2014《步步高》高考数学第一轮复习03 定积分
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§3.4 定积分2014高考会这样考 1.考查定积分的概念,定积分的几何意义,微积分基本定理;2.利用定积分求曲边梯形面积、变力做功、变速运动的位移等.复习备考要这样做 1.理解定积分的概念和几何意义;2.会用微积分基本定理求定积分,解决一些几何、物理问题.1. 用化归法计算矩形面积和用逼近的思想方法求出曲边梯形的面积的具体步骤为分割、近似代替、求和、取极限. 2. 定积分的定义如果函数f (x )在区间[a ,b ]上连续,用分点将区间[a ,b ]等分成n 个小区间,在每个小区间上任取一点ξi (i =1,2,…,n ),作和式∑ni =1f (ξi )Δx .当n →∞时,上述和式无限接近于某个常数,这个常数叫做函数f (x )在区间[a ,b ]上的定积分,记作ʃb a f (x )d x . 3. 定积分的运算性质(1)ʃb a kf (x )d x =k ʃba f (x )d x (k 为常数). (2)ʃb a [f (x )±g (x )]d x =ʃb a f (x )d x ±ʃb a g (x )d x . (3)ʃb a f (x )d x =ʃc a f (x )d x +ʃb c f (x )d x (a <c <b ).4. 微积分基本定理一般地,如果f (x )是区间[a ,b ]上的连续函数,并且F ′(x )=f (x ),那么ʃb a f (x )d x =F (b )-F (a ).这个结论叫做微积分基本定理,又叫做牛顿——莱布尼茨公式.可以把F (b )-F (a )记为F (x )|b a ,即ʃb a f (x )d x =F (x )|b a =F (b )-F (a ).[难点正本 疑点清源]1.定积分基本思想的核心是“以直代曲”,用“有限”的步骤解决“无限”过程的问题,其方法是“分割求近似,求和取极限”,利用这种方法可推导球的表面积和体积公式等. 2.由微积分基本定理可知求定积分的关键是求导函数的原函数,由此可知,求导与积分是互为逆运算.3.利用定积分和曲边梯形面积的关系也可以计算定积分.1. (2012·江西)计算定积分ʃ1-1(x 2+sin x )d x =________.答案 23解析 ∵⎝⎛⎭⎫13x 3-cos x ′=x 2+sin x , ∴⎪⎪ 1-1(x 2+sin x )d x =⎝⎛⎭⎫13x 3-cos x 1-1=23. 2. 直线x =0,x =2,y =0与曲线y =x 2所围成的曲边梯形的面积为________.答案 83解析 S =ʃ20x 2d x =13x 3|20=83.3.ʃ30(x 2+1)d x =________.答案 12解析 ʃ30(x 2+1)d x =⎝⎛⎭⎫13x 3+x |30=13×33+3=12. 4. 由y =cos x 及x 轴围成的介于0与2π之间的平面图形的面积,利用定积分应表达为_____.答案解析5. 设函数f (x )=x m +ax 的导函数f ′(x )=2x +1,则ʃ21f (-x )d x 的值等于( )A.56B.12C.23D.16 答案 A解析 由于f (x )=x m +ax 的导函数为f ′(x )=2x +1, 所以f (x )=x 2+x ,于是ʃ21f (-x )d x =ʃ21(x 2-x )d x =⎝⎛⎭⎫13x 3-12x 2|21=56.题型一 定积分的计算 例1 求下列定积分:(1)ʃ20x (x +1)d x ; (2)ʃ21⎝⎛⎭⎫e 2x+1x d x ; (3)ʃπ20sin 2x 2d x . 思维启迪:化简被积函数,由定积分的性质将其分解成各个简单函数的定积分,再利用微积分基本定理求解.