旋转体的体积(切片法)

设曲线方程为 \(y=f(x), x \in [a,b]\)\(y=g(x), x \in [a,b]\),且 \(f(x) \geq g(x)\)

(1)设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), x=a, x=b\),x 轴(\(y=0\))所围,则 \(D\) 绕 x 轴(\(y=0\))所得旋转体的体积为

\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |y| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_0 |y| dy = \pi \int^b_a |f(x)|^2 dx \]

(2)设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), x=a, x=b\)\(y=k\) 所围,则 \(D\)\(y=k\) 所得旋转体的体积为

\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |y| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_0 |y-k| dy = \pi \int^b_a |f(x)-k|^2 dx \]

(3)设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), y=g(x), x=a, x=b\),x 轴(\(y=0\))所围,则 \(D\) 绕 x 轴(\(y=0\))所得旋转体的体积为

\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |y| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_{g(x)} |y| dy = \pi \int^b_a [f^2(x)-g^2(x)] dx \]

(4)设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), y=g(x), x=a, x=b\) 所围,则 \(D\)\(y=k(k \geq f(x) 或 k \leq g(x))\) 所得旋转体的体积为

\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |y| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_{g(x)} |y-k| dy = \pi \int^b_a \bigg( [f(x)-k]^2 - [g(x)-k]^2 \bigg) dx \]

4.1.3 曲线绕平行于 y 轴的直线所得旋转体的体积(柱壳法)

设曲线方程为 \(y=f(x), x \in [a,b]\)\(y=g(x), x \in [a,b]\),且 \(f(x) \geq g(x)\)

(1)设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), x=a, x=b\),x 轴(\(y=0\))所围,则 \(D\) 绕 y 轴(\(x=0\))所得旋转体的体积为

\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |x| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_0 |x| dy = 2\pi \int^b_a |xf(x)| dx \]

(2)设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), x=a, x=b\),x 轴(\(y=0\))所围,则 \(D\)\(x=k\) 所得旋转体的体积为

\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |y| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_0 |x-k| dy = 2\pi \int^b_a |x-k| \cdot |f(x)| dx \]

(3)设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), y=g(x), x=a, x=b\) 所围,则 \(D\) 绕 y 轴(\(x=0\))所得旋转体的体积为

\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |x| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_{g(x)} |x| dy = 2\pi \int^b_a |x| \cdot [f(x)-g(x)] dx \]

(4)设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), y=g(x), x=a, x=b\) 所围,则 \(D\)\(x=k(k \geq b 或 k \leq a)\) 所得旋转体的体积为

\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |y| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_{g(x)} |x-k| dy = 2\pi \int^b_a |x-k| \cdot [f(x)-g(x)] dx \]

4.1.4 典型例题(必看)

【例 1】区域 \(D\) 由曲线方程 \(y=\sin x, y=0, y=\frac{\pi}{2}\) 所围,求 \(D\) 绕 x 轴和 y 轴旋转所得旋转体的体积 \(V_x\)\(V_y\)

【解】(1)\(D\) 绕 x 轴所得旋转体的体积为

\[V_x = 2 \pi \iint \limits_{D} y dxdy = 2\pi \int^{\frac{\pi}{2}}_0 dx \int^{\sin x}_0 y dy = \pi \int^{\frac{\pi}{2}}_0 \sin^2 x dx = \frac{\pi^2}{4} \]

(2)\(D\) 绕 y 轴所得旋转体的体积为

\[V_y = 2 \pi \iint \limits_{D} x dxdy = 2\pi \int^{\frac{\pi}{2}}_0 dx \int^{\sin x}_0 x dy = 2\pi \int^{\frac{\pi}{2}}_0 x\sin x dx = 2\pi \]

以上方法是基于纵向分割的微元,即先 \(dy\),后 \(dx\),采用柱壳法。也可基于横向分割的微元,采用切片法,先 \(dx\),后 \(dy\),如下

\[\begin{aligned} V_y &= 2\pi \int^1_0 dy \int^{\frac{\pi}{2}}_{\arcsin y} x dx \\ &= \frac{\pi^3}{4} - \pi (\frac{\pi^2}{4} - 2) = 2\pi \\ \end{aligned} \]

【例 2】设摆线 \(\begin{cases} x=a(t-\sin t) \\ y=a(1-\cos t) \end{cases}(t \in [0, 2\pi], a>0)\) 与 x 轴所围平面图形为 \(D\)

(1)求 \(D\) 绕 x 轴和 y 轴所得旋转体的体积;

