題目
Problem
一、填充題:共 8 題,每題 8 分,共 64 分。
- Find the length of the curve x=ln(sect+tant)−sint, y=cost, 0≤t≤π/3.
解答
解法一:參數曲線弧長公式法
思路
展開
- 本題要求參數曲線的弧長。
- 參數曲線弧長公式:
L=∫ab(dtdx)2+(dtdy)2dt
- 第一步:求出 dtdx:
x(t)=ln(sect+tant)−sint
dtdx=sect−cost
- 第二步:求出 dtdy:
y(t)=cost⟹dtdy=−sint
- 第三步:計算被積式:
(dtdx)2+(dtdy)2=(sect−cost)2+(−sint)2
=sec2t−2sectcost+cos2t+sin2t=sec2t−2(1)+1=sec2t−1=tan2t
因此:
ds=tan2tdt=∣tant∣dt
由於在 t∈[0,π/3], tant≥0,故 ds=tantdt。
- 第四步:積分計算弧長:
L=∫0π/3tantdt=[−ln∣cost∣]0π/3=−ln(1/2)+ln1=ln2
答題過程
展開
給定參數曲線為:
x(t)=ln(sect+tant)−sint,y(t)=cost(0≤t≤3π)
參數曲線的弧長公式為:
L=∫ab(dtdx)2+(dtdy)2dt
我們分別計算導數:
1. 計算 dtdx
dtdx=dtd[ln(sect+tant)]−dtd(sint)
我們知道 dtd[ln(sect+tant)]=sect,所以:
dtdx=sect−cost
2. 計算 dtdy
dtdy=−sint
3. 計算被積項 (dtdx)2+(dtdy)2
(dtdx)2+(dtdy)2=(sect−cost)2+(−sint)2
展開並化簡:
=sec2t−2sectcost+cos2t+sin2t
由於 sectcost=1 且 cos2t+sin2t=1:
=sec2t−2(1)+1=sec2t−1=tan2t
4. 積分求弧長 L
在區間 t∈[0,π/3] 內,正切函數 tant≥0,因此根號展開為:
tan2t=∣tant∣=tant
故弧長為:
L=∫03πtantdt=∫03πcostsintdt
其原函數為 −ln∣cost∣:
L=[−ln∣cost∣]03π=−lncos(3π)−(−ln∣cos0∣)
=−ln(21)+ln(1)=−(−ln2)+0=ln2
結論:
3. 填入 ln2。