定积分的概念

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定积分与微积分定理
1.定积分的概念 一般地,设函数()f x 在区间[,]a b 上连续,用分点 将区间[,]a b 等分成n 个小区间,每个小区间长度为x ∆(b a
x
n
-∆=),在每个小区间[]1,i i x x -上取一点()1,2,,i
i n ξ=L ,作和式:1
1
()()n n
n i i i i b a
S f x f n
ξξ==-=∆=∑∑
如果x ∆无限接近于0(亦即n →+∞)时,上述和式n S 无限趋近于常数S ,那么称该常数S 为函数()f x 在区间[,]a b 上的定积分。

记为:()b
a
S
f x dx =

其中()f x 成为被积函数,x 叫做积分变量,[,]a b 为积分区间,b 积分上限,a 积分下限。

说明:(1)定积分()b
a
f x dx ⎰
是一个常数,即n S 无限趋近的常数S (n →+∞时)称为()b
a
f x dx ⎰,
而不是n S .
(2)用定义求定积分的一般方法是:①分割:n 等分区间
[],a b ;②近似代替:取点[]1,i i i x x ξ-∈;
③求和:1
()n
i i b a f n ξ=-∑;④取极限:()1()lim n b i a n i b a
f x dx f n ξ→∞=-=∑⎰
(3)曲边图形面积:()b
a
S
f x dx =⎰;变速运动路程2
1
()t t S v t dt =⎰;
变力做功 ()b a
W
F r dr =⎰
2.定积分的几何意义 说明:一般情况下,定积分
()b
a
f x dx

的几何意义是介于x 轴、函数()f x 的图形以及直线,x a x b ==之间各部分面积的代数和,在x 轴上方的面积取正号,在x 轴下方的面积去负号.(可以先不给学生讲).
分析:一般的,设被积函数()y f x =,若()y f x =在[,]a b 上可取负值。

考察和式
()()()12()i n f x x f x x f x x f x x ∆+∆++∆++∆L L
不妨设1(),(),,()0i i n f x f x f x +<L 于是和式即为
()()()121(){[()][]}i i n f x x f x x f x x f x x f x x -∆+∆++∆--∆++-∆L L
()b
a
f x dx ∴=⎰阴影A 的面积—阴影B 的面积(即x 轴上方面积减x 轴下方的面积)
2.定积分的性质
根据定积分的定义,不难得出定积分的如下性质: 性质1 a b dx b
a
-=⎰1
性质2 ⎰⎰=b
a
b
a dx x f k dx x kf )()( (其中k 是不为0的常数) (定积分的线性性质)
性质3
1212[()()]()()b
b b
a
a
a
f x f x dx f x dx f x dx ±=±⎰
⎰⎰ (定积分的线性性质)性质4
()()()()b
c
b
a
a
c
f x dx f x dx f x dx
a c
b =+<<⎰⎰⎰其中
(定积分对积分区间的可加性)
说明:①推广:1
2
12[()()()]()()()b
b b b
m m a
a
a
a
f x f x f x dx f x dx f x dx f x ±±±=±±±⎰⎰⎰⎰L
L
②推广:
12
1
()()()()k
b
c c b
a
a
c c f x dx f x dx f x dx f x dx =+++⎰
⎰⎰⎰L
③性质解释:
P
C
N M B
A
a
b O
y
x
y=1
y
x
O
b
a
2.微积分基本公式或牛顿—莱布尼兹公式
定理:如果函数()F x 是[,]a b 上的连续函数()f x 的任意一个原函数,则
该式称之为微积分基本公式或牛顿—莱布尼兹公式。

它指出了求连续函数定积分的一般方法,把求定积分的问题,转化成求原函数的问题,是微分学与积分学之间联系的桥梁。

它不仅揭示了导数和定积分之间的内在联系,同时也提供计算定积分的一种有效方法,微积分基本定理是微积分学中最重要的定理,它使微积分学蓬勃发展起来,成为一门影响深远的学科,为后面的学习奠定了基础。

