第10章 一元函数积分学的应用(一) -- 几何应用
基础部分
- 曲线 y=x2+4x+51 在区间 (0,+∞) 上与 x 轴所围成的图形的面积为
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答案:
arctan21。
解析:
所求面积为
S=∫0+∞x2+4x+5dx=∫0+∞(x+2)2+1dx。
因此
S=arctan(x+2)∣0+∞=2π−arctan2=arctan21。
- 曲线 y=xlnx 在 [1,e2] 上与 x 轴所围成的图形的面积是
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答案:
4。
解析:
在 [1,e2] 上有 lnx≥0,故
S=∫1e2xlnxdx。
令 x=u2,则 dx=2udu,从而
S=4∫1elnudu=4[ulnu−u]1e=4。
- 抛物线 y=(2−1)x2 把曲线 y=x(b−x)(b>0) 与 x 轴所围成的闭区域分成面积为 SA 与 SB 的两部分,则
A. SA<SB
B. SA=SB
C. SA>SB
D. SA 与 SB 的大小关系与 b 的数值有关
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答案:
按通常配图中 SA 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
(2−1)x2=x(b−x),
故 x=2b。闭区域总面积为
S=∫0bx(b−x)dx=6b3。
靠近原点、位于 y=(2−1)x2 下方的面积为
SA=∫0b/2(2−1)x2dx=122−2b3。
另一部分
SB=S−SA=122b3。
由于 2−2<2,所以 SA<SB。原 Markdown 未附区域标号图;若图中 A,B 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。
- 过点 (p,sinp) 作曲线 y=sinx 的切线,设该曲线与切线及 y 轴所围成的图形的面积为 S1,曲线与直线 x=p 及 x 轴所围成的图形的面积为 S2,则
A. p→0+limS1+S2S2=31
B. p→0+limS1+S2S2=21
C. p→0+limS1+S2S2=32
D. p→0+limS1+S2S2=1
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答案:
D。
解析:
切线方程为
y=sinp+cosp(x−p)。
因此
S2=∫0psinxdx=1−cosp,
而 S1+S2 等于切线下方从 0 到 p 的面积:
S1+S2=∫0p[sinp+cosp(x−p)]dx=psinp−2p2cosp。
利用展开式
1−cosp∼2p2,
psinp−2p2cosp∼2p2,
故极限为 1。
- 平面无界区域 D={(x,y)∣(1+x2)∣y∣≤1} 的面积为
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答案:
2π。
解析:
区域满足
−1+x21≤y≤1+x21,
故
S=∫−∞+∞1+x22dx=2[arctanx]−∞+∞=2π。
- 设平面区域 D 由曲线段 y=sinπx (0≤x≤1) 与 x 轴围成,则 D 绕 y 轴旋转一周所成旋转体的体积为
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答案:
2。
解析:
用柱壳法:
V=2π∫01xsinπxdx。
分部积分得
∫01xsinπxdx=π1,
故 V=2。
- 已知函数 f(x)=x∫1xtet2dt,则 f(x) 在 (0,1) 上的平均值为
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答案:
−4e−1。
解析:
区间长度为 1,故平均值为
∫01x∫1xtet2dtdx=−∫01x∫x1tet2dtdx。
交换积分次序:
−∫01tet2(∫0txdx)dt=−21∫01tet2dt=−4e−1。
- 已知曲线 L:y=e−x(x≥0),设 P 是 L 上的动点,V 是 L 上从点 A(0,1) 到点 P 的一段弧绕 x 轴旋转一周所得的旋转体体积,当 P 运动到点 (1,e1) 时,沿 x 轴正向的速度为 1,求此时 V 关于时间 t 的变化率。
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答案:
e2π。
解析:
设点 P 的横坐标为 x=x(t),则
V=π∫0xe−2udu。
由变上限积分求导,
dtdV=πe−2xdtdx。
在 x=1 且 dtdx=1 时,
dtdV=e2π。
- 曲线 y=lnsinx(6π≤x≤3π) 的弧长为
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答案:
ln32+3。
解析:
y′=cotx,且在给定区间内 sinx>0,故
