第 8 讲:定积分的几何与物理应用

这一章的公式很多,但来源只有一个:把总量切成可加的小量,先写出局部近似 dUdU,再积分。

微元法的三步

如果所求总量 UU 对区间具有可加性:

  1. 选积分变量和变化区间;

  2. 在 [x,x+dx][x,x+dx] 上写出小量 dU=f(x) dxdU=f(x)\,dx;

  3. 在整个区间累加:

    U=∫abf(x) dx.U=\int_a^bf(x)\,dx.

困难通常不在积分,而在 dUdU 的建模。应先画图、确定小片的几何意义和正负,再写积分。

平面图形面积

直角坐标

若区域满足

a≤x≤b,f1(x)≤y≤f2(x),a\le x\le b,\qquad f_1(x)\le y\le f_2(x),

则竖条面积微元为

dA=[f2(x)−f1(x)] dx,dA=[f_2(x)-f_1(x)]\,dx,

所以

A=∫ab[f2(x)−f1(x)] dx.A=\int_a^b[f_2(x)-f_1(x)]\,dx.

若横向切片更简单,可写

A=∫cd[右边界−左边界] dy.A=\int_c^d [\text{右边界}-\text{左边界}]\,dy.

积分前要找曲线交点。若“上、下”或“左、右”关系在区间中改变,应分段积分。

极坐标

由两条射线 θ=α,θ=β\theta=\alpha,\theta=\beta 和曲线 r=r(θ)r=r(\theta) 围成的面积:

A=12∫αβr2(θ) dθ.A=\frac12\int_\alpha^\beta r^2(\theta)\,d\theta.

两条极坐标曲线之间:

A=12∫αβ[r外2(θ)−r内2(θ)] dθ.A=\frac12\int_\alpha^\beta \left[r_{\text{外}}^2(\theta) -r_{\text{内}}^2(\theta)\right]\,d\theta.

极坐标图形常重复描绘,积分区间必须按“恰好扫过一次区域”来确定。

立体体积

若垂直于 xx 轴的截面面积为 A(x)A(x):

V=∫abA(x) dx.V=\int_a^bA(x)\,dx.

圆盘和圆环

区域绕 xx 轴旋转,外半径 R(x)R(x)、内半径 r(x)r(x):

dV=π[R2(x)−r2(x)]dx,dV=\pi\left[R^2(x)-r^2(x)\right]dx, V=π∫ab[R2(x)−r2(x)]dx.V=\pi\int_a^b \left[R^2(x)-r^2(x)\right]dx.

若没有空腔,令 r=0r=0。

柱壳法

若竖条绕 yy 轴旋转,半径为 xx、高度为 h(x)h(x):

dV=2πxh(x) dx.dV=2\pi xh(x)\,dx.

圆盘法与柱壳法都正确,选择能避免求反函数或复杂分段的方向。

旋转曲面面积

曲线 y=f(x)≥0y=f(x)\ge0 绕 xx 轴旋转:

dS=2πf(x) ds,dS=2\pi f(x)\,ds,

而

ds=1+[f′(x)]2 dx.ds=\sqrt{1+[f'(x)]^2}\,dx.

故

S=2π∫abf(x)1+[f′(x)]2 dx.S=2\pi\int_a^b f(x)\sqrt{1+[f'(x)]^2}\,dx.

曲线绕 yy 轴旋转时,半径改为 ∣x∣|x|:

S=2π∫ab∣x∣1+[f′(x)]2 dx.S=2\pi\int_a^b |x|\sqrt{1+[f'(x)]^2}\,dx.

面积公式中的半径不能为负,因此必要时加绝对值。

平面曲线弧长

直角坐标曲线 y=f(x)y=f(x):

L=∫ab1+[f′(x)]2 dx.L=\int_a^b\sqrt{1+[f'(x)]^2}\,dx.

参数曲线 x=x(t),y=y(t)x=x(t),y=y(t):

L=∫αβ[x′(t)]2+[y′(t)]2 dt.L=\int_\alpha^\beta \sqrt{[x'(t)]^2+[y'(t)]^2}\,dt.

极坐标曲线 r=r(θ)r=r(\theta):

L=∫αβr2(θ)+[r′(θ)]2 dθ.L=\int_\alpha^\beta \sqrt{r^2(\theta)+[r'(\theta)]^2}\,d\theta.

弧长是非负几何量。参数方向反转时,必要时交换积分上下限或取绝对值。

曲率

曲率衡量切线方向改变的快慢:

κ=∣dαds∣.\kappa=\left|\frac{d\alpha}{ds}\right|.

对 y=f(x)y=f(x):

κ=∣f′′(x)∣(1+[f′(x)]2)3/2.\kappa =\frac{|f''(x)|} {\left(1+[f'(x)]^2\right)^{3/2}}.

曲率半径为

ρ=1κ.\rho=\frac1\kappa.

参数曲线:

κ=∣x′y′′−y′x′′∣((x′)2+(y′)2)3/2.\kappa =\frac{|x'y''-y'x''|} {\left((x')^2+(y')^2\right)^{3/2}}.

直线的曲率为 00;半径为 RR 的圆的曲率为 1/R1/R。

液体压力

静止液体在深度 hh 处压强为

p=ρgh.p=\rho gh.

竖直平板上不同高度压强不同。取水平窄条,若该深度处宽度为 w(y)w(y):

dP=ρg h(y) w(y) dy,dP=\rho g\,h(y)\,w(y)\,dy,

所以

P=∫ρg h(y) w(y) dy.P=\int \rho g\,h(y)\,w(y)\,dy.

坐标原点若放在液面,深度通常是 −y-y 或液面高度减去 yy,不能直接把坐标值当深度。

变力做功

一维运动中,位置 xx 处受力 F(x)F(x):

dW=F(x) dx,dW=F(x)\,dx, W=∫abF(x) dx.W=\int_a^bF(x)\,dx.

力与位移方向相反时功为负。弹簧满足 Hooke 定律 F=kxF=kx,从 x=ax=a 拉到 x=bx=b 的功为

W=k2(b2−a2).W=\frac k2(b^2-a^2).

质量、重心和转动惯量

线密度为 λ(x)\lambda(x) 的细杆:

dm=λ(x) dx,dm=\lambda(x)\,dx, m=∫abλ(x) dx.m=\int_a^b\lambda(x)\,dx.

重心坐标:

xˉ=∫abxλ(x) dx∫abλ(x) dx.\bar x =\frac{\int_a^bx\lambda(x)\,dx} {\int_a^b\lambda(x)\,dx}.

关于原点的转动惯量:

I=∫abx2λ(x) dx.I=\int_a^bx^2\lambda(x)\,dx.

平面薄片则把 dmdm 写成面密度乘面积微元。公式的共同结构都是

总量=∫局部权重 dm.\text{总量}=\int \text{局部权重}\,dm.

建模时的检查

  • 所求量是否可加?
  • 积分变量覆盖区域一次还是重复覆盖?
  • 面积、体积、弧长、质量应为非负,是否出现错误符号?
  • 旋转半径是谁到旋转轴的距离?
  • 曲线交点或边界关系是否要求分段?
  • 物理量单位是否正确?例如压力积分后应为力的单位。

先写微元和区间,再做积分,能显著减少“积分算对但模型建错”的情况。

评论