單變量微積分筆記17——定積分的應用2(體積)


  定積分除了計算面積外,還可以應用在計算體積上。

圓盤法

  一條曲線y = f(x),如果曲線繞x軸旋轉,則曲線經過的區域將形成一個橄欖球形狀的體積,如下圖所示:

曲線繞x軸旋轉一周

  現在要計算體積。我們依然按照黎曼和切片的思路去計算,只不過這回需要一點想象力。

  將上圖的矩形繞x軸旋轉一周將得到一個半徑為y,高度為dx的圓盤:

矩形框繞x軸旋轉一周

  該圓盤的面積S(x)≈π(f(x))2,體積: Δv ≈ S(x)Δx,如果將整個圖形的體積切成n個圓盤:

  這就是圓盤法。

示例

  求半徑為a的球的體積。

  通過球體的公式可知,V =πa3(4/3),假設我們不知道這個公式,使用圓盤法求解。

  先將球體的最大橫截面投影到直角坐標系上,在對圓的上半部分切割,旋轉,如下圖所示:

  圓盤的底面積≈πy2,由此可以得到球體體積:

  還需要將y轉換為x。根據上圖中圓的公式(x – a)2 + y2 = a2,可得出y2 = 2ax - x2,於是:

  實際上我們得到了更多的信息,如果僅計算部分球體的體積,依然可以使用上面的結論,僅改變積分上限即可,如下圖所示:

  實際上可以把V = π(ax2 – x3/3)看作球體切片的公式。

殼層法

  假設坩堝內壁的橫截面曲線是y = x2,深度是a,計算坩堝的容積。

計算坩堝的容積

  我們依舊可以使用圓盤法計算,這是這次是繞y軸旋轉:

圓盤法

  圓盤的高度是Δy,所以需要將原函數轉換成y關於x的函數,在正半軸上,x = y1/2

  對於本例來說,圓盤法沒有問題,如果曲線的公式再復雜一點,就需要在反函數的轉換上耗費時間,如果我們直接縱向切割,使用dx代替dy,就無需對原函數進行轉換:

  矩形繞y軸旋轉一周將得到一個圓環,其厚度是dx,半徑是x,高度是a – x2,如下圖所示:

  如果展開圓環,將得到一個底面積是圓環周長,高度是dx的長方體,其體積:

  由此,坩堝的容積是:

單位產生的悖論

  在計算坩堝的容積時,我們最終得到V = πa2/2,如果坩堝深度是1m,代入公式得到π/2(m3);現在將1m換成100cm,因為高度是一樣的,所以我們期待得到同樣的結果,但是代入公式后,最終得到10000π/2(cm3)= 0.01π/2(m3)相差了100倍!這回有意思了。

  問題出在哪呢?仔細觀察最終結果的積分形式:

  積分的上限是a1/2,11/2 = 1,1001/2 = 10,因此單位不同將得到不同的結果。實際上這個公式違背了比例原則,將所有問題數學化的同時並沒有考慮到物理學中的量綱。這就好比重力加速度是9.8,但這個9.8是有單位的,單位是米每二次方秒,如果長度單位采用厘米,這個常數9.8也需要相應變化才能適用。

示例

示例1

  求y = 5y=x2 + 1所圍圖形繞y軸旋轉后得到的體積。

  用圓盤法計算,圓盤繞y軸旋轉,如下圖所示:

示例2

  求x=4y=x1/2x軸所圍圖形繞x=6旋轉后得到的體積。

  本例根據殼層法計算,如下圖所示:

  殼層(或圓環)的高是x1/2,半徑是6 – x,厚度是dx:

 


   出處:微信公眾號 "我是8位的"

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