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113 台大微積分(C) 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 台大 / 微積分(C)

113學年度 · 113微積分(C) · 第 1 題

題目

Problem

  1. For a point PP on a smooth plane curve CC, the osculating circle O\mathcal{O} to CC at PP is defined to be the circle that satisfies two conditions: (1) the circle O\mathcal{O} and the curve CC share the same tangent line at PP; (2) the rate of change of the slope of tangent of CC at PP equals that of O\mathcal{O} at PP.

    Now consider the curve C:y=1x+tan(x)C : y = 1 - x + \tan(x) for π2<x<π2-\frac{\pi}{2} < x < \frac{\pi}{2}.

    (a) (5%) Find dydxx=π4\displaystyle \left. \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \right|_{x=\frac{\pi}{4}} and d2ydx2x=π4\displaystyle \left. \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}x^2} \right|_{x=\frac{\pi}{4}}.

    (b) (10%) Find the center and the radius of the osculating circle O\mathcal{O} to CC at the point whose xx-coordinate equals π4\frac{\pi}{4}.

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:

  1. 條件 (1):密切圓與曲線在切點 PP 處有相同的切線斜率,即一階導數相同: yC=yOy_C' = y_{\mathcal{O}}'
  2. 條件 (2):密切圓與曲線在切點 PP 處的一階導數變化率相同,即二階導數相同: yC=yOy_C'' = y_{\mathcal{O}}''

因此,我們只要在切點 PP 處強迫圓的方程式 y(x)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) 與半徑 rr


解法一:微分微分法(代數聯立)

思路

展開
  1. 第一步:求曲線在 x=π4x=\frac{\pi}{4} 處的一、二階導數
    • 曲線為 y=1x+tanxy = 1 - x + \tan x
    • y=1+sec2xy' = -1 + \sec^2 x
    • y=2sec2xtanxy'' = 2\sec^2 x \tan x
    • 代入 x=π4x=\frac{\pi}{4},求得 yy 座標、 yy'yy''
  2. 第二步:建立密切圓的方程式
    • 設密切圓為 (xa)2+(yb)2=r2(x-a)^2 + (y-b)^2 = r^2
    • 對圓方程式兩側關於 xx 連續求導兩次,得到含有 yy'yy'' 的關係式:
      • 一次求導: 2(xa)+2(yb)y=0    (xa)+(yb)y=02(x-a) + 2(y-b)y' = 0 \implies (x-a) + (y-b)y' = 0
      • 二次求導: 1+(y)2+(yb)y=01 + (y')^2 + (y-b)y'' = 0
  3. 第三步:代入數值聯立解出圓心與半徑
    • x0,y0,y,yx_0, y_0, y', y'' 代入上述兩式,即可依序解出 yby-bxax-a,進而得到圓心座標 (a,b)(a,b),最後由 r2=(xa)2+(yb)2r^2 = (x-a)^2 + (y-b)^2 算得半徑 rr

答題過程

展開

(a) 求曲線在 x=π4x=\frac{\pi}{4} 處的一、二階導數

給定曲線方程式為:

y=1x+tanxy = 1 - x + \tan x

對其求關於 xx 的一階與二階導數:

dydx=1+sec2x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = -1 + \sec^2 x d2ydx2=ddx(sec2x)=2secx(secxtanx)=2sec2xtanx\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

代入 x=π4x = \frac{\pi}{4}

  • 函數值 yy 座標為: y(π4)=1π4+tan(π4)=2π4y\left(\frac{\pi}{4}\right) = 1 - \frac{\pi}{4} + \tan\left(\frac{\pi}{4}\right) = 2 - \frac{\pi}{4}
  • 一階導數值為: dydxx=π4=1+sec2(π4)=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
  • 二階導數值為: d2ydx2x=π4=2sec2(π4)tan(π4)=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

(b) 求解密切圓的圓心與半徑

設密切圓 O\mathcal{O} 的方程式為:

(xa)2+(yb)2=r2(r>0)— (1)(x - a)^2 + (y - b)^2 = r^2 \quad (r > 0) \quad \text{--- (1)}

其中 (a,b)(a, b) 為圓心, rr 為半徑。

我們將式 (1) 關於 xx 進行隱函數求導(注意 yyxx 的函數):

