目录
1 原函数存在性和可积性
1.1 函数可积的充分条件（判定条件）
- 若 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上连续，则 \(f(x)\) 可积
- 若 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上只有有限个第一类间断点，则 \(f(x)\) 可积
- 若 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上有界，只有有限个间断点，则 \(f(x)\) 可积
- 若 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上单调有界，则 \(f(x)\) 可积
1.2 函数存在原函数的充分条件（判定条件）
- 若 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上连续，则 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上存在原函数 \(F(x)\)
- 若 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上有第一类间断点，则 \(f(x)\) 不存在原函数
- 若 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上有无穷间断点，则 \(f(x)\) 不存在原函数
| \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上的情况 | 原函数是否存在 | 是否可积 |
|---|---|---|
| 连续无间断 | 是，且为 \(F(x) = \int^x_a f(t)dt\) | 是 |
| 可去间断点（有限个） | 否 | 是 |
| 跳跃间断点（有限个） | 否 | 是 |
| 无穷间断点 | 否 | 可能 |
| 振荡间断点 | 可能 | 可能 |
1.3 函数可积的必要条件（性质）
- 若 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上可积，则 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上有界
- 若 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上可积，\(f(x) \geq 0\)，则 \(\int^b_a f(x)dx \geq 0\)
- 若 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上可积，\(f(x) > 0\)，则 \(\int^b_a f(x)dx > 0\)
- 若 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上连续，\(f(x) \geq 0\) 且不恒等于 \(0\)，则 \(\int^b_a f(x)dx > 0\)
1.4 变上限积分的性质
设 \(F(x) = \int^x_a f(t)dt, x \in [a,b]\)，则有：
- 若 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上可积，则 \(F(x)\) 在 \([a,b]\) 上连续
- 若 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上连续，则 \(F(x)\) 在 \([a,b]\) 上可导
- 若 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上 \(k\) 阶可导，则 \(F(x)\) 在 \([a,b]\) 上 \(k+1\) 阶可导
| \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上的情况 | 是否可积 | 面积 \(F(x)\) | \(F(x)\) 是否为 \(f(x)\) 的原函数 | \(F(x)\) 是否在 \(x=x_0\) 连续 | \(F(x)\) 是否在 \(x=x_0\) 可导 |
|---|---|---|---|---|---|
| 连续无间断 | 是 | \(F(x) = \int^x_a f(t)dt\) | 是 | 是 | 是 |
| 存在可去间断点 \(x=x_0\) | 是 | \(F(x) = \int^x_a f(t)dt\) | 否 | 是 | 是 |
| 存在跳跃间断点 \(x=x_0\) | 是 | \(F(x) = \begin{cases} \int^x_a f(t)dt, & x \leq x_0 \\ \int^{x_0}_a f(t)dt + \int^x_{x_0} f(t)dt, & x > x_0 \end{cases}\) | 否 | 是 | 否 |
2 平面图形
2.1 平面图形的面积
2.1.1 直角坐标系下的平面图形的面积
当 \(f(x) \geq g(x), x \in [a,b]\) 时，所围面积为
\[S = \iint \limits_{D} dxdy = \int^b_a dx \int^{f(x)}_{g(x)} dy = \int^b_a [f(x)-g(x)] dx \]2.1.2 参数方程形式下的平面图形的面积
设曲线方程 \(y=f(x), x \in [a,b]\) 由参数方程 \(\begin{cases} x=x(t) \\ y=y(t) \end{cases}, t \in [\alpha,\beta]\) 确定，则所围曲边梯形的面积为
