題目
Problem
8. Find the arc length for the circular helix with vector function r(t)=cos2ti+sin2tj+tk from the point (1,0,0) to the point (1,0,π). (10%)
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求空間曲線的弧長。
- 第一步:求參數 t 的起點與終點:
- 曲線的參數方程式為 x=cos2t, y=sin2t, z=t。
- 起點為 (1,0,0)⟹z=t=0。
- 終點為 (1,0,π)⟹z=t=π。
- 因此,參數 t 範圍為 t∈[0,π]。
- 第二步:求導向量 r′(t) 與速率 ∥r′(t)∥:
- r′(t)=⟨−2sin2t,2cos2t,1⟩。
- ∥r′(t)∥=(−2sin2t)2+(2cos2t)2+12=4sin22t+4cos22t+1=4(1)+1=5。
- 第三步:利用定積分求弧長:
L=∫0π∥r′(t)∥dt=∫0π5dt=5π
答題過程
展開
首先,我們確定積分的上限與下限。
給定曲線向量值函數:
r(t)=cos2ti+sin2tj+tk
對應參數式:
x(t)=cos2t,y(t)=sin2t,z(t)=t
對比給定點的座標:
- 起點 (1,0,0):
由 z=t=0,此時 x(0)=cos0=1 且 y(0)=sin0=0,符合起點座標。故下限 a=0。
- 終點 (1,0,π):
由 z=t=π,此時 x(π)=cos(2π)=1 且 y(π)=sin(2π)=0,符合終點座標。故上限 b=π。
接下來,對向量值函數求導數以求出切向量:
r′(t)=−2sin2ti+2cos2tj+k
計算其速率(即切向量模長):
∥r′(t)∥====(−2sin2t)2+(2cos2t)2+124sin22t+4cos22t+14(sin22t+cos22t)+14(1)+1=5
帶入曲線弧長積分公式:
L=∫ab∥r′(t)∥dt=∫0π5dt=5[t]0π=5π
結論:
弧長為 5π。