题目
设D是曲线 =(x)^2 以及该曲线在(1,1)处的切线和y轴所围成的平面区域。求:(1)-|||-平面区域D的面积S;(2)D绕y轴旋转而成的旋转体的体积V。

题目解答
答案

解析
本题主要考查定积分的几何应用,包括求平面区域的面积以及旋转体的体积。解题思路如下:
(1)求平面区域$D$的面积$S$
- 步骤一:求曲线$y = x^2$在点$(1,1)$处的切线方程
对$y = x^2$求导,根据求导公式$(X^n)^\prime=nX^{n - 1}$,可得$y^\prime = 2x$。
将$x = 1$代入到导数$y^\prime$中,得到切线的斜率$k = y^\prime|_{x = 1}= 2\times1 = 2$。
由点斜式方程$y - y_0 = k(x - x_0)$(其中$(x_0,y_0)$为直线上一点,$k$为直线斜率),可得切线方程为$y - 1 = 2(x - 1)$,整理得$y = 2x - 1$。 - 步骤二:确定积分区间和被积函数
要求平面区域$D$的面积,需要找到曲线$y = x^2$与切线$y = 2x - 1$的交点以及它们与$y$轴的关系。
联立$\begin{cases}y = x^2\\y = 2x - 1\end{cases}$,将$y = 2x - 1$代入$y = x^2$中,得到$x^2 = 2x - 1$,即$x^2 - 2x + 1 = 0$,根据完全平方公式$(a-b)^2=a^2-2ab+b^2$,可化为$(x - 1)^2 = 0$,解得$x = 1$。
在区间$[0,1]$上,切线$y = 2x - 1$在曲线$y = x^2$的上方,所以被积函数为$(2x - 1 - x^2)$,积分区间为$[0,1]$。 - 步骤三:计算定积分求面积$S$
根据定积分的几何意义,平面区域$D$的面积$S=\int_{0}^{1}[(2x - 1) - x^2]dx$。
根据定积分的运算法则$\int_{a}^{b}(f(x)-g(x))dx=\int_{a}^{b}f(x)dx-\int_{a}^{b}g(x)dx$,可得:
$\begin{align*} S&=\int_{0}^{1}(2x - 1 - x^2)dx\\ &=\int_{0}^{1}2xdx - \int_{0}^{1}1dx - \int_{0}^{1}x^2dx\\ &=2\times\frac{1}{2}x^2\big|_{0}^{1}-x\big|_{0}^{1}-\frac{1}{3}x^3\big|_{0}^{1}\\ &=x^2\big|_{0}^{1}-x\big|_{0}^{1}-\frac{1}{3}x^3\big|_{0}^{1}\\ &=(1^2 - 0^2) - (1 - 0) - \frac{1}{3}(1^3 - 0^3)\\ &=1 - 1 - \frac{1}{3}\\ &=-\frac{1}{3} \end{align*}$
由于面积不能为负,所以$S = \frac{1}{3}$。
(2)求$D$绕$y$轴旋转而成的旋转体的体积$V$
- 步骤一:确定积分区间和被积函数
使用圆盘法求旋转体体积,需要将$x$表示为$y$的函数。
由$y = x^2$可得$x = \sqrt{y}$(因为$x\geq0$),由$y = 2x - 1$可得$x = \frac{y + 1}{2}$。
切线$y = 2x - 1$与$y$轴的交点为$(0,-1)$,曲线$y = x^2$与$y$轴的交点为$(0,0)$,所以积分区间为$[-1,1]$。
在区间$[-1,1]$上,外半径$R = \frac{y + 1}{2}$,内半径$r = \sqrt{y}$,根据旋转体体积公式$V = \pi\int_{a}^{b}(R^2 - r^2)dy$,可得被积函数为$\pi[(\frac{y + 1}{2})^2 - y]$。 - 步骤二:计算定积分求体积$V$
$\begin{align*} V&=\pi\int_{-1}^{1}[(\frac{y + 1}{2})^2 - y]dy\\ &=\pi\int_{-1}^{1}(\frac{y^2 + 2y + 1}{4} - y)dy\\ &=\pi\int_{-1}^{1}(\frac{y^2 + 2y + 1 - 4y}{4})dy\\ &=\pi\int_{-1}^{1}(\frac{y^2 - 2y + 1}{4})dy\\ &=\frac{\pi}{4}\int_{-1}^{1}(y^2 - 2y + 1)dy\\ &=\frac{\pi}{4}(\frac{1}{3}y^3 - y^2 + y)\big|_{-1}^{1}\\ &=\frac{\pi}{4}[(\frac{1}{3}\times1^3 - 1^2 + 1) - (\frac{1}{3}\times(-1)^3 - (-1)^2 + (-1))]\\ &=\frac{\pi}{4}[(\frac{1}{3} - 1 + 1) - (-\frac{1}{3} - 1 - 1)]\\ &=\frac{\pi}{4}(\frac{1}{3} + \frac{1}{3} + 2)\\ &=\frac{\pi}{4}(\frac{2}{3} + 2)\\ &=\frac{\pi}{4}\times\frac{8}{3}\\ &=\frac{2\pi}{3} \end{align*}$