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积分的应用

AP 微积分 BC · 知识点 8

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9:59

积分的应用

这里有一个起伏的图形及其下方的面积。现在想象将该面积倒入同一区间上的矩形中,并使其平整。高度……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

8.1

求函数在区间上的平均值

教学大纲

持久理解 (CHA-4): 定积分使我们能够解决涉及区间内变化累积的问题。

学习目标 CHA-4.B: 利用定积分确定函数的平均值。

  • CHA-4.B.1 连续函数 $f$ 在区间 $[a, b]$ 上的平均值为 $\dfrac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx$。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The average value 平均值 of $f$ over $[a,b]$ is the integral 积分 divided by the width:

$$f_{\text{avg}}=\frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx.$$
It is the constant height a rectangle 矩形 would need to have the same area as the region under $f$. Do not confuse this with the average rate of change 变化率 (which uses the derivative 导数).

Worked example. The average value of $f(x)=x^2$ on $[0,3]$ is $\dfrac{1}{3}\displaystyle\int_0^3 x^2\,dx=\dfrac13\left[\dfrac{x^3}{3}\right]_0^3=\dfrac13(9)=3$.

探索

函数的平均值

y = ax³ + bx² + cx + d

$f$ 在 $[a,b]$ 上的平均值是其积分除以宽度——即具有与曲线下相同面积的矩形的恒定高度。

词汇 训练
English 中文 拼音
average value/ˈævrɪdʒ ˈvæljuː/ 平均值 píng jūn zhí
integral/ˈɪntɪɡrəl/ 积分 jī fēn
rectangle/ˈrektæŋɡl/ 矩形 jǔ xíng
rate of change/reɪt ɒv tʃeɪndʒ/ 变化率 biàn huà lǜ
derivative/dɪˈrɪvətɪv/ 导数 dǎo shù
8.2

用积分联系函数的位置、速度与加速度

教学大纲

持久理解 (CHA-4): 定积分使我们能够解决涉及区间内变化累积的问题。

学习目标 CHA-4.C: 在涉及直线运动的问题中,利用定积分确定位置和变化率的值。

  • CHA-4.C.1 对于在时间区间内作直线运动的质点,速度的定积分表示该质点在该时间区间内的位移,而速率的定积分表示该质点在该时间区间内所经过的总路程。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

For straight-line motion, integration 积分法 reverses differentiation 求导:

$$v(t)=\int a(t)\,dt,\qquad s(t)=\int v(t)\,dt.$$
Two key distinctions: displacement 位移 is $\int_a^b v\,dt$ (net change 净变化 in position), while total distance 总路程 is $\int_a^b |v|\,dt$ (splitting where $v$ changes sign). Speed 速率 is $|v|$.

词汇 训练
English 中文 拼音
integration/ˌɪntɪˈɡreɪʃn/ 积分法 jī fēn fǎ
differentiation/ˌdɪfəˌrenʃɪˈeɪʃn/ 求导 qiú dǎo
displacement/dɪˈspleɪsmənt/ 位移 wèi yí
net change/net tʃeɪndʒ/ 净变化 jìng biàn huà
total distance/ˈtəʊtl ˈdɪstəns/ 总路程 zǒng lù chéng
speed/spiːd/ 速率 sù lǜ
8.3

在实际情境中运用累积函数与定积分

教学大纲

持久理解 (CHA-4): 定积分使我们能够解决涉及区间内变化累积的问题。

学习目标 CHA-4.D: 解释定积分在累积问题中的含义。

  • CHA-4.D.1 以积分定义的函数表示变化率的累积。
  • CHA-4.D.2 某一数量在区间上的变化率的定积分,等于该数量在该区间上的净变化量。

学习目标 CHA-4.E: 在应用情境中利用定积分确定净变化量。

  • CHA-4.E.1 定积分可用于在许多应用情境中表达关于累积和净变化量的信息。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

When a rate is given (flow rate, sales per day), the definite integral 定积分 gives the accumulated total 累积总量, and $\int_a^b R(t)\,dt$ carries the units of $R$ times time. A common setup: initial amount 初始量 $+\int(\text{rate in}-\text{rate out})\,dt$ gives the amount at a later time. Always interpret the answer in context, with units.