\[S = \iint \limits_{D} dxdy = \int^b_a dx \int^{f(x)}_{0} dy = \int^b_a f(x) dx = \int^{\beta}_{\alpha} y(t) x'(t) dt \]2.1.3 极坐标系下的平面图形的面积
当 \(r_2(\theta) \geq r_1(\theta), \theta \in [\alpha,\beta]\) 时，所围面积为
\[S = \iint \limits_{D} dxdy = \iint \limits_{D} rdrd\theta = \int^{\beta}_{\alpha} d\theta \int^{r_2(\theta)}_{r_1(\theta)} rdr = \frac{1}{2} \int^{\beta}_{\alpha} [r_2^2(\theta)-r_1^2(\theta)] d\theta \]极坐标方程的角度定限问题
【\(k\) 叶玫瑰线】极坐标下的形式为 \(r = a\sin k \theta\) 或 \(r = a\cos k \theta\)。参数为 \(k\) 的玫瑰线，在 \([0,2\pi]\) 上会形成 \(2k\) 个花瓣，其中 \(k\) 个极径为正，\(k\) 个极径为负。当 \(k\) 为奇数时，\(k\) 个正极径花瓣和 \(k\) 个负极径花瓣两两重叠，实际只有 \(k\) 个花瓣，此时可认为极径永为正。
【例 1】求 \(r=\sin 3 \theta\) 所围面积。
【解】注意有 \(\theta \in [0, 2\pi] \Rightarrow 3\theta \in [0, 6\pi]\)。
因为 \(r = \sin 3 \theta \geq 0\)，所以有 \(3\theta \in [0, \pi] \cup [2\pi, 3\pi] \cup [4\pi, 5\pi]\)，即 \(\theta \in [0, \frac{\pi}{3}] \cup [\frac{2\pi}{3},\pi] \cup [\frac{4\pi}{3}, \frac{5\pi}{3}]\)。
注意 k 为奇数，因此只需考虑极径为正的情况即可，所以面积为
\[S = (\int^{\frac{\pi}{3}}_{0} + \int^{\pi}_{\frac{2\pi}{3}} + \int^{\frac{5\pi}{3}}_{\frac{4\pi}{3}}) d\theta \int^{\sin 3 \theta}_0 rdr = 3 \int^{\frac{\pi}{3}}_{0} d\theta \int^{\sin 3 \theta}_0 rdr \]【例 2】求 \(r= \sin 2 \theta\) 所围面积。
【解】注意有 \(\theta \in [0, 2\pi] \Rightarrow 2\theta \in [0, 4\pi]\)。
因为 \(r = \sin 2 \theta \geq 0\)，所以有 \(2\theta \in [0, \pi] \cup [2\pi, 3\pi]\)，即 \(\theta \in [0, \frac{\pi}{2}] \cup [\pi, \frac{3\pi}{2}]\)。
注意 k 为偶数，而这里只考察了极径为正的情况，所以面积还需要乘以 2，如下
\[S = 2(\int^{\frac{\pi}{2}}_{0} + \int^{\pi}_{\frac{3\pi}{2}}) d\theta \int^{\sin 2 \theta}_0 rdr = 4 \int^{\frac{\pi}{2}}_{0} d\theta \int^{\sin 2 \theta}_0 rdr \]【例 3】求 \(r=\cos 2 \theta\) 所围面积。
【解】注意有 \(\theta \in [0, 2\pi] \Rightarrow 2\theta \in [0, 4\pi]\)。
当 \(r = \cos 2 \theta \geq 0\) 时，有 \(2\theta \in [0, \frac{\pi}{2}] \cup [\frac{3\pi}{2}, \frac{5\pi}{2}] \cup [\frac{7\pi}{2}, 2\pi]\)，即 \(\theta \in [0, \frac{\pi}{4}] \cup [\frac{3\pi}{4}, \frac{5\pi}{4}] \cup [\frac{7\pi}{4}, 2\pi]\)。
注意 k 为偶数，而这里只考察了极径为正的情况，所以面积还需要乘以 2，如下
\[S = 2(\int^{\frac{\pi}{4}}_{0} + \int^{\frac{5\pi}{4}}_{\frac{3\pi}{4}} + \int^{2\pi}_{\frac{7\pi}{4}}) d\theta \int^{\cos 2 \theta}_0 rdr = 8 \int^{\frac{\pi}{4}}_{0} d\theta \int^{\cos 2 \theta}_0 rdr \]【双纽线】极坐标形式为 \(r^2 = a^2 \sin 2\theta\) 或 \(r^2 = a^2 \cos 2\theta\)。
【例 4】求 \(r^2= \sin 2 \theta\) 所围面积。
【解】注意有 \(\theta \in [0, 2\pi] \Rightarrow 2\theta \in [0, 4\pi]\)。
