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114 台綜大微積分 B 第 7 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 B

114學年度 · 114微積分B · 第 7 題

題目

Problem

Find the length LL of the space curve given by

x(t)=3cost+1,y(t)=3sint+1andz(t)=4t+1x(t) = 3\cos\sqrt{t+1}, \quad y(t) = 3\sin\sqrt{t+1} \quad \text{and} \quad z(t) = 4\sqrt{t+1}

for t=0t=0 to 11. (10%)

(7) L=見解答L = \underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算空間三維參數曲線在 t[0,1]t \in [0, 1] 範圍內的弧長 LL
  2. 空間曲線弧長的標準公式為: L=tstarttend[x(t)]2+[y(t)]2+[z(t)]2dtL = \int_{t_{\text{start}}}^{t_{\text{end}}} \sqrt{[x'(t)]^2 + [y'(t)]^2 + [z'(t)]^2} \,\mathrm{d}t
  3. 利用變數代換簡化計算: 觀察參數式,三項都含有 t+1\sqrt{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+1u = \sqrt{t+1}
    • t=0    u=1t = 0 \implies u = 1
    • t=1    u=2t = 1 \implies u = \sqrt{2}。 空間曲線在新變數 uu 下簡化為: x(u)=3cosu,y(u)=3sinu,z(u)=4ux(u) = 3\cos u, \quad y(u) = 3\sin u, \quad z(u) = 4u 這是一個典型的圓柱螺旋線 (Circular Helix)!
  4. uu 求導計算微元 ds\mathrm{d}sds=[x(u)]2+[y(u)]2+[z(u)]2du=9sin2u+9cos2u+16du=9+16du=5du\mathrm{d}s = \sqrt{[x'(u)]^2 + [y'(u)]^2 + [z'(u)]^2} \,\mathrm{d}u = \sqrt{9\sin^2 u + 9\cos^2 u + 16} \,\mathrm{d}u = \sqrt{9+16} \,\mathrm{d}u = 5 \,\mathrm{d}u
  5. uu112\sqrt{2} 進行積分,即可極速求得弧長。

答題過程

展開

我們引入變數代換,令:

u=t+1u = \sqrt{t+1}

當參數 tt00 變化到 11 時,新變數 uu 的變化範圍為:

  • t=0t = 0 時, u=0+1=1u = \sqrt{0+1} = 1
  • t=1t = 1 時, u=1+1=2u = \sqrt{1+1} = \sqrt{2}

原參數曲線可用新變數 u[1,2]u \in [1, \sqrt{2}] 重新參數化為:

x(u)=3cosu,y(u)=3sinu,z(u)=4ux(u) = 3\cos u, \quad y(u) = 3\sin u, \quad z(u) = 4u

uu 分別求一階導數:

dxdu=3sinu,dydu=3cosu,dzdu=4\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}u} = -3\sin u, \quad \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u} = 3\cos u, \quad \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}u} = 4

空間參數曲線的弧長公式為:

L=ustartuend(dxdu)2+(dydu)2+(dzdu)2duL = \int_{u_{\text{start}}}^{u_{\text{end}}} \sqrt{\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}u}\right)^2 + \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u}\right)^2 + \left(\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}u}\right)^2} \,\mathrm{d}u

將導數代入根式中進行化簡:

(dxdu)2+(dydu)2+(dzdu)2=(3sinu)2+(3cosu)2+42=9sin2u+9cos2u+16=9(sin2u+cos2u)+16=9(1)+16=25=5\begin{align*} \sqrt{\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}u}\right)^2 + \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u}\right)^2 + \left(\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}u}\right)^2} =&\, \sqrt{(-3\sin u)^2 + (3\cos u)^2 + 4^2} \\[4mm] =&\, \sqrt{9\sin^2 u + 9\cos^2 u + 16} \\[4mm] =&\, \sqrt{9(\sin^2 u + \cos^2 u) + 16} \\[4mm] =&\, \sqrt{9(1) + 16} = \sqrt{25} = 5 \end{align*}

將簡化後的常數微元代回積分式:

L=125du=[5u]12=5(21)L = \int_{1}^{\sqrt{2}} 5 \,\mathrm{d}u = \Big[ 5u \Big]_{1}^{\sqrt{2}} = 5(\sqrt{2} - 1)

結論: 空間曲線的弧長為 5(21)5(\sqrt{2} - 1)