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由平行截面面积求体积
§2 由平行截面面积求体积
教学目的与要求:
理解并掌握平行截面面积的求法以及由平行截面面积求体积.
教学重点,难点:
平行截面面积的求法以及由平行截面面积求体积.
教学内容:
本节首先利用定积分的基本思想,按“分割、近似求和、取极限”三个步骤导出已知截面面积函数求立体体积的一般计算公式,然后利用这一一般计算公式推出旋转体的体积公式。
设为三维空间中的一立体,它夹在垂直于x轴的两平面x=a与x=b之间。为方便起见称为位于[a,b]上的立体。若在任意一点x∈[a,b]处作垂直于x轴的平面,它截得的截面面积显然是x的函数,记为A(x),x∈[a,b],并称之为的截面面积函数(见图10—8)。下面将导出由截面面积函数求立体体积的一般计算公式和旋转体的体积公式。
(一) 由截面面积函数求立体体积的一般计算公式
设截面面积函数A(x)是[a,b]上的一个连续函数。
对[a,b]作分割T:a=x0<x1<…<xn=b。过各个分点作垂直于x轴的平面x=xi,i=1,2,…n,它们把切割成n个薄片。
设A(x)在每个小区间△i=[xi-1,xi]上的最大、小值分别为Mi与mi,那么每一薄片的体积△Vi满足
≤△Vi≤,
于是,的体积V=满足 ≤V≤.
(3) 因为A(x)为连续函数,从而在[a,b]上可积,所以当足够小时,能使
,
其中为任意小的正数。由此知道
V=(或)=
其中A()=Mi(或mi),所以有
. (1)
例1 求由两个圆柱面x2+y2=a2与z2+x2=a2所围立体的体积。
解 图10—9所示为该立体在第一卦限部分的图像(占整体的八分之一).对任一x0∈[0,a],平面x=x0与这部分立体的截面是一个边长为的正方形,所以A(x)=a2-x2,x∈[0,a]。由公式(1)便得
V=8。 □
例2 求由椭球面=1所围立体(椭球)的体积。
解 以平面x=x0()截椭球面,得椭圆(它在yOz平面上的正投影):
=1
所以截面面积函数为(根据§1例3):
A(x)=,x∈[-a,a]。
于是求得椭球体积
V=。 □
显然,当a=b=c=r时,这就等于球的体积r3。
注 设A,B为位于同一区间[a,b]上的两个立体,其体积分别为VA,VB。若在[a,b]上它们的截面面积函数A(x)与B(x)皆连续,且A(x)=B(x),则由公式(1)推知VA=VB。这个关于截面面积相等则体积也相等的原理,早已为我国齐梁时代的数学家祖暅(祖冲之(429—500)之子,生卒年代约在公元5世纪末至6世纪初)在计算球的体积时所发现。在《九章算术》一书中所记载的祖暅原理是:“夫叠蓁成立积,缘幂势既同则积不容异”,其中幂就是截面面积,势就是高。这就是说,等高处的截面面积既然相等,则两立体的体积不可能不等(图10—10)。17世纪意大利数学家卡伐列利(Cavalieri)也提出了类似的原理,但要比祖暅晚一千一百多年。
(二)旋转体的体积公式。
设f是[a,b]上的连续函数,是由平面图形
绕x轴旋转一周所得的旋转体。那么易知截面面积函数为
A(x)=[f(x)]2dx,x∈[a,b]。
由公式(1),得到旋转体的体积公式为
V= (2)
类似地, 若旋转轴为y轴,所得旋转体的体积公式为
V= (3)
例3 试用公式(2)导出圆锥体的体积公式。
解 设正圆锥的高为h,底圆半径为r。如图10-11所示,这圆锥体可由平面图形0≤|y|≤, 绕x轴旋转一周而得。所以其体积为
V=
这个结果读者在中学课程里便已熟知了。又因同底同高的两个圆锥,在相同高程处的截面为相同的圆,即截面面积函数相同,所以任一高为h,底半径为r的圆锥(正或斜),其体积恒为。
例4 求由圆x2+(y-R)2≤r2(0<r<R)绕x轴旋转一周所得环状立体的体积。
解 如图10—12所示,圆x2+(y-R)2=r2的上、下半圆分别为
y=f2(x)=R+
y=f1(x)=R- 。
故圆环体的截面面积函数是
A(x)=[f2(x)]2-[f1(x)]2
=4R。
由此得到圆环体的体积为
V=8R.
如果把上述结果改写成V=2R·r2,读者不难看出这相当于一个圆柱体的体积。
课后作业题: 1. 2. 1) 4)
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