定积分求体积的方法主要分为两类:旋转体体积和组合体体积。以下是具体方法及步骤:
一、旋转体体积的计算
圆盘法(绕x轴旋转) 若平面图形由曲线 $y = f(x)$、直线 $x = a$、$x = b$ 及x轴围成,绕x轴旋转一周形成的旋转体体积公式为:
$$
V = pi int_{a}^{b} [f(x)]^2 , dx
$$
示例
:计算曲线 $y = x^2$ 在区间 $[0, 1]$ 绕x轴旋转形成的体积。
$$
V = pi int_{0}^{1} (x^2)^2 , dx = pi int_{0}^{1} x^4 , dx = frac{pi}{5}
$$
圆柱壳法(绕y轴旋转) 若平面图形由曲线 $x = g(y)$、直线 $y = c$、$y = d$ 及y轴围成,绕y轴旋转一周形成的旋转体体积公式为:
$$
V = 2pi int_{c}^{d} x cdot g(y) , dy
$$
示例:
计算直线 $x = y + 1$ 在区间 $[0, 1]$ 绕y轴旋转形成的体积。
$$
V = 2pi int_{0}^{1} (y + 1) cdot y , dy = 2pi left( frac{y^3}{3} + frac{y^2}{2} right) Bigg|_{0}^{1} = frac{5pi}{3}
$$
二、组合体体积的计算
对于由多个简单几何体组合而成的复杂图形,需先将其分解为基本几何体(如圆柱、圆锥、球体等),再分别计算体积,最后通过加减法得到组合体的总体积。
步骤
分解图形:
将组合体拆分为若干个简单几何体,例如通过求交点坐标确定组合体的边界。
分别积分:
对每个简单几何体使用定积分公式计算体积。
求和或相减:
根据组合体的结构关系,将各部分体积相加或相减。
示例:计算由抛物线 $y^2 = 8x$ 与直线 $y = 6x$ 及x轴围成的图形绕x轴旋转形成的体积。
求交点:
解方程组 $begin{cases} y^2 = 8x y = 6x end{cases}$ 得 $x = 0$ 和 $x = frac{4}{3}$。
分解体积:
将组合体拆分为两个旋转体体积之差,分别计算后相减。
三、注意事项
积分区间选择:
需根据旋转轴和图形边界确定积分上下限。
被积函数确定:
旋转轴不同,被积函数也不同(如圆盘法使用 $[f(x)]^2$,圆柱壳法使用 $x cdot g(y)$)。
复杂图形处理:
对于复杂图形,可先通过几何方法(如切片、组合分解)简化计算。
通过以上方法,利用定积分可灵活计算各类旋转体及组合体的体积。