THE CALCULUS LIFESAVER / 第 29 章
体积、弧长与表面积
从微小几何单元建立积分,正确选择切片方向和旋转半径。
5 组核心追问3 组练习原书 pp. 617–644
先修:第 16–19、27 章
这一章怎么读- 先看问题,暂停一下,用自己的话作答。
- 卡住时只展开提示,再阅读推理与公式。
- 独立做三组练习;隔一天不看解答重做错题。
建议将一章分成数次学习;以能解释理由、独立做题为进度标准。
本章目录
29.1 圆盘与垫片29.1.2–29.1.6 圆柱壳与选法29.2 一般立体29.3 弧长与速度29.4 旋转曲面面积 追问 0129.1 圆盘与垫片
同一平面区域绕不同轴旋转,公式能原封不动套用吗?
先看一个提示
每个微元到旋转轴的距离变了。
展开推理与讲解
垂直旋转轴切片,截面是圆盘或圆环,面积为外半径平方减内半径平方再乘 π。半径是几何距离,不一定等于函数值。绕水平线或竖直线平移轴时,先画出到轴的距离。应检查区域是否跨轴,防止错误扣除本不存在的内孔。
继续追问:轴为 y=2 时,点的旋转半径应该怎样写?
核对这一步的回答
到直线 y=2 的距离为 ∣y−2∣,具体外内半径需按区域位置判断。
追问 0229.1.2–29.1.6 圆柱壳与选法
平行于旋转轴的小条旋转后形成什么?
先看一个提示
周长乘高度乘厚度。
展开推理与讲解
壳法体积微元为 2πρhds。纵条绕纵轴形成壳,横条绕横轴形成壳;与垫片法比较,选择不用复杂求逆和过多分段的一种。不同小条若生成重叠壳会重复计数,跨轴情形尤其应先梳理实际区域。
继续追问:为什么“壳半径”与“壳高度”不是同一个量?
核对这一步的回答
半径是到轴的距离,高度沿轴方向由区域上下边界或左右边界确定。
追问 0329.2 一般立体
没有旋转对称,积分还能求体积吗?
先看一个提示
只需要知道每片截面积。
展开推理与讲解
用垂直于一条轴的薄片,把截面积 A(x) 乘厚度 dx 后积分。截面可能是正方形、三角形或半圆,先用底部区域确定截面的边长,再套截面面积公式。应区分边长与面积,量纲检查可抓住漏平方错误。
继续追问:如果截面是边长 s(x) 的正方形,A(x) 应是什么?
核对这一步的回答
A(x)=s(x)2,所以体积为 ∫s(x)2dx。
追问 0429.3 弧长与速度
弧长为什么不能简单积分函数高度?
先看一个提示
曲线小段的长度来自水平与竖直增量的勾股关系。
展开推理与讲解
对于光滑图像,ds=1+(f′)2dx;参数曲线则为 ds=x′2+y′2dt。对速率积分给运动路程。如果参数曲线重复走过,得到含重复的总行程,未必是几何轨迹只算一次的长度。
继续追问:一条水平线的长度能否从公式立即还原?
核对这一步的回答
可以。水平线导数为零,弧长是 ∫ab1dx=b−a。
追问 0529.4 旋转曲面面积
表面积的微元为什么用弧长而不是水平宽度?
先看一个提示
小段旋转近似圆台侧面,其斜高沿着曲线。
展开推理与讲解
旋转面面积元素为圆周长乘弧长,即 2πρds。绕横轴时半径常为 ∣y∣,绕纵轴常为 ∣x∣,平移轴改为相应距离。这里只算所扫曲面,不自动包含底面或端盖;重叠表面同样需要避免重复计数。
继续追问:同一个半径为什么体积圆盘公式是平方,而这里是一阶?
核对这一步的回答
圆盘面积与半径平方成比例;曲面微元使用圆周长,与半径一次方成比例。
本章练习 · 先尝试,再揭示
本书没有独立章末习题集。以下明确区分原书例题、正文结论改编及补充自测;页码是印刷页码,链接另标 PDF 页序。延伸问法已在题目或解答中说明。
练习 1 / 3原书例题重述 · 29.1.1 · 原书 p. 619(PDF 第 644 页)↗
区域 0≤y≤1−(x−3)2、2≤x≤4 绕横轴旋转,求体积。
写下我的思路
提示一 · 从哪里开始
这是平移后的上半圆。
提示二 · 关键转折
圆盘半径为 y。
参考解答 · 完成尝试后再展开
V=π∫24[1−(x−3)2]dx。令 u=x−3,得 π∫−11(1−u2)du=4π/3,与半径 1 的球体积一致。
练习 2 / 3原书例题重述 · 29.1.2 · 原书 p. 620(PDF 第 645 页)↗
将上一题的同一区域绕纵轴旋转,用壳法求体积。
写下我的思路
提示一 · 从哪里开始
壳半径是 x,高度是半圆高度。
提示二 · 关键转折
令 u=x−3 后,把奇函数部分与偶函数部分分开。
参考解答 · 完成尝试后再展开
V=2π∫24x1−(x−3)2dx=2π∫−11(u+3)1−u2du。奇部分为零,半圆面积为 π/2,故 V=3π2。
练习 3 / 3补充自测 · 对应 29.3–29.4 · 本笔记编写
求 y=x 在 [0,1] 上的弧长及绕横轴旋转的侧面积。
写下我的思路
提示一 · 从哪里开始
斜率恒为 1。
提示二 · 关键转折
ds=2dx,旋转半径为 x。
参考解答 · 完成尝试后再展开
弧长 2;侧面积 2π∫01x2dx=π2。这等于半径 1、斜高 2 的圆锥侧面积,未含底面 π。