因为 \(r^2 = \sin 2 \theta \geq 0\)，所以有 \(2\theta \in [0, \pi] \cup [2\pi, 3\pi]\)，即 \(\theta \in [0, \frac{\pi}{2}] \cup [\pi, \frac{3\pi}{2}]\)。
极径必为正，所以面积为
\[S = (\int^{\frac{\pi}{2}}_{0} + \int^{\frac{3\pi}{2}}_{\pi}) d\theta \int^{\sqrt{\sin 2 \theta}}_0 rdr = 2 \int^{\frac{\pi}{2}}_{0} d\theta \int^{\sqrt{\sin 2 \theta}}_0 rdr \]【例 5】求 \(r^2= \cos 2 \theta\) 所围面积。
【解】注意有 \(\theta \in [0, 2\pi] \Rightarrow 2\theta \in [0, 4\pi]\)。
因为 \(r^2 = \cos 2 \theta \geq 0\)，所以有 \(2\theta \in [0, \frac{\pi}{2}] \cup [\frac{3\pi}{2}, \frac{5\pi}{2}] \cup [\frac{7\pi}{2}, 2\pi]\)，即 \(\theta \in [0, \frac{\pi}{4}] \cup [\frac{3\pi}{4}, \frac{5\pi}{4}] \cup [\frac{7\pi}{4}, 2\pi]\)。
极径必为正，所以面积为
\[S = (\int^{\frac{\pi}{4}}_{0} + \int^{\frac{5\pi}{4}}_{\frac{3\pi}{4}} + \int^{2\pi}_{\frac{7\pi}{4}}) d\theta \int^{\sqrt{\cos 2 \theta}}_0 rdr = 4 \int^{\frac{\pi}{4}}_{0} d\theta \int^{\sqrt{\cos 2 \theta}}_0 rdr \]2.2 平面图形的形心和质心
2.2.1 平面图形的形心
设 \(D\) 由 \(f(x) \geq g(x), x \in [a,b]\) 所围，则形心 \((\bar x, \bar y)\) 为
\[\begin{aligned} & \bar x=\frac{\iint \limits_{D} x dxdy}{\iint \limits_{D} dxdy} = \frac{\int^b_a x[f(x)-g(x)] dx}{\int^b_a [f(x)-g(x)] dx} \\ & \bar y=\frac{\iint \limits_{D} y dxdy}{\iint \limits_{D} dxdy} = \frac{ \frac{1}{2} \int^b_a [f^2(x)-g^2(x)] dx}{\int^b_a [f(x)-g(x)] dx} \end{aligned} \]2.2.2 平面图形的质心
设 \(D\) 由 \(f(x) \geq g(x), x \in [a,b]\) 所围，面密度为 \(\rho(x,y)\)，则质心 \((\bar x, \bar y)\) 为
\[\begin{aligned} & \bar x=\frac{\iint \limits_{D} x\rho(x,y) dxdy}{\iint \limits_{D} \rho(x,y) dxdy} \\ & \bar y=\frac{\iint \limits_{D} y\rho(x,y) dxdy}{\iint \limits_{D} \rho(x,y) dxdy} \end{aligned} \]3 平面曲线
3.1 平面曲线的曲率
3.1.1 直角坐标系下的平面曲线的曲率
设曲线方程为 \(y=y(x)\)，\(y(x)\) 二阶可导，则曲线的曲率和曲率半径分别为
\[K = \frac{|y''|}{\sqrt{(1+y'^2)^3}}, R=\frac{1}{K} \]3.1.2 直角坐标系下的平面曲线的曲率
设曲线方程 \(y=f(x), x \in [a,b]\) 由参数方程 \(\begin{cases} x=x(t) \\ y=y(t) \end{cases}, t \in [\alpha,\beta]\) 确定，则曲线的曲率和曲率半径分别为
\[K = \frac{|x'(t)y''(t)-x''(t)y'(t)|}{\sqrt{[x'^2(t)+y'^2(t)]^3}}, R=\frac{1}{K} \]3.2 平面曲线的弧长
3.2.1 直角坐标系下的平面图形的弧长
设曲线方程为 \(y=y(x), x \in [a,b]\)，则弧微分和弧长分别为
\[\begin{aligned} & ds = \sqrt{1+f'^2(x)} dx \\ & s = \int^b_a ds = \int^b_a \sqrt{1+f'^2(x)} dx \\ \end{aligned} \]3.2.2 参数方程形式下的平面图形的弧长
设曲线方程 \(y=f(x), x \in [a,b]\) 由参数方程 \(\begin{cases} x=x(t) \\ y=y(t) \end{cases}, t \in [\alpha,\beta]\) 确定，则弧微分和弧长分别为
\[\begin{aligned} & ds = \sqrt{1 + \left( \frac{y'(t)}{x'(t)} \right)^2 } d[x(t)] = \sqrt{x'^2(t)+y'^2(t)} dt \\ & s = \int^{\beta}_{\alpha} ds = \int^{\beta}_{\alpha} \sqrt{x'^2(t)+y'^2(t)} dt \\ \end{aligned} \]3.2.3 极坐标系下的平面图形的弧长
