一、求平面图形的面积
求曲线$y=f_1(x),y=f_2(x)$(均连续),$x=a,x=b,(a<b)$围成的平面图形面积,为:
$$ S=\int_a^b|f_2(x)-f_1(x)|\mathrm{d}x $$
二、求夹在两平面间的立体的体积
设$\Omega$为一空间立体,它夹在垂直于$Ox$轴的两平面$x=a,x=b$之间$(a<b)$,我们称$\Omega$为位于$[a,b]$上的空间立体。在区间$[a,b]$上任取一点$x$处,做垂直于$Ox$轴的平面,它截得立体$\Omega$的截面面积显然是$x$的函数,设$x$为连续函数,记为$A(x)$,$x\in[a,b]$,称为空间立体$\Omega$的界面面积函数。那么该立体的体积为:
$$ V=\int_a^bA(x)\mathrm{d}x $$
如果要求连续曲线$y=f(x)$,$Ox$轴及直线$x=a,x=b$所围成的曲边梯形绕$Ox$轴旋转而成的旋转体体积$V_x$,那么就把旋转体看成夹在两平行平面$x=a,x=b$之间,那么在$[a,b]$上的任意一点$x$处做#平行两底面的平面与立体相截,截面面积为:
$$ A(x)=\pi |f(x)|^2=\pi f^2(x) $$
代入上面体积公式,得:
$$ V_x=\pi\int_a^bf^2(x)\mathrm{d}x $$
如果要求连续曲线$y=f(x)$,直线$x=a,x=b,(0\leq a<b)$所围成的曲边梯形绕$Oy$轴旋转而成的旋转体体积$V_y$,那么就在$[a,b]$上的任意一点$x$处,取出以$Ox$长度为半径的圆柱面与立体相截,截面面积为:
$$ S(x)=2\pi x|f(x)| $$
将该柱体分为无数个很薄的空心柱体,厚度为$\mathrm{d}x$,由于厚度很薄,那么认为内外圆柱面面积相等,为$f(x)$,得到该部分的体积:
$$ \begin{aligned} \Delta V_y \approx &\pi(x+\mathrm{d}x)^2|f(x)|-\pi x^2|f(x)\\ =&2\pi x|f(x)|\mathrm{d}x+\pi|f(x)|\mathrm{d}x\cdot\mathrm{d}x\\ \approx&2\pi x|f(x)|\mathrm{d}x \end{aligned} $$
3、计算平面曲线弧长
设$A,B$是平面曲线弧$\Gamma$上的两个端点,在$\Gamma$上依次取点$A=M_1,M_2,M_3,\cdots,M_n=B$,做折线$M_0M_1M_2\cdots M_n$,以$s_n$记此折线的长,则:$s_n=\sum_{i=1}^n\overline{M_{i-1}M_i}$,记$\lambda=\max_{1\le i\le n}\overline{M_{i-1}M_i}$,若$\lim_{\lambda \to 0}s_n$存在,且此极限与曲线弧长上点$M_i$的取法无关,则该曲线$\Gamma$是可求长的。
若$\Gamma$参数方程为
$$ \begin{cases} x=\varphi(t),\\ y=\psi(t),\\ \end{cases}\qquad \alpha\le t\le\beta $$
则弧长$s$为:
$$ s=\int_\alpha^\beta\sqrt{\varphi'^2(t)+\psi'^2(t)}\mathrm{d}t $$
若$\Gamma$曲线方程为
$$ y=f(x),\qquad a\le x\le b $$
则弧长$s$为:
$$ s=\int_a^b\sqrt{1+f'^2(x)}\mathrm{d}x $$
若$\Gamma$曲线方程为
$$ \begin{cases} x=\psi(y),\\ y=y,\\ \end{cases} $$
则弧长$s$为:
$$ s=\int_c^d\sqrt{1+\psi'^2(y)}\mathrm{d}y $$
若$\Gamma$极坐标方程为
$$ r=r(\theta) $$
则弧长$s$为:
$$ s=\int_\alpha^\beta\sqrt{r^2(\theta)+r'^2(\theta)}\mathrm{d}\theta $$
同时还有弧长的微分公式:
$$ \mathrm{d}s=\sqrt{(\mathrm{d}x)^2+(\mathrm{d}y)^2} $$
四、求旋转体的侧面面积
由连续曲线$y=f(x)$,$x$轴及直线$x=a,x=b$所围平面图形绕$x$轴旋转所形成的旋转体的侧面面积$S_x$,可以看做是无数小区间的侧面积$\Delta S_x$,而$\Delta S_x$可以看成是上底半径为$|f(x)|$,下底半径为$|f(x+\Delta x)|$,母线为曲线弧长$\Delta s$的圆台的侧面积,因此 得到$\Delta S_x$的计算公式:
$$ \Delta S_x\approx 2\pi|f(x)|\sqrt{1+f'(x)}\Delta x $$
那么计算积分为:
$$ S_x=2\pi\int_a^b|f(x)|\sqrt{1+f'^2(x)}\mathrm{d}x $$
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