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数学
题目

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

为了求出曲线 $ y = \cos x $ 在区间 $[- \frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}]$ 与x轴所围成的图形绕x轴旋转一周所得旋转体的体积,我们可以使用圆盘法。圆盘法的公式为: \[ V = \pi \int_{a}^{b} [f(x)]^2 \, dx \] 这里,$ f(x) = \cos x $,$ a = -\frac{\pi}{2} $,$ b = \frac{\pi}{2} $。将这些值代入公式,我们得到: \[ V = \pi \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \cos^2 x \, dx \] 为了积分 $ \cos^2 x $,我们使用半角恒等式 $ \cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2} $。因此,积分变为: \[ V = \pi \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1 + \cos 2x}{2} \, dx \] 我们可以将这个积分拆分为两个积分: \[ V = \pi \left( \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{2} \, dx + \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\cos 2x}{2} \, dx \right) \] 第一个积分很简单: \[ \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{2} \, dx = \frac{1}{2} \left[ x \right]_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} = \frac{1}{2} \left( \frac{\pi}{2} - \left( -\frac{\pi}{2} \right) \right) = \frac{1}{2} \cdot \pi = \frac{\pi}{2} \] 第二个积分可以通过代换 $ u = 2x $,所以 $ du = 2 \, dx $ 或 $ dx = \frac{1}{2} \, du $。当 $ x = -\frac{\pi}{2} $ 时,$ u = -\pi $,当 $ x = \frac{\pi}{2} $ 时,$ u = \pi $。因此,积分变为: \[ \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\cos 2x}{2} \, dx = \frac{1}{2} \int_{-\pi}^{\pi} \frac{\cos u}{2} \, du = \frac{1}{4} \int_{-\pi}^{\pi} \cos u \, du \] 由于 $ \cos u $ 是一个奇函数,它在对称区间 $[- \pi, \pi]$ 上的积分是零: \[ \int_{-\pi}^{\pi} \cos u \, du = 0 \] 所以,第二个积分是零。因此,体积为: \[ V = \pi \left( \frac{\pi}{2} + 0 \right) = \pi \cdot \frac{\pi}{2} = \frac{\pi^2}{2} \] 因此,旋转体的体积是 $\boxed{\frac{\pi^2}{2}}$。正确答案是 $\boxed{C}$。

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:

  1. 确定方法:绕x轴旋转,选择圆盘法,体积公式为 $V = \pi \int_{a}^{b} [f(x)]^2 \, dx$。
  2. 积分化简:利用半角公式将 $\cos^2 x$ 转化为易积分的形式。
  3. 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
$V = \pi \left( \frac{\pi}{2} + 0 \right) = \frac{\pi^2}{2}$

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