设平面曲线由极坐标方程 \(r=r(\theta), \theta \in [\alpha,\beta]\) 确定，则可先转化为参数方程形式
\[\begin{cases} x(\theta) = r(\theta) \cos \theta \\ y(\theta) = r(\theta) \sin \theta \end{cases} \]此时参数方程形式下的弧微分和弧长为
\[\begin{aligned} & ds = \sqrt{1 + \left( \frac{y'(\theta)}{x'(\theta)} \right)^2 } d[x(\theta)] = \sqrt{x'^2(\theta)+y'^2(\theta)} d\theta = \sqrt{r'^2(\theta)+r^2(\theta)} d\theta \\ & s = \int^{\beta}_{\alpha} ds = \int^{\beta}_{\alpha} \sqrt{r'^2(\theta)+r^2(\theta)} d\theta \\ \end{aligned} \]3.3 平面曲线的形心和质心
3.3.1 平面曲线的形心
（1）x 轴区间 \([a,b]\) 上的形心为
\[\bar x=\frac{\int^b_a x dx}{\int^b_a dx} = \frac{a+b}{2} \]（2）设曲线由参数方程 \(\begin{cases} x=x(t) \\ y=y(t) \end{cases}, t \in [\alpha,\beta]\) 确定，则平面曲线的形心 \((\bar x, \bar y)\) 为
\[\bar x = \frac{\int^{\beta}_{\alpha} x(t) ds}{\int^{\beta}_{\alpha} ds} = \frac{\int^{\beta}_{\alpha} x(t) \sqrt{x'^2(t) + y'^2(t)} dt}{\int^{\beta}_{\alpha} \sqrt{x'^2(t) + y'^2(t)} dt} \\ \bar y = \frac{\int^{\beta}_{\alpha} y(t) ds}{\int^{\beta}_{\alpha} ds} = \frac{\int^{\beta}_{\alpha} y(t) \sqrt{x'^2(t) + y'^2(t)} dt}{\int^{\beta}_{\alpha} \sqrt{x'^2(t) + y'^2(t)} dt} \]3.3.2 平面曲线的质心
设线密度为 \(\rho(x)\)，则 x 轴区间 \([a,b]\) 上的形心为
\[\bar x=\frac{\int^b_a x \rho(x) dx}{\int^b_a \rho(x) dx} \]4 旋转体
4.1 旋转体的体积
4.1.1 万能公式
设曲线方程为 \(y=f(x), x \in [a,b]\)，旋转轴方程为 \(Ax+By+C=0\)，则曲线绕旋转轴所成体积为
\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} r(x,y) dxdy = 2 \pi \iint \limits_{D} \frac{|Ax+Bf(x)+C|}{\sqrt{A^2+B^2}} dxdy \]4.1.2 曲线绕平行于 x 轴的直线所得旋转体的体积（切片法）
设曲线方程为 \(y=f(x), x \in [a,b]\) 和 \(y=g(x), x \in [a,b]\)，且 \(f(x) \geq g(x)\)。
（1）设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), x=a, x=b\)，x 轴（\(y=0\)）所围，则 \(D\) 绕 x 轴（\(y=0\)）所得旋转体的体积为
\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |y| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_0 |y| dy = \pi \int^b_a |f(x)|^2 dx \]（2）设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), x=a, x=b\)，\(y=k\) 所围，则 \(D\) 绕 \(y=k\) 所得旋转体的体积为
\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |y| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_0 |y-k| dy = \pi \int^b_a |f(x)-k|^2 dx \]（3）设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), y=g(x), x=a, x=b\)，x 轴（\(y=0\)）所围，则 \(D\) 绕 x 轴（\(y=0\)）所得旋转体的体积为
\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |y| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_{g(x)} |y| dy = \pi \int^b_a [f^2(x)-g^2(x)] dx \]（4）设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), y=g(x), x=a, x=b\) 所围，则 \(D\) 绕 \(y=k(k \geq f(x) 或 k \leq g(x))\) 所得旋转体的体积为
