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114 台綜大微積分 A 第 7 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 A

114學年度 · 114微積分A · 第 7 題

題目

Problem

Given polar curve r=e2θr = e^{2\theta}. Find the slope of tangent line of curve at θ=π4\theta = \frac{\pi}{4}. Also find the arc length of curve for 0θπ20 \le \theta \le \frac{\pi}{2}. (10%)

(7) 斜率為 見解答\underline{\quad\text{見解答}\quad},弧長為 見解答\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開

本題分為兩個子問題:第一是求極座標曲線的切線斜率,第二是計算極座標曲線的弧長。

  1. 第一部分:求 θ=π/4\theta = \pi/4 處的切線斜率

    • 極座標與直角座標的轉換公式為: x=rcosθ,y=rsinθx = r\cos\theta, \quad y = r\sin\theta
    • 切線斜率為 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x},利用參數求導: dydx=dydθdxdθ=rsinθ+rcosθrcosθrsinθ\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}\theta}}{\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}\theta}} = \frac{r'\sin\theta + r\cos\theta}{r'\cos\theta - r\sin\theta}
    • 給定 r=e2θ    r=2e2θr = e^{2\theta} \implies r' = 2e^{2\theta}
    • 將其代入斜率公式,消除 e2θe^{2\theta} 後,代入 θ=π/4\theta = \pi/4 計算斜率。
  2. 第二部分:計算 0θπ/20 \le \theta \le \pi/2 的弧長

    • 極座標曲線的弧長公式為: L=αβr2+(drdθ)2dθL = \int_{\alpha}^{\beta} \sqrt{r^2 + \left(\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}\right)^2} \,\mathrm{d}\theta
    • 代入 r=e2θr = e^{2\theta}r=2e2θr' = 2e^{2\theta},並對根式進行化簡後直接積分求值。

答題過程

展開

第一部分:計算切線斜率

直角座標與極座標的轉換關係為:

x=rcosθ,y=rsinθx = r\cos\theta, \quad y = r\sin\theta

已知極座標方程式為 r=e2θr = e^{2\theta},對 θ\theta 求導得:

drdθ=2e2θ\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta} = 2e^{2\theta}

切線斜率的公式為:

dydx=dydθdxdθ=drdθsinθ+rcosθdrdθcosθrsinθ\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}\theta}}{\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}\theta}} = \frac{\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}\sin\theta + r\cos\theta}{\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}\cos\theta - r\sin\theta}

r=e2θr = e^{2\theta}drdθ=2e2θ\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta} = 2e^{2\theta} 代入斜率公式:

dydx=2e2θsinθ+e2θcosθ2e2θcosθe2θsinθ\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{2e^{2\theta}\sin\theta + e^{2\theta}\cos\theta}{2e^{2\theta}\cos\theta - e^{2\theta}\sin\theta}

同除以公因子 e2θe^{2\theta}

dydx=2sinθ+cosθ2cosθsinθ\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{2\sin\theta + \cos\theta}{2\cos\theta - \sin\theta}

θ=π4\theta = \frac{\pi}{4} 代入(此時 sinπ4=cosπ4=12\sin\frac{\pi}{4} = \cos\frac{\pi}{4} = \frac{1}{\sqrt{2}}):

dydxθ=π4=2(12)+122(12)12=3212=3\left. \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \right|_{\theta=\frac{\pi}{4}} = \frac{2\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right) + \frac{1}{\sqrt{2}}}{2\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right) - \frac{1}{\sqrt{2}}} = \frac{\frac{3}{\sqrt{2}}}{\frac{1}{\sqrt{2}}} = 3

第二部分:計算弧長

極座標弧長公式為:

L=0π2r2+(drdθ)2dθL = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sqrt{r^2 + \left(\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}\right)^2} \,\mathrm{d}\theta

r2=(e2θ)2=e4θr^2 = \left(e^{2\theta}\right)^2 = e^{4\theta}(drdθ)2=(2e2θ)2=4e4θ\left(\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}\right)^2 = \left(2e^{2\theta}\right)^2 = 4e^{4\theta} 代入根號中:

L=0π2e4θ+4e4θdθ=0π25e4θdθ=50π2e2θdθ=5[12e2θ]0π2=52(e2(π/2)e0)=52(eπ1)\begin{align*} L =&\, \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sqrt{e^{4\theta} + 4e^{4\theta}} \,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sqrt{5e^{4\theta}} \,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \sqrt{5} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} e^{2\theta} \,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \sqrt{5} \left[ \frac{1}{2} e^{2\theta} \right]_{0}^{\frac{\pi}{2}} \\[4mm] =&\, \frac{\sqrt{5}}{2} \left( e^{2(\pi/2)} - e^0 \right) \\[4mm] =&\, \frac{\sqrt{5}}{2} \left( e^{\pi} - 1 \right) \end{align*}

結論:

  • 切線斜率為 33
  • 弧長為 52(eπ1)\frac{\sqrt{5}}{2}\left(e^{\pi}-1\right)