1+(y′)2=1+cot2x=cscx。
于是
L=∫π/6π/3cscxdx=lntan2xπ/6π/3=lntan(π/12)tan(π/6)=ln32+3。
- 曲线 r=eθ 从 θ=0 到 θ=1 的弧长为
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答案:
2(e−1)。
解析:
极坐标曲线弧长公式为
L=∫01r2+(dθdr)2dθ。
这里 r′=eθ=r,所以
L=2∫01eθdθ=2(e−1)。
- 已知函数 y=y(x) 由方程 y4−6xy+3=0 (1≤y≤2) 所确定,则曲线 y=y(x) 从点 (32,1) 到点 (1219,2) 的长度为
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答案:
1217。
解析:
把 x 表示为 y 的函数:
x=6yy4+3=6y3+2y1,
故
dydx=2y2−2y21。
于是
1+(dydx)2=2y2y4+1=21(y2+y21)。
因此
L=21∫12(y2+y−2)dy=[6y3−2y1]12=1217。
- 曲线 y=ex 与其过原点的切线及 y 轴所围图形的面积为
A. ∫01(lny−ylny)dx
B. ∫01(ex−ex)dx
C. ∫1e(lny−ylny)dx
D. ∫1e(ex−xex)dx
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答案:
B。
解析:
设切点横坐标为 a,切线为
y=ea+ea(x−a)=ea(x−a+1)。
切线过原点,故 a=1,切线为 y=ex。在 0≤x≤1 上,曲线 ex 位于切线上方,所以面积为
S=∫01(ex−ex)dx。
- 曲线 y=x2e−x (0≤x<+∞) 绕 x 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:
43π。
解析:
V=π∫0+∞x4e−2xdx。
利用
∫0+∞xne−axdx=an+1n!,
得
V=π254!=43π。
- 曲线 f(x)=xlnx (0<x≤2) 绕 x 轴旋转一周所得旋转体的体积为
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答案:
38π[(ln2)2−32ln2+92]。
解析:
旋转体体积为
V=π∫02x2(lnx)2dx。
分部积分两次可得
∫x2(lnx)2dx=3x3[(lnx)2−32lnx+92]+C。
当 x→0+ 时右侧趋于 0,故代入上限 2 即得答案。
- 曲线 y=21x2 (0≤x≤1) 的长度为
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答案:
21[2+ln(1+2)]。
解析:
y′=x,故
L=∫011+x2dx=21[x1+x2+ln(x+1+x2)]01,
从而得到结论。
- 设平面 D 是由 y=lnx,x=1,y=1 围成的第一象限的有界区域,记 D 绕 x 轴与绕 y=1 旋转一周所得旋转体的体积分别为 V1,V2,则
A. V1>2π>V2
B. V2>2π>V1
C. 2π>V1>V2
D. 2π>V2>V1
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答案:
A。
解析:
区域可表示为 1≤x≤e,lnx≤y≤1。
绕 x 轴旋转:
V1=π∫1e[1−(lnx)2]dx。
由于
∫1e(lnx)2dx=e−2,
故 V1=π。
绕 y=1 旋转:
V2=π∫1e(1−lnx)2dx=π(2e−5)。
又 2e−5<21,故
V1=π>2π>V2。
- 曲线 y=x2 从点 (1,1) 到点 (2,4) 的一段弧绕 y 轴旋转一周所得旋转体的侧面积为
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答案:
6π(1717−55)。
解析:
绕 y 轴的旋转曲面面积为
S=2π∫12x1+(2x)2dx。
令 u=1+4x2,则
S=6π[(1+4x2)3/2]12=6π(1717−55)。
- 函数 y=1−x2x2 在区间 [0,1] 上的平均值为
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答案:
4π。
解析:
区间长度为 1,平均值等于
∫011−x2x2dx。
令 x=sint,则
∫011−x2x2dx=∫0π/2sin2tdt=4π。
- 设平面区域 D={(x,y)∣0≤y≤x2x2−1,2≤x≤2},求:
(1) D 的面积;
(2) D 绕 x 轴旋转一周所成旋转体的体积。
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答案:
(1) ln1+22+3+22−3;
(2) 24π(102−11)。
解析:
(1) 令 x=secθ,则 θ 从 4π 变到 3π,并且