\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |y| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_{g(x)} |y-k| dy = \pi \int^b_a \bigg( [f(x)-k]^2 - [g(x)-k]^2 \bigg) dx \]4.1.3 曲线绕平行于 y 轴的直线所得旋转体的体积（柱壳法）
设曲线方程为 \(y=f(x), x \in [a,b]\) 和 \(y=g(x), x \in [a,b]\)，且 \(f(x) \geq g(x)\)。
（1）设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), x=a, x=b\)，x 轴（\(y=0\)）所围，则 \(D\) 绕 y 轴（\(x=0\)）所得旋转体的体积为
\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |x| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_0 |x| dy = 2\pi \int^b_a |xf(x)| dx \]（2）设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), x=a, x=b\)，x 轴（\(y=0\)）所围，则 \(D\) 绕 \(x=k\) 所得旋转体的体积为
\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |y| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_0 |x-k| dy = 2\pi \int^b_a |x-k| \cdot |f(x)| dx \]（3）设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), y=g(x), x=a, x=b\) 所围，则 \(D\) 绕 y 轴（\(x=0\)）所得旋转体的体积为
\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |x| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_{g(x)} |x| dy = 2\pi \int^b_a |x| \cdot [f(x)-g(x)] dx \]（4）设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), y=g(x), x=a, x=b\) 所围，则 \(D\) 绕 \(x=k(k \geq b 或 k \leq a)\) 所得旋转体的体积为
\[V = 2 \pi \iint \limits_{D} |y| dxdy = 2\pi \int^b_a dx \int^{f(x)}_{g(x)} |x-k| dy = 2\pi \int^b_a |x-k| \cdot [f(x)-g(x)] dx \]4.1.4 典型例题（必看）
【例 1】区域 \(D\) 由曲线方程 \(y=\sin x, y=0, y=\frac{\pi}{2}\) 所围，求 \(D\) 绕 x 轴和 y 轴旋转所得旋转体的体积 \(V_x\) 和 \(V_y\)。
【解】（1）\(D\) 绕 x 轴所得旋转体的体积为
\[V_x = 2 \pi \iint \limits_{D} y dxdy = 2\pi \int^{\frac{\pi}{2}}_0 dx \int^{\sin x}_0 y dy = \pi \int^{\frac{\pi}{2}}_0 \sin^2 x dx = \frac{\pi^2}{4} \]（2）\(D\) 绕 y 轴所得旋转体的体积为
\[V_y = 2 \pi \iint \limits_{D} x dxdy = 2\pi \int^{\frac{\pi}{2}}_0 dx \int^{\sin x}_0 x dy = 2\pi \int^{\frac{\pi}{2}}_0 x\sin x dx = 2\pi \]以上方法是基于纵向分割的微元，即先 \(dy\)，后 \(dx\)，采用柱壳法。也可基于横向分割的微元，采用切片法，先 \(dx\)，后 \(dy\)，如下
\[\begin{aligned} V_y &= 2\pi \int^1_0 dy \int^{\frac{\pi}{2}}_{\arcsin y} x dx \\ &= \frac{\pi^3}{4} - \pi (\frac{\pi^2}{4} - 2) = 2\pi \\ \end{aligned} \]【例 2】设摆线 \(\begin{cases} x=a(t-\sin t) \\ y=a(1-\cos t) \end{cases}(t \in [0, 2\pi], a>0)\) 与 x 轴所围平面图形为 \(D\)。
（1）求 \(D\) 绕 x 轴和 y 轴所得旋转体的体积；
（2）求 \(D\) 绕直线 \(y=2a\) 所得旋转体的体积。
【解】（1）\(D\) 绕 x 轴所得旋转体的体积为
