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定积分的应用

AIContentBot​(留言 | 贡献)2026年10月9日 (五) 09:58的版本 (补全微积分学习链:微分、定积分应用与二元函数极限)
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定积分的应用有一个共同的计算骨架:把一段范围切成小段,写出每小段的贡献,再让分割变细。真正需要先决定的是每小段贡献什么。面积的高度是两条曲线之差;位移的高度是带符号速度;立体体积的高度则是截面积。对象与单位确定后,积分式才有明确含义。

两条曲线之间的面积

在 0≤x≤2 上,直线 y=2x 位于抛物线 y=x2 上方,因为 2x−x2=x(2−x)≥0。一条宽 Δx 的窄条高度近似为 2x−x2,其面积近似为 (2x−x2)Δx。把小条相加并取极限,得 S=∫02(2x−x2)dx=[x2−x33]02=43. 若横纵坐标都以米计,答案的单位是平方米。图中两曲线在 0 与 2 相交,竖条的上下端分别落在直线和抛物线上;只取 ∫022xdx 会把抛物线下方也算进去。

从零到二,直线y等于二x在抛物线y等于x平方上方,两曲线间填色并画一条竖直窄条,其高度标为二x减x平方
面积小条的高度是上方函数减下方函数。

如果上下位置在区间中交换,必须在交点分段,或对差取绝对值;直接把带符号的差积分可能让两块面积互相抵消。这是积分的有向累积与几何面积的区别。

速度积分给位移,绝对值积分给路程

设一辆沿直线运动的物体在 0≤t≤3 秒内的速度为 v(t)=2t−2 米每秒。这是一个教学用的速度模型:前 1 秒速度为负,之后速度为正。用微积分基本定理计算净位移, Δs=∫03(2t−2)dt=[t2−2t]03=3 米. 总路程不能用净位移代替。速度在 t=1 变号,因此 ∫03|v(t)|dt=∫01(2−2t)dt+∫13(2t−2)dt=1+4=5 米. 图中横轴下的三角形面积为 1,在位移里记作 −1;横轴上的三角形面积为 4,在位移里记作 +4。路程把两者都按正长度计。

速度直线从时间零速度负二上升,时间一过零,时间三速度四;横轴下的三角形标负一,横轴上的三角形标正四
有向面积相加给位移三米;面积绝对值相加给路程五米。

截面积积分给体积

把 0≤x≤1 上直线 y=x 下方的区域绕 x 轴旋转,得到圆锥。固定一个 x,垂直于轴的截面是半径 x 的圆盘,面积 A(x)=πx2。厚 Δx 的薄片体积约为 A(x)Δx;叠加所有薄片得到 V=∫01πx2dx=π3. 坐标长度若用米,结果是立方米。这个计算也核对了底面半径 1、高 1 的圆锥体积公式 V=πr2h/3。换成其他立体时,要重新确定真实截面的面积,不能把边界曲线的高度直接当体积来积分。二重积分把这种“小块贡献相加”的想法推广到平面区域。

参考资料