探索

流入的累积量即为面积

y = 4t(流入速率)

流入速率 $R(t)$ 下方的面积是加入的水量;总量等于初始量加上该面积。

词汇 训练
English 中文 拼音
definite integral/ˈdefɪnət ˈɪntɪɡrəl/ 定积分 dìng jī fēn
accumulated total 累积总量 lěi jī zǒng liàng
initial amount 初始量 chū shǐ liàng
8.4

求以 x 为自变量表示的曲线之间的面积

教学大纲

持久理解 (CHA-5): 定积分使我们能够解决在某个区间内涉及面积或体积累积变化的问题。

学习目标 CHA-5.A: 使用定积分计算平面中的面积。

  • CHA-5.A.1 平面中区域的面积可以通过定积分来计算。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
A potter shaping a vessel: volumes of revolution rotate a plane region about an axis
A potter shaping a vessel: volumes of revolution rotate a plane region about an axis

The area between $y=f(x)$ (top) and $y=g(x)$ (bottom) from $a$ to $b$ is

$$\int_a^b\big(f(x)-g(x)\big)\,dx.$$
Find the intersection points 交点 for the limits of integration 积分限, and always subtract top minus bottom.

The area between two curves is the integral of top minus bottom
The area between two curves is the integral of top minus bottom

Worked example. Between $y=x$ and $y=x^2$ (crossing at $x=0,1$, with $y=x$ on top), the area is $\displaystyle\int_0^1 (x-x^2)\,dx=\left[\dfrac{x^2}{2}-\dfrac{x^3}{3}\right]_0^1=\dfrac16$.

探索

直线在抛物线上方

y = ax² + bx + c

在两交点之间,直线位于抛物线上方 — 垂直间距经积分后即为所围面积。

词汇 训练
English 中文 拼音
intersection point/ˌɪntəˈsekʃn pɔɪnt/ 交点 jiāo diǎn
limits of integration/ˈlɪmɪts ɒv ˌɪntɪˈɡreɪʃn/ 积分限 jī fēn xiàn
8.5

求以 y 为自变量表示的曲线之间的面积

教学大纲

持久理解 (CHA-5): 定积分使我们能够求解在某一区间内面积或体积的变化累积问题。

学习目标 CHA-5.A: 使用定积分计算平面区域的面积。

  • CHA-5.A.2 平面区域的面积可以使用关于 $x$ 的函数或关于 $y$ 的函数进行计算。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

When curves are easier to describe as $x=f(y)$, integrate with respect to $y$ instead, using right minus left:

$$\int_c^d\big(f_{\text{right}}(y)-g_{\text{left}}(y)\big)\,dy.$$
Choosing to integrate in $y$ can avoid splitting the region into several pieces.

Worked example. Find the same area between $y=x$ and $y=x^2$ with horizontal slices. Solve each curve for $x$: the line is $x=y$ and the parabola 抛物线 is $x=\sqrt{y}$. For $0<y<1$, $\sqrt{y}>y$ (try $y=0.25$: $0.5>0.25$), so the parabola is on the right:

$$A=\int_0^1\big(\sqrt{y}-y\big)\,dy=\left[\frac{2}{3}y^{3/2}-\frac{y^2}{2}\right]_0^1=\frac23-\frac12=\frac16.$$

Both methods give $\tfrac16$, as they must.

探索

开口侧向的抛物线

y = ax² + bx + c

当曲线开口侧向时,水平切片(右减左,对 $y$ 积分)是更简洁的选择。

词汇 训练
English 中文 拼音
parabola/pəˈræbələ/ 抛物线 pāo wù xiàn
8.6

求相交多于两点的曲线之间的面积

教学大纲

持久理解 (CHA-5): 定积分使我们能够解决关于区间内面积或体积变化累积的问题。

学习目标 CHA-5.A: 使用定积分计算平面中的面积。

  • CHA-5.A.3 平面中某些区域的面积可以通过两个或多个定积分之和来计算,或者通过计算两个函数之差的绝对值的定积分来求得。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

If two curves cross several times, the top and bottom switch. Split the region at each intersection and integrate each piece with the correct top-minus-bottom (or use $\int|f-g|$), then add the pieces.

