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111 學年度台綜大微積分 A 第 5 題

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111學年度 · 111台綜大微積分A · 第 5 題

題目

Problem

5. Find the area of the region that lies inside the curve r=4sin⁡θr = 4\sin\theta and outside the curve r=2r = 2. (10%)

解答

思路

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  1. 兩曲線分別為圓:
    • r=4sin⁡θr = 4\sin\theta:半徑為 2、圓心在極座標 (2,π/2)(2, \pi/2) 的圓。
    • r=2r = 2:半徑為 2、圓心在極點的圓。
  2. 求交點角度:令 4sin⁡θ=2  ⟹  sin⁡θ=12  ⟹  θ=π64\sin\theta = 2 \implies \sin\theta = \frac{1}{2} \implies \theta = \frac{\pi}{6} 與 5π6\frac{5\pi}{6}。
  3. 利用極座標面積公式: A=12∫θ1θ2(router2−rinner2) dθA = \frac{1}{2} \int_{\theta_1}^{\theta_2} (r_{\text{outer}}^2 - r_{\text{inner}}^2)\,\mathrm{d}\theta 代入求值。

答題過程

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求交點:

4sin⁡θ=2  ⟹  sin⁡θ=12  ⟹  θ=π6, 5π64\sin\theta = 2 \implies \sin\theta = \frac{1}{2} \implies \theta = \frac{\pi}{6}, \ \frac{5\pi}{6}

建立面積積分式:

A=12∫π65π6[(4sin⁡θ)2−22]dθA = \frac{1}{2} \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}} \left[ (4\sin\theta)^2 - 2^2 \right] \mathrm{d}\theta =12∫π65π6(16sin⁡2θ−4) dθ=∫π65π6(8sin⁡2θ−2) dθ= \frac{1}{2} \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}} (16\sin^2\theta - 4)\,\mathrm{d}\theta = \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}} (8\sin^2\theta - 2)\,\mathrm{d}\theta

利用半角公式 sin⁡2θ=1−cos⁡2θ2\sin^2\theta = \frac{1 - \cos 2\theta}{2} 化簡:

A=∫π65π6(4(1−cos⁡2θ)−2) dθ=∫π65π6(2−4cos⁡2θ) dθA = \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}} (4(1 - \cos 2\theta) - 2)\,\mathrm{d}\theta = \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}} (2 - 4\cos 2\theta)\,\mathrm{d}\theta =[2θ−2sin⁡2θ]π65π6= \Big[ 2\theta - 2\sin 2\theta \Big]_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}} =(5π3−2sin⁡5π3)−(π3−2sin⁡π3)= \left( \frac{5\pi}{3} - 2\sin\frac{5\pi}{3} \right) - \left( \frac{\pi}{3} - 2\sin\frac{\pi}{3} \right) =(5π3+3)−(π3−3)=4π3+23= \left( \frac{5\pi}{3} + \sqrt{3} \right) - \left( \frac{\pi}{3} - \sqrt{3} \right) = \frac{4\pi}{3} + 2\sqrt{3}

結論: 面積為 4π3+23\displaystyle \frac{4\pi}{3} + 2\sqrt{3}。