題目
Problem
(10%) Find the length of the curve
x=5cost−cos5t,y=5sint−sin5t,for 0≤t≤π/2.
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求計算二維平面參數曲線在 t∈[0,π/2] 區間內的弧長 L。
- 平面參數曲線的弧長計算公式為:
L=∫ab(dtdx)2+(dtdy)2dt
- 第一步:求一階導函數:
- dtdx=−5sint+5sin5t=5(sin5t−sint)
- dtdy=5cost−5cos5t=5(cost−cos5t)
- 第二步:展開並化簡根號內的被積式:
(dtdx)2+(dtdy)2=25[(sin5t−sint)2+(cost−cos5t)2]
利用展開與畢氏三角恆等式 sin2θ+cos2θ=1:
=25[(sin25t+cos25t)+(sin2t+cos2t)−2(cos5tcost+sin5tsint)]
利用餘弦差角公式 cos(A−B)=cosAcosB+sinAsinB:
=25[1+1−2cos(5t−t)]=25[2−2cos4t]=50(1−cos4t)
- 第三步:利用半角公式開根號:
- 已知 1−cos2θ=2sin2θ⟹1−cos4t=2sin22t。
- 因此,被積式為 50(2sin22t)=100sin22t。
- 取平方根: 100sin22t=10∣sin2t∣。
- 因為 t∈[0,π/2]⟹2t∈[0,π],此時正弦值為正,故 ∣sin2t∣=sin2t。
- 對 sin2t 進行定積分求解。
答題過程
展開
第一步:求參數曲線的導函數
已知參數方程式:
x(t)=5cost−cos5t,y(t)=5sint−sin5t
對參數 t 進行微分:
dtdx=−5sint−(−sin5t⋅5)=−5sint+5sin5t=5(sin5t−sint)
dtdy=5cost−(cos5t⋅5)=5cost−5cos5t=5(cost−cos5t)
第二步:計算並化簡速度模長(弧長微元)
我們計算根號內部的平方和:
(dtdx)2+(dtdy)2===25(sin5t−sint)2+25(cost−cos5t)225[(sin25t−2sin5tsint+sin2t)+(cos2t−2costcos5t+cos25t)]25[(sin25t+cos25t)+(sin2t+cos2t)−2(cos5tcost+sin5tsint)]
利用畢氏三角恆等式 sin2θ+cos2θ=1,以及餘弦函數的差角公式 cos(A−B)=cosAcosB+sinAsinB:
(dtdx)2+(dtdy)2==25[1+1−2cos(5t−t)]25[2−2cos4t]=50(1−cos4t)
利用半角公式的變形 1−cos2θ=2sin2θ(令 θ=2t):
1−cos4t=2sin22t
因此:
(dtdx)2+(dtdy)2=50(2sin22t)=100sin22t
第三步:開根號並計算定積分
弧長微元為:
ds=(dtdx)2+(dtdy)2dt=100sin22tdt=10∣sin2t∣dt
因為已知參數區間 t∈[0,2π],則其二倍角 2t 範圍為:
0≤2t≤π
在此範圍內,正弦值 sin2t≥0。因此我們可以直接去掉絕對值符號:
ds=10sin2tdt
我們對 t 在 [0,2π] 範圍內進行定積分:
L=====∫02π10sin2tdt[−5cos2t]02π−5cos(2⋅2π)−(−5cos(0))−5cosπ+5cos0−5(−1)+5(1)=5+5=10
結論:
參數曲線的弧長為 10。