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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 y=f(x)y=g(x)(对x积分,垂直切片)

若在区间 [a,b]f(x)g(x),面积为:

A=ab[f(x)g(x)]dx
  • 区间 [a,b]:由两条曲线的交点横坐标确定(解方程 f(x)=g(x));
  • 示例:求 y=x2+1y=x[0,1] 间的面积:A=01[(x2+1)x]dx=(x33x22+x)|01=56

(2)函数表示为 x=f(y)x=g(y)(对y积分,水平切片)

若在区间 [c,d]f(y)g(y),面积为:

A=cd[f(y)g(y)]dy
  • 适用场景:曲线难以表示为 y=h(x) 时(如左边界为抛物线);
  • 示例:求 x=y2x=y[0,1] 间的面积:A=01(yy2)dy=(y22y33)|01=16

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 A(x)(或 A(y))的定积分求体积:

V=abA(x)dxV=cdA(y)dy

(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(y=f(x)0):
    横截面半径 r=f(x),面积 A(x)=π[f(x)]2,体积:V=πab[f(x)]2dx
  • 绕y轴旋转(x=g(y)0):
    横截面半径 r=g(y),面积 A(y)=π[g(y)]2,体积:V=πcd[g(y)]2dy

(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(f(x)g(x)0):
    外半径 R=f(x),内半径 r=g(x),面积 A(x)=π[R2r2],体积:V=πab[[f(x)]2[g(x)]2]dx

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:2π×××

关键公式(绕y轴旋转,对x积分)

若区域由 y=f(x)、x轴、x=ax=b 围成,体积:

V=2πabxf(x)dx
  • 半径:x(到y轴的距离);
  • 高度:f(x)(曲线到x轴的距离);
  • 示例:求 f(x)=1x[1,3] 绕y轴旋转的体积:V=2π13x1xdx=2π13dx=4π

适用场景

  • 绕y轴旋转时,y=f(x) 难以转化为 x=g(y)
  • 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 f(x) 在区间 [a,b] 上的平均值,是其定积分与区间长度的比值:

favg=1baabf(x)dx

2. 积分中值定理(Mean Value Theorem for Integrals)

f(x)[a,b] 上连续,则存在至少一点 c(a,b),使得:

f(c)=favgabf(x)dx=f(c)(ba)
  • 几何意义:曲边梯形面积 = 以 [a,b] 为长、f(c) 为高的矩形面积;
  • 物理意义:如 v(t) 为速度函数,平均值即平均速度。

3. 示例

f(x)=82x[0,4] 上的平均值及对应的 c

favg=14004(82x)dx=14(8xx2)|04=4

82c=4,解得 c=2

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 y=f(x) 转化为 x=g(y)
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

  1. 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;
  2. 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);
  3. 函数平均值必加 1ba 因子,避免与定积分值混淆;
  4. 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。