解 (1)ʃ20x (x +1)d x =ʃ20(x 2+x )d x=ʃ20x 2d x +ʃ20x d x =13x 3|20+12x 2|20 =⎝⎛⎭⎫13×23-0+⎝⎛⎭⎫12×22-0=143. (2)ʃ21⎝⎛⎭⎫e 2x +1x d x =ʃ21e 2x d x +ʃ211xd x =12e 2x |21+ln x |21=12e 4-12e 2+ln 2-ln 1 =12e 4-12e 2+ln 2. (3)ʃπ20sin 2x 2d x =ʃπ20⎝⎛⎭⎫12-12cos x d x =ʃπ2012d x -12ʃπ20cos x d x =12x |π20-12sin x |π20=π4-12=π-24. 探究提高 计算一些简单的定积分,解题的步骤:①把被积函数变形为幂函数、正弦函数、余弦函数、指数函数与常数的积的和或差;②把定积分用定积分性质变形为求被积函数为上述函数的定积分;③分别用求导公式找到一个相应的原函数;④利用牛顿—莱布尼茨公式求出各个定积分的值;⑤计算原始定积分的值.求下列定积分:(1)ʃ20(4x 3+3x 2-x )d x ;(2)ʃ21⎝⎛⎭⎫x -x 2+1x d x ; (3)ʃ0-π(cos x +e x )d x ;(4)ʃ20|1-x |d x .解 (1)ʃ20(4x 3+3x 2-x )d x =ʃ20(4x 3)d x +ʃ20(3x 2)d x -ʃ20x d x=x 4|20+x 3|20-12x 2|20 =(24-0)+(23-0)-12(22-0)=16+8-2=22. (2)ʃ21⎝⎛⎭⎫x -x 2+1x d x =ʃ21x d x -ʃ21x 2d x +ʃ211xd x =x 22|21-x 33|21+ln x |21 =32-73+ln 2=ln 2-56. (3)ʃ0-π(cos x +e x )d x =ʃ0-πcos x d x +ʃ0-πe x d x=sin x |0-π+e x |0-π=1-1eπ. (4)ʃ20|1-x |d x =ʃ10(1-x )d x +ʃ21(x -1)d x=⎝⎛⎭⎫x -12x 2|10+⎝⎛⎭⎫12x 2-x |21=⎝⎛⎭⎫1-12-0+⎝⎛⎭⎫12×22-2-⎝⎛⎭⎫12×12-1 =1.题型二 求曲边梯形的面积例2 如图所示,求由抛物线y =-x 2+4x -3及其在点A (0,-3)和点B (3,0)处的切线所围成的图形的面积.思维启迪:求出两切线交点M 的坐标⎝⎛⎭⎫32,3,将积分区间分为两段⎣⎡⎦⎤0,32、⎣⎡⎦⎤32,3. 解 由题意,知抛物线y =-x 2+4x -3在点A 处的切线斜率是k 1=y ′|x =0=4,在点B 处的切线斜率是k 2=y ′|x =3=-2.因此,抛物线过点A 的切线方程为y =4x -3,过点B 的切线方程为y =-2x +6.设两切线相交于点M ,由⎩⎪⎨⎪⎧y =4x -3,y =-2x +6消去y ,得x =32,即点M 的横坐标为32.在区间⎣⎡⎦⎤0,32上,曲线y =4x -3在曲线y =-x 2+4x -3的上方;在区间⎣⎡⎦⎤32,3上,曲线y =-2x +6在曲线y =-x 2+4x -3的上方. 因此,所求的图形的面积是=98+98=94. 探究提高 对于求平面图形的面积问题,应首先画出平面图形的大致图形,然后根据图形特点,选择相应的积分变量及被积函数,并确定被积区间.求曲线y =x ,y =2-x ,y =-13x 所围成图形的面积.解 由⎩⎨⎧y =x y =2-x得交点A (1,1);由⎩⎪⎨⎪⎧y =2-x y =-13x 得交点B (3,-1).故所求面积S =ʃ10⎝⎛⎭⎫x +13x d x +ʃ31⎝⎛⎭⎫2-x +13x d x =⎝⎛⎭⎫23x 32+16x 2|10+⎝⎛⎭⎫2x -13x 2|31 =23+16+43=136. 题型三 定积分在物理方面的应用例3 一物体做变速直线运动,其v -t 曲线如图所示,则该物体在12s ~6 s 间的运动路程为__________. 