张瑞
中国科学技术大学数学科学学院
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几何与物理学中,许多整体性质的量(记为)可以用积分来确定,如:曲线的弧长、非均匀物体的质心等。这里要求具有区域可加性
自然,取,则有。
用微元法来计算。
微元法的关键在于确定的线性主要部分,即微元。问题的难点存在量是待求的,部分量是未知的。
曲线的长度定义为:任取分点 连接这些分点得到曲线的一条内折线。 |
若时,折线的长度的极限存在,则这个极限就是曲线的长度。
在曲线上取两点和,其横坐标分别为与, 则两点的距离为
可以得到弧长的微元为 或 |
当连续时(此时,称连续可微),可得弧长为
设曲线的参数方程为
则弧长微元
因此,弧长为
设曲线的极坐标方程 , 则有
得到弧长微元
这样,弧长为
例 1. ,在到之间的长度
例 2. 求弧长 (星形线)
曲线的极坐标方程为 任取长度为的区间。 |
在小区间上用圆弧代替曲线弧,得到面积微元
这样,可以得到面积为
例 3. 求 双纽线 围成的面积
设有参数方程,
从极坐标入手,计算它的面积。由
或
又,所以有
例 4. 求椭圆 围成的面积
例 5. 求围成的面积
空间中,某个立体的体积如左。若过点且垂直与轴的平面截得的截面面积为。 则任意长度为的小区间上的立体可以近似看作一个小圆柱,因此体积微元为 |
则体积为
将函数, , 以及轴围成的曲边梯形,绕轴旋转一周。 点处的截面的面积为 |
因此,体积为
对,将函数, , 以及轴围成的曲边梯形,绕轴旋转一周。
对于长度为的区间对应的小曲边梯形,绕轴旋转一周, 得到的旋转体的体积可以近似地看作高为,底面半径为和的两圆柱的体积差
因此,体积元为。得到体积为
例 6. 一个锥体,底面积为,高为。求体积
例 7. 椭圆,绕轴一周,得到椭球体积
在区间上取长度的小段,对应的弧得到的旋转体的侧面积为 为的弧长。 |
略去的高阶无穷小量,侧面积微元为 因此,侧面积为
若曲线的参数方程为
则弧长元
侧面积元
因此,侧面积
若曲线的极坐标方程为
以为参数,则弧长微元为
可得侧面积为
例 8. 球面的面积
例 9. ,过原点作其切线,求此曲线、切线,与轴围成的面积,及绕轴一周的侧面积
在曲线上取两点和,其横坐标分别为与, 则两点的距离为 |
例 10. 谢
10.