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Academic year: 2021

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(1)

6.1 Areas Between Curves goo.gl/WTBz3V 1

Chapter 6

Applications of Integration

6.1

Areas Between Curves, page 422

QNYoSbMTlDw 注意到定積分代表 的是有方向與有符 號的面積, 所以若 要 呈 現 面 積 大 小 (正的量), 則函數 必須大減小, 而且 積分是由左至右。 所 以 給 定 兩 函 數, 必須了解大小關係, 通常是把交點 (兩 者相等的地方) 找 出來, 再分析交點 之間的大小, 所以 必須要會一些解方 程式的能力。

Theorem 1 (page 422). The area A of the region bounded by the curves y = f (x), y = g(x), and the lines x= a, x = b, where f and g are continuous and f (x) ≥ g(x) for all x ∈ [a, b], is

A= lim n→∞ n X i=1 (f (x∗ i) − g(x ∗ i))∆x = Z b a (f (x) − g(x)) dx.

Proof. This is because

A= (area under y = f (x)) − (area under y = g(x)) = Z b a f(x) dx − Z b a g(x) dx = Z b a (f (x) − g(x)) dx.

Theorem 2 (page 425). The area between the curves y = f (x) and y = g(x) and between x= a and x = b is

A= Z b

a |f (x) − g(x)| dx.

Proof. This is because

|f (x) − g(x)| = ( f(x) − g(x) if f (x) ≥ g(x) g(x) − f (x) if g(x) ≥ f (x). x x y y Area = Area =

(2)

Example 3 (page 427). Sketch the region enclosed by y = tan x, y = 2 sin x, −π3 ≤ x ≤ π3 and find its area.

h12ij4oQLH8 計算面積時, 必須 判斷函數在範圍內 誰大誰小, 再確實 計算面積。 Solution.

Example 4 (page 426). Find the area enclosed by the line y = x − 1 and the parabola y2 = 2x + 6. KCREbeIUBwM 有的時候區域的邊 界對y 而言表示成 函數, 那麼計算區 域面積時可以考慮 「積y」;這個例子如 果要對x積分的話, 必須分段處理。 Solution.

(3)

6.2 Volumes goo.gl/fZaBpc 3

6.2

Volumes, page 438

8dF5_4KkEBk 這裡介紹圓盤法處 理旋轉體體積。 列 出旋轉體體積公式 的時候, 必須想清 楚截面的形狀是圓 盤或是環狀, 再根 據形狀確實列式。

Definition 1 (page 439). Let S be a solid that lies between x = a and x = b. If the cross-sectional area of S in the plane Px, through x and perpendicular to the x-axis, is A(x), where

A is a continuous function, then the volume (體積) of S is

V = lim n→∞ n X i=1 f(x∗ i)∆x = Z b a A(x) dx.

Definition 2 (page 443). The solids are obtained by revolving a region about a line is called solids of revolution (實心旋轉體).

In general, we calculate the volume of a solid of revolution by the formula

V = Z b a A(x) dx or V = Z d c A(y) dy, where

• If the cross-section is a disk, then A = π(radius)2.

• If the cross-section is a washer, then A = π(outer radius)2− π(inner radius)2.

x x

y y

(4)

Example 3 (page 439). Show that the volume of a sphere of radius r is V = 43πr3. QGzg7fM09xI 利用積分的方式確 實驗證以前背過的 實心球體體積。 Solution. 實心甜甜圈的體積 也可以用物理的觀 點去了解它: 截面 面積乘上截面的質 心繞軸旋轉後的總 路徑。

Example 4 (page 448). Compute the volume of the solid torus. Solution.

Example 5 (page 442). Consider the region R enclosed by the curves y = x and y = x2.

VHlbIg60ex8 注意旋轉軸所在位 置的不同, 則看待 問題的方法還有計 算截面面積的方式 都必須重新確立。

(a) Find the volume of the solid obtained by rotating the region about the line y = 2. (b) Find the volume of the solid obtained by rotating the region about the line x = −1. Solution.

(5)

6.2 Volumes goo.gl/fZaBpc 5

We now find the volumes of two solids that are not solids of revolution.

Example 6 (page 445). Find the volume of a pyramid whose base is a square with side L and whose height is h.

17tiKoRlHRk 以下幾個實心物體 並非旋轉體, 討論 體積時, 必須把相 似形的關係找出來。 Solution. 從影片中應學習到 楔形物的截面形狀 以及如何建立兩截 面之間相似形的關 係。

Example 7 (page 446). A wedge is cut out of a circular cylinder of radius 4 by two planes. One plane is perpendicular to the axis of the cylinder. The other intersects the first at an angle of 30◦

along a diameter of the cylinder. Find the volume of the wedge. Solution.

Example 8 (page 449). Find the volume common to two circular cylinders, each with radius r, if the axis of the cylinder intersect at right angles.

-5xK-I382ms 兩個圓柱互相垂直 地交集出的實心物 體可能不是那麼好 想像, 課堂中會呈 現相關道具, 在課 堂中確實理解其形 狀。 另一方面, 想清楚 這個幾何物件與金 字塔形狀的差異。 Solution.

