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113 台綜大微積分(A) 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分A

113學年度 · 113微積分A · 第 8 題

題目

Problem

8. Find the arc length for the circular helix with vector function r(t)=cos⁡2ti+sin⁡2tj+tk\mathbf{r}(t) = \cos 2t \mathbf{i} + \sin 2t \mathbf{j} + t \mathbf{k} from the point (1,0,0)(1, 0, 0) to the point (1,0,π)(1, 0, \pi). (10%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求空間曲線的弧長。
  2. 第一步:求參數 tt 的起點與終點:
    • 曲線的參數方程式為 x=cos⁡2tx = \cos 2t, y=sin⁡2ty = \sin 2t, z=tz = t。
    • 起點為 (1,0,0)  ⟹  z=t=0(1, 0, 0) \implies z = t = 0。
    • 終點為 (1,0,π)  ⟹  z=t=π(1, 0, \pi) \implies z = t = \pi。
    • 因此,參數 tt 範圍為 t∈[0,π]t \in [0, \pi]。
  3. 第二步:求導向量 r′(t)\mathbf{r}'(t) 與速率 ∥r′(t)∥\|\mathbf{r}'(t)\|:
    • r′(t)=⟨−2sin⁡2t,2cos⁡2t,1⟩\mathbf{r}'(t) = \langle -2\sin 2t, 2\cos 2t, 1 \rangle。
    • ∥r′(t)∥=(−2sin⁡2t)2+(2cos⁡2t)2+12=4sin⁡22t+4cos⁡22t+1=4(1)+1=5\|\mathbf{r}'(t)\| = \sqrt{(-2\sin 2t)^2 + (2\cos 2t)^2 + 1^2} = \sqrt{4\sin^2 2t + 4\cos^2 2t + 1} = \sqrt{4(1)+1} = \sqrt{5}。
  4. 第三步:利用定積分求弧長: L=∫0π∥r′(t)∥ dt=∫0π5 dt=5πL = \int_0^\pi \|\mathbf{r}'(t)\| \,\mathrm{d}t = \int_0^\pi \sqrt{5} \,\mathrm{d}t = \sqrt{5}\pi

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)=cos⁡2ti+sin⁡2tj+tk\mathbf{r}(t) = \cos 2t \mathbf{i} + \sin 2t \mathbf{j} + t \mathbf{k}

對應參數式:

x(t)=cos⁡2t,y(t)=sin⁡2t,z(t)=tx(t) = \cos 2t, \quad y(t) = \sin 2t, \quad z(t) = t

對比給定點的座標:

  • 起點 (1,0,0)(1, 0, 0): 由 z=t=0z = t = 0,此時 x(0)=cos⁡0=1x(0) = \cos 0 = 1 且 y(0)=sin⁡0=0y(0) = \sin 0 = 0,符合起點座標。故下限 a=0a = 0。
  • 終點 (1,0,π)(1, 0, \pi): 由 z=t=πz = t = \pi,此時 x(π)=cos⁡(2π)=1x(\pi) = \cos(2\pi) = 1 且 y(π)=sin⁡(2π)=0y(\pi) = \sin(2\pi) = 0,符合終點座標。故上限 b=πb = \pi。

接下來,對向量值函數求導數以求出切向量:

r′(t)=−2sin⁡2ti+2cos⁡2tj+k\mathbf{r}'(t) = -2\sin 2t \mathbf{i} + 2\cos 2t \mathbf{j} + \mathbf{k}

計算其速率(即切向量模長):

∥r′(t)∥= (−2sin⁡2t)2+(2cos⁡2t)2+12= 4sin⁡22t+4cos⁡22t+1= 4(sin⁡22t+cos⁡22t)+1= 4(1)+1=5\begin{align*} \left\| \mathbf{r}'(t) \right\| =&\, \sqrt{(-2\sin 2t)^2 + (2\cos 2t)^2 + 1^2} \\[2mm] =&\, \sqrt{4\sin^2 2t + 4\cos^2 2t + 1} \\[2mm] =&\, \sqrt{4\left(\sin^2 2t + \cos^2 2t\right) + 1} \\[2mm] =&\, \sqrt{4(1) + 1} = \sqrt{5} \end{align*}

帶入曲線弧長積分公式:

L=∫ab∥r′(t)∥ dt=∫0π5 dt=5[t]0π=5πL = \int_a^b \left\| \mathbf{r}'(t) \right\| \,\mathrm{d}t = \int_0^\pi \sqrt{5} \,\mathrm{d}t = \sqrt{5} \Big[ t \Big]_0^\pi = \sqrt{5}\pi

結論: 弧長為 5π\sqrt{5}\pi。