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113 台聯大微積分(A3/A4/A6) 第 7 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

113學年度 · 113微積分A3/A4/A6 · 第 7 題

題目

Problem

甲、填充題:共8題,每題8分,共64分。請在答案卷上列出題號依序作答。

  1. Find the length of the curve r(t)=costi+sintj+ln(cost)k\mathbf{r}(t) = \cos t \mathbf{i} + \sin t \mathbf{j} + \ln(\cos t) \mathbf{k}, 0tπ/40 \le t \le \pi/4.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求空間向量函數所代表曲線在參數 t[0,π/4]t \in [0, \pi/4] 上的弧長。
  2. 第一步:寫出空間曲線弧長公式L=abr(t)dtL = \int_a^b \left\| \mathbf{r}'(t) \right\| \,\mathrm{d}t
  3. 第二步:求導向量 r(t)\mathbf{r}'(t)
    • r(t)=cost,sint,ln(cost)\mathbf{r}(t) = \langle \cos t, \sin t, \ln(\cos t) \rangle
    • r(t)=sint,cost,1cost(sint)=sint,cost,tant\mathbf{r}'(t) = \langle -\sin t, \cos t, \frac{1}{\cos t} \cdot (-\sin t) \rangle = \langle -\sin t, \cos t, -\tan t \rangle
  4. 第三步:求速度(模長) r(t)\left\| \mathbf{r}'(t) \right\|r(t)=(sint)2+(cost)2+(tant)2=1+tan2t=sec2t\left\| \mathbf{r}'(t) \right\| = \sqrt{(-\sin t)^2 + (\cos t)^2 + (-\tan t)^2} = \sqrt{1 + \tan^2 t} = \sqrt{\sec^2 t}
    • 因為 t[0,π/4]t \in [0, \pi/4] 落在第一象限, sect>0\sec t > 0,故 r(t)=sect\left\| \mathbf{r}'(t) \right\| = \sec t
  5. 第四步:進行積分求弧長L=0π/4sectdt=[lnsect+tant]0π/4L = \int_0^{\pi/4} \sec t \,\mathrm{d}t = \left[ \ln|\sec t + \tan t| \right]_0^{\pi/4}

答題過程

展開

給定曲線向量方程式:

r(t)=costi+sintj+ln(cost)k\mathbf{r}(t) = \cos t \mathbf{i} + \sin t \mathbf{j} + \ln(\cos t) \mathbf{k}

我們首先對各分量關於參數 tt 求導數以得到切向量 r(t)\mathbf{r}'(t)

r(t)=sinti+costj+sintcostk=sinti+costjtantk\mathbf{r}'(t) = -\sin t \mathbf{i} + \cos t \mathbf{j} + \frac{-\sin t}{\cos t} \mathbf{k} = -\sin t \mathbf{i} + \cos t \mathbf{j} - \tan t \mathbf{k}

計算切向量的模長(即速率 r(t)\left\| \mathbf{r}'(t) \right\|):

r(t)=(sint)2+(cost)2+(tant)2=sin2t+cos2t+tan2t\begin{align*} \left\| \mathbf{r}'(t) \right\| =&\, \sqrt{(-\sin t)^2 + (\cos t)^2 + (-\tan t)^2} \\[2mm] =&\, \sqrt{\sin^2 t + \cos^2 t + \tan^2 t} \end{align*}

利用三角恆等式 sin2t+cos2t=1\sin^2 t + \cos^2 t = 1

r(t)=1+tan2t=sec2t\left\| \mathbf{r}'(t) \right\| = \sqrt{1 + \tan^2 t} = \sqrt{\sec^2 t}

由於在積分區間 t[0,π4]t \in \left[0,\, \frac{\pi}{4}\right] 內, sect>0\sec t > 0,因此可以直接開根號:

r(t)=sect\left\| \mathbf{r}'(t) \right\| = \sec t

根據曲線弧長公式,進行定積分計算:

L=0π4r(t)dt=0π4sectdt=[lnsect+tant]0π4=lnsec(π4)+tan(π4)lnsec(0)+tan(0)\begin{align*} L =&\, \int_0^{\frac{\pi}{4}} \left\| \mathbf{r}'(t) \right\| \,\mathrm{d}t \\[4mm] =&\, \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sec t \,\mathrm{d}t \\[4mm] =&\, \Big[ \ln|\sec t + \tan t| \Big]_0^{\frac{\pi}{4}} \\[4mm] =&\, \ln\left| \sec\left(\frac{\pi}{4}\right) + \tan\left(\frac{\pi}{4}\right) \right| - \ln|\sec(0) + \tan(0)| \end{align*}

我們代入三角函數數值(sec(π/4)=2,tan(π/4)=1,sec(0)=1,tan(0)=0\sec(\pi/4) = \sqrt{2}, \tan(\pi/4) = 1, \sec(0) = 1, \tan(0) = 0):

L=ln(2+1)ln(1+0)=ln(2+1)0=ln(2+1)L = \ln(\sqrt{2} + 1) - \ln(1 + 0) = \ln(\sqrt{2} + 1) - 0 = \ln(\sqrt{2} + 1)

結論: 7. 填入 ln(2+1)\ln(\sqrt{2} + 1)