x2x2−1dx=(secθ−cosθ)dθ。
故
S=[ln(secθ+tanθ)−sinθ]π/4π/3,
化简即得答案。
(2) 用圆盘法:
V=π∫22x4x2−1dx=π∫22(x−2−x−4)dx。
因此
V=π[−x1+3x31]22=24π(102−11)。
强化部分
- 曲线 ey+xy+x3=e 在点 (0,1) 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:
2e。
解析:
对方程隐式求导:
eyy′+y+xy′+3x2=0。
在 (0,1) 处,
ey′+1=0,故 y′=−e1。
切线为
y−1=−ex,
它在两坐标轴上的截距分别为 e 和 1,三角形面积为 21e⋅1=2e。
- 曲线 r=2cos3θ(0≤θ≤6π) 与 θ=0 及 θ=6π 所围图形面积为
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答案:
6π。
解析:
极坐标面积公式给出
S=21∫0π/6r2dθ=2∫0π/6cos23θdθ。
令 u=3θ,得
S=32∫0π/2cos2udu=6π。
- 若曲线 r=a(1+cosθ)(a>0) 所围图形的面积为 6π,则 a=
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答案:
2。
解析:
心形线围成的面积为
S=21a2∫02π(1+cosθ)2dθ=21a2(2π+π)=23πa2。
由 23πa2=6π 且 a>0,得 a=2。
- 设函数 y=y(x) 满足方程 y′′+3y′+2y=e−x,且 x→0limxy(x)=1,求曲线 y=y(x) 与 x 轴正半轴之间所围平面图形的面积及该平面图形绕 y 轴旋转一周所形成的旋转体体积。
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答案:
面积 S=1;体积 V=4π。
解析:
方程通解为
y=C1e−x+C2e−2x+xe−x。
极限条件意味着 y(0)=0 且 y′(0)=1。代入得
C1+C2=0,−C1−2C2+1=1,
所以 C1=C2=0,即
y=xe−x。
面积为
S=∫0+∞xe−xdx=1。
绕 y 轴用柱壳法:
V=2π∫0+∞x⋅xe−xdx=2π⋅2!=4π。
- 曲线 y=x 与 y=x2 所围平面有界区域绕直线 y=x 旋转一周所得旋转体的体积为
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答案:
602π。
解析:
区域关于直线 y=x 对称。旋转整个区域所得立体,与将直线下方的半区
0≤x≤1,x2≤y≤x
绕其边界 y=x 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 y=x 的距离为 2x−y,故由壳层思想
V=2π∫01∫x2x2x−ydydx。
而
∫01∫x2x(x−y)dydx=21∫01(x−x2)2dx=601,
所以
V=22π⋅601=602π。
- 过坐标原点作曲线 y=ex 的切线,该切线与曲线 y=ex 以及 x 轴围成的向 x 轴负向无限伸展的图形记为 D。
(1) 求 D 的面积;
(2) 求 D 绕直线 x=1 旋转一周所成的旋转体体积。
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答案:
(1) 2e;
(2) 35πe。
解析:
过原点的切线为 y=ex,切点为 (1,e)。区域在 x<0 时位于 y=0 与 y=ex 之间,在 0≤x≤1 时位于 y=ex 与 y=ex 之间。
因此
S=∫−∞0exdx+∫01(ex−ex)dx=1+e−1−2e=2e。
绕 x=1 用柱壳法:
V=2π[∫−∞0(1−x)exdx+∫01(1−x)(ex−ex)dx]。
两部分分别为 2 和 65e−2,故
V=2π⋅65e=35πe。
- 求曲线 y=e−x/2sinx (x≥0) 绕 x 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 x≥0 上的全部定义域计算,
V=2(1−e−π)π。
若原题实际漏写定义区间 0≤x≤π,则
V=2π(1+e−π)。
解析:
根式要求 sinx≥0,所以在 x≥0 上的实值定义域为
[0,π]∪[2π,3π]∪[4π,5π]∪⋯。
在第 k 个实值弧段 [2kπ,(2k+1)π] 上,旋转体体积为
Vk=π∫2kπ(2k+1)πe−xsinxdx=πe−2kπ∫0πe−usinudu。
又
∫0πe−usinudu=21+e−π,
故
V=2π(1+e−π)k=0∑∞e−2kπ=2(1−e−2π)π(1+e−π)=2(1−e−π)π。
原 Markdown 仅写“x≥0”,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 [0,π],则只保留 V0 即可。
