一類特殊定積分的幾何解法

周壽彬

【摘要】對(duì)于教材中出現(xiàn)的一類特殊定積分進(jìn)行歸納、推廣后，探討該類定積分的幾何解法.

【關(guān)鍵詞】定積分；幾何解法；面積

【中圖分類號(hào)】O172.2

高等數(shù)學(xué)或微積分教材的例（習(xí)）題中常出現(xiàn)А要瑀-rr2-x2dxЩ顙А要瑀0r2-x2dx（r>0，設(shè)下文涉及的r皆大于零）類型積分的計(jì)算，有時(shí)在計(jì)算一些復(fù)雜定積分的中間過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)這類積分，例題講解時(shí)用的是三角代換x=rsint求解，過(guò)程較為繁瑣（當(dāng)然三角代換作為一種換元積分法是應(yīng)該而且必須掌握的，但這并不妨礙我們探尋更簡(jiǎn)便的解法），更簡(jiǎn)單的是用定積分的幾何意義求解（簡(jiǎn)稱“幾何解法”）.事實(shí)上，深入分析后發(fā)現(xiàn)形如А要瑀璳r2-x2dx（-r≤k

1.下面對(duì)定積分I=А要瑀璳r2-x2dx（-r≤k

（1）當(dāng)k=-r時(shí)，I=А要瑀-rr2-x2dx的值等于以原點(diǎn)為中心，r為半徑的圓面積的一半，即I=1[]2π·r2（如圖1陰影部分所示）.

（2）當(dāng)k=0時(shí)，I=А要瑀0r2-x2dx的值等于以原點(diǎn)為中心，r為半徑的圓面積的四分之一，即I=1[]4π·r（如圖2陰影部分所示）.圖 1圖 2 圖 3 圖 4

（3）當(dāng)-r

（4）當(dāng)00，可求出α=arccosk[]r，從而I=π·r2·α[]2π-1[]2k·r·sinα=1[]2r2·α-1[]2r·k·sinα（0

在情形（3）（4）中計(jì)算Rt△AOk的面積時(shí)也可以先用勾股定理求出另一條直角邊Ak長(zhǎng)度后再計(jì)算.

2.應(yīng)用舉例

例1 求定積分А要2-14-x2dx的值.

解 由上述情形（3），k=-1，求得α=arccos-1[]2=2π[]3，則

А要2-14-x2dx=1[]222·2π[]3+1[]2r·1·sin2π[]3=4π[]3+3[]2.

例2 求定積分А要1[]202x-x2dx的值.

解 根據(jù)該積分特點(diǎn)可以先換元再求解.

令t=1-x，則А要1[]202x-x2dx=А要1[]211-t2d（1-t）=А要11[]21-t2dt.

由上述情形（4），先求得α=arccos1[]2=π[]3，則

А要11[]21-t2dt=1[]2·12·π[]3-1[]2·1[]2sinπ[]3=π[]6-3[]8.

例3 填空：А要20x2x-x2dx=.（2012年全國(guó)碩士研究生入學(xué)統(tǒng)一考試數(shù)學(xué)試題第（10）題）

解 根據(jù)該積分特點(diǎn)可以先換元再求解.

令t=1-x，則x=t+1.

А要20x2x-x2dx=А要1-1В1+t）1-t2dt=А要1-11-t2dt+おА要1-1t1-t2dt=А要1-11-t2dt（其中А要1-1t1-t2dt=0用到奇函數(shù)在對(duì)稱區(qū)間上積分的特性）.

由上述情形（1），А要1-11-t2dt=1[]2π·12=π[]2，故應(yīng)填π[]2.

綜上所述，在遇到計(jì)算形如А要瑀璳r2-x2dx（-r≤k

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱來(lái)義.微積分[M].3版.北京：高等教育出版社，2009：147-197.

[2]朱來(lái)義.微積分[M].2版.北京：高等教育出版社，2004：155-188.

[3]同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)：上冊(cè)[M].6版.北京：高等教育出版社，2007：223-293.

[4]http：∥www.233.com/kaoyan/math/zhenti/20120108/162222296-2.html.