求心形线r=a(1+cosθ)(a>0)绕极轴旋转所围成的立体的侧面积

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  • 考虑半个心形线(θ属于0到180度),每一段弧元(ds=sqrt(dr^2+(rdθ)^2))绕极轴转成一个梯形环面元,面积等于2πR*ds,R是该弧到极轴的距离:

    R=rsinθ.

    所以立体的侧面积就是:

    2πRds的积分,把上面的R和ds代入,并利用条件代入r的表达式.

    结果得到一个不太复杂的形式:

    2sqrt(2)πa^2(1+cosθ)^(3/2)dθ

    把积分变量代换成θ/2,可以比较容易地解出定积分式:

    16πa^2*(x-x^3/3),x=sin(θ/2)

    总的表面积是从0到π的积分.当然,如果说心形线凹进去的部分不算侧面积,只要求出沿极轴方向离顶点最远的点的θ=2π/3,并把它做为积分上限即可.

    结果分别是:

    (32πa^2)/3 和 6sqrt(3)πa^2