积分应用核心知识点总结(面积、体积与函数平均值)
一、曲线间面积(Area Between Curves)
1. 核心定义
由两条连续曲线围成的区域面积,本质是「上边界函数与下边界函数差值的定积分」,需通过曲线交点确定积分区间。
2. 关键公式(分两种场景)
(1)函数表示为 、 (对x积分,垂直切片)
若在区间
- 区间
:由两条曲线的交点横坐标确定(解方程 ); - 示例:求
与 在 间的面积:
(2)函数表示为 、 (对y积分,水平切片)
若在区间
- 适用场景:曲线难以表示为
时(如左边界为抛物线); - 示例:求
与 在 间的面积:
3. 注意事项
- 必须取函数差值的绝对值(或确保上函数≥下函数),避免面积为负;
- 若曲线在区间内交叉,需分段积分(每段单独确定上下边界)。
二、体积计算(Volume)
1. 切片法(Slice Method)—— 圆盘法与圆环法
核心逻辑
将旋转体沿垂直于旋转轴的方向切片,用横截面面积
(1)圆盘法(Disk Method)—— 无内孔的旋转体
- 适用场景:区域绕轴旋转后,横截面为完整圆形;
- 绕x轴旋转(
):
横截面半径,面积 ,体积: - 绕y轴旋转(
):
横截面半径,面积 ,体积:
(2)圆环法(Washer Method)—— 有内孔的旋转体
- 适用场景:区域绕轴旋转后,横截面为圆环(内外半径不同);
- 绕x轴旋转(
):
外半径,内半径 ,面积 ,体积:
2. 圆柱壳法(Cylindrical Shells)
核心逻辑
绕轴旋转时,用「圆柱壳」近似体积,积分方向与旋转轴垂直(避免解反函数),公式核心:
关键公式(绕y轴旋转,对x积分)
若区域由
- 半径:
(到y轴的距离); - 高度:
(曲线到x轴的距离); - 示例:求
在 绕y轴旋转的体积:
适用场景
- 绕y轴旋转时,
难以转化为 ; - 相比圆环法,计算更简洁(无需处理复杂根号或分式)。
三、函数平均值(Average Value of a Function)
1. 定义与核心公式
连续函数
2. 积分中值定理(Mean Value Theorem for Integrals)
若
- 几何意义:曲边梯形面积 = 以
为长、 为高的矩形面积; - 物理意义:如
为速度函数,平均值即平均速度。
3. 示例
求
令
四、核心方法选择指南
| 问题类型 | 推荐方法 | 关键判断依据 |
|---|---|---|
| 曲线间面积 | 对x积分/对y积分 | 哪种方式无需分段、函数表达式更简单 |
| 旋转体体积(无孔) | 圆盘法 | 绕轴旋转后横截面为完整圆形 |
| 旋转体体积(有孔) | 圆环法 | 绕轴旋转后横截面为圆环 |
| 绕y轴旋转体积 | 圆柱壳法 | 难以将 |
| 函数平均取值 | 平均值公式+积分中值定理 | 需求连续函数在区间内的平均水平 |
五、关键注意事项
- 积分区间必须通过「曲线交点」或「题目给定范围」确定,避免区间错误;
- 旋转体体积需先明确「旋转轴」,再选择对应方法(绕x轴优先圆盘/圆环法,绕y轴优先圆柱壳法);
- 函数平均值必加
因子,避免与定积分值混淆; - 所有公式均基于「定积分基本定理」,计算时需准确求原函数并代入上下限。