題目
Problem
For a point P P P on a smooth plane curve C C C , the osculating circle O \mathcal{O} O to C C C at P P P is defined to be the circle that satisfies two conditions:
(1) the circle O \mathcal{O} O and the curve C C C share the same tangent line at P P P ;
(2) the rate of change of the slope of tangent of C C C at P P P equals that of O \mathcal{O} O at P P P .
Now consider the curve C : y = 1 − x + tan ( x ) C : y = 1 - x + \tan(x) C : y = 1 − x + tan ( x ) for − π 2 < x < π 2 -\frac{\pi}{2} < x < \frac{\pi}{2} − 2 π < x < 2 π .
(a) (5%) Find d y d x ∣ x = π 4 \displaystyle \left. \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \right|_{x=\frac{\pi}{4}} d x d y x = 4 π and d 2 y d x 2 ∣ x = π 4 \displaystyle \left. \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}x^2} \right|_{x=\frac{\pi}{4}} d x 2 d 2 y x = 4 π .
(b) (10%) Find the center and the radius of the osculating circle O \mathcal{O} O to C C C at the point whose x x x -coordinate equals π 4 \frac{\pi}{4} 4 π .
解答
概念分析
題目定義了密切圓(Osculating Circle,亦稱曲率圓)所滿足的幾何性質:
條件 (1) :密切圓與曲線在切點 P P P 處有相同的切線斜率,即一階導數相同:
y C ′ = y O ′ y_C' = y_{\mathcal{O}}' y C ′ = y O ′
條件 (2) :密切圓與曲線在切點 P P P 處的一階導數變化率相同,即二階導數相同:
y C ′ ′ = y O ′ ′ y_C'' = y_{\mathcal{O}}'' y C ′′ = y O ′′
因此,我們只要在切點 P P P 處強迫圓的方程式 y ′ ( x ) y'(x) y ′ ( x ) 與 y ′ ′ ( x ) y''(x) y ′′ ( x ) 和曲線的一、二階導數相等,即可聯立求出圓心 ( a , b ) (a, b) ( a , b ) 與半徑 r r r 。
解法一:微分微分法(代數聯立)
思路
展開
第一步:求曲線在 x = π 4 x=\frac{\pi}{4} x = 4 π 處的一、二階導數 :
曲線為 y = 1 − x + tan x y = 1 - x + \tan x y = 1 − x + tan x 。
y ′ = − 1 + sec 2 x y' = -1 + \sec^2 x y ′ = − 1 + sec 2 x 。
y ′ ′ = 2 sec 2 x tan x y'' = 2\sec^2 x \tan x y ′′ = 2 sec 2 x tan x 。
代入 x = π 4 x=\frac{\pi}{4} x = 4 π ,求得 y y y 座標、 y ′ y' y ′ 與 y ′ ′ y'' y ′′ 。
第二步:建立密切圓的方程式 :
設密切圓為 ( x − a ) 2 + ( y − b ) 2 = r 2 (x-a)^2 + (y-b)^2 = r^2 ( x − a ) 2 + ( y − b ) 2 = r 2 。
對圓方程式兩側關於 x x x 連續求導兩次,得到含有 y ′ y' y ′ 與 y ′ ′ y'' y ′′ 的關係式:
一次求導: 2 ( x − a ) + 2 ( y − b ) y ′ = 0 ⟹ ( x − a ) + ( y − b ) y ′ = 0 2(x-a) + 2(y-b)y' = 0 \implies (x-a) + (y-b)y' = 0 2 ( x − a ) + 2 ( y − b ) y ′ = 0 ⟹ ( x − a ) + ( y − b ) y ′ = 0 。
二次求導: 1 + ( y ′ ) 2 + ( y − b ) y ′ ′ = 0 1 + (y')^2 + (y-b)y'' = 0 1 + ( y ′ ) 2 + ( y − b ) y ′′ = 0 。
第三步:代入數值聯立解出圓心與半徑 :
