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113 政大微積分 Part A 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

113學年度 · 113微積分 · 第 2 題

題目

Problem

Question 2: [5pts] Starting at the point where r=1r = 1, the point PP moves counterclockwise along the polar curve r=eθ/2πr = e^{\theta / 2\pi}, in such a way that the line segment OPOP makes one complete revolution. (Here OO denotes the origin.) Sketch the curve, and find the total area swept out by OPOP as it makes the revolution.

解答

解法一

思路

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  1. 第一步:理解極座標曲線的範圍
    • 曲線方程式為 r=eθ/2πr = e^{\theta/2\pi}
    • 題目指出起點滿足 r=1r = 1,此時 eθ/2π=1    θ=0e^{\theta/2\pi} = 1 \implies \theta = 0
    • PP 逆時針旋轉一整圈(one complete revolution),意味著極角 θ\theta00 變化到 2π2\pi
    • 此曲線是一條對數螺旋線 (Logarithmic Spiral),當 θ=0\theta = 0r=1r = 1,當 θ=2π\theta = 2\pir=e2.718r = e \approx 2.718
  2. 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=12αβr2dθA = \frac{1}{2} \int_{\alpha}^{\beta} r^2 \,\mathrm{d}\theta
    • 代入已知參數: α=0,β=2π,r=eθ/2π\alpha = 0, \beta = 2\pi, r = e^{\theta/2\pi}A=1202π(eθ/2π)2dθ=1202πeθ/πdθA = \frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} \left( e^{\theta/2\pi} \right)^2 \,\mathrm{d}\theta = \frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} e^{\theta/\pi} \,\mathrm{d}\theta
  3. 第三步:進行定積分計算
    • eθ/πdθ=πeθ/π\int e^{\theta/\pi} \,\mathrm{d}\theta = \pi e^{\theta/\pi}
    • 代入上下限 2π2\pi00 求出最終面積。
  4. 第四步:描繪曲線
    • 說明此曲線自極軸上的點 (1,0)(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 xx 軸正向的點 (e,0)(e, 0),形成一個漩渦狀圖形。

答題過程

展開

第一步:求極角 θ\theta 的變化範圍與面積表達式

已知極座標曲線方程式為:

r(θ)=eθ2πr(\theta) = e^{\frac{\theta}{2\pi}}

當起點處 r=1r = 1 時,有:

eθ2π=1    θ2π=0    θ=0e^{\frac{\theta}{2\pi}} = 1 \implies \frac{\theta}{2\pi} = 0 \implies \theta = 0

線段 OPOP 逆時針旋轉一整圈,對應的極角範圍為:

0θ2π0 \le \theta \le 2\pi

極座標下,線段 OPOP 所掃過的區域面積公式為:

A=1202πr(θ)2dθA = \frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} r(\theta)^2 \,\mathrm{d}\theta

第二步:計算定積分

r(θ)=eθ2πr(\theta) = e^{\frac{\theta}{2\pi}} 代入面積公式:

A=1202π(eθ2π)2dθ=1202πeθπdθ=12[πeθπ]02π=π2(e2ππe0)=π2(e21)\begin{align*} A =&\, \frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} \left( e^{\frac{\theta}{2\pi}} \right)^2 \,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} e^{\frac{\theta}{\pi}} \,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left[ \pi e^{\frac{\theta}{\pi}} \right]_{0}^{2\pi} \\[4mm] =&\, \frac{\pi}{2} \left( e^{\frac{2\pi}{\pi}} - e^0 \right) \\[4mm] =&\, \frac{\pi}{2} (e^2 - 1) \end{align*}

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\theta = 0 處,此時極徑 r=1r = 1,直角座標為 (1,0)(1, 0)
  • θ\theta 逆時針增加,極徑 rr 指數成長。在 θ=π2\theta = \frac{\pi}{2}r=e1/4r = e^{1/4};在 θ=π\theta = \pir=e1/2r = e^{1/2};在 θ=3π2\theta = \frac{3\pi}{2}r=e3/4r = e^{3/4}
  • 繞行一整圈至 θ=2π\theta = 2\pi 時,極徑 r=e2.72r = e \approx 2.72,直角座標為 (e,0)(e, 0)
  • 掃過區域是由對數螺旋線與 xx 軸正半軸介於 [1,e][1, e] 之間的線段圍成的漩渦狀封閉區域。

結論: 線段 OPOP 掃過的總面積為 π2(e21)\displaystyle \frac{\pi}{2}(e^2 - 1)