最新高中数学选修2-2-定积分的简单应用

[学习目标] 1.理解定积分的几何意义，会通过定积分求由两条或多条曲线围成的图形的面积.2.掌握利用定积分求曲边梯形面积的几种常见题型及方法.3.通过具体实例了解定积分在物理中的应用，会求变速直线运动的路程和变力做功的问题.知识点一 定积分在求几何图形面积方面的应用1.求由一条曲线y ＝f (x )和直线x ＝a ，x ＝b (a ＜b )及y ＝0所围成的平面图形的面积S . (1)如图①，f (x )＞0，⎠⎛ab f (x )d x ＞0，所以S ＝⎠⎛ab f (x )d x .(2)如图②，f (x )＜0，⎠⎛ab f (x )d x ＜0，所以S ＝⎪⎪⎪⎪⎠⎛a bf (x )d x ＝－⎠⎛ab f (x )d x .(3)如图③，当a ≤x ≤c 时，f (x )≤0，⎠⎛a c f (x )d x ＜0；当c ≤x ≤b 时，f (x )≥0，⎠⎛ab f (x )d x ＞0.所以S ＝⎪⎪⎪⎪⎠⎛acf (x )d x ＋⎠⎛cb f (x )d x ＝－⎠⎛ac f (x )d x ＋⎠⎛cbf (x )d x .2.求由两条曲线f (x )和g (x )(f (x )＞g (x ))，直线x ＝a ，x ＝b (a ＜b )所围成平面图形的面积S . (1)如图④，当f (x )＞g (x )≥0时，S ＝⎠⎛ab [f (x )－g (x )]d x .(2)如图⑤，当f (x )＞0，g (x )＜0时，S ＝⎠⎛ab f (x )d x ＋⎪⎪⎪⎪⎠⎛a bg (x )d x ＝⎠⎛ab [f (x )－g (x )]d x .3.当g (x )＜f (x )≤0时，同理得S ＝⎠⎛ab [f (x )－g (x )]d x .思考 (1)怎样利用定积分求不分割型图形的面积？ (2)当f (x )<0时，f (x )与x 轴所围图形的面积怎样表示？答案 (1)求由曲线围成的面积，要根据图形，确定积分上下限，用定积分来表示面积，然后计算定积分即可.(2)如图，因为曲边梯形上边界函数为g (x )＝0，下边界函数为f (x )，所以 S ＝⎠⎛a b (0－f (x ))d x ＝－⎠⎛ab f (x )d x .4.利用定积分求平面图形面积的步骤：(1)画出图形：在平面直角坐标系中画出曲线或直线的大致图象；(2)确定图形范围，通过解方程组求出交点的横坐标(或纵坐标)，确定积分上、下限； (3)确定被积函数；(4)写出平面图形面积的定积分表达式；(5)利用微积分基本定理计算定积分，求出平面图形的面积，写出答案. 知识点二 定积分在物理中的应用 1.在变速直线运动中求路程、位移路程是位移的绝对值之和，从时刻t ＝a 到时刻t ＝b所经过的路程s 和位移s ′分别为： (1)若v (t )≥0，则s ＝⎠⎛a b v (t )d t ，s ′＝⎠⎛ab v (t )d t .(2)若v (t )≤0，则s ＝－⎠⎛a b v (t )d t ，s ′＝⎠⎛ab v (t )d t .(3)若在区间[a ，c ]上v (t )≥0，在区间[c ，b ]上v (t )<0， 则s ＝⎠⎛a c v (t )d t －⎠⎛c b v (t )d t ，s ′＝⎠⎛ab v (t )d t .2.定积分在物理中的应用(1)做变速直线运动的物体所经过的路程s ，等于其速度函数v ＝v (t )(v (t )≥0)在时间区间[a ，b ]上的定积分，即s ＝⎠⎛ab v (t )d t .