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6.1 定积分的几何应用

6.1 定积分的几何应用

应试
更新于 2026-09-11
— 4564 字
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本文收录于以下知识库
  • 《武忠祥高等数学基础篇》
    《武忠祥高等数学基础篇》
  • 1. 平面图形的面积

    (1) 若平面域 DDD 由曲线 y=f(x),y=g(x)(f(x)⩾g(x)),x=a,x=b(a<b)y = f(x), y = g(x)(f(x) \geqslant g(x)), x = a, x = b(a < b)y=f(x),y=g(x)(f(x)⩾ 所围成,则平面域 的面积为

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    文章大纲

    • 1. 平面图形的面积
    • 2. 旋转体体积
    • 3. 曲线弧长
    • 4. 旋转体侧面积
    • 定积分的几何应用相关例题
    • 心得笔记
    • tikz 源码

    选项
    文章 ID: 591

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    g
    (
    x
    ))
    ,
    x
    =
    a,x=
    b(a<
    b)
    DDD
    S=∫ab[f(x)−g(x)]dx.S = \int_a^b [f(x) - g(x)] \mathrm{d}x.S=∫ab​[f(x)−g(x)]dx.

    (2) 若平面域 DDD 由曲线 r=r(θ),θ=α,θ=β(α<β)r = r(\theta), \theta = \alpha, \theta = \beta (\alpha < \beta)r=r(θ),θ=α,θ=β(α<β) 所围成,则其面积为 S=

    阿基米德螺线面积.svg
    阿基米德螺线面积.svg

    2. 旋转体体积

    若区域 DDD 由曲线 y=f(x)(f(x)⩾0)y = f(x)(f(x) \geqslant 0)y=f(x)(f(x)⩾0) 和直线 x=a,x=b(0⩽a<b)x = a, x = b(0 \leqslant a < b)x=a,x= 及 轴所围成,则

    (1) 区域 DDD 绕 xxx 轴旋转一周所得到的旋转体体积为 Vx=π∫abf2(x)dx.V_x = \pi \int_a^b f^2(x) \mathrm{d}x.Vx​=π∫ab

    定积分求椭球体体积.svg
    定积分求椭球体体积.svg

    (2) 区域 DDD 绕 yyy 轴旋转一周所得到的旋转体体积为 Vy=2π∫abxf(x)dx.V_y = 2\pi \int_a^b xf(x) \mathrm{d}x.Vy​=2π∫a

    3. 曲线弧长

    (1) C:y=y(x),a⩽x⩽bC: y = y(x), a \leqslant x \leqslant bC:y=y(x),a⩽x⩽b. s=∫ab1+y′2dx.s = \int_a^b \sqrt{1 + y'^2} \mathrm{d}x.s=∫

    (2) C:{x=x(t),y=y(t),α⩽t⩽β.C: \begin{cases} x = x(t), \\ y = y(t), \end{cases} \quad \alpha \leqslant t \leqslant \beta.C:{x=x(t),y=y(t),​α⩽

    (3) C:r=r(θ),α⩽θ⩽β.C: r = r(\theta), \alpha \leqslant \theta \leqslant \beta.C:r=r(θ),α⩽θ⩽β. s=∫αβr2+r′2dθ.s = \int_\alpha^\beta \sqrt{r^2 + r'^2} \mathrm{d}\theta.s=

    定积分求弧长.svg
    定积分求弧长.svg

    4. 旋转体侧面积

    曲线 y=f(x)(f(x)⩾0)y = f(x)(f(x) \geqslant 0)y=f(x)(f(x)⩾0) 和直线 x=a,x=b(0⩽a<b)x = a, x = b(0 \leqslant a < b)x=a,x=b(0⩽ 及 轴所围成区域绕 轴旋转所得旋转体的侧面积为

    旋转体侧面积.svg
    旋转体侧面积.svg


    定积分的几何应用相关例题

    【例 1】 (2014, 数三) 设 DDD 是由曲线 xy+1=0xy + 1 = 0xy+1=0 与直线 y+x=0y + x = 0y+x=0 及 y=2y = 2y=2 围成的有界区域,则 的面积为 ________。

