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第10章 一元函数积分学的应用(一) -- 几何应用

基础部分

  1. 曲线 在区间 上与 轴所围成的图形的面积为
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答案:

解析:

所求面积为

因此

  1. 曲线 上与 轴所围成的图形的面积是
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答案:

解析:

上有 ,故

,则 ,从而

  1. 抛物线 把曲线 轴所围成的闭区域分成面积为 的两部分,则

A.

B.

C.

D. 的大小关系与 的数值有关

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答案:

按通常配图中 表示靠近原点、位于抛物线下方的小区域时,选 A。

解析:

两曲线除原点外的交点满足

。闭区域总面积为

靠近原点、位于 下方的面积为

另一部分

由于 ,所以 。原 Markdown 未附区域标号图;若图中 标号相反,则两者名称应相应互换,但两块面积的上述数值不变。

  1. 过点 作曲线 的切线,设该曲线与切线及 轴所围成的图形的面积为 ,曲线与直线 轴所围成的图形的面积为 ,则

A.

B.

C.

D.

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答案:

D。

解析:

切线方程为

因此

等于切线下方从 的面积:

利用展开式

故极限为

  1. 平面无界区域 的面积为
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答案:

解析:

区域满足

  1. 设平面区域 由曲线段 轴围成,则 轴旋转一周所成旋转体的体积为
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答案:

解析:

用柱壳法:

分部积分得

  1. 已知函数 ,则 上的平均值为
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答案:

解析:

区间长度为 ,故平均值为

交换积分次序:

  1. 已知曲线 ,设 上的动点, 上从点 到点 的一段弧绕 轴旋转一周所得的旋转体体积,当 运动到点 时,沿 轴正向的速度为 ,求此时 关于时间 的变化率。
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答案:

解析:

设点 的横坐标为 ,则

由变上限积分求导,

时,

  1. 曲线 的弧长为
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答案:

解析:

,且在给定区间内 ,故

于是

  1. 曲线 的弧长为
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答案:

解析:

极坐标曲线弧长公式为

这里 ,所以

  1. 已知函数 由方程 所确定,则曲线 从点 到点 的长度为
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答案:

解析:

表示为 的函数:

于是

因此

  1. 曲线 与其过原点的切线及 轴所围图形的面积为

A.

B.

C.

D.

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答案:

B。

解析:

设切点横坐标为 ,切线为

切线过原点,故 ,切线为 。在 上,曲线 位于切线上方,所以面积为

  1. 曲线 轴旋转一周所得延展到无穷远的旋转体的体积为
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答案:

解析:

利用

  1. 曲线 轴旋转一周所得旋转体的体积为
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答案:

解析:

旋转体体积为

分部积分两次可得

时右侧趋于 ,故代入上限 即得答案。

  1. 曲线 的长度为
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答案:

解析:

,故

从而得到结论。

  1. 设平面 是由 围成的第一象限的有界区域,记 轴与绕 旋转一周所得旋转体的体积分别为 ,则

A.

B.

C.

D.

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答案:

A。

解析:

区域可表示为

轴旋转:

由于

旋转:

,故

  1. 曲线 从点 到点 的一段弧绕 轴旋转一周所得旋转体的侧面积为
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答案:

解析:

轴的旋转曲面面积为

,则

  1. 函数 在区间 上的平均值为
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答案:

解析:

区间长度为 ,平均值等于

,则

  1. 设平面区域 ,求:

(1) 的面积;

(2) 轴旋转一周所成旋转体的体积。

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答案:

(1)

(2)

解析:

(1) 令 ,则 变到 ,并且

化简即得答案。

(2) 用圆盘法:

因此

强化部分

  1. 曲线 在点 处的切线与两坐标轴所围成的三角形的面积为
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答案:

解析:

对方程隐式求导:

处,

,故

切线为

它在两坐标轴上的截距分别为 ,三角形面积为

  1. 曲线 所围图形面积为
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答案:

解析:

极坐标面积公式给出

,得

  1. 若曲线 所围图形的面积为 ,则
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答案:

解析:

心形线围成的面积为

,得

  1. 设函数 满足方程 ,且 ,求曲线 轴正半轴之间所围平面图形的面积及该平面图形绕 轴旋转一周所形成的旋转体体积。
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答案:

面积 ;体积

解析:

方程通解为

极限条件意味着 。代入得

所以 ,即

面积为

轴用柱壳法:

  1. 曲线 所围平面有界区域绕直线 旋转一周所得旋转体的体积为
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答案:

解析:

区域关于直线 对称。旋转整个区域所得立体,与将直线下方的半区

绕其边界 旋转所得立体相同,不能把上下两半的旋转体重复相加。

面元到轴 的距离为 ,故由壳层思想

所以

  1. 过坐标原点作曲线 的切线,该切线与曲线 以及 轴围成的向 轴负向无限伸展的图形记为

(1) 求 的面积;

(2) 求 绕直线 旋转一周所成的旋转体体积。

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答案:

(1)

(2)

解析:

过原点的切线为 ,切点为 。区域在 时位于 之间,在 时位于 之间。

因此

用柱壳法:

两部分分别为 ,故

  1. 求曲线 轴旋转一周所成旋转体的体积。
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答案:

严格按该实值曲线在 上的全部定义域计算,

若原题实际漏写定义区间 ,则

解析:

根式要求 ,所以在 上的实值定义域为

在第 个实值弧段 上,旋转体体积为

原 Markdown 仅写“”,容易被误解为连续区间上的一条曲线;上式是严格按全部实值定义域得到的结果。若原书配图只取第一段 ,则只保留 即可。

  1. 设曲线 与曲线 交于点 ,过坐标原点 和点 的直线与曲线 围成一平面图形

(1) 求 轴旋转一周所成的旋转体体积

(2) 求使 为最大值时 的值。

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答案:

(1)

(2)

解析:

交点横坐标为

,纵坐标为

直线 的斜率为 ,故直线方程为

圆环法给出

,则

令其为零,得 ;结合端点趋势可知此处取得最大值。

  1. 设函数 上连续,在 内可导,且满足 。已知曲线 所围的图形 面积为 。求 的表达式,以及图形 轴旋转一周所得旋转体的体积。
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答案:

若按通常命题意图补充 ,则

解析:

微分方程可写成

若图形在 轴上方,则

。于是

严格地说,原题未说明 上的符号。若允许整个图形位于 轴下方,则还存在

其面积同样为 ,而体积为 。因此原 Markdown 题面缺少一个符号条件;上面的首组答案是常见标准题意下的结果。

  1. 时,在曲线 上面作一个台阶曲线,台阶的宽度皆为 ,则图中无穷多个阴影部分的面积之和
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答案:

按“台阶曲线位于原曲线上方、每个台阶取左端点函数值”的通常配图,

解析:

个台阶在 上的高度为 ,故所有台阶面积之和为

曲线下方面积为

阴影面积为二者之差:

原 Markdown 缺少题图。若原图采用右端点高度、台阶位于曲线下方,则阴影应为

;应以原图阴影位置为准。

  1. 设函数 满足微分方程 ,且 ,求曲线 轴旋转一周所得旋转体的体积。
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答案:

在自然实值区间 上,

解析:

乘以积分因子

因此

,故

上,

原题同时写“”,但 的区间没有实值,因而严格题面缺少定义区间;以上按与初值相连的实值区间 解答。

  1. 内非负连续,且

上的平均值。

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答案:

解析:

,并记

在原积分中令 ,则

,即

及非负性,

于是

  1. 已知 是函数 的一个原函数,则 上的平均值为
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答案:

解析:

。注意 两侧的极限不同:

所以不能直接跨过 使用 ,而应拆成两个反常积分:

区间长度为 ,因此平均值为

严格地说,原函数本身在 处没有定义且不能连续延拓;这里按照其导函数 处作连续延拓后的通常题意计算。

  1. 已知函数 上连续,在 内是函数 的一个原函数,且 ,则 在区间 上的平均值为
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答案:

解析:

,有

因此

交换积分次序得

区间长度为 ,故这就是平均值。

  1. 设函数 非负连续,且

在区间 上的平均值为

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答案:

解析:

。当 时,

。于是

,得 ,进而

平均值为

  1. 上的非负连续函数,且满足

在区间 上的平均值为

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答案:

解析:

,则

因此仍有 。与上一题相同,利用非负性得到

  1. 已知函数 上连续,在 内是函数 的一个原函数,且 ,则 在区间 上的平均值为
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答案:

解析:

。由

除以区间长度 ,平均值为

  1. ,求曲线 轴所围成的封闭图形的面积。
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答案:

解析:

时,

时,

函数在 内非正,且零点为 ,故面积为

左右两部分各为 ,因此

  1. 已知函数 分别满足

,求曲线 所围图形绕直线 旋转一周所成旋转体体积。

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答案:

解析:

,得

,结合 ,有

对第二个方程令 ,则

得常数为 ,故

曲线方程化为

,即

闭区域对应 ,并关于旋转轴 对称。用圆盘法:

计算得

故结论成立。

  1. 在曲线 上的横坐标为 处作曲线的切线,将切线与 轴、 轴所围成的图形绕 轴旋转一周,使得旋转体的体积最大,求 的值。
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答案:

解析:

设切点为 。由隐函数切线公式可得切线截距式

因此切线与坐标轴围成的三角形绕 轴旋转形成圆锥,其底面半径为 ,高为 ,故

,则只需最大化 。其导数为

,故最大值在 处取得,从而

  1. 设函数 满足

为曲线 ,且 ,记 的长度为 。求:

(1)

(2) 的最大值。

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答案:

(1)

(2)

解析:

题式表示

积分并利用 ,得

弧长根式可化简为

其中利用了 。于是

求最大值时令

,得 。在给定区间内

代入 ,得

  1. 设连续函数 满足

,其中

(1) 利用换元 的表达式;

(2) 令 ,求曲线 的全长。

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答案:

(1)

(2)

解析:

将方程乘以 ,令 ,得

乘以积分因子

积分得

,故取非负支

为使对所有 均为实数,应有 。于是

由变上限求导,

故全长为

  1. 设非负函数 是微分方程 满足条件 的解,求曲线

的弧长。

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答案:

解析:

得在

于是

弧长为

,则

上,

故积分等于 ,从而

  1. 设函数 在区间 上非负,,且 ,有一块质量均匀分布的平板 ,其占据的区域是曲线 与直线 以及 轴围成的平面图形。用 表示平板 的质心的横坐标,证明
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答案:

解析:

平板的面积与对 轴的一阶矩分别为

由于 ,函数

严格递增。于是相对于基础权函数 ,再乘一个严格递增因子 会使加权平均横坐标严格增大。具体地,

$\displaystyle \left(\int_0^ax^2g(x)dx\right)\left(\int_0^axdx\right)

\left(\int_0^axg(x)dx\right)\left(\int_0^ax^2dx\right)$。

这是切比雪夫积分不等式的严格形式,也可将两边之差写成正的二重积分验证。因 ,得到

  1. 求摆线的一拱

轴围成的平面图形绕 轴旋转一周所形成的旋转体的体积与表面积。

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答案:

体积

表面积

解析:

体积为

展开并利用三角函数在整周期上的积分,

旋转曲面面积为

由于

  1. 已知摆线的参数方程为

其中 ,常数 。设该摆线一拱的弧长的数值等于该弧段绕 轴旋转一周所形成的旋转曲面面积的数值,求 的值。

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答案:

解析:

一拱弧长为

由上一题,绕 轴旋转所得曲面面积为

按题意 ,故

由于 ,约去