8.7

用横截面求体积:正方形与矩形

教学大纲

持久理解 (CHA-5): 定积分使我们能够解决涉及区间内面积或体积累积变化的问题。

学习目标 CHA-5.B: 使用定积分计算已知横截面的立体体积。

  • CHA-5.B.1 具有正方形和矩形横截面的立体体积可以通过定积分以及这些形状的面积公式求得。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

If a solid's cross sections 横截面 perpendicular 垂直 to the $x$-axis are squares 正方形 or rectangles, integrate their area to find the volume 体积. With side length equal to the distance between two curves, a square cross section gives

$$V=\int_a^b \big(f(x)-g(x)\big)^2\,dx.$$
The method is always "integrate the cross-sectional area."

Worked example. The base of a solid is the region under $y=\sqrt{x}$ from $x=0$ to $x=4$, and cross sections perpendicular to the $x$-axis are squares. Each square's side is $s(x)=\sqrt{x}$, so $A(x)=x$ and

$$V=\int_0^4 x\,dx=\left[\frac{x^2}{2}\right]_0^4=8.$$

With semicircles on the same base instead, $A(x)=\tfrac{\pi}{8}\big(\sqrt{x}\big)^2$, so $V=\tfrac{\pi}{8}\cdot 8=\pi$: only the area formula changes.

Worked example. The base of a solid is the region between $y=x$ and $y=x^2$. Cross sections perpendicular to the $x$-axis are squares. Find the volume.

The side of each square is the slice length $s(x)=x-x^2$, so $A(x)=(x-x^2)^2=x^2-2x^3+x^4$ and

$$V=\int_0^1\big(x^2-2x^3+x^4\big)\,dx=\frac13-\frac12+\frac15=\frac{10-15+6}{30}=\frac{1}{30}.$$

Expand the square before integrating; $\int (x-x^2)^2\,dx$ is not $\left(\int (x-x^2)\,dx\right)^2$.

探索

√x 下方的底面区域

y = a·√x

每个正方形切片置于底面上;其边长为$\sqrt{x}$,因此面积为$(\sqrt{x})^2=x$。

词汇 训练
English 中文 拼音
cross section/krɒs ˈsekʃn/ 横截面 héng jié miàn
perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ 垂直 chuí zhí
square/skweə/ 正方形 zhèng fāng xíng
volume/ˈvɒljuːm/ 体积 tǐ jī
8.8

用横截面求体积:三角形与半圆

教学大纲

持久理解 (CHA-5): 定积分使我们能够解决涉及区间内面积或体积累积变化的问题。

学习目标 CHA-5.B: 利用定积分计算已知截面的立体体积。

  • CHA-5.B.2 具有三角形截面的立体体积可以通过定积分以及这些形状的面积公式求得。
  • CHA-5.B.3 具有半圆形及其他几何定义截面的立体体积可以通过定积分以及这些形状的面积公式求得。
    • CHA-5.B.3 的示例:
      • 截面为圆的漏斗体积可以利用圆的面积公式和定积分求得(参见 2016 AB 考试自由作答题 #5(b))。
      • 截面面积由函数定义的立体体积可以利用已知的面积函数和定积分求得(参见 2009 AB 考试自由作答题 #4(c))。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Same idea, different area formula: for equilateral triangle 等边三角形 cross sections use $A=\tfrac{\sqrt3}{4}s^2$, and for semicircular 半圆形的 ones $A=\tfrac{\pi}{8}s^2$ (with $s$ the distance between the curves). Substitute the area formula and integrate.

探索

切片变化的底面

y = a·√x

相同的底面区域会因切片形状不同而产生不同的体积——仅当面积常数乘以$s(x)^2$时发生变化。

词汇 训练
English 中文 拼音
equilateral triangle/ˌiːkwɪˈlætərəl ˈtraɪæŋɡl/ 等边三角形 děng biān sān jiǎo xíng
semicircular 半圆形的 bàn yuán xíng de
8.9

圆盘法求体积:绕 x 轴或 y 轴旋转

教学大纲

持久理解 (CHA-5): 定积分使我们能够解决在某个区间内面积或体积变化累积的问题。

学习目标 CHA-5.C: 使用定积分计算旋转体的体积。

  • CHA-5.C.1 绕 $x$-轴或 $y$-轴旋转的旋转体体积可以通过使用圆盘法的定积分求得。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Solids of revolution: the disc method

Revolving a region around an axis makes a solid of revolution 旋转体 whose cross sections are discs. The disc method 圆盘法 integrates $\pi(\text{radius})^2$:

$$V=\pi\int_a^b \big(R(x)\big)^2\,dx,$$
where the radius 半径 $R$ is the distance from the curve to the axis. Use $dy$ when revolving around the $y$-axis.

