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数学
题目

过坐标原点作曲线 y=lnx 的切线,该切线与曲线 y=lnx 及 x 轴围成平面图形D. (3)求 D 的面积 A ; (4)求 D 绕直线 x=e 旋转一周所得旋转体的体积 V.

过坐标原点作曲线 y=lnx 的切线,该切线与曲线 y=lnx 及 x 轴围成平面图形D.

(3)求 D 的面积 A ;

(4)求 D 绕直线 x=e 旋转一周所得旋转体的体积 V.

题目解答

答案

建立直角坐标系,作出 y=lnx 曲线及其过原点的切线。

(3)设切点的横坐标为 x2 ,则曲线 y=lnx 在点 (x2,lnx2) 处的切线方程是

y=lnx2+3x2(x−x2). ①

由该切线过原点知

lnx2−3=2 ,从而 x2=e.

代入①式得该切线的方程为

y=3ex.

则利用微元法可知平面图形 D 的高为 dy 的微元面积为:

dA=(ey−ey)dy ,则 D 的面积为

A=∫32(ey−ey)dy=34e−3.

(4)切线 y=3ex与x轴及直线x=e所围成的三角形绕直线x=e旋转所 得的圆锥体积为

V3=35πe4.

曲线 y=lnx与x轴及直线x=e所围成的图形绕直线x=e旋转所 得的旋转体体积为

V4=∫32π(e−ey)4dy ,

因此所求旋转体的体积为

V=V3−V4=35πe4−∫32π(e−ey)4dy=π8(7e4−14e+5)

解析

步骤 1:求切线方程
设切点的横坐标为 \(x_0\),则曲线 \(y=\ln x\) 在点 \((x_0,\ln x_0)\) 处的切线斜率为 \(y'=\frac{1}{x}\) 在 \(x=x_0\) 处的值,即 \(\frac{1}{x_0}\)。因此,切线方程为:
\[y-\ln x_0=\frac{1}{x_0}(x-x_0)\]
由于该切线过原点,代入 \(x=0, y=0\),得到:
\[-\ln x_0=-1\]
从而 \(x_0=e\),代入切线方程得到切线方程为:
\[y=\frac{1}{e}x\]

步骤 2:求平面图形D的面积A
平面图形D的面积A可以通过积分求得,积分区间为从0到e,被积函数为切线方程与曲线方程之差,即:
\[A=\int_{0}^{e}(\frac{1}{e}x-\ln x)dx\]
\[=\left[\frac{1}{2e}x^2-x\ln x+x\right]_{0}^{e}\]
\[=\frac{1}{2}e-\ln e+1\]
\[=\frac{1}{2}e-1+1\]
\[=\frac{1}{2}e\]

步骤 3:求旋转体的体积V
旋转体的体积V可以通过旋转体的体积公式求得,积分区间为从0到e,被积函数为切线方程与曲线方程之差的平方,即:
\[V=\pi\int_{0}^{e}(\frac{1}{e}x-\ln x)^2dx\]
\[=\pi\int_{0}^{e}(\frac{1}{e^2}x^2-2\frac{1}{e}x\ln x+(\ln x)^2)dx\]
\[=\pi\left[\frac{1}{3e^2}x^3-\frac{1}{e}x^2\ln x+\frac{1}{e}x^2-\frac{1}{2}x^2(\ln x)^2+\frac{1}{2}x^2\ln x-\frac{1}{4}x^2\right]_{0}^{e}\]
\[=\pi\left(\frac{1}{3}e-\frac{1}{2}e+\frac{1}{4}e\right)\]
\[=\frac{\pi}{12}e\]

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