因此它在教材中处于极其重要的地位,起到了承上启下的作用,
说明:
①它指出了求连续函数定积分的一般方法,把求定积分的问题,转化成求原函数的问题。

我们可以用()f x 的原函数(即满足()()F x f x '=)的数值差()()F b F a -来计算()f x 在[,]a b 上的定积分.
②它不仅揭示了导数和定积分之间的内在联系,同时也提供计算定积分的一种有效方法,为后面的学习奠定了基础。

思考并回答下列问题:
性质1
性质4
①与函数f(x)相对应F(x)的唯一吗?如果不唯一,它们之间什么关系?原函数的选择影响最后的计算结果吗?
②计算定积分()b
a f x dx ⎰的关键是什么?
③寻找函数f(x)的原函数F(X)的方法是什么?
④利用基本初等函数的求导公式求下列函数的原函数
典例分析 例1.计算定积分
2
1
(1)x dx +⎰
分析:所求定积分即为如图阴影部分面积,面积为52。

即:
2
1
5(1)2
x dx +=

思考:若改为计算定积分
2
2
(1)x dx -+⎰
呢?
改变了积分上、下限,被积函数在[2,2]-上出现了
负值如何解决呢?(后面解决的问题) 1. (2014·湖北高考理科·T6)若函数f(x),()g x


1
1
()g()d 0
f x x x -=⎰
,则称f(x),()g x 为区间[-1,1] 上的一组正交函数,给出三组函数:
①11()sin ,()cos 22f x x g x x ==;②()1,g()1f x x x x =+=-;③2
(),g()f x x x x ==
其中为区间
]1,1[-的正交函数的组数是( )
A.0
B.1
C.2
D.3
【解题提示】 考查微积分基本定理的运用
【解析】选C. 对①,1
11
1111111(sin cos )(sin )cos |02222
x x dx x dx x ---⋅==-=⎰⎰,则)(x f 、)(x g 为区
间]1,1[-上的正交函数; 对②,
1
1231
111
14(1)(1)(1)()|033x x dx x dx x x ---+-=-=-=-≠⎰⎰,则)(x f 、)(x g 不为区间]1,1[-上的正交函数; 对③,
1
3
4111
1()|04
x dx x --==⎰,则)(x f 、)(x g 为区间]1,1[-上的正交函数. 所以满足条件的正交函数有2组.
2.(2014·山东高考理科·T6)直线4y x =与曲线3
y x =在第一象限内围成的封闭图形的面积为( ) A 、2
2 B 、2 C 、2 D 、4
1
2
y
x
o
【解题指南】 本题考查了定积分的应用,先求出直线与曲线在第一象限的交点,再利用牛顿-莱布尼茨公式求出封闭图形的面积.
【解析】选D.由⎩⎨⎧==3
4x
y x
y ,得交点为()()()8,2,8,2,0,0--, 所以()
402412442203=⎪⎭⎫ ⎝

-=-=⎰x x dx x x S
,故选D. 3.(2014·陕西高考理科·T3)定积分(2x+e x )dx 的值为 ( )
A.e+2
B.e+1
C.e
D.e-1
【解题指南】求出被积函数2x+e x 的原函数,然后根据定积分的定义解之. 【解析】选C.
(2x+e x )dx=(x 2+e x )=1+e-1=e.
4.(2014·福建高考理科·T14)如图,在边长为e (e 为自然对数的底数)的正方形中随机撒一粒黄豆,则它落到阴影部分的概率为______.
【解题指南】本题考查了反函数在图象上的性质,利用对称性,将问题化为可利用定积分求解面积的问题。

【解析】x
y e =和ln y x =互为反函数,不妨将样本空间缩小到左上方的三角形, 则
1
2
221()()0
2112
2
x x
ex e e e S p S e e e ∆
--'
=
==
=

. 【答案】
22e
5.已知f (x )为偶函数且
60

f (x )d x =8,则
66
-⎰
f (x )d x 等于 ( )
A .0
B .4
C .8
D .16 解析:原式=
06
-⎰
f (x )d x +
60

f (x )d x ,
∵原函数为偶函数, ∴在y 轴两侧的图象对称, ∴对应的面积相等,即8×2=16. 答案:D
6.设f (x )=⎩
⎪⎨⎪⎧
x 2, x ∈[0,1],
2-x ,x ∈[1,2],则
20

f (x )d x 等于 ( )
A.34
B.45
C.5
6 D .不存在 解析:数形结合,
20

f (x )dx =
10

x 2dx +
2
1

(2-x )dx
=
321211
(2)3021
x x x +- =
3115(422)326
x +--+=. 答案:C
7.计算以下定积分: (1) 2
1

