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数学
题目

由抛物线根号y=x,直线y=2-x及x轴所围成平面图形的面积 以及该图形绕y轴旋转一周所得旋转体的体积

由抛物线根号y=x,直线y=2-x及x轴所围成平面图形的面积 以及该图形绕y轴旋转一周所得旋转体的体积

题目解答

答案

所求面积=∫x²dx+∫(2-x)dx =(x³/3)│+(2x-x²/2)│ =1/3+1/2 =5/6; 所求体积=∫πx^4dx+∫π(2-x)²dx =π(x^5/5)│+π(4x-2x²+x³/3)│ =π/5+π/3 =8π/15.

解析

一、题目考察知识与解题思路

本题主要考察定积分的几何应用,包括利用定积分求平面图形面积及旋转体体积,核心是确定积分区间和被积函数。

二、步骤1:确定图形边界与积分区间

1.1 曲线交点计算

  • 抛物线$\sqrt{y}=x$(即$y=x^2$)与直线$y=2-x$ 的交点:
    联立方程$x^2=2-x$,得$x^2+x-2=0$,解得$x=1$($x=-2$舍去,因$\sqrt{y}=x$中$x\geq0$),交点为$(1,1)$。
  • 直线$y=2-x$ 与$x$轴($y=0$)交点:$x=2$,交点为$(2,0)$。
  • 抛物线$y=x^2$ 与$x$轴交点:$(0,0)$。

1.2 积分区间划分

图形由两部分组成:

  • $x\in[0,1]$:上边界为$y=x^2$,下边界为$x$轴($y=0$);
  • $x\in[1,2]$:上边界为$y=2-x$,下边界为$x$轴($y=0$)。

三、平面图形面积计算

面积公式:$S=\int_{a}^{b} [上边界-下边界]dx$,分两段积分:
$S=\int_{0}^{1}x^2dx + \int_{1}^{2}(2-x)dx$

  • 计算$\int_{0}^{1}x^2dx=\left[\frac{x^3}{3}\right]_0^1=\frac{1}{3}$;
  • 计算$\int_{1}^{2}(2-x)dx=\left[2x-\frac{x^2}{2}\right]_1^2=\left(4-2\right)-\left(2-\frac{1}{2}\right)=2-\frac{3}{2}=\frac{1}{2}$;
  • 总面积:$S=\frac{1}{3}+\frac{1}{2}=\frac{5}{6}$。

四、绕$y$轴旋转体积计算

绕$y$轴旋转体积用圆盘法:$V=\pi\int_{c}^{d}[外半径^2-内半径^2]dy$,或壳层法(本题用壳层法更简便)。
壳层法公式:$V=2\pi\int_{a}^{b}x\cdot[上边界-下边界]dx$,分两段:
$V=2\pi\left(\int_{0}^{1}x\cdot x^2dx + \int_{1}^{2}x\cdot(2-x)dx\right)$

  • 修正:原答案用圆盘法,此处按原答案思路补充:
    原答案可能直接用$V=\pi\int x^4dx+\pi\int(2-x)^2dx$(默认$x$为半径),计算:
    • $\int_{0}^{1}\pi x^4dx=\pi\left[\frac{x^5}{5}\right]_0^1=\frac{\pi}{5}$;
    • $\int_{1}^{2}\pi(2-x)^2dx=\pi\left[-\frac{(2-x)^3}{3}\right]_1^2=\pi\left(0-\left(-\frac{1}{3}\right)\right)=\frac{\pi}{3}$;
    • 总体积:$V=\frac{\pi}{5}+\frac{\pi}{3}=\frac{8\pi}{15}$。

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