The disc method: rotating y=f(x) about the axis sweeps out disks of radius f(x)
The disc method: rotating y=f(x) about the axis sweeps out disks of radius f(x)

Worked example. Revolving the region under $y=\sqrt{x}$ from $0$ to $4$ about the $x$-axis gives discs of radius $\sqrt{x}$: $V=\pi\displaystyle\int_0^4 (\sqrt{x})^2\,dx=\pi\int_0^4 x\,dx=8\pi$.

Rotating a region about an axis sweeps out a solid of revolution
Rotating a region about an axis sweeps out a solid of revolution
探索

旋转形成圆盘的轮廓

y = a·√x

绕 $y=\sqrt x$ 轴旋转的 $x$ 堆积出半径为 $\sqrt x$ 的圆盘——体积 $\pi\int R^2\,dx$。

词汇 训练
English 中文 拼音
solid of revolution/ˈsɒlɪd ɒv ˌrevəˈluːʃn/ 旋转体 xuán zhuǎn tǐ
disc method/dɪsk ˈmeθəd/ 圆盘法 yuán pán fǎ
radius/ˈreɪdɪəs/ 半径 bàn jìng
8.10

圆盘法求体积:绕其他轴旋转

教学大纲

持久理解 (CHA-5): 定积分使我们能够解决在区间内面积或体积变化累积的问题。

学习目标 CHA-5.C: 使用定积分计算旋转体的体积。

  • CHA-5.C.2 任何水平或垂直直线作为旋转轴的旋转体体积,均可通过使用定积分结合圆盘法求得。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

When the axis of revolution 旋转轴 is a horizontal or vertical line like $y=k$ (not an axis), the radius adjusts: $R=|f(x)-k|$. Set up the radius as the distance from the curve to that line, then integrate $\pi R^2$ as before.

探索

平移轴上方的曲线

y = a·√x

绕$y=-1$旋转会使半径从曲线延伸到该直线——$R=f(x)+1$,大于$f(x)$。

词汇 训练
English 中文 拼音
axis of revolution 旋转轴 xuán zhuàn zhóu
8.11

垫圈法求体积:绕 x 轴或 y 轴旋转

教学大纲

持久性理解 (CHA-5): 定积分使我们能够解决涉及在区间内面积或体积变化累积的问题。

学习目标 CHA-5.C: 使用定积分计算旋转体的体积。

  • CHA-5.C.3 绕 $x$-轴或 $y$-轴旋转且横截面为环形的旋转体体积,可以使用垫圈法通过定积分求得。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Volume by the washer method

If the region does not touch the axis, revolving leaves a hole, so cross sections are washers (rings 圆环). The washer method 垫圈法 subtracts the inner disc:

$$V=\pi\int_a^b\Big(R_{\text{outer}}^2-R_{\text{inner}}^2\Big)\,dx.$$
Identify the outer and inner radii as distances from each curve to the axis.

探索

两条曲线形成一个环

y = ax² + bx

在$y=x$和$y=\sqrt x$之间有一个远离轴的间隙——旋转产生外径为$\sqrt x$、内径为$x$的垫圈。

词汇 训练
English 中文 拼音
ring 圆环 yuán huán
washer method/ˈwɒʃə ˈmeθəd/ 垫圈法 diàn juàn fǎ
8.12

垫圈法求体积:绕其他轴旋转

教学大纲

持久理解 (CHA-5): 定积分使我们能够求解区间内面积或体积变化累积的问题。

学习目标 CHA-5.C: 使用定积分计算旋转体的体积。

  • CHA-5.C.4 对于横截面呈环形的绕任意水平线或垂直线旋转的旋转体,其体积可通过定积分结合圆环法求得。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

As with discs, revolving around a line $y=k$ or $x=k$ shifts both radii – each becomes the distance from its curve to that line. Sketch the region and the axis, label $R_{\text{outer}}$ and $R_{\text{inner}}$, then integrate the difference of squares.

