高等数学课件-D62几何应用.ppt
10/20/2023,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,10/20/2023,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,10/20/2023,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,10/20/2023,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,10/20/2023,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,10/20/2023,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,10/20/2023,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:,10/20/2023,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,10/20/2023,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.,10/20/2023,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,10/20/2023,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,10/20/2023,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:,10/20/2023,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,10/20/2023,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,10/20/2023,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,10/20/2023,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),10/20/2023,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,10/20/2023,同济高等数学课件,例10.求连续曲线段,解:,的弧长.,10/20/2023,同济高等数学课件,例11.计算摆线,一拱,的弧长.,解:,10/20/2023,同济高等数学课件,例12.求阿基米德螺线,相应于 02,一段的弧长.,解:,10/20/2023,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,10/20/2023,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,10/20/2023,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),10/20/2023,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,10/20/2023,同济高等数学课件,例14.计算摆线,的一拱与 y0,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,10/20/2023,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”),10/20/2023,同济高等数学课件,柱壳体积,说明:,柱面面积,10/20/2023,同济高等数学课件,偶函数,奇函数,10/20/2023,同济高等数学课件,例15.设,在 x0 时为连续的非负函数,且,形绕直线 xt 旋转一周所成旋转体体积,证明:,证:,利用柱壳法,则,故,10/20/2023,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.,10/20/2023,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:,10/20/2023,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.,10/20/2023,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 y3 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,10/20/2023,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:,10/20/2023,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,10/20/2023,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 2 R 时,得球的表面积公式,10/20/2023,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 Ra,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),10/20/2023,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,10/20/2023,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),10/20/2023,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.,10/20/2023,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.,10/20/2023,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).,10/20/2023,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:,10/20/2023,同济高等数学课件,作业,P284 2(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：,P286 13;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,10/20/2023,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,10/20/2023,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,10/20/2023,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,10/20/2023,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,