    解 所求面积为 S=∬D1dσ=∫12dy∫−y−1ydx=∫12(y−1y)dy=(12y2−ln⁡y)∣12=2−ln⁡2−12=32−ln⁡2.\begin{aligned} S &= \iint_D 1 \mathrm{d}\sigma = \int_1^2 \mathrm{d}y \int_{-y}^{-\frac{1}{y}} \mathrm{d}x \\ &= \int_1^2 \left(y - \frac{1}{y}\right) \mathrm{d}y = \left(\frac{1}{2}y^2 - \ln y\right)\bigg|_1^2 \\ &= 2 - \ln 2 - \frac{1}{2} = \frac{3}{2} - \ln 2. \end{aligned}S

    【例 2】 (2013, 数二) 设封闭曲线 LLL 的极坐标方程为 r=cos⁡3θ(−π6⩽θ⩽π6)r = \cos 3\theta (-\frac{\pi}{6} \leqslant \theta \leqslant \frac{\pi}{6})r=cos3θ(−6π​⩽θ⩽,则 所围平面图形的面积是 ________。

    解 【方法 1】 S=12∫−π6π6cos⁡23θdθ=∫0π6cos⁡23θdθ=12∫0π6(1+cos⁡6θ)dθ=12(θ+16sin⁡6θ)∣0π6=π12.\begin{aligned} S &= \frac{1}{2} \int_{-\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{6}} \cos^2 3\theta \mathrm{d}\theta = \int_0^{\frac{\pi}{6}} \cos^2 3\theta \mathrm{d}\theta \\ &= \frac{1}{2} \int_0^{\frac{\pi}{6}} (1 + \cos 6\theta) \mathrm{d}\theta \\ &= \frac{1}{2} \left(\theta + \frac{1}{6}\sin 6\theta\right)\bigg|_0^{\frac{\pi}{6}} = \frac{\pi}{12}. \end{aligned}

    【方法 2】 S=12∫−π6π6cos⁡23θdθ=∫0π6cos⁡23θdθ=3θ=t13∫0π2cos⁡2tdtS = \frac{1}{2} \int_{-\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{6}} \cos^2 3\theta \mathrm{d}\theta = \int_0^{\frac{\pi}{6}} \cos^2 3\theta \mathrm{d}\theta \xlongequal{3\theta = t} \frac{1}{3} \int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^2 t \mathrm{d}tS=21​∫

    【例 3】 (2015, 数二、三) 设 A>0,DA > 0, DA>0,D 是由曲线段 y=Asin⁡x(0⩽x⩽π2)y = A\sin x (0 \leqslant x \leqslant \frac{\pi}{2})y=Asinx(0⩽x⩽2 及直线 所围成的平面区域, 分别表示 绕 轴与 轴旋转所成旋转体的体积。若 ,求 的值。

    解 V1=π∫0π2A2sin⁡2xdx=πA2⋅12⋅π2=π2A24.V_1 = \pi \int_0^{\frac{\pi}{2}} A^2 \sin^2 x \mathrm{d}x = \pi A^2 \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2} = \frac{\pi^2 A^2}{4}.V1​=π∫0 又 ,则 解得 。

    2015 数二 定积分的应用 图解
    2015 数二 定积分的应用 图解

    【例 4】 (2012, 数二) 过点 (0,1)(0, 1)(0,1) 作曲线 L:y=ln⁡xL: y = \ln xL:y=lnx 的切线,切点为 AAA,又 LLL 与 xxx 轴交于 点,区域 由 与直线 围成。求区域 的面积及 绕 轴旋转一周所得旋转体的体积。

    定积分的几何应用例4题图.svg
    定积分的几何应用例4题图.svg

    解 求切线有如下两个方法:

    【方法 1】 设切点 AAA 的坐标为 (x0,y0)(x_0, y_0)(x0​,y0​),则切线方程为 y−y0=1x0(x−x0),y - y_0 = \frac{1}{x_0}(x - x_0),y− 将点 代入,得 。

    【方法 2】 设过点 (0,1)(0, 1)(0,1) 的切线方程为 y−1=kxy - 1 = kxy−1=kx, 其与 y=ln⁡xy = \ln xy=lnx 相切,则满足 ln⁡x−1=kx,k=1x\ln x - 1 = kx, k = \frac{1}{x}, 解得 为切点,从而 。