思维启迪:从题图上可以看出物体在0≤t ≤1时做加速运动,1≤t ≤3时做匀速运动,3≤t ≤6时也做加速运动,但加速度不同,也就是说0≤t ≤6时,v (t )为一个分段函数,故应分三段求积分才能求出曲边梯形的面积. 答案494m 解析 由题图可知,v (t )=⎩⎪⎨⎪⎧2t (0≤t ≤1)2 (1≤t ≤3)13t +1 (3≤t ≤6),因此该物体在12s ~6 s 间运动的路程为探究提高 定积分在物理方面的应用主要包括:①求变速直线运动的路程;②求变力所做的功.某技术监督局对一家颗粒输送仪生产厂进行产品质量检测时,得到了下面的资料:这家颗粒输送仪生产厂生产的颗粒输送仪,其运动规律属于变速直线运动,且速度v (单位:m/s)与时间t (单位:s)满足函数关系式v (t )=⎩⎪⎨⎪⎧t 2(0≤t ≤10),4t +60 (10<t ≤20),140 (20<t ≤60).某公司拟购买一台颗粒输送仪,要求1 min 行驶的路程超过7 673 m ,问这家颗粒输送仪生产厂生产的颗粒输送仪能否被列入拟挑选的对象之一? 解 由变速直线运动的路程公式,可得s =ʃ100t 2d t +ʃ2010(4t +60)d t +ʃ6020140d t=13t 3|100+(2t 2+60t )|2010+140t |6020 =7 133 13(m)<7 673 (m).所以这家颗粒输送仪生产厂生产的颗粒输送仪不能被列入拟挑选的对象之一.函数思想、数形结合思想在定积分中的应用典例:(12分)在区间[0,1]上给定曲线y =x 2.试在此区间内确定点t 的值,使图中的阴影部分的面积S 1与S 2之和最小,并求最小值.审题视角 (1)题目要求是求S 1与S 2之和最小,所以要先构造S =S 1+S 2的函数,利用函数思想求解.(2)S 1、S 2的面积只能通过定积分求解,所以要选准积分变量. 规范解答解 S 1面积等于边长为t 与t 2的矩形面积去掉曲线y =x 2与x 轴、直线x =t 所围成的面积,即S 1=t ·t 2-ʃt 0x 2d x =23t 3.[2分]S 2的面积等于曲线y =x 2与x 轴,x =t ,x =1围成的面积去掉矩形面积,矩形边长分别为t 2,1-t ,即S 2=ʃ1t x 2d x -t 2(1-t )=23t 3-t 2+13.[4分]所以阴影部分的面积S =S 1+S 2=43t 3-t 2+13(0≤t ≤1).[6分]令S ′(t )=4t 2-2t =4t ⎝⎛⎭⎫t -12=0,得t =0或t =12.[8分] t =0时,S =13;t =12时,S =14;t =1时,S =23.[10分]所以当t =12时,S 最小,且最小值为14.[12分]温馨提醒 (1)本题既不是直接求曲边梯形面积问题,也不是直接求函数的最小值问题,而是先利用定积分求出面积的和,然后利用导数的知识求面积和的最小值,难点在于把用导数求函数最小值的问题置于先求定积分的题境中,突出考查知识的迁移能力和导数的应用意识.(2)本题易错点:一是缺乏函数的意识;二是不能正确选择被积区间.方法与技巧 1. 求定积分的方法(1)利用定义求定积分(定义法),可操作性不强.(2)利用微积分基本定理求定积分步骤如下:①求被积函数f (x )的一个原函数F (x );②计`算F (b )-F (a ).(3)利用定积分的几何意义求定积分当曲边梯形面积易求时,可通过求曲边梯形的面积求定积分.如:定积分ʃ101-x 2d x 的几何意义是求单位圆面积的14,所以ʃ101-x 2d x =π4. 2. 求曲边多边形面积的步骤:(1)画出草图,在直角坐标系中画出曲线或直线的大致图形. (2)借助图形确定被积函数,求出交点坐标,确定积分的上限、下限. (3)将曲边梯形的面积表示为若干个定积分之和. (4)计算定积分. 失误与防范1.被积函数若含有绝对值号,应先去绝对值号,再分段积分. 2.若积分式子中有几个不同的参数,则必须先分清谁是被积变量. 3.定积分式子中隐含的条件是积分上限大于积分下限.4.定积分的几何意义是曲边梯形的面积,但要注意:面积非负,而定积分的结果可以为负. 