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111 學年度台綜大微積分 C 第 7 題

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111學年度 · 111台綜大微積分C · 第 7 題

題目

Problem

7. Find the arc length of the part of the curve r=1+sin⁡θr = 1 + \sin\theta which is inside the curve r=3sin⁡θr = 3\sin\theta. (10%)

解答

思路

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  1. 求交點角度: 令 1+sin⁡θ=3sin⁡θ  ⟹  sin⁡θ=12  ⟹  θ=π61 + \sin\theta = 3\sin\theta \implies \sin\theta = \frac{1}{2} \implies \theta = \frac{\pi}{6} 與 5π6\frac{5\pi}{6}。
  2. 分析積分限: 當 θ∈[π/6,5π/6]\theta \in [\pi/6, 5\pi/6] 時, 1+sin⁡θ≤3sin⁡θ1+\sin\theta \le 3\sin\theta,故此區間對應的 r=1+sin⁡θr = 1+\sin\theta 弧段剛好落在圓 r=3sin⁡θr = 3\sin\theta 內部。
  3. 極座標弧長公式: L=∫θ1θ2r2+(r′)2 dθL = \int_{\theta_1}^{\theta_2} \sqrt{r^2 + (r')^2}\,\mathrm{d}\theta 其中 r=1+sin⁡θ  ⟹  r′=cos⁡θr = 1+\sin\theta \implies r' = \cos\theta。 r2+(r′)2=(1+sin⁡θ)2+cos⁡2θ=2(1+sin⁡θ)r^2 + (r')^2 = (1+\sin\theta)^2 + \cos^2\theta = 2(1+\sin\theta)
  4. 利用對稱性與三角變換求解。

答題過程

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第一步:求交點角度與積分區間

兩曲線在極座標下的交點滿足:

1+sin⁡θ=3sin⁡θ  ⟹  sin⁡θ=12  ⟹  θ=π6, 5π61 + \sin\theta = 3\sin\theta \implies \sin\theta = \frac{1}{2} \implies \theta = \frac{\pi}{6}, \ \frac{5\pi}{6}

在 θ∈[π6,5π6]\theta \in \left[ \frac{\pi}{6}, \frac{5\pi}{6} \right] 範圍內,心臟線 r=1+sin⁡θr = 1 + \sin\theta 的極半徑小於等於圓 r=3sin⁡θr = 3\sin\theta 的極半徑,因此這段弧長即為所求。

第二步:建立弧長積分

對 r=1+sin⁡θr = 1 + \sin\theta 求導:

r′=cos⁡θr' = \cos\theta

核心被積項為:

r2+(r′)2=(1+sin⁡θ)2+cos⁡2θ=1+2sin⁡θ+sin⁡2θ+cos⁡2θ=2(1+sin⁡θ)r^2 + (r')^2 = (1 + \sin\theta)^2 + \cos^2\theta = 1 + 2\sin\theta + \sin^2\theta + \cos^2\theta = 2(1 + \sin\theta)

利用對稱性(關於 θ=π/2\theta = \pi/2 對稱),弧長可寫成兩倍積分:

L=∫π65π62(1+sin⁡θ) dθ=2∫π6π22(1+sin⁡θ) dθL = \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{5\pi}{6}} \sqrt{2(1 + \sin\theta)}\,\mathrm{d}\theta = 2 \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}} \sqrt{2(1 + \sin\theta)}\,\mathrm{d}\theta

第三步:化簡與積分求值

利用二倍角與正弦餘弦化簡式:

1+sin⁡θ=1+cos⁡(π2−θ)=2cos⁡2(θ2−π4)=2sin⁡2(θ2+π4)1 + \sin\theta = 1 + \cos\left(\frac{\pi}{2} - \theta\right) = 2\cos^2\left( \frac{\theta}{2} - \frac{\pi}{4} \right) = 2\sin^2\left( \frac{\theta}{2} + \frac{\pi}{4} \right)

在 θ∈[π/6,π/2]\theta \in [\pi/6, \pi/2] 內, θ2+π4∈[π3,π2]\frac{\theta}{2} + \frac{\pi}{4} \in [\frac{\pi}{3}, \frac{\pi}{2}],其正弦值恆正,故:

2(1+sin⁡θ)=4sin⁡2(θ2+π4)=2sin⁡(θ2+π4)\sqrt{2(1 + \sin\theta)} = \sqrt{4\sin^2\left( \frac{\theta}{2} + \frac{\pi}{4} \right)} = 2\sin\left( \frac{\theta}{2} + \frac{\pi}{4} \right)

代回積分:

L=2∫π6π22sin⁡(θ2+π4) dθ=4∫π6π2sin⁡(θ2+π4) dθL = 2 \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}} 2\sin\left( \frac{\theta}{2} + \frac{\pi}{4} \right)\,\mathrm{d}\theta = 4 \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}} \sin\left( \frac{\theta}{2} + \frac{\pi}{4} \right)\,\mathrm{d}\theta =4[−2cos⁡(θ2+π4)]π6π2= 4 \Big[ -2\cos\left( \frac{\theta}{2} + \frac{\pi}{4} \right) \Big]_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}} =−8(cos⁡(π4+π4)−cos⁡(π12+π4))= -8 \left( \cos\left( \frac{\pi}{4} + \frac{\pi}{4} \right) - \cos\left( \frac{\pi}{12} + \frac{\pi}{4} \right) \right) =−8(cos⁡π2−cos⁡π3)=−8(0−12)=4= -8 \left( \cos\frac{\pi}{2} - \cos\frac{\pi}{3} \right) = -8 \left( 0 - \frac{1}{2} \right) = 4

結論: 弧長為 44。