8.3 Areas Under the X-axis

教材内容

x轴下方面积的基本概念

在计算x轴下方的面积时需要特别小心。当曲线与x轴围成的区域在x轴下方时,\(\int y dx\) 会给出负值。

重要提醒:面积总是正值,即使积分结果为负,也需要取绝对值来表示实际面积。

Example 4 - 基础x轴下方面积

题目

Find the area of the finite region bounded by the curve \(y = x(x - 3)\) and the x-axis.

首先画图:

当 \(x = 0\) 时,\(y = 0\)

当 \(y = 0\) 时,\(x = 0\) 或 3

Example 4 curve

曲线是V形,在0和3处与x轴相交。

面积计算:

\(\text{Area} = \int_0^3 x(x - 3) dx\)

\(= \int_0^3 (x^2 - 3x) dx\)

\(= \left[\frac{x^3}{3} - \frac{3x^2}{2}\right]_0^3\)

\(= \left(\frac{27}{3} - \frac{27}{2}\right) - (0 - 0)\)

\(= -\frac{27}{6}\) 或 \(-\frac{9}{2}\) 或 -4.5

由于面积在x轴下方,定积分为负值。所以面积为4.5(取绝对值)。

跨轴区域的处理

当区域跨越x轴时,需要特别小心处理。下图显示了跨越x轴的阴影区域:

跨轴区域
处理原则:对于这种类型的题目,需要画图(除非题目已给出),然后分段计算面积。

Example 5 - 跨轴区域面积计算

题目

Sketch the curve with equation \(y = x(x - 1)(x + 3)\) and find the area of the finite region bounded by the curve and the x-axis.

首先找出曲线与坐标轴的交点:

当 \(x = 0\) 时,\(y = 0\)

当 \(y = 0\) 时,\(x = 0, 1\) 或 -3

当 \(x \to \infty\) 时,\(y \to \infty\)

当 \(x \to -\infty\) 时,\(y \to -\infty\)

Example 5 curve

面积计算:

面积 = \(\int_{-3}^0 y dx - \int_0^1 y dx\)

\(\int y dx = \int (x^3 + 2x^2 - 3x) dx\)

\(= \left[\frac{x^4}{4} + \frac{2x^3}{3} - \frac{3x^2}{2}\right]\)

\(\int_{-3}^0 y dx = (0) - \left(\frac{81}{4} - \frac{2}{3} \times 27 - \frac{3}{2} \times 9\right)\)

\(= \frac{45}{4}\)

\(\int_0^1 y dx = \left(\frac{1}{4} + \frac{2}{3} - \frac{3}{2}\right) - (0)\)

\(= -\frac{7}{12}\)

所以所需面积为:\(\frac{45}{4} + \frac{7}{12} = \frac{71}{6}\)

重要注意事项

解题步骤:
  1. 画图并标出与x轴的交点
  2. 确定需要计算面积的区间
  3. 如果跨轴,分段计算积分
  4. 取绝对值得到正面积

常见错误

错误做法:如果试图将跨轴区域作为单个定积分计算,正值和负值面积会部分相互抵消。

正确做法:必须分段计算,分别处理x轴上方和下方的区域。