題目
Problem
Question 2: [5pts] Starting at the point where r=1, the point P moves counterclockwise along the polar curve r=eθ/2π, in such a way that the line segment OP makes one complete revolution. (Here O denotes the origin.) Sketch the curve, and find the total area swept out by OP as it makes the revolution.
解答
解法一
思路
展開
- 第一步:理解極座標曲線的範圍:
- 曲線方程式為 r=eθ/2π。
- 題目指出起點滿足 r=1,此時 eθ/2π=1⟹θ=0。
- 點 P 逆時針旋轉一整圈(one complete revolution),意味著極角 θ 從 0 變化到 2π。
- 此曲線是一條對數螺旋線 (Logarithmic Spiral),當 θ=0 時 r=1,當 θ=2π 時 r=e≈2.718。
- 第二步:建立極座標面積積分:
- 極座標區域面積的計算公式為:
A=21∫αβr2dθ
- 代入已知參數: α=0,β=2π,r=eθ/2π:
A=21∫02π(eθ/2π)2dθ=21∫02πeθ/πdθ
- 第三步:進行定積分計算:
- ∫eθ/πdθ=πeθ/π。
- 代入上下限 2π 與 0 求出最終面積。
- 第四步:描繪曲線:
- 說明此曲線自極軸上的點 (1,0) 出發,隨著角度增加半徑呈指數級增長,繞行一圈後落在 x 軸正向的點 (e,0),形成一個漩渦狀圖形。
答題過程
展開
第一步:求極角 θ 的變化範圍與面積表達式
已知極座標曲線方程式為:
r(θ)=e2πθ
當起點處 r=1 時,有:
e2πθ=1⟹2πθ=0⟹θ=0
線段 OP 逆時針旋轉一整圈,對應的極角範圍為:
0≤θ≤2π
極座標下,線段 OP 所掃過的區域面積公式為:
A=21∫02πr(θ)2dθ
第二步:計算定積分
將 r(θ)=e2πθ 代入面積公式:
A=====21∫02π(e2πθ)2dθ21∫02πeπθdθ21[πeπθ]02π2π(eπ2π−e0)2π(e2−1)
第三步:曲線草圖描繪說明
此曲線為一典型的對數螺旋線(Logarithmic Spiral):
- 起點在 θ=0 處,此時極徑 r=1,直角座標為 (1,0)。
- 隨 θ 逆時針增加,極徑 r 指數成長。在 θ=2π 時 r=e1/4;在 θ=π 時 r=e1/2;在 θ=23π 時 r=e3/4。
- 繞行一整圈至 θ=2π 時,極徑 r=e≈2.72,直角座標為 (e,0)。
- 掃過區域是由對數螺旋線與 x 軸正半軸介於 [1,e] 之間的線段圍成的漩渦狀封閉區域。
結論:
線段 OP 掃過的總面積為 2π(e2−1)。