(2)一物体在恒力F (单位：N)的作用下做直线运动，如果物体沿着与F 相同的方向移动了s (单位：m)，则力F 所做的功为W ＝Fs ；而若是变力所做的功W ，等于其力函数F (x )在位移区间[a ，b ]上的定积分，即W ＝⎠⎛ab F (x )d x .思考 下列判断正确的是 .(1)路程是标量，位移是矢量，路程和位移是两个不同的概念； (2)利用定积分求变速直线运动的路程和位移是同一个式子⎠⎛t 1t 2v (t )d t ；(3)利用定积分求变速直线运动的路程和位移不是同一个式子⎠⎛t 1t 2v (t )d t .答案 (1)(3)解析 (1)显然正确.对于(2)(3)两个判断，由于当v (t )≥0时，求某一时间段内的路程和位移均用⎠⎛t 1t 2v (t )d t 求解；当v (t )<0时，求某一时间段内的位移用⎠⎛t 1t 2v (t )d t 求解，这一时段的路程是位移的相反数，即路程为 －⎠⎛t 1t 2v (t )d t .所以(2)错(3)正确.题型一 利用定积分求平面图形的面积问题例1 求由抛物线y 2＝x5，y 2＝x －1所围成图形的面积.解 在同一个平面直角坐标系上画出两个抛物线的大致图形，如图.方法一 以x 为积分变量.由⎩⎪⎨⎪⎧y 2＝x 5，y 2＝x －1，得两个抛物线的两个交点坐标分别为A ⎝⎛⎭⎫54，12，B ⎝⎛⎭⎫54，－12. 设点P (1,0)，则所求面积S ＝2⎝ ⎛⎭⎪⎫⎠⎜⎛054x 5d x －⎠⎜⎛154x －1d x＝2()35532442031152x x ⎡⎤--⎢⎥⎢⎥⎣⎦＝23. 方法二 以y 为积分变量.由⎩⎪⎨⎪⎧y 2＝x 5，y 2＝x －1，可得两个抛物线的两个交点坐标分别为A ⎝⎛⎭⎫54，12，B ⎝⎛⎭⎫54，－12. 设点P (1,0)，则所求面积S ＝2⎠⎜⎛012 (y 2＋1－5y 2)d y＝2⎝⎛⎭⎫y －43y 3⎪⎪⎪⎪120＝23. 反思与感悟 若以x 为积分变量，则被积函数的原函数不易确定，而且计算也比较麻烦；若以y 为积分变量，则可以避免这种情况.选取积分变量有时对解题很关键.跟踪训练1 在曲线y ＝x 2(x ≥0)上的某一点A 处作一切线，使之与曲线以及x 轴所围成图形的面积为112.试求：切点A 的坐标和过切点A 的切线方程.解 如图所示，设切点A (x 0，y 0)，由y ′＝2x 得过A 点的切线方程为y －y 0＝2x 0(x －x 0)，即y ＝2x 0x －x 20.令y ＝0，得x ＝x 02即C ⎝⎛⎭⎫x 02，0. 设由曲线和过A 点的切线及x 轴所围成图形的面积为S ，则S ＝S 曲边△AOB －S △ABC .S 曲边△AOB ＝x ⎰x 2d x ＝13x 3⎪⎪⎪x 00＝13x 30，S △ABC ＝12|BC |·|AB |＝12⎝⎛⎭⎫x 0－x 02·x 20＝14x 30， 即S ＝13x 30－14x 30＝112x 30＝112，所以x 0＝1. 从而切点为A (1,1)，切线方程为y ＝2x －1 题型二 运用定积分求解物理问题例2 一点在直线上从时刻t ＝0(s)开始以速度v ＝t 2－4t ＋3(m/s)运动，求： (1)此点在t ＝4 s 时的位置； (2)此点在t ＝4 s 时运动的路程.解 因为位置决定于位移，所以它是v (t )在[0,4]上的定积分，而路程是位移的绝对值之和，所以需要判断在[0,4]上哪些时间段的位移为负. (1)在t ＝4 s 时，该点的位移为⎠⎛04(t 2－4t ＋3)d t ＝⎝⎛⎭⎫13t 3－2t 2＋3t ⎪⎪⎪40＝43(m).即在t ＝4 s 时该点在距出发点43 m 处.