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114 政大微積分 Part B 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

114學年度 · 114微積分 · 第 10 題

題目

Problem

Find the area of one leaf of the four-leaved rose r=asin⁡2θr = a\sin 2\theta, where a>0a > 0. (10%)

(10) 見解答‾\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

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  1. 本題要求計算極座標曲線四葉玫瑰線 r=asin⁡2θr = a\sin 2\theta 其中一瓣(單葉)的面積。
  2. 第一步:確定角度範圍 單葉是由兩個連續使 r=0r = 0 的 θ\theta 值所夾成的區域。 令 r=asin⁡2θ=0  ⟹  sin⁡2θ=0  ⟹  2θ=0,π,2π,…r = a\sin 2\theta = 0 \implies \sin 2\theta = 0 \implies 2\theta = 0, \pi, 2\pi, \dots。 由此可解得 θ=0,π2,π,…\theta = 0, \frac{\pi}{2}, \pi, \dots。 這說明最先形成的第一片葉子對應的角度區間為: 0≤θ≤π20 \le \theta \le \frac{\pi}{2}
  3. 第二步:利用極座標面積公式計算 極座標區域的面積公式為: A=12∫αβr2 dθ=12∫0π2(asin⁡2θ)2 dθ=a22∫0π2sin⁡22θ dθA = \frac{1}{2} \int_{\alpha}^{\beta} r^2 \,\mathrm{d}\theta = \frac{1}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (a\sin 2\theta)^2 \,\mathrm{d}\theta = \frac{a^2}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^2 2\theta \,\mathrm{d}\theta
  4. 第三步:積分求解 利用半角公式(或倍角公式)對 sin⁡22θ\sin^2 2\theta 降次: sin⁡22θ=1−cos⁡4θ2\sin^2 2\theta = \frac{1 - \cos 4\theta}{2} 代回積分式中求值,即可得出結果。

答題過程

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第一步:確定其中一葉的角度積分上下限

四葉玫瑰線的極座標方程式為 r=asin⁡2θr = a\sin 2\theta。

要找出其中一葉的範圍,我們令極徑 r=0r = 0:

asin⁡2θ=0  ⟹  sin⁡2θ=0  ⟹  2θ=kπ(k∈Z)a\sin 2\theta = 0 \implies \sin 2\theta = 0 \implies 2\theta = k\pi \quad (k \in \mathbb{Z})

當 k=0k=0 時,θ=0\theta = 0;當 k=1k=1 時,θ=π2\theta = \frac{\pi}{2}。 這說明玫瑰線的其中一個瓣(葉)對應的極角範圍為:

0≤θ≤π20 \le \theta \le \frac{\pi}{2}

第二步:套用極座標面積公式並計算

極座標曲線圍成的區域面積 AA 為:

V=12∫0π2r2 dθ=12∫0π2(asin⁡2θ)2 dθ=a22∫0π2sin⁡22θ dθV = \frac{1}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} r^2 \,\mathrm{d}\theta = \frac{1}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (a\sin 2\theta)^2 \,\mathrm{d}\theta = \frac{a^2}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^2 2\theta \,\mathrm{d}\theta

利用三角降次公式 sin⁡2ϕ=1−cos⁡2ϕ2\sin^2 \phi = \frac{1 - \cos 2\phi}{2},這裡令 ϕ=2θ\phi = 2\theta:

sin⁡22θ=1−cos⁡4θ2\sin^2 2\theta = \frac{1 - \cos 4\theta}{2}

將其代回定積分中進行計算:

A= a22∫0π21−cos⁡4θ2 dθ= a24∫0π2(1−cos⁡4θ) dθ= a24[θ−14sin⁡4θ]0π2= a24((π2−14sin⁡2π)−(0−0))= a24(π2−0)= πa28\begin{align*} A =&\, \frac{a^2}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1 - \cos 4\theta}{2} \,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{a^2}{4} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (1 - \cos 4\theta) \,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{a^2}{4} \left[ \theta - \frac{1}{4}\sin 4\theta \right]_{0}^{\frac{\pi}{2}} \\[4mm] =&\, \frac{a^2}{4} \left( \left( \frac{\pi}{2} - \frac{1}{4}\sin 2\pi \right) - (0 - 0) \right) \\[4mm] =&\, \frac{a^2}{4} \left( \frac{\pi}{2} - 0 \right) \\[4mm] =&\, \frac{\pi a^2}{8} \end{align*}

結論: 該四葉玫瑰線單葉的面積為 πa28\displaystyle \frac{\pi a^2}{8}。