题目
Problem
The curve C has equation
y=2+ln(1−x2),21≤x≤43.
(a) Show that the length of the curve C is given by
∫1/23/41−x21+x2dx.
(b) Hence, using algebraic integration, show that the length of the curve C is p+lnq, where p and q are rational numbers to be determined.
(9)
题目中文翻译
曲线 C 的方程为
y=2+ln(1−x2),21≤x≤43.
(a) 证明曲线 C 的长度由下式给出:
∫1/23/41−x21+x2dx.
(b) 因此,使用代数积分证明曲线 C 的长度为 p+lnq,其中 p 和 q 为待定有理数。
解答
(a)
解法一
思路
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使用 Cartesian 曲线弧长公式。求导后把根号内通分,分子恰好成为完全平方;同时利用给定区间判断 1−x2>0,从而正确处理开方后的绝对值。
答题过程
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Differentiating,
dxdy=−1−x22x.
Therefore
1+(dxdy)2====1+(1−x2)24x2(1−x2)2(1−x2)2+4x2(1−x2)21+2x2+x4(1−x2)2(1+x2)2.
On 21≤x≤43, both 1+x2 and 1−x2 are positive. Hence
1+(dxdy)2=1−x21+x2.
Thus the length of C is
∫1/23/41−x21+x2dx.
(b)
解法一
思路
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承接 (a) 的弧长积分,先将 improper fraction 写成 −1+2/(1−x2)。后者可用部分分式或 artanhx 积分,再精确代入上下限。
答题过程
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Using the integral from part (a), first write
1−x21+x2=−1+1−x22.
Since
1−x22=1−x1+1+x1,
an antiderivative is
−x+ln(1−x1+x).
Therefore the length is
L===[−x+ln(1−x1+x)]1/23/4(−43+ln7)−(−21+ln3)−41+ln37.
Hence
p=−41,q=37.
解法二
思路
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官方替代路线令 x=tanhθ。这样 1−x2=sech2θ,积分约去后变成 2−sech2θ,可直接积分;最后用 artanhx 表示新上下限。
答题过程
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Let
x=tanhθ,dx=sech2θdθ.
Then
1−x21+x2dx===1−tanh2θ1+tanh2θsech2θdθ(1+tanh2θ)dθ(2−sech2θ)dθ.
Hence an antiderivative is
2θ−tanhθ=2artanhx−x.
Therefore
L===[2artanhx−x]1/23/4(ln7−43)−(ln3−21)−41+ln37.
Thus p=−41 and q=37.