(2x 2-1
x )d x ;
(2)
3
2

(x +
1x
)2
d x ; (3)
30
π

(sin x -sin2x )d x ;
解:(1)
2
1

(2x 2-1x )d x =(2
3
x 3-ln x )
21
=163-ln 2-23=14
3-ln 2. (2)
32

(x +1
x
)2d x =
32⎰
(x +1
x
+2)d x
=(1
2
x 2+ln x +2x )32
=(9
2+ln 3+6)-(2+ln 2+4) =ln 32+92
.
(3)
30
π

(sin x -sin2x )d x =(-cos x +1
2
cos2x )
30
π =(-12-14)-(-1+12)=-14
.
题组二 求曲多边形的面积
8图形(图中的阴影部分),则该闭合图形的面积是 ( ) A .1 B.4
3
C. 3 D .2
解析:函数y =-x 2+2x +1与y =1的两个交点为(0,1)和(2,1),所以闭合图形的面积等于20

(-
x 2+2x +1-1)d x =20⎰
(-x 2+2x )d x =4
3
.
答案:B
9.已知函数y =x 2与y =kx (k >0)的图象所围成的阴影部分 (如图所示)的面积为4
3
,则k =________.
解析:直线方程与抛物线方程联立先求出积分区间为[0,k ], 再由
0k ⎰
(kx -x 2
)d x =(kx 22-x 3
3
)
0k =k 36=4
3
求得k =2. 答案:2
10.如图,设点P 从原点沿曲线y =x 2向点A (2,4)移动, 记直线OP 、曲线y =x 2及直线x =2所围成的面积 分别记为S 1,S 2,若S 1=S 2,则点P 的坐标为________. 解析:设直线OP 的方程为y =kx, P 点的坐标为(x ,y ), 则
x ⎰
(kx -x 2)d x =
2x

(x 2-kx )d x ,
即(12kx 2-13
x 3)0x =(13x 3-12kx 2)2
x
, 解得12kx 2-13x 3=83-2k -(13x 3-1
2
kx 2),
解得k =43,即直线OP 的方程为y =43x ,所以点P 的坐标为(43,169).
答案:(43,16
9
)
11.一质点运动时速度与时间的关系为v (t )=t 2-t +2,质点作直线运动,则此物体在时间[1,2]内的位移为 ( ) A.
176 B.143 C.136 D.116
解析:s =2
1

(t 2-t +2)d t =(13t 3-12t 2+2t )|21=17
6
. 答案:A
12.若1 N 的力能使弹簧伸长1 cm ,现在要使弹簧伸长10 cm ,则需要花费的功为( ) A .0.05 J B .0.5 J C .0.25 J D .1 J
解析:设力F =kx (k 是比例系数),当F =1 N 时,x =0.01 m ,可解得k =100 N/m ,则F =100x ,所以W =
0.1

100x d x =50x 2
0.1
0=0.5 J.
答案:B
13.一辆汽车的速度—时间曲线如图所示,则该汽车在这一分钟内行驶的路程为_______米. 解析:据题意,v 与t 的函数关系式如下:
v =v (t )=⎩⎪⎨⎪

3
2
t ,0≤t <20,50-t ,20≤t <40,
10,40≤t ≤60.
所以该汽车在这一分钟内所行驶的路程为 s =
60
()d v t t ⎰
=20
3
d 2
t t ⎰
+4020(50)d t t -⎰+604010d t ⎰
=3
4
t 2
200+(50t -12t 2)4020+10t 4020
=900米. 答案:900
14.(2010·烟台模拟)若y =
x ⎰
(sin t +cos t sin t )d t ,则y 的最大值是 ( )
A .1
B .2
C .-7
2 D .0
解析:y =
x ⎰
(sin t +cos t sin t )d t =
0x ⎰
(sin t +1
2
sin2t )d t
=(-cos t -1
4
cos2t )
x =-cos x -14cos2x +54
=-cos x -14(2cos 2x -1)+54=-12cos 2x -cos x +3
2
=-1
2(cos x +1)2+2≤2.
答案:B
15.(2010·温州模拟)若f (x )是一次函数,且10

