题目
4.(09年国贸)由抛物线y=x^2与直线y=x和y=ax所围成的平面图形面积S=(7)/(6),求a的值(a>1).
4.(09年国贸)由抛物线$y=x^{2}$与直线y=x和y=ax所围成的平面图形面积$S=\frac{7}{6}$,求a的值(a>1).
题目解答
答案
设抛物线 $ y = x^2 $ 与直线 $ y = x $ 的交点为 $ (0,0) $ 和 $ (1,1) $,与直线 $ y = ax $ 的交点为 $ (0,0) $ 和 $ (a, a^2) $。
由题意,面积 $ S $ 可分为两部分:
- 从 $ x = 0 $ 到 $ x = 1 $,面积为 $ \int_0^1 (ax - x^2) \, dx - \int_0^1 (x - x^2) \, dx = \frac{a-1}{2} $。
- 从 $ x = 1 $ 到 $ x = a $,面积为 $ \int_1^a (ax - x^2) \, dx = \frac{a^3}{6} - \frac{a}{2} + \frac{1}{3} $。
总面 积 $ S = \frac{a-1}{2} + \frac{a^3}{6} - \frac{a}{2} + \frac{1}{3} = \frac{a^3 - 1}{6} $。
由 $ S = \frac{7}{6} $,得 $ \frac{a^3 - 1}{6} = \frac{7}{6} $,解得 $ a^3 = 8 $,即 $ a = 2 $。
答案: $ a = 2 $
解析
本题考查利用定积分求平面图形的面积。解题思路是先求出抛物线与两条直线的交点坐标,然后根据交点坐标将所围成的平面图形的面积分割成两部分,分别计算这两部分的面积,最后根据已知的总面积列出方程求解$a$的值。
步骤一:求交点坐标
- 联立抛物线$y = x^2$与直线$y = x$的方程$\begin{cases}y = x^2\\y = x\end{cases}$,将$y = x$代入$y = x^2$可得$x = x^2$,移项得到$x^2 - x = 0$,提取公因式$x$得$x(x - 1) = 0$,解得$x = 0$或$x = 1$。当$x = 0$时,$y = 0$;当$x = 1$时,$y = 1$。所以交点坐标为$(0,0)$和$(1,1)$。
- 联立抛物线$y = x^2$与直线$y = ax$的方程$\begin{cases}y = x^2\\y = ax\end{cases}$,将$y = ax$代入$y = x^2$可得$ax = x^2$,移项得到$x^2 - ax = 0$,提取公因式$x$得$x(x - a) = 0$,解得$x = 0$或$x = a$。当$x = 0$时,$y = 0$;当$x = a$时,$y = a^2$。所以交点坐标为$(0,0)$和$(a,a^2)$。
步骤二:计算两部分面积
- 从$x = 0$到$x = 1$的面积:
在区间$[0,1]$上,直线$y = ax$在直线$y = x$上方,所以这部分面积为$\int_0^1 (ax - x^2) \, dx - \int_0^1 (x - x^2) \, dx$。
根据定积分的运算法则$\int_0^1 (ax - x^2) \, dx = \left(\frac{1}{2}ax^2 - \frac{1}{3}x^3\right)\big|_0^1 = \frac{1}{2}a - \frac{1}{3}$,$\int_0^1 (x - x^2) \, dx = \left(\frac{1}{2}x^2 - \frac{1}{3}x^3\right)\big|_0^1 = \frac{1}{2} - \frac{1}{3} = \frac{1}{6}$。
则$\int_0^1 (ax - x^2) \, dx - \int_0^1 (x - x^2) \, dx = \frac{1}{2}a - \frac{1}{3} - \frac{1}{6} = \frac{a - 1}{2}$。 - 从$x = 1$到$x = a$的面积:
在区间$[1,a]$上,直线$y = ax$在抛物线$y = x^2$上方,所以这部分面积为$\int_1^a (ax - x^2) \, dx$。
根据定积分的运算法则$\int_1^a (ax - x^2) \, dx = \left(\frac{1}{2}ax^2 - \frac{1}{3}x^3\right)\big|_1^a = \left(\frac{1}{2}a\cdot a^2 - \frac{1}{3}a^3\right) - \left(\frac{1}{2}a\cdot 1^2 - \frac{1}{3}\cdot 1^3\right) = \frac{a^3}{2} - \frac{a^3}{3} - \fraca + \frac{1}{3} = \frac{a^3}{6} - \frac{a}{2} + \frac{1}{3}$。
步骤三:计算总面积并求解$a$
总面积$S = \frac{a - 1}{2} + \frac{a^3}{6} - \frac{a}{2} + \frac{1}{3} = \frac{a^3 - 1}{6}$。
已知$S = \frac{7}{6}$,则$\frac{a^3 - 1}{6} = \frac{7}{6}$,等式两边同时乘以$6$得$a^3 - 1 = 7$,移项可得$a^3 = 8$,解得$a = 2$。