(2)∵v (t )＝t 2－4t ＋3＝(t －1)(t －3)， ∴在区间[0,1]及[3,4]上，v (t )≥0， 在区间[1,3]上，v (t )≤0， ∴该点在t ＝4 s 时的路程为S ＝⎠⎛01(t 2－4t ＋3)d t ＋⎪⎪⎪⎪⎠⎛13(t 2－4t ＋3)d t ＋⎠⎛34(t 2－4t ＋3)d t ＝⎠⎛01(t 2－4t ＋3)d t －⎠⎛13(t 2－4t ＋3)d t ＋⎠⎛34(t 2－4t ＋3)d t ＝4(m).反思与感悟 解决此类问题的一般步骤：(1)求出每一时间段上的速度函数；(2)根据定积分的物理意义，求出对应时间段上的定积分.跟踪训练2 有一辆汽车以每小时36 km 的速度沿平直的公路行驶，在B 处需要减速停车.设汽车以2 m/s 2的加速度刹车，问：从开始刹车到停车，汽车行驶了多远？ 解 设从开始刹车到停车，汽车经过了t s. v 0＝36 km /h ＝10 m/s ，v (t )＝v 0－at ＝10－2t . 令v (t )＝0，解得t ＝5.所以从开始刹车到停车，汽车行驶的路程为s ＝⎠⎛05(10－2t )d t ＝(10t －t 2)⎪⎪⎪50＝25(m).故从开始刹车到停车，汽车行驶了25 m. 题型三 用定积分解决变力做功问题例3 设有一个长为25 cm 的弹簧，若加以100 N 的力，则弹簧伸长到30 cm ，求使弹簧由25 cm 伸长到40 cm 所做的功.解 设x 表示弹簧伸长的长度，f (x )表示加在弹簧上的力，则f (x )＝kx (其中常数k 为比例系数).因为当f (x )＝100时，x ＝5，所以k ＝20.所以f (x )＝20x .弹簧由25 cm 伸长到40 cm 时，弹簧伸长的长度x 从0 cm 变化到15 cm ，故所做的功W ＝⎠⎛01520x d x ＝10x 2⎪⎪⎪150＝2 250(N·cm)＝22.5(J). 反思与感悟 (1)根据物理学知识，求出变力f (x )的表达式；(2)由功的物理意义知，物体在变力f (x )的作用下，沿力的方向做直线运动，使物体由一个位置移到另一个位置，因此，求功之前应先求出位移的起始位置和终止位置；(3)根据变力做功的公式W ＝⎠⎛ab f (x )d x 求出变力所做的功.跟踪训练3 如图所示，设气缸内活塞一侧存在一定量气体，气体做等温膨胀时推动活塞向右移动一段距离，若气体体积由V 1变为V 2，求气体压力所做的功.解 由物理学知识知，气体膨胀为等温过程，所以气体压强为P ＝CV (V 表示气体体积，C 为常数)，而活塞上的压力为F ＝PQ ＝CQ V ＝CL (Q 表示截面积，L 表示活塞移动的距离，V ＝LQ ).记L 1，L 2分别表示活塞的初始位置和终止位置，于是有W ＝⎠⎛L 1L 2F (L )d L ＝⎠⎛L 1L 2C L d L ＝C ⎠⎛V 1V 21V d V＝C (ln V )⎪⎪⎪V 2V 1＝C (ln V 2－ln V 1).所以气体体积由V 1变为V 2，气体压力所做的功为C (ln V 2－ln V 1).用定积分求平面图形面积时，因对图形分割不当致误例4 求由抛物线y 2＝8x (y ＞0)与直线x ＋y －6＝0及y ＝0所围成图形的面积.错解 由题意，作出图形如图由⎩⎪⎨⎪⎧ y 2＝8x (y ＞0)，x ＋y －6＝0得⎩⎪⎨⎪⎧x ＝2，y ＝4，所以抛物线y 2＝8x (y ＞0)与直线x ＋y －6＝0的交点坐标为(2,4)，所以所求面积为S ＝⎠⎛04(6－x －8x )d x＝3242012623x x x ⎛⎫-- ⎪⎝⎭＝24－8－423×324＝16－3223.