(6)

The volume formula of solid of revolution

TqspH0Vq4LA 這裡雖然是對旋轉 體的各種可能統整 列出公式, 但各位 不應死記公式, 而 是確實畫圖理解截 面的形狀, 然後把 相關的量寫出, 就 會覺得很自然。

(a) Region under f (x) > 0; rotate about x-axis.

(b) Region between f (x) and g(x), f (x) > g(x) > 0; rotate about x-axis.

(c) Region under f (x) > 0; rotate about the line y = c.

(7)

6.3 Volumes by Cylindrical Shells goo.gl/y7hGFN 7

6.3

Volumes by Cylindrical Shells, page 449

5xvlqhL1m5Y 柱殼法是另一種計 算體積的方法, 把 幾何形體想成是以 旋轉軸為中心軸的 各種圓柱疊加而成。 各位在學這部份的 時候應想清楚柱殼 法與圓盤法的差別, 特別是旋轉軸的位 置。

Definition 1 (page 437). The volume of the solid obtained by rotating about the y-axis the region under the curve y = f (x) from a to b is

V = lim n→∞ n X i=1 2πx∗ if(x ∗ i)∆x = Z b a 2πxf (x) dx, where 0 ≤ a < b.

This method is called cylindrical shells method (柱殼法).

x y

Figure 1: The volume formula by cylindrical shells (rotate about y-axis).

Example 2 (page 453). Find the volume of the solid obtained by rotating about the y-axis the region bounded by y = sin(x2) and y = 0 for 0 ≤ x ≤π.

(8)

Example 3. Find the volume of the solid obtained by rotating about x = −1 the region bounded by y = 6x2, x= 1, and y = 0. 1KRXgLf5BmM 目前已經學到計算 旋轉體體積的方法 有圓盤法與柱殼法, 影片中確實利用兩 種方法計算得到相 同的結果, 各位應 從中看清楚兩種方 法的異同與優劣性。 這裡也要必須注意 旋轉軸的位置。 Solution.



計算旋轉體體積問題,除了區域要確定以外, 對哪一個軸旋轉也很重要。



目前無法解決太多用柱殼法所列出的體積問題, 這是因為尚有一些積分技巧未學。

The volume formula of solid of revolution

柱殼法的統整。 實 際上區域可以更任 意,例如介在g(x)

與 f(x) 之間的區 域。

(a) Region under f (x) > 0, x ∈ [a, b]; rotate about y-axis.

(9)

6.5 Average Value of a Function goo.gl/wm9o4J 9

6.5

Average Value of a Function (page 461)

7uhgMX2XJOA 中學以前的是有限 個數的平均值, 現 在將其概念過渡到 定義函數的平均。 例題看似平凡無奇, 但是它和著名的布 豐投針 (Buffon’s Needle) 相關, 有 興趣者可以繼續網 路搜尋相關資訊。

Definition 1 (page 461). We define the average value of f (平均值) on the interval [a, b] as

fave = lim n→∞ 1 b− a n X i=1 f(x∗ i)∆x = 1 b− a Z b a f(x) dx.

Example 2. Find the average of f (x) = sin x on [0, π]. Solution. 閉區間上的連續函 數有積分版本的平 均值定理, 這個結 果其實是非常自然 的, 它告知區域面 積會和以 [a, b] 為 底、 某個函數值為 高的矩形面積一樣。

The Mean Value Theorem for Integrals (pgae 462). If f is continuous on [a, b], then there exists a number c in [a, b] such that

f(c) = fave= 1 b− a Z b a f(x) dx.  or Z b a f(x) dx = f (c)(b − a).  Proof. Consider F (x) =Rx

a f(t) dt. Since f (x) is continuous on [a, b], F (x) is continuous on

[a, b] and differentiable on (a, b). By the Mean Value Theorem, there exists c ∈ (a, b) such that . By the Fundamental Theorem of Calculus, we have . Hence f(c) = e6puM_wfof0 以前在敘述統計時 所學的中位數, 現 在賦予它另一個深 刻 的 意義。 此 外, 分析這個問題的方 法也值得一學, 像 是被積分函數如何 拆絕對值、 微積分 基本 定 理 的 使 用, 最 佳 化 問 題 的 處 理、 函數與反函數 之間的關係, 把之 前學到的很多概念 串連起來。 而影片 13:25 之後如何建 立直觀的看法也值 得一學。

Example 3. Suppose that f (x) is an increasing and continuous function on [a, b]. Find the line y = L such that Rb

a |f (x) − L| dx is minimum.

(10)

Example 4. Suppose that f (x) is a continuous function f (x) on [a, b]. Find the line y = L such thatRb a(f (x) − L) 2dx is minimum. NAH6_A7Ietk 同樣地, 平均數也 可以賦予另一個深 刻的 「變分」 的意 義;在影片6:15之 後, 藉由這個例子 將平均數與變異數 (variance)這兩個 統計量再做更緊密 的連繫。 Solution.



中位數 (median)與平均數 (average) 的意義。

數據

Figure 1: The area formula.
Figure 1: The volume formula of solids of revolution.
Figure 1: The volume formula by cylindrical shells (rotate about y-axis).

參考文獻

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