將 x 0 , y 0 , y ′ , y ′ ′ x_0, y_0, y', y'' x 0 , y 0 , y ′ , y ′′ 代入上述兩式,即可依序解出 y − b y-b y − b 、 x − a x-a x − a ,進而得到圓心座標 ( a , b ) (a,b) ( a , b ) ,最後由 r 2 = ( x − a ) 2 + ( y − b ) 2 r^2 = (x-a)^2 + (y-b)^2 r 2 = ( x − a ) 2 + ( y − b ) 2 算得半徑 r r r 。
答題過程
展開
(a) 求曲線在 x = π 4 x=\frac{\pi}{4} x = 4 π 處的一、二階導數
給定曲線方程式為:
y = 1 − x + tan x y = 1 - x + \tan x y = 1 − x + tan x
對其求關於 x x x 的一階與二階導數:
d y d x = − 1 + sec 2 x \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = -1 + \sec^2 x d x d y = − 1 + sec 2 x
d 2 y d x 2 = d d x ( sec 2 x ) = 2 sec x ⋅ ( sec x tan x ) = 2 sec 2 x tan x \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}x^2} = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} (\sec^2 x) = 2\sec x \cdot (\sec x \tan x) = 2\sec^2 x \tan x d x 2 d 2 y = d x d ( sec 2 x ) = 2 sec x ⋅ ( sec x tan x ) = 2 sec 2 x tan x
代入 x = π 4 x = \frac{\pi}{4} x = 4 π :
函數值 y y y 座標為:
y ( π 4 ) = 1 − π 4 + tan ( π 4 ) = 2 − π 4 y\left(\frac{\pi}{4}\right) = 1 - \frac{\pi}{4} + \tan\left(\frac{\pi}{4}\right) = 2 - \frac{\pi}{4} y ( 4 π ) = 1 − 4 π + tan ( 4 π ) = 2 − 4 π
一階導數值為:
d y d x ∣ x = π 4 = − 1 + sec 2 ( π 4 ) = − 1 + ( 2 ) 2 = 1 \left. \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \right|_{x=\frac{\pi}{4}} = -1 + \sec^2\left(\frac{\pi}{4}\right) = -1 + (\sqrt{2})^2 = 1 d x d y x = 4 π = − 1 + sec 2 ( 4 π ) = − 1 + ( 2 ) 2 = 1
二階導數值為:
d 2 y d x 2 ∣ x = π 4 = 2 sec 2 ( π 4 ) tan ( π 4 ) = 2 ( 2 ) ( 1 ) = 4 \left. \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}x^2} \right|_{x=\frac{\pi}{4}} = 2\sec^2\left(\frac{\pi}{4}\right) \tan\left(\frac{\pi}{4}\right) = 2(2)(1) = 4 d x 2 d 2 y x = 4 π = 2 sec 2 ( 4 π ) tan ( 4 π ) = 2 ( 2 ) ( 1 ) = 4
(b) 求解密切圓的圓心與半徑
設密切圓 O \mathcal{O} O 的方程式為:
( x − a ) 2 + ( y − b ) 2 = r 2 ( r > 0 ) — (1) (x - a)^2 + (y - b)^2 = r^2 \quad (r > 0) \quad \text{--- (1)} ( x − a ) 2 + ( y − b ) 2 = r 2 ( r > 0 ) — (1)
其中 ( a , b ) (a, b) ( a , b ) 為圓心, r r r 為半徑。
我們將式 (1) 關於 x x x 進行隱函數求導(注意 y y y 是 x x x 的函數):
2 ( x − a ) + 2 ( y − b ) y ′ = 0 ⟹ ( x − a ) + ( y − b ) y ′ = 0 — (2) 2(x - a) + 2(y - b)y' = 0 \implies (x - a) + (y - b)y' = 0 \quad \text{--- (2)} 2 ( x − a ) + 2 ( y − b ) y ′ = 0 ⟹ ( x − a ) + ( y − b ) y ′ = 0 — (2)
對式 (2) 再次關於 x x x 求導:
1 + ( y ′ ) 2 + ( y − b ) y ′ ′ = 0 — (3) 1 + (y')^2 + (y - b)y'' = 0 \quad \text{--- (3)} 1 + ( y ′ ) 2 + ( y − b ) y ′′ = 0 — (3)
