題目
Problem
Find the length L of the space curve given by
x(t)=3cost+1,y(t)=3sint+1andz(t)=4t+1
for t=0 to 1. (10%)
(7) L=見解答.
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求計算空間三維參數曲線在 t∈[0,1] 範圍內的弧長 L。
- 空間曲線弧長的標準公式為:
L=∫tstarttend[x′(t)]2+[y′(t)]2+[z′(t)]2dt
- 利用變數代換簡化計算:
觀察參數式,三項都含有 t+1。為了避免複雜的微分連鎖律,我們可以先令新變數 u=t+1。
- 當 t=0⟹u=1。
- 當 t=1⟹u=2。
空間曲線在新變數 u 下簡化為:
x(u)=3cosu,y(u)=3sinu,z(u)=4u
這是一個典型的圓柱螺旋線 (Circular Helix)!
- 對 u 求導計算微元 ds:
ds=[x′(u)]2+[y′(u)]2+[z′(u)]2du=9sin2u+9cos2u+16du=9+16du=5du
- 對 u 從 1 到 2 進行積分,即可極速求得弧長。
答題過程
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我們引入變數代換,令:
u=t+1
當參數 t 從 0 變化到 1 時,新變數 u 的變化範圍為:
- 當 t=0 時, u=0+1=1
- 當 t=1 時, u=1+1=2
原參數曲線可用新變數 u∈[1,2] 重新參數化為:
x(u)=3cosu,y(u)=3sinu,z(u)=4u
對 u 分別求一階導數:
dudx=−3sinu,dudy=3cosu,dudz=4
空間參數曲線的弧長公式為:
L=∫ustartuend(dudx)2+(dudy)2+(dudz)2du
將導數代入根式中進行化簡:
(dudx)2+(dudy)2+(dudz)2====(−3sinu)2+(3cosu)2+429sin2u+9cos2u+169(sin2u+cos2u)+169(1)+16=25=5
將簡化後的常數微元代回積分式:
L=∫125du=[5u]12=5(2−1)
結論:
空間曲線的弧長為 5(2−1)。