(2)求 \(D\) 绕直线 \(y=2a\) 所得旋转体的体积。

【解】(1)\(D\) 绕 x 轴所得旋转体的体积为

\[\begin{aligned} V_x &= 2 \pi \iint \limits_{D} y dxdy = 2\pi \int^{2\pi a}_0 dx \int^{f(x)}_0 y dy = \pi \int^{2\pi a}_0 f^2(x) dx \\ &= \pi \int^{2\pi}_0 y^2(t) d[x(t)] = \pi \int^{2\pi}_0 y^2(t) x'(t) dt = 5\pi^2 a^3 \end{aligned} \]

\(D\) 绕 y 轴所得旋转体的体积为

\[\begin{aligned} V_y &= 2 \pi \iint \limits_{D} x dxdy = 2\pi \int^{2\pi a}_0 dx \int^{f(x)}_0 x dy = \pi \int^{2\pi a}_0 xf(x) dx \\ &= \pi \int^{2\pi}_0 x(t) y(t) d[x(t)] = \pi \int^{2\pi}_0 x(t) y(t) x'(t) dt = 6\pi^3 a^3 \end{aligned} \]

(2)\(D\) 绕直线 \(y=2a\) 所得旋转体的体积为

\[\begin{aligned} V_{y=2a} &= 2\pi \int^{2\pi a}_0 dx \int^{f(x)}_{0} (2a-y) dy \\ & = - \pi \int^{2\pi a}_0 \bigg( [2a-f(x)]^2 - (2a)^2 \bigg) dx \\ &= 8\pi^2 a^3 - \pi \int^{2\pi}_0 [2a-x(t)]^2 d[x(t)] \\ &= 8\pi^2 a^3 - \pi \int^{2\pi}_0 [2a-x(t)]^2 x'(t) dt = 7\pi^2 a^3 \end{aligned} \]

【例 3】设心形线 \(r=4(1+\cos \theta)\)\(\theta = 0, \theta = \frac{\pi}{2}\) 所围图形为 \(D\),求 \(D\) 绕极轴旋转一周所得旋转体的体积。

【解】先将极坐标方程写成参数方程

\[\begin{cases} x(\theta) = 4(1+\cos \theta) \cos \theta \\ y(\theta) = 4(1+\cos \theta) \sin \theta \end{cases} \]

因此 \(D\) 绕 x 轴所得旋转体的体积为

\[\begin{aligned} V_x &= 2 \pi \iint \limits_{D} y dxdy = 2\pi \int^8_0 dx \int^{f(x)}_0 y dy = \pi \int^8_0 f^2(x) dx \\ &= \pi \int^0_{\frac{\pi}{2}} y^2(\theta) d[x(\theta)] = \pi \int^0_{\frac{\pi}{2}} y^2(\theta) x'(\theta) d\theta = 160\pi \end{aligned} \]

4.2 旋转体的侧面积

4.2.1 直角坐标系下的计算公式

(1)设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), x=a, x=b\),x 轴所围,则 \(D\) 绕 x 轴所得旋转体的侧面积为

\[S = 2\pi \int^b_a |f(x)| ds = 2\pi \int^b_a |f(x)| \sqrt{1+f'^2(x)} dx \]

(2)设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), x=a, x=b\),x 轴所围,则 \(D\)\(L: Ax+By+C=0\) 所得旋转体的侧面积为

\[S = 2\pi \int^b_a r(x,y) ds = 2\pi \int^b_a \frac{|Ax+Bf(x)+C|}{\sqrt{A^2+B^2}} \sqrt{1+f'^2(x)} dx \]

4.2.2 参数方程形式下的计算公式

设曲线方程 \(y=f(x), x \in [a,b]\) 由参数方程 \(\begin{cases} x=x(t) \\ y=y(t) \end{cases}, t \in [\alpha, \beta]\) 确定,\(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), x=a, x=b\),x 轴所围,则 \(D\) 绕 x 轴所得旋转体的侧面积为

\[S = 2\pi \int^b_a |f(x)| ds = 2\pi \int^{\beta}_{\alpha} |y(t)| \sqrt{x'^2(t)+y'^2(t)} dt \]

4.2.3 极坐标系下的计算公式

设平面曲线由极坐标方程 \(r=r(\theta), \theta \in [\alpha,\beta]\) 确定,则可先转化为参数方程形式

\[\begin{cases} x(\theta) = r(\theta) \cos \theta \\ y(\theta) = r(\theta) \sin \theta \end{cases} \]

\(D\) 绕 x 轴所得旋转体的侧面积为

\[S = 2\pi \int^b_a |f(x)| ds = 2\pi \int^{\beta}_{\alpha} |r(\theta) \sin \theta| \sqrt{r^2(\theta)+r'^2(\theta)} d\theta \]

posted @ 2023-11-05 23:01  漫舞八月(Mount256)  阅读(134)  评论(0编辑  收藏  举报