    所以切线方程为 y=xe2+1y = \frac{x}{e^2} + 1y=e2x​+1。

    所求面积为 S=∫1e2ln⁡xdx−12(e2−1)⋅2=xln⁡x∣1e2−∫1e2dx−e2+1=2e2−e2+1−e2+1=2.\begin{aligned} S &= \int_1^{e^2} \ln x \mathrm{d}x - \frac{1}{2}(e^2 - 1) \cdot 2 \\ &= x\ln x \bigg|_1^{e^2} - \int_1^{e^2} \mathrm{d}x - e^2 + 1 \\ &= 2e^2 - e^2 + 1 - e^2 + 1 \\ &= 2. \end{aligned}S (这题好多同学出错是因为审题不仔细,草图画错。)

    所求体积为 V=π∫1e2ln⁡2xdx−π3⋅4⋅(e2−1)=π(xln⁡2x−2xln⁡x+2x)∣1e2−4π3(e2−1)=2π3(e2−1).\begin{aligned} V &= \pi \int_1^{e^2} \ln^2 x \mathrm{d}x - \frac{\pi}{3} \cdot 4 \cdot (e^2 - 1) \\ &= \pi (x\ln^2 x - 2x\ln x + 2x) \bigg|_1^{e^2} - \frac{4\pi}{3}(e^2 - 1) \\ &= \frac{2\pi}{3}(e^2 - 1). \end{aligned}V

    心得笔记

    2012 年数二题的这道定积分应用的题,是一道曲线在某个切点,与曲线上另一个点连成的割线,与曲线围成面积的题。做这道题,不论我是以 x 为积分变量,还是以 y 为积分变量,结果都算错。原因是:计算过程中完全没意识到,有两条直线!我计算出切线之后,就一直使用切线方程作为下函数来做定积分,但围成面积的,总是割线!割线!割线!切线和曲线围不成面积!!!。另外,如果图中出现了规则图形,例如下半部分是三角形,直接计算即可,写方程去求积分多费了事还容易积错。做这道题又令我搞清楚了一个不定积分: lnx 的不定积分直接用分部积分就可以求出:结果是 xlnx-x+C !我连这个常识都不知道!!!一道大题做好几遍都是错,加油!

    圆盘法算旋转体体积,积分前面的Π忘记乘,再这样下去就死翘翘啦。

    旋转体的体积:积分变量与旋转轴一致的情况。我以为可以用面积乘以2π 来计算,但实际上这样就忽略了帕普斯定理,就是实际上不是乘以2π,而要用面积乘以图形扫过的周长的平均值,也就是质心走过的圆周周长。

    旋转轴与积分变量不一致的情况,如果换积分变量不好积分时,实际上可以用柱壳法,先用周长乘高,再乘dx

    旋转椭球体的体积只能算一次,抽上半部分来算,不要重复计算。椭圆以x轴旋转一周和以y轴旋转一周得到的体积并不相等。(柿子🍅和橄榄球🏈)

    #柱壳法 #定积分的应用 #几何 #lnx的不定积分 #大题 #应用题 #立体图形 #割线 #切线

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    tikz 源码

    \begin{tikzpicture}[scale=0.8]
    %坐标轴
    \draw[->] (0,-1) -- (0,5) node[above] {$y$};
    \draw[->] (-1,0) -- (10,0) node[right] {$x$};
    \node at (-0.3,-0.3) {$O$};
    %曲线 y=lnx
    \draw[thick] plot[domain=0.3:9,smooth] (\x,{ln(\x)});
    \node at (1.1,-1.1) {$L$};
    %B点(1,0)
    \fill (1,0) circle (2pt);
    \node[above right] at (0.55,0.17) {$B$};
    %A点:切点(e²,2),切线y=x/e²+1过(0,1)
    \pgfmathsetmacro{\xa}{e^2}
    \pgfmathsetmacro{\ya}{ln(\xa)}
    \fill (\xa,\ya) circle (2pt);
    \node[above right] at (\xa,\ya) {$A$};
    %切线:y = x/e² + 1,过(0,1)与A(e²,2)
    \draw[thick] (-0.8,{-0.8/(e^2)+1}) -- (9,{9/(e^2)+1});
    %直线AB,连接A(e²,2)与B(1,0)
    \draw[thick] (1,0) -- (\xa,\ya);
    %阴影填充:曲线y=lnx 和直线AB围成区域
    \fill[pattern=north west lines]
    plot[domain=1:\xa,smooth] (\x,{ln(\x)})
    -- plot[domain=\xa:1] (\x,{(2/(e^2-1))*(\x-1)})
    -- cycle;
    \end{tikzpicture}