5.将要求面积的图形进行科学而准确的划分,可使面积的求解变得简捷.A 组 专项基础训练 (时间:35分钟,满分:57分)一、选择题(每小题5分,共20分)1. (2011·湖南)由直线x =-π3,x =π3,y =0与曲线y =cos x 所围成的封闭图形的面积为( )A.12B .1 C.32D. 3答案 D解析 ʃπ3-π3cos x d x =sin x |π3-π3=sin π3-sin ⎝⎛⎭⎫-π3= 3. 2. (2012·湖北)已知二次函数y =f (x )的图象如图所示,则它与x 轴所围图形的面积为( )A.2π5 B.43 C.32D.π2答案 B解析 用待定系数法求出二次函数解析式. 根据f (x )的图象可设f (x )=a (x +1)(x -1)(a <0). 因为f (x )的图象过(0,1)点,所以-a =1,即a =-1. 所以f (x )=-(x +1)(x -1)=1-x 2.所以S =ʃ1-1(1-x 2)d x =2ʃ10(1-x 2)d x =⎪⎪2⎝⎛⎭⎫x -13x 310=2⎝⎛⎭⎫1-13=43.3. 已知函数f (x )=sin 5x +1,根据函数的性质、积分的性质和积分的几何意义,探求ʃπ2-π2f (x )d x的值,结果是( )A.16+π2 B .π C .1D .0答案 B解析 ʃπ2-π2f (x )d x =ʃπ2-π2sin 5x d x +ʃπ2-π2d x ,由于函数y =sin 5x 是奇函数,所以ʃπ2-π2sin 5x d x=0,而ʃπ2-π2d x =x |π2-π2=π,故选B. 4. 设f (x )=⎩⎪⎨⎪⎧x 2, x ∈[0,1],2-x , x ∈(1,2],则ʃ20f (x )d x 等于( )A.34 B.45 C.56D .不存在答案 C解析 如图,ʃ20f (x )d x =ʃ10x 2d x +ʃ21(2-x )d x=13x 3|10+⎝⎛⎭⎫2x -12x 2|21 =13+⎝⎛⎭⎫4-2-2+12=56. 二、填空题(每小题5分,共15分)5. ʃ3-3(9-x 2)d x =________.答案 92π解析 由定积分的几何意义知所求定积分为半圆x 2+y 2=9 (y ≥0)的面积S ,∴S =12×π×9=92π.6. 曲线y =1x与直线y =x ,x =2所围成的图形的面积为____________.答案 32-ln 2解析 S =ʃ21x d x -ʃ211x d x =12x 2|21-ln x |21 =32-(ln 2-ln 1)=32-ln 2. 7. 汽车以v =3t +2 (单位:m/s)作变速直线运动时,在第1 s 至第2 s 间的1 s 内经过的路程是________ m. 答案 6.5解析 s =ʃ21(3t +2)d t =⎝⎛⎭⎫32t 2+2t |21 =32×4+4-⎝⎛⎭⎫32+2=10-72=132 (m). 三、解答题(共22分)8. (10分)求在[0,2π]上,由x 轴及正弦曲线y =sin x 围成的图形的面积.解 作出y =sin x 在[0,2π]上的图象,如图所示.y =sin x 与x 轴交点的横坐标分别为x =0,x =π,x =2π,所以所求面积为S =ʃπ0sin x d x +|ʃ2ππsin x d x | =(-cos x )|π0-(-cos x )|2ππ=4.9. (12分)汽车以54 km /h 的速度行驶,到某处需要减速停车,设汽车以等加速度-3 m/s 2刹车,问从开始刹车到停车,汽车走了多远? 解 由题意,得v 0=54 km /h =15 m/s. 所以v (t )=v 0-at =15-3t . 令v (t )=0,得15-3t =0.解得t =5. 所以开始刹车5 s 后,汽车停车. 所以汽车由刹车到停车所行驶的路程为 s =ʃ50v (t )d t =ʃ50(15-3t )d t =⎝⎛⎭⎫15t -32t 2|50=37.5(m). 