用积分求面积

积分学的一个用途,是帮助我们求出由曲线围成的面积。

我们一点一点来接近这个题目。

设 $AB$(图 52)是一条方程已知的曲线。 也就是说,这条曲线上的 $y$ 是 $x$ 的某个已知函数。 取曲线上从点 $P$ 到点 $Q$ 的一段来想。

从 $P$ 向下作垂线 $PM$,再从点 $Q$ 向下作另一条垂线 $QN$。 于是记 $OM = x_1$、$ON = x_2$,并记纵坐标 $PM = y_1$、$QN = y_2$。这样,我们就标出了曲线段 $PQ$ 下方的面积 $PQNM$。问题是:怎样计算这个面积的值

解决这个问题的秘诀,是把这个面积想成分成许多窄条, 每一条的宽都是 $dx$。$dx$ 取得越小,$x_1$ 和 $x_2$ 之间这样的窄条就越多。显然,整个面积等于所有这些窄条面积的和。 于是我们的任务就是找出任意一条窄条面积的表达式,然后对它积分, 也就是把所有窄条加起来。现在想一想任意一条窄条。它会像这样: 夹在两条竖边之间,底边是平的 $dx$,上边则是略微弯曲的斜边。

假设我们把它的平均高度取为 $y$;那么,由于它的宽是 $dx$,面积就是 $y\, dx$。而且宽度可以随我们愿意取得很窄; 只要取得足够窄,它的平均高度就会等同于中点处的高度。 现在把整个面积的未知值记为 $S$,表示面积。一个窄条的面积 不过是整个面积的一小片,因此可以叫作 $dS$。所以可以写成 \[ \text{一条窄条面积} = dS = y · dx. \] 如果把所有窄条加起来,就得到 \[ \text{总面积 $S$} = \int dS = \int y\, dx. \]

因此,要找到 $S$,就取决于在这个具体情形中,当我们知道 $y$ 作为 $x$ 的函数是什么时,能不能积分 $y · dx$。

例如,如果有人告诉你,眼前这条特定曲线满足 $y = b + ax^2$,你当然可以把这个值代入表达式,并说: 那我必须求 $\int (b + ax^2)\, dx$。

这样固然不错;但稍微想一想就会发现,还必须再做一点事情。 因为我们要求的并不是整条曲线下方的面积,而只是左边由 $PM$ 限制、右边由 $QN$ 限制的那块面积,所以我们必须做些事情, 把面积限定在这些“”之间。

这就引出了一个新概念,也就是定限积分。我们假设 $x$ 是变化的;就目前目的而言,不需要任何低于 $x_1$(也就是 $OM$) 的 $x$ 值,也不需要任何高于 $x_2$(也就是 $ON$)的 $x$ 值。 当一个积分这样被两个限界定时,我们把两个值中较低的那个叫作 下限,较高的那个叫作上限。任何这样带有限的积分, 我们称为定积分,以区别于没有指定限的一般积分

在表示积分指令的符号中,限分别写在积分号的上方和下方。 因此,指令 \[ \int_{x=x_1}^{x=x_2} y · dx \] 读作:求 $y · dx$ 在下限 $x_1$ 与上限 $x_2$ 之间的积分。

有时这件事写得更简单: \[ \int^{x_2}_{x_1} y · dx. \] 好,可是拿到这样的指令后,怎样求两个限之间的积分呢?

再看图 52。假设我们能够求出从 $A$ 到 $Q$ 这段较大曲线下方的面积,也就是从 $x = 0$ 到 $x = x_2$ 的面积, 记为 $AQNO$。再假设我们能够求出从 $A$ 到 $P$ 那段较小曲线 下方的面积,也就是从 $x = 0$ 到 $x = x_1$ 的面积,即 $APMO$。 那么,用较大面积减去较小面积,剩下的就是 $PQNM$, 这正是我们想要的面积。这里就有了做法的线索: 两个限之间的定积分,就是按上限算出的积分与按下限算出的积分 之间的

那么继续。先这样求一般积分: \[ \int y\, dx, \] 而且,由于 $y = b + ax^2$ 是这条曲线(图 52)的方程, \[ \int (b + ax^2)\, dx \] 这就是我们必须求出的一般积分。