    定积分求弧长:

    \documentclass[tikz,border=10pt]{standalone}
    \usepackage{amsmath}
    \usetikzlibrary{arrows.meta}
    \begin{document}
    \begin{tikzpicture}[>=Stealth, scale=1.3]
    % 坐标轴
    \draw[->, thick] (-0.5, 0) -- (6.5, 0) node[right] {$x$};
    \draw[->, thick] (0, -0.5) -- (0, 4.5) node[above] {$y$};
    \node[below left] at (0, 0) {$O$};
    % 曲线函数 y = f(x)
    \draw[domain=0.8:5.5, smooth, variable=\x, thick]
    plot ({\x}, {0.12*(\x-1.5)*(\x-1.5) + 0.8})
    node[right] {$y = f(x)$};
    % 积分区间 [a, b]
    \def\xa{1.2}
    \def\xb{5.0}
    \def\ya{0.12*(\xa-1.5)*(\xa-1.5) + 0.8}
    \def\yb{0.12*(\xb-1.5)*(\xb-1.5) + 0.8}
    % 区间端点虚线与标注
    \draw[dashed] (\xa, 0) -- (\xa, \ya);
    \draw[dashed] (\xb, 0) -- (\xb, \yb);
    \node[below] at (\xa, 0) {$a$};
    \node[below] at (\xb, 0) {$b$};
    \filldraw[black] (\xa, \ya) circle (1.5pt);
    \filldraw[black] (\xb, \yb) circle (1.5pt);
    % 微元位置 (x0, y0) 到 (x1, y1)
    \def\xO{2.6}
    \def\xI{3.8}
    \def\yO{0.12*(\xO-1.5)*(\xO-1.5) + 0.8}

