- A cycloid can be parametrized by the functions x(θ)=(θ−sinθ), y(θ)=(1−cosθ).
- Find dy/dx and d2y/dx2. (10%)
- Plot the cycloid curve. 0≤θ≤2π. (10%)
- Find the length of the cycloid arch. (10%)
- Find the surface area of the solid generated by revolving the cycloid arch about the x-axis. (10%)
- 利用連鎖律可知
dydx=dy/dθdx/dθ=sinθ1−cosθ, d2ydx2=ddxdydx=ddθ(sinθ1−cosθ)dxdθ=cosθ1−cosθ−sin2θ(1−cosθ)21−cosθ=cosθ−1(1−cosθ)3=−1(1−cosθ)2
- 描點繪圖如下
- 由曲線弧長公式可計算如下
s=∫2π0√(dxdθ)2+(dydθ)2dθ=∫2π0√(1−cosθ)2+(sinθ)2dθ=2∫2π0√1+cosθ2dθ=2∫2π0|cosθ2|dθ=4∫π0cosθ2dθ=8sinθ2|π0=8
- 由旋轉體體積公式可知
V=∫2π02πy(θ)√(dxdθ)2+(dydθ)2dθ=4π∫2π0(1−cosθ)√1+cosθ2dθ=8π∫π0(1−cosθ)cosθ2dθ=4π∫π0(cosθ2−cos3θ2)dθ=8π(sinθ2−13sin3θ2)|π0=32π3
- Calculate ∫sin5xdx. (10%)
- Test the convergence of the series ∑1k(1lnk)3/2. (10%)
- Minimize x2+y2 on the curve x4+7x2y2+y4=1. (10%)
- 假若 x2−y2=0,則第三式可寫為 9x4=1,即得 x=±√33,而 y=±√33,故有四點座標為 ±(√33,√33) 與 ±(√33,−√33)。
- 假若 2λ(x2+y2)=−1,則 λ≠0,故有 x2+y2=−12λ。又第一式乘以 x 加上第二式乘以 y 並搭配第三式便有 −1λ+7λ=0,故得 λ=±√77。
- Integrate →h(x,y)=(x+2)y→i+(2x+y)→j over the indicated path y=x2 from (0,0) to (2,4). (10%)
- Take Ω as the parallelogram bounded by x−y=0, x−y=π, x+2y=0, x+2y=π/2. Evaluate ∬Ωsin(x−y)cos(x+2y)dxdy. (10%)
- Evaluate ∫10∫√1−x20∫√1−x2−y201x2+y2+z2dzdydx. (10%)
訣竅
運用連鎖律求參數曲線的斜率與凹性並據此繪圖,隨後透過曲線弧長公式以及旋轉體表面積計算。解法
訣竅
運用變數代換的概念求解即可。解法
利用三角恆等式可改寫並計算所求的不定積分如下∫sin5xdx=∫(1−cos2x)2sinxdx=∫(−1+2cos2x−cos4x)dcosx=−cosx+2cos3x3−cos5x5+C
訣竅
由積分審歛法判斷即可。解法
設 f(x)=1x(1lnx)3/2,容易注意到 f 恆正且遞減。又有∫∞2f(x)dx=−2(lnx)−1/2|∞2=2(ln2)−1/2<∞
因此由積分審歛法知其收斂。訣竅
運用拉格朗日乘子法求條件極值。本題與100學年度碩士班微積分(B)第五題雷同,惟本題改求最小值。解法
設定拉格朗日乘子函數如下F(x,y,λ)=x2+y2+λ(x4+7x2y2+y4−1)
據此解聯立方程組{Fx(x,y,λ)=2x+λ(4x3+14xy2)=0Fy(x,y,λ)=2y+λ(14x2y+4y3)=0Fλ(x,y,λ)=x4+7x2y2+y4−1=0
第一式乘以 x 後減去第二式乘以 y 可知 x2−y2+λ(2x4−2y4)=0,或因式分解為 (x2−y2)[1+2λ(x2+y2)]=0。訣竅
利用參數化計算線積分即可。本題與102學年度碩士班微積分(B)第八題相同。解法
利用參數化計算線積分可知∫L→h⋅d→s=∫20[(t+2)t2⋅1+(2t+t2)⋅2t]dt=∫20(3t3+6t2)dt=3t44+2t3|20=28
訣竅
運用變數變換求解,其中需留意 Jacobian 行列式的計算。解法
令 {u=x−yv=x+2y,那麼 Ω 的四條邊界可表示為 u=0、u=π、v=0 與 v=π/2。又其對應的 Jacobian 行列式為|J|=||∂(x,y)∂(u,v)||=||∂(u,v)∂(x,y)||−1=||∂u∂x∂u∂y∂v∂x∂v∂y||−1=||1−112||−1=13
如此所求之重積分可改寫並計算如下∬Ωsin(x−y)cos(x+2y)dxdy=∫π0∫π/20sinucosv⋅13dvdu=13(∫π0sinudu)(∫π/20cosvdv)=23
訣竅
運用球面座標變換計算即可。解法
令 {x=ρcosθsinϕy=ρsinθsinϕz=ρcosϕ,那麼積分區域給出變數範圍為 {0≤ρ≤10≤θ≤π20≤ϕ≤π2。如此所求的三重積分可改寫並計算如下∫10∫√1−x20∫√1−x2−y201x2+y2+z2dzdydx=∫π20∫π20∫10ρ2sinϕρ2dρdθdϕ=(∫π20sinϕdϕ)(∫π20dθ)(∫10dρ)=π2
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