- 设曲线 y=ax2 (x≥0, a>0) 与曲线 y=1−x2 交于点 A,过坐标原点 O 和点 A 的直线与曲线 y=ax2 围成一平面图形 D。
(1) 求 D 绕 x 轴旋转一周所成的旋转体体积 V(a);
(2) 求使 V(a) 为最大值时 a 的值。
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答案:
(1) V(a)=15(a+1)5/22πa2;
(2) a=4。
解析:
交点横坐标为
xA=a+11,纵坐标为 a+1a。
直线 OA 的斜率为 a+1a,故直线方程为
y=a+1ax。
圆环法给出
V(a)=π∫01/a+1[a+1a2x2−a2x4]dx=15(a+1)5/22πa2。
令 φ(a)=(a+1)5/2a2,则
φ(a)φ′(a)=a2−2(a+1)5。
令其为零,得 a=4;结合端点趋势可知此处取得最大值。
- 设函数 f(x) 在 [0,1] 上连续,在 (0,1) 内可导,且满足 xf′(x)=f(x)+x2。已知曲线 y=f(x) 与 x=0,x=1,y=0 所围的图形 S 面积为 2。求 f(x) 的表达式,以及图形 S 绕 x 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 f(x)≥0,则
f(x)=x2+310x,
V=135752π。
解析:
微分方程可写成
(xf(x))′=1,
故
f(x)=x2+Cx。
若图形在 x 轴上方,则
2=∫01f(x)dx=31+2C,
得 C=310。于是
V=π∫01(x2+310x)2dx=135752π。
严格地说,原题未说明 f 在 [0,1] 上的符号。若允许整个图形位于 x 轴下方,则还存在
f(x)=x2−314x,
其面积同样为 2,而体积为 135692π。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。
- 当 x≥0 时,在曲线 y=e−2x 上面作一个台阶曲线,台阶的宽度皆为 1,则图中无穷多个阴影部分的面积之和 S=
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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,
S=2(e2−1)e2+1。
解析:
第 n 个台阶在 [n,n+1] 上的高度为 e−2n,故所有台阶面积之和为
n=0∑∞e−2n=1−e−21。
曲线下方面积为
∫0+∞e−2xdx=21。
阴影面积为二者之差:
S=1−e−21−21=2(e2−1)e2+1。
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
21−e2−11=2(e2−1)e2−3;应以原图阴影位置为准。
- 设函数 y=f(x) 满足微分方程 y′+y=2sinxe−xcosx,且 f(π)=0,求曲线 y=f(x) (x≥0) 绕 x 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 0≤x≤π 上,
V=5π(1+e−2π)。
解析:
乘以积分因子 ex:
(exy)′=2sinxcosx=(sinx)′。
因此
exy=sinx+C。
由 f(π)=0 得 C=0,故
y=e−xsinx。
在 0≤x≤π 上,
V=π∫0πy2dx=π∫0πe−2xsinxdx。
而
∫e−2xsinxdx=5e−2x(−2sinx−cosx),
故
V=5π(1+e−2π)。
原题同时写“x≥0”,但 sinx 在 sinx<0 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 [0,π] 解答。
- 设 f(x) 在 (−∞,+∞) 内非负连续,且
∫0xtf(x2)f(x2−t2)dt=sin2x2,
求 f(x) 在 [0,π] 上的平均值。
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答案:
π2。
解析:
令 s=x2,并记
F(s)=∫0sf(u)du。
在原积分中令 u=x2−t2,则
∫0xtf(x2)f(x2−t2)dt=21f(s)F(s)。
故
21F′(s)F(s)=sin2s,即
(F2(s))′=4sin2s。
由 F(0)=0 及非负性,
F(s)=2s−sin2s。
于是
π1∫0πf(x)dx=πF(π)=π2π=π2。
- 已知 1+e1/x1 是函数 f(x) 的一个原函数,则 f(x) 在 [−1,1] 上的平均值为
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答案:
1+e1。
解析:
记
F(x)=1+e1/x1(x=0),
则 f(x)=F′(x)。注意 F 在 x=0 两侧的极限不同:
F(0−)=1,F(0+)=0,
所以不能直接跨过 0 使用 F(1)−F(−1),而应拆成两个反常积分:
∫−11f(x)dx=[F(0−)−F(−1)]+[F(1)−F(0+)]。
又
