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112 台聯大微積分(A3/A4/A6) 第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

112學年度 · 112微積分A3/A4/A6 · 第 3 題

題目

Problem

一、填充題:共 8 題,每題 8 分,共 64 分。

  1. Find the length of the curve x=ln⁡(sec⁡t+tan⁡t)−sin⁡tx = \ln(\sec t + \tan t) - \sin t, y=cos⁡ty = \cos t, 0≤t≤π/30 \le t \le \pi/3.

解答

解法一:參數曲線弧長公式法

思路

展開
  1. 本題要求參數曲線的弧長。
  2. 參數曲線弧長公式: L=∫ab(dxdt)2+(dydt)2 dtL = \int_a^b \sqrt{\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \right)^2 + \left( \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \right)^2} \,\mathrm{d}t
  3. 第一步:求出 dxdt\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}: x(t)=ln⁡(sec⁡t+tan⁡t)−sin⁡tx(t) = \ln(\sec t + \tan t) - \sin t dxdt=sec⁡t−cos⁡t\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = \sec t - \cos t
  4. 第二步:求出 dydt\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}: y(t)=cos⁡t  ⟹  dydt=−sin⁡ty(t) = \cos t \implies \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} = -\sin t
  5. 第三步:計算被積式: (dxdt)2+(dydt)2=(sec⁡t−cos⁡t)2+(−sin⁡t)2\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \right)^2 + \left( \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \right)^2 = (\sec t - \cos t)^2 + (-\sin t)^2 =sec⁡2t−2sec⁡tcos⁡t+cos⁡2t+sin⁡2t=sec⁡2t−2(1)+1=sec⁡2t−1=tan⁡2t= \sec^2 t - 2\sec t\cos t + \cos^2 t + \sin^2 t = \sec^2 t - 2(1) + 1 = \sec^2 t - 1 = \tan^2 t 因此: ds=tan⁡2t dt=∣tan⁡t∣ dt\mathrm{d}s = \sqrt{\tan^2 t}\,\mathrm{d}t = |\tan t|\,\mathrm{d}t 由於在 t∈[0,π/3]t \in [0, \pi/3], tan⁡t≥0\tan t \ge 0,故 ds=tan⁡t dt\mathrm{d}s = \tan t \,\mathrm{d}t。
  6. 第四步:積分計算弧長: L=∫0π/3tan⁡t dt=[−ln⁡∣cos⁡t∣]0π/3=−ln⁡(1/2)+ln⁡1=ln⁡2L = \int_0^{\pi/3} \tan t \,\mathrm{d}t = [-\ln|\cos t|]_0^{\pi/3} = -\ln(1/2) + \ln 1 = \ln 2

答題過程

展開

給定參數曲線為:

x(t)=ln⁡(sec⁡t+tan⁡t)−sin⁡t,y(t)=cos⁡t(0≤t≤π3)x(t) = \ln(\sec t + \tan t) - \sin t, \quad y(t) = \cos t \quad \left( 0 \le t \le \frac{\pi}{3} \right)

參數曲線的弧長公式為:

L=∫ab(dxdt)2+(dydt)2 dtL = \int_a^b \sqrt{\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\right)^2 + \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)^2} \,\mathrm{d}t

我們分別計算導數:

1. 計算 dxdt\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}

dxdt=ddt[ln⁡(sec⁡t+tan⁡t)]−ddt(sin⁡t)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} \left[ \ln(\sec t + \tan t) \right] - \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}(\sin t)

我們知道 ddt[ln⁡(sec⁡t+tan⁡t)]=sec⁡t\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}[\ln(\sec t + \tan t)] = \sec t,所以:

dxdt=sec⁡t−cos⁡t\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = \sec t - \cos t

2. 計算 dydt\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}

dydt=−sin⁡t\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} = -\sin t

3. 計算被積項 (dxdt)2+(dydt)2\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\right)^2 + \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)^2

(dxdt)2+(dydt)2=(sec⁡t−cos⁡t)2+(−sin⁡t)2\left(\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\right)^2 + \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\right)^2 = (\sec t - \cos t)^2 + (-\sin t)^2

展開並化簡:

=sec⁡2t−2sec⁡tcos⁡t+cos⁡2t+sin⁡2t= \sec^2 t - 2 \sec t \cos t + \cos^2 t + \sin^2 t

由於 sec⁡tcos⁡t=1\sec t \cos t = 1 且 cos⁡2t+sin⁡2t=1\cos^2 t + \sin^2 t = 1:

=sec⁡2t−2(1)+1=sec⁡2t−1=tan⁡2t= \sec^2 t - 2(1) + 1 = \sec^2 t - 1 = \tan^2 t

4. 積分求弧長 LL

在區間 t∈[0,π/3]t \in [0, \pi/3] 內,正切函數 tan⁡t≥0\tan t \ge 0,因此根號展開為:

tan⁡2t=∣tan⁡t∣=tan⁡t\sqrt{\tan^2 t} = |\tan t| = \tan t

故弧長為:

L=∫0π3tan⁡t dt=∫0π3sin⁡tcos⁡t dtL = \int_0^{\frac{\pi}{3}} \tan t \,\mathrm{d}t = \int_0^{\frac{\pi}{3}} \frac{\sin t}{\cos t} \,\mathrm{d}t

其原函數為 −ln⁡∣cos⁡t∣-\ln|\cos t|:

L=[−ln⁡∣cos⁡t∣]0π3=−ln⁡∣cos⁡(π3)∣−(−ln⁡∣cos⁡0∣)L = \left[ -\ln|\cos t| \right]_0^{\frac{\pi}{3}} = -\ln\left| \cos\left(\frac{\pi}{3}\right) \right| - (-\ln|\cos 0|) =−ln⁡(12)+ln⁡(1)=−(−ln⁡2)+0=ln⁡2= -\ln\left(\frac{1}{2}\right) + \ln(1) = -(-\ln 2) + 0 = \ln 2

結論: 3. 填入 ln⁡2\displaystyle \ln 2。