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96 台灣大學微積分(C) 第 9 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分C

96學年度 · 96台大微積分C · 第 9 題

題目

9. 在極座標系統內,r=π4r=\dfrac{\pi}{4},r=π2r=\dfrac{\pi}{2},r=θr=\theta,和 r=12θr=\dfrac{1}{2}\theta 所圍成區域的面積為 ‾\underline{\quad\quad}。

解答

解法一

思路

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  • 將四條邊界寫成同一個 θ\theta 下的內、外半徑。
  • 在 θ=π2\theta=\frac\pi2 時,外半徑由 r=θr=\theta 改成 r=π2r=\frac\pi2,故分兩段套用極座標面積公式。

答題過程

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當 π4≤θ≤π2\frac\pi4\le\theta\le\frac\pi2 時,區域介於 r=π4r=\frac\pi4 與 r=θr=\theta;當 π2≤θ≤π\frac\pi2\le\theta\le\pi 時,區域介於 r=θ2r=\frac\theta2 與 r=π2r=\frac\pi2。因此面積為

A= 12∫π/4π/2(θ2−π216) dθ+12∫π/2π(π24−θ24) dθ= 12[θ33−π2θ16]π/4π/2+12[π2θ4−θ312]π/2π= 7π3192.\begin{align*} A =&\,\frac12\int_{\pi/4}^{\pi/2}\left(\theta^2-\frac{\pi^2}{16}\right)\,\mathrm{d}\theta +\frac12\int_{\pi/2}^{\pi}\left(\frac{\pi^2}{4}-\frac{\theta^2}{4}\right)\,\mathrm{d}\theta\\[4mm] =&\,\frac12\left[\frac{\theta^3}{3}-\frac{\pi^2\theta}{16}\right]_{\pi/4}^{\pi/2} +\frac12\left[\frac{\pi^2\theta}{4}-\frac{\theta^3}{12}\right]_{\pi/2}^{\pi}\\[4mm] =&\,\boxed{\frac{7\pi^3}{192}}. \end{align*}