设曲线的极坐标方程为 rho = e^atheta (a > 0),则该曲线上相应于 theta 从 0 变到 2pi 的一段弧与极轴所围成的图形的面积为 _________.
设曲线的极坐标方程为 $\rho = e^{a\theta} (a > 0)$,则该曲线上相应于 $\theta$ 从 0 变到 $2\pi$ 的一段弧与极轴所围成的图形的面积为 _________.
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查极坐标系下平面图形面积的计算方法,需要掌握极坐标方程转化为面积积分的基本公式,并能正确进行定积分的计算。
解题核心思路:
- 极坐标面积公式:在极坐标中,由曲线$\rho = f(\theta)$从$\theta = \alpha$到$\theta = \beta$围成的面积公式为$A = \frac{1}{2} \int_{\alpha}^{\beta} \rho^2 \, d\theta$。
- 代入方程:将题目中的$\rho = e^{a\theta}$代入公式,转化为对$e^{2a\theta}$的积分。
- 定积分计算:通过指数函数的积分规则求解定积分,注意上下限的代入。
破题关键点:
- 正确应用面积公式,明确积分变量为$\theta$,积分上下限为$0$到$2\pi$。
- 化简被积函数时注意平方运算,避免符号错误。
- 积分计算时注意分母系数的处理,避免计算错误。
1. 应用极坐标面积公式
根据极坐标面积公式:
$A = \frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} \rho^2 \, d\theta$
将$\rho = e^{a\theta}$代入,得:
$A = \frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} \left(e^{a\theta}\right)^2 \, d\theta = \frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} e^{2a\theta} \, d\theta$
2. 计算定积分
对$e^{2a\theta}$积分:
$\int e^{2a\theta} \, d\theta = \frac{1}{2a} e^{2a\theta} + C$
代入上下限$0$到$2\pi$:
$\int_{0}^{2\pi} e^{2a\theta} \, d\theta = \frac{1}{2a} \left[ e^{2a \cdot 2\pi} - e^{0} \right] = \frac{1}{2a} \left( e^{4a\pi} - 1 \right)$
3. 求最终面积
将积分结果代入面积公式:
$A = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2a} \left( e^{4a\pi} - 1 \right) = \frac{1}{4a} \left( e^{4a\pi} - 1 \right)$