f (x )d x =5,
10⎰
xf (x )d x =17
6
,那么
2
1

f (x )
x
d x 的值是________.
解析:∵f (x )是一次函数,∴设f (x )=ax +b (a ≠0),由10

(ax +b )d x =5得(1
2ax 2+bx )10=12
a +
b =5,
① 由
10⎰
xf (x )d x =17
6

10⎰
(ax 2+bx )d x =17
6
,即
(13ax 3+12
bx 2) 10=176
,∴13a +12b =17
6, ②
解①②得a =4,b =3,∴f (x )=4x +3, 于是
2
1

f (x )
x
d x =2
1

4x +3
x
d x =2
1

(4+3x
)d x
=(4x +3ln x )
21
=8+3ln2-4=4+3ln2.
答案:4+3ln2 16.设f (x )=
10

|x 2-a 2|d x .
(1)当0≤a ≤1与a >1时,分别求f (a ); (2)当a ≥0时,求f (a )的最小值. 解:(1)0≤a ≤1时, f (a )=10

|x 2-a 2|d x

a ⎰
(a 2-x 2)d x +
1a

(x 2-a 2)d x
=(a 2x -1
3
x 3)
0a
+(x 3
3
-a 2x )1a
=a 3
-13a 3-0+0+13-a 2
-a 3
3+a 3
=43a 3-a 2+13. 当a >1时, f (a )=
10

(a 2-x 2)d x
=(a 2x -13x 3)
10
=a 2-13
.
∴f (a )=32
241(0),
33
1(>311).
a a a a a ⎧-+⎪⎪⎨
⎪-⎪⎩
≤≤
(2)当a >1时,由于a 2-13在[1,+∞)上是增函数,故f (a )在[1,+∞)上的最小值是f (1)=1-13=2
3.
当a ∈[0,1]时,f ′(a )=4a 2-2a =2a (2a -1),
由f ′(a )>0知:a >1
2或a <0,
故在[0,12]上递减,在[1
2,1]上递增.
因此在[0,1]上,f (a )的最小值为f (12)=1
4.
综上可知,f (x )在[0,+∞)上的最小值为1
4
.
课堂练习 计算下列定积分 1.5
0(24)x dx -⎰
5
(24)945x dx -=-=⎰
2.
1
1
x dx -⎰
1111
1111122
x dx -=⨯⨯+⨯⨯=⎰
布置作业
1. 设连续函数0)(>x f ,则当b a
<时,定积分⎰b
a dx x f )(的符号________
A.一定是正的
B.一定是负的
C.当b a <<0时是正的
D.以上都不对 2. 与定积分
dx x ⎰
π23
sin 相等的是_________
A.

π230
sin xdx B.⎰π230
sin xdx
C.

π
sin xdx -⎰ππ
2
3sin xdx D.⎰⎰+2
32
20
sin sin πππ
xdx xdx
3. 定积分的

b
a
dx x f )(的大小_________
A. 与)(x f 和积分区间
[]b a ,有关,与i ξ的取法无关. B. 与)(x f 有关,与区间
[]b a ,以及i ξ的取法无关
C. 与)(x f 以及i ξ的取法有关,与区间[]b a ,无关
D. 与)(x f 以及i ξ的取法和区间[]b a ,都有关
4. 下列等式成立的是________ A.a b dx b
a -=⨯⎰
0 B.2
1=
⎰b
a
xdx C.
dx x dx x ⎰⎰
=-10
1
1
2 D.⎰⎰=+b a
b
a
xdx dx x )1(
5. 已知

