21.计算y=x^2-1与x+y=1围成的面积A. 5B. (9)/(2)C. -(9)/(2)D. 4
A. 5
B. $\frac{9}{2}$
C. $-\frac{9}{2}$
D. 4
题目解答
答案
解析
本题考查利用定积分求两条曲线所围成的平面图形的面积。解题思路如下:
- 首先要求出两条曲线的交点,从而确定积分的上下限。
- 然后判断在积分区间内哪条曲线在上方,哪条曲线在下方。
- 最后根据定积分求面积的公式$S = \int_{a}^{b} [f(x)-g(x)]dx$(其中$f(x)$为上方曲线,$g(x)$为下方曲线,$[a,b]$为积分区间)计算面积。
步骤一:求交点
联立$y = x^{2}-1$与$x + y = 1$(即$y=1 - x$)的方程:
$\begin{cases}y = x^{2}-1\\y = 1 - x\end{cases}$
将$y = 1 - x$代入$y = x^{2}-1$可得:
$x^{2}-1=1 - x$
移项化为一元二次方程的标准形式:$x^{2}+x - 2 = 0$
因式分解得$(x + 2)(x - 1)=0$
解得$x=-2$或$x = 1$。
将$x=-2$代入$y = 1 - x$,得$y=1-(-2)=3$;将$x = 1$代入$y = 1 - x$,得$y=1 - 1 = 0$。
所以交点坐标为$(-2,3)$和$(1,0)$,积分区间为$[-2,1]$。
步骤二:判断上下曲线
在区间$[-2,1]$内,任取一点$x_0\in[-2,1]$,比较$1 - x$与$x^{2}-1$的大小。
令$h(x)=(1 - x)-(x^{2}-1)=-x^{2}-x + 2$
对于二次函数$y=-x^{2}-x + 2$,其二次项系数$a=-1\lt0$,图象开口向下,且由$-x^{2}-x + 2 = 0$,即$x^{2}+x - 2 = 0$,解得$x=-2$或$x = 1$。
所以在区间$[-2,1]$上,$h(x)\geqslant0$,即$1 - x\geqslant x^{2}-1$,所以$y = 1 - x$是上方曲线,$y = x^{2}-1$是下方曲线。
步骤三:计算面积
根据定积分求面积公式$S=\int_{-2}^{1}[(1 - x)-(x^{2}-1)]dx=\int_{-2}^{1}(-x^{2}-x + 2)dx$
根据定积分的运算法则$\int_{a}^{b}(u(x)\pm v(x))dx=\int_{a}^{b}u(x)dx\pm\int_{a}^{b}v(x)dx$可得:
$S=-\int_{-2}^{1}x^{2}dx-\int_{-2}^{1}xdx+\int_{-2}^{1}2dx$
根据定积分基本公式$\int x^{n}dx=\frac{1}{n + 1}x^{n+1}+C(n\neq - 1)$,$\int kdx=kx + C$($k$为常数)计算:
$-\int_{-2}^{1}x^{2}dx=-\left[\frac{1}{3}x^{3}\right]_{-2}^{1}=-\left(\frac{1}{3}\times1^{3}-\frac{1}{3}\times(-2)^{3}\right)=-\left(\frac{1}{3}+\frac{8}{3}\right)=-3$
$-\int_{-2}^{1}xdx=-\left[\frac{1}{2}x^{2}\right]_{-2}^{1}=-\left(\frac{1}{2}\times1^{2}-\frac{1}{2}\times(-2)^{2}\right)=-\left(\frac{1}{2}-2\right)=\frac{3}{2}$
$\int_{-2}^{1}2dx=2[x]_{-2}^{1}=2\times(1-(-2)) = 6$
所以$S=-3+\frac{3}{2}+6=\frac{-6 + 3+12}{2}=\frac{9}{2}$