题目
Problem
A curve has parametric equations
x=a(θ−sinθ)y=a(1−cosθ)
where a is a positive constant.
(a) Show that
(dθdx)2+(dθdy)2=ka2sin22θ
where k is a constant to be determined.
The part of the curve from θ=0 to θ=2π is rotated through 2π radians about the x-axis.
(b) Determine the area of the surface generated, giving your answer in terms of π and a.
[Solutions relying on calculator technology are not acceptable.]
(9)
题目中文翻译
一条曲线的参数方程为
x=a(θ−sinθ)y=a(1−cosθ)
其中 a 为正常数。
(a) 证明
(dθdx)2+(dθdy)2=ka2sin22θ
其中 k 为待定常数。
从 θ=0 到 θ=2π 的那段曲线绕 x 轴旋转 2π 弧度。
(b) 求生成曲面的面积,答案用 π 和 a 表示。
【不能依赖计算器技术。】
解答
(a)
解法一
思路
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先分别对两个参数方程关于 θ 求导,再平方相加。利用 sin2θ+cos2θ=1 化成 1−cosθ,最后用半角恒等式 1−cosθ=2sin22θ 得到指定形式。
答题过程
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Differentiating with respect to θ,
dθdx=a(1−cosθ),dθdy=asinθ.
Therefore,
(dθdx)2+(dθdy)2====a2(1−cosθ)2+a2sin2θa2(1−2cosθ+cos2θ+sin2θ)2a2(1−cosθ)4a2sin2(2θ).
Hence
k=4.
(b)
解法一
思路
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参数曲线绕 x 轴旋转的曲面面积为 2π∫ydθdsdθ。承接 (a) 求出弧长因子时,必须根据给定参数范围确定绝对值的正负;再用半角恒等式把被积函数化成 sin32θ,以准确的代换完成积分。
答题过程
展开
From part (a),
dθds==(dθdx)2+(dθdy)22asin(2θ).
For 0≤θ≤2π, we have
0≤2θ≤π, so
sin2θ≥0. Hence
dθds=2asin(2θ).
Also,
y=a(1−cosθ)=2asin2(2θ).
Thus the surface area S is
S==2π∫02πydθdsdθ8πa2∫02πsin3(2θ)dθ.
Let u=2θ, so dθ=2du. Then
∫02πsin3(2θ)dθ====2∫0πsin3udu2∫0πsinu(1−cos2u)du2[−cosu+31cos3u]0π38.
Therefore,
S=364πa2.