A.实用解题工具
第 1 组:特殊曲线
心形线:
表达式:
极坐标:r=a(1+cosθ),θ∈[0,2π],a>0
直角坐标:x2+y2−ax=ax2+y2,a>0
参数方程:
{x=a(1+cosθ)cosθy=a(1+cosθ)sinθ(a>0,θ∈[0,2π])
图形:

弧长L:
L=2∫0πρ2(θ)+[ρ′(θ)]2dθ=2∫0πa2(1+cosθ)2+a2sin2θ⋅dθ=2a∫0π(1+cosθ)2+sin2θ⋅dθ(a>0)=22a∫0π1+cosθ⋅dθ=4a∫0πcos2θdθ=8a
面积A:
A=2∫0π21[ρ(θ)]2dθ=∫0πa2(1+cosθ)2dθ=a2∫0π(1+cos2θ+2cosθ)dθ=a2(π+2⋅21⋅2π)=23πa2
体积V:
D={(r,θ)∣r=a(1−cosθ),θ∈[0,π]}r(x,y)=f(x)=yV=2π∬Dr(x,y)dσ=2π∬Dydxdy=2π∫0πdθ∫0r(θ)rsinθ⋅rdr=2π∫0πsinθdθ∫0r(θ)r2dr=2π∫0πsinθ⋅31r3∣0r(θ)dθ=32π∫0πr3(θ)sinθdθ=38πa3
表面积S:
S=2π∫αβ∣r(θ)sinθ∣[r(θ)]2+[r′(θ)]2dθ=2π∫0π∣a(1−cosθ)sinθ∣[a(1−cosθ)]2+[asinθ]2dθ=2πa2∫0π(1−cosθ)sinθ[(1−cosθ)]2+[sinθ]2dθ=22πa2∫0π(1−cosθ)sinθ1−cosθdθ=22πa2∫π0(1−cosθ)1−cosθd(cosθ)=22πa2∫−11(1−u)23du=532πa2
阿基米德螺旋线:
表达式:
极坐标:r=aθ,θ∈[0,+∞),a>0
参数方程:
{x=aθ⋅cosθy=aθ⋅sinθ(θ∈[0,+∞),a>0)
图形:
注:这里只展示θ在[0,2π]上的图像。

弧长L:
L=∫02π[r(θ)]2+[r′(θ)]2dθ=∫02πa2θ2+a2dθ=a2∫02πθ2+1dθ=2a[2π1+4π2+ln(2π+1+4π2)]
不定积分公式:
∫x2+a2dx=2xx2+a2+2a2ln(x+x2+a2)+C
面积A:
A=∫02π21[r(θ)]2dθ=2a2∫02πθ2dθ=34π3a2
笛卡尔叶形线:
表达式:
直角坐标:x3+y3=3axy,a>0
极坐标:
r=sin3θ+cos3θ3asinθcosθ,θ∈[0,43π)∪(43π,π],a>0
参数方程:
{x=1+t33aty=1+t33at2(a>0,t=−1)
图形:

渐近线:
当 t→-1时,x→∞,y→∞,故叶形线没有水平与铅直渐近线
t→−1limxy=t→−1limt=−1=kt→−1lim(y−kx)=t→−1lim(1+t33at2+1+t33at)=t→−1lim1+t33at(t+1)=−a
故叶形线有唯一的斜渐近线y=−x−a
笔记→参数方程求渐近线:
对于曲线的参数方程
{x=x(t)y=y(t)
①若t→t0limx(t)=∞,t→t0limy(t)=b,
则y=b为水平渐近线。
②若t→t0limx(t)=c,t→t0limy(t)=∞,
③若t→t0limx(t)=∞,t→t0limy(t)=∞,
t→t0limx(t)y(t)=k=0,t→t0lim[y(t)−kx(t)]=b,
则y=kx+b为斜渐近线。
面积A:
记第一象限围成的面积为A
A=∫02π21[r(θ)]2dθ=21∫02π(sin3θ+cos3θ3asinθcosθ)2dθ=29a2∫02π(sin3θ+cos3θ)2sin2θcos2θdθ=29a2∫02π(sin3θ+cos3θ)2⋅sec6θsin2θcos2θ⋅sec6θdθ=29a2∫02π(tan3θ+1)2tan2θ⋅sec2θdθ=29a2∫02π(tan3θ+1)2tan2θd(tanθ)=29a2∫0+∞(u3+1)2u2du=23a2∫0+∞(u3+1)2d(u3+1)=23a2⋅u3+11u=+∞u=0
=23a2
玫瑰线:
表达式:
r=asin3θ(三叶玫瑰线);r=asin2θ(四叶玫瑰线)
θ∈[0,π],a>0
图形:

三叶玫瑰线

四叶玫瑰线
面积A:
三叶玫瑰线所围成的面积A1:
A1=3⋅∫03π21[r(θ)]2dθ=23a2∫03πsin23θdθ=2a2∫03πsin23θd(3θ)=2a2∫0πsin2udu=2a2⋅2⋅21⋅2π=4πa2
四叶玫瑰线所围成的面积A2:
A2=4⋅∫02π21[r(θ)]2dθ=2a2∫02πsin22θdθ=a2∫02πsin22θd(2θ)=a2∫0πsin2udu=a2⋅2⋅21⋅2π=2πa2
星形线:
表达式:
直角坐标:x32+y32=a32,a>0
极坐标:ρ=(cos32θ+sin32θ)23a,θ∈[0,2π],a>0
参数方程:
{x=acos3θy=asin3θ
(a>0,θ∈[0,2π])
图形:

弧长L:
{x′=−3a⋅cos2t⋅sinty′=3a⋅sin2t⋅cost(a>0,t∈[0,2π])L=4∫02π[x′(t)]2+[y′(t)]2dt=4∫02π[−3a⋅cos2t⋅sint]2+[3a⋅sin2t⋅cost]2dt=4∫02π9a2(cos4t⋅sin2t+sin4t⋅cos2t)dt=4⋅3a∫02πcos2t⋅sin2t(sin2t+cos2t)dt=12a∫02π∣sint⋅cost∣dt=12a∫02π21∣sin2t∣dt=6a∫02πsin2t⋅dt=6a.
星形线全长为6a,那么每一象限的星形线弧长就为1.5a
面积A:
A=4∫0aydx=4∫2π0y(t)x′(t)dt=4∫2π0asin3t⋅(−3a)⋅cos2t⋅sintdt=12a2∫02πsin4t⋅cos2tdt=12a2∫02πsin4t⋅(1−sin2t)dt=12a2∫02π(sin4t−sin6t)dt=12a2(43⋅21⋅2π−65⋅43⋅21⋅2π)=83πa2
A=4∫0aydx=4∫0a(a32−x32)23dx=4∫02π(a32−a32sin2θ)23⋅3asin2θcosθ⋅dθ(x=asin3θ)=12a2∫02πsin2θ⋅cos4θdθ=12a2∫02π(1−cos2θ)⋅cos4θdθ=12a2∫02π(cos4θ−cos6θ)dθ=12a2(43⋅21⋅2π−65⋅43⋅21⋅2π)=83πa2
体积V:
V=2⋅π∫0ay2dx=2π∫0a(a32−x32)3dx=2π∫0a(a2−3a34x32+3a32x34−x2)dx=2π[a2x−3a34⋅53x35+3a32⋅73x37−31x3]x=0x=a=2π(a3−59a3+79a3−3a3)=10532πa3
V=2⋅π∫2π0y2(t)x′(t)dt=2π∫2π0a2sin6t⋅(−3a)⋅cos2t⋅sintdt=6a3π∫02πsin7t⋅cos2tdt=6a3π∫02π(sin7t−sin9t)dt=6a3π(76⋅54⋅32−98⋅76⋅54⋅32)=6a3π⋅91⋅76⋅54⋅32=10532πa3
表面积S:
S=2⋅2π∫0a∣y∣1+(y′)2dx=4π∫0a(a32−x32)231+[−(a32−x32)21⋅x−31]2dx=4π∫0a(a32−x32)23⋅a31⋅x−31dx=4a31π∫0a(a32−x32)23⋅x−31dx=4a31π⋅t→0+lim∫ta(a32−x32)23⋅x−31dx=−4a31π⋅23t→0+lim∫ta(a32−x32)23d(a32−x32)=−4a31π⋅23⋅52⋅t→0+lim(a32−x32)25x=tx=a=−4a31π⋅23⋅52⋅[0−t→0+lim(a32−t32)25]=4a31π⋅23⋅52⋅a35
=512πa2
S=2⋅2π∫02π∣y(t)∣[x′(t)]2+[y′(t)]2dt=4π∫02πasin3t[−3a⋅cos2t⋅sint]2+[3a⋅sin2t⋅cost]2dt=12πa2∫02πsin3tcos4t⋅sin2t+sin4t⋅cos2tdt=12πa2∫02πsin3tcos2t⋅sin2t(sin2t+cos2t)dt=12πa2∫02πsin3t∣sint⋅cost∣dt=12πa2∫02πsin4t⋅costdt=12πa2⋅51sin5tt=0t=2π=512πa2
摆线:
表达式:
参数方程:
{x=a(θ−sinθ)y=a(1−cosθ)
(a>0;θ∈[0,2π])
图形:

注:摆线图像以T=2πa为周期,这里只展示θ在[0,2π]上的图像。
弧长L:
{x′=a(1−cosθ)y′=asinθ(a>0,θ∈[0,2π])L=2⋅∫0πa1+(y′)2dx=2⋅∫0π[x′(θ)]2+[y′(θ)]2dθ=2⋅∫0π[a(1−cosθ)]2+[asinθ]2dθ=22a∫0π1−cosθdθ=4a∫0πsin22θdθ=4a∫0πsin2θdθ=8a∫0πsin2θd(2θ)=8a
面积A:
A=2∫0πay(x)dx=2∫0πy(θ)x′(θ)dθ=2∫0π[a(1−cosθ)][a(1−cosθ)]dθ=2a2∫0π(1−cosθ)2dθ=2a2∫0π(1+cos2θ−2cosθ)dθ=2a2(π+2⋅21⋅2π+0)=3πa2
旋转体积Vx;Vy
注:红色为 x 轴,绿色为 y 轴,蓝色为 z 轴。

绕x轴旋转

绕 y 轴旋转
Vx=2⋅π∫0πay2(x)dx=2π∫0πy2(θ)⋅x′(θ)dθ=2π∫0π[a(1−cosθ)]2⋅a(1−cosθ)dθ=2πa3∫0π(1−cosθ)3dθ=2πa3∫0π(1−3cosθ+3cos2θ−cos3θ)dθ=2πa3(π−0+3⋅2⋅21⋅2π−0)=5π2a3
Vy=2π∫02πax∣y(x)∣dx=2π∫02πx(θ)∣y(θ)∣x′(θ)dθ=2π∫02πa(θ−sinθ)∣a(1−cosθ)∣a(1−cosθ)dθ=2πa3∫02π(θ−sinθ)(1−cosθ)2dθ=2πa3∫02π(θ+θcos2θ−2θcosθ−sinθ−sinθcos2θ+sin2θ)dθ=2πa3∫02π(θ+θcos2θ−2θcosθ)dθ=2πa3(2π2+∫02πθcos2θdθ−2∫02πθcosθdθ)=2πa3(2π2+I2−2I1)
I1=∫02πθcosθdθ=∫−ππ(θ+π)cos(θ+π)dθ=−∫−ππ(θ+π)cosθdθ=−∫−ππθcosθdθ−2π∫0πcosθdθ=0
I2=∫02πθcos2θdθ=∫−ππ(θ+π)cos2(θ+π)dθ=∫−ππ(θ+π)cos2θdθ=∫−ππθcos2θdθ+2π∫0πcos2θdθ=2π⋅2⋅21⋅2π=π2
∴Vy=2πa3(2π2+π2−0)=6π3a3
表面积Sx;Sy
Sx=2⋅2π∫0πa∣y(x)∣1+[y′(x)]2dx=4π∫0π∣y(θ)∣[x′(θ)]2+[y′(θ)]2dθ=4π∫0π∣a(1−cosθ)∣[a(1−cosθ)]2+[asinθ]2dθ=42πa2∫0π(1−cosθ)1−cosθdθ=42πa2∫0π2sin22θ⋅2sin2θdθ=16πa2∫0πsin32θdθ=32πa2∫02πsin3udu=364πa2
Sy=∫L2πxds=2π∫02π∣x(θ)∣[x′(θ)]2+[y′(θ)]2dθ=4πa2∫02π(θ−sinθ)sin2θdθ=16π2a2
第 2 组: 形心坐标计算公式
- 平面图形的形心坐标为(x,y),其中xˉ=D∬dxdyD∬xdxdy,yˉ=D∬dxdyD∬ydxdy
曲面、立体等的形心坐标公式可依此类推:
x=D∬dSD∬xdS( 曲面, 仅数一);x=D∭dVD∭xdV( 立体, 仅数一)
- 已知形心, 可简化积分, 如:D∬xdxdy=x⋅D∬dxdy(其他同理)
第 3 组: 求解截面已知立体的体积
截面已知立体的体积:V=∫abs(x)dx,其中s(x)是垂直于 x 轴的平面截立体所得到的截面面积