\[\begin{aligned} V_x &= 2 \pi \iint \limits_{D} y dxdy = 2\pi \int^{2\pi a}_0 dx \int^{f(x)}_0 y dy = \pi \int^{2\pi a}_0 f^2(x) dx \\ &= \pi \int^{2\pi}_0 y^2(t) d[x(t)] = \pi \int^{2\pi}_0 y^2(t) x'(t) dt = 5\pi^2 a^3 \end{aligned} \]\(D\) 绕 y 轴所得旋转体的体积为
\[\begin{aligned} V_y &= 2 \pi \iint \limits_{D} x dxdy = 2\pi \int^{2\pi a}_0 dx \int^{f(x)}_0 x dy = \pi \int^{2\pi a}_0 xf(x) dx \\ &= \pi \int^{2\pi}_0 x(t) y(t) d[x(t)] = \pi \int^{2\pi}_0 x(t) y(t) x'(t) dt = 6\pi^3 a^3 \end{aligned} \]（2）\(D\) 绕直线 \(y=2a\) 所得旋转体的体积为
\[\begin{aligned} V_{y=2a} &= 2\pi \int^{2\pi a}_0 dx \int^{f(x)}_{0} (2a-y) dy \\ & = - \pi \int^{2\pi a}_0 \bigg( [2a-f(x)]^2 - (2a)^2 \bigg) dx \\ &= 8\pi^2 a^3 - \pi \int^{2\pi}_0 [2a-x(t)]^2 d[x(t)] \\ &= 8\pi^2 a^3 - \pi \int^{2\pi}_0 [2a-x(t)]^2 x'(t) dt = 7\pi^2 a^3 \end{aligned} \]【例 3】设心形线 \(r=4(1+\cos \theta)\) 与 \(\theta = 0, \theta = \frac{\pi}{2}\) 所围图形为 \(D\)，求 \(D\) 绕极轴旋转一周所得旋转体的体积。
【解】先将极坐标方程写成参数方程
\[\begin{cases} x(\theta) = 4(1+\cos \theta) \cos \theta \\ y(\theta) = 4(1+\cos \theta) \sin \theta \end{cases} \]因此 \(D\) 绕 x 轴所得旋转体的体积为
\[\begin{aligned} V_x &= 2 \pi \iint \limits_{D} y dxdy = 2\pi \int^8_0 dx \int^{f(x)}_0 y dy = \pi \int^8_0 f^2(x) dx \\ &= \pi \int^0_{\frac{\pi}{2}} y^2(\theta) d[x(\theta)] = \pi \int^0_{\frac{\pi}{2}} y^2(\theta) x'(\theta) d\theta = 160\pi \end{aligned} \]4.2 旋转体的侧面积
4.2.1 直角坐标系下的计算公式
（1）设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), x=a, x=b\)，x 轴所围，则 \(D\) 绕 x 轴所得旋转体的侧面积为
\[S = 2\pi \int^b_a |f(x)| ds = 2\pi \int^b_a |f(x)| \sqrt{1+f'^2(x)} dx \]（2）设 \(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), x=a, x=b\)，x 轴所围，则 \(D\) 绕 \(L: Ax+By+C=0\) 所得旋转体的侧面积为
\[S = 2\pi \int^b_a r(x,y) ds = 2\pi \int^b_a \frac{|Ax+Bf(x)+C|}{\sqrt{A^2+B^2}} \sqrt{1+f'^2(x)} dx \]4.2.2 参数方程形式下的计算公式
设曲线方程 \(y=f(x), x \in [a,b]\) 由参数方程 \(\begin{cases} x=x(t) \\ y=y(t) \end{cases}, t \in [\alpha, \beta]\) 确定，\(D\) 由曲线方程 \(y=f(x), x=a, x=b\)，x 轴所围，则 \(D\) 绕 x 轴所得旋转体的侧面积为
\[S = 2\pi \int^b_a |f(x)| ds = 2\pi \int^{\beta}_{\alpha} |y(t)| \sqrt{x'^2(t)+y'^2(t)} dt \]4.2.3 极坐标系下的计算公式
设平面曲线由极坐标方程 \(r=r(\theta), \theta \in [\alpha,\beta]\) 确定，则可先转化为参数方程形式
\[\begin{cases} x(\theta) = r(\theta) \cos \theta \\ y(\theta) = r(\theta) \sin \theta \end{cases} \]则 \(D\) 绕 x 轴所得旋转体的侧面积为
\[S = 2\pi \int^b_a |f(x)| ds = 2\pi \int^{\beta}_{\alpha} |r(\theta) \sin \theta| \sqrt{r^2(\theta)+r'^2(\theta)} d\theta \] 标签：frac,dx,int,积分,旋转体,应用,几何,theta,pi From： https://www.cnblogs.com/Mount256/p/17811497.html