积分体积。
试想我们将一盒区域和它的代表元素(见图25-7)绕着x轴进行旋转。当一个区域以这种方式旋转之后就会形成一个体积,这在图中也展示了出来。那么我们现在就要找到计算这种情况下形成的体积。
因为这个区域和它的代表元素都是绕着x轴旋转的。那么代表元素就形成了一个具有要求体积的立方体。这正好是一个圆柱体。
我们知道一个圆柱体的体积等于π乘以半径的平方再乘以圆柱体的高。那么我们现在就必须找出这个圆柱体的底面半径和高。既然元素是绕着x轴旋转地,那么曲线上于元素的切点的y坐标就代表了半径。
同样的,我们可以看到高就是dx(圆柱在他的周围)。代表元素也就是那个圆盘的体积是dv=πydx。将这些元素的体积从左至右求和,那我们将得到整个的体积v,即。
v=π∫ydx=π∫f(x)]dx25-8)
这样,通过公式25-8我们就能求出以x轴为边界并绕x轴旋转后形成的立体图形的体积了。
例题a求出以y=x,x=2和y=0为边界的区域绕x轴旋转后的体积。
解: 如图2-8 我们由公式25-8得到下式。
如果以y轴为边界的区域绕y轴旋转地话,那么的得到的体积的公式由下式得出。
v =πxdy25-9)
在这种情况下代表元素的半径就是曲线上切点的x坐标,圆盘的高就是dy。我们对于半径和高的选取一定要准确细心。
例题b求出有y=2x,y=6和x=0围城的面积绕y轴旋转后形成的体积。
解:按照图25-9所示,我们可以写出下式。
由于这个立体图形是一个圆锥,那么我们就可以验证一下结果。
这还有另一种方法可以计算出旋转体的体积。如果图25-8中的面绕y轴旋转的话,那么面的微元ydx将会形成一个于它绕x轴旋转后不同的立体图形。我们可以在图25-10中看到这是的体积微元是环形外壳的一部分,总体积就由无穷多个环形外壳组成,当这些外壳的体积相加之后,我们就得到了新形成的立体图形的体积,所以我们现在必须要找出代表元素外壳的准确体积dv。
通过底面周长乘以高,我们可以获得外壳的表面积的表达式。然后将这个式子乘以外壳的厚度我们就得到了体积。这个外壳体积的表达式就是。
dv=2π(半径)*(高)*(厚度25-10)
同样的,圆盘的体积由下式给出。
dv=π(半径)*(高25-11)
对于是式(25-10和(25-11)所给出的形成立方体的形式我们需要记住这些微元,而对于式(25-8)和(25-9)的形成方式则不需记忆。如果我们记住了这种方法,我们就可以很容易的将它用在求解此类的形成体积的问题上。
例题c运用环形外壳的方法计算由y=4-x,x=0和y=0围成的面绕y轴旋转形成的体积。
解:由图25-11我们可以确定半径,高和厚度:r=x,h=y,t=dx(边界位x=0到x=2)于是。
例题d用圆盘法求出例题c中的体积。
解:由图25-12我们可以确定半径和高:r=x,h=dy(边界为y=0到y=4),于是。
例题e如果例题c中的面是绕x轴旋转的,那么用外壳法求出它的体积、
从图25-13中我们可以看到r=y,h=x,t=dy(边界为y=0到y=4),于是。
关于解这个方程的方法我们还未讨论,我们现在先将答案给出供读者参考)
例题f通过使用圆盘法求出例题e中的体积。
解:由图25-14我们可得r=y,h=dz(边界为x=0到x=2)。所以。
例题g如果例题c中的面绕x=2旋转,求出它的体积。
外壳法是很简便的,因为外壳的体积可以便是为一个单独的积分。由图25-15我们可知。
r=2-x,h=y, t=dx
于是有。(如果这个面是绕x=3旋转地,那么唯一的不同就是r=3-x。其他的所有条件,包括边界,都是一样的。)
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