题目
Problem
Figure 1 shows a sketch of the curve C with parametric equations
x=ln(secθ+tanθ)−sinθ,y=cosθ,0≤θ≤4π
The curve C is rotated through 2π radians about the x-axis and is used to form a solid of revolution S.
Using calculus, show that the total surface area of S is given by
2π(p+q2)
where p and q are integers to be determined.
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题目中文翻译
图 1 给出了曲线 C 的示意图,其参数方程为
x=ln(secθ+tanθ)−sinθ,y=cosθ,0≤θ≤4π
曲线 C 绕 x 轴旋转 2π 弧度,形成旋转体 S。
利用微积分证明,S 的总表面积为
2π(p+q2)
其中 p 和 q 为待定整数。
解答
解法一:使用参数曲线的弧长元素
思路
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先分别求 dθdx 和 dθdy,化简参数曲线的弧长因子。曲面侧面积由 2π∫yds 求得;题目问的是总表面积,所以还必须加上两端半径分别为 1 和 21 的圆面面积。
答题过程
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First,
dθdx===secθ+tanθsecθtanθ+sec2θ−cosθsecθ−cosθcosθsin2θ,
and
dθdy=−sinθ.
Since 0≤θ≤4π,
(dθdx)2+(dθdy)2===cos2θsin4θ+sin2θcos2θsin2θtanθ.
Therefore, the curved surface area is
AC=====2π∫0π/4y(dθdx)2+(dθdy)2dθ2π∫0π/4cosθtanθdθ2π∫0π/4sinθdθ2π[−cosθ]0π/42π(1−21).
The radii of the two circular ends are
y(0)=1,y(4π)=21.
Hence the total surface area is
A===2π(1−21)+π(1)2+π(21)227π−π22π(7−22).
Thus p=7 and q=−2.
解法二:使用 dxdy 形式
思路
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官方评分资料也允许使用 2π∫y1+(dxdy)2dx。把 dx 换回参数 θ 后,根式与 dθdx 的乘积仍化成 tanθ,再补上两个端面。
答题过程
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From
dθdx=cosθsin2θ
and
dθdy=−sinθ,
we have
dxdy=−sinθcosθ.
Therefore,
===1+(dxdy)2dθdx1+sin2θcos2θcosθsin2θsinθ1cosθsin2θtanθ.
Thus the curved surface area is
AC===2π∫0π/4y1+(dxdy)2dθdxdθ2π∫0π/4sinθdθ2π(1−21).
Adding the two circular ends gives
A==AC+π+2π2π(7−22).
Therefore, p=7 and q=−2.