9.4 讲义习题
9.4.1 定积分几何应用与物理应用
例 9.4.1 (习题7.5.4)
设是光滑的平面封闭曲线,记
计算:
解
记的弧长参数为,则
不妨设,则,故
于是
其中为曲线绕自身切线旋转的圈数(Turning
Number)。
例 9.4.2 (习题7.5.8)
设,求星形线的(1)弧长、(2)所围有界区域的面积、(3)绕轴所得旋转体的体积和(4)旋转面的侧面积。
解
设星形线的参数方程为,。
(1)
从而
(2)
(3) 记表示在轴上方的部分,方向与的自然正向相同,则
(4)
例 9.4.3 (习题7.5.9)
设摆线方程为
求:
-
(1)
-
摆线的弧长;
-
(2)
-
摆线与轴所围成的有界区域的面积;
-
(3)
-
摆线绕轴旋转一周所围成的空间有界区域的体积;
-
(4)
-
摆线绕轴旋转一周所形成的旋转面的面积;
-
(5)
-
摆线与轴所围成的平面有界区域绕它的对称轴一周所形成的空间有界区域的体积;
-
(6)
-
摆线绕它的对称轴旋转一周所形成的旋转面的面积。
解
(1)
(2)
(3)
(4)
(5) 注意到对称轴为,则
(6)
例 9.4.4 (习题7.5.11)
设,已知心脏线的极坐标方程为,。求:
-
(1)
-
心脏线的弧长;
-
(2)
-
心脏线在弧长参数下的方程,以及其各点处的曲率;
-
(3)
-
心脏线的质心(假设线密度为1);
-
(4)
-
心脏线所围成的平面有界区域的面积,该区域的质心(假设面密度为1);
-
(5)
-
心脏线绕其对称轴旋转所成的曲面的面积,曲面的质心(假设面密度为1);
-
(6)
-
心脏线绕其对称轴旋转所围成的三维区域的体积,该区域的质心(假设体密度为1)。
解
(1)
为了保持对称性,我们选择积分区域为,从而
(2) 同样为了保持对称性,我们选择弧长参数为
从而
故心脏线的参数方程为
求导可得
(3) 由对称性知质心在轴上,故,而
即质心为。
(4)
由对称性知质心在轴上,故,而
即质心为。
(5) 记表示在轴上方的部分,方向与的自然正向相同,则
由对称性知质心在轴上,故,而
即质心为。
(6)
由对称性知质心在轴上,故,而
即质心为。