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  • 9.1 二重积分的概念和性质
  • 12∫αβr2(θ)dθ.S = \frac{1}{2} \int_\alpha^\beta r^2(\theta) \mathrm{d}\theta.
    S=21​∫αβ​r2(θ)dθ.
    b(0⩽
    a<
    b)
    xxx
    ​
    f2
    (
    x
    )
    d
    x
    .
    b
    ​
    x
    f
    (
    x
    )
    d
    x
    .
    ab​
    1+y′2​
    d
    x
    .
    t⩽
    β.
    s=∫αβx′2+y′2dt.s = \int_\alpha^\beta \sqrt{x'^2 + y'^2} \mathrm{d}t.s=∫αβ​x′2+y′2​dt.
    ∫αβ​
    r2+r′2​
    d
    θ
    .
    a
    <
    b)
    xxx
    xxx
    S=2π∫abf(x)1+f′2(x)dx.S = 2\pi \int_a^b f(x) \sqrt{1 + f'^2(x)} \mathrm{d}x.S=2π∫ab​f(x)1+f′2(x)​dx.
    DDD
    ​
    =∬D​1dσ=∫12​dy∫−y−y1​​dx=∫12​(y−y1​)dy=(2=2−ln2−21​=23​−ln2.​
    6π​
    )
    LLL
    S
    ​
    =21​∫−6π​6π​​cos23θdθ=∫06π​​cos23θdθ=21​∫06π​​(1+cos6θ=21​(θ+61​sin6θ)​​
    −6π​6π​​
    cos2
    3
    θ
    d
    θ
    =
    ∫06π​​cos23θdθ3θ=t
    31​∫02π​​cos2tdt
    =13⋅12⋅π2=π12.= \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2} = \frac{\pi}{12}.=31​⋅21​⋅2π​=12π​.
    π
    ​
    )
    y=0,x=π2y = 0, x = \frac{\pi}{2}y=0,x=2π​
    V1,V2V_1, V_2V1​,V2​
    DDD
    xxx
    yyy
    V1=V2V_1 = V_2V1​=V2​
    AAA
    2
    π
    ​
    ​
    A2
    sin2
    x
    d
    x
    =
    πA2⋅
    21​⋅
    2π​=
    4π2A2​.
    V2=2π∫0π2x⋅Asin⁡xdx=−2πA∫0π2xdcos⁡x=−2πA(xcos⁡x∣0π2−∫0π2cos⁡xdx)=−2πA(0−1)=2πA.\begin{aligned} V_2 &= 2\pi \int_0^{\frac{\pi}{2}} x \cdot A\sin x \mathrm{d}x = -2\pi A \int_0^{\frac{\pi}{2}} x \mathrm{d}\cos x \\ &= -2\pi A \left(x\cos x \bigg|_0^{\frac{\pi}{2}} - \int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos x \mathrm{d}x\right) \\ &= -2\pi A (0 - 1) = 2\pi A. \end{aligned}V2​​=2π∫02π​​x⋅Asinxdx=−2πA
    V1=V2V_1 = V_2V1​=V2​
    π2A24=2πA,\frac{\pi^2 A^2}{4} = 2\pi A,4π2A2​=2πA,
    A=8πA = \frac{8}{\pi}A=π8​
    BB
    B
    DDD
    LLL
    ABABAB
    DDD
    DDD
    xxx
    y0​
    =
    x0​1​(x−
    x0​),
    (0,1)(0, 1)(0,1)
    x0=e2,y0=2x_0 = e^2, y_0 = 2x0​=e2,y0​=2
    ln
    x
    −
    1=
    kx,k=
    x1​
    x=e2,y=2,(e2,2)x = e^2, y = 2, (e^2, 2)x=e2,y=2,(e2,2)
    k=1e2k = \frac{1}{e^2}k=e21​
    ​
    =∫1e2​lnxdx−21​(e2−1)⋅2=xlnx​1e2​−∫1e=2e2−e2+1−e2+1=2.​
    ​
    =π∫1e2​ln2xdx−3π​⋅4⋅(e2−1)=π(xln2x−2xlnx+2x)​1e2=32π​(e2−1).​
    \def\yI{0.12*(\xI-1.5)*(\xI-1.5) + 0.8}
    % 微元特征直角三角形 (dx, dy)
    \draw[dashed] (\xO, \yO) -- (\xI, \yO) node[midway, below] {$\text{d}x$};
    \draw[dashed] (\xI, \yO) -- (\xI, \yI) node[midway, right] {$\text{d}y$};
    % 微元直角标记
    \draw (\xI-0.2, \yO) -- (\xI-0.2, \yO+0.2) -- (\xI, \yO+0.2);
    % 斜弦长/切线微元近似 ds(用加粗线型进行视觉区分)
    \draw[ultra thick] (\xO, \yO) -- (\xI, \yI)
    node[above left, at end] {$\text{d}s \approx \sqrt{(\text{d}x)^2 + (\text{d}y)^2}$};
    % 微元两端点
    \filldraw[black] (\xO, \yO) circle (1.5pt) node[above left] {$P(x, y)$};
    \filldraw[black] (\xI, \yI) circle (1.5pt) node[right] {$Q(x+\text{d}x, y+\text{d}y)$};
    % x 轴投影
    \draw[dotted] (\xO, 0) -- (\xO, \yO);
    \draw[dotted] (\xI, 0) -- (\xI, \yI);
    \node[below, font=\small] at (\xO, 0) {$x$};
    \node[below, font=\small] at (\xI, 0) {$x+\text{d}x$};
    % 公式说明框
    \node[draw=black, rounded corners, align=left, font=\small] at (3.2, 3.8) {
    $\text{d}s = \sqrt{1 + [f'(x)]^2}\,\text{d}x$\\[1mm]
    $\displaystyle s = \int_a^b \sqrt{1 + [f'(x)]^2}\,\text{d}x$
    };
    \end{tikzpicture}
    \end{document}

    9.1 二重积分的概念和性质

    更新于2026-10-16

    1
    ​
    y2
    −
    ln
    y
    )
    ​12​
    )
    d
    θ
    06π​​
    =
    12π​
    .
    ∫02π​​
    x
    d
    cos
    x
    =−2πA(xcosx​02π​​−∫02π​​cosxdx)
    =−2πA(0−1)=2πA.
    ​
    2
    ​
    d
    x
    −
    e2
    +
    1
    ​
    −
    34π​
    (
    e2
    −
    1
    )