10.2 知识点复习
10.2.1 平面区域的面积
在一元微积分中,我们可以计算以下类型的平面区域的面积:
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(1)
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设满足,则围成的有界区域的面积为
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(2)
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对于由参数方程确定的简单闭曲线,记,其围成的有界区域的面积为
上述积分是有向积分,曲线的参数增加方向需要满足区域的自然正向,即:在区域边界按参数增加方向前进时,区域位于左手一侧。
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(3)
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平面极坐标系下,
在(2)中的第三个公式中代入、即可得到上式。
10.2.2 曲线的弧长
正则曲线,满足,则其弧长为
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(1)
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在空间直角坐标系下,
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(2)
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在平面极坐标系下,我们有,,则
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(3)
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在空间柱坐标系下,我们有,,,则
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(4)
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在空间球坐标系下,我们有,,,则
以上公式可以借助图像直观地理解,如图10.2.1所示。
10.2.3 曲线的曲率
正则曲线的弧长参数定义为
于是
因此有的反函数,用弧长参数表示的曲线方程满足
这是一个以单位速率运动的曲线,其加速度与速度正交,是曲线的主法向量。曲线的曲率定义为
10.2.4 旋转体与旋转面
平面封闭曲线位于轴的一侧(包括轴本身),它绕轴旋转一周得到曲面和旋转体,则旋转面(即旋转体侧面)面积为
旋转体体积为
上述积分中的符号来自于曲线定向。
祖暅原理:沿一个方向把切割成与轴垂直的一系列薄片,其近似为柱体,设截面面积为、薄体厚度为,则薄体体积为,因此
曲面面积的计算是一个很微妙的问题,我们将在多元微积分时有更深入的(但仍是初等的)讨论。
10.2.5 质心与加权平均
设为连续的随机变量,其概率密度函数为,则有
定义分布函数为
则
反映了随机变量落在的概率。
设,则的期望为
取为几何体的质量,为恒等映射,则几何体的质心为
其中为线密度函数(单位长度几何体的质量),权函数(概率密度函数)的定义为线密度函数的归一化,即
以上概念容易推广到高维空间中。