题目
Problem
Figure 1 shows a sketch of the curve C with equation
y=21(tanx+cotx)6π≤x≤3π
(a) Show that the length of C is given by
21∫π/6π/3(tan2x+cot2x)dx
(b) Hence determine the exact length of C, giving your answer in simplest form.
(11)
题目中文翻译
图 1 展示了曲线 C 的示意图,其方程为
y=21(tanx+cotx)6π≤x≤3π
(a) 证明曲线 C 的长度可表示为
21∫π/6π/3(tan2x+cot2x)dx
(b) 因此求曲线 C 的精确长度,答案化为最简形式。
解答
(a)
解法一:先使用恒等式再平方
思路
展开
先求导,并立即用 sec2x=1+tan2x 与 cosec2x=1+cot2x 化简。平方后利用 tanxcotx=1,可把弧长公式中的根式整理成题目指定的被积函数;最后还要说明开方时取正值。
答题过程
展开
Differentiating,
dxdy===21(sec2x−cosec2x)21(1+tan2x−1−cot2x)21(tan2x−cot2x).
Since tanxcotx=1,
1+(dxdy)2====1+41(tan2x−cot2x)21+41(tan4x+cot4x−2)41(tan4x+cot4x+2)41(tan2x+cot2x)2.
On the given interval, tan2x+cot2x>0. Therefore,
1+(dxdy)2=21(tan2x+cot2x).
Using the arc length formula,
s==∫π/6π/31+(dxdy)2dx21∫π/6π/3(tan2x+cot2x)dx,
as required.
解法二:先平方再使用恒等式
思路
展开
先保留导数中的 sec2x 与 cosec2x 并整体平方,然后才代入平方恒等式。完整展开后,常数项和二次项抵消,同样得到关于 tan4x 与 cot4x 的表达式。
答题过程
展开
We have
dxdy=21(sec2x−cosec2x).
Squaring first,
(dxdy)2=41(sec4x+cosec4x−2sec2xcosec2x).
Now use
sec2x=1+tan2x,cosec2x=1+cot2x.
Then
4(dxdy)2===(1+tan2x)2+(1+cot2x)2−2(1+tan2x)(1+cot2x)tan4x+cot4x−2tan2xcot2xtan4x+cot4x−2.
Hence
1+(dxdy)2==41(tan4x+cot4x+2)41(tan2x+cot2x)2.
Since tan2x+cot2x>0 on the interval,
1+(dxdy)2=21(tan2x+cot2x).
Therefore,
s=21∫π/6π/3(tan2x+cot2x)dx.
(b)
解法一
思路
展开
必须承接 (a) 的弧长积分。分别把 tan2x 和 cot2x 改写成 sec2x−1 与 cosec2x−1,即可逐项积分;再准确代入两个特殊角并化简。
答题过程
展开
Using the result from part (a),
s===21∫π/6π/3(tan2x+cot2x)dx21∫π/6π/3(sec2x+operatornamecosec2x−2)dx21[tanx−cotx−2x]π/6π/3.
At the upper limit,
tan3π−cot3π−32π==3−31−32π323−32π.
At the lower limit,
tan6π−cot6π−3π==31−3−3π−323−3π.
Therefore,
s===21(323−32π+323+3π)323−6π643−π.