课程内容
《曲边梯形的面积 汽车行驶的路程》
一、求曲边梯的面积
1、曲边梯形:在直角坐标系中,由连续曲线y=f(x),直线x=a、x=b及x轴所围成的图形叫做曲边梯形。
2、如何求曲边梯形的面积?
将曲边梯形分成N个小梯形,并用小矩形陈形的面积替小曲边梯形面积,于是曲边梯形的面积A近似为。
3、举例:例1。求抛物线y=x2、直线x=1和x轴所围成的曲边梯形的面积。
(1)分割把区间[0,1]等分成n个小区间[0,1/n],[1/n,2/n],……,[(i-1)/n,i/n],……[(n-1)/n,n/n],每个区间的长度为
Dx=i/n-(i-1)/n=1/n
过各区间端点作x轴的垂线,从而得到n个小曲边梯形,他们的面积分别记作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)取极限
当分割的人数无限增多,即nàµ,DXà0时,S≈1/6(1-1/n)(2-1/n)à1/3
所以S=1/3。
我们还可以从数值上可以看出这一变化趋势(请见表)
区间[0,1]的等分数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 |
…… | …… |
小结:求由连续曲线y=f(x)对应的曲边梯形面积的方法
(1)分割 (2)近似代替 (3)求和 (4)取极限
把这些矩形面积相加作为整个曲边形面积S的近似值。
有理由相信,分点越来越密时,即分割越来越细时,矩形面积和的极限即为曲边形的面积。
[点评](1)分割的目的在于更精确地“以直代曲”。上例中以“矩形”代替“曲边梯形”,随着分割的等份数增多,这种“代替”就越精确,当n愈大时,所有小矩形的面积就愈逼近曲边梯形的面积。
(2)在“近似代替”中,教材在每一个小区间[(i-1/n,i/n)]上取左端,事实上可以用取右端点或区间上的任意点,前面我们已经验证了取右端点时的情形。
(3)求曲边梯形的面积,通常采用分割、近似代替,求和,取极限的方法。
二、求汽车行驶的路程
上图中:所有粘矩形之和,其极限就是由直线x=0,x=1和曲线v(t)=t2+2所围成的曲边梯形的面积,即路程S
与求曲边梯形面积类似,我们采取“以不变代变”的方法,把求变速直线运动的路程问题。化归为求匀速直线运动的路问题,即将区间[0,1]等分成n个小区间,在每个小区间上,由于v(t)变化很小,可以认为汽车近似于作匀速直线运动,从而求和得的近似值,最后让n趋向于无穷大就得到S的精确值。
解:1.分割
在时间区间[0,1]上等间隔地插入n-1个点,将区间[0,1]等分成n个区间:
[0,1/n],[1/n,2/n],…,[(n-1)/n,1]记第i个区间为[(i-1)/n,i/n](i=1,2,…,n),其长度为△t=i/n-(i-1)/n
把汽车在时间段[0,1/n],[1/n,2/n],…,[(n-1)/n,1]上行驶路程分别记作:△S1,△S2,…,△Sn
显然,S=(nΣi=1)△Si
(2)近似代替 当n很大,△t很小时,在区间[(i-1)/n,i/n]上,可以认为函数v(t)=-t2+2的值变化很小,近似等于一个常数,不妨认为它近似等于左端点(i-1)/n处的函数值v(i-1/n)=-((i-1)/n)+2,从物理意义上看,即使汽车在时间段[(i-1)/n,i/n](i=1,2,……,n)上的速度变化很小,不妨认为它近似地以时刻(i-1)/n处的速度v(i-1)/n=-((i-1)/n)2+2作匀速直线运动。
即汽车在局部小范围内“以匀速代变速”,于是用小矩形的面积△S'近似代替△St,则有
△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
从而得到S的近似值S≈Sn=-1/3(1-1/n)(1-1/n)+2
(4)取极限
当n趋向于无穷大时,即△t趋向于0时,Sn=-1/3(1-1/n)(1-1/2n)+2趋向于S,
从而有S=LimSn n→∞
=LimSn n→∞[-1/3(1-1/n)(1-1/2n)+2]=5/3
思考:结合求曲边梯形面积的过程,你认为汽车行驶的路程S与由直线t=0,t=1,V=0和曲线v=-t2+2所围成的曲边梯形的面积有什么关系?
结合上述解过程可知,汽车行驶的路程S=LimSn n→∞ 在数据上等于由直线t=0,t=1,v=0和曲线v=-t2+2所围成的曲边梯形的面积。
结论:一般地,如果物体做变速直线运动,速度函数为v=v(r)那么我们也可以采用分割、近似代替,求和、取极限的方法,利用“以不变代变”的方法及无限逼近的思想,求出它在a≤t≤b内所作的位移S。
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杨老师
女,中教高级职称
教学功底扎实,教学经验丰富,对知识体系有深厚的了解。