題目
Problem
Given polar curve r=e2θ. Find the slope of tangent line of curve at θ=4π.
Also find the arc length of curve for 0≤θ≤2π. (10%)
(7) 斜率為 見解答,弧長為 見解答.
解答
解法一
思路
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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。
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第一部分:求 θ=π/4 處的切線斜率
- 極座標與直角座標的轉換公式為:
x=rcosθ,y=rsinθ
- 切線斜率為 dxdy,利用參數求導:
dxdy=dθdxdθdy=r′cosθ−rsinθr′sinθ+rcosθ
- 給定 r=e2θ⟹r′=2e2θ。
- 將其代入斜率公式,消除 e2θ 後,代入 θ=π/4 計算斜率。
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第二部分:計算 0≤θ≤π/2 的弧長
- 極座標曲線的弧長公式為:
L=∫αβr2+(dθdr)2dθ
- 代入 r=e2θ 與 r′=2e2θ,並對根式進行化簡後直接積分求值。
答題過程
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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=rsinθ
已知極座標方程式為 r=e2θ,對 θ 求導得:
dθdr=2e2θ
切線斜率的公式為:
dxdy=dθdxdθdy=dθdrcosθ−rsinθdθdrsinθ+rcosθ
將 r=e2θ 與 dθdr=2e2θ 代入斜率公式:
dxdy=2e2θcosθ−e2θsinθ2e2θsinθ+e2θcosθ
同除以公因子 e2θ:
dxdy=2cosθ−sinθ2sinθ+cosθ
將 θ=4π 代入(此時 sin4π=cos4π=21):
dxdyθ=4π=2(21)−212(21)+21=2123=3
第二部分:計算弧長
極座標弧長公式為:
L=∫02πr2+(dθdr)2dθ
將 r2=(e2θ)2=e4θ 且 (dθdr)2=(2e2θ)2=4e4θ 代入根號中:
L======∫02πe4θ+4e4θdθ∫02π5e4θdθ5∫02πe2θdθ5[21e2θ]02π25(e2(π/2)−e0)25(eπ−1)
結論:
- 切線斜率為 3
- 弧長為 25(eπ−1)