題目
Problem
Find the area of one leaf of the four-leaved rose r=asin2θ, where a>0. (10%)
(10) 見解答.
解答
解法一
思路
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- 本題要求計算極座標曲線四葉玫瑰線 r=asin2θ 其中一瓣(單葉)的面積。
- 第一步:確定角度範圍
單葉是由兩個連續使 r=0 的 θ 值所夾成的區域。
令 r=asin2θ=0⟹sin2θ=0⟹2θ=0,π,2π,…。
由此可解得 θ=0,2π,π,…。
這說明最先形成的第一片葉子對應的角度區間為:
0≤θ≤2π
- 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=21∫αβr2dθ=21∫02π(asin2θ)2dθ=2a2∫02πsin22θdθ
- 第三步:積分求解
利用半角公式(或倍角公式)對 sin22θ 降次:
sin22θ=21−cos4θ
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=asin2θ。
要找出其中一葉的範圍,我們令極徑 r=0:
asin2θ=0⟹sin2θ=0⟹2θ=kπ(k∈Z)
當 k=0 時,θ=0;當 k=1 時,θ=2π。
這說明玫瑰線的其中一個瓣(葉)對應的極角範圍為:
0≤θ≤2π
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 A 為:
V=21∫02πr2dθ=21∫02π(asin2θ)2dθ=2a2∫02πsin22θdθ
利用三角降次公式 sin2ϕ=21−cos2ϕ,這裡令 ϕ=2θ:
sin22θ=21−cos4θ
將其代回定積分中進行計算:
A======2a2∫02π21−cos4θdθ4a2∫02π(1−cos4θ)dθ4a2[θ−41sin4θ]02π4a2((2π−41sin2π)−(0−0))4a2(2π−0)8πa2
結論:
該四葉玫瑰線單葉的面積為 8πa2。