按规则完成这个积分,得到 \[ bx + \frac{a}{3} x^3 + C; \] 这就是从 $0$ 到我们指定的任意 $x$ 值为止的整个面积。

因此,到上限 $x_2$ 为止的较大面积是 \[ bx_2 + \frac{a}{3} x_2^3 + C; \] 而到下限 $x_1$ 为止的较小面积是 \[ bx_1 + \frac{a}{3} x_1^3 + C. \]

现在,用较大者减去较小者,就得到面积 $S$ 的值: \[ \text{面积 $S$} = b(x_2 - x_1) + \frac{a}{3}(x_2^3 - x_1^3). \]

这就是我们要的答案。给它一些数值吧。设 $b = 10$, $a = 0.06$,并且 $x_2 = 8$、$x_1 = 6$。那么面积 $S$ 等于 \begin{gather*} 10(8 - 6) + \frac{0.06}{3} (8^3 - 6^3) \\ \begin{aligned} &= 20 + 0.02(512 - 216) \\ &= 20 + 0.02 × 296 \\ &= 20 + 5.92 \\ &= 25.92. \end{aligned} \end{gather*}

在这里,把我们关于限所弄清楚的事情用符号写出来: \[ \int^{x=x_2}_{x=x_1} y\, dx = y_2 - y_1, \] 其中 $y_2$ 是 $y\, dx$ 对应于 $x_2$ 的积分值, 而 $y_1$ 是对应于 $x_1$ 的积分值。

所有定限积分,都需要这样求出两个值之间的差。 还要注意,在相减时,所加的常数 $C$ 消失了。

例题 (1) 为了熟悉这个过程,我们取一个事先知道答案的情形。 求三角形(图 53)的面积,它的底为 $x = 12$, 高为 $y = 4$。从显然的量法可知,答案会是 $24$。

现在,这里的“曲线”是一条斜直线,它的方程是 \[ y = \frac{x}{3}. \]

所求面积就是 \[ \int^{x=12}_{x=0} y · dx = \int^{x=12}_{x=0} \frac{x}{3} · dx. \]

对 $\dfrac{x}{3}\, dx$ 积分(见这里), 并把一般积分的值写在方括号中,上下标出限,就得到 \begin{align*} \text{面积}\; &= \left[ \frac{1}{3} · \frac{1}{2} x^2 \right]^{x=12}_{x=0} + C \\ &= \left[ \frac{x^2}{6} \right]^{x=12}_{x=0} + C \\ &= \left[ \frac{12^2}{6} \right] - \left[ \frac{0^2}{6} \right] \\ &= \frac{144}{6} = 24.\quad Ans. \end{align*}

这个计算小诀窍相当令人惊奇,我们用一个简单例子检验一下, 让自己信服。找一张方格纸,最好每个方向都是八分之一英寸 或十分之一英寸的小方格。在这张方格纸上画出方程 \[ y = \frac{x}{3}. \]

要描出的数值是:

$x$$0$$3$$6$$9$$12$
$y$$0$$1$$2$$3$$4$

图像见图 54

现在,从 $x = 0$ 一直到右边的 $x = 12$,通过 数小方格来算出曲线下方的面积。这里有 $18$ 个完整方格, 还有四个三角形,每个三角形面积等于 $1\frac{1}{2}$ 个方格; 总共就是 $24$ 个方格。因此,$24$ 就是 $\dfrac{x}{3}\, dx$ 在下限 $x = 0$ 与上限 $x = 12$ 之间积分的数值。

作为进一步练习,证明同一个积分在 $x = 3$ 与 $x = 15$ 两个限之间的值为 $36$。

(2) 求曲线 $y = \dfrac{b}{x + a}$ 在 $x = x_1$ 与 $x = 0$ 两个限之间的面积。 \begin{align*} \text{面积} &= \int^{x=x_1}_{x=0} y · dx = \int^{x=x_1}_{x=0} \frac{b}{x+a}\, dx \\ &= b \bigl[\log_\epsilon(x + a) \bigr]^{x_1} _{0} + C \\ &= b \bigl[\log_\epsilon(x_1 + a) - \log_\epsilon(0 + a)\bigr] \\ &= b \log_\epsilon \frac{x_1 + a}{a}.\quad Ans . \end{align*}

注意:注意,在处理定积分时,常数 $C$ 总会通过相减消失。

还要注意,用较大部分减去一部分来求差,其实是很常见的做法。 怎样求一个平面圆环(图 56)的面积? 它的外半径是 $r_2$,内半径是 $r_1$。你从量法知道, 外圆面积是 $\pi r_2^2$;然后求出内圆面积 $\pi r_1^2$; 再用前者减去后者,得到圆环面积 $= \pi(r_2^2 - r_1^2)$; 也可以写成 \[ \pi(r_2 + r_1)(r_2 - r_1) \] $= \text{圆环平均周长} × \text{圆环宽度}$.