错因分析 S ＝⎠⎛04(6－x －8x )d x ＝⎠⎛04(6－x )d x －⎠⎛048x d x .⎠⎛04(6－x )d x 表示由直线y ＝6－x 与直线x ＝0，直线x ＝4，直线y ＝0围成的图形的面积，⎠⎛048x d x 表示由抛物线y 2＝8x (y ＞0)与直线x ＝0，直线x ＝4，直线y ＝0围成的图形的面积.上述S 显然不是所求图形的面积. 正解 S ＝⎠⎛028x d x ＋⎠⎛26(6－x )d x＝3223x ⎫⎪⎭⎪⎪⎪ 20＋⎝⎛⎭⎫6x －12x 2⎪⎪⎪62＝163＋⎣⎡⎦⎤⎝⎛⎭⎫6×6－12×62－⎝⎛⎭⎫6×2－12×22 ＝163＋8＝403.防范措施 合理划分积分上、下限及正确选择积分变量，最好结合图形进行处理.1.在下面所给图形的面积S 及相应表达式中，正确的有( )S ＝⎠⎛ba [f (x )－g (x )]d x S ＝⎠⎛08(22x －2x ＋8)d x ① ②S ＝⎠⎛14f (x )d x －⎠⎛47f (x )d x S ＝⎠⎛0a [g (x )－f (x )]d x ＋⎠⎛ab [f (x )－g (x )]d x③ ④A.①③B.②③C.①④D.③④答案 D解析 ①应是S ＝⎠⎛ab [f (x )－g (x )]d x ，②应是S ＝⎠⎛0822x d x －⎠⎛48(2x －8)d x ，③和④正确.故选D.2.曲线y ＝cos x (0≤x ≤32π)与坐标轴所围图形的面积是( )A.2B.3C.52 D.4答案 B解析 S ＝⎠⎜⎛0π2cos x d x －⎠⎜⎜⎛π23π2cos x d x ＝sin x ⎪⎪⎪⎪π20- sin x ⎪⎪⎪3π2π2＝sin π2－sin 0－ sin 3π2＋sin π2＝1－0＋1＋1＝3.3.一列车沿直线轨道前进，刹车后列车速度v (t )＝27－0.9t ，则列车刹车后前进多少米才能停车( )A.405B.540C.810D.945 答案 A解析 停车时v (t )＝0，由27－0.9t ＝0，得t ＝30， ∴s ＝⎠⎛030v (t )d t ＝⎠⎛030(27－0.9t )d t ＝(27t －0.45t 2)⎪⎪300＝405. 4.由曲线y ＝x 2＋4与直线y ＝5x ，x ＝0，x ＝4所围成平面图形的面积是 . 答案193解析 由图形可得S ＝⎠⎛01(x 2＋4－5x )d x ＋⎠⎛14(5x －x 2－4)d x＝⎝⎛⎭⎫13x 3＋4x －52x 2⎪⎪⎪ 10＋⎝⎛⎭⎫52x 2－13x 3－4x ⎪⎪⎪41 ＝13＋4－52＋52×42－13×43－4×4－52＋13＋4 ＝193.5.一个弹簧压缩x cm 可产生4x N 的力，把它从自然长度压缩到比自然长度短5 cm ，求弹簧克服弹力所做的功. 解 设F (x )＝kx ，∵弹簧压缩x cm 可产生4x N 的力，∴k ＝4. ∴弹簧克服弹力所做的功为W ＝4⎠⎛05x d x ＝4×⎝⎛⎭⎫12x 2⎪⎪⎪50＝50(N·cm)＝0.5(J).1.利用定积分求平面图形面积的一般步骤：(1)在平面直角坐标系中画出图形；(2)通过解方程求出交点坐标；(3)写出平面图形面积的定积分表达式，当被求平面区域较复杂时，可分割求和；(4)运用微积分基本定理计算定积分，求出平面图形的面积. 2.路程问题.(1)用定积分解决变速直线运动的位移和路程问题时，将物理问题转化为数学问题是关键.(2)路程是位移的绝对值之和，因此在求路程时，要先判断速度在区间内是否恒正，若符号不定，应求出使速度恒正或恒负的区间，然后分别计算. 3.变力做功问题.