故汽车走了37.5 m.B 组 专项能力提升 (时间:25分钟,满分:43分)一、选择题(每小题5分,共15分)1. (2011·课标全国)由曲线y =x ,直线y =x -2及y 轴所围成的图形的面积为( )A.103B .4C.163D .6答案 C解析 由⎩⎨⎧y =x ,y =x -2得其交点坐标为(4,2).因此y =x 与y =x -2及y 轴所围成的图形的面积为ʃ40[x -(x -2)]d x =ʃ40(x -x +2)d x=⎝⎛⎭⎫23x 32-12x 2+2x |40=23×8-12×16+2×4=163. 2. 一物体在变力F (x )=5-x 2(力单位:N ,位移单位:m)作用下,沿与F (x )成30°方向作直线运动,则由x =1运动到x =2时F (x )做的功为( )A. 3 JB.233 JC.433J D .2 3 J答案 C 解析 ʃ21F (x )×cos 30°d x =ʃ21(5-x 2)×32d x =⎝⎛⎭⎫5x -13x 3×32|21=433, ∴F (x )做的功为433 J.3. 图中阴影部分的面积是( ) A .16B .18C .20D .22答案 B解析 S =ʃ4-2⎝⎛⎭⎫y +4-y 22d y =⎝⎛⎭⎫y 22+4y -y 36|4-2=18. 二、填空题(每小题5分,共15分)4. 如图所示,函数y =-x 2+2x +1与y =1相交形成一个闭合图形(图中的阴影部分),则该闭合图形的面积是________.答案 43解析 由⎩⎪⎨⎪⎧y =-x 2+2x +1y =1, 得x 1=0,x 2=2.∴S =ʃ20(-x 2+2x +1-1)d x =ʃ20(-x 2+2x )d x=⎝⎛⎭⎫-x 33+x 2|20=-83+4=43. 5. 设函数f (x )=ax 2+c (a ≠0),ʃ10f (x )d x =f (x 0),0≤x 0≤1,则x 0的值为________. 答案 33解析 ʃ10f (x )d x =ʃ10(ax 2+c )d x=⎝⎛⎭⎫ax 33+cx |10=a 3+c ,故a 3+c =ax 20+c ,即ax 20=a 3,又a ≠0, 所以x 20=13,又0≤x 0≤1,所以x 0=33.6. (2012·上海)已知函数y =f (x )的图象是折线段ABC ,其中A (0,0)、B ⎝⎛⎭⎫12,5、C (1,0).函数y =xf (x )(0≤x ≤1)的图象与x 轴围成的图形的面积为________.答案 54解析 ∵y =f (x )=⎩⎨⎧ 10x ,0≤x ≤12,-10x +10,12<x ≤1. ∴xf (x )=⎩⎨⎧ 10x 2,0≤x ≤12,-10x 2+10x ,12<x ≤1,∴所求面积为S =ʃ12010x 2d x +ʃ112(-10x 2+10x )d x = ⎪⎪103x 3120+ ⎪⎪⎝⎛⎭⎫-103x 3+5x 2112=103×18+⎝⎛⎭⎫-103+5-⎝⎛⎭⎫-103×18+5×14=54. 三、解答题7. (13分)已知f (x )为二次函数,且f (-1)=2,f ′(0)=0,ʃ10f (x )d x =-2,(1)求f (x )的解析式;(2)求f (x )在[-1,1]上的最大值与最小值.解 (1)设f (x )=ax 2+bx +c (a ≠0),则f ′(x )=2ax +b . 由f (-1)=2,f ′(0)=0,得⎩⎪⎨⎪⎧ a -b +c =2b =0,即⎩⎪⎨⎪⎧c =2-a b =0,所以f (x )=ax 2+2-a . 又ʃ10f (x )d x =ʃ10(ax 2+2-a )d x =⎣⎡⎦⎤13ax 3+(2-a )x |10=2-23a =-2, 得a =6,从而f (x )=6x 2-4.(2)∵f (x )=6x 2-4,x ∈[-1,1].∴当x =0时,f (x )min =-4;当x =±1时,f (x )max =2.。