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。
- Find the length of the curve r(t)=costi+sintj+ln(cost)k, 0≤t≤π/4.
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求空間向量函數所代表曲線在參數 t∈[0,π/4] 上的弧長。
- 第一步:寫出空間曲線弧長公式:
L=∫ab∥r′(t)∥dt
- 第二步:求導向量 r′(t):
- r(t)=⟨cost,sint,ln(cost)⟩。
- r′(t)=⟨−sint,cost,cost1⋅(−sint)⟩=⟨−sint,cost,−tant⟩。
- 第三步:求速度(模長) ∥r′(t)∥:
∥r′(t)∥=(−sint)2+(cost)2+(−tant)2=1+tan2t=sec2t
- 因為 t∈[0,π/4] 落在第一象限, sect>0,故 ∥r′(t)∥=sect。
- 第四步:進行積分求弧長:
L=∫0π/4sectdt=[ln∣sect+tant∣]0π/4
答題過程
展開
給定曲線向量方程式:
r(t)=costi+sintj+ln(cost)k
我們首先對各分量關於參數 t 求導數以得到切向量 r′(t):
r′(t)=−sinti+costj+cost−sintk=−sinti+costj−tantk
計算切向量的模長(即速率 ∥r′(t)∥):
∥r′(t)∥==(−sint)2+(cost)2+(−tant)2sin2t+cos2t+tan2t
利用三角恆等式 sin2t+cos2t=1:
∥r′(t)∥=1+tan2t=sec2t
由於在積分區間 t∈[0,4π] 內, sect>0,因此可以直接開根號:
∥r′(t)∥=sect
根據曲線弧長公式,進行定積分計算:
L====∫04π∥r′(t)∥dt∫04πsectdt[ln∣sect+tant∣]04πlnsec(4π)+tan(4π)−ln∣sec(0)+tan(0)∣
我們代入三角函數數值(sec(π/4)=2,tan(π/4)=1,sec(0)=1,tan(0)=0):
L=ln(2+1)−ln(1+0)=ln(2+1)−0=ln(2+1)
結論:
7. 填入 ln(2+1)。