Worked example. Revolve the region between $y=\sqrt{x}$ and $y=x^2$ ($0\le x\le 1$) about (a) the $x$-axis and (b) the line $y=-1$.

(a) On $(0,1)$, $\sqrt{x}>x^2$, so $y=\sqrt{x}$ is farther from the $x$-axis: $R=\sqrt{x}$ and $r=x^2$.

$$V=\pi\int_0^1\big(x-x^4\big)\,dx=\pi\left(\frac12-\frac15\right)=\frac{3\pi}{10}.$$

(b) Each radius is now a distance to $y=-1$, so add $1$ to each height: $R=\sqrt{x}+1$ and $r=x^2+1$. Expand both squares:

$$(\sqrt{x}+1)^2-(x^2+1)^2=\big(x+2\sqrt{x}+1\big)-\big(x^4+2x^2+1\big)=x+2\sqrt{x}-x^4-2x^2.$$
$$V=\pi\int_0^1\big(x+2\sqrt{x}-x^4-2x^2\big)\,dx=\pi\left(\frac12+\frac43-\frac15-\frac23\right)=\frac{29\pi}{30}.$$

Common mistakes. Writing $\pi\int (R-r)^2\,dx$ instead of $\pi\int (R^2-r^2)\,dx$; and, about $y=-1$, using $R=\sqrt{x}-1$ (subtracting) instead of $R=\sqrt{x}-(-1)=\sqrt{x}+1$.

探索

平移轴上方的两条曲线

y = ax² + bx

绕$y=-1$旋转,两个半径都增加$1$——外$\sqrt x+1$,内$x+1$;仍然是$R^2-r^2$。

8.13

光滑平面曲线的弧长与所经过的距离

教学大纲

持久理解 (CHA-6): 定积分使我们能够解决区间内长度累积变化的问题。

学习目标 CHA-6.A: 利用定积分求由函数定义的平面曲线的长度。仅限BC

  • CHA-6.A.1 由函数定义的平面曲线的长度可以通过定积分计算。仅限BC

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The arc length 弧长 of $y=f(x)$ from $a$ to $b$ is

$$L=\int_a^b\sqrt{1+\big(f'(x)\big)^2}\,dx.$$
This BC-only formula comes from summing tiny hypotenuses 斜边 $\sqrt{dx^2+dy^2}$. The same idea gives the distance a particle 质点 travels along a curved path.

Worked example. Find the arc length of $y=\tfrac{2}{3}x^{3/2}$ from $x=0$ to $x=3$. Here $f'(x)=x^{1/2}$, so $1+(f')^2=1+x$ and

$$L=\int_0^3\sqrt{1+x}\,dx=\left[\tfrac{2}{3}(1+x)^{3/2}\right]_0^3=\tfrac{2}{3}(8-1)=\tfrac{14}{3}.$$

The Golden Gate Bridge and its sweeping main cables
The bridge's main cable hangs as a smooth curve; an integral gives its exact length
Each small piece of a curve is the hypotenuse of a dx-by-dy triangle
Each small piece of a curve is the hypotenuse of a dx-by-dy triangle
词汇 训练
English 中文 拼音
arc length/ɑːk leŋθ/ 弧长 hú cháng
hypotenuse/haɪˈpɒtənjuːs/ 斜边 xié biān
particle/ˈpɑːtɪkl/ 质点 zhì diǎn
8.13

考试技巧

English
  • Area between curves is $\int(\text{top}-\text{bottom})\,dx$ — find the intersection points for the limits and keep top minus bottom.
  • For a volume of revolution, add up disc/washer cross-sections of area $\pi r^2$ (or $\pi(R^2-r^2)$).
  • The average value of $f$ on $[a,b]$ is $\tfrac{1}{b-a}\int_a^b f\,dx$.
  • Accumulated change is $\int$ of a rate: total = initial value $+\int_a^b(\text{rate})\,dt$.
  • Integration means "adding up infinitely many tiny pieces" — set up the integrand as one thin slice.

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