微积分解说——计算平行截面面积为已知的立体的体积

数理土豆饼课程 2024-03-26 13:36:17

对于一般的三维立体,建立空间中的直角坐标系以后,当x的坐标变化时,对应y轴方向,和z轴方向立体的边界,可以独立变化,这样的情况下,需要二重积分才能计算出立体的体积。

而旋转体的体积,不需要用到二重积分, 直接用一元函数的定积分就可以计算,

原因在于, 用垂直于 旋转轴的平面,去截取旋转体,

截面都是正圆,

而正圆的面积, 只要半径定了,就可以计算出来。

而旋转体 在 某一 x 点处的 截面圆 半径,是由 f(x) 表示的,

所以 旋转体计算公式中, 只需要对 含有x 这一个变量的函数积分就可以了。

有些立体,虽然不是旋转体,但是顺着某一直线,用垂直于直线的平面去截取立体,

如果截面积可以用只含有一个变量的函数来表示,

也可以用一元函数的定积分来计算其体积。

用上边这个公式来计算,

当x从a变化到b,用垂直于x轴的平面 截立体,截面积 用 A(x) 来表示,

那立体的体积,就用上边这个公式计算。

这个是更一般化的公式,旋转体的体积计算公式,是它的一种情形。

计算一个具体的例子

一平面经过半径为R的圆柱体的底圆中心,并与底面交成角 ,计算这平面截圆柱体所得立体的体积

平面截圆柱体

就是上边这个图了。

这个图中,蓝绿色的是圆柱面,用粉红色的平面去截它,粉红色的平面与坐标平面XOy的二面角夹角为 ,且粉红色平面经过圆柱底面的圆心,也就是坐标原点,

垂直的坐标轴当然是Z轴,

红色的是X轴

剩余一个坐标轴是Y轴

这样,底圆的方程为

这样顺着X轴,用垂直于X轴的平面截取这个立体,

截取到的截面就是一个直角三角形。

直角三角形的两条直角边的长度分别为y,以及y tan

根据底圆的方程,y应该等于

这样就可以计算出截面的面积,

再积分,就计算出立体的体积了。

计算过程如下图:

积分计算截圆柱体体积

这样一个复杂的立体,得出截面积随X变化的公式,就可以通过积分,计算出立体的体积了。

当然顺着y轴,z轴去截,截出来的平面图形和顺着x 轴的不一样,体积也是可以计算的。应该没有顺着x轴截取,计算起来方便。

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