Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

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=asin2θr = 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

展開
  1. 本題要求計算極座標曲線四葉玫瑰線 r=asin2θr = 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 = 0θ\theta 值所夾成的區域。 令 r=asin2θ=0    sin2θ=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: 0θπ20 \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=12αβr2dθ=120π2(asin2θ)2dθ=a220π2sin22θdθA = \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 sin22θ\sin^2 2\theta 降次: sin22θ=1cos4θ2\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

展開

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=asin2θr = a\sin 2\theta

要找出其中一葉的範圍,我們令極徑 r=0r = 0

asin2θ=0    sin2θ=0    2θ=kπ(kZ)a\sin 2\theta = 0 \implies \sin 2\theta = 0 \implies 2\theta = k\pi \quad (k \in \mathbb{Z})

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:

0θπ20 \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=120π2r2dθ=120π2(asin2θ)2dθ=a220π2sin22θdθV = \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 sin2ϕ=1cos2ϕ2\sin^2 \phi = \frac{1 - \cos 2\phi}{2},這裡令 ϕ=2θ\phi = 2\theta

sin22θ=1cos4θ2\sin^2 2\theta = \frac{1 - \cos 4\theta}{2}

將其代回定積分中進行計算:

A=a220π21cos4θ2dθ=a240π2(1cos4θ)dθ=a24[θ14sin4θ]0π2=a24((π214sin2π)(00))=a24(π20)=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}