曲线 y=cos x (-(pi)/(2) leq x leq (pi)/(2)) 与 x 轴所围成的图形,绕 x 轴旋转一周所得旋转体的体积为 A. (pi)/(2)B. piC. (pi^2)/(2)D. pi^2
曲线 $y=\cos x (-\frac{\pi}{2} \leq x \leq \frac{\pi}{2})$ 与 x 轴所围成的图形,绕 x 轴旋转一周所得旋转体的体积为
- A. $\frac{\pi}{2}$
- B. $\pi$
- C. $\frac{\pi^2}{2}$
- D. $\pi^2$
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查旋转体体积的计算,涉及圆盘法的应用以及三角函数积分的技巧。
解题核心思路:
- 确定方法:绕x轴旋转,选择圆盘法,体积公式为 $V = \pi \int_{a}^{b} [f(x)]^2 \, dx$。
- 积分化简:利用半角公式将 $\cos^2 x$ 转化为易积分的形式。
- 对称性简化:注意积分区间对称性,简化计算。
破题关键点:
- 正确应用圆盘法公式,明确积分上下限。
- 灵活使用半角公式 $\cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2}$。
- 利用奇偶函数的积分性质简化计算。
步骤1:应用圆盘法公式
体积公式为:
$V = \pi \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \cos^2 x \, dx$
步骤2:化简被积函数
利用半角公式 $\cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2}$,得:
$V = \pi \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1 + \cos 2x}{2} \, dx$
步骤3:拆分积分
将积分拆分为两部分:
$V = \pi \left( \frac{1}{2} \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} 1 \, dx + \frac{1}{2} \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \cos 2x \, dx \right)$
步骤4:计算第一部分积分
$\frac{1}{2} \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} 1 \, dx = \frac{1}{2} \cdot \left[ x \right]_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} = \frac{1}{2} \cdot \pi = \frac{\pi}{2}$
步骤5:计算第二部分积分
令 $u = 2x$,则 $du = 2 dx$,积分变为:
$\frac{1}{2} \int_{-\pi}^{\pi} \frac{\cos u}{2} \, du = \frac{1}{4} \int_{-\pi}^{\pi} \cos u \, du$
由于 $\cos u$ 是奇函数,在对称区间上的积分为 $0$,故第二部分结果为 $0$。
步骤6:合并结果
$V = \pi \left( \frac{\pi}{2} + 0 \right) = \frac{\pi^2}{2}$