区域绕坐标轴旋转一圈,会扫出一个立体,体积可以看成一叠薄圆盘。绕 x 轴时,V = π ∫ y² dx,关键的一步是先把 y 平方再积分。
本课属于 SPM 附加数学积分单元。你需要会计算定积分,也要会展开括号。
例题:绕 x 轴旋转
y = x + 1 下方、x 从 0 到 2 的区域,绕 x 轴旋转 360°。求所得立体的体积。
每个圆盘的半径是 y = x + 1,所以面积是 π(x + 1)²。
V = π ∫ (x + 1)² dx,x 从 0 到 2 = π ∫ (x² + 2x + 1) dx = π [x³/3 + x² + x]。
x = 2 时:8/3 + 4 + 2 = 26/3。x = 0 时值是 0。
V = 26π/3 立方单位,约等于 27.2。
检验:这个立体是圆台,两端半径分别是 1 和 3,高是 2。圆台公式 (πh/3)(r² + rR + R²) = (2π/3)(1 + 3 + 9) = 26π/3,与答案一致。
会丢分的写法
常见错误是先积分 y,再把结果平方,或者干脆忘了平方。两种写法都让步骤变短,而且都是错的。
| 步骤 | 错误写法 | 正确写法 |
|---|---|---|
| 被积函数 | ∫ (x + 1) dx | ∫ (x + 1)² dx |
| 顺序 | (∫ y dx)² | π ∫ y² dx |
| 展开 | 省略 | x² + 2x + 1 |
| 结果 | 16π(积分后才平方) | 26π/3 |
错误的顺序是这样算的:∫ (x + 1) dx,x 从 0 到 2 得 4,平方得 16,再乘以 π 得 16π。体积不是面积的平方。
绕 y 轴旋转怎么做?
绕 y 轴时,用 V = π ∫ x² dy,积分限要写 y 的值。设 y = x²、y 轴和直线 y = 4 围成的区域绕 y 轴旋转。
因为 y = x²,所以 x² = y,可以直接使用。积分限是 y 从 0 到 4。
V = π ∫ y dy,y 从 0 到 4 = π [y²/2] = π(8) = 8π 立方单位。
如果曲线是 y = √x,就要改写成 x = y²,于是 x² = y⁴,再积分。
一套可以重复用的步骤
- 画出区域,标出旋转轴。
- 绕 x 轴用 V = π ∫ y² dx,绕 y 轴用 V = π ∫ x² dy。
- 把 y² 或 x² 写成积分变量的式子,并展开括号。
- 积分,代入积分限,最后乘以 π。
- 答案用 π 表示,并写上单位。
自测
y = √x 下方、x 从 1 到 4 的区域绕 x 轴旋转。以 π 表示,求体积。
答案
y² = x,所以 V = π ∫ x dx,x 从 1 到 4 = π [x²/2]。
x = 4 时是 8。x = 1 时是 1/2。所以 V = π(8 − 1/2) = 15π/2 立方单位。
检验大小:半径从 1 增大到 2,长度是 3。半径 1 的圆柱体积是 3π,半径 2 的是 12π。7.5π 落在两者之间,答案合理。
接下来学什么
下一课把积分连到运动:把积分连到位移与路程。然后做本章练习。