题目
Problem
7.
The curve C has parametric equations
x=cosht+t,y=cosht−t,0≤t≤ln3.
(a) Show that
(dtdx)2+(dtdy)2=2cosh2t.
(3)
The curve C is rotated through 2π radians about the x-axis. The area of the curved surface generated is given by S.
(b) Show that
S=2π2∫0ln3(cosh2t−tcosht)dt.
(2)
(c) Hence find the value of S, giving your answer in the form
9π2(a+bln3)
where a and b are constants to be determined.
(7)
题目中文翻译
曲线 C 的参数方程为
x=cosht+t,y=cosht−t,0≤t≤ln3
(a) 证明
(dtdx)2+(dtdy)2=2cosh2t
(3)
将曲线 C 绕 x 轴旋转 2π 弧度。所生成的曲面面积记为 S。
(b) 证明
S=2π2∫0ln3(cosh2t−tcosht)dt
(2)
(c) 因此求 S 的值,答案写成
9π2(a+bln3)
的形式,其中 a 和 b 为待求常数。
(7)
解答
(a)
解法一
思路
展开
分别对两个参数方程求导。平方相加后一次项抵消,再用 1+sinh2t=cosh2t 化为题目要求的形式。
答题过程
展开
Differentiating with respect to t,
dtdx=sinht+1,dtdy=sinht−1.
Therefore
(dtdx)2+(dtdy)2====(sinht+1)2+(sinht−1)2sinh2t+2sinht+1+sinh2t−2sinht+12sinh2t+22cosh2t.
(b)
解法一
思路
展开
绕 x 轴旋转的曲面面积为 2π∫yds。由 (a) 求出 ds/dt;在给定区间内 cosht>0,所以开平方时不产生符号歧义。
答题过程
展开
For a parametric curve rotated about the x-axis,
S=2π∫y(dtdx)2+(dtdy)2dt.
Using part (a), and noting that cosht>0,
2cosh2t=2cosht.
Hence
S==2π∫0ln3(cosht−t)2coshtdt2π2∫0ln3(cosh2t−tcosht)dt.
(c)
解法一
思路
展开
承接 (b),用 cosh2t=(1+cosh2t)/2 积分第一项;第二项 ∫tcoshtdt 用分部积分。代入 t=ln3 时,从指数定义精确求出 sinht、cosht 与 sinh2t。
答题过程
展开
Using
cosh2t=21(1+cosh2t),
we obtain
∫cosh2tdt=2t+41sinh2t.
Also, integration by parts gives
∫tcoshtdt==tsinht−∫sinhtdttsinht−cosht.
Therefore, from part (b),
S=2π2[2t+41sinh2t−tsinht+cosht]0ln3.
At t=ln3,
sinht=23−1/3=34,cosht=23+1/3=35,
and hence
sinh2t=2sinhtcosht=940.
Thus
S===2π2(21ln3+910−34ln3+35−1)2π2(916−65ln3)9π2(32−15ln3).
Therefore
a=32,b=−15.
解法二
思路
展开
将 (b) 的被积式写成指数形式。平方项直接逐项积分,tet 与 te−t 分别使用分部积分,再代入同一组上下限。
答题过程
展开
From part (b),
2π2S=∫0ln3(cosh2t−tcosht)dt.
Using exponential definitions,
cosh2t=41(e2t+2+e−2t),tcosht=21(tet+te−t).
Integration by parts gives
∫tetdt=∫te−tdt=tet−∫etdt=(t−1)et,−te−t+∫e−tdt=−(t+1)e−t.
An antiderivative of cosh2t−tcosht is therefore
F(t)=81e2t+2t−81e−2t−21(t−1)et+21(t+1)e−t.
Since eln3=3,
F(ln3)==F(0)=89+21ln3−721−23(ln3−1)+61(ln3+1)925−65ln3,1.
Hence
S===2π2(F(ln3)−F(0))2π2(916−65ln3)9π2(32−15ln3).
Thus a=32,b=−15.
解法三
思路
展开
先把被积式写成 cosht(cosht−t),整体进行分部积分。对余项再做一次分部积分,含 sinhtcosht 的乘积相消,最后只需计算 ∫cosh2tdt。
答题过程
展开
For the integral in part (b), let
J=∫cosht(cosht−t)dt.
Integrating by parts with u=cosht−t and dv=coshtdt,
J=(cosht−t)sinht−∫sinht(sinht−1)dt.
A second integration by parts gives
∫sinht(sinht−1)dt=(sinht−1)cosht−∫cosh2tdt.
Consequently,
J===(cosht−t)sinht−(sinht−1)cosht+∫cosh2tdt−tsinht+cosht+∫21+cosh2tdt−tsinht+cosht+2t+41sinh2t.
Using sinh(ln3)=4/3, cosh(ln3)=5/3 and sinh(2ln3)=40/9,
S===2π2[J]0ln32π2(−34ln3+35+21ln3+910−1)9π2(32−15ln3).
Therefore a=32,b=−15.