(1)变力做功问题，首先要将变力用其方向上的位移表示出来，这是关键一步.(2)根据变力做功的公式，将其转化为求定积分的问题.一、选择题1.用S 表示图中阴影部分的面积，则S 的值是( )A. ⎠⎛ac f (x )d xB.⎪⎪⎪⎪⎠⎛a cf (x )d x C. ⎠⎛a b f (x )d x ＋⎠⎛bc f (x )d xD.⎠⎛b c f (x )d x －⎠⎛ab f (x )d x答案 D解析 ∵x ∈[a ，b ]时， f (x )<0，x ∈[b ，c ]时，f (x )>0，∴阴影部分的面积S ＝⎠⎛b c f (x )d x －⎠⎛ab f (x )d x .2.一物体沿直线以v ＝2t ＋1 (t 的单位：s ，v 的单位：m/s)的速度运动，则该物体在1～2 s 间行进的路程为( ) A.1 m B.2 m C.3 m D.4 m 答案 D解析 s ＝⎠⎛12(2t ＋1)d t ＝(t 2＋t )⎪⎪⎪21＝4(m). 3.一物体从A 处向B 处运动，速度为1.4t m /s(t 为运动的时间)，到B 处时的速度为35 m/s ，则AB 间的距离为( ) A.120 m B.437.5 m C.360 m D.480 m答案 B解析 从A 处到B 处所用时间为25 s.所以|AB |＝⎠⎛0251.4t d t ＝0.7t 2⎪⎪⎪250＝437.5 (m). 4.若y ＝f (x )与y ＝g (x )是[a ，b ]上的两条光滑曲线的方程，则这两条曲线及直线x ＝a ，x ＝b 所围成的平面区域的面积为( ) A.⎠⎛ab [f (x )－g (x )]d xB.⎠⎛a b [g (x )－f (x )]d xC.⎠⎛ab |f (x )－g (x )|d x D.⎪⎪⎪⎪⎠⎛a b[f (x )－g (x )]d x 答案 C解析 当f (x )＞g (x )时，所求面积为⎠⎛a b [f (x )－g (x )]d x ；当f (x )≤g (x )时，所求面积为⎠⎛ab [g (x )－f (x )]d x .综上，所求面积为⎠⎛ab |f (x )－g (x )|d x .5.以初速度40 m/s 竖直向上抛一物体，t s 时速度v ＝40－10t 2，则此物体达到最高时的高度为( ) A.1603 m B.803 m C.403 m D.203m 答案 A解析 v ＝0时物体达到最高， 此时40－10t 2＝0，则t ＝2 s. 又∵v 0＝40 m/s ，∴t 0＝0 s.∴h ＝⎠⎛02(40－10t 2)d t ＝⎝⎛⎭⎫40t －103t 3⎪⎪⎪20＝1603(m). 6.如果1 N 的力使弹簧伸长1 cm ，在弹性限度内，为了将弹簧拉长10 cm ，拉力所做的功为( )A.0.5 JB.1 JC.50 JD.100 J 答案 A解析 由于弹簧所受的拉力F (x )与伸长量x 成正比，依题意，得F (x )＝x ，为了将弹簧拉长10 cm ，拉力所做的功为W ＝⎠⎛010F (x )d x ＝⎠⎛010x d x ＝12x 2⎪⎪⎪100＝50 (N·cm)＝0.5 (J).二、填空题7.由曲线y ＝x 与y ＝x 3所围成的图形的面积可用定积分表示为 . 答案 ⎠⎛01(x －x 3)d x解析 画出y ＝x 和y ＝x 3的草图，所求面积为如图所示阴影部分的面积，解方程组⎩⎨⎧y ＝x ，y ＝x3得交点的横坐标为x ＝0及x ＝1.因此，所求图形的面积为S ＝⎠⎛01(x －x 3)d x .8.有一横截面的面积为4 cm 2的水管控制往外流水，打开水管后t 秒末的流速为v (t )＝6t －t 2(单位：cm/s)(0≤t ≤6).