(3) 这里还有一个情形,也就是衰减曲线。求方程为 以下形式的曲线(图 57)在 $x = 0$ 与 $x = a$ 之间的面积: \begin{align*} y &= b\epsilon^{-x}. \\ \text{面积} &= b\int^{x=a} _{x=0} \epsilon^{-x} · dx. \\ \end{align*} 积分(见这里)给出 \begin{align*} &= b\left[-\epsilon^{-x}\right]^a _0 \\ &= b\bigl[-\epsilon^{-a} - (-\epsilon^{-0})\bigr] \\ &= b(1-\epsilon^{-a}). \end{align*}

(4) 另一个例子来自理想气体的绝热曲线,它的方程是 $pv^n = c$,其中 $p$ 表示压强,$v$ 表示体积, $n$ 的值为 $1.42$(图 58)。

求从体积 $v_2$ 到体积 $v_1$ 的曲线下方面积 (它与突然压缩气体所做的功成正比)。

这里有 \begin{align*} \text{面积} &= \int^{v=v_2}_{v=v_1} cv^{-n} · dv \\ &= c\left[\frac{1}{1-n} v^{1-n} \right]^{v_2} _{v_1} \\ &= c \frac{1}{1-n} (v_2^{1-n} - v_1^{1-n}) \\ &= \frac{-c}{0.42}\left(\frac{1}{v_2^{0.42}} - \frac{1}{v_1^{0.42}}\right). \end{align*}

一个练习。

证明通常的量法公式:半径为 $R$ 的圆,其面积 $A$ 等于 $\pi R^2$。

考虑圆面上的一个基本环带或圆环(图 59), 宽为 $dr$,位于离圆心距离 $r$ 的地方。我们可以把整个圆面 看作由这种窄环带组成;整个面积 $A$ 就只是所有这些基本环带 从圆心到边缘的积分,也就是从 $r = 0$ 积到 $r = R$。

因此,我们要为这个窄环带的基本面积 $dA$ 找一个表达式。 把它想成宽为 $dr$ 的窄条,而长度就是半径为 $r$ 的圆的周长, 也就是 $2 \pi r$。于是窄环带的面积为 \[ dA = 2 \pi r\, dr. \]

因此,整个圆的面积为: \[ A = \int dA = \int^{r=R}_{r=0} 2 \pi r · dr = 2 \pi \int^{r=R}_{r=0} r · dr. \]

现在,$r · dr$ 的一般积分是 $\frac{1}{2} r^2$。因此, \begin{align*} A &= 2 \pi \bigl[\tfrac{1}{2} r^2 \bigr]^{r=R}_{r=0}; \\ \text{即}\quad A &= 2 \pi \bigl[\tfrac{1}{2} R^2 - \tfrac{1}{2}(0)^2\bigr]; \\ \text{于是}\; A &= \pi R^2. \end{align*}

另一个练习。

来求曲线 $y = x - x^2$ 的正值部分的平均纵坐标, 该曲线见图 60。要找平均纵坐标,就必须先求出 $OMN$ 这块面积,再除以底边 $ON$ 的长度。但在求面积之前, 我们必须确定底边的长度,这样才知道要积分到哪个限。 在 $N$ 点,纵坐标 $y$ 的值为零;因此,我们必须看方程, 找出什么 $x$ 值会使 $y = 0$。显然,如果 $x$ 是 $0$, $y$ 也会是 $0$,曲线经过原点 $O$;但当 $x=1$ 时, $y=0$ 也成立;所以 $x=1$ 给出了点 $N$ 的位置。