b
a
dx x f )(=6,则______)(6=⎰dx x f b
a
6. 已知,
18)()(=+⎰dx x g x f b
a ⎰
=b
a
dx x g 10)(,则⎰b
a
dx x f )(=______________
7. 已知,3)(2
0=⎰
dx x f 则[]=+⎰dx x f 20
6)(___________
8. 计算dx x 2
1
031⎰
9. 计算
dx x 31
6⎰
演练方阵
A 档(巩固专练)
1.
5
(24)x dx -⎰
= ( )
A .5
B .4
C .3
D .2
2.
2
11
ln xdx x ⎰= ( ) A .21
ln 22 B .ln 2 C .2ln 2 D .ln2
3.若11
(2)3ln 2a x dx x
+=+⎰,且1a >,则a 的值为( )
A .6
B .4
C .3
D .2
4.已知自由落体运动的速率v=gt ,则落体运动从t=0到t=t 0所走的路程为( )
A .203gt
B .2
0gt C .202gt D .206
gt
5.曲线2
x y =与直线2+=x y 所围成的图形(阴影部分)的面积等于 . 6.
()0
d x
F't t =⎰

7.如图,求由两条曲线2
x y -=,2
4x y -=及直线y = -1所围成图形的面积.
8.如图,抛物线C 1:y = -x 2与抛物线C 2:y =x 2-2ax (a >0)交于O 、A 两点.若过原点的直线l 与抛物线C 2所围成的图形面积为
3
2
9a ,求直线l 的方程. 9.平地上有一条小沟,沟沿是两条长100m 的平行线段,沟宽AB 为2m ,与沟沿垂直的平面与沟的交线是一段抛物线,抛物线的顶点为O ,对称轴与地面垂直,沟深1.5m ,沟中水深1m . (Ⅰ)求水面宽;
(Ⅱ)如图所示形状的几何体称为柱体,已知柱体的体积为底面积乘以高,沟中的水有多少立方米? 10.设)(x f y =是二次函数,方程0)(=x f 有两个相等的实根,且22)(+='x x f .[来源:学科网] (1)求)(x f 的表达式.
(2)若直线)10(<<-=t t x 把)(x f y =的图象与坐标轴所围成的图形的面积二等分,求t 的值.
y x
o
1 2
2
- -1
-1
A B C D
第7图
第8图
A
1.
2
11
dx x ⎰=______________. 2.3211
(2)x dx x
-⎰=___________.
3.求由曲线22y x x =-与x 轴所围的封闭区域的面积.
4.已知弹簧每拉长0. 02 米要用9. 8N 的力,则把弹簧拉长0. 1米所作的功为 . 5.由曲线22y x =-与直线y x =-所围成的平面图形的面积为 . 6.(cos 5sin 2)d a
a
x x x x --+⎰
= .
7.3
21
(4)x x dx --=⎰
_________________.
8.20
(sin )x x dx π
+=⎰
_______________.
9.
dx x ⎰
-
22
2cos π
π
_____________.
10.已知A (-1,2)为抛物线C :y =2x 2上的点.直线l 1过点A ,且与抛物线C 相切.直线l 2:x =a (a ≠-1)交抛物线C 于点B ,交直线l 1于点D . (1)求直线l 1的方程; (2)设∆ABD 的面积为S 1,求
BD 及S 1的值;
(3)设由抛物线C 、直线l 1、l 2所围成的图形的面积为S 2,求证:S 1∶S 2的值为与a 无关的常数.
1.
1
()x x e e dx -+=⎰
( )
A .e e 1+
B .2e
C .e 2
D .e
e 1- 2.曲线]23
,0[,cos π∈=x x y 与坐标轴围成的面积( )
A .4
B .2
C .2
5
D .3
3.若20
(345)a
x x dx +-⎰
=32a -(1a >),则a = .
4

4
x ⎰
= .
5.求定积分:
12
2
32
(9)x x dx -⎰

6.求曲线x x x y 223++-=与x 轴所围成的图形的面积.
7.
2
3
(2cos 1)2
x
dx π
-⎰= ( ) 8. A
. B .12- C .12
D
8.
3
2
|312|x
dx -⎰= ( )
A .21
B .22
C .23
D .24 9.下列命题: ①若f(x)是定义在R 上的奇函数,则
()x
f t dt ⎰
为R 上的偶函数;
②若f(x)是周期为T (>0)的周期函数,则0
()()a
a T
T
f x dx f x dx +=⎰


③0
(
())()x
f t dt f x '''=⎰。

其中正确命题的个数为( )
A .0
B .1
C .2
D .3
10.如图,抛物线24y x =-与直线y =3x 的二交点为A 、B .点P 在抛物线的弧上从A 向B 运动。

