Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

113 政大微積分(應數大二二) 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二二)

113學年度 · 113微積分(應數大二二) · 第 5 題

題目

Problem

(10%) Find the length of the curve

x=5costcos5t,y=5sintsin5t,for 0tπ/2.x = 5\cos t - \cos 5t, \quad y = 5\sin t - \sin 5t, \quad \text{for } 0 \le t \le \pi/2.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算二維平面參數曲線在 t[0,π/2]t \in [0, \pi/2] 區間內的弧長 LL
  2. 平面參數曲線的弧長計算公式為: L=ab(dxdt)2+(dydt)2dtL = \int_{a}^{b} \sqrt{\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\right)^2 + \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)^2} \,\mathrm{d}t
  3. 第一步:求一階導函數
    • dxdt=5sint+5sin5t=5(sin5tsint)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = -5\sin t + 5\sin 5t = 5(\sin 5t - \sin t)
    • dydt=5cost5cos5t=5(costcos5t)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} = 5\cos t - 5\cos 5t = 5(\cos t - \cos 5t)
  4. 第二步:展開並化簡根號內的被積式(dxdt)2+(dydt)2=25[(sin5tsint)2+(costcos5t)2]\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\right)^2 + \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)^2 = 25 \Big[ (\sin 5t - \sin t)^2 + (\cos t - \cos 5t)^2 \Big] 利用展開與畢氏三角恆等式 sin2θ+cos2θ=1\sin^2\theta + \cos^2\theta = 1=25[(sin25t+cos25t)+(sin2t+cos2t)2(cos5tcost+sin5tsint)]= 25 \Big[ (\sin^2 5t + \cos^2 5t) + (\sin^2 t + \cos^2 t) - 2(\cos 5t\cos t + \sin 5t\sin t) \Big] 利用餘弦差角公式 cos(AB)=cosAcosB+sinAsinB\cos(A-B) = \cos A\cos B + \sin A\sin B=25[1+12cos(5tt)]=25[22cos4t]=50(1cos4t)= 25 \Big[ 1 + 1 - 2\cos(5t - t) \Big] = 25 \Big[ 2 - 2\cos 4t \Big] = 50(1 - \cos 4t)
  5. 第三步:利用半角公式開根號
    • 已知 1cos2θ=2sin2θ    1cos4t=2sin22t1 - \cos 2\theta = 2\sin^2\theta \implies 1 - \cos 4t = 2\sin^2 2t
    • 因此,被積式為 50(2sin22t)=100sin22t50(2\sin^2 2t) = 100\sin^2 2t
    • 取平方根: 100sin22t=10sin2t\sqrt{100\sin^2 2t} = 10|\sin 2t|
    • 因為 t[0,π/2]    2t[0,π]t \in [0, \pi/2] \implies 2t \in [0, \pi],此時正弦值為正,故 sin2t=sin2t|\sin 2t| = \sin 2t
  6. sin2t\sin 2t 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)=5costcos5t,y(t)=5sintsin5tx(t) = 5\cos t - \cos 5t, \quad y(t) = 5\sin t - \sin 5t

對參數 tt 進行微分:

dxdt=5sint(sin5t5)=5sint+5sin5t=5(sin5tsint)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = -5\sin t - (-\sin 5t \cdot 5) = -5\sin t + 5\sin 5t = 5(\sin 5t - \sin t) dydt=5cost(cos5t5)=5cost5cos5t=5(costcos5t)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} = 5\cos t - (\cos 5t \cdot 5) = 5\cos t - 5\cos 5t = 5(\cos t - \cos 5t)

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:

(dxdt)2+(dydt)2=25(sin5tsint)2+25(costcos5t)2=25[(sin25t2sin5tsint+sin2t)+(cos2t2costcos5t+cos25t)]=25[(sin25t+cos25t)+(sin2t+cos2t)2(cos5tcost+sin5tsint)]\begin{align*} \left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\right)^2 + \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)^2 =&\, 25(\sin 5t - \sin t)^2 + 25(\cos t - \cos 5t)^2 \\[4mm] =&\, 25 \Big[ \left( \sin^2 5t - 2\sin 5t\sin t + \sin^2 t \right) + \left( \cos^2 t - 2\cos t\cos 5t + \cos^2 5t \right) \Big] \\[4mm] =&\, 25 \Big[ \left( \sin^2 5t + \cos^2 5t \right) + \left( \sin^2 t + \cos^2 t \right) - 2\left( \cos 5t\cos t + \sin 5t\sin t \right) \Big] \end{align*}

利用畢氏三角恆等式 sin2θ+cos2θ=1\sin^2\theta + \cos^2\theta = 1,以及餘弦函數的差角公式 cos(AB)=cosAcosB+sinAsinB\cos(A-B) = \cos A\cos B + \sin A\sin B

(dxdt)2+(dydt)2=25[1+12cos(5tt)]=25[22cos4t]=50(1cos4t)\begin{align*} \left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\right)^2 + \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)^2 =&\, 25 \Big[ 1 + 1 - 2\cos(5t - t) \Big] \\[4mm] =&\, 25 \Big[ 2 - 2\cos 4t \Big] = 50(1 - \cos 4t) \end{align*}

利用半角公式的變形 1cos2θ=2sin2θ1 - \cos 2\theta = 2\sin^2\theta(令 θ=2t\theta = 2t):

1cos4t=2sin22t1 - \cos 4t = 2\sin^2 2t

因此:

(dxdt)2+(dydt)2=50(2sin22t)=100sin22t\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\right)^2 + \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)^2 = 50 \left( 2\sin^2 2t \right) = 100\sin^2 2t

第三步:開根號並計算定積分

弧長微元為:

ds=(dxdt)2+(dydt)2dt=100sin22tdt=10sin2tdt\mathrm{d}s = \sqrt{\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\right)^2 + \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)^2} \mathrm{d}t = \sqrt{100\sin^2 2t} \,\mathrm{d}t = 10|\sin 2t| \,\mathrm{d}t

因為已知參數區間 t[0,π2]t \in \left[0,\, \frac{\pi}{2}\right],則其二倍角 2t2t 範圍為:

02tπ0 \le 2t \le \pi

在此範圍內,正弦值 sin2t0\sin 2t \ge 0。因此我們可以直接去掉絕對值符號:

ds=10sin2tdt\mathrm{d}s = 10\sin 2t \,\mathrm{d}t

我們對 tt[0,π2]\left[0,\, \frac{\pi}{2}\right] 範圍內進行定積分:

L=0π210sin2tdt=[5cos2t]0π2=5cos(2π2)(5cos(0))=5cosπ+5cos0=5(1)+5(1)=5+5=10\begin{align*} L =&\, \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} 10\sin 2t \,\mathrm{d}t \\[4mm] =&\, \Big[ -5\cos 2t \Big]_{0}^{\frac{\pi}{2}} \\[4mm] =&\, -5\cos\left( 2 \cdot \frac{\pi}{2} \right) - \left( -5\cos(0) \right) \\[4mm] =&\, -5\cos\pi + 5\cos 0 \\[4mm] =&\, -5(-1) + 5(1) = 5 + 5 = 10 \end{align*}

結論: 參數曲線的弧長為 1010