課程內(nèi)容
《曲邊梯形的面積 汽車行駛的路程》
一、求曲邊梯的面積
1、曲邊梯形:在直角坐標(biāo)系中,由連續(xù)曲線y=f(x),直線x=a、x=b及x軸所圍成的圖形叫做曲邊梯形。
2、如何求曲邊梯形的面積?
將曲邊梯形分成N個(gè)小梯形,并用小矩形陳形的面積替小曲邊梯形面積,于是曲邊梯形的面積A近似為。
3、舉例:例1。求拋物線y=x2、直線x=1和x軸所圍成的曲邊梯形的面積。
(1)分割把區(qū)間[0,1]等分成n個(gè)小區(qū)間[0,1/n],[1/n,2/n],……,[(i-1)/n,i/n],……[(n-1)/n,n/n],每個(gè)區(qū)間的長度為
Dx=i/n-(i-1)/n=1/n
過各區(qū)間端點(diǎn)作x軸的垂線,從而得到n個(gè)小曲邊梯形,他們的面積分別記作DS1,DS2…,DSi,…DSn。
(2)近似代替(不足近似值)
DSi ≈f((i-1)/n) Dx=((i-1)/n21/n)
(3)求和
DS=DS1+DS2+……+DSn=(nΣi=1) DSi
≈(nΣi=1)f((i-1)/n)1/n=(nΣi=1)2 1/n
=1/n3[02+12+22+……+(n-1)2]
12+22+32+……+n2=n(n+1)(2n+1)/6
S≈1/n3 1/6(n-1)n(2n-1)=1/6(1-1/n)(2-1/n)
(4)取極限
當(dāng)分割的人數(shù)無限增多,即nàμ,DXà0時(shí),S≈1/6(1-1/n)(2-1/n)à1/3
所以S=1/3。
我們還可以從數(shù)值上可以看出這一變化趨勢(請(qǐng)見表)
區(qū)間[0,1]的等分?jǐn)?shù)n | S近似值Sn |
2 | 0.125 000 00 |
4 | 0.218 750 00 |
8 | 0.273 437 50 |
16 | 0.302 734 50 |
32 | 0.317 871 09 |
64 | 0.325 561 52 |
128 | 0.329 427 26 |
256 | 0.331 382 75 |
512 | 0.332 327 41 |
1024 | 0.332 845 21 |
2048 | 0.33 089 23 |
…… | …… |
小結(jié):求由連續(xù)曲線y=f(x)對(duì)應(yīng)的曲邊梯形面積的方法
(1)分割 (2)近似代替 (3)求和 (4)取極限
把這些矩形面積相加作為整個(gè)曲邊形面積S的近似值。
有理由相信,分點(diǎn)越來越密時(shí),即分割越來越細(xì)時(shí),矩形面積和的極限即為曲邊形的面積。
[點(diǎn)評(píng)](1)分割的目的在于更精確地“以直代曲”。上例中以“矩形”代替“曲邊梯形”,隨著分割的等份數(shù)增多,這種“代替”就越精確,當(dāng)n愈大時(shí),所有小矩形的面積就愈逼近曲邊梯形的面積。
(2)在“近似代替”中,教材在每一個(gè)小區(qū)間[(i-1/n,i/n)]上取左端,事實(shí)上可以用取右端點(diǎn)或區(qū)間上的任意點(diǎn),前面我們已經(jīng)驗(yàn)證了取右端點(diǎn)時(shí)的情形。
(3)求曲邊梯形的面積,通常采用分割、近似代替,求和,取極限的方法。
二、求汽車行駛的路程
上圖中:所有粘矩形之和,其極限就是由直線x=0,x=1和曲線v(t)=t2+2所圍成的曲邊梯形的面積,即路程S
與求曲邊梯形面積類似,我們采取“以不變代變”的方法,把求變速直線運(yùn)動(dòng)的路程問題?;瘹w為求勻速直線運(yùn)動(dòng)的路問題,即將區(qū)間[0,1]等分成n個(gè)小區(qū)間,在每個(gè)小區(qū)間上,由于v(t)變化很小,可以認(rèn)為汽車近似于作勻速直線運(yùn)動(dòng),從而求和得的近似值,最后讓n趨向于無窮大就得到S的精確值。
解:1.分割
在時(shí)間區(qū)間[0,1]上等間隔地插入n-1個(gè)點(diǎn),將區(qū)間[0,1]等分成n個(gè)區(qū)間:
[0,1/n],[1/n,2/n],…,[(n-1)/n,1]記第i個(gè)區(qū)間為[(i-1)/n,i/n](i=1,2,…,n),其長度為△t=i/n-(i-1)/n
把汽車在時(shí)間段[0,1/n],[1/n,2/n],…,[(n-1)/n,1]上行駛路程分別記作:△S1,△S2,…,△Sn
顯然,S=(nΣi=1)△Si
(2)近似代替 當(dāng)n很大,△t很小時(shí),在區(qū)間[(i-1)/n,i/n]上,可以認(rèn)為函數(shù)v(t)=-t2+2的值變化很小,近似等于一個(gè)常數(shù),不妨認(rèn)為它近似等于左端點(diǎn)(i-1)/n處的函數(shù)值v(i-1/n)=-((i-1)/n)+2,從物理意義上看,即使汽車在時(shí)間段[(i-1)/n,i/n](i=1,2,……,n)上的速度變化很小,不妨認(rèn)為它近似地以時(shí)刻(i-1)/n處的速度v(i-1)/n=-((i-1)/n)2+2作勻速直線運(yùn)動(dòng)。
即汽車在局部小范圍內(nèi)“以勻速代變速”,于是用小矩形的面積△S'近似代替△St,則有
△Si≈△St''=v((i-1)/n)2.1/n+2/n(i=1,2…,n)①
(3)求和,由①得
Sn=(nΣi=1)△St'=(nΣi=1)v{(i-1)/n}△t
=(nΣi=1)[-((i-1)/n2).1/n+2/n]
=0.1/n-(1/n)2.1/n-…-((n-1)/n)2.1/n+2
=-1/n3 [12+22+…+(n-1)2]+2
=-1/n3{(n-1)n(2n-1)/6}+2=-1/3(1-1/n)(1-2n)+2
從而得到S的近似值S≈Sn=-1/3(1-1/n)(1-1/n)+2
(4)取極限
當(dāng)n趨向于無窮大時(shí),即△t趨向于0時(shí),Sn=-1/3(1-1/n)(1-1/2n)+2趨向于S,
從而有S=LimSn n→∞
=LimSn n→∞[-1/3(1-1/n)(1-1/2n)+2]=5/3
思考:結(jié)合求曲邊梯形面積的過程,你認(rèn)為汽車行駛的路程S與由直線t=0,t=1,V=0和曲線v=-t2+2所圍成的曲邊梯形的面積有什么關(guān)系?
結(jié)合上述解過程可知,汽車行駛的路程S=LimSn n→∞ 在數(shù)據(jù)上等于由直線t=0,t=1,v=0和曲線v=-t2+2所圍成的曲邊梯形的面積。
結(jié)論:一般地,如果物體做變速直線運(yùn)動(dòng),速度函數(shù)為v=v(r)那么我們也可以采用分割、近似代替,求和、取極限的方法,利用“以不變代變”的方法及無限逼近的思想,求出它在a≤t≤b內(nèi)所作的位移S。
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楊老師
女,中教高級(jí)職稱
教學(xué)功底扎實(shí),教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富,對(duì)知識(shí)體系有深厚的了解。