于是所求面积为 \begin{align*} &= \int^{x=1}_{x=0} (x-x^2)\, dx \\ &= \left[\tfrac{1}{2} x^2 - \tfrac{1}{3} x^3 \right]^{1}_{0} \\ &= \left[\tfrac{1}{2} - \tfrac{1}{3} \right] - [0-0] \\ &= \tfrac{1}{6}. \end{align*}

而底边长度是 $1$。

因此,这条曲线的平均纵坐标 $= \frac{1}{6}$。

[注意:用求导来找最大纵坐标的高度,会是一个漂亮而简单的 极值练习。它一定大于平均值。]

任意曲线在 $x= 0$ 到 $x = x_1$ 范围内的平均纵坐标, 由下面的表达式给出: \[ \text{平均 $y$} = \frac{1}{x_1} \int^{x=x_1}_{x=0} y · dx. \]

同样,也可以求出旋转体的表面积。

例题。曲线 $y=x^2-5$ 绕 $x$ 轴旋转。求 $x=0$ 到 $x=6$ 之间这段曲线所生成的曲面的面积。

曲线上纵坐标为 $y$ 的一点,会描出一个长度为 $2\pi y$ 的圆周; 与这一点对应、宽为 $dx$ 的曲面窄带,其面积为 $2\pi y\, dx$。 总面积为 \begin{align*} 2\pi \int^{x=6}_{x=0} y\, dx &= 2\pi \int^{x=6}_{x=0} (x^2-5)\, dx = 2\pi \left[\frac{x^3}{3} - 5x\right]^6_0 \\ &= 6.28 × 42=263.76. \end{align*}

极坐标中的面积。

如果某块面积边界的方程,是用边界上一点到固定点 $O$ (见图 61,称为极点)的距离 $r$, 以及 $r$ 与正水平方向 $OX$ 所成的角来表示的, 那么刚才说明的过程稍作修改也同样容易适用。 这时不考虑面积窄条,而考虑一个小三角形 $OAB$, 其在 $O$ 处的角为 $d\theta$,然后求出组成所需面积的 所有小三角形之和。

这样一个小三角形的面积近似为 $\dfrac{AB}{2}×r$,或 $\dfrac{r\, d\theta}{2}×r$;因此,曲线与 $r$ 的两个位置之间所包含的那部分面积, 对应于角 $\theta_1$ 和 $\theta_2$,由下式给出: \[ \tfrac{1}{2} \int^{\theta=\theta_2}_{\theta=\theta_1} r^2\, d\theta. \]


例题 (1) 求半径为 $a$ 英寸的圆中,角度为 $1$ 弧度的扇形面积。

这个圆的极坐标方程显然是 $r=a$。面积为 \[ \tfrac{1}{2} \int^{\theta=\theta_2}_{\theta=\theta_1} a^2\, d\theta = \frac{a^2}{2} \int^{\theta=1}_{\theta=0} d\theta = \frac{a^2}{2}. \]

(2) 求一条曲线第一象限中的面积,这条曲线称为“帕斯卡蜗线”, 其极坐标方程为 $r=a(1+\cos \theta)$。 \begin{align*} \text{面积} &= \tfrac{1}{2} \int^{\theta=\frac{\pi}{2}}_{\theta=0} a^2(1+\cos \theta)^2\, d\theta \\ &= \frac{a^2}{2} \int^{\theta=\frac{\pi}{2}}_{\theta=0} (1+2 \cos \theta + \cos^2 \theta)\, d\theta \\ &= \frac{a^2}{2} \left[\theta + 2 \sin \theta + \frac{\theta}{2} + \frac{\sin 2 \theta}{4} \right]^{\frac{\pi}{2}}_{0} \\ &= \frac{a^2(3\pi+8)}{8}. \end{align*}

用积分求体积。

我们怎样处理曲面上一条小窄带的面积,当然也可以同样容易地 处理立体中一片小薄片的体积。我们可以把组成整个立体的所有 小薄片加起来,求出它的体积;这和把组成一块面积的所有小片 加起来,求出所处理图形的最终面积,是同一回事。


例题 (1) 求半径为 $r$ 的球的体积。

一个薄球壳的体积为 $4\pi x^2\, dx$(见 图 59);把组成这个球的所有同心球壳加起来,就有 \[ \text{球体积} = \int^{x=r}_{x=0} 4\pi x^2\, dx = 4\pi \left[\frac{x^3}{3} \right]^r_0 = \tfrac{4}{3} \pi r^3. \]