F(−1)=1+ee,F(1)=1+e1,
故
∫−11f(x)dx=1+e1+1+e1=1+e2。
区间长度为 2,因此平均值为
1+e1。
严格地说,原函数本身在 x=0 处没有定义且不能连续延拓;这里按照其导函数 f 在 0 处作连续延拓后的通常题意计算。
- 已知函数 f(x) 在 [0,1] 上连续,在 (0,1) 内是函数 xsinπx 的一个原函数,且 f(1)=0,则 f(x) 在区间 [0,1] 上的平均值为
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答案:
−π2。
解析:
由 f′(x)=xsinπx、f(1)=0,有
f(x)=−∫x1tsinπtdt。
因此
∫01f(x)dx=−∫01∫x1tsinπtdtdx。
交换积分次序得
−∫01tsinπt(∫0tdx)dt=−∫01sinπtdt=−π2。
区间长度为 1,故这就是平均值。
- 设函数 f(x) 非负连续,且
f(x)∫01f(xt)dt=2x2,
则 f(x) 在区间 [0,2] 上的平均值为
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答案:
2。
解析:
令 F(x)=∫0xf(u)du。当 x>0 时,
∫01f(xt)dt=xF(x),
故 f(x)F(x)=2x3。于是
(F2(x))′=2Ff=4x3。
由 F(0)=0 且 f≥0,得 F(x)=x2,进而 f(x)=2x。
平均值为
21∫022xdx=2。
- 设 f(x) 为 [0,3] 上的非负连续函数,且满足
f(x)∫12f(xt−x)dt=2x2,x∈[0,3],
则 f(x) 在区间 [1,3] 上的平均值为
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答案:
4。
解析:
令 u=x(t−1),则
∫12f(xt−x)dt=x1∫0xf(u)du=xF(x)。
因此仍有 f(x)F(x)=2x3。与上一题相同,利用非负性得到
F(x)=x2,f(x)=2x。
故
f=3−11∫132xdx=21(9−1)=4。
- 已知函数 f(x) 在 [0,23π] 上连续,在 (0,23π) 内是函数 2x−3πcosx 的一个原函数,且 f(0)=0,则 f(x) 在区间 [0,23π] 上的平均值为
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答案:
3π1。
解析:
记 A=23π。由 f(0)=0,
∫0Af(x)dx=∫0A(A−t)f′(t)dt。
又
A−t=−22t−3π,
故
∫0Af(x)dx=−21∫0Acostdt=−21sinA=21。
除以区间长度 A,平均值为
3π/21/2=3π1。
- 设 f(x)=∫−1xt∣t∣dt,求曲线 y=f(x) 与 x 轴所围成的封闭图形的面积。
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答案:
21。
解析:
当 −1≤x≤0 时,
f(x)=∫−1x(−t2)dt=−3x3+1;
当 0≤x≤1 时,
f(x)=f(0)+∫0xt2dt=3x3−1。
函数在 [−1,1] 内非正,且零点为 x=−1,1,故面积为
S=−∫−11f(x)dx。
左右两部分各为 41,因此 S=21。
- 已知函数 f(x),g(x) 分别满足
f′(x)=2f(x),
g′(x)=x−2g(x)+xx−2,
f(0)=1,g(1)=0,求曲线 f(x)+g(y)=0 所围图形绕直线 x=−1 旋转一周所成旋转体体积。
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答案:
π(2ln2−45)。
解析:
由 f′(x)=2f,得
(f)′=1,结合 f(0)=1,有
f(x)=(x+1)2。
对第二个方程令 g(x)=(x−2)u(x),则
u′(x)=x1。
由 g(1)=0 得常数为 0,故
g(x)=(x−2)lnx。
曲线方程化为
(x+1)2+(y−2)lny=0,即
(x+1)2=(2−y)lny。
闭区域对应 1≤y≤2,并关于旋转轴 x=−1 对称。用圆盘法:
V=π∫12(2−y)lnydy。
计算得
∫12(2−y)lnydy=2ln2−45,
故结论成立。
- 在曲线 x+y=1 上的横坐标为 a (0<a<1) 处作曲线的切线,将切线与 x 轴、y 轴所围成的图形绕 y 轴旋转一周,使得旋转体的体积最大,求 a 的值。
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答案:
a=94。
解析:
设切点为 (a,(1−a)2)。由隐函数切线公式可得切线截距式
ax+1−ay=1。
因此切线与坐标轴围成的三角形绕 y 轴旋转形成圆锥,其底面半径为 a,高为 1−a,故
V(a)=3πa(1−a)。
令 s=a∈(0,1),则只需最大化 s2(1−s)。其导数为
s(2−3s),故最大值在 s=32 处取得,从而