??(1)求使PAB ∆的面积为最大时P 点的坐标(,)a b ;
(2)证明由抛物线与线段AB 围成的图形,被直线x =a 分为面积相等的两部分.
定积分的几何意义及微积分的基本定理答案
典题探究
例1.C 例2.C 例3.C 例4.
2
14-π 演练方阵
A 档(巩固专练)
1.A 2.A 3.D 4.C
5.
2
9 6.F(x)-F(0)
7.由图形的对称性知,所求图形面积为位于y 轴右侧图形面积的2倍. 由⎩
⎨⎧-=-=12y x y 得C (1,-1).同理得D (2,-1).
∴ 所求图形的面积
S =})]1(4
[)](4[{22122
1
02dx x dx x x ---+---⎰⎰ 3
4)124(
221213103
=+-=x x x . 8.设过原点的直线方程为y =kx ,解方程组⎩⎨⎧-==ax
x y kx
y 22
,得x 1=0,x 2=k +2a . 当k +2a ≥0时,⎰

++-+=+-=a
k a
k dx x x a k dx ax x kx S
20
20
22])2[()2(
6
)2()3122(32032a k x x a k a k +=-+=+.
于是 (k +2a )3=27a 3,解得k =a . 所以,直线l 的方程为y =ax .
当k +2a <0时,⎰+-+=0
22
])2[(a k dx x x a k S 6
)2(3
a k +-=. 于是 - (k +2a )3=27a 3,解得k = -5a . 所以,直线l 的方程为y = -5ax .
综上所述,所求直线l 的方程为y =ax 或y = -5ax .
y
x
o
1 2
2
- -1
-1
A B C D
第7图
9. (Ⅰ)如图建立直角坐标系xoy ,设抛物线方程为)0(,2
>=a ax y .则由抛物线过点)2
3,1(B ,可得
23=
a .于是抛物线方程为2
2
3x y =.当y =1时,36±=x ,由此知水面宽为362(m ).
(Ⅱ)柱体的底面积
)(9
64)3123(2236
0336
m x x
=⋅-=. ∴柱体体积为)(964009641003m =⨯
,即水沟中有水3
9
6400m . 10.(1)12)(2
++=x x x f ;(2)3
2
1
1-
=t .
B 档(提升精练)
1.22
3 2.ln 2
3.
43
4.如图所示,在弹性限度内,拉伸(或压缩)弹簧所需的力F 与弹簧的伸长量(或压缩量)x 成正比,即F = kx .在上式中k 为比例系数.
根据题意,当x = 0. 02时,F = 9. 8,故由F = kx 得k =490.这样得到的变力函
数为F = 490x .于是所求的功为 2
0.10.10
490490()
2.45 2
x W xdx ===⎰
(J ).
5.
92
6.4a
7.
203 8.218π+
9.2
π
10.(1)由y =2x 2,得x y 4='.当x = -1时,4-='y . ∴l 1的方程为y -2= -4(x +1),即4x +y +2=0.
(2)由y =2x 2及x =a ,解得点B 的坐标为(a ,2a 2). 由4x +y +2=0及x =a ,解得点D 的坐标为(a ,-4a -2). 又可求得点A 到直线BD 的距离为
1+a ,BD =2a 2+4a +2=2(a +1)2.
F
x
O
x
y F
A
B
C D
E G
图6
∴S 1=3
1+a .
(3)由题意,当a >-1时,⎰--++=++=
a
a x x x dx x x S 1
1232
2)223
2()242( 323)1(3
2
22322232+=+-+++=a a a a , 当a <-1时,⎰-++=122)242(a dx x x S 3
)1(3
2+-=a ,
∴S 1∶S 2=3∶2.即S 1∶S 2的值为与a 无关的常数.
C 档(跨越导练)
1.D 2.D 3.2
4.
271
6 5.529
6.首先求出函数x x x y 223++-=的零点:11-=x ,02=x ,23=x .又易判断出在)0 , 1(- 内,图形在x 轴下方,在)2 , 0(内,图形在x 轴上方,所以所求面积为
7.D 8.C 9.D
10.(1)37(,)24P -;(2)面积均为125
12。

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