题目
二、计算题(每题40分,共1道小题,总分值40分)1.设曲线C的极坐标方程为r=asin^3(theta)/(3),求曲线C的全长.
二、计算题(每题40分,共1道小题,总分值40分)
1.
设曲线C的极坐标方程为$r=a\sin^{3}\frac{\theta}{3}$,求曲线C的全长.
题目解答
答案
曲线 $C$ 的极坐标方程为 $r = a \sin^3 \frac{\theta}{3}$。
-
确定积分范围:
由于 $\sin \frac{\theta}{3}$ 的周期为 $6\pi$,但曲线完成一个完整图形的范围为 $0 \leq \theta \leq 3\pi$。 -
计算弧长:
弧长公式为 $s = \int_{0}^{3\pi} \sqrt{r^2 + \left( \frac{dr}{d\theta} \right)^2} \, d\theta$。
代入 $r = a \sin^3 \frac{\theta}{3}$ 和 $r' = a \sin^2 \frac{\theta}{3} \cos \frac{\theta}{3}$,得
$s = a \int_{0}^{3\pi} \sin^2 \frac{\theta}{3} \, d\theta.$ -
化简积分:
使用恒等式 $\sin^2 x = \frac{1 - \cos 2x}{2}$,得
$s = \frac{a}{2} \int_{0}^{3\pi} \left( 1 - \cos \frac{2\theta}{3} \right) \, d\theta = \frac{a}{2} \left[ \theta - \frac{3}{2} \sin \frac{2\theta}{3} \right]_{0}^{3\pi} = \frac{3\pi a}{2}.$
答案:$\boxed{\frac{3\pi a}{2}}$
解析
本题考查极坐标坐标下曲线弧长的计算。解题思路如下:
- 首先,根据极坐标下曲线弧长公式$1),需要先求出曲线\(C$的导数$\frac{dr}{d\theta}$。
- 然后,将$r$和$\frac{dr}{d\theta}$代入弧长公式,化简被积函数。
- 最后,确定积分区间,计算定积分得到曲线$C$的全长。
下面进行详细的解答:
- 求$\frac{dr}{d\theta}$的计算:
已知曲线$C$的极坐标方程为$r = a\sin^{3}\frac{\theta}{3}$,对$r$关于$\theta$求导,根据复合函数求导法则$(u^n)^\prime = nu^{n - 1}u^\prime$,令$u=\sin\frac{\frac{\theta}{3}}$,则$r = au^3$。
先对$au^3$关于$2)\(u$求导得$3au^2$,再对$u=\sin{\frac{\theta}{3}}$关于$\theta$求导得$\frac{1}{3}\cos{\frac{\theta}{3}}$。
根据复合求导的链式法则$\frac{dr}{d\theta}=\frac{dr}{du}\cdot\frac{du}{d\theta}$,可得:
$\frac{dr}{d\theta}=3a\sin^{2}\frac{\theta}{3}\cdot\frac{1}{3}\cos\frac{\theta}{3}=a\sin^{2}\frac{\theta}{3}\cos\frac{\theta}{3}$ - 弧长公式的应用:
极坐标下曲线弧长公式为$s = \int_{\alpha}^{\beta} \sqrt{r^2 + \left( \frac{dr}{d\theta} \right)^2} \, d\theta$,其中$\alpha$和$\beta$是$\theta$的积分区间。
由于$\sin \frac{\theta}{3}$的周期为$T=\frac{2\pi}{\frac{1}{3}} = 6\pi$,但曲线完成一个完整图形的范围为$3)\(0 \leq \theta \leq 3\pi$,所以$\alpha = 0$,$\beta = 3\pi$。
将$r = a\sin^{3}\frac{\theta}{3}$和$\frac{dr}{d\theta}= a\sin^{2}\frac{\theta}{3}\cos\frac{\theta}{3}$代入弧长公式可得:
$\begin{align*}s&=\int_{0}^{3\pi} \sqrt{(a\sin^{3}\frac{\theta}{3})^2 + (a\sin^{2}\frac{\theta}{3}\cos\frac{\theta}{3})^2} \, d\theta\\&=\int_{0}^{3\pi} \sqrt{a^2\sin^{6}\frac{\theta}{3}+a^2\sin^{4}\frac{\theta}{3}}\cos^{2}\frac{\theta}{3}} \, d\theta\\=\int_{0}^{3\pi} \sqrt{a^2\sin^{4}\frac{\theta}{3}(\sin^{2}\frac{\theta}{3}+\cos^{2}\frac{\theta}{3})} \, d\theta\end{align*}$
根据三角函数的平方关系$\sin^{2}x+\cos^{2}x = 1$,上式可化简为:
$s=\int_{0}^{3\pi} \sqrt{a^2\sin^{4}\frac{\theta}{3}} \, d\theta=\int_{0}^{3\pi} |a\sin^{2}\frac{\theta{3}| \, d\theta$
因为在$0 \leq \theta \leq 3\pi$上,$\sin\frac{\theta}{3}\geq0$,所以$s = \int_{0}^{3\pi} a\sin^{2}\frac{\frac{\theta}{3}\} \, d\theta$。 - 定积分的计算:
使用三角函数的降幂公式$\sin^{2}x = \frac{1 - \cos 2x}{2}$,令$x = \frac{\theta{3}$,则$\sin^{2}\frac{\theta}{3} = \frac{1 - \cos \frac{2\theta{3}}{2}$。
所以$s = a\int_{0}^{3\pi} \frac{1 - \cos \frac{frac{2\theta}{3}\}}{2} \, d\theta=\frac{a}{2} \int_{0}^{3\pi} (1 - \cos \frac{2\theta}{3} \, d\theta$。
根据定积分的运算法则$\int_{0}^{3\pi}(f(x)-g(x))dx=\int_{0}^{3\pi}f(x)dx-\int_{0}^{3\pi}g(x)dx$可得:
$s=\frac{a}{2} \left(\int_{0}^{3\pi} 1 \, d\theta - \int_{0}^{3\pi} \cos \frac{2\theta}{3} \, d\theta\right)$
对于$\int_{0}^{3\pi} 1 \, d\theta$,根据定积分基本公式$\int_{a}^{b}1dx=b - a$,可得$\int_{0}^{3\pi} 1 \, d\theta=3\pi - 0 = 3\pi$。
对于$\int_{0}^{3\pi} \cos \frac{2\theta}{3} \, d\theta$,令$u=\frac{2\theta}{3}$,则$du=\frac{2}{3}d\theta}$,当$\theta = 0$时,$u = 0$;当$\theta = 3\pi$时,$u = 2\pi$。
$\int_{0}^{3\pi} \cos \frac{2\theta}{3} \, d\theta=\frac{3}{2}\int_{0}^{2\pi} \cos u \, du=\frac{frac{3}{2}[\sin u]_{0}^{2\pi}=\frac{3}{2}(\sin 2\pi - \sin 0)=0$。
所以$s=\frac{a}{2}(3\pi - 0)=\frac{3\pi a}{2}$。