a=s2=94。
- 设函数 x=x(y) 满足
y=∫4−y64y3dx,
L 为曲线 x=x(y) (−2≤y≤−1),且 x(−1)=−169,记 L 的长度为 S。求:
(1) S;
(2) x 的最大值。
查看答案与解析
答案:
(1) S=1621;
(2) xmax=−28/33。
解析:
题式表示
dxdy=4−y64y3,
故
dydx=4y34−y6=y31−4y3。
积分并利用 x(−1)=−169,得
x(y)=−2y21−16y4。
弧长根式可化简为
1+(dydx)2=−(4y3+y31),
其中利用了 y<0。于是
S=∫−2−1−(4y3+y31)dy=1621。
求最大值时令
dydx=0,得 y6=4。在给定区间内
y=−21/3。
代入 x(y),得
xmax=−28/33。
- 设连续函数 y=y(x) 满足
y′+yt2x3=xy,
y(1)=9−t2,其中 0≤t≤3,x>0。
(1) 利用换元 z=y2 求 y=y(x) 的表达式;
(2) 令 f(x)=91∫03y(x)dt,求曲线 y=f(x) 的全长。
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答案:
(1) y=x9−t2x2;
(2) L=21+4π。
解析:
将方程乘以 2y,令 z=y2,得
z′−x2z=−2t2x3。
乘以积分因子 x−2:
(x2z)′=−2t2x。
积分得
z=x2(C−t2x2)。
由 z(1)=9−t2 得 C=9,故取非负支
y=x9−t2x2。
为使对所有 0≤t≤3 均为实数,应有 0≤x≤1。于是
f(x)=91∫03x9−t2x2dt=91∫03x9−u2du。
由变上限求导,
f′(x)=1−x2。
故全长为
L=∫011+[f′(x)]2dx=∫012−x2dx=21+4π。
- 设非负函数 y(x) 是微分方程 2yy′=cosx 满足条件 y(0)=0 的解,求曲线
fn(x)=n∫0x/ny(t)dt(0≤x≤nπ)
的弧长。
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答案:
4n。
解析:
由
(y2)′=cosx,y(0)=0,
得在 [0,π] 上
y(x)=sinx。
于是
fn′(x)=y(nx)=sinnx。
弧长为
L=∫0nπ1+sinnxdx。
令 u=x/n,则
L=n∫0π1+sinudu。
在 [0,π] 上,
1+sinu=sin2u+cos2u,
故积分等于 4,从而 L=4n。
- 设函数 y=f(x) 在区间 [0,a] 上非负,f′′(x)>0,且 f(0)=0,有一块质量均匀分布的平板 D,其占据的区域是曲线 y=f(x) 与直线 x=a 以及 x 轴围成的平面图形。用 xˉ 表示平板 D 的质心的横坐标,证明 xˉ>32a。
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答案:
xˉ>32a。
解析:
平板的面积与对 y 轴的一阶矩分别为
A=∫0af(x)dx,
My=∫0axf(x)dx,
故
xˉ=∫0af(x)dx∫0axf(x)dx。
由于 f′′(x)>0 且 f(0)=0,函数
g(x)=xf(x)(x>0)
严格递增。于是相对于基础权函数 x,再乘一个严格递增因子 g(x) 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 f(x)=xg(x),得到
xˉ>∫0axdx∫0ax2dx=a2/2a3/3=32a。
- 求摆线的一拱
{x=a(t−sint),y=a(1−cost)(0≤t≤2π,a>0)
与 x 轴围成的平面图形绕 x 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 V=5π2a3;
表面积 S=364πa2。
解析:
有
dtdx=a(1−cost),
ds=(x′)2+(y′)2dt=2asin2tdt。
体积为
V=π∫y2dx=πa3∫02π(1−cost)3dt。
展开并利用三角函数在整周期上的积分,
∫02π(1−cost)3dt=5π,
故 V=5π2a3。
旋转曲面面积为
S=2π∫yds=2π∫02πa(1−cost)⋅2asin2tdt。
由于 1−cost=2sin22t,
S=8πa2∫02πsin32tdt=8πa2⋅38=364πa2。
- 已知摆线的参数方程为
{x=a(t−sint),y=a(1−cost),
其中 0≤t≤2π,常数 a>0。设该摆线一拱的弧长的数值等于该弧段绕 x 轴旋转一周所形成的旋转曲面面积的数值,求 a 的值。
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答案:
a=8π3。
解析:
一拱弧长为
L=∫02π2asin2tdt=8a。
由上一题,绕 x 轴旋转所得曲面面积为
S=364πa2。
按题意 L=S,故
8a=364πa2。
由于 a>0,约去 8a 得
a=8π3。