根據密切圓條件,在切點 P ( π 4 , 2 − π 4 ) P\left(\frac{\pi}{4},\, 2 - \frac{\pi}{4}\right) P ( 4 π , 2 − 4 π ) 處,密切圓的 y ′ y' y ′ 與 y ′ ′ y'' y ′′ 需與曲線相等。代入 x = π 4 x = \frac{\pi}{4} x = 4 π , y = 2 − π 4 y = 2 - \frac{\pi}{4} y = 2 − 4 π , y ′ = 1 y' = 1 y ′ = 1 , y ′ ′ = 4 y'' = 4 y ′′ = 4 :
代入式 (3) 求解 b b b :
1 + ( 1 ) 2 + ( y − b ) ( 4 ) = 0 ⟹ 2 + 4 ( y − b ) = 0 ⟹ y − b = − 1 2 1 + (1)^2 + (y - b)(4) = 0 \implies 2 + 4(y - b) = 0 \implies y - b = -\frac{1}{2} 1 + ( 1 ) 2 + ( y − b ) ( 4 ) = 0 ⟹ 2 + 4 ( y − b ) = 0 ⟹ y − b = − 2 1
將 y = 2 − π 4 y = 2 - \frac{\pi}{4} y = 2 − 4 π 代入:
b = y + 1 2 = 2 − π 4 + 1 2 = 5 2 − π 4 = 10 − π 4 b = y + \frac{1}{2} = 2 - \frac{\pi}{4} + \frac{1}{2} = \frac{5}{2} - \frac{\pi}{4} = \frac{10 - \pi}{4} b = y + 2 1 = 2 − 4 π + 2 1 = 2 5 − 4 π = 4 10 − π
代入式 (2) 求解 a a a :
( x − a ) + ( y − b ) y ′ = 0 ⟹ ( x − a ) + ( − 1 2 ) ( 1 ) = 0 ⟹ x − a = 1 2 (x - a) + (y - b)y' = 0 \implies (x - a) + \left(-\frac{1}{2}\right)(1) = 0 \implies x - a = \frac{1}{2} ( x − a ) + ( y − b ) y ′ = 0 ⟹ ( x − a ) + ( − 2 1 ) ( 1 ) = 0 ⟹ x − a = 2 1
將 x = π 4 x = \frac{\pi}{4} x = 4 π 代入:
a = x − 1 2 = π 4 − 1 2 = π − 2 4 a = x - \frac{1}{2} = \frac{\pi}{4} - \frac{1}{2} = \frac{\pi - 2}{4} a = x − 2 1 = 4 π − 2 1 = 4 π − 2
求解半徑 r r r :
由式 (1):
r 2 = ( x − a ) 2 + ( y − b ) 2 = ( 1 2 ) 2 + ( − 1 2 ) 2 = 1 4 + 1 4 = 1 2 r^2 = (x - a)^2 + (y - b)^2 = \left(\frac{1}{2}\right)^2 + \left(-\frac{1}{2}\right)^2 = \frac{1}{4} + \frac{1}{4} = \frac{1}{2} r 2 = ( x − a ) 2 + ( y − b ) 2 = ( 2 1 ) 2 + ( − 2 1 ) 2 = 4 1 + 4 1 = 2 1
由於 r > 0 r > 0 r > 0 ,故:
r = 1 2 = 2 2 r = \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2} r = 2 1 = 2 2
所以,密切圓的圓心為 ( π − 2 4 , 10 − π 4 ) \displaystyle \left( \frac{\pi - 2}{4},\, \frac{10 - \pi}{4} \right) ( 4 π − 2 , 4 10 − π ) ,半徑為 2 2 \displaystyle \frac{\sqrt{2}}{2} 2 2 。
解法二:曲率公式法(另解)
思路
展開
曲率與密切圓半徑 :
平面曲線的曲率公式為 κ = ∣ y ′ ′ ∣ ( 1 + y ′ 2 ) 3 / 2 \kappa = \frac{|y''|}{(1+y'^2)^{3/2}} κ = ( 1 + y ′2 ) 3/2 ∣ y ′′ ∣ 。
密切圓半徑 r r r 為曲率的倒數,即 r = 1 κ = ( 1 + y ′ 2 ) 3 / 2 ∣ y ′ ′ ∣ r = \frac{1}{\kappa} = \frac{(1+y'^2)^{3/2}}{|y''|} r = κ 1 = ∣ y ′′ ∣ ( 1 + y ′2 ) 3/2 。
圓心的求法 :
圓心 ( a , b ) (a, b) ( a , b ) 位於法線上,且朝向曲線凹側。
切線斜率為 y ′ = 1 ⟹ y' = 1 \implies y ′ = 1 ⟹ 法線斜率為 − 1 -1 − 1 。