B. 核心问题及解题方法总结
1. 利用古尔丁定理求体积
古尔丁定理:由平面形状绕和它的同一个平面上的轴旋转而产生的族转体的体积V,等于平面形状面积S乘以平面形状的几何中心经过的距离d1的积:V=Sd1
例题 1. 设a,b>1,则圆域D={(x,y)∣(x−a)2+(y−1)2≤1}绕直线x=−b旋转一周所形成的旋转体的体积是
【解】V=Sd1=π⋅12⋅2π⋅(a+b)=2π2(a+b)
【细节说明】圆心就是圆域的几何中心, 其坐标为(a,1).圆域D绕直线旋转一周时, 几何中心走过的轨迹为圆L,其半径为r=a+b, 故几何中心经过的距离d1=2πr=2π(a+b)。另一方面圆域的面积S=π⋅12=π。
所以V=Sd1=2π2(a+b)
2. 双纽线的上下限
计算双纽线(x2+y2)2=a2(x2−y2)相关问题时。注意参数的上下限。具体参考下面例题。
例题 1. 曲线(x2+y2)2=a2(x2−y2)所围成的区域的面积为f(a),当a→0+时, 与f(a)同阶的无穷小有几个 ( )
−2ln(cosa)1+a+1−a−2(1+a)a1−e∫0a2sina2−xdx
(A) 1 个 (B) 2 个 (C) 3 个 (D) 4 个
【解】选 B
区域边界的极坐标方程为r2=a2cos2θ.由cos2θ>0得
θ∈(−4π,4π)或(43π,45π).
A=4A1=4⋅∫04π21a2cos2θdθ=a2
分析:
说法1:−2ln(cosa)=−ln(cosa)=−ln(1+cosa−1)∼1−cosa∼2a2
说法2:1+a+1−a−2
=1+21a−8a2+o(a2)+1−21a−8a2+o(a2)−2
=−4a2+o(a2)
说法3:(1+a)a1−e=ealn(1+a)−e=e(ealn(1+a)−1−1)∼ealn(1+a)−a∼−2ea
说法4:∫0a2sina2−xdx=∫0a2sinudu∼∫0a2udu=32a3
所以 1.2 与f(a)同阶。故选 B
3. 求解定积分的证明题
定积分证明题的主要方法有:
-
化为变限函数,从而利用函数单调性
-
利用积分中值定理
-
利用F(x)=∫axf(t)dt,F′(x)=f(x)
例题 1. (1994,2)设f(x)在[0,1]上连续且递城, 证明: 当0<λ<1时,∫0λf(x)dx≥λ∫01f(x)dx
【解法 1】用函数单调性.
令φ(λ)=∫0λf(x)dx−λ∫01f(x)dx,λ∈[0,1].则φ′(λ)=f(λ)−∫01f(x)dx
令φ′(λ)=0⇒f(ξ)=∫01f(x)dx,ξ∈(0,1)
由f(λ)递减,λ=ξ为唯一驻点, 且φ′(λ)在λ=ξ由正变负,λ=ξ是φ(λ)的极大值点也是最大值点; 由此, 最小点必为端点λ=0或1
【笔记】连续函数在闭区间必能取到最大和最小值。若可导函数最小值点在区间内部, 则必为驻点, 此时与驻点唯一矛盾。从而有φ(λ)≥φ(0)=φ(1)=0,0<λ<1.
命题得证.
【笔记】定积分不等式证明问题, 将上限换成x, 就是函数单调性的问题。这是非常重要的命题方式
【解法 2】用积分中值定理。
为分清两中值的大小, 需要分别在(0,λ),(λ,1)两区间内用积分中值定理:
∫01f(x)dx=∫0λf(x)dx+∫λ1f(x)dx,
由此,∫0λf(x)dx−λ∫01f(x)dx=(1−λ)∫0λf(x)dx−λ∫λ1f(x)dx
=(1−λ)⋅λf(ξ1)−λ⋅(1−λ)f(ξ2)=(1−λ)⋅λ[f(ξ1)−f(ξ2)],
其中,0<ξ1<λ<ξ2<1: 又因f(x)递减,f(ξ1)≥f(ξ2).上式的右端大于零, 问题得证.
【笔记】积分中值定理是定积分或重积分中非常重要的命题方式