微积分 · 追问笔记
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
  1. 先看问题,暂停一下,用自己的话作答。
  2. 卡住时只展开提示,再阅读推理与公式。
  3. 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 01

29.1 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\pi。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。

V=π(R2r2)dsV=\pi\int(R^2-r^2)\,ds
追问 02

29.1.2–29.1.6 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 2πρhds2\pi\rho h\,ds。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。

V=2πρ(s)h(s)dsV=2\pi\int\rho(s)h(s)\,ds
追问 03

29.2 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)A(x) 乘厚度 dxdx 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。

V=abA(x)dxV=\int_a^bA(x)dx
追问 04

29.3 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)2dxds=\sqrt{1+(f')^2}dx;参数曲线则为 ds=x2+y2dtds=\sqrt{x'^2+y'^2}dt。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。

L=ab1+(f)2dx=αβx2+y2dtL=\int_a^b\sqrt{1+(f')^2}\,dx=\int_\alpha^\beta\sqrt{x'^2+y'^2}\,dt
追问 05

29.4 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 2πρds2\pi\rho\,ds。绕横轴时半径常为 y\lvert y\rvert,绕纵轴常为 x\lvert x\rvert,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。

S=2πρ1+(f)2dxS=2\pi\int\rho\sqrt{1+(f')^2}\,dx

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 0y1(x3)20\le y\le\sqrt{1-(x-3)^2}2x42\le x\le4 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 yy

参考解答 · 完成尝试后再展开

V=π24[1(x3)2]dxV=\pi\int_2^4[1-(x-3)^2]dx。令 u=x3u=x-3,得 π11(1u2)du=4π/3\pi\int_{-1}^1(1-u^2)du=4\pi/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 xx,高度是半圆高度。

提示二 · 关键转折

u=x3u=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=2π24x1(x3)2dx=2π11(u+3)1u2duV=2\pi\int_2^4x\sqrt{1-(x-3)^2}dx=2\pi\int_{-1}^1(u+3)\sqrt{1-u^2}du。奇部分为零,半圆面积为 π/2\pi/2,故 V=3π2V=3\pi^2

练习 3 / 3

补充自测 · 对应 29.3–29.4 · 本笔记编写

y=xy=x[0,1][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=2dxds=\sqrt2dx,旋转半径为 xx

参考解答 · 完成尝试后再展开

弧长 2\sqrt2;侧面积 2π01x2dx=π22\pi\int_0^1x\sqrt2dx=\pi\sqrt2。这等于半径 1、斜高 2\sqrt2 的圆锥侧面积,未含底面 π\pi

学习闭环

过关自查

写一段自己的章节总结

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