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10-01-定积分的应用01
§10.1 定积分的应用01 一、元素法的思想与方法 二、定积分在几何上的应用(I)—面积 二、定积分在几何上的应用(II)—体积 这一做法就是 中国古代学者祖暅的思想——“祖暅原理” “夫叠基成立积,缘幂势既同,则积不容异”——的应用。 二、定积分在几何上的应用(III)—弧长 2.直角坐标情形 3.参数方程情形 4.极坐标情形 二、定积分在几何上的应用(IV) ——旋转曲面的面积 刘徽—牟合方盖的体积 两个半径相同的圆柱其中心轴垂直相交所成 的那一部分的立体,利用其对称性,考虑其 1/8的那一部分之体积计算。 y z x o x y z o x 坐标x处的截面面积A(x) o x x y a B C x z x o 坐标x处的截面面积A(x) o x x y a B C y x 想想:刘徽在那个时代就能得到这一结果是多么的了不起啊! 练 习 题 到此,我们要稍作停顿,回顾一下微元法, 现在的问题是,我们如何对U进行分割呢?通常是用直线分割平面图形,用平面切割空间立体,但是也并非绝对。 如计算圆的面积时,我们可以用半径为x和x+dx的同心圆分割圆,则所成的圆环之面积即为圆的面积微元 圆 切 法 该圆环之面积相当于以圆周长为长、以dx为宽度的矩形的面积,相当于将圆环拉直,其面积用矩形面积公式近似计算。 圆的直径与圆周相垂直, 圆 切 法 同样地,在计算球的体积时,我们可以用半径为x和x+dx的同心球面切割球体,则所成的球壳之体积即为球体的体积微元 球体的半径与球面相垂直, 这就相当于将球壳“摊平” ,球壳的体积就相当于以半径为x的球面为底,以dx为高的柱体的体积。 球 切 法 想象:洋葱、 滚雪球? 1.平面曲线的弧长 则称数 s 为可求长曲线 C 的弧长. 定义2 光滑曲线的显著几何特征是处处有切线 定理1 该定理的证明并不很难,请诸位自学,只需联想到Chap9的Th9.1的证明,多多相似. 但需注意所谓弧长微元或曰弧微分者: 以直_切线_替代曲线弧 弧微分 解 例8 计算 圆周长。 由对称性 考虑作变量代换 曲线弧为 弧长 解 星形线的参数方程为 根据对称性 第一象限部分的弧长 曲线弧为 弧长 思考题 思考题解答 不一定.仅仅有曲线连续还不够,我们只知道光滑的曲线是可求长的. 例如,那种处处连续而处处不光滑的曲线是不可求长的,换言之,往往其长度是无穷大. 象前面曾经介绍过的Koch雪花曲线就是一例. 在分形几何中这种例子比比皆是. 详细介绍请见教材 P 254 . 用计算圆 台的侧面 积方法解之 例10 推导旋转椭球面的面积. 解 用凑微分法不难计算得到结果,略繁. 椭圆积分 * 二、定积分在几何方面的应用- 一、元素法的思想与方法- ——面积、体积、弧长、 旋转曲面的面积-… 定积分的思想和方法: 分割 化整为零 求和 积零为整 取极限 精确值——定积分 求近似以直(不变)代曲(变) 取极限 定积分的计算可概括为四个步骤: 分、匀、合、精 微元法的实质是——近似、求和 回顾 曲边梯形求面积的问题 a b x y o 面积表示为定积分的步骤如下 (3) 求和,得A的近似值 a b x y o (4) 求极限,得A的精确值 提示 面积元素 Calculus 在数学上谓 之:微积分,在医学 上的意思是:结石 元素法的一般步骤: 这个方法通常叫做元素法或微元法 应用方向: 平面图形的面积、体积、平面曲线的弧长、旋转曲面的面积;功、水压力、引力和平均值等的计算。 曲边梯形的面积 曲边梯形的面积 1.直角坐标系情形 解 两曲线的交点 面积元素 选 为积分变量 如果曲边梯形的曲边为参数方程 曲边梯形的面积 相当于定积分 作变量代换 解 椭圆的参数方程 由对称性知总面积等于4倍第一象限部分面积. 面积元素 曲边扇形的面积 这是在作特别的定积分的变量代换。 2⊙.极坐标系情形 就象中国 的纸折扇 解 由对称性知总面积 =4倍第一象限部分面积 解 由1+cos? 是偶函数得对称性 思考题 思考题解答 x y o 旋转体就是由一个平面图形绕这平面内一条直线旋转一周而成的立体.这直线叫做旋转轴. 圆柱 圆锥 圆台 1.旋转体的体积 x y o 旋转体的体积为 解 又及: 利用这个公式,可知上例中 此结果稍后给出 这是理解为:沿着平行于y轴的方向把柱壳剖开摊平,该柱壳的体积近似于一个长方体的体积:长2? x宽 f(x) 高 dx 如图,小曲边梯形绕着y轴旋转一周所成的立体我们称之为圆柱壳,该柱壳的体积微元为 o x y x+dx x y=f(x) b a 柱(壳)切法
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