2(xa)+2(yb)y=0    (xa)+(yb)y=0— (2)2(x - a) + 2(y - b)y' = 0 \implies (x - a) + (y - b)y' = 0 \quad \text{--- (2)}

對式 (2) 再次關於 xx 求導:

1+(y)2+(yb)y=0— (3)1 + (y')^2 + (y - b)y'' = 0 \quad \text{--- (3)}

根據密切圓條件,在切點 P(π4,2π4)P\left(\frac{\pi}{4},\, 2 - \frac{\pi}{4}\right) 處,密切圓的 yy'yy'' 需與曲線相等。代入 x=π4x = \frac{\pi}{4}y=2π4y = 2 - \frac{\pi}{4}y=1y' = 1y=4y'' = 4

  1. 代入式 (3) 求解 bb

    1+(1)2+(yb)(4)=0    2+4(yb)=0    yb=121 + (1)^2 + (y - b)(4) = 0 \implies 2 + 4(y - b) = 0 \implies y - b = -\frac{1}{2}

    y=2π4y = 2 - \frac{\pi}{4} 代入:

    b=y+12=2π4+12=52π4=10π4b = y + \frac{1}{2} = 2 - \frac{\pi}{4} + \frac{1}{2} = \frac{5}{2} - \frac{\pi}{4} = \frac{10 - \pi}{4}
  2. 代入式 (2) 求解 aa

    (xa)+(yb)y=0    (xa)+(12)(1)=0    xa=12(x - a) + (y - b)y' = 0 \implies (x - a) + \left(-\frac{1}{2}\right)(1) = 0 \implies x - a = \frac{1}{2}

    x=π4x = \frac{\pi}{4} 代入:

    a=x12=π412=π24a = x - \frac{1}{2} = \frac{\pi}{4} - \frac{1}{2} = \frac{\pi - 2}{4}
  3. 求解半徑 rr: 由式 (1):

    r2=(xa)2+(yb)2=(12)2+(12)2=14+14=12r^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}

    由於 r>0r > 0,故:

    r=12=22r = \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{2}

所以,密切圓的圓心為 (π24,10π4)\displaystyle \left( \frac{\pi - 2}{4},\, \frac{10 - \pi}{4} \right),半徑為 22\displaystyle \frac{\sqrt{2}}{2}


解法二:曲率公式法(另解)

思路

展開
  1. 曲率與密切圓半徑: 平面曲線的曲率公式為 κ=y(1+y2)3/2\kappa = \frac{|y''|}{(1+y'^2)^{3/2}}。 密切圓半徑 rr 為曲率的倒數,即 r=1κ=(1+y2)3/2yr = \frac{1}{\kappa} = \frac{(1+y'^2)^{3/2}}{|y''|}
  2. 圓心的求法: 圓心 (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 法線斜率為 1-1
    • 法向單位向量(指向凹側,即 y>0y'' > 0 朝上): N=11+y2y,1=121,1\mathbf{N} = \frac{1}{\sqrt{1+y'^2}} \langle -y',\, 1 \rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \langle -1,\, 1 \rangle
    • 圓心向量式: a,b=x,y+rN\langle a, b \rangle = \langle x, y \rangle + r \mathbf{N}

答題過程

展開

在切點 P(π4,2π4)P\left(\frac{\pi}{4},\, 2-\frac{\pi}{4}\right) 處,已求得 y=1,y=4>0y' = 1, y'' = 4 > 0

  1. 計算密切圓半徑(曲率半徑)

    r=(1+y2)3/2y=(1+12)3/24=224=22r = \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}
  2. 計算密切圓圓心: 由於 y=4>0y'' = 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。 其對應的朝上法向單位向量為:

    N=y,11+y2=1,12=(12,12)\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)

    因此,圓心座標 (a,b)(a, b) 為:

    (ab)=(xy)+rN=(π42π4)+22(1212)=(π4122π4+12)=(π2410π4)\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*}

結論:

  • 一、二階導數分別為 1144
  • 密切圓圓心為 (π24,10π4)\displaystyle \left( \frac{\pi - 2}{4},\, \frac{10 - \pi}{4} \right),半徑為 22\displaystyle \frac{\sqrt{2}}{2}