題目
Problem
Calculate the area of the region that is completely enclosed by the graphs of the functions f(x)=x2 and g(x)=4−x2.
(6) 見解答.
解答
解法一
思路
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- 本題要求計算由兩條拋物線 f(x)=x2(開口向上,頂點在原點)與 g(x)=4−x2(開口向下,頂點在 (0,4))所完全圍成的區域面積。
- 第一步:求交點
令 f(x)=g(x),解方程式 x2=4−x2 得到交點的 x 座標,這將作為我們定積分的上下限 [a,b]。
- 第二步:判斷上下關係
在交點區間內,開口向下的拋物線在上方,開口向上的在下方,即 g(x)≥f(x)。
- 第三步:列式計算面積
面積公式為:
A=∫ab(g(x)−f(x))dx
利用對稱性(被積分函數是偶函數,且區間對稱),可以簡化為 2∫0b 來進行計算。
答題過程
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第一步:求交點
令兩曲線方程式相等:
x2=2x2=x2=x=4−x242±2
因此,圍成區域在 x 軸上的範圍為 [−2,2]。
第二步:列式計算
在區間 [−2,2] 內,上方曲線為 g(x)=4−x2,下方曲線為 f(x)=x2。
所求面積 A 為:
A===∫−22(g(x)−f(x))dx∫−22((4−x2)−x2)dx∫−22(4−2x2)dx
由於被積分函數 4−2x2 是偶函數(關於 y 軸對稱),且積分區間 [−2,2] 關於原點對稱,我們可以利用對稱性簡化計算:
A=======2∫02(4−2x2)dx2[4x−32x3]022(42−32(2)3)−02(42−342)2(3122−42)2(382)3162
因此,第 (6) 格答案為 \frac{16\sqrt{2}}{3}。