则t ＝0到t ＝6这段时间内流出的水量为 cm 3. 答案 144解析 由题意可得t ＝0到t ＝6这段时间内流出的水量V ＝⎠⎛064(6t －t 2)d t ＝4⎠⎛06(6t －t 2)d t ＝4⎝⎛⎭⎫3t 2－13t 3⎪⎪⎪6＝144 (cm 3).故t ＝0到t ＝6这段时间内流出的水量为144 cm 3. 9.如图所示，将一弹簧从平衡位置拉到离平衡位置l m 处，则克服弹簧力所做的功为 J.答案 12kl 2解析 在弹性限度内，拉伸(压缩)弹簧所需的力与弹簧拉伸(压缩)的长度成正比，即F (x )＝kx ，其中k 为比例系数.由变力做功公式得W ＝⎠⎛0lkx d x ＝12kx 2⎪⎪⎪10＝12kl 2(J).10.由两条曲线y ＝x 2，y ＝14x 2与直线y ＝1围成平面区域的面积是 .答案 43解析 如图，y ＝1与y ＝x 2交点A (1,1)， y ＝1与y ＝x 24交点B (2,1)，由对称性可知面积S ＝2⎝ ⎛⎭⎪⎫⎠⎛01x 2d x ＋⎠⎛121d x －⎠⎛0214x 2d x ＝43.三、解答题11.求抛物线y ＝－x 2＋4x －3与其在点A (1,0)和点B (3,0)处的切线所围成图形的面积.解 由y ′＝－2x ＋4得在点A 、B 处切线的斜率分别为2和－2，则两直线方程分别为y ＝2x －2和y ＝－2x ＋6，由⎩⎪⎨⎪⎧y ＝2x －2，y ＝－2x ＋6，得两直线交点坐标为C (2,2)，∴S ＝S △ABC －⎠⎛13(－x 2＋4x －3)d x＝12×2×2－⎝⎛⎭⎫－13x 3＋2x 2－3x ⎪⎪⎪31＝2－43＝23.12.物体A 以速度v A ＝3t 2＋1(米/秒)在一直线上运动，同时物体B 也以速度v B ＝10t (米/秒)在同一直线上与物体A 同方向运动，问多长时间物体A 比B 多运动5米，此时，物体A ，B 运动的距离各是多少？解 依题意知物体A ，B 均做变速直线运动.设a 秒后物体A 比B 多运动5米，则A 从开始到a 秒末所走的路程为s A ＝⎠⎛0a v A d t ＝⎠⎛0a (3t 2＋1)d t ＝a 3＋a ；B 从开始到a 秒末所走的路程为s B ＝⎠⎛0a v B d t ＝⎠⎛0a 10t d t ＝5a 2.由题意得s A ＝s B ＋5，即a 3＋a ＝5a 2＋5，得a ＝5. 此时s A ＝53＋5＝130(米)，s B ＝5×52＝125(米).故5秒后物体A 比B 多运动5米，此时，物体A ，B 运动的距离分别是130米和125米. 13.定义F (x ，y )＝(1＋x )y ，x ，y ∈(0，＋∞).令函数f (x )＝F (1，log 2(x 2－4x ＋9))的图象为曲线C 1，曲线C 1与y 轴交于点A (0，m )，过坐标原点O 作曲线C 1的切线，切点为B (n ，t )(n >0)，设曲线C 1在点A 、B 之间的曲线段与OA 、OB 所围成图形的面积为S ，求S 的值. 解 ∵F (x ，y )＝(1＋x )y ，∴f (x )＝F (1，log 2(x 2－4x ＋9))＝2log 2(x 2－4x ＋9)＝x 2－4x ＋9，故A (0,9)，f ′(x )＝2x －4.又∵过O 作C 1的切线，切点为B (n ，t )(n >0)，∴⎩⎪⎨⎪⎧t ＝n 2－4n ＋9，t n ＝2n －4，解得B (3,6).∴S ＝⎠⎛03(x 2－4x ＋9－2x )d x ＝⎝⎛⎭⎫13x 3－3x 2＋9x ⎪⎪⎪30＝9.。