我们也可以这样做:球的一片厚度为 $dx$ 的切片, 其体积为 $\pi y^2\, dx$(见图 62)。 此外,$x$ 和 $y$ 由下式联系: \[ y^2 = r^2 - x^2. \] \begin{align*} \text{因此}\; \text{球体积} &= 2 \int^{x=r}_{x=0} \pi(r^2-x^2)\, dx \\ &= 2 \pi \left[ \int^{x=r}_{x=0} r^2\, dx - \int^{x=r}_{x=0} x^2\, dx \right] \\ &= 2 \pi \left[r^2x - \frac{x^3}{3} \right]^r_0 = \frac{4\pi}{3} r^3. \end{align*}

(2) 求曲线 $y^2=6x$ 在 $x=0$ 到 $x=4$ 之间绕 $x$ 轴旋转 所生成的立体体积。

这个立体的一片薄片体积为 $\pi y^2\, dx$。 \begin{align*} \text{因此}\; \text{体积} &= \int^{x=4}_{x=0} \pi y^2\, dx = 6\pi \int^{x=4}_{x=0} x\, dx \\ &= 6\pi \left[ \frac{x^2}{2} \right]^4_0 = 48\pi = 150.8. \end{align*}

关于均方根值。

在物理学的某些分支中,尤其是在研究交流电时,需要能够计算 一个变量的均方根值。所谓“均方根值”,指的是所考察两个限之间 所有数值的平方的平均值再开平方。任意量的均方根值还有别的名称: “有效”值,或“RMS”(均方根)值。 法语术语是 valeur efficace。如果所考察的函数是 $y$, 并且要在 $x=0$ 与 $x=l$ 两个限之间取均方根值,那么均方根值表示为 \[ \sqrt[2] {\frac{1}{l} \int^l_0 y^2\, dx}. \]

例题 (1) 求函数 $y=ax$(图 63)的均方根值。

这里的积分是 $\int^l_0 a^2 x^2\, dx$, 也就是 $\frac{1}{3} a^2 l^3$。

除以 $l$ 并开平方,得到 \[ \text{均方根值} = \frac{1}{\sqrt 3}\, al. \]

这里的算术平均值是 $\frac{1}{2}al$;均方根值与算术平均值之比 (这个比值叫作波形因数)是 $\dfrac{2}{\sqrt 3}=1.155$。

(2) 求函数 $y=x^a$ 的均方根值。

积分为 $\int^{x=l}_{x=0} x^{2a}\, dx$,也就是 $\dfrac{l^{2a+1}}{2a+1}$。 因此 均方根值 = $\sqrt[2]{\dfrac{l^{2a}}{2a+1}}$。

(3) 求函数 $y=a^{\frac{x}{2}}$ 的均方根值。

积分为 $\int^{x=l}_{x=0} (a^{\frac{x}{2}})^2\, dx$, 也就是 $\int^{x=l}_{x=0} a^x\, dx$, 或 $\left[ \frac{a^x}{\log_\epsilon a} \right]^{x=l}_{x=0}$, 其值为 $\dfrac{a^l-1}{\log_\epsilon a}$。

因此,均方根值为 $\sqrt[2] {\dfrac{a^l - 1}{l \log_\epsilon a}}$。


习题 XVIII

(1) 求曲线 $y=x^2+x-5$ 在 $x=0$ 与 $x=6$ 之间的面积, 以及这些限之间的平均纵坐标。

(2) 求抛物线 $y=2a\sqrt x$ 在 $x=0$ 与 $x=a$ 之间的面积。 证明它等于由端点纵坐标及其横坐标所成矩形的三分之二。

(3) 求正弦曲线正值部分的面积和平均纵坐标。

(4) 求曲线 $y=\sin^2 x$ 正值部分的面积,并求平均纵坐标。

(5) 求曲线 $y=x^2 ± x^{\frac{5}{2}}$ 的两支在 $x=0$ 到 $x=1$ 之间所夹的面积;并求该曲线下支正值部分的面积 (见图 30)。

