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数学
题目

设平面图形 D 由曲线 y=(1)/(x)、直线 y=x 及 x=3 所围成的部分,求 D 绕 x 轴旋转形成的旋转体的体积。

设平面图形 $D$ 由曲线 $y=\frac{1}{x}$、直线 $y=x$ 及 $x=3$ 所围成的部分,求 $D$ 绕 $x$ 轴旋转形成的旋转体的体积。

题目解答

答案

我们要求的是由曲线 $ y = \frac{1}{x} $、直线 $ y = x $ 和直线 $ x = 3 $ 所围成的平面图形 $ D $,绕 $ x $ 轴旋转一周所形成的旋转体的体积。

第一步:理解图形区域 $ D $

我们分析由以下三条曲线围成的区域:

  1. $ y = \frac{1}{x} $:双曲线,在第一象限中随 $ x $ 增大而递减。
  2. $ y = x $:过原点的直线,斜率为1。
  3. $ x = 3 $:垂直于 $ x $-轴的直线。

我们要找的是这三条曲线围成的封闭区域。注意,$ y = \frac{1}{x} $ 和 $ y = x $ 会在某点相交,这个交点是区域的左边界。

第二步:求交点

求 $ y = x $ 与 $ y = \frac{1}{x} $ 的交点:

$x = \frac{1}{x} \Rightarrow x^2 = 1 \Rightarrow x = 1 \quad (\text{取} x > 0,因为 } y = \frac{1}{x} \text{ 在 } x>0 \text{ 与 } y=x \text{ 同在第一象限})$

所以交点为 $ x = 1 $,此时 $ y = 1 $。

再看 $ x = 3 $,这是右边界。

因此,区域 $ D $ 的 $ x $ 范围是从 $ x = 1 $ 到 $ x = 3 $。

在这个区间 $ [1, 3] $ 上,比较 $ y = x $ 和 $ y = \frac{1}{x} $ 的大小:

  • 当 $ x > 1 $ 时,$ x > \frac{1}{x} $,所以在 $ [1,3] $ 上,$ y = x $ 在上,$ y = \frac{1}{x} $ 在下。

因此,区域 $ D $ 是在 $ x \in [1, 3] $ 上,由上曲线 $ y = x $ 和下曲线 $ y = \frac{1}{x} $ 所围成的部分。

第三步:旋转体体积(圆盘法)

绕 $ x $-轴旋转,使用圆盘法(washer method),体积公式为:

$V = \pi \int_{a}^{b} \left[ R_{\text{外}}(x)^2 - R_{\text{内}}(x)^2 \right] dx$

其中:

  • $ R_{\text{外}}(x) $ 是上曲线到 $ x $-轴的距离(即上函数值),
  • $ R_{\text{内}}(x) $ 是下曲线到 $ x $-轴的距离(即下函数值)。

在这里:

  • 上曲线:$ y = x $,所以 $ R_{\text{外}} = x $
  • 下曲线:$ y = \frac{1}{x} $,所以 $ R_{\text{内}} = \frac{1}{x} $
  • 积分区间:$ x \in [1, 3] $

所以体积为:

$V = \pi \int_{1}^{3} \left[ x^2 - \left( \frac{1}{x} \right)^2 \right] dx = \pi \int_{1}^{3} \left( x^2 - \frac{1}{x^2} \right) dx$

第四步:计算积分

我们计算:

$\int_{1}^{3} \left( x^2 - \frac{1}{x^2} \right) dx = \int_{1}^{3} x^2 \, dx - \int_{1}^{3} x^{-2} \, dx$

分别计算:

  1. $ \int_{1}^{3} x^2 \, dx = \left[ \frac{x^3}{3} \right]_1^3 = \frac{27}{3} - \frac{1}{3} = \frac{26}{3} $

  2. $ \int_{1}^{3} x^{-2} \, dx = \left[ \frac{x^{-1}}{-1} \right]_1^3 = \left[ -\frac{1}{x} \right]_1^3 = -\frac{1}{3} + 1 = \frac{2}{3} $

所以:

$\int_{1}^{3} \left( x^2 - \frac{1}{x^2} \right) dx = \frac{26}{3} - \frac{2}{3} = \frac{24}{3} = 8$

第五步:乘以 $ \pi $

$V = \pi \cdot 8 = 8\pi$

最终答案:

$\boxed{8\pi}$

这是平面图形 $ D $ 绕 $ x $ 轴旋转一周所得旋转体的体积。

解析

考查要点:本题主要考查旋转体体积的计算,涉及定积分的应用和环形法(washer method)的使用。

解题核心思路:

  1. 确定积分区间:通过求曲线交点,明确区域D的左右边界。
  2. 识别内外半径:在积分区间内,判断绕x轴旋转时的外半径和内半径对应的函数。
  3. 应用体积公式:利用环形法公式计算体积,注意积分的正确展开与计算。

破题关键点:

  • 交点计算:找到曲线$y=x$与$y=\frac{1}{x}$的交点$x=1$,确定积分下限。
  • 函数上下关系:在区间$[1,3]$上,$y=x$始终在$y=\frac{1}{x}$上方,明确外半径和内半径。

步骤1:确定积分区间

求曲线$y=x$与$y=\frac{1}{x}$的交点:
$x = \frac{1}{x} \implies x^2 = 1 \implies x = 1 \quad (\text{取} x > 0)$
因此,积分区间为$x \in [1, 3]$。

步骤2:分析内外半径

在区间$[1,3]$上:

  • 外半径:由上曲线$y=x$到x轴的距离,即$R_{\text{外}}(x) = x$。
  • 内半径:由下曲线$y=\frac{1}{x}$到x轴的距离,即$R_{\text{内}}(x) = \frac{1}{x}$。

步骤3:应用环形法公式

旋转体体积公式为:
$V = \pi \int_{1}^{3} \left[ R_{\text{外}}(x)^2 - R_{\text{内}}(x)^2 \right] dx = \pi \int_{1}^{3} \left( x^2 - \frac{1}{x^2} \right) dx$

步骤4:计算积分

将积分拆分为两部分:
$\int_{1}^{3} x^2 \, dx = \left[ \frac{x^3}{3} \right]_{1}^{3} = \frac{27}{3} - \frac{1}{3} = \frac{26}{3}$
$\int_{1}^{3} \frac{1}{x^2} \, dx = \left[ -\frac{1}{x} \right]_{1}^{3} = -\frac{1}{3} + 1 = \frac{2}{3}$
因此:
$\int_{1}^{3} \left( x^2 - \frac{1}{x^2} \right) dx = \frac{26}{3} - \frac{2}{3} = 8$

步骤5:求最终体积

$V = \pi \cdot 8 = 8\pi$

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