题目
19. (4.0分) 曲线y=12x^3-60x^2+72x与x轴所围成的图形的面积为____.
19. (4.0分)
曲线$y=12x^{3}-60x^{2}+72x$与x轴所围成的图形的面积为____.
题目解答
答案
将函数 $ y = 12x^3 - 60x^2 + 72x $ 因式分解得 $ y = 12x(x-2)(x-3) $。
零点为 $ x = 0 $、$ x = 2 $、$ x = 3 $。
在区间 $ [0, 2] $ 内,$ y \geq 0 $;在区间 $ [2, 3] $ 内,$ y \leq 0 $。
因此,所求面积为:
\[
\int_0^2 (12x^3 - 60x^2 + 72x) \, dx - \int_2^3 (12x^3 - 60x^2 + 72x) \, dx
\]
计算得:
\[
\int_0^2 (12x^3 - 60x^2 + 72x) \, dx = \left[ 3x^4 - 20x^3 + 36x^2 \right]_0^2 = (48 - 160 + 144) - 0 = 32
\]
\[
\int_2^3 (12x^3 - 60x^2 + 72x) \, dx = \left[ 3x^4 - 20x^3 + 36x^2 \right]_2^3 = (243 - 540 + 324) - (48 - 160 + 144) = 27 - 32 = -5
\]
故面积为 $ 32 - (-5) = 37 $。
答案:$\boxed{37}$
解析
本题考查利用定积分求曲线与$x$轴所围成图形的面积。解题思路如下:
- 首先对给定的函数$y = 12x^{3}-60x^{2}+72x$进行因式分解,找出函数的零点,从而确定曲线与$x$轴的交点,进而划分出不同的区间。
- 然后判断函数在各个区间上的正负性,因为面积是一个非负的量,所以在函数值大于等于$0$的区间上,定积分直接表示该部分的面积;在函数值小于等于$0$的区间上,需要用定积分的相反数来表示该部分的面积。
- 最后分别计算各个区间上的定积分,并将它们相加得到总面积。
下面进行详细的计算:
- 对函数进行因式分解并求零点:
已知$y = 12x^{3}-60x^{2}+72x$,提取公因式$12x$可得$y = 12x(x^{2}-5x + 6)$,再对括号内的二次式进行因式分解,$x^{2}-5x + 6=(x - 2)(x - 3)$,所以$y = 12x(x - 2)(x - 3)$。
令$y = 0$,即$12x(x - 2)(x - 3)=0$,解得$x = 0$,$x = 2$,$x = 3$,这三个点将$x$轴分为$[0,2]$和$[2,3]$两个区间。 - 判断函数在各区间上的正负性:
- 当$x\in[0,2]$时,取$x = 1$代入$y = 12x(x - 2)(x - 3)$,可得$y=12\times1\times(1 - 2)\times(1 - 3)=12\times(-1)\times(-2)=24>0$,所以在区间$[0,2]$内,$y\geq0$。
- 当$x\in[2,3]$时,取$x=\frac{5}{2}$代入$y = 12x(x - 2)(x - 3)$,可得$y = 12\times\frac{5}{2}\times(\frac{5}{2}-2)\times(\frac{5}{2}-3)=30\times\frac{1}{2}\times(-\frac{1}{2})=-\frac{15}{2}<0$,所以在区间$[2,3]$内,$y\leq0$。
- 计算定积分求面积:
根据上述分析,所求面积$S=\int_{0}^{2}(12x^{3}-60x^{2}+72x)dx-\int_{2}^{3}(12x^{3}-60x^{2}+72x)dx$。
先求$\int(12x^{3}-60x^{2}+72x)dx$,根据积分公式$\int x^{n}dx=\frac{1}{n + 1}x^{n+1}+C(n\neq - 1)$可得:
$\int(12x^{3}-60x^{2}+72x)dx=12\times\frac{1}{4}x^{4}-60\times\frac{1}{3}x^{3}+72\times\frac{1}{2}x^{2}+C = 3x^{4}-20x^{3}+36x^{2}+C$。- 计算$\int_{0}^{2}(12x^{3}-60x^{2}+72x)dx$:
$\int_{0}^{2}(12x^{3}-60x^{2}+72x)dx=\left[3x^{4}-20x^{3}+36x^{2}\right]_{0}^{2}$
$=(3\times2^{4}-20\times2^{3}+36\times2^{2})-(3\times0^{4}-20\times0^{3}+36\times0^{2})$
$=(3\times16-20\times8 + 36\times4)-0$
$=(48-160 + 144)=32$。 - 计算$\int_{2}^{3}(12x^{3}-60x^{2}+72x)dx$:
$\int_{2}^{3}(12x^{3}-60x^{2}+72x)dx=\left[3x^{4}-20x^{3}+36x^{2}\right]_{2}^{3}$
$=(3\times3^{4}-20\times3^{3}+36\times3^{2})-(3\times2^{4}-20\times2^{3}+36\times2^{2})$
$=(3\times81-20\times27+36\times9)-(48 - 160 + 144)$
$=(243-540 + 324)-32$
$=27-32=-5$。
- 计算$\int_{0}^{2}(12x^{3}-60x^{2}+72x)dx$:
- 计算总面积:
将上述两个定积分的结果代入面积公式$S=\int_{0}^{2}(12x^{3}-60x^{2}+72x)dx-\int_{2}^{3}(12x^{3}-60x^{2}+72x)dx$,可得$S = 32-(-5)=37$。