高等数学课件-D62几何应用.ppt

3 30 2020 同济高等数学课件 四 旋转体的侧面积 补充 三 已知平行截面面积函数的立体体积 第二节 一 平面图形的面积 二 平面曲线的弧长 定积分在几何学上的应用 第六章 3 30 2020 同济高等数学课件 一 平面图形的面积 1 直角坐标情形 设曲线 与直线 及x轴所围曲 则 边梯形面积为A 右下图所示图形面积为 3 30 2020 同济高等数学课件 例1 计算两条抛物线 在第一象限所围 图形的面积 解 由 得交点 3 30 2020 同济高等数学课件 例2 计算抛物线 与直线 的面积 解 由 得交点 所围图形 为简便计算 选取y作积分变量 则有 3 30 2020 同济高等数学课件 例3 求椭圆 解 利用对称性 所围图形的面积 有 利用椭圆的参数方程 应用定积分换元法得 当a b时得圆面积公式 3 30 2020 同济高等数学课件 一般地 当曲边梯形的曲边由参数方程 给出时 按顺时针方向规定起点和终点的参数值 则曲边梯形面积 3 30 2020 同济高等数学课件 例4 求由摆线 的一拱与x轴所围平面图形的面积 解 3 30 2020 同济高等数学课件 2 极坐标情形 求由曲线 及 围成的曲边扇形的面积 在区间 上任取小区间 则对应该小区间上曲边扇形面积的近似值为 所求曲边扇形的面积为 3 30 2020 同济高等数学课件 对应 从0变 例5 计算阿基米德螺线 解 到2 所围图形面积 3 30 2020 同济高等数学课件 心形线 例6 计算心形线 所围图形的 面积 解 利用对称性 心形线 心形线 外摆线的一种 即 点击图中任意点动画开始或暂停 尖点 面积 弧长 参数的几何意义 3 30 2020 同济高等数学课件 例7 计算心形线 与圆 所围图形的面积 解 利用对称性 所求面积 3 30 2020 同济高等数学课件 例8 求双纽线 所围图形面积 解 利用对称性 则所求面积为 思考 用定积分表示该双纽线与圆 所围公共部分的面积 答案 3 30 2020 同济高等数学课件 二 平面曲线的弧长 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 即 并称此曲线弧为可求长的 定理 任意光滑曲线弧都是可求长的 证明略 则称 3 30 2020 同济高等数学课件 1 曲线弧由直角坐标方程给出 弧长元素 弧微分 因此所求弧长 3 30 2020 同济高等数学课件 2 曲线弧由参数方程给出 弧长元素 弧微分 因此所求弧长 3 30 2020 同济高等数学课件 3 曲线弧由极坐标方程给出 因此所求弧长 则得 弧长元素 弧微分 自己验证 3 30 2020 同济高等数学课件 例9 两根电线杆之间的电线 由于其本身的重量 成悬链线 求这一段弧长 解 下垂 悬链线方程为 3 30 2020 同济高等数学课件 例10 求连续曲线段 解 的弧长 3 30 2020 同济高等数学课件 例11 计算摆线 一拱 的弧长 解 3 30 2020 同济高等数学课件 例12 求阿基米德螺线 相应于0 2 一段的弧长 解 3 30 2020 同济高等数学课件 三 已知平行截面面积函数的立体体积 设所给立体垂直于x轴的截面面积为A x 则对应于小区间 的体积元素为 因此所求立体体积为 上连续 3 30 2020 同济高等数学课件 特别 当考虑连续曲线段 轴旋转一周围成的立体体积时 有 当考虑连续曲线段 绕y轴旋转一周围成的立体体积时 有 3 30 2020 同济高等数学课件 例13 计算由椭圆 所围图形绕x轴旋转而 转而成的椭球体的体积 解 方法1利用直角坐标方程 则 利用对称性 3 30 2020 同济高等数学课件 方法2利用椭圆参数方程 则 特别当b a时 就得半径为a的球体的体积 3 30 2020 同济高等数学课件 例14 计算摆线 的一拱与y 0 所围成的图形分别绕x轴 y轴旋转而成的立体体积 解 绕x轴旋转而成的体积为 利用对称性 3 30 2020 同济高等数学课件 绕y轴旋转而成的体积为 注意上下限 注 注 注 分部积分 利用 偶倍奇零 3 30 2020 同济高等数学课件 柱壳体积 说明 柱面面积 3 30 2020 同济高等数学课件 偶函数 奇函数 3 30 2020 同济高等数学课件 例15 设 在x 0时为连续的非负函数 且 形绕直线x t旋转一周所成旋转体体积 证明 证 利用柱壳法 则 故 3 30 2020 同济高等数学课件 例16 一平面经过半径为R的圆柱体的底圆中心 并 与底面交成 角 解 如图所示取坐标系 则圆的方程为 垂直于x轴的截面是直角三角形 其面积为 利用对称性 计算该平面截圆柱体所得立体的体积 3 30 2020 同济高等数学课件 思考 可否选择y作积分变量 此时截面面积函数是什么 如何用定积分表示体积 提示 3 30 2020 同济高等数学课件 解 垂直x轴的截面是椭圆 例17 计算由曲面 所围立体 椭球体 它的面积为 因此椭球体体积为 特别当a b c时就是球体体积 的体积 3 30 2020 同济高等数学课件 例18 求曲线 与x轴围成的封闭图形 绕直线y 3旋转得的旋转体体积 1994考研 解 利用对称性 故旋转体体积为 在第一象限 3 30 2020 同济高等数学课件 四 旋转体的侧面积 补充 设平面光滑曲线 求 积分后得旋转体的侧面积 它绕x轴旋转一周所得到的旋转曲面的侧面积 取侧面积元素 3 30 2020 同济高等数学课件 侧面积元素 若光滑曲线由参数方程 给出 则它绕x轴旋转一周所得旋转体的 注意 侧面积为 的线性主部 不是薄片侧面积 S 3 30 2020 同济高等数学课件 例19 计算圆 x轴旋转一周所得的球台的侧面积S 解 对曲线弧 应用公式得 当球台高h 2R时 得球的表面积公式 3 30 2020 同济高等数学课件 例20 求由星形线 一周所得的旋转体的表面积S 解 利用对称性 绕x轴旋转 星形线 星形线 星形线 星形线是内摆线的一种 点击图片任意处播放开始或暂停 大圆半径R a 小圆半径 参数的几何意义 当小圆在圆内沿圆周滚动 时 小圆上的定点的轨迹为内摆线 3 30 2020 同济高等数学课件 内容小结 1 平面图形的面积 边界方程 参数方程 极坐标方程 2 平面曲线的弧长 曲线方程 参数方程方程 极坐标方程 弧微分 直角坐标方程 上下限按顺时针方向确定 直角坐标方程 注意 求弧长时积分上下限必须上大下小 3 30 2020 同济高等数学课件 3 已知平行截面面积函数A x 的立体体积 旋转体的体积 绕x轴 4 旋转体的侧面积 侧面积元素为 注意在不同坐标系下ds的表达式 绕y轴 柱壳法 3 30 2020 同济高等数学课件 思考与练习 1 用定积分表示图中阴影部分的面积A及边界长s 提示 交点为 弧线段部分 直线段部分 以x为积分变量 则要分 两段积分 故以y为积分变量 3 30 2020 同济高等数学课件 2 试用定积分求圆 绕x轴 上 半圆为 下 求体积 提示 方法1利用对称性 旋转而成的环体体积V及表面积S 3 30 2020 同济高等数学课件 方法2用柱壳法 说明 上式可变形为 此式反映了环体元素的另一种取法 如图所示 3 30 2020 同济高等数学课件 求侧面积 利用对称性 上式也可写成 它也反映了环面元素的另一种取法 3 30 2020 同济高等数学课件 作业 P2842 1 3 3 4 5 2 3 8 2 9 10 22 25 27 30 面积及弧长部分 体积及表面积部分 P28613 14 15 1 4 17 18 补充题 设有曲线 过原点作其切线 求 由此曲线 切线及x轴围成的平面图形绕x轴旋转一 周所得到的旋转体的表面积 第三节 3 30 2020 同济高等数学课件 备用题 解 1 求曲线 所围图形的面积 显然 面积为 同理其他 又 故在区域 3 30 2020 同济高等数学课件 分析曲线特点 2 解 与x轴所围面积 由图形的对称性 也合于所求 为何值才能使 与x轴围成的面积等 故 3 30 2020 同济高等数学课件 3 求曲线 图形的公共部分的面积 解 与 所围成 得 所围区域的面积为 3 30 2020 同济高等数学课件 设平面图形A由 与 所确定 求 图形A绕直线x 2旋转一周所得旋转体的体积 提示 选x为积分变量 旋转体的体积为 4 若选y为积分变量 则