法向單位向量(指向凹側,即 y ′ ′ > 0 y'' > 0 y ′′ > 0 朝上): N = 1 1 + y ′ 2 ⟨ − y ′ , 1 ⟩ = 1 2 ⟨ − 1 , 1 ⟩ \mathbf{N} = \frac{1}{\sqrt{1+y'^2}} \langle -y',\, 1 \rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \langle -1,\, 1 \rangle N = 1 + y ′2 1 ⟨ − y ′ , 1 ⟩ = 2 1 ⟨ − 1 , 1 ⟩ 。
圓心向量式: ⟨ a , b ⟩ = ⟨ x , y ⟩ + r N \langle a, b \rangle = \langle x, y \rangle + r \mathbf{N} ⟨ a , b ⟩ = ⟨ x , y ⟩ + r N 。
答題過程
展開
在切點 P ( π 4 , 2 − π 4 ) P\left(\frac{\pi}{4},\, 2-\frac{\pi}{4}\right) P ( 4 π , 2 − 4 π ) 處,已求得 y ′ = 1 , y ′ ′ = 4 > 0 y' = 1, y'' = 4 > 0 y ′ = 1 , y ′′ = 4 > 0 。
計算密切圓半徑(曲率半徑) :
r = ( 1 + y ′ 2 ) 3 / 2 ∣ y ′ ′ ∣ = ( 1 + 1 2 ) 3 / 2 4 = 2 2 4 = 2 2 r = \frac{\left(1 + y'^2\right)^{3/2}}{|y''|} = \frac{\left(1 + 1^2\right)^{3/2}}{4} = \frac{2\sqrt{2}}{4} = \frac{\sqrt{2}}{2} r = ∣ y ′′ ∣ ( 1 + y ′2 ) 3/2 = 4 ( 1 + 1 2 ) 3/2 = 4 2 2 = 2 2
計算密切圓圓心 :
由於 y ′ ′ = 4 > 0 y'' = 4 > 0 y ′′ = 4 > 0 ,曲線在該點向上凹,密切圓圓心應在曲線上方(即法線方向朝上)。
切點處的切向量為 T = ⟨ 1 , y ′ ⟩ = ⟨ 1 , 1 ⟩ \mathbf{T} = \langle 1,\, y' \rangle = \langle 1,\, 1 \rangle T = ⟨ 1 , y ′ ⟩ = ⟨ 1 , 1 ⟩ 。
其對應的朝上法向單位向量為:
N = ⟨ − y ′ , 1 ⟩ 1 + y ′ 2 = ⟨ − 1 , 1 ⟩ 2 = ( − 1 2 , 1 2 ) \mathbf{N} = \frac{\langle -y',\, 1 \rangle}{\sqrt{1 + y'^2}} = \frac{\langle -1,\, 1 \rangle}{\sqrt{2}} = \left( -\frac{1}{\sqrt{2}},\, \frac{1}{\sqrt{2}} \right) N = 1 + y ′2 ⟨ − y ′ , 1 ⟩ = 2 ⟨ − 1 , 1 ⟩ = ( − 2 1 , 2 1 )
因此,圓心座標 ( a , b ) (a, b) ( a , b ) 為:
( a b ) = ( x y ) + r N = ( π 4 2 − π 4 ) + 2 2 ( − 1 2 1 2 ) = ( π 4 − 1 2 2 − π 4 + 1 2 ) = ( π − 2 4 10 − π 4 ) \begin{align*}
\begin{pmatrix} a \\ b \end{pmatrix} =&\, \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} + r \mathbf{N} \\[3mm]
=&\, \begin{pmatrix} \frac{\pi}{4} \\ 2 - \frac{\pi}{4} \end{pmatrix} + \frac{\sqrt{2}}{2} \begin{pmatrix} -\frac{1}{\sqrt{2}} \\ \frac{1}{\sqrt{2}} \end{pmatrix} \\[3mm]
=&\, \begin{pmatrix} \frac{\pi}{4} - \frac{1}{2} \\ 2 - \frac{\pi}{4} + \frac{1}{2} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{\pi - 2}{4} \\ \frac{10 - \pi}{4} \end{pmatrix}
\end{align*} ( a b ) = = = ( x y ) + r N ( 4 π 2 − 4 π ) + 2 2 ( − 2 1 2 1 ) ( 4 π − 2 1 2 − 4 π + 2 1 ) = ( 4 π − 2 4 10 − π )
結論:
一、二階導數分別為 1 1 1 與 4 4 4 。
密切圓圓心為 ( π − 2 4 , 10 − π 4 ) \displaystyle \left( \frac{\pi - 2}{4},\, \frac{10 - \pi}{4} \right) ( 4 π − 2 , 4 10 − π ) ,半徑為 2 2 \displaystyle \frac{\sqrt{2}}{2} 2 2 。