(6) 求底半径为 $r$、高为 $h$ 的圆锥体积。

(7) 求曲线 $y=x^3-\log_\epsilon x$ 在 $x=0$ 与 $x=1$ 之间的面积。

(8) 求曲线 $y=\sqrt{1+x^2}$ 在 $x=0$ 到 $x=4$ 之间绕 $x$ 轴旋转 所生成的体积。

(9) 求一条正弦曲线绕 $x$ 轴旋转所生成的体积。并求其表面积。

(10) 求曲线 $xy=a$ 在 $x=1$ 与 $x = a$ 之间那一部分的面积。 求这些限之间的平均纵坐标。

(11) 证明函数 $y=\sin x$ 在 $0$ 与 $\pi$ 弧度两个限之间的 均方根值是 $\dfrac{\sqrt2}{2}$。并求同一函数在相同限之间的 算术平均值;证明波形因数为 $=1.11$。

(12) 求函数 $x^2+3x+2$ 从 $x=0$ 到 $x=3$ 的算术平均值和均方根值。

(13) 求函数 $y=A_1 \sin x + A_1 \sin 3x$ 的均方根值和算术平均值。

(14) 某曲线的方程为 $y=3.42\epsilon^{0.21x}$。 求从 $x=2$ 处的纵坐标到 $x = 8$ 处的纵坐标之间, 曲线与 $x$ 轴所夹的面积。并求曲线在这些点之间的平均纵坐标高度。

(15) 证明:若某圆的面积等于一个极坐标图形面积的两倍, 则这个圆的半径等于该极坐标图形中所有 $r$ 值的均方根值。

(16) 求曲线 $y=±\dfrac{x}{6}\sqrt{x(10-x)}$ 绕 $x$ 轴旋转 所生成的体积。

答案

(1) $\text{面积} = 60$; $\text{平均纵坐标} = 10$.

(2) $\text{面积} = \frac{2}{3}(a × 2a \sqrt{a})$.

(3) $\text{面积} = 2$; $\text{平均纵坐标} = \dfrac{2}{\pi} = 0.637$.

(4) $\text{面积} = 1.57$; $\text{平均纵坐标} = 0.5$.

(5) $0.572$, $0.0476$.

(6) $\text{体积} = \pi r^2 \dfrac{h}{3}$.

(7) $1.25$.

(8) $79.4$.

(9) $\text{体积} = 4.9348$; $\text{表面积} = 12.57$(从 $0$ 到 $\pi$)。

(10) $a\log_\epsilon a$,   $\dfrac{a}{a - 1} \log_\epsilon a$.

(12) $\text{算术平均值} = 9.5$; $\text{均方根值} = 10.85$.

(13) $\text{均方根值} = \dfrac{1}{\sqrt{2}} \sqrt{A_1^2 + A_3^2}$; $\text{算术平均值} = 0$. 第一项涉及一个稍难的积分,可以这样表述:按定义,均方根值为 \[ \sqrt{\dfrac{1}{2\pi} \int_0^{2\pi} (A_1 \sin x + A_3 \sin 3x)^2\, dx}. \] 现在,下面所表示的积分 \[ \int (A_1^2 \sin^2 x + 2A_1 A_3 \sin x \sin 3x + A_3^2 \sin^2 3x)\, dx \] 如果把 $\sin^2 x$ 写成 \[ \dfrac{1 - \cos 2x}{2}. \] 对 $2\sin x \sin 3x$ 写成 $\cos 2x - \cos 4x$;对 $\sin^2 3x$, \[ \dfrac{1 - \cos 6x}{2}. \] 作这些代换并积分,得到(见这里) \[ \dfrac{A_1^2}{2} \left( x - \dfrac{\sin 2x}{2} \right) + A_1 A_3 \left( \dfrac{\sin 2x}{2} - \dfrac{\sin 4x}{4} \right) + \dfrac{A_3^2}{2} \left( x - \dfrac{\sin 6x}{6} \right). \] 在下限处,把 $0$ 代入 $x$ 会使这一切都消失;而在上限处, 把 $2\pi$ 代入 $x$,得到 $A_1^2 \pi + A_3^2 \pi$。 答案便由此得出。

(14) 面积为 $62.6$ 平方单位。平均纵坐标